專利名稱:原子力顯微鏡探針裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，以下簡稱AFM)探針裝置及其制造方法，尤其涉及一種采用碳納米管作針尖的原子力顯微鏡探針裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著光盤、磁記錄、半導(dǎo)體等器件的高密度化、高集成化，以納米以下精度測定樣本表面形態(tài)的AFM的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)展。它的工作原理是利用其探針與樣本之間力與距離的依賴關(guān)系來獲得物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。典型的AFM有三種成像模式接觸式、非接觸式及輕敲式。而探針是AFM的核心部件，價(jià)格昂貴，極易受損。
利用碳納米管所具備的良好彈性及尖端特性，以其作為探針針尖的AFM早有報(bào)道。戴宏杰等在2002年2月12日公告的第6,346,189號美國專利“利用催化劑島制成的碳納米管結(jié)構(gòu)”中揭露一種在AFM用探針懸臂上形成碳納米管針尖的方法。該方法步驟如下提供一可用于AFM的懸臂；在該懸臂的自由端(Free End)沉積一催化劑顆粒；使該催化劑顆粒在高溫下接觸含碳?xì)夥找蚤L出碳納米管。
然而，該方法直接在AFM的懸臂尖端生長用作針尖的碳納米管，所得的碳納米管取向性差，勢必影響整個(gè)AFM的精密性。
因此，有必要提供一種具有高取向性碳納米管針尖的AFM探針裝置及其制造方法。
發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)中用作AFM探針針尖的碳納米管的取向性低的問題，本發(fā)明的第一目的在于提供一種具有高取向性碳納米管針尖的AFM探針裝置。
本發(fā)明的第二目的在于提供制造上述AFM探針裝置的方法。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第一目的，本發(fā)明所提供的AFM探針裝置，包括一探針座；一固定于探針座、具有至少一可設(shè)置針尖的末端的懸臂；以及設(shè)置于該懸臂末端用作針尖的碳納米管。其中，該探針懸臂末端的頂部形成有一具有孔洞的平面，該碳納米管由該孔洞基本垂直于該平面長出。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第二目的，本發(fā)明所提供的上述AFM探針裝置的制造方法，包括步驟提供一具有至少一需設(shè)置針尖的末端的AFM懸臂；在該末端的頂部形成一平面；采用X光深刻電鑄模造(即LithographyElectroforming Micro Molding，簡稱LIGA)制程在該平面形成一孔洞；采用化學(xué)氣相沉積法由該孔洞生長出與該平面基本垂直以用作針尖的碳納米管。
上述孔洞的孔徑可為20～100納米。
上述LIGA制程包括步驟在該平面形成具預(yù)定圖案的光阻材料層；蝕刻該平面以使其形成與光阻材料層相應(yīng)的預(yù)定圖案；去除光阻材料層。
上述采用化學(xué)氣相沉積法由該孔洞生長出與該平面基本垂直的碳納米管的步驟包括步驟在該平面沉積催化劑；提供一碳源氣，并使它在預(yù)定溫度與催化劑接觸使得碳納米管由孔洞中基本垂直于該平面長出。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明采用LIGA制程處理需設(shè)置碳納米管針尖的AFM探針懸臂，使其末端頂部形成納米孔洞結(jié)構(gòu)，再利用該孔洞結(jié)構(gòu)的“模板效應(yīng)”采用化學(xué)氣相沉積法在該懸臂末端生長碳納米管。由于LIGA制程處理所得的孔洞直徑均勻且深度易控，使得以此為模板制得的碳納米管取向性好，從而確保并提高使用這種探針的AFM儀器的精密性。
