一種用于超精細納米加工的針尖的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于超精細納米加工的針尖，在金屬針尖及懸臂上依次鍍氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜，氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜在金屬針尖尖端位置設(shè)有納米尺度的孔。通過場發(fā)射金屬膜發(fā)射出的場致發(fā)射電子，經(jīng)過絕緣層、屏蔽聚焦金屬膜上小孔處彎曲電場聚焦后轟擊樣品表面實現(xiàn)對樣品的超精細納米加工，該微加工針尖利用金屬屏蔽層結(jié)構(gòu)和電學(xué)的電子束聚焦效應(yīng)，能有效減小探針場發(fā)射電子束束流直徑，從而減小微加工所能獲得的線寬到10納米量級。
【專利說明】一種用于超精細納米加工的針尖

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種用于超精細納米加工的原子力顯微鏡系統(tǒng)的核心部件，聚焦場發(fā)射電子束探針，該微加工探針利用聚焦屏蔽金屬膜和針尖場發(fā)射金屬膜層間形成的特殊電場分布對電子束的屏蔽聚焦效應(yīng)，能有效減小探針樣品間場發(fā)射電子束束流直徑，從而將探針納米加工所能獲得的線寬降低到10納米以下。該針尖可以同時用作原子力顯微鏡探針作微區(qū)成像掃描。

【背景技術(shù)】
[0002]原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,簡稱AFM)于1986年由IBM公司的科學(xué)家發(fā)明。由于其在材料科學(xué)領(lǐng)域和基礎(chǔ)科學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用前景，近些年得到飛速發(fā)展。除了可以對材料表面結(jié)構(gòu)和形貌進行成像外，通過在針尖和樣品間施加強電場誘發(fā)的場發(fā)射電子束可以對樣品表面進行超精細加工。但是由于傳統(tǒng)硅懸臂針尖的尖端尺寸一般在幾十到幾百納米量級，在進行超精細加工樣品時，場發(fā)射電子束的直徑較大，在很大程度上使得微加工線寬很難變小至數(shù)納米量級。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有的用于超精細納米加工的導(dǎo)電原子力探針針尖場發(fā)射電子束束流直徑過大的問題，本發(fā)提出了一種針尖，該針尖不但能有效降低場發(fā)射束流直徑，將超精細加工線寬降低到10納米以下，還具有結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低等特點。該設(shè)計方案包括層疊結(jié)構(gòu)的針尖主體，針尖電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及針尖尖端納米結(jié)構(gòu)。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0005]一種用于超精細納米加工的針尖，在金屬針尖及懸臂上依次鍍氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜，氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜在金屬針尖尖端位置設(shè)有納米尺度的孔。經(jīng)過屏蔽聚焦金屬膜的孔處指向金屬針尖的彎曲電場聚焦后轟擊樣品表面實現(xiàn)對樣品表面蒸鍍的光刻膠的電子束曝光，從而實現(xiàn)納米級精度的超精細納米加工。
[0006]以下作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選技術(shù)方案，但不作為本發(fā)明提供的技術(shù)方案的限制，通過以下技術(shù)方案，可以更好的達到和實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)目的和有益效果。
[0007]優(yōu)選地，在本發(fā)明提供的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，一種用于超精細納米加工的針尖，在金屬針尖及懸臂上依次鍍場發(fā)射金屬膜、氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜，氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜在金屬針尖尖端位置設(shè)有納米尺度的孔，場發(fā)射金屬膜一直延伸到懸臂末端。通過場發(fā)射金屬膜發(fā)射場致發(fā)射電子，經(jīng)過屏蔽聚焦金屬膜上孔處指向金屬針尖的彎曲電場聚焦后轟擊樣品表面實現(xiàn)對樣品表面蒸鍍的光刻膠的電子束曝光，從而實現(xiàn)納米級精度的超精細納米加工。使用時樣品盒屏蔽聚焦金屬膜接地，場發(fā)射金屬膜接負偏壓。
[0008]優(yōu)選地，所述場發(fā)射金屬膜與場發(fā)射金屬膜引出電極相連，所述屏蔽聚焦金屬膜與屏蔽聚焦金屬膜引出電極相連。
[0009]優(yōu)選地，在本發(fā)明提供的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述金屬針尖為硅懸臂原子力針尖。
