專利名稱：一種超高密度信息存儲用納機(jī)電探針的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可用于超高密度探針存儲的納機(jī)電探針，更確切的說是一種可用于原子力顯微鏡，以金屬硅化物為針尖的導(dǎo)電探針，屬于微/納機(jī)電系統(tǒng)(M/NEMS)器件制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
各種掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope, SPM)已廣泛應(yīng)用于材料、物理、化學(xué)、生物、微電子、信息技術(shù)等領(lǐng)域。在數(shù)據(jù)存儲器中，用作存儲數(shù)據(jù)的信息點尺寸大小是影響存儲密度的最直接因素。由于SPM技術(shù)能夠直接對單原子進(jìn)行操作，因此可以利用掃描探針對存儲介質(zhì)施加局域的電、磁、光、熱等作用，以此改變材料的局域形貌、電、磁、光等特性，由于改變特性的區(qū)域只有幾納米到幾十納米，如果用這些區(qū)域來記錄信息，就可以將掃描探針的高分辨特性轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息的超高密度存儲。目前，基于掃描探針顯微鏡的信息存儲技術(shù)已經(jīng)成為超高密度信息存儲技術(shù)的研究熱點，利用不同類型的SPM、不同的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)提出了多種探針存儲方案[姜桂元等.化學(xué)進(jìn)展，2007, 19 (6) 1034-1040]，其中基于原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)和相變薄膜材料的存儲技術(shù)具有潛在的高存儲密度、高存儲速度和低成本優(yōu)勢。在基于相變材料的探針存儲技術(shù)中，常用的相變材料是GeSbTe和AghSbTe等碲基合金為代表的硫系化合物薄膜。圖1所示為探針相變存儲的原理圖制備在基體9上的多層薄膜的相變層7初始時為晶態(tài)薄膜，在AFM的導(dǎo)電探針6與電極層8之間施加一個納秒(ns)級短而強(qiáng)的電脈沖，電流經(jīng)由電極層8流出，電流引起的焦耳熱效應(yīng)使針尖部位的存儲介質(zhì)實現(xiàn)晶態(tài)向非晶態(tài)的相變，從而實現(xiàn)信息的寫入；信息擦除時，在非晶態(tài)信息點部位施加一個寬而強(qiáng)度低一些的電脈沖，焦耳熱使信息記錄點實現(xiàn)非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變；信息讀取時，在探針上施加一個強(qiáng)度較弱的脈沖，使其產(chǎn)生的熱量不至于超過結(jié)晶溫度，以免引起材料的相變，隨后探針開始掃描，電流通過電極層8與外界電流電壓轉(zhuǎn)換模塊10相連后轉(zhuǎn)接回顯微鏡形成回路，當(dāng)探針和信息記錄點(非晶態(tài))接觸時，其電阻值將顯著提高，通過檢測電流像的變化，實現(xiàn)信息的讀取。Satoh等人[H. Satoh，et al. Journal of AppliedPhysics, 2006,99:024306]已經(jīng)在硫系薄膜上獲得了直徑10-70納米的信息記錄點，實現(xiàn)了 lTB/in2以上的超高存儲密度。在所有的探針存儲方案中，探針的針尖直徑是決定信息記錄點尺寸大小(也就是存儲密度)的決定性因素之一，因此存儲用探針必須具有納米級尺度的針尖；另外，探針在存儲介質(zhì)表面掃描時會產(chǎn)生摩擦，實用化的存儲探針需要能夠承受幾千米的掃描行程，所以針尖又必須具有優(yōu)異的耐磨損性能；而對于相變探針存儲來說，探針除了要滿足上述要求之外，還必須具有良好的導(dǎo)電性能。