圖1為本發(fā)明的AFM探針裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明的制造上述AFM探針裝置的方法的流程示意圖；圖3為本發(fā)明提供的LIGA制程于平面57’形成孔洞58’的流程示意圖；圖4為本發(fā)明提供的化學(xué)氣相沉積法于孔洞58’生長碳納米管的流程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請參閱圖1，本發(fā)明所提供的AFM探針裝置5，包括一探針座50；一固定于探針座50的懸臂52，具有一末端54；設(shè)置于該懸臂末端54、用作針尖的碳納米管60。其中，懸臂末端54的頂部56形成有一平面57，該平面57具有一孔洞58。碳納米管60由該孔洞58長出，且基本垂直于該平面57。
在本實(shí)施例中，孔洞58的孔徑優(yōu)選為20～100納米。懸臂52可由氮化硅制成。
請參閱圖2，本發(fā)明所提供的上述AFM探針裝置5的制造方法7，包括步驟(2a)提供可用于AFM的懸臂52’，其具一需設(shè)置針尖的末端54’，該末端54’具有一尖形頂部56’；(2b)可通過切割打磨等方式于該末端的頂部56’形成一平面57’，；(2c)采用LIGA制程在該平面57’形成一孔洞58’；(2d)采用化學(xué)氣相沉積法于該孔洞58’生長出與該平面57’基本垂直以用作針尖的碳納米管60。
請參閱圖3，所述的LIGA制程包括步驟如下(3a)在平面57’涂敷一光阻材料層80(如聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯或聚碳酸酯等)，再將一設(shè)有預(yù)定圖案的光罩(圖未示)置于光阻材料層80上并在X光中曝露一定時(shí)間，以氫氧化鉀等堿性溶液為顯影劑采用濕式腐蝕法使光阻材料層顯現(xiàn)預(yù)定圖案；(3b)采用反應(yīng)性離子蝕刻法蝕刻平面57’形成與光阻材料層80相應(yīng)的預(yù)定圖案；(3c)使用有機(jī)溶劑如丙酮等去除光阻材料層80。
由此在平面57’形成孔洞58’。
另外，采用LIGA法對物體進(jìn)行微機(jī)械加工的具體制程可參考第6,245,849號、第6,472,459號及第6,455,233號美國專利的相關(guān)內(nèi)容。
請參閱圖4，利用化學(xué)氣相沉積法于孔洞58’生長用作針尖的碳納米管60可采用步驟(4a)在平面57’沉積催化劑。可用電子束蒸鍍、濺射或涂敷等方法將催化劑沉積在具有孔洞58’的平面57’，使它形成4～10nm厚的催化劑薄膜82，催化劑選自鐵、鈷、鎳及其氧化物的一種或多種物質(zhì)。
(4b)提供一碳源氣，并使它在預(yù)定溫度與催化劑接觸使得碳納米管由孔洞58’中基本垂直于平面57’長出。在溫度300℃～500℃，空氣氣氛下，對催化劑薄膜82進(jìn)行8～12小時(shí)退火處理，使其收縮為分離的納米級顆粒(圖未示)，并將帶有催化劑顆粒的懸臂52’同時(shí)放進(jìn)反應(yīng)爐(圖未示)；通入保護(hù)氣體(未標(biāo)示)將空氣完全趕盡，同時(shí)將反應(yīng)爐加熱至550～1000℃；然后通入保護(hù)氣體與碳源氣(未標(biāo)示)，保護(hù)氣體可為氬、氮或氦等，碳源氣可為乙炔、甲烷、乙烯等；約15秒～40分鐘后，高度一定的碳納米管60由孔洞58’長出。
當(dāng)然，催化劑薄膜82也可僅分布在孔洞58’中，所得的碳納米管60可以為一碳納米管管束，而不應(yīng)以本實(shí)施例為限。
采用化學(xué)氣相沉積法在懸臂末端生長碳納米管60的具體步驟及反應(yīng)條件還可參考上述第6,346,189號美國專利的相關(guān)內(nèi)容。
