悬臂梁及其制造方法与流程

本发明属于灵敏力探测研究领域，具体涉及低弹性系数悬臂梁的结构以及制造方法。

背景技术：

微纳米尺寸悬臂梁的厚度一般小于1微米，长度是几十到几百微米，宽是几十微米。该悬臂梁具有极低的弹性系数，对力的响应极其灵敏，可以应用于各种力的探测，如磁扭矩的力，卡斯米尔力，磁共振力等。基于悬臂梁力探测的灵敏度主要是取决于悬臂梁的弹性系数和q值，以及悬臂梁位移测量方法。

现有的弯曲式悬臂梁，其结构如图1所示，包括沿第一方向y延伸的主体100，和一体地形成于所述主体的所述第一方向的一端的固定端部200，该固定端部沿着与所述第一方向大致垂直的第二方向x延伸，使整个悬臂梁成为大致t形，主体具有大致一定的宽度和厚度。该类型悬臂梁的弹性系数与主体的长度的一次方成反比，与主体的厚度的三次方成正比。

目前，用于灵敏力探测所需的悬臂梁是通过一系列微加工工艺制备而成。通常是从soi(silicon-on-insulator，绝缘衬底上的硅)基片开始，经过数次的光刻，湿法刻蚀和干法刻蚀，最终得到悬臂梁。通过微加工工艺的摸索，可制备出厚度低至100nm的悬臂梁，它的弹性系数可以达到6μn/m[appl.phys.lett.71,288(1997)]。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题

虽然目前有许多可以买到的悬臂梁产品，但是可以真正适合用来做灵敏力探测的并不多。现有的弯曲式悬臂梁因其结构和制备工艺等方面的原因，想要获得超低弹性系数的悬臂梁绝非易事，经过繁琐的制备工艺摸索，才能制备出100nm厚的悬臂梁，而且很难进一步降低其弹性系数。

具体而言，现有的悬臂梁是弯曲式，该类型悬臂梁的弹性系数与它的长度的一次方成反比，与它厚度的三次方成正比。如果想要降低悬臂梁的弹性系数需要更薄的结构。聚焦离子束刻蚀技术操作简便，上手快，利用它也能制备出厚度100nm甚至更薄的结构，然而聚焦离子束刻蚀技术并不适用于在图1所示的z方向上减薄弯曲式的悬臂梁。原因一，聚焦离子束刻蚀技术是将离子(如镓离子)加速，然后经过磁透镜聚焦进行刻蚀，在焦点处能形成小于10nm的光斑，但是离焦点越远处，光斑面积也越大。在切削减薄样品时，如果沿聚焦离子束出射方向需要刻蚀距离过长，由于入射方向光斑的大小不一致，会使加工样品出现厚度不均匀的现象。而弯曲式悬臂梁的长度至少也有几十μm，宽度也需要有5μm，要使这样面积的悬臂梁加工到小于300nm的厚度，应用聚焦离子束刻蚀是几乎不可能的。原因二，应用离子束刻蚀减薄样品时，样品需要有很好的固定。而悬臂梁一端固定，另一端悬空，在用离子轰击悬臂梁时非常容易引起悬臂梁的振动，所带来的后果是减薄不均匀，甚至破坏原有结构。另一方面，在力探测实验中，根据所测力的大小需要不同弹性系数的悬臂梁，这就像通常的测量仪器有量程一样，而购买的悬臂梁通常是一批只有相同的弹性系数，这样就无法调整量程。例如，动态磁扭矩测量中，每次测试的样品的磁性都不相同，如果悬臂梁弹性系数较小而测试样品磁性较强，悬臂梁会发生弯曲，严重时导致测量失效。所以对于不同磁性和体积的样品应当选择合适弹性系数的悬臂梁。

另外，例如适用于afm(atomicforcemicroscope，原子力显微镜)实验的悬臂梁，在悬臂梁的自由端一般都有镀金层，而在磁扭矩测试样品磁性时，当悬臂梁振动时，所施加的强磁场会在悬臂梁的镀金层形成电流的涡流，使悬臂梁q值随外磁场增加快速下降，降低测量灵敏度，通常磁场到1特斯拉以上时已无法进行测量。

此外，制备悬臂梁所需的微加工工艺并非简单的仪器操作，而是需要具备相当知识与经验的储备才能制备出合格的悬臂梁，通常对于制备工艺条件参数的摸索就需要耗费大量时间与金钱。