目前用于AFM導(dǎo)電測試的導(dǎo)電探針主要有兩類一類是鍍有鎢(W)、鉬(Pt)、金(Au)等導(dǎo)電涂層的氮化硅(Si3N4)或多晶硅探針，這類探針為了盡量減小針尖直徑，鍍層一般只有幾個納米，極易磨損，而磨損后就失去了探針的導(dǎo)電性；另一類是用W、Pt或者Pt-Ir (銥)合金制備的整體式金屬探針，如中國專利號為200710009311. 4、名稱為鉬-銥針尖的制備方法及其裝置，利用電化學(xué)腐蝕方法制備出了直徑IOnm的Pt-Ir探針，這類整體式金屬探針雖然具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和良好的硬度和耐磨性，但是其價格昂貴，更重要的是其制備工藝不能與M/NEMS技術(shù)兼容，無法制備成高密度存儲所需的低成本、大規(guī)模探針陣列。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種超高密度信息存儲用納機(jī)電探針的的制備方法，利用成熟的M/NEMS技術(shù)制備成本較低的、導(dǎo)電性能和耐磨損性能良好的懸臂梁納機(jī)電探針。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是采用如下步驟
1、在單晶硅基體ι的兩面用熱氧化法分別制得正面SiA鈍化層和背面SiA鈍化層；
2、光刻正面S^2鈍化層，形成刻蝕針尖形成的窗口和針尖掩膜，針尖掩膜靠近單晶硅基體前端，剩余的正面S^2鈍化層位于單晶硅基體后端，刻蝕針尖形成的窗口位于針尖掩膜和剩余的正面SW2鈍化層之間；
3、用氫氧化鉀溶液對所述刻蝕針尖形成的窗口進(jìn)行各向異性濕法刻蝕，制得懸臂梁正面窗口和固定錨，固定錨在懸臂梁正面窗口的后側(cè)壁上；
4、用氫氟酸緩沖液去除針尖掩膜和剩余的正面SiO2鈍化層，得到懸臂梁正面和硅針
尖；
5、在懸臂梁正面和硅針尖正面沉積金屬薄膜，對金屬薄膜進(jìn)行原位退火，形成金屬硅化物導(dǎo)電層和金屬硅化物探針針尖，去除未形成金屬硅化物的金屬；
6、在金屬硅化物導(dǎo)電層和金屬硅化物探針針尖正面制備Si3N4薄膜；
7、對Si3N4薄膜光刻形成兩個矩形窗口，兩個矩形窗口中露出金屬硅化物導(dǎo)電層，去除金屬硅化物探針針尖周圍的Si3N4薄膜，露出金屬硅化物探針針尖。8、光刻背面S^2鈍化層，形成刻蝕懸臂梁形成的窗口，剩余的背面S^2鈍化層位于單晶硅基體后端，對所述刻蝕懸臂梁形成的窗口進(jìn)行刻蝕，形成懸臂梁和基座，制得超高密度信息存儲用納機(jī)電探針。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后的有益效果如下
1、所制備的納機(jī)電探針是整體式金屬硅化物針尖，具有良好導(dǎo)電性和耐磨損性，解決了鍍層導(dǎo)電探針易磨損的問題；不只局限于應(yīng)用在高密度相變探針存儲領(lǐng)域，還可以用在其它所有需要良好導(dǎo)電性、耐磨損性能探針的SPM技術(shù)領(lǐng)域，如納米薄膜表面靜電測量等。另外，由于在針尖除外的四周包裹了 Si3N4層，進(jìn)一步提高了探針的抗磨損性能。2、W或Pt等金屬硅化物既作為探針的針尖材料，又作為導(dǎo)電層材料，使制備工藝進(jìn)一步簡化。3、懸臂梁探針的制作成本低廉，制備工藝完全與常規(guī)MEMS工藝兼容，可以批量生產(chǎn)。4、整個懸臂梁和基座全部在一個硅片上制作完成，設(shè)備要求低，制備工藝易于向最終制備大規(guī)模探針陣列推廣。


圖1為基于原子力顯微鏡(AFM)的相變探針存儲原理圖；圖2-1為本發(fā)明納機(jī)電探針的三維結(jié)構(gòu)圖2-2為2-1的主視圖2-3至圖2-11為納機(jī)電探針的制備工藝示意圖中a.金屬硅化物探針針尖；a’.硅針尖；b.懸臂梁；c.引線孔；d.固定錨；e.基座；1.單晶硅基體；la.懸臂梁正面窗口 ；lb.懸臂梁正面；2.正面SiO2鈍化層；2a.刻蝕針尖形成的窗口 ；2b.針尖掩膜；3.背面SiO2鈍化層；3a.刻蝕懸臂梁形成的窗口 ；4.金屬硅化物導(dǎo)電層；5. Si3N4保護(hù)層；6.探針；7.相變層；8.電極層；9.基體；10.電流電壓轉(zhuǎn)換模塊。
具體實施例方式以硅化鎢(WSi)、硅化鈦(TiSi)、硅化鎳(Nisi)和硅化鉬(PtSi)等金屬硅化物具有良好的導(dǎo)電性、高溫?zé)岱€(wěn)定性，其制備工藝與現(xiàn)代微電子制造技術(shù)相兼容，且WSi和PtSi還具有很高的硬度和優(yōu)異的耐磨損性能，因此，本發(fā)明選擇WSi或PtSi金屬硅化物作為導(dǎo)電探針針尖。本發(fā)明首先在雙面拋光的單晶硅兩面熱氧化生成氧化硅(SiO2)作為鈍化膜，再利用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝制作需要的圖案，并刻蝕正面的SiA掩膜；然后利用各向異性濕法腐蝕得到單晶硅針尖，同時制備出懸臂梁的固定錨，以確保懸臂梁的尺寸精確性；接著去除正面剩余的氧化硅掩膜，并利用磁控濺射臺沉積W或Pt等金屬膜，再適當(dāng)溫度退火后，形成金屬硅化物薄膜；利用氣相沉積臺制備氮化硅(Si3N4)薄膜作為保護(hù)層，隨后光刻出導(dǎo)電層的引線孔；最后光刻背面的SiO2，并用干法刻蝕基座釋放懸臂梁，形成懸臂梁探針。以下以金屬硅化物PtSi做為導(dǎo)電探針針尖為例描述本發(fā)明的具體實施步驟，以WSi或其它金屬硅化物做為導(dǎo)電探針針尖的具體實施步驟與金屬硅化物PtSi雷同。如圖2-3所示，在單晶硅基體1的兩面用熱氧化法制備厚度為2 μ m左右的SiO2鈍化層作為掩膜層，分別形成正面SiA鈍化層2和背面SiA鈍化層3。如圖2-4所示，光刻正面SiO2鈍化層2，形成刻蝕針尖形成的窗口加和針尖掩膜2b，針尖掩膜2b靠近單晶硅基體1前端，剩余的正面SW2鈍化層2位于單晶硅基體1后端，刻蝕針尖形成的窗口加位于針尖掩膜2b和剩余的正面SW2鈍化層2之間，為進(jìn)一步刻蝕針尖做準(zhǔn)備。如圖2-5所示，利用氫氧化鉀(KOH)溶液對刻蝕針尖形成的窗口加進(jìn)行各向異性濕法刻蝕，刻蝕深度在6 μ m左右，制備出懸臂梁正面窗口 Ia和固定錨d，固定錨d在懸臂梁正面窗口 Ia的后側(cè)壁上，刻蝕時，使懸臂梁正面窗口 Ia與針尖掩膜2b的連接處呈針尖狀。不同濃度的Κ0Η，不同溫度下刻蝕時會得到不同縱橫比的針尖，因此根據(jù)要求選擇合適的濃度的KOH溶液。如圖2-6所示，用氫氟酸緩沖液(BHF)去除針尖掩膜2b和剩余的正面SW2鈍化層2，得到懸臂梁正面Ib和硅針尖a’。如圖2-7所示，利用磁控濺射臺，以射頻方式濺射Pt靶，在懸臂梁正面Ib和硅針尖a’正面沉積20nm左右的Pt薄膜。隨后對Pt薄膜進(jìn)行原位退火，退火溫度為700°C，退火時間為5min，形成金屬硅化物(PtSi )導(dǎo)電層4和金屬硅化物探針針尖a，最后再用3 1的HCl和HNCV混合液去除未形成PtSi的Pt。不同的金屬，退火溫度不同，或者相同金屬，不同的退火溫度，會得到不同結(jié)構(gòu)組成的金屬硅化物，如Pt在250°C左右退火時，會形成Pt2O,而退火溫度達(dá)到335°C之后，Pt2Si才會轉(zhuǎn)變成PtSi。如圖2-8所示，利用等離子增強(qiáng)氣相沉積臺(PECVD)在PtSi金屬硅化物導(dǎo)電層4和金屬硅化物探針針尖a正面上制備1 μ m左右的Si3N4薄膜5。對Si3N4薄膜5光刻，在正面形成兩個矩形窗口，并確保窗口中露出金屬硅化物導(dǎo)電層4，此兩個矩形窗口為金屬硅化物導(dǎo)電層4層的引線孔c，圖2-9所示；再用三氟甲烷(CHF3)氣體進(jìn)行選擇性離子束刻蝕，去除金屬硅化物探針針尖a周圍的Si3N4薄膜5，露出金屬硅化物探針針尖a。