另外，本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明提供的LIGA制程處理懸臂末端以及化學(xué)氣相沉積法生長碳納米管的具體步驟均為舉例說明本發(fā)明，不應(yīng)以具體實(shí)施例所限?？梢岳斫獾氖?，當(dāng)采用不同的固定位置時(shí)，探針懸臂也可能有兩個(gè)用于設(shè)置針尖的末端。該制造方法7可進(jìn)一步包括一步驟即將所得的探針懸臂52’固定于AFM的探針座50。
本發(fā)明采用LIGA制程處理需設(shè)置碳納米管針尖的AFM探針懸臂，使其末端頂部形成納米孔洞結(jié)構(gòu)，再利用該孔洞結(jié)構(gòu)的“模板效應(yīng)”采用化學(xué)氣相沉積法在該懸臂末端生長碳納米管。由于LIGA制程處理所得的孔洞直徑均勻且深度易控，使得以此為模板制得的碳納米管取向性好，從而確保并提高使用這種探針的AFM儀器的精密性。
權(quán)利要求
1.一種原子力顯微鏡探針裝置，包括一探針座；一固定于探針座、具有至少一可設(shè)置針尖的末端的懸臂；以及設(shè)置于該懸臂末端用作針尖的碳納米管，其特征在于，該探針懸臂末端的頂部形成有一具有孔洞的平面，該碳納米管由該孔洞基本垂直于該平面長出。
2.如權(quán)利要求
1所述所述的原子力顯微鏡探針裝置，其特征在于，上述孔洞的孔徑為20～100納米。
3.一種原子力顯微鏡探針裝置的制造方法，包括步驟提供一具至少一需設(shè)置針尖的末端的原子力顯微鏡懸臂；在該末端的頂部形成一平面；采用X光深刻電鑄模造制程在該平面形成一孔洞；采用化學(xué)氣相沉積法于該孔洞生長出與該平面基本垂直以用作針尖的碳納米管。
4.如權(quán)利要求
3所述所述的原子力顯微鏡探針裝置的制造方法，其特征在于，采用切割打磨方法在該末端的頂部形成一平面。
5.如權(quán)利要求
3所述的原子力顯微鏡探針裝置的制造方法，其特征在于，上述X光深刻電鑄模造制程包括步驟在該平面形成具有預(yù)定圖案的光阻材料層；蝕刻該平面形成與光阻材料層相應(yīng)的預(yù)定圖案；去除光阻材料層。
6.如權(quán)利要求
5所述的原子力顯微鏡探針裝置的制造方法，其特征在于，上述具有預(yù)定圖案的光阻材料層的形成方法包括步驟提供一設(shè)置有預(yù)定圖案的光罩；在該平面形成一光阻材料層；將光罩置于光阻材料層上并于X光中曝露一定時(shí)間；采用處理液使光阻材料層顯現(xiàn)預(yù)定圖案。
7.如權(quán)利要求
3所述的原子力顯微鏡探針裝置的制造方法，其特征在于，上述孔洞的孔徑為20～100納米。
8.如權(quán)利要求
3所述的原子力顯微鏡探針裝置的制造方法，其特征在于，上述采用化學(xué)氣相沉積法由該孔洞生長出與該平面基本垂直的碳納米管的步驟包括步驟在該平面沉積催化劑；提供一碳源氣，并使它在預(yù)定溫度與催化劑接觸使得碳納米管由孔洞中基本垂直于該平面長出。
9.如權(quán)利要求
8所述的原子力顯微鏡探針裝置的制造方法，其特征在于，上述催化劑僅分布于頂部的孔洞中。
10.如權(quán)利要求
3所述的原子力顯微鏡探針裝置的制造方法，其特征在于，該制造方法進(jìn)一步包括將所得的探針懸臂固定于原子力顯微鏡探針座的步驟。
專利摘要
一種原子力顯微鏡探針裝置，包括一探針座；一固定于探針座、具有至少一可設(shè)置針尖的末端的懸臂；以及設(shè)置于該懸臂末端用作針尖的碳納米管。其中，該探針懸臂末端的頂部形成有一具有孔洞的平面，該碳納米管由該孔洞基本垂直于該平面長出。本發(fā)明還提供上述原子力顯微鏡探針裝置的制造方法。本發(fā)明采用X光深刻電鑄模造制程處理需設(shè)置碳納米管針尖的原子力顯微鏡探針懸臂，解決現(xiàn)有技術(shù)中用作原子力顯微鏡探針針尖碳納米管的取向性低的問題。
文檔編號G01Q60/38GKCN1661355SQ200410015593
公開日2005年8月31日 申請日期2004年2月28日
發(fā)明者宋長志 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan