一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法与流程

本发明属于微纳机械传感器技术领域，具体为一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法。

背景技术：

原子力显微镜（afm）广泛被用于多种行业中测量和研究微观表面的形貌，例如半导体、固态物理、高分子化学、医药。其中原子力显微镜探针（以下简称afm探针）是其重要组成部分。当afm探针靠近样品时，样品表面分子或原子与探针产生相互作用力使探针悬臂梁弯曲。根据扫描不同区域时的不同弯曲量即可构建样品表面的3d形貌图。为满足不同程度的研究需求，afm探针亦存在多种改进，如针尖位于悬臂梁边缘的边缘探针，大高宽比（har）探针，以及表面镀银或金，实现探针-表面增强拉曼光谱的特殊探针等。

afm探针悬臂梁的弯曲量由一套激光反射系统监控。在测量过程中，一束激光照射在悬臂梁背面，产生反射并被反馈系统捕捉，通过分析因悬臂弯曲而产生的不同反射激光位置可以计算出悬臂的弯曲程度，因此afm探针的基底最基本的要求便是不能阻挡反射激光光路，如图1所示。

目前最为广泛应用的afm探针制造方法为湿法刻蚀，其利用koh溶液各向异性刻蚀(100)si基底。因硅的（111）晶面在koh溶液中刻蚀速率远小于其他晶面，基底边缘与悬臂连接一侧会自然产生斜面。此方法虽然可以低成本大批量地制造afm探针，悬臂与基地连接处的斜面倾角为54.7°，但因为斜面倾角无法改变，其基底只有一个平面，在一些情况会出现阻挡反射激光光路的情况。

对比湿法刻蚀，等离子体刻蚀（干法刻蚀）也可用来制造afm探针，适合晶圆级大批量生产，跟传统mems工艺兼容。但是典型的干法刻蚀为垂直向下刻蚀，afm探针基底与悬臂连接处会成为直角无法产生斜面，从而反射激光很大几率被阻挡，如图1b所示。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法的技术方案，其利用刻蚀图形的不同大小得到不同刻蚀深度，从而通过等离子体刻蚀制造阶梯型结构，实现了等离子体刻蚀的三阶梯afm探针基底，并且可通过调节曝光图形矩形阵列的边长调控阶梯深度；具有此种阶梯型基底的afm探针不会阻挡反射激光的光路。

所述的一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）选用soi晶片作为原料，所述的soi晶片由soi晶片器件硅层、soi晶片二氧化硅层、soi晶片衬底硅层组成，soi晶片器件硅层的厚度为5-20μm，soi二氧化硅层的厚度为0.5-2μm，soi晶片衬底硅层的厚度为350-500μm；选用soi晶片衬底硅层作为顶面制备阶梯型afm探针基底，将厚度为10-12μm的光刻胶旋涂于soi晶片衬底硅层上，并在90-100°热板上烘烤5-15分钟；

2）掩模旋涂完成后，利用光刻机进行曝光，曝光区域剂量为800-1200mj/cm²，曝光完成后在室温下将样品于专用显影剂下显影2-3.5分钟，然后将样品置于100°-125°热板上坚膜15-30分钟；

3）分四步进行反应离子刻蚀，具体为：采用bosch工艺进行深硅刻蚀、采用o2等离子刻蚀去除光刻胶、采用纯sf6等离子体去除深刻蚀过程中形成的侧壁、采用bosch工艺进行深硅刻蚀直到soi晶片二氧化硅层。

所述的一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法，其特征在于步骤1）中：soi晶片器件硅层的厚度为8-18μm，soi晶片二氧化硅层的厚度为0.7-1.8μm，soi晶片衬底硅层的厚度为380-470μm；优选：soi晶片器件硅层的厚度为10-15μm，soi晶片二氧化硅层的厚度为1.0-1.5μm，soi晶片衬底硅层的厚度为400-450μm；更优选：soi晶片器件硅层的厚度为12-14μm，soi晶片二氧化硅层的厚度为1.2-1.3μm，soi晶片衬底硅层的厚度为420-430μm。

所述的一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法，其特征在于步骤1）中：旋涂转速为1500-2500rpm，优选1800-2200rpm；旋涂时间为30-50秒，优选40-45秒；光刻胶的厚度为10.5-11μm，烘烤温度为95-98°，烘烤时间为8-12分钟。

所述的一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法，其特征在于步骤2）中：曝光区域剂量为900-1100mj/cm²，优选为1000-1050mj/cm²；显影2.5-3分钟，样品置于110°-120°热板上坚膜20-25分钟。

所述的一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法，其特征在于步骤2）中：所述的专用显影剂为体积比1:3-5的az400k显影液：ipa去离子水的混合溶液。