本发明是针对上述问题做出的，其目的在于提供一种超低弹性系数悬臂梁及其制造方案。

解决技术问题的手段

为了解决上述问题，本发明提供一种适用于力探测实验的悬臂梁，包括沿第一方向延伸的主体，和一体地形成于所述主体的所述第一方向的一端的固定端部，该固定端部沿着与所述第一方向大致垂直的第二方向延伸，其特征在于，所述悬臂梁包括沿所述第二方向延伸的纳米微桥，所述悬臂梁的主体通过所述纳米微桥与所述固定端部连接。

采用本发明的扭转式悬臂梁，由于悬臂梁的主体是通过纳米微桥与固定端部连接的，与现有的弯曲式悬臂梁相比能够实现更小的弹性系数。

优选的是，所述主体的所述第一方向的一端在所述纳米微桥的中间位置与所述纳米微桥连接，所述纳米微桥在其两端与所述固定端部连接。采用这样的结构，能够使左侧的微桥和右侧的微桥所受的扭转力大致相同，从而提高扭转式悬臂梁的测量精度。

优选的是，所述纳米微桥在所述第一方向的宽度为50nm至1000nm，所述悬臂梁在与所述第一方向和第二方向均垂直的第三方向的厚度为500nm至2000nm。

由于能够通过改变纳米微桥的宽度来调整悬臂梁的弹性系数，与现有的弯曲式悬臂梁相比能够更容易地改变弹性系数，从而能够根据实际测量范围来制作最适合的悬臂梁，对于不同磁性和体积的样品提供合适弹性系数的悬臂梁。

优选的是，所述悬臂梁的材料为单晶硅。相比较其它电学悬臂梁传感器的复杂结构，单晶硅悬臂梁拥有较高的q值，更容易实现高灵敏度的力探测。

优选的是，所述力探测实验使用光干涉法来测力，所述主体的所述第一方向的另一端为自由端，其具有一个大面积部。位移测量以激光干涉法最为灵敏。所以，采用超低弹性系数的单晶硅悬臂梁和光干涉测量法，能够进行高灵敏的力探测。

优选的是，所述固定端部在所述第一方向上与所述主体相反的一侧一体地具有任意形状的基片。

此外，本发明提供一种制造悬臂梁的方法，其特征是应用聚焦离子束刻蚀技术对已有悬臂梁进行刻蚀加工，实现扭转式悬臂梁结构，包括以下步骤：

以商业可购买的单晶硅悬臂梁作为母体，聚焦离子束的入射方向为大致与所述第一方向和所述第二方向大致垂直的方向，应用聚焦离子束的刻蚀功能，在母体悬臂梁上刻蚀出扭转悬臂梁图形主体；

应用聚焦离子束的减薄功能，对所述微桥的第一方向厚度进行减薄处理；

应用聚焦离子束的刻蚀功能，切断扭转悬臂梁的所述微桥与基片的连接以及扭转悬臂梁与母体悬臂梁的其它多余部分的连接，将悬臂梁释放。

有益效果

1、本发明的扭转式悬臂梁结构，由于悬臂梁的主体是通过纳米微桥与固定端部连接的，与现有的弯曲式悬臂梁相比能够实现更小的弹性系数、高品质因子的悬臂梁。

2、在利用聚焦离子束减薄微桥时，微桥的宽度可以实时控制，因此任何弹性系数的悬臂梁都可以制备，更方便用于不同力探测的使用条件。

3、应用商业可购买的单晶硅悬臂梁和方便易用的聚焦离子束刻蚀技术，使极灵敏悬臂梁更易获得。

附图说明

图1是表示弯曲式悬臂梁结构的示意图。

图2是表示扭转式悬臂梁结构的示意图。

图3是表示应用聚焦离子束中的刻蚀功能在弯曲式悬臂梁母体上形成扭转悬臂梁的加工的示意图，其表示聚焦离子束相对于母体的入射方向。

图4是表示应用聚焦离子束中的刻蚀功能在弯曲式悬臂梁母体上形成扭转悬臂梁的加工的示意图，其表示所形成的大致t形结构。

图5是表示应用聚焦离子束中的刻蚀功能在弯曲式悬臂梁母体上形成扭转悬臂梁的加工的示意图，其表示对微桥进行了减薄处理后的状态。

图6是表示应用聚焦离子束中的刻蚀功能在弯曲式悬臂梁母体上形成扭转悬臂梁的加工的示意图，其表示悬臂梁已完成的形态。

图7是表示作为母体的单晶硅悬臂梁之实例的sem照片。

图8是表示其对图7所示的母体进行初步的聚焦离子束刻蚀后的悬臂梁之实例的sem照片，其表示形成了本发明的扭转悬臂梁的t形轮廓的状态。

图9是图8所示的悬臂梁中的微桥的放大sem照片。

图10是完成聚焦离子束减薄处理后的扭转悬臂梁sem照片。

图11是表示去掉多余连接和多余母体悬臂梁部分后的扭转悬臂梁的最终状态的sem照片。

图12是表示在使用本发明的悬臂梁进行力探测时使用的磁性样品的光学显微镜照片。

图13是表示载置了被测磁性样品的扭转悬臂梁的状态的sem照片。

图14是表示用扭转式悬臂梁测量crocl薄层纳米铁磁材料的磁化特性的曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

