一种高分辨率的硅基中空悬臂探针及其制备方法与流程

本发明涉及微纳米技术领域，具体涉及流体力扫描探针显微镜(fluidfmprobemicroscope,fpm)的核心部件——中空悬臂探针及其制备方法。

背景技术：

单细胞研究对生物学和医学有着重要的意义，为细胞的功能、细胞间相互作用和细胞对外源性刺激的反应提供更多的细节和原理。流体力显微镜(fluidfm)将原子力显微镜(afm)的定位精度和力灵敏度与纳米流体技术结合起来，在气液环境中通过多功能的中空探针实现对单个细胞的研究。

中空悬臂探针是流体力显微镜的核心部件，其孔径大小和灵活的机构设计，使其能传输和释放飞微，微升的液体体积，是实现维纳功能性表面修饰，细胞和液体操作的关键因素。早在2003年，纳米级液体分配探针(nanoscaledispensing,nadis)问世。然而nadis在悬臂中不包含微通道，只是在探针针尖开了口。随后2004年，第一个集成了嵌入式微通道和存储器的探针发布。并且meister团队在2009年将中空探针和商业afm结合诞生fpm。

其他各式各样的中空悬臂探针在上述的基础上不断改善和发展。现有的中空悬臂探针关键的工艺，针尖开孔工艺，主要通过光刻技术在针尖尖端开口或者聚焦离子束加工工艺在针尖侧壁开口。以上2个工艺，前者由于在针尖尖端开口，扩大了针尖和样品的接触面积限制了形成液滴的最小面积。后者由于fib工艺固有的串行性不利于大批量的生产。

技术实现要素：

本发明针对面向流体力扫描探针显微镜的核心部件——中空悬臂探针，采用微纳加工工艺，实现在晶圆尺度上倒金字塔形针尖侧壁开孔，既保留针尖的形貌成像功能，也保证液体的均匀输送。同时提供的微纳加工工艺能以低成本实现大批量制备。为微纳操作领域提供一种具有高分辨率和高集成化的有力手段。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：

一种高分辨率的硅基中空悬臂探针，包括悬臂和倒金字塔形针尖，所述悬臂上设置有金属反射层和用于储存液体的储液区，且所述悬臂内开设有微通道，所述微通道与所述储液区相通，

所述倒金字塔形针尖具有内腔，且倒金字塔形针尖的侧壁开有通孔，所述通孔与所述内腔相通，所述倒金字塔形针尖位于悬臂前端，且所述倒金字塔形针尖通过内腔与所述微通道相通以输送液体，所述金属反射层靠近所述倒金字塔形针尖设置。

优选地，所述悬臂呈扁平长方体状。

优选地，所述倒金字塔形针尖的高度为7μm，所述倒金字塔形针尖中与尖端相对的另一端为5μm×5μm的正方形。

优选地，所述悬臂的材料为si3n4材料。

优选地，所述储液区的形状为圆柱体或者立方体，储液区内部用于储存液体。

优选地，所述微通道的尺寸为亚微米量级，截面形状为圆形或者矩形。

优选地，所述金属反射层的材料为au、cr、ni、ag、al、pt、pd的一种或者多种。

优选地，所述倒金字塔形针尖的四个侧壁均开设有所述通孔，每个所述通孔均与所述内腔相通。四个侧壁均开设通孔，可以有效保证液体的均匀输送，同时也减小了针尖堵塞的缺点，具有高分辨率，高集成度的特点。

