法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿AFM探针的方法技术

本发明专利技术针对现有普通AFM探针在测量时存在的固有缺陷，提供了一种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。本发明专利技术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。提高AFM探针测量的精准度。提高AFM探针测量的精准度。

【技术实现步骤摘要】
法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿AFM探针的方法


[0001]本专利技术属于AFM探针生产制造
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：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。
[0007]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
‑
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上沉积25
‑
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
‑
12分钟。
[0008]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。
[0009]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
‑
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。
[0010]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。
[0011]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℃。
[0012]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。
[0013]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿AFM探针的方法，其特征在于，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。2. 如权利要求1所述的法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿AFM探针的方法，其特征在于，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
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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。3.如权利要求1所述的法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿AFM探针的方法，其特征在于，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。4.如权利要求1所述的法拉第笼刻蚀法大批量制备倾角补偿AFM探针的方法，其特征在于，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
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C，时间：160
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200s；2）Cr2O3蚀刻：Cl2体积流量：40 s...

【专利技术属性】
技术研发人员：李金涛，朱效立，贾宪生，崔波，
申请(专利权)人：杭州探真纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：