[本发明的扭转式悬臂梁结构]

为解决背景技术中存在的所述问题，本专利提供一种扭转式悬臂梁结构。图2是表示本发明的扭转式悬臂梁结构的示意图。如图2所示，该悬臂梁10整体是大致“t”字形，包括沿y方向延伸的主体20，和一体地形成于主体的+y方向端部的固定端部30，该固定端部30沿着x方向延伸。主体20的靠固定端部30一侧的端部为根端，与固定端部30一侧相反侧的端部为前端，又称为自由端。与图1所示的弯曲式悬臂梁不同，本发明的扭转式悬臂梁还包括沿x方向延伸的纳米微桥40，悬臂梁的主体20的根端部通过纳米微桥40与固定端部30连接。

在本实施方式中，具体的固定方式是主体20的根端部通过左桥41和右桥42这两个部分与基片相连接，即纳米微桥40包括左桥41和右桥42这两个部分。较佳的方式是，左桥41和右桥42这两个部分的长度大致相同，即主体20的+y方向端部在纳米微桥40的大致中间位置与纳米微桥40连接，纳米微桥40在其两端与固定端部30连接。采用这样的结构，能够使左桥41和右桥42所受的扭转力大致相同，从而提高扭转式悬臂梁的测量精度。当然，扭转式悬臂梁不限于上述结构，也可以是左桥41和右桥42的长度不同。

在本实施方式中，在纳米微桥40的与主体20相反的一侧(即+y方向一侧)，形成了一个大致矩形的长孔50。该长孔50的长边沿着x方向，短边沿着y方向。

图1所示的弯曲式悬臂梁振动时的形变是靠梁整体的弯曲，图2所示的扭转式的悬臂梁振动的形变是依靠两个微桥扭曲和悬臂梁整体弯曲共同贡献。对于扭转式的悬臂梁，想要减小其弹性系数，不仅可以在z方向使整个悬臂梁更薄，也可以使纳米微桥40的左桥41和右桥42处更细来实现。可以根据扭转式悬臂梁的实际测量范围，来适当地确定纳米微桥的宽度即y方向的尺寸和z方向的厚度。优选的是，所述纳米微桥在y方向的宽度为50nm至1000nm，悬臂梁10在z方向的厚度为500nm至2000nm。

悬臂梁的材料可以是单晶硅、氮化硅或金刚石等常用于制备悬臂梁的材料，也可以是其它任何材料，此处不做特殊限定。

优选以单晶硅作为悬臂梁的材料。相比较其它电学悬臂梁传感器的复杂结构，单晶硅悬臂梁拥有较高的q值。

此外，在本实施方式中，说明了悬臂梁10整体是“t”字形的情况，但是悬臂梁10整体的形状不限于t字形。也可以如图11所示的那样，在主体的前端即自由端形成用于反光的面积较大的方形区域。位移测量以激光干涉法最为灵敏。所以，采用超低弹性系数的单晶硅悬臂梁和光干涉测量法，能够进行高灵敏的力探测。

固定端部的形状也不限于沿与主体垂直的方向延伸的直线形状，也可以是固定端部在+y方向上即与主体相反的一侧一体地具有任意形状的基片。只要悬臂梁的主体与纳米微桥附近的固定端部构成为大致“t”字形，就能够实现本发明的扭转式悬臂梁结构。

采用本发明的扭转式悬臂梁，由于是悬臂梁的主体是通过纳米微桥与固定端部连接的，与现有的弯曲式悬臂梁相比能够实现更小的弹性系数。此外，由于能够通过改变纳米微桥的宽度来调整悬臂梁的弹性系数，与现有的弯曲式悬臂梁相比能够更容易地改变弹性系数，从而能够根据实际测量范围来制作最适合的悬臂梁，对于不同磁性和体积的样品提供合适弹性系数的悬臂梁。

[扭转式悬臂梁的制造方法]