本发明还提供一种倒金字塔形针尖的制备方法，制备前面所述的倒金字塔形针尖，包括以下步骤：

1)清洗硅基底，在硅基底上制备倒金字塔底面掩膜；

2)采用腐蚀的方法制备倒金字塔凹槽；

3)分别用pecvd沉积si3n4,多晶硅，si3n4层，并光刻形成悬臂图案；

4)腐蚀第二层si3n4层至保留凹槽顶处小尖端，以小尖端为掩膜，局部湿法氧化制备多晶硅氧化层，去除小尖端；

5)以多晶硅氧化层为掩膜，腐蚀回刻多晶硅层，去除多晶硅氧化层；

6)以多晶硅层为掩膜，腐蚀第一层si3n4层至保留侧壁线和尖端，完成四面侧壁开孔的倒金字塔针尖结构制备。

本发明还提供一种制备高分辨率中空悬臂探针的方法，包括前述制备倒金字塔形针尖中的步骤，还包括如下步骤：

(1)在已经制备四面侧壁开孔的倒金字塔针尖结构的硅基底上，采用pecvd沉积多晶硅作为微通道牺牲层，通过光刻和腐蚀图形化微通道；

(2)采用pecvd在步骤(1)中已经制备出悬臂探针图案的微通道牺牲层上沉积si3n4层，通过光刻和腐蚀图形化si3n4层并暴露出储液区；

(3)在步骤(2)制备出图形化si3n4层上，采用光刻图形化金属反射层区域，通过电子束蒸发蒸镀cr/au反射层；

(4)将步骤(3)已经制备完成cr/au反射层的样品和已经预切割的耐热玻璃晶圆进行阳极结合；

(5)将步骤(4)中结合后的样品，腐蚀微通道牺牲层，完成通道连通；

(6)将步骤(5)中联通后的样品，腐蚀硅基底，完成高分辨率的中空悬臂探针的释放。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明中空悬臂探针是在普通硅片上进行图案转移，与现有工艺兼容，不需要fib等其他工艺，有效降低生产成本和工艺复杂度，提高探针生产效率和工艺可靠性。

(2)本发明中空悬臂探针在倒金字塔形针尖四侧开孔，保证液体的均匀输送的同时，也解决了针尖开孔容易被堵塞的问题，有效提高探针的利用率。

(3)本发明中空悬臂探针具备纳米级探针针尖，既具备一般的商用afm探针形貌成像功能，又降低了探针和接触物的接触面积以提升液体输送的分辨率，从而更精确地控制输送液体的体积。

附图说明

图1为本发明高分辨率的中空悬臂探针的结构示意图；

图2a～图2o为本发明高分辨率的中空悬臂探针制备方法的各步骤所得产物示意图；

图3为本发明高分辨率的中空悬臂探针的内部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明。为表达的更简洁清晰，在下列描述当中，不详细描述公知的功能和结构，以凸显本发明的优势和特征。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种高分辨率的硅基中空悬臂探针，包括悬臂1和倒金字塔形针尖4。

所述悬臂1呈扁平长方体状，悬臂1一端的顶部固定有用于储存液体的储液区5，储液区5的形状为圆柱体或者立方体。悬臂1内开设有微通道2，所述微通道2与所述储液区5相通，所述倒金字塔形针尖4开有内腔，且倒金字塔形针尖4的每个侧壁均开有通孔，每个所述通孔与所述内腔均相通，所述倒金字塔形针尖4位于悬臂的另一端，针尖的尖端朝下，且所述倒金字塔形针尖4通过内腔与所述微通道2相通以输送液体，所述金属反射层3固定设置在所述悬臂1的另一端的顶部，且靠近所述倒金字塔形针尖4设置。

使用时，将储液区5外接压力泵，操作者通过控制压力泵施加的压力数值，可实现精确的液体输送和吸附控制，储液区的液体可经由微通道输送至金字塔形针尖4。金属反射层3与商用afm光束检测系统配合使用，可实现探针位置和状态的监测。

本实施例中，所述悬臂1的材料为si3n4材料。

本实施例中，所述悬臂1呈扁平长方体状，长度约为200μm，宽度为36μm，高度为1.8μm，微通道高度为800nm。

倒金字塔形针尖4呈棱锥形，本实施例中为四棱锥形，所述倒金字塔形针尖4的高度为7μm，所述倒金字塔形针尖4中与尖端相对的另一端为5μm×5μm的正方形。

本实施例中，所述微通道2的尺寸为亚微米量级，截面形状为圆形或者矩形，当截面形状为圆形时，其半径在亚微米量级，当截面形状为矩形时，其长度和宽度为亚微米量级。

所述金属反射层3的材料为au、cr、ni、ag、al、pt、pd中的一种或多种。

实施例2

与实施例1基本相同，所不同的是：本实施例提供一种制备实施例1所提供的倒金字塔形针尖4的制备方法。

如图2a-2j所示，一种倒金字塔形针尖的制备方法，步骤如下：

首先清洗晶向为<100>的硅基100气吹干后，采用等离子增强气相沉积(plasmaenhancedchemicalvapordeposition,pecvd)沉积一层130nm的腐蚀掩膜si3n4层111并暴露5μm×5μm大小的正方形，使用icp-rie设备干法刻蚀腐蚀掩膜si3n4层111以暴露硅基底。将样品依次浸入85℃去胶液20min(分钟)、清洗丙酮超声10min和异丙醇30sec(秒)，大量去离子水清洗后氮气吹干去除光刻胶，如图2a；