所述的一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法，其特征在于步骤3）中采用bosch工艺进行深硅刻蚀，具体为：沉积和刻蚀气体为c4f8和sf6，钝化和刻蚀交替进行，刻蚀深度为250-350μm；刻蚀条件为：沉积周期：140-180sccmc4f8，18-22mtorr，18-22wrf，800-1200wicp，13-17℃；刻蚀周期：140-180sccmsf6，18-22mtorr，18-22wrf，800-1200wicp，13-17℃。

所述的一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法，其特征在于步骤3）中采用o2等离子刻蚀去除光刻胶，具体为：15-20分钟o2纯氧气反应离子刻蚀，彻底去除残余光刻胶层；

所述的一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法，其特征在于步骤3）中采用纯sf6等离子体去除深刻蚀过程中形成的侧壁，具体为：15-20分钟sf6反应离子刻蚀，消除矩形矩阵图形的侧壁。

所述的一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法，其特征在于步骤3）中采用bosch工艺进行深硅刻蚀直到sio2层，具体为：bosch刻蚀直到基底以外区域sio2层全部暴露。

本领域的技术人员应当理解，bosch刻蚀中250-300μm指在晶片平面的刻蚀深度，并非微结构阵列图形的真实刻蚀深度。微结构阵列图形的真实深度均小于250-300μm。

上述一种采用等离子体刻蚀制备原子力显微镜探针阶梯型基底的方法，利用了等离子体刻蚀中不同尺寸微结构刻蚀不同的特点，即刻蚀速率随微结构尺寸变小和高宽比增大而降低；将基底悬臂连接处附近沿基底纵轴方向分割为若干区域，每个区域设计不同尺寸的微结构阵列，在每个区域的刻蚀速率随着微结构尺寸的减小而减小，并结合各项异性等离子体刻蚀和各项同性等离子刻蚀，在悬臂梁和基底的连接处向内获得不同的台阶高度。

附图说明

图1为具有阶梯型基底（a）与垂直型基底（b）的afm探针以及激光光路示意图；

图2为本发明曝光图案设计图，图中显示了两个并排的探针基底，顶端拥有矩形阵列图案的一侧为基底与悬臂梁连接处，其中灰色区域为曝光部而白色区域不接受曝光；

图3为本发明探针基底顶部放大示意图，同样，灰色区域接受曝光而白色区域不接受曝光；

图4为本发明阶梯型基底制造流程图；

图5为本发明实施例1步骤9）处理结果示意图；

图6为本发明实施例2步骤7）处理结果示意图；

图7为本发明实施例2步骤9）处理结果示意图；

图中：1-afm探针基底、2-afm探针悬臂梁、3-afm探针针尖、4-入射激光及其反射光路、5-soi晶片器件硅层、6-soi晶片二氧化硅层、7-soi晶片衬底硅层、8光刻胶。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细介绍该方法制备阶梯型基底的过程。本实施例的目的是描述而不是限制本发明的原理。以下说明书和附图中，相同部件用相同的附图标记标识。

实施例1

本实施例中afm探针基底尺寸长宽高为3.1mm、1.6mm、0.28mm。图4所示的工艺流程图可见其步骤包括：

1）选用双面抛光soi晶片作为原料，其由13μmsoi晶片器件硅层5、0.5μmsoi晶片二氧化硅层6和350μmsoi晶片衬底硅层7组成,选用衬底硅层作为顶面制备阶梯型afm探针基底（如图4a所示）；

2）在衬底硅层一面以2000rpm转速旋涂40秒得到11μm厚光刻胶az4620，并于90°热板上烘烤5分钟（如图4b所示）；

3）对光刻胶进行光刻，选用405nm光，剂量为1000mj/cm²，探针基底顶端一侧的矩形阵列分为两种，外侧为30μm边长矩形，内侧为10μm边长矩形（如图2,3所示）；

4）在常温下将样品浸泡体积比1:4的az400k显影液：ipa去离子水的混合溶液中进行显影2.5分钟然后用去离子水冲洗并进行干燥；

5）将样品放置于120°热板烘烤30分钟得到最终掩模图形（如图4c所示）；

6）bosch刻蚀300μm。因矩形阵列图形边长不同其最终刻蚀深度也不同（如图4d所示）。刻蚀条件为：沉积周期：160sccmc4f8，20mtorr，20wrf，1000wicp，15℃；刻蚀周期：160sccmsf6，20mtorr，20wrf，1000wicp，15℃；

7）15分钟氧等离子体刻蚀去除残余光刻胶（如图4e所示）；

8）16分钟纯sf6等离子体刻蚀去除侧壁硅（如图4f所示）：160sccmsf6，15mtorr，20wrf，1000wicp，15℃；

9）bosch刻蚀20μm，此步骤为过刻蚀，目的是使sio2层完全暴露，最终基底厚度大约为250μm（如图4g所示）。实施例1步骤9）结果，70度角倾斜，如图5所示。