[0010]所述場發(fā)射金屬膜的厚度例如為10nm，所述氧化物絕緣膜的厚度例如為5nm，所述氧化物絕緣膜在金屬針尖尖端孔直徑例如為5nm，所述屏蔽聚焦金屬膜的厚度例如為5nm,所述屏蔽聚焦金屬膜在金屬針尖尖端孔直徑例如為10nm。
[0011]示例性的本發(fā)明用于超精細納米加工的針尖，尤其是商品化硅懸臂原子力顯微鏡針尖，在所述金屬針尖及懸臂依次鍍用于場發(fā)射的場發(fā)射金屬膜，并引出電極作為場發(fā)射加工探針的電子源，場發(fā)射金屬膜一直延伸到懸臂末端。在場發(fā)射金屬膜上鍍氧化物絕緣膜，隨后在氧化物絕緣膜上鍍屏蔽聚焦金屬膜，并且氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜在金屬針尖尖端位置設(shè)有納米尺度的孔，最后在屏蔽聚焦金屬膜上連接引出電極，形成屏蔽和聚焦層。
[0012]優(yōu)選地，在本發(fā)明提供的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述針尖材料及各鍍層可分別選擇一種金屬場發(fā)射效率高的材料，可以更換不同種類金屬氧化物絕緣膜，可以設(shè)計不同厚度的鍍層以提高場發(fā)射效率。屏蔽金屬聚焦膜針尖尖端的孔可以選擇不同大小的直徑以優(yōu)化屏蔽聚焦效率，降低場發(fā)射電子束流直徑。
[0013]優(yōu)選地，在本發(fā)明提供的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，利用氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜在針尖尖端的孔形成的孔通道發(fā)射場發(fā)射電子，利用屏蔽聚焦金屬膜對電場的屏蔽效應(yīng)聚焦電子束。
[0014]優(yōu)選地，在本發(fā)明提供的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，利用本發(fā)明金屬針尖尖端的開孔所形成的特殊形狀的電場對場發(fā)射電極和樣品間的電場線壓制聚焦作用，聚焦電子束實現(xiàn)降低場發(fā)射電子束流直徑。
[0015]優(yōu)選地，在本發(fā)明提供的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，金屬針尖、聚焦屏蔽金屬膜和待加工樣品三者之間的所加電壓是可調(diào)的。這些電壓的調(diào)節(jié)直接控制金屬針尖和聚焦屏蔽金屬膜之間的電場強度和調(diào)節(jié)場致電子發(fā)射的效率，以防止金屬針尖與聚焦屏蔽金屬膜之間絕緣層的電擊穿，優(yōu)化場致電子發(fā)射的使用性能。
[0016]優(yōu)選地，在本發(fā)明提供的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述用于超精細納米加工的針尖用作場致電子發(fā)射針尖，并同時用作原子力顯微鏡探針針尖，在停止場致電子發(fā)射時，進行原子力顯微成像測量。
[0017]優(yōu)選地，在本發(fā)明提供的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述針尖、聚焦屏蔽金屬膜和待加工樣品三者之間所加電壓是直流電壓和/或交流電壓，以便將針尖使用成用于納米測量和納米制造的多用途針尖。
[0018]本發(fā)明所述用于超精細納米加工的針尖的工作原理如下所示:
[0019](I)將待加工樣品和屏蔽聚焦金屬膜引出電極共地連接；
[0020](2)在場發(fā)射金屬膜電極和待加工樣品之間施加直流偏壓，其中場發(fā)射金屬膜引出電極接負極，這樣就會在場發(fā)射金屬膜和屏蔽聚焦金屬膜之間形成由針尖外部指向內(nèi)部的彎曲電場，并且在場發(fā)射金屬膜和待加工樣品之間形成垂直樣品表面的直線局域強電場，在強電場的作用下場發(fā)射金屬膜發(fā)生場發(fā)射，發(fā)射電子，電子束流通過氧化物絕緣膜針尖尖端處孔以及屏蔽聚焦金屬膜針尖尖端處孔的屏蔽、聚焦效應(yīng)聚焦后轟擊到樣品上，實現(xiàn)對樣品的超精細納米加工。
[0021]如圖3所示為普通導(dǎo)電場發(fā)射針尖超精細加工工作原理示意圖，圖4為本發(fā)明針尖結(jié)構(gòu)超精細納米加工工作原理示意圖。對比普通導(dǎo)電針尖以及本發(fā)明聚焦針尖工作時針尖尖端和樣品間的電場分布可以看出:對于普通針尖，場發(fā)射針尖的電場線會被展寬，使得到達樣品表面的電子束直徑大小為dl ;對于本發(fā)明設(shè)計的針尖，在工作時場發(fā)射針尖和屏蔽層以及場發(fā)射針尖和樣品之間會形成不同形狀的電場，其中屏蔽層一方面有效降低了場發(fā)射針尖發(fā)射電子的區(qū)域使得針尖和樣品間的電力線更聚集，達到聚焦效果，另一方面屏蔽層和場發(fā)射針尖的彎曲電場對針尖和樣品間的電場有壓制聚焦作用，使得沿電場線出射的電子束直徑降低到d2。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明及優(yōu)選的技術(shù)方案具有如下有益效果:
[0023]本發(fā)明采用疊層設(shè)計和針尖尖端屏蔽聚焦電極的微孔結(jié)構(gòu)，可以有效降低場發(fā)射束流直徑，大幅降低超精細加工線寬，提高微加工分辨率。該微加工針尖利用金屬屏蔽層結(jié)構(gòu)和電學(xué)的電子束聚焦效應(yīng)，能有效減小探針場發(fā)射電子束束流直徑，從而減小微加工所能獲得的線寬到10納米量級。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]下面結(jié)合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0025]圖1是本發(fā)明用于超精細加工的針尖結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2是超精細加工針尖工作示意圖。
