法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿AFM探针的方法与流程

法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿afm探针的方法
技术领域
1.本发明属于afm探针生产制造技术领域，尤其是涉及一种法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿afm探针的方法。


背景技术：

2.原子力显微镜（afm）是一种常见且重要的检测微观结构的设备。其工作原理是当afm探针靠近样品时，探针与样品分子或原子之间产生作用力，导致探针悬臂梁发生形变，该形变可由激光信号检测并通过z
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方向移动样品台或者探针来维持恒定，从而得到样品表面不同x
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y位置的高度信息并生成样品三维形貌图。afm检测技术不需要对检测样品进行特殊处理，避免造成不可逆伤害，而且可以在液体和大气环境下工作，因此在材料科学，半导体工业，生命科学等领域有着广泛的应用。
3.afm探针是与样品直接产生作用的部分，主要由支撑悬臂梁的探针基底，具有弹性的悬臂梁和位于悬臂梁末端的针尖三部分组成。现如今市场上存在的探针，针尖部分几乎都是垂直于悬臂梁的尖锥形状。当afm工作时，安装好的探针悬臂梁一般会与水平面呈约10
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13
°
的夹角。这会在一定程度上导致图案失真，尤其在测量较深的狭窄结构时，如图1(a)所示。倾角补偿探针是指探针针尖与悬臂梁呈现一定角度，从而在悬臂梁与水平面呈现一定角度时，探针针尖垂直于被测样品，可增加测量结果的准确性，如图1(b)所示。
4.现今市场上的探针由于湿法制备工艺的局限，几乎都是非倾角补偿探针。而在原始探针基础上加工出倾角补偿探针的办法，一般是通过制备硬掩膜，遮挡住探针的一半，将另一半刻蚀去除，这种方法会破坏原始afm探针悬臂梁等固有结构。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决上述技术问题，提供一种法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿afm探针的方法。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿afm探针的方法，包括以下步骤：1）选用soi片作为基片，soi片包括工艺si、sio2埋层和衬底si，工艺si，sio2埋层和衬底si厚度分别为10
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20um、0.5
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2um、300
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500um；2）在soi片上分别沉积cr2o3层、旋涂pmma层、沉积al层、旋涂聚苯乙烯ps层共四层掩膜；3）通过电子束曝光技术，同时曝光悬臂梁部分ps层和针尖部分pmma层两层掩膜，之后将ps层在室温下显影；4）将显影后的ps层结构，通过干法刻蚀的方法，依次转移到al层、pmma层、cr2o3层和si层，在si层上得到探针悬臂梁结构；5）将样品浸泡在al腐蚀液里，去除al层和ps层，然后将pmma层显影，得到用于制备针尖的图案，将图案用干法刻蚀方法转移到cr2o3层；
6）利用法拉第笼角度刻蚀法，以cr2o3层为掩膜，得到倾斜的圆锥si结构；7）将soi片浸泡在cr2o3腐蚀液中，去除cr2o3掩膜，并在表面旋涂一层足以覆盖探针针尖的pmma光刻胶；8）在soi片另一面，即衬底si上，旋涂az4620光刻胶，并曝光、显影；9）利用bosch工艺刻蚀暴露的衬底si，直至sio2层；10）去除az4620光刻胶和pmma保护层；11）将soi片在管式炉中氧化；12）将样片浸泡在hf溶液中，去除氧化产生的sio2，使针尖锐化，同时去除sio2埋层，得到整片的倾角补偿探针。
7.作为优选，步骤2）中，在soi片上形成四层掩膜的方法具体为：利用电子束蒸发在soi片工艺si上沉积80
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120nm cr2o3；之后在cr2o3上旋涂330
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370nmpmma，并在170
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190℃热板上烘烤8
‑
12分钟；随后利用电子束蒸发在pmma上沉积25
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35nm al；最后，在al上旋涂450
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550nm厚的ps，并在100
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140℃热板上烘烤8
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12分钟。
8.作为优选，步骤3）中，曝光剂量对应于悬臂和针尖图案的区域分别为65
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75μc/cm2和12000
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13000μc/cm2。
9.作为优选，干法刻蚀的工艺步骤及工艺参数为：1）al pmma蚀刻：bcl3体积流量：55 sccm，压强：1 mtorr，rf功率：250 w，icp 功率：800 w，温度：23
°
c，时间：160
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200s；2）cr2o3蚀刻：cl2体积流量：40 sccm，o2体积流量：10 sccm，压强：10 mtorr，rf 功率：10 w，icp 功率：1200 w，温度：50
°
c，时间：20