本发明应用聚焦离子束刻蚀技术(fib)，以商业可购买的悬臂梁为母体，制备扭转式悬臂梁。以厚度为1μm的商业悬臂梁为例，加工后的扭转式悬臂梁弹性系数最低可至1μn/m。

相比较于通常的悬臂梁制备工艺，如曝光，干法或湿法刻蚀等，聚焦离子束刻蚀技术具有简单易操作的特点。通常的聚焦离子束刻蚀设备只需要简单培训即可上机操作。但是应用聚焦离子束刻蚀技术在功能上并无法与传统制备悬臂梁的微加工工艺相比拟，无法直接刻蚀体硅完成高质量悬臂梁的制备。然而商业单晶硅悬臂梁通过购买容易获得，但是通常这些悬臂梁的弹性系数较大，并不能满足灵敏力探测的要求。如果用聚焦离子束刻蚀技术对购买的悬臂梁进行刻蚀加工，则有可能制备出满足测量需要的，更低弹性系数的悬臂梁，并且方便省时，能够提高科研效率。

用聚焦离子束刻蚀左桥和右桥这两个微桥时，能够使离子束入射沿z方向，将悬臂梁z方向的材料完全刻蚀掉，使微桥在y方向变得更薄，这样的做法能够避免离子束直接轰击悬臂梁导致离子注入损伤。由于沿离子束的入射方向(z)，需要刻蚀掉的深度就是悬臂梁的厚度，而一般悬臂梁厚度都比较小(小于1μm)，所以能够达到较好的刻蚀减薄效果。从制造工艺的角度看，本发明的扭转式悬臂梁还有一个有点，沿y方向的微桥是双端固定，比起z方向刻蚀悬臂梁只有一端固定，能够使减薄处理更加均匀、可控。

下面参照图3至图6，对本发明的扭转式悬臂梁的制造方法的一个实施方式进行说明。图3至图6是表示应用聚焦离子束中的刻蚀功能在弯曲式悬臂梁母体上形成扭转悬臂梁的加工的示意图，其中，图3表示聚焦离子束相对于母体的入射方向，图4表示通过聚焦离子束中刻蚀所形成的大致t形结构，图5表示表示对微桥进行了减薄处理后的状态，图6表示悬臂梁已完成的形态，图3至图6中的fib表示聚焦离子束。

在本发明的一个实施方式中，采用商业单晶硅悬臂梁作为母体，应用聚焦离子束刻蚀技术制备，该扭转式悬臂梁的制造方法包括以下步骤：

(1)采用商业可购买的单晶硅悬臂梁作为母体，悬臂梁放置的位置是聚焦离子束入射方向与悬臂梁基片平面垂直，如图3所示。

(2)应用聚焦离子束中的刻蚀功能，在弯曲式悬臂梁母体上形成扭转悬臂梁的大致“t”形结构，如图4所示。为了避免大束流进刻蚀造成的注入损伤，左桥ab与右桥bc在y方向的宽度比设计的要宽，在这一步，微桥上的位置b与基片上的位置d之间也是相连的，与基片连接是为了增加结构的稳定性，提高刻蚀质量。

(3)用聚焦离子束的减薄功能(cleaningcrosssection)对包括左桥ab和右桥bc的微桥在y方向减薄处理。如图5所示，cleaningcrosssection功能覆盖的刻蚀区域，逐渐沿y方向推进，使左桥ab和右桥bc在y方向变窄，直到达到想要的微桥尺寸。

(4)用聚焦离子束的刻蚀功刻蚀断微桥与基片的连接，这时悬臂梁得到释放。图6所示为悬臂梁完成后的形态。

下面参照图7至图14对本发明的实施例进行说明。

实施例1

实施例1是利用聚焦离子束刻蚀技术，以商业悬臂梁为母体制造本发明的扭转悬臂梁的一个实例。图7是表示作为母体的单晶硅悬臂梁之实例的sem照片。其中的商业悬臂梁为nanoword公司的arrowtl2悬臂梁。

在实施例1中，利用聚焦离子束刻蚀技术，以商业悬臂梁为母体制作扭转悬臂梁的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用商业可购买的单晶硅悬臂梁作为母体，nanoworld公司的单晶硅悬臂梁，尺寸为500μm*100μm*1μm，如图7所示，聚焦离子束入射方向与悬臂梁基片平面垂直。

