傾斜式硅針尖及其制作方法與流程

本發明主要涉及一種硅針尖，尤其涉及一種傾斜式硅針尖及其制作方法，屬于微納器件制備領域。

背景技術：

近年來，硅基納米針尖在原子力顯微鏡探針、真空微電子器件、場發射器件、高密度數據存儲器件、納米級圖形加工及微機械隧道傳感器中得到廣泛應用，硅基納米針尖是上述器件的關鍵構件，這些器件性能的優劣取決于納米針尖的曲率半徑和針形。以原子力顯微鏡為例，硅針尖縱橫比越大，曲率半徑越小，原子力顯微鏡分辨率越高，因此研究硅基納米針尖的制作有重要意義。目前制備硅基納米針尖的常用方法有干法刻蝕、氣－液－固生長和濕法腐蝕等三種。其中氣－液－固生長法可制備直徑小于2μm，縱橫比大于15的超長硅基納米針尖，但其曲率半徑較大。目前廣泛采用的各向異性濕法腐蝕單晶硅制備硅基納米針尖的工藝，具有工藝簡單，刻蝕速率均勻，成本較低廉等優點，但針尖的形狀以及取向受晶向限制。干法刻蝕工藝刻蝕硅基納米針尖可實現較大的縱橫比，但工藝結果取決于每一個可能的工藝參數變化。上述現有工藝制備的硅針尖基本上都是垂直方向的針尖，其無法滿足近場光學對實時觀測的需求。

技術實現要素：

本發明的主要目的在于提供一種傾斜式硅針尖及其制作方法，以克服現有技術中的不足。

為實現前述發明目的，本發明采用了如下的技術方案：

在一些實施例中提供了一種傾斜式硅針尖，其為三棱錐體，并具有第一傾斜面、第二傾斜面、第三傾斜面和底面，且所述第一傾斜面、第二傾斜面和第三傾斜面中至少兩者與底面的夾角不相等。

進一步的，所述第一傾斜面與底面的夾角為55°～80°，第二傾斜面與底面的夾角為55°～80°，第三傾斜面與底面的夾角為45°～75°。

進一步的，所述針尖的高度為5μm～50μm。

進一步的，所述針尖的曲率半徑為1～20nm。

進一步的，所述第一傾斜面、第二傾斜面與底面的夾角相等。

在一些實施例中提供了一種傾斜式硅針尖的制作方法，其包括：在硅片上采用各向同性的刻蝕工藝加工形成所述傾斜式硅針尖的第一、第二傾斜面，之后在第一、第二傾斜面上設置保護層，再采用刻蝕工藝在所述硅片上加工形成第三傾斜面，獲得所述傾斜式硅針尖。

在一些實施例中，所述的制作方法具體包括：

Ⅰ、在(100)或(111)型硅片上設置光刻膠掩模；

Ⅱ、采用各向同性的干法刻蝕工藝在所述硅片上刻蝕形成所述探針的第一、第二傾斜面；

Ⅲ、去除所述硅片的光刻膠，并在所述硅片表面設置二氧化硅層作為保護層，以保護所述第一、第二傾斜面；

Ⅳ、在所述保護層上加工形成第三傾斜面的刻蝕窗口；

Ⅴ、采用濕法腐蝕工藝自所述刻蝕窗口腐蝕硅片表面而形成第三傾斜面；

Ⅵ、采用氧化方法進行所述針尖的銳化，再除去殘留的保護層，獲得所述傾斜式針尖。

進一步的，所述干法刻蝕工藝包括ICP干法刻蝕，RIE干法刻蝕和DRIE干法刻蝕工藝中的任意一種，且不限于此。

進一步的，所述的制作方法可以包括：采用氧化法于所述硅片表面形成作為保護層的二氧化硅層；或者，采用物理或化學沉積法于所述硅片表面形成作為保護層的二氧化硅層。

進一步的，步驟Ⅳ可以包括：采用光刻及濕法腐蝕工藝于所述氧化層上形成第三傾斜面的刻蝕窗口。

進一步的，步驟Ⅵ可以包括：采用濕法腐蝕工藝除去殘留的保護層。

進一步的，所述濕法腐蝕工藝包括KOH刻蝕和TMAH刻蝕中的任意一種，且不限于此。

與現有技術相比，本發明的優點包括：提供了一種不同于傳統硅針尖的傾斜式硅針尖，其能滿足近場光學對實時觀測的需求，且其制作方法簡單，原料廉價易得，適于進行大規模生產。

