基于卡西米尔效应的测量探针的制备方法及探针

1.本发明涉及环境催化领域，具体涉及一种基于卡西米尔效应的测量探针的制备方法及探针。背景技术：2.目前，卡西米尔理论预言是通过真空零点能相关计算，提出在真空中的相邻平板之间存在吸引力。后来，在卡西米尔理论预言基础上引入介电函数，揭示了介电函数在卡西米尔效应测量中的重要作用。卡西米尔效应作为量子涨落的微观图景与宏观力之间存在一定的联系，由于这一力效应只有百皮牛量级，在平行金属板中测量实现的方式较困难。3.直至后来，在原子力显微镜中利用球板实验测得了与修正后的卡西米尔效应相吻合的力效应。此后为了彻底消除静电力等其它力效应的干扰，对卡西米尔力进行更准确的标定，基于原子力显微镜进行了新的测试平台的探索和搭建。比如可以利用在球上加调制的交流电压，并在压电陶瓷上加调制的交流电压，并利用不同力的响应特点不同，在不同的频率和相位上用锁相放大器分离了卡西米尔力、空气阻力、静电力信号。这样有效的排除了静电力，并且得到了卡西米尔力的梯度随距离的变化。原子力显微镜平台的使用同时解决了卡西米尔效应测量时精度、力程和几何结构的问题，因而在此后广为沿用。4.此后，卡西米尔效应也受到了进一步的关注，并且在不同的材料和平台下实现了测量。同时，卡西米尔效应由于其特殊的性质也产生了诸多应用。在对卡西米尔效应做出较为精确的标定之后，科学工作者们开始尝试对卡西米尔力进行调制，乃至进一步获得卡西米尔排斥力。系列实验表明，改变相互作用物体的几何形状，改变中间介质的介电函数以及利用一些特殊材料(如外尔半金属)等方法得都有增强或减弱卡西米尔引力甚至得到卡西米尔斥力，这也为卡西米尔效应提供了广泛的应用空间。目前人们能在具有不同介电函数的材料和介质中、在磁场等外界条件的作用下观测卡西米尔效应，并努力将卡西米尔效应投入实际应用。技术实现要素：5.基于此，本发明提出了一种基于卡西米尔效应的测量探针的制备方法，通过本发明提供的方法，可批量定制悬臂梁，且探针针尖粘结高效精准可控。6.根据本发明的一个方面，提供了一种基于卡西米尔效应的测量探针的制备方法，包括：7.在衬底上下表面分别沉积第一氮化硅层和第二氮化硅层；8.采用光刻胶做掩膜刻蚀上述第一氮化硅层，在上述衬底一侧表面形成第一有效区域；9.在上述衬底上生长覆盖上述第一有效区域和上述衬底的遮盖层；10.采用光刻胶做掩膜刻蚀上述第二氮化硅层，在上述衬底另一侧表面形成第二有效区域；11.采用碱性溶液去除未被上述第二有效区域覆盖的上述衬底；12.采用缓冲氧化物刻蚀液去除上述遮盖层，得到探针悬臂梁；13.取微球分散液滴加在载体上，烘干得到粘附于上述载体的微球；14.利用位移平台使上述探针悬臂梁的尖端蘸取紫外胶；15.利用位移平台通过上述紫外胶将上述微球黏附于上述尖端，形成微球针尖；16.通过紫外光照射上述微球针尖使上述紫外胶固化，得到包括上述微球针尖的上述测量探针。17.根据本发明的实施例，其中，上述遮盖层包括至少两层氧化硅和至少两层氮化硅交替生长而成，上述氧化硅和上述氮化硅的厚度均为200-800nm。18.根据本发明的实施例，其中，缓冲氧化物刻蚀液包括体积比为1:7的质量分数49％的hf水溶液和质量分数40％的nh4f水溶液。19.根据本发明的实施例，其中，上述探针悬臂梁长200-300μm，宽20-40μm，厚度为200-800nm，弹性系数在0.02n/m至0.06n/m之间。20.根据本发明的实施例，其中，还包括，在包括上述微球针尖的上述测量探针表面进行金属膜的全覆盖原位蒸镀。21.根据本发明的实施例，其中，上述金属膜为金膜或铝膜，上述金属膜的厚度为50-300nm。