[0027]圖3為普通導(dǎo)電場發(fā)射針尖超精細加工工作原理示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明針尖結(jié)構(gòu)超精細納米加工工作原理示意圖。
[0029]說明書附圖標記如下所示:
[0030]1-金屬針尖2-場發(fā)射金屬膜3-氧化物絕緣膜4-屏蔽聚焦金屬膜5-場發(fā)射金屬膜引出電極6-屏蔽聚焦金屬膜引出電極7-待加工樣品8-直流電源9-滑動電阻器。

【具體實施方式】
[0031]為更好地說明本發(fā)明，便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明的典型但非限制性的實施例如下:
[0032]【具體實施方式】I
[0033]一種用于超精細納米加工的針尖，在所述金屬針尖I及懸臂上依次鍍氧化物絕緣膜3和屏蔽聚焦金屬膜4，氧化物絕緣膜3和屏蔽聚焦金屬膜4在金屬針尖I尖端位置設(shè)有納米尺度的孔。所述氧化物絕緣膜3的厚度例如為5nm，所述氧化物絕緣膜3針尖尖端孔直徑例如為5nm，所述屏蔽聚焦金屬膜4的厚度例如為5nm，所述屏蔽聚焦金屬膜4針尖尖端孔直徑例如為10nm。
[0034]【具體實施方式】2
[0035]一種用于超精細納米加工的針尖，在所述金屬針尖I及懸臂上依次鍍場發(fā)射金屬膜2、氧化物絕緣膜3和屏蔽聚焦金屬膜4，氧化物絕緣膜3和屏蔽聚焦金屬膜4在針尖I尖端位置設(shè)有納米尺度的孔，場發(fā)射金屬膜2 —直延伸到懸臂末端。所述場發(fā)射金屬膜2與場發(fā)射金屬膜引出電極5相連，所述屏蔽聚焦金屬膜4與屏蔽聚焦金屬膜引出電極6相連。
[0036]所述場發(fā)射金屬膜2的厚度例如為10nm，所述氧化物絕緣膜3的厚度例如為5nm，所述氧化物絕緣膜3針尖尖端孔直徑例如為5nm，所述屏蔽聚焦金屬膜4的厚度例如為5nm，所述屏蔽聚焦金屬膜4針尖尖端孔直徑例如為10nm。
[0037]本發(fā)明所述用于超精細納米加工的探針的工作原理如下所示:
[0038](I)將待加工樣品7和屏蔽聚焦金屬膜引出電極6共地連接；
[0039](2)在場發(fā)射金屬膜電極5和待加工樣品7之間施加直流偏壓，其中場發(fā)射金屬膜引出電極5接負極，這樣就會在場發(fā)射金屬膜2和屏蔽聚焦金屬膜4之間形成由金屬針尖I外部指向內(nèi)部的彎曲電場，并且在場發(fā)射金屬膜2和待加工樣品之7間形成垂直樣品表面的直線局域強電場，在強電場的作用下場發(fā)射金屬膜2發(fā)生場發(fā)射,發(fā)射電子，電子束流通過氧化物絕緣膜3尖端處孔以及屏蔽聚焦金屬膜4尖端處孔的屏蔽、聚焦效應(yīng)聚焦后轟擊到樣品上，實現(xiàn)對樣品的超精細納米加工。
[0040] 申請人:聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細方法，但本發(fā)明并不局限于上述詳細方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細方法才能實施。所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進，對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于超精細納米加工的針尖，其特征在于，在金屬針尖及懸臂上依次鍍氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜，氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜在金屬針尖尖端位置設(shè)有納米尺度的孔。
2.如權(quán)利要求1所述的針尖，其特征在于，在金屬針尖及懸臂上依次鍍場發(fā)射金屬膜、氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜，氧化物絕緣膜和屏蔽聚焦金屬膜在金屬針尖尖端位置設(shè)有納米尺度的孔，場發(fā)射金屬膜一直延伸到懸臂末端。
3.如權(quán)利要求2所述的針尖，其特征在于，所述場發(fā)射金屬膜與場發(fā)射金屬膜引出電極相連，所述屏蔽聚焦金屬膜與屏蔽聚焦金屬膜引出電極相連。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的針尖，其特征在于，所述金屬針尖為硅懸臂原子力針尖。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的針尖，其特征在于，金屬針尖、聚焦屏蔽金屬膜和待加工樣品三者之間的所加電壓是可調(diào)的
6.如權(quán)利要求1-5之一所述的針尖，其特征在于，所述用于超精細納米加工的針尖用作場致電子發(fā)射針尖，并同時用作原子力顯微鏡探針針尖，在停止場致電子發(fā)射時，進行原子力顯微成像測量。
7.如權(quán)利要求1-6之一所述的針尖，其特征在于，所述金屬針尖、聚焦屏蔽金屬膜和待加工樣品三者之間所加電壓是直流電壓和/或交流電壓。
【文檔編號】G01Q60/40GK104253002SQ201310264872
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】裘曉輝, 周向前, 陳鵬程, 程志海 申請人:國家納米科學(xué)中心, 北京匯德信科技有限公司