如圖2-10所示，光刻單晶硅基體1背面的背面SW2鈍化層3，形成刻蝕懸臂梁形成的窗口 3a，剩余的背面SiO2鈍化層3位于單晶硅基體1后端。再用SF6做氣體，對刻蝕懸臂梁形成的窗口 3a進(jìn)行選擇性深反應(yīng)離子束刻蝕(DRIE)，形成懸臂梁b和基座e，如圖2-11所示，制得如圖2-1和圖2-2所示的超高密度信息存儲用納機(jī)電探針。本發(fā)明的單晶硅基體1可選用300 μ m厚的雙面拋光N型單晶硅，懸臂梁b長度為550 μ m、寬為 60 μ m。
權(quán)利要求
1.一種超高密度信息存儲用納機(jī)電探針的制備方法，其特征是采用如下步驟ι)在單晶硅基體(ι)的兩面用熱氧化法分別制得正面SiA鈍化層(2)和背面SiA鈍化層(3);2)光刻正面SiA鈍化層(2)，形成刻蝕針尖形成的窗口(2a)和針尖掩膜(2b)，針尖掩膜(2b)靠近單晶硅基體(1)前端，剩余的正面SW2鈍化層(2)位于單晶硅基體(1)后端， 刻蝕針尖形成的窗口(2a)位于針尖掩膜(2b)和剩余的正面SW2鈍化層(2)之間；3)用氫氧化鉀溶液對所述刻蝕針尖形成的窗口(2a)進(jìn)行各向異性濕法刻蝕，制得懸臂梁正面窗口(Ia)和固定錨(d)，固定錨(d)在懸臂梁正面窗口(Ia)的后側(cè)壁上；4)用氫氟酸緩沖液去除針尖掩膜(2b)和剩余的正面SW2鈍化層(2)，得到懸臂梁正面 (Ib)和硅針尖(a’)；5)在懸臂梁正面(Ib)和所述硅針尖(a’)正面沉積金屬薄膜，對金屬薄膜進(jìn)行原位退火，形成金屬硅化物導(dǎo)電層(4)和金屬硅化物探針針尖(a)，去除未形成金屬硅化物的金屬；6)在金屬硅化物導(dǎo)電層(4)和金屬硅化物探針針尖(a)正面制備Si3N4薄膜(5)；7)對Si3N4薄膜(5)光刻形成兩個矩形窗口，兩個矩形窗口中露出金屬硅化物導(dǎo)電層 (4)，去除金屬硅化物探針針尖(a)周圍的Si3N4薄膜(5)，露出金屬硅化物探針針尖(a)；8)光刻背面SiO2鈍化層(3)，形成刻蝕懸臂梁形成的窗口(3a)，剩余的背面S^2鈍化層(3)位于單晶硅基體(1)后端，對所述刻蝕懸臂梁形成的窗口(3a)進(jìn)行刻蝕，形成懸臂梁 (b )和基座(e )，制得超高密度信息存儲用納機(jī)電探針。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征是步驟1)所述的正面SiO2鈍化層(2) 和背面SiO2鈍化層(3)均為2μπι;步驟3)所述的懸臂梁正面窗口(Ia)的深度為6μπι;步驟5)所述的金屬硅化物導(dǎo)電層(4)的深度為20nm ；所述的退火溫度為700°C，退火時間為 5min ；步驟6)所述的Si3N4薄膜(5)深度為1 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以金屬硅化物為針尖的超高密度信息存儲用納機(jī)電探針的制備方法，先在光刻單晶硅基體的正面SiO2鈍化層上形成窗口和針尖掩膜，刻蝕窗口制得懸臂梁正面窗口和固定錨，再去除針尖掩膜和剩余的正面SiO2鈍化層得到懸臂梁正面和硅針尖，在懸臂梁正面和硅針尖正面沉積金屬薄膜形成金屬硅化物導(dǎo)電層和金屬硅化物探針針尖；在金屬硅化物導(dǎo)電層和金屬硅化物探針針尖正面制備Si3N4薄膜，去除金屬硅化物針尖周圍的Si3N4薄膜露出金屬硅化物探針針尖；最后光刻單晶硅基體背面SiO2鈍化層形成刻蝕懸臂梁形成的窗口，對刻蝕懸臂梁形成的窗口進(jìn)行刻蝕形成懸臂梁和基座，制備的納機(jī)電探針具有良好導(dǎo)電性和耐磨損性，制作成本低廉，與常規(guī)MEMS工藝兼容。
文檔編號B81C1/00GK102556954SQ201210042348
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者付永忠, 王權(quán) 申請人:江蘇大學(xué)