22.根据本发明的实施例，其中，上述微球分散液是包括聚苯乙烯微球的无水乙醇分散液，上述聚苯乙烯微球的直径为20-150μm。23.根据本发明的实施例，其中，上述采用光刻胶做掩膜刻蚀上述第一氮化硅层，在上述衬底一侧表面形成第一有效区域包括：24.将光刻胶旋涂于第一氮化硅层上覆盖上述第一有效区域的位置，烘烤固化；25.通过对上述光刻胶进行曝光和显影；26.采用超纯水对上述光刻胶进行定影后，热板加热坚膜；27.采用离子刻蚀去除上述第一氮化硅层上未被上述光刻胶覆盖的氮化硅；28.采用nmp溶液加热水浴去除上述光刻胶，在上述衬底一侧表面形成上述第一氮化硅层的上述第一有效区域。29.根据本发明的实施例，其中，上述采用光刻胶做掩膜刻蚀上述第二氮化硅层，在上述衬底另一侧表面形成第二有效区域包括：30.采用反应离子刻蚀去除所述第二氮化硅层上所述第二有效区域的位置以外的氮化硅；31.采用koh溶液加热浸泡去除上述第二有效区域覆盖的衬底和上述光刻胶。32.根据本发明的一个方面，提供了一种利用上述的方法制备得到的测量探针。33.从上述技术方案可以看出，本发明提供的基于卡西米尔效应的测量探针的制备方法及探针具有以下有益效果：34.通过微纳加工的方法可实现无针尖悬臂梁的批量制备，悬臂梁的尺寸、厚度、图形可定制；35.在刻蚀背面硅衬底过程中，正面用沉积遮盖膜作为保护层，代替了常规探针制备中用的黒蜡保护方法，该遮盖膜具有很好的平衡应力，不会给氮化硅悬臂梁带来额外的应力而导致梁断裂问题；36.利用位移平台进行粘针操作，可以精确控制胶的粘取量，以及悬臂梁尖端和聚苯乙烯小球位置的精确对准，保证小球针尖不会偏离悬臂梁尖端中心位置，成功率高；37.微球的粘结采用紫外胶代替常规胶体探针制备中使用的银胶或者环氧树脂ab胶，ab胶黏度大且固化需要一定的时间，而紫外胶的黏度适宜，通过便携式紫外光笔照射可实现原位快速固化。附图说明38.图1为本发明实施例中测量探针的探针悬臂梁的制备流程图；39.图2为本发明实施例中图1(d)的俯视图；40.图3为本发明实施例中测量探针的微球针尖的制备流程图；41.图4为本发明实施例中测量探针的探针悬臂梁的电镜图；42.图5为本发明实施例中测量探针的微球针尖的电镜图；43.图6为本发明实施例中测量探针的电镜图。44.图中，衬底-1；45.第一氮化硅层-2；46.第二氮化硅层-3；47.第一有效区域-4；48.第二有效区域-5；49.氮化硅层一-6；50.氧化硅层二-7；51.氮化硅层二-8；52.探针悬臂梁-9；53.微球-10；54.载体-11；55.氧化硅层一-12。具体实施方式56.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。57.目前，对卡西米尔力的研究主要集中在如何精确测量和调制卡西米尔力上，由于卡西米尔力是一种受材料介电函数影响很大的长程作用力，通过缩小探针的面积并启动扫描，其卡西米尔力也能被用来实现扫描卡西米尔显微镜。其中该显微镜有以下优势：58.1.卡西米尔力较长程，可以在远离样品表面处(数十至数百纳米)扫描表面形貌，从而尽量降低对于样品表面的伤害；59.2.卡西米尔力含有的信息较丰富，包括表面形貌、材料的介电函数、等离激元色散关系等，一些在常规手段下不便探测的物性可以通过卡西米尔扫描得到。60.在相关技术中，为了探测卡西米尔力，需要有三角型稳定的悬臂梁，然后需要再粘上ps小球作为针尖，而目前常用的方法是采购商用固定尺寸和规格的悬臂梁，利用银胶通过人工粘小球的方式，无法满足对悬臂梁不同尺寸以及针尖表面洁净度的要求，再加上由于卡西米尔的小球的形状以及自身存在的静电吸附等问题，使得在制作基于扫描卡斯米尔显微镜以及高精度卡西米尔测量设备的针尖等问题上变得尤为困难，因此本发明基于上述的研究背景，发明了一种基于卡西米尔效应测量的扫描探针的新型制备方法。