附圖說明

圖1為本發明一典型實施案例中一種傾斜式硅針尖的結構示意圖；

圖2為本發明一典型實施案例中一種傾斜式硅針尖的制作工藝流程示意圖；

圖中各附圖標記的含義如下：1～傾斜面1，2～傾斜面2，3～傾斜面3，4～光刻膠掩模，5～(100)或(111)型硅片，6～二氧化硅保護層，7～傾斜式針尖。

具體實施方式

如前所述，鑒于現有技術中的不足，本案發明人經長期研究和大量實踐，特提出本發明的技術方案，并獲得了出乎意料的良好技術效果。如下將結合實施例及附圖對本發明的技術方案進行較為詳細的解釋說明。

請參閱圖1-2，其示出了本發明的一典型實施案例。

進一步的，請參閱圖1，該實施案例涉及一種傾斜式硅針尖，其為三棱錐體，并具有第一傾斜面、第二傾斜面、第三傾斜面和底面，且所述第一傾斜面、第二傾斜面和第三傾斜面中至少兩者與底面的夾角不相等。

其中，所述第一傾斜面與底面的夾角為55°～80°，第二傾斜面與底面的夾角為55°～80°，第三傾斜面與底面的夾角為45°～75°。

進一步的，所述針尖的高度為5μm～50μm，曲率半徑為1～20nm。

進一步的，所述第一傾斜面、第二傾斜面與底面的夾角可以相等。

而再請參閱圖2，該傾斜式硅針尖的制作工藝可以包括：采用(100)型硅片為原料，首先在硅片上應用各向同性的干法刻蝕工藝形成探針針尖的兩個傾斜面，之后應用氧化的方法在刻蝕出的傾斜表面上形成一層氧化層作保護層，最后采用濕法腐蝕形成第三個傾斜面，即可得到目標產物。

進一步的，所述的傾斜式硅針尖的制作方法具體包括以下步驟：

Ⅰ、采用(100)或(111)型硅片為襯底，在硅表面甩一層光刻膠做掩模，光刻出針尖位置；

Ⅱ、采用干法刻蝕工藝在刻蝕出探針的第一、第二傾斜面；

Ⅲ、采用丙酮去除光刻膠；

Ⅳ、清洗后在硅片表面氧化或沉積一層二氧化硅氧化層，保護已經刻蝕出的兩個側面；

Ⅴ、采用光刻及BOE腐蝕形成第三個傾斜面的刻蝕窗口；

Ⅵ、應用濕法腐蝕工藝腐蝕出第三個傾斜面；

Ⅶ、采用氧化的方法進行針尖的銳化，采用BOE腐蝕去除氧化層，即可得到所述傾斜式針尖。

前述的光刻工藝、濕法刻蝕工藝、干法刻蝕工藝、針尖自銳化方法均可選用業界已知的合適方式實施，而其相應工藝條件等也可以是業界悉知的合適條件。

例如，其中的濕法刻蝕工藝可以選用KOH刻蝕和TMAH刻蝕工藝中的任何一種。

其中的干法刻蝕工藝可以選用ICP干法刻蝕，RIE干法刻蝕和DRIE干法刻蝕工藝中的任何一種。

本發明提供了一種新的傾斜式硅針尖以及一種新的硅針尖制作工藝，該工藝簡單易實施，成本低廉，為硅針尖的推廣和應用提供了一種新的路徑。

應當理解的是，本發明可用其他的不違背本發明的精神或主要特征的具體形式來概述。因此，無論從哪一點來看，本發明的上述實施例僅是對本發明的說明而不能限制本發明，權利要求書指出了本發明的范圍，而上述的說明并未指出本發明的范圍，因此在與本發明的權利要求書相當的含義和范圍內的任何改變，都應認為是包括在權利要求書的范圍內。