以腐蚀掩膜si3n4层111为掩膜层，使用质量分数为30％koh溶液在70℃腐蚀硅基100，完成倒金字塔形凹槽，采用质量分数50％的氢氟酸hf溶液25℃浸泡30min完成腐蚀掩膜si3n4层111的去除并清洗，如图2b；

随后采用pecvd设备在清洗后的样品中依次沉积500nm的探针底面si3n4层110，300nm的多晶硅掩膜层120和第二层100nm的掩膜si3n4层112，如图2c；

以第二层的掩膜si3n4层112为掩膜层，使用质量分数为50％hf溶液在25℃腐蚀33min样品去除掩膜si3n4层112，仅保留倒金字塔形凹槽处的尖端上的掩膜si3n4层112，如图2d；

以倒金字塔形凹槽处的尖端处的掩膜si3n4层112为掩膜，对样品中的多晶硅掩膜层120在900℃下湿法氧化10分钟的进行局部氧化。生成多晶硅氧化层121，厚度约50nm，如图2e；

随后光刻整体中空悬臂探针的图案，使用等离子清洗机处理光刻后的样品，使用boe(bufferedoxideetch)溶液处理多晶硅氧化层121，将图案转移到底层的多晶硅掩膜层120中。去胶工艺去除光刻胶，使用质量分数为85％h3po4溶液在180℃去除残留在尖端处的掩膜si3n4层112，如图2f；

之后，以上一步的多晶硅氧化层121为掩膜，采用质量分数为5％tmah溶液70℃下处理样品90s腐蚀多晶硅掩膜层120暴露底层的探针底面si3n4层110，将探针图案转移至探针底面si3n4层110。且在多晶硅氧化层121掩膜下控制腐蚀时间实现控制侧壁缩回高度大小，以控制针尖侧壁开孔大小，如图2g。

接着采用boe溶液去除多晶硅氧化层121掩膜暴露处下面的多晶硅掩膜层120。以多晶硅掩膜层120为掩膜，在质量分数为85％h3po4溶液在180℃处理尖端处的探针底面si3n4层110约120min，控制腐蚀时间至腐蚀完侧壁的同时保留四根氮化硅侧壁线和尖端，如图2h。

随后将样品置于质量分数为5％tmah溶液70℃下去除多余的多晶硅掩膜层120，暴露出具中空悬臂探针图案的四面侧壁开孔的探针底面si3n4层110，此时完成四面侧壁开孔的探针针尖底层制备，如图2i，此时整体中空探针制备图如图2j。

实施例3

与实施例2基本相同，所不同的是：本实施例还提供一种制备高分辨率中空悬臂探针的制备方法。

本实施例的步骤是在实施例2中的步骤的基础上继续进行的。

制得探针后，在已经制备四面侧壁开孔的倒金字塔形针尖的硅基底上，清洗样品后，采用pecvd设备沉积800nm厚度的多晶硅122作为中空的微通道牺牲层。在其他实施例中，多晶硅122可以替换为多晶硅氧化物或者al2o3。光刻中空悬臂探针图案以图形化微通道多晶硅122。使用质量分数为5％tmah溶液70℃下去除多余的多晶硅122，如图2k；

去除光刻胶后，采用pecvd设备沉积500nm厚度的探针顶面si3n4顶层113。光刻探针图案以图形化探针顶面si3n4顶层113和微通道入口，并使用质量分数为85％h3po4溶液在180℃处理多余的探针顶面si3n4顶层113，如图2l。

采用正胶光刻图形化探针背面的金属反射层所在区域，采用电子束蒸发蒸镀cr/au反射层，厚度为10nm/100nm。随后采用去胶工艺完成多余金属和光刻胶的剥离，制备出金属反射层3，如图2m。

随后将样品和已经预切片耐热玻璃晶圆140在450℃温度，电压800v的进行阳极结合。并使用质量分数为5％tmah溶液70℃下去除微通道牺牲层中的多晶硅122，如图2n；

接着将样品置入boe溶液去除在硅基表面形成的氧化层以方便下面的释放操作，最后采用质量分数为30％koh溶液在70℃腐蚀样品5h，完成最后探针样品的释放，即制得高分辨率中空悬臂探针，如图2o；

如上即可较好完成所述中空悬臂探针的制备。

所述微通道牺牲层材料选取多晶硅，多晶硅氧化物或者al2o3的一种或多种。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。