61.根据本发明一方面总体上的发明构思，提供了一种基于卡西米尔效应的测量探针的制备方法，包括：62.步骤一：在衬底1上下表面分别沉积第一氮化硅层2和第二氮化硅层3。63.步骤二：采用光刻胶做掩膜刻蚀第一氮化硅层2，在衬底1一侧表面形成第一有效区域4。64.步骤三：在衬底1上生长覆盖第一有效区域4和衬底1的遮盖层。65.步骤四：采用光刻胶做掩膜刻蚀第二氮化硅层3，在衬底1另一侧表面形成第二有效区域5。66.步骤五：采用碱性溶液去除未被第二有效区域5覆盖的衬底1。67.步骤六：采用缓冲氧化物刻蚀液去除遮盖层，得到探针悬臂梁9。68.步骤七：取微球分散液滴加在载体11上，烘干得到粘附于载体11的微球10。69.步骤八：利用位移平台使探针悬臂梁9的尖端蘸取紫外胶。70.步骤九：利用位移平台通过紫外胶将微球10黏附于尖端，形成微球针尖。71.步骤十：通过紫外光照射微球针尖使紫外胶固化，得到包括微球针尖的测量探针。72.通过微纳加工的方法可实现无针尖悬臂梁的批量制备，悬臂梁的尺寸、厚度、图形可定制；73.在刻蚀背面硅衬底1过程中，正面用沉积遮盖膜作为保护层，代替了常规探针制备中用的黒蜡保护方法，该遮盖膜具有很好的平衡应力，不会给氮化硅悬臂梁带来额外的应力而导致梁断裂问题；74.微球10的粘结采用紫外胶代替常规胶体探针制备中使用的环氧树脂ab胶，ab胶黏度大且固化需要一定的时间，而紫外胶的黏度适宜，通过便携式紫外光笔照射可实现原位快速固化。75.其中，位移平台可以为afm测试系统。76.图1为本发明实施例的测量探针的探针悬臂梁9的制备流程图。77.(a)为本发明实施例的测量探针的衬底1结构图；78.(b)为本发明实施例的步骤一的结构图；79.(c)为本发明实施例的步骤二的结构图ⅰ；80.(d)为本发明实施例的步骤二的结构图ⅱ；81.(e)为本发明实施例的步骤三的结构图；82.(f)为本发明实施例的步骤四的结构图ⅰ；83.(g)为本发明实施例的步骤四的结构图ⅱ；84.(h)为本发明实施例的步骤五的结构图；85.(i)为本发明实施例的步骤六的结构图。86.图2为本发明实施例中图1(d)的俯视图。87.如图1(a)所示，根据本发明的实施例，步骤一中，衬底1可以采用4英寸双面抛光晶向(100)厚度为300-500μm的硅晶圆片，例如可以为300μm、350μm、400μm、450μm、500μm的硅晶圆片。88.如图1(b)所示，根据本发明的实施例，步骤一中，第一氮化硅层2和第二氮化硅层3可以采用低压化学气相沉积lpcvd的方式在衬底1双面沉积200-800nm厚度、应力值为300mpa氮化硅。89.根据本发明的实施例，步骤二中，采用光刻胶做掩膜刻蚀第一氮化硅层2，在衬底1一侧表面形成第一有效区域4包括：90.将光刻胶旋涂于第一氮化硅层2上覆盖第一有效区域4的位置，烘烤固化；91.通过对光刻胶进行曝光和显影；92.采用超纯水对光刻胶进行定影后，热板加热坚膜；93.采用离子刻蚀去除第一氮化硅层2上未被光刻胶覆盖的氮化硅；94.采用nmp溶液加热水浴去除光刻胶，在衬底1一侧表面形成第一氮化硅层2的第一有效区域4。95.如图1(c)所示，根据本发明的实施例，步骤二具体为，将厚度为1.2um的s1813光刻胶旋涂于第一氮化硅层2上，并在115℃热板上烘烤90s；利用suss ma6紫外光刻机进行曝光，曝光剂量为146mj/cm2，然后用显影液az mif300进行显影40s，用超纯水进行定影60s，最后将样品置于115°热板上坚膜2分钟。