(2)为了在弯曲式悬臂梁母体上形成扭转悬臂梁的t形结构，应用聚焦离子束中的刻蚀功能，在此用较大束流提高刻蚀效率，例如，离子束电压为90kv，电流为93pa。图8是表示其对图7所示的母体进行初步的聚焦离子束刻蚀后的悬臂梁之实例的sem照片，其表示形成了本发明的扭转悬臂梁的t形轮廓的状态。应用聚焦离子束的刻蚀功能，刻蚀出扭转悬臂梁的轮廓。为了避免大束流进刻蚀造成的注入损伤，包括左桥ab和右桥bc的微桥在y方向的宽度比设计的要宽，约为3-5μm。在这一步，bd之间也是相连的，微桥与基片连接是为了增加结构的稳定性，提高刻蚀质量。图8所示扭转悬臂梁总长be(图中未见到标记e)为150μm。悬臂梁自由端用于反光的方形区域面积为30μm*40μm。

(3)用聚焦离子束的减薄功能(cleaningcrosssection)对包括左桥ab和右桥bc的微桥在y方向减薄处理。图9是图8所示的悬臂梁中的微桥的放大sem照片。如图9所示，图中标号1、2、3、4所示的区域为cleaningcrosssection功能刻蚀区域，在这里每个刻蚀区域大小为1μm*35μm，深度设置为1μm，离子束电压为90kv，电流为0.79pa。应用聚焦离子束的减薄功能(cleaningcrosssection)对微桥减薄，区域1、2、3、4每次刻蚀都向微桥方向收缩0.3μm。即区域1和2每次向上推进0.3μm，区域3和4每次向下推进0.3μm，直到达到想要的微桥尺寸。图10是完成聚焦离子束减薄处理后的扭转悬臂梁sem照片。微桥在y方向的尺寸约为200nm。

(4)用聚焦离子束的刻蚀功刻蚀断扭转悬臂梁与基片的连接，还有母体悬臂梁的多余部分，这时悬臂梁得到释放。图11是表示去掉多余连接和多余母体悬臂梁部分后的扭转悬臂梁的最终状态的sem照片。

此处，作为一个实施例，上述步骤(2)中左桥ab和右桥bc的微桥宽度预留3-5μm，但该尺寸也可为大于1μm的任何值，其不受上述实施例的限制。

作为一个实施例，上述步骤(2)中扭转悬臂梁长度be为150μm，但该尺寸也可为任何值，其不受上述实施例的限制。

作为一个实施例，上述步骤(2)中扭转悬臂梁自由端反光面面积为30μm*40μm，但该尺寸也可为任何值，其不受上述实施例的限制。

作为一个实施例，上述步骤(3)中应用聚焦离子束的减薄功能对左桥ab和左桥bc的微桥在y方向减薄后，尺寸达到200nm。但该尺寸也可为大于50nm小于1000nm的任何值，其不受上述实施例的限制。

实施例2

为了验证该悬臂梁在力探测中所起的作用，将本发明的扭转式悬臂梁用于动态磁扭矩测量，证实了其具有极高灵敏度，完全胜任对于微纳米磁性样品的测试。

图12是表示在使用本发明的悬臂梁进行力探测时使用的磁性样品的光学显微镜照片。作为磁性样品的crocl薄层纳米铁磁材料，其物理特性为层状，层与层之间是受范德瓦尔斯力结合，所以层间易解理。图12是crocl用胶带机械剥离后的光学显微镜照片，图中所示的30μm*20μm区域是约八层的结构，总厚度约为6nm。为了测试该纳米样品的磁性，将此八层的crocl样品转移到制备好的悬臂梁自由端(样品转移方法可参阅文献physicalreviewapplied11,054007,2019)。图13是表示载置了被测磁性样品的扭转悬臂梁的状态的sem照片。悬臂梁尺寸与实施例1中的相同，悬臂梁和其上样品的sem照片如图13所示。悬臂梁自由端的扩宽的平面是用于激光测距时的反射面。

实验中，采用激光干涉测量法来测量悬臂梁的位移，在外加磁场的作用下，悬臂梁自由端的磁性样品受到扭矩的作用，使悬臂梁弯曲并且改变了悬臂梁的共振频率。实验中所测试的数据是悬臂梁共振频率随磁场的变化，以此来反应磁性样品的磁化特性。测试温度为4.4k，扫场为从-7.5t到+7.5t的循环。图14是表示用扭转式悬臂梁测量crocl薄层纳米铁磁材料的磁化特性的曲线图。如图14所示，可以观察到该铁磁材料随磁场所引起的悬臂梁共振频率的变化，从该测量上可以看到明显的磁回滞特性出现在3t到6t和-3t到-6t，这异于常规材料的磁化特性是该材料尺度(只有8层)减小所表现出的特性。这说明该悬臂梁在力探测方面具有极高的灵敏度的，完全胜任此类纳米样品磁性测量。