專利名稱：納米厚度梁結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納電子機(jī)械系統(tǒng)(NEMS)加工工藝領(lǐng)域，尤其涉及一種納米厚度梁結(jié)構(gòu)的加工方法。
背景技術(shù)：
納電子機(jī)械系統(tǒng)(NEMS)是指特征尺寸和效應(yīng)上具有納米技術(shù)特點(diǎn)的一類超小型機(jī)電一體的系統(tǒng)。NEMS器件具有許多優(yōu)良的特性，如超高頻率、超小尺寸和質(zhì)量，超低功率、高靈敏度和對表面吸附性的強(qiáng)控制能力等。NEMS技術(shù)潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益將逐步滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，包括醫(yī)藥技術(shù)、生命科學(xué)、制造業(yè)和信息通訊等。目前NEMS正處于起步階段，世界各地的科技人員正積極致力于這一領(lǐng)域的研究。納米尺度梁結(jié)構(gòu)做為NEMS器件最基本的核心結(jié)構(gòu)和功能單元，對于NEMS系統(tǒng)的發(fā)展起著決定性作用，如生物芯片和射頻器件等，都大量使用了納米尺度梁結(jié)構(gòu)。因此，納米尺度梁結(jié)構(gòu)的加工方法是NEMS領(lǐng)域的重點(diǎn)研究問題之一。例如李昕欣等人在SOI硅片上制作了納米厚度單晶硅梁(Xinxin Li，Takahito Ono，Yuelin Wang and MasayoshiEsashi，Ultrathin Single-crystalline-silicon Cantilever ResonatorsFabrication Technology and Signifi cant Specimen Size Effect on Young’s Modulus，Applied Physics Letters，Vol.83，No.15，2003，pp3081-3083)，這種方法使用了昂貴的SOI硅片，成本高，而且加工過程使用了濕法腐蝕，降低了成品率，同時需要與濕法腐蝕相配合的冷阱釋放設(shè)備，工藝復(fù)雜，不適合批量化快速生產(chǎn)。因此，NEMS研究和應(yīng)用對低成本、高生產(chǎn)率的納米尺度梁結(jié)構(gòu)加工方法有強(qiáng)烈的需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供一種在硅片上制造納米厚度梁結(jié)構(gòu)的加工方法。
一種納米厚度梁結(jié)構(gòu)的制備方法，其步驟包括(1)鍵合區(qū)制作在硅片的正面，利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕(ICP-RIE)技術(shù)制作臺階，該臺階即鍵合區(qū)；(2)納米厚度梁結(jié)構(gòu)制作在已經(jīng)制作好鍵合區(qū)的硅片表面上，利用化學(xué)氣相淀積(CVD)或物理氣相淀積(PVD)生長一層納米厚度的非硅材料薄膜，生長的薄膜材料在電感耦合高密度等離子體刻蝕條件下對硅有足夠高的選擇比，如二氧化硅(SiO2)和鋁(Al)等。此薄膜的厚度決定了納米厚度梁結(jié)構(gòu)的厚度。再根據(jù)所需要的納米厚度梁結(jié)構(gòu)的平面尺寸，利用光刻和腐蝕(或刻蝕)去除局部的薄膜。所保留下來的薄膜形狀即納米厚度梁結(jié)構(gòu)；(3)硅與玻璃鍵合在硅片上制作完成納米厚度梁結(jié)構(gòu)之后，硅片上下表面翻轉(zhuǎn)，將上表面已制作好的鍵合區(qū)與玻璃片進(jìn)行陽極鍵合；(4)納米厚度梁結(jié)構(gòu)釋放利用氫氧化鉀溶液腐蝕的方法將硅片從背面減薄。然后再利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕(ICP-RIE)將硅片的局部從背面刻蝕穿通。背面穿通的位置正對著正面的納米厚度梁結(jié)構(gòu)的非固支端，則與納米厚度梁結(jié)構(gòu)非固支部位相連接的硅將被去除，而納米厚度梁結(jié)構(gòu)的材料不是硅，在刻蝕過程中被保留而成為懸浮結(jié)構(gòu)，該過程稱為納米寬度梁結(jié)構(gòu)的釋放。
步驟1進(jìn)一步包括臺階高度大于3μm。
步驟2進(jìn)一步包括生成的非硅材料薄膜厚度為10nm至500nm。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與技術(shù)效果本發(fā)明能夠加工出納米厚度的梁結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確控制梁結(jié)構(gòu)的納米級厚度，并且梁結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則，工藝流程簡單，不使用濕法腐蝕釋放，成品率高，重復(fù)性好，效率高。與現(xiàn)有硅微機(jī)械加工工藝兼容，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，適合納米梁的批量生產(chǎn)。


圖1為加工過程使用的光刻版示意，其中，圖1.1、圖1.2和圖1.3分別為1號光刻、2號光和3號光刻版示意圖，圖1.4為三張光刻版的對準(zhǔn)關(guān)系示意圖；圖2為完成臺階制作后的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖2.1為俯視圖，圖2.2為沿A-A’的剖面圖，圖2.3為沿B-B’的剖面圖；圖3為制備納米厚度梁結(jié)構(gòu)的薄膜生長后結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖3.1為俯視圖，圖3.2為沿A-A’的剖面圖，圖3.3為沿B-B’的剖面圖；圖4為納米厚度梁結(jié)構(gòu)制作后結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖4.1為俯視圖，圖4.2為沿A-A’的剖面圖，圖4.3為沿B-B’的剖面圖；圖5為硅與玻璃鍵合后結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖5.1為俯視圖，圖5.2為沿A-A’的剖面圖，圖5.3為沿B-B’的剖面圖；圖6為納米厚度梁結(jié)構(gòu)釋放后結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖6.1為俯視圖，圖6.2為沿A-A’的剖面圖，圖6.3為沿B-B’的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用雙面拋光的硅片和玻璃片做襯底，工藝流程包括鍵合區(qū)制作、納米厚度梁結(jié)構(gòu)制作、硅與玻璃鍵合、納米厚度梁結(jié)構(gòu)釋放四個主要工藝步驟。以加工單端固支的鋁納米厚度梁結(jié)構(gòu)為例，具體工藝步驟是(1)鍵合區(qū)制作在硅片的正面，利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕(ICP-RIE)技術(shù)制作高度為4μm的臺階，光刻和等離子體刻蝕是微機(jī)械加工中常用的技術(shù)[Nadim Maluf and Kirk Williams，An Int roduction toMicroelectromechanical System Engineering，2ndEdition，ISBN1-58053-590-9，Artech House，2004]，此次光刻中使用了圖1.1所示的1號光刻版，其中陰影部分表示光刻版上不透光的圖形。制成的結(jié)構(gòu)的俯視圖如圖2.1所示。制成的結(jié)構(gòu)沿A-A’和B-B’的剖面圖分別如圖2.2和圖2.3所示。圖中灰色