96.如图1(d)和图2所示，根据本发明的实施例，步骤二还包括，利用oxford ngp80反应离子刻蚀机去除2上未被光刻胶覆盖的氮化硅膜，并用缓冲氧化物刻蚀液80°水浴10分钟去除光刻胶。97.根据本发明的实施例，步骤二中，缓冲氧化物刻蚀液包括体积比为1:7的质量分数49％的hf水溶液和质量分数40％的nh4f水溶液。98.根据本发明的实施例，步骤二中，刻蚀时间为15-30分钟。99.根据本发明的实施例，步骤三中，遮盖层包括至少两层氧化硅和至少两层氮化硅交替生长而成，氧化硅和氮化硅的厚度均为200-800nm。100.如图1(e)所示，根据本发明的实施例，步骤三具体为，利用oxford pecvd等离子增强化学气相沉积在第一氮化硅层2上先交替生长200nm氧化硅层一12和200nm氮化硅层一6，再交替生长500nm氧化硅层二7和500nm氮化硅层二8。101.在湿法刻蚀背面硅过程中，正面用低压气相沉积pecvd生长的sio2/sinx交替膜作为保护层，代替了常规探针制备中用的黒蜡保护方法，避免了黒蜡使用过程中脱模和去除问题。102.交替生长的sio2/sinx膜可以很好的平衡应力，不会给氮化硅悬臂梁带来额外的应力而导致梁断裂问题。103.无针尖悬臂梁制备的主体为300-500μm厚的硅片，双面用lpcvd生长200-800nm厚度的氮化硅层，正面通过干法刻蚀先得到悬臂梁图形，再从背面通过湿法刻蚀，将有效区域的悬臂梁悬空释放。为了防止长时间背面湿法刻蚀过程中对正面结构的腐蚀，在此提出一种新的正面保护方法，就是利用pecvd在已经刻蚀得到的悬臂梁表面交替生长200nmsio2/200nmsinx/500nmsio2/500nm sinx。104.根据本发明的实施例，步骤四中，采用光刻胶做掩膜刻蚀第二氮化硅层3，在衬底1另一侧表面形成第二有效区域5包括：105.将光刻胶旋涂于第二氮化硅层3上覆盖第二有效区域5的位置，烘烤固化；106.通过对光刻胶进行曝光和显影；107.采用离子刻蚀去除第二氮化硅层3上未被光刻胶覆盖的氮化硅；108.采用koh溶液加热浸泡去除第二有效区域5覆盖的衬底1和光刻胶。109.如图1(f)所示，根据本发明的实施例，步骤四具体为：将厚度为1.2um s1813光刻胶旋涂于第二氮化硅层3上，并在115℃热板上烘烤90s；利用suss ma6紫外光刻机进行套刻曝光，曝光剂量为146mj/cm2，然后用显影液az mif300进行显影40s，最后将样品置于115°热板上坚膜2分钟。110.如图1(g)所示，根据本发明的实施例，步骤四还包括，利用oxford ngp80反应离子刻蚀机去除第二氮化硅层3上未被光刻胶覆盖的氮化硅膜。111.如图1(h)所示，根据本发明的实施例，步骤五具体为，将样品浸泡于80℃koh溶液中完全去除未被光刻胶和第二氮化硅层3覆盖的衬底1，刻蚀时间为10小时。112.如图1(i)所示，根据本发明的实施例，步骤六具体为，利用49％hf水溶液：40％nh4f水溶液＝1：7体积比的缓冲氧化物刻蚀液去除交替生长的氧化硅层一12、氮化硅层一6、氧化硅层二7和氮化硅层二8，刻蚀时间为25分钟,最后得到无针尖氮化硅悬臂梁。113.图4为本发明实施例中测量探针的探针悬臂梁9的电镜图。114.如图4所示，根据本发明的实施例，步骤六中，探针悬臂梁9长200-300μm，宽20-40μm，厚度为200-800nm，弹性系数在0.02n/m至0.06n/m之间。115.图3为本发明实施例的测量探针的微球针尖的制备流程图。116.(a)为本发明实施例的步骤七的结构图ⅰ；117.(b)为本发明实施例的步骤七的结构图ⅱ；118.(c)为本发明实施例的步骤八的结构图ⅰ；119.(d)为本发明实施例的步骤八的结构图ⅱ；120.(e)为本发明实施例的步骤九的结构图；121.(f)为本发明实施例的步骤十的结构图。122.图5为本发明实施例中测量探针的微球针尖的电镜图。123.如图3(a)和图3(b)所示，根据本发明的实施例，步骤七具体为，取适量直径为50um的聚苯乙烯微球10溶液滴入加入无水乙醇的烧杯中超声分散，再用移液器量取200ul溶液滴在干净的盖玻片上,烘干晾至室温。124.根据本发明的实施例，步骤七中，微球分散液是包括聚苯乙烯微球10的无水乙醇分散液，聚苯乙烯微球10的直径为20-150μm。125.如图3(c)和图3(d)所示，根据本发明的实施例，步骤八具体为，将紫外胶粘取针尖大小到盖玻片上，将此盖玻片放到实验台上，利用位移平台使无针尖悬臂梁接近紫外胶表面，黏取少量紫外胶然后上移无针尖悬臂梁，通过左右移动调节xy水平方向使样品台找到合适的聚苯乙烯微球10。126.如图3(e)所示，根据本发明的实施例，步骤九具体为，缓慢控制使无针尖悬臂梁下降，同时左右移动使微球10正对悬臂梁下方，悬臂梁下降至接触到微球10为止，等待几秒钟上移悬臂梁。127.如图3(f)和图5所示，根据本发明的实施例，步骤十具体为，同时使用便携式紫外光笔照射针尖位置使紫外胶快速固化，最终得到粘有聚苯乙烯微球10的探针。128.根据本发明的实施例，其中，还包括，在包括微球针尖的测量探针表面进行金属膜的全覆盖原位蒸镀。129.根据本发明的实施例，其中，金属膜为金膜或铝膜，金属膜的厚度为50-300nm。130.聚苯乙烯微球10的粘结采用紫外胶代替常规胶体探针制备中使用的环氧树脂ab胶，ab胶黏度大且固化需要一定的时间，而紫外胶的黏度适宜，通过便携式紫外光笔照射可实现原位快速固化。131.高效精准可控的一体化粘针技术就是利用位移平台将直径为20-150μm的聚苯乙烯微球10通过紫外胶粘到制备的悬臂梁的顶端。由于afm操作的精确控制，可以保证粘结技术的高效准确，同时保证微球10和梁表面光滑洁净，除了粘结处没有多余的胶体，紫外胶不需要长时间烘烤可以直接通过紫外灯照射实现原位快速固化。132.利用位移平台进行粘针操作，可以精确控制胶的粘取量，以及悬臂梁尖端和聚苯乙烯微球10位置的精确对准，保证微球针尖不会偏离悬臂梁尖端中心位置，成功率高；133.利用自制的蓝牙可控的旋转样品台在热蒸发设备中通过两次样品杆旋转在悬臂梁和微球10表面实现5nmcr/50nmau全覆盖原位蒸镀，不需要开腔手动更换探针蒸镀方向。134.图6为本发明实施例中测量探针的电镜图。135.根据本发明一方面总体上的发明构思，提供了一种利用的方法制备得到的测量探针。136.通过微纳加工的方法可实现无针尖悬臂梁的批量制备，悬臂梁的尺寸、厚度、图形可定制；137.在刻蚀背面硅衬底1过程中，正面用沉积遮盖膜作为保护层，代替了常规探针制备中用的黒蜡保护方法，该遮盖膜具有很好的平衡应力，不会给氮化硅悬臂梁带来额外的应力而导致梁断裂问题；138.微球10的粘结采用紫外胶代替常规胶体探针制备中使用的银胶或环氧树脂ab胶，ab胶黏度大且固化需要一定的时间，而紫外胶的黏度适宜，通过便携式紫外光笔照射可实现原位快速固化。139.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。