一种原子力探针的制备方法与流程

本发明属于微纳加工与精密测量，具体涉及一种原子力探针的制作方法。

背景技术：

1、基于原子力显微(afm，atomic force microscopy)的成像与纳米制造技术能够实现纳米至亚纳米尺度的三维表征与加工，是半导体先进制程、新材料性能表征、生物医学工程与制药等许多高科技领域的关键工具。

2、探针是通过原子力显微技术实现高精度测量与加工的核心部件，其主要组成部分为针尖1、悬臂2和基底3，如图1所示。在使用过程中，探针的针尖部分接近或接触待测量或待加工物体表面，测量、加工的分辨率在很大程度上由针尖的形貌决定。由于使用过程中针尖可能会与待测量、代加工表面发生接触，针尖材料的耐磨性能至关重要；易磨损的材料会导致使用过程中针尖形貌发生变化，进而降低测量和加工的精度。

3、以金刚石为代表的超硬材料，即莫氏硬度不低于8.5的材料，耐磨性能好，并且可以通过掺杂实现导电，这使得针尖由超硬材料构成的原子力探针成为市场上主流的探针类型之一。但是由于晶圆级尺寸的超硬材料制造成本较高，或者其加工方法与成熟的半导体大规模制造工艺兼容性差，相应的产品售价也普遍高于其他材料的探针产品。

4、公开号为cn113917190a的专利申请中公开了一种原子力探针的制作方法，其采用微纳操纵的方式将微米尺度的针尖材料转移到悬臂末端，并使用聚焦离子束加工方法削制出针尖的形状。应用此方法虽然能够大大节省材料的消耗，但聚焦离子束加工设备极为昂贵，并且该方法无法实现批量加工，不适合工业化生产。

5、文献1(kopylov p g,loginov b a,ismagilov r r,et al.single-crystaldiamond probes for atomic-force microscopy[j].instruments&experimentaltechniques,2010,53(4):613-619.)中介绍了一种直接将针尖转移并粘合于悬臂材料的探针制备方法，该方法在转移过程中有可能造成针尖的损坏或污染，而且针尖本身与粘合处皆存在工艺一致性差的问题，不利于标准化生产；此外文献中还证实了此种方式制造的探针容易发生针尖从悬臂脱落的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述情况，本发明提供了一种原子力探针制备方法，通过将微米或者纳米尺度的针尖材料转移并固定到悬臂材料，并通过具备规模化制造能力的图形化与蚀刻工艺，加工出探针的针尖，实现特殊材料原子力探针的工业化生产。

2、本发明提供一种原子力探针的制备方法，包括：

3、步骤一：通过转移而非生长的方式将微米或者纳米尺度的针尖材料与悬臂材料进行集成；针尖材料的表面或者亚表面存在有纳米尺度图案的掩膜层。其中，针尖材料的面积小于悬臂结构的面积。

4、步骤二：利用物理或者/和化学的刻蚀方法进行图形转移，使步骤一中的纳米尺度图案转移到针尖材料，将针尖材料加工出针尖结构；如果在刻蚀后，掩膜层没有被完全去除，可以增加一个清洗的步骤去除掩膜层材料。

5、所述的步骤一中，纳米尺度图案最少在一个空间维度上具有局部小于1微米的尺寸特征；所述纳米尺寸图案的掩膜层可以是在针尖材料与悬臂材料集成之前形成的，亦可以是在针尖材料与悬臂材料进行集成之后形成的；悬臂材料可以是已经加工成悬臂结构的，亦可以是未完成悬臂结构加工的；悬臂材料位于针尖材料的下方，或者直接沉积在针尖材料的表面。

6、所述的步骤二中，掩膜层的纳米尺度图案转移至针尖材料层的过程，既可以是1：1的图案转移，也可以具有一定的缩放比例的图案转移；所加工出的针尖结构，至少在一个空间维度上具有局域纳米尺度的尖锐结构。

7、所述的方法并行加工多个设计尺寸相同的探针时，通过在各针尖材料形成相同的纳米尺度图案的掩膜层，并使用同一刻蚀方法将纳米尺度图案转移至各针尖材料，获得相同尺寸和形状的针尖结构。

8、相比现有技术，本发明的优点与积极效果在于：(1)本发明方法中仅使用微米或者纳米尺度的针尖材料，极大程度上节约了材料成本；避免了直接转移针尖时可能出现的针尖损耗或污染，且将针尖材料与悬臂集成更易实现，集成方法具有灵活性；(2)本发明方法提出的针尖结构制造工艺可以在晶圆尺度并行加工，适合工业化批量生产，且产品的一致性能够得到保证；(3)本发明方法中针尖材料的制备不必需晶圆级的材料沉积或者生长技术，亦无热预算限制，特别适合新型材料、特种材料、单晶晶体材料针尖的规模化生产，实现了具有特殊材料针尖的原子力探针的低成本、高效率的制造。

技术特征：

1.一种原子力探针的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种原子力探针的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中，掩膜层的纳米尺度图案最少在一个空间维度上具有局部小于1微米的尺寸特征。

3.根据权利要求1或2所述的一种原子力探针的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中，所述的纳米尺度图案的掩膜层在针尖材料与悬臂材料集成之前形成，或者在针尖材料与悬臂材料集成之后再形成。

4.根据权利要求1所述的一种原子力探针的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中，所述的悬臂材料已经加工成悬臂结构，或者未完成悬臂结构的加工。

5.根据权利要求1或4所述的一种原子力探针的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中，悬臂材料位于针尖材料的下方，或者直接沉积在针尖材料的表面。

6.根据权利要求1所述的一种原子力探针的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中，将针尖材料转移至辅助支撑材料，再通过选择性沉积或者沉积后选择性刻蚀的方式形成悬臂材料；其中，辅助支撑材料和悬臂材料一起构成悬臂，或者去除辅助支撑材料只保留悬臂材料。

7.根据权利要求1所述的一种原子力探针的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中，将掩膜层的纳米尺度图案等比例转移至针尖材料。

8.根据权利要求1所述的一种原子力探针的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中，将掩膜层的纳米尺度图案非等比例转移至针尖材料。

9.根据权利要求1或2所述一种原子力探针的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中，加工出的针尖结构，至少在一个空间维度上具有局域纳米尺度的尖锐结构。

10.根据权利要求1所述的一种原子力探针的制备方法，其特征在于，所述的方法并行加工多个设计尺寸相同的探针时，通过在各针尖材料形成相同的纳米尺度图案的掩膜层，并使用同一刻蚀方法将纳米尺度图案转移至各针尖材料，获得相同尺寸和形状的针尖结构。

技术总结
本发明提供了一种原子力探针的制备方法，属于微纳加工与精密测量技术领域。本发明方法包括：通过转移而非生长的方式，将微米或者纳米尺度的针尖材料与悬臂材料集成，其中针尖材料的表面或者亚表面存在有纳米图形结构的掩膜层；利用刻蚀方法进行图案转移，将针尖材料加工出针尖结构。本发明方法极大程度上节约了材料成本，可以在晶圆尺度并行加工，通过具备规模化制造能力的图形化与蚀刻工艺，加工出探针的针尖，适合工业化批量生产，且产品的一致性能够得到保证，实现了具有特殊材料针尖的原子力探针的低成本、高效率的制造。

技术研发人员：米丝辰,王川,王卜
受保护的技术使用者：迩阁量子科技（上海）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7