按照上述步骤实施真正实现了等离子体刻蚀的三阶梯afm探针基底，并且可通过调节曝光图形矩形阵列的边长调控阶梯深度。具有此种阶梯型基底的afm探针不会阻挡反射激光的光路（如图1a所示）。

实施例2

本实施例中afm探针基底尺寸长宽高为3.1mm、1.6mm、0.28mm。图4所示的工艺流程图可见其步骤包括：

1）选用双面抛光soi晶片作为原料，其由器件硅层，二氧化硅层，衬底硅层组成，厚度分别为15μm，1.0μm和380μm。选用衬底硅层作为顶面制备阶梯型afm探针基底（如图4a所示）；

2）在衬底硅层一面以1800rpm转速旋涂50秒得到13μm厚光刻胶az4620，并于95℃热板上烘烤8分钟（如图4b所示）；

3）对光刻胶进行光刻，选用405nm光，剂量为1200mj/cm²，探针基底顶端一侧的矩形阵列分为两种，外侧为50μm边长矩形，内侧为8μm边长矩形（如图2,3所示）；

4）在常温下将样品浸泡于体积比1:3的az400k显影液：ipa去离子水中进行显影3.0分钟然后用去离子水冲洗并进行干燥；

5）将样品放置于100°热板烘烤30分钟得到最终掩模图形（如图4c所示）；

6）bosch刻蚀350μm。因矩形阵列图形边长不同其最终刻蚀深度也不同（如图4d所示）。刻蚀条件为：沉积周期：140sccmc4f8，18mtorr，18wrf，800wicp，13℃；刻蚀周期：140sccmsf6，18mtorr，18wrf，800wicp，13℃；

7）20分钟氧等离子体刻蚀去除残余光刻胶（如图4e所示）；

8）15分钟纯sf6等离子体刻蚀去除侧壁硅（如图4f所示）：140sccmsf6，18mtorr，18wrf，800wicp，13℃；

9）bosch刻蚀10μm，此步骤为过刻蚀，目的是使sio2层完全暴露，最终基底厚度大约为380μm（如图4g所示）。

上述步骤7），去胶后的结果，15度角倾斜，如图6所示；2步骤9）的结果，90度角倾斜，如图7所示。

按照上述步骤实施真正实现了等离子体刻蚀的三阶梯afm探针基底，并且可通过调节曝光图形矩形阵列的边长调控阶梯深度。具有此种阶梯型基底的afm探针不会阻挡反射激光的光路（如图1a所示）。

实施例3

本实施例中afm探针基底尺寸长宽高为3.1mm、1.6mm、0.28mm。图4所示的工艺流程图可见其步骤包括：

1）选用双面抛光soi晶片作为原料，其由器件硅层，二氧化硅层，衬底硅层组成，厚度分别为10μm，1.5μm和450μm。选用衬底硅层作为顶面制备阶梯型afm探针基底（如图4a所示）；

2）在衬底硅层一面以2200rpm转速旋涂45秒得到10μm厚光刻胶az4620，并于100°热板上烘烤5分钟（如图4b所示）；

3）对光刻胶进行光刻，选用405nm光，剂量为800mj/cm²，探针基底顶端一侧的矩形阵列分为两种，外侧为50μm边长矩形，内侧为10μm边长矩形（如图2,3所示）；

4）在常温下将样品浸泡于体积比1:5的az400k显影液：ipa去离子水的混合溶液中进行显影2.5分钟然后用去离子水冲洗并进行干燥；

5）将样品放置于115°热板烘烤25分钟得到最终掩模图形（如图4c所示）；

6）bosch刻蚀250μm。因矩形阵列图形边长不同其最终刻蚀深度也不同（如图4d所示）。刻蚀条件为：沉积周期：180sccmc4f8，22mtorr，22wrf，1200wicp，17℃；刻蚀周期：180sccmsf6，22mtorr，22wrf，1200wicp，17℃；

7）18分钟氧等离子体刻蚀去除残余光刻胶（如图4e所示）；

8）20分钟纯sf6等离子体刻蚀去除侧壁硅（如图4f所示）：180sccmsf6，22mtorr，22wrf，1200wicp，18℃；

9）bosch刻蚀110μm，此步骤为过刻蚀，目的是使sio2层完全暴露，最终基底厚度大约为250μm（如图4g所示）。

按照上述步骤实施真正实现了等离子体刻蚀的三阶梯afm探针基底，并且可通过调节曝光图形矩形阵列的边长调控阶梯深度。具有此种阶梯型基底的afm探针不会阻挡反射激光的光路（如图1a所示）。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。