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30s ；3）80
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100s si刻蚀：沉积周期：c4f8体积流量：200sccm，压强：25mtorr，rf 功率：0w，icp 功率：1200w，温度：5℃，时间：2s ；刻蚀周期1：sf6体积流量：700sccm，压强：50mtorr，rf 功率：140w，icp 功率：2800w，温度：5℃，时间：1s；刻蚀周期2：700sccm sf6，压强：50mtorr，rf 功率：70w，icp 功率：2800w，温度：5℃，时间：3s。
10.作为优选，步骤5）中，将样片浸入al腐蚀液中去除al层和ps层，al腐蚀液各组分体积比为h3po4: ch3cooh: hno3: h2o= 25: 2: 1: 5，之后使用苯甲醚显影液，室温下对pmma显影90
‑
110s，清洗，吹干；将pmma图形转移到cr2o3层上，形成cr2o3掩膜，即用以刻蚀得到针尖部分的掩膜。
11.作为优选，步骤6）中，将法拉第笼置入刻蚀腔体，笼罩在soi上，以cr2o3为掩膜，利用法拉第笼引导等离子体进行倾角刻蚀，得到倾斜圆锥结构；其中刻蚀工艺参数为：sf6体积流量：15sccm，c4f8体积流量：45sccm，压强：20mtorr，rf 功率：20w，icp 功率：1100w，温度：5℃。
12.作为优选，步骤7）中，使用cr腐蚀液去除cr2o3掩膜，cr腐蚀液中各组分比例为硝酸铈铵：乙酸：水= 120g：100ml：500ml，在器件si层上旋涂17um的pmma，在180℃热板上烘烤
10分钟，完全覆盖工艺si上的结构；之后在衬底si上旋涂12umaz4620光刻胶，在110℃热板上烘烤3分钟，随后再次旋涂12umaz4620光刻胶，在115℃热板上烘烤5分钟，最终得到约24um厚的az4620掩膜。
13.作为优选，步骤8）中，对az4620进行紫外曝光，曝光剂量为1950mj/cm2，室温下在az400k显影液中显影4分钟，使用去离子水清洗，并干燥，在120℃热板上烘烤20分钟，得到最终用以刻蚀得到探针基底的掩膜。
14.作为优选，步骤9）中，用bosch工艺，以az4620光刻胶为掩膜，刻蚀衬底si，直至sio2埋层。
15.作为优选，步骤11）中，将样片放入管式炉中，950℃保温1小时，将表层si氧化为sio2。
16.采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：针对现有普通afm探针在测量时存在的固有缺陷，本发明提出了一种利用法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿afm探针的方法，该技术方案利用法拉第笼在等离子体环境中形成等电位，引导等离子体以垂直于法拉第笼表面的方向进入法拉第笼的特性，进而以cr2o3为硬掩膜，进行倾斜刻蚀，从而得到倾角补偿afm针尖；同时利用电子束曝光，uv曝光及bosch工艺，得到探针悬臂梁及探针基底。
17.本发明能够以耗时短且成本低的工艺实现在整片soi片上大批量生产倾角补偿探针，并改良afm探针，提高afm探针测量的精准度。
附图说明
18.图1为普通探针与倾角补偿探针检测凹槽效果图；图2为法拉第笼倾角刻蚀示意图；图3为利用法拉第笼制备倾角补偿探针流程图，其中a
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f,h
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k为正视图，g是f的侧视图；图4为法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿afm探针的方法制备的倾角补偿探针示意图；图中：1
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衬底si；2
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sio2埋层；3
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工艺si；4
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cr2o3层；5
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pmma层；6
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al层；7
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ps层；8
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低剂量电子束；9
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高剂量电子束；10
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法拉第笼；11
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az4620光刻胶；12
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afm探针基底；13
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afm探针悬臂梁；14
‑
afm探针针尖。
具体实施方式
19.以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
20.法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿afm探针的方法，包括以下步骤：1）选用四寸soi片作为原料，其中工艺si3、sio2埋层2和衬底si1厚度分别为12um、1.2um、400um；需要说明的是，工艺si3、sio2埋层2和衬底si1厚度的取值范围分别为10
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20um、0.5
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2um、300
‑
500um，本实施例仅取一值以作实例；2）利用电子束蒸发在soi片工艺si3上沉积100nm cr2o3；之后在cr2o3上旋涂
350nmpmma，并在180℃热板上烘烤10分钟；随后利用电子束蒸发在pmma层5上沉积30nm al；最后，在al上旋涂500nm厚的ps，并在120℃热板上烘烤10分钟，形成四层掩膜，如图3(a)所示；需要说明的是，在soi片上形成四层掩膜的方法具体为：利用电子束蒸发在soi片工艺si3上沉积80
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120nm cr2o3；之后在cr2o3上旋涂330
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370nmpmma，并在170
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190℃热板上烘烤8
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12分钟；随后利用电子束蒸发在pmma层5上沉积25
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35nm al；最后，在al上旋涂450
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550nm厚的ps，并在100
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140℃热板上烘烤8
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12分钟，本实施例仅对各取值范围内取一值以作实例；3）利用电子束曝光，加速电压为15 kev，曝光剂量对应于悬臂和针尖图案的区域分别为70μc/cm2和12500μc/cm2，如图3(a)所示，ps用低剂量和高剂量混合的电子束曝光形成悬臂梁图案，pmma用高剂量电子束曝光生成针尖图案；需要说明的是，曝光剂量对应于悬臂和针尖图案的区域分别为65
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75μc/cm2和12000
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13000μc/cm2，本实施例仅对各取值范围内取一值以作实例；使用mibk显影液，室温下对ps显影150s，完毕后用去离子水冲洗干净并吹干，如图3(b)所示；4）用刻蚀法将显影后的ps图案依次转移到al、pmma、cr2o3、si层，如图3(c)所示，刻蚀的工艺步骤及工艺参数为：1）al pmma蚀刻：bcl3体积流量：55 sccm，压强：1 mtorr，rf功率：250 w，icp 功率：800 w，温度：23
°
c，时间：180s；2）cr2o3蚀刻：cl2体积流量：40 sccm，o2体积流量：10 sccm，压强：10 mtorr，rf 功率：10 w，icp 功率：1200 w，温度：50
°
c，时间：25s；3）90s si刻蚀：沉积周期：c4f8体积流量：200sccm，压强：25mtorr，rf 功率：0w，icp 功率：1200w，温度：5℃，时间：2s ；刻蚀周期1：sf6体积流量：700sccm，压强：50mtorr，rf 功率：140w，icp 功率：2800w，温度：5℃，时间：1s；刻蚀周期2：700sccm sf6，压强：50mtorr，rf 功率：70w，icp 功率：2800w，温度：5℃，时间：3s；5）将样片浸入al腐蚀液中去除al层6和ps层7，al腐蚀液各组分体积比为h3po4: ch3cooh: hno3: h2o= 25: 2: 1: 5，之后使用苯甲醚显影液，室温下对pmma显影100s，清洗，吹干，使用步骤4）中的刻蚀程序，将pmma图形转移到cr2o3层4上，如图3(e)所示，形成cr2o3掩膜，即用以刻蚀得到针尖部分的掩膜；6）将法拉第笼10置入刻蚀腔体，笼罩在soi上，以cr2o3为掩膜，利用法拉第笼10引导等离子体进行倾角刻蚀，可得到倾斜圆锥结构，且将悬臂梁之外部分刻蚀至sio2层，如图3(f)和3(g)所示；其中刻蚀工艺参数为：sf6体积流量：15sccm，c4f8体积流量：45sccm，压强：20mtorr，rf 功率：20w，icp 功率：1100w，温度：5℃；
7）使用cr腐蚀液去除cr2o3掩膜，cr腐蚀液中各组分比例为硝酸铈铵：乙酸：水= 120g：100ml：500ml，在器件si层上旋涂17um的pmma，在180℃热板上烘烤10分钟，完全覆盖工艺si3上的结构；之后在衬底si1上旋涂12umaz4620光刻胶，在110℃热板上烘烤3分钟，随后再次旋涂12umaz4620光刻胶，在115℃热板上烘烤5分钟，最终得到约24um厚的az4620掩膜，如图3(h)所示；8）对az4620进行紫外曝光，曝光剂量1950mj/cm2，室温下在az400k(1:4)显影液中显影4分钟，使用去离子水清洗，并干燥，在120℃热板上烘烤20分钟，得到最终用以刻蚀得到探针基底的掩膜。
21.9）利用bosch工艺，以az4620光刻胶为掩膜，刻蚀衬底si1，直至sio2埋层2，刻蚀条件为步骤4）中si刻蚀工艺，如图3(i)所示；10）将样片放入60℃丙酮内，去除pmma和az4620光刻胶；11）将样片放入管式炉中，1100℃保温2小时，将表层si氧化为sio2，如图3(j)所示；12）将样片放入hf溶液（hf:h2o=1:10）中,去除si表面的sio2，进一步使针尖锐化，并去除暴露出的sio2埋层2，从而得到倾角补偿探针，如图3(k)所示。
22.通过上述步骤可得到大批量得到倾角补偿探针，倾角补偿探针结构如图4所示，倾角补偿探针包括afm探针基底12、afm探针悬臂梁13、afm探针针尖14。
23.针对现有普通afm探针在测量时存在的固有缺陷，本发明提供了一种利用法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿afm探针的方法，该技术方案利用法拉第笼在等离子体环境中形成等电位，引导等离子体以垂直于法拉第笼表面的方向进入法拉第笼的特性，如图2所示。进而以cr2o3为硬掩膜，进行倾斜刻蚀，从而得到倾角补偿afm针尖；同时利用电子束曝光，uv曝光及bosch工艺，得到探针悬臂梁及探针基底。
24.本发明能够以耗时短且成本低的工艺实现在整片soi片上大批量生产倾角补偿探针，并改良afm探针，提高afm探针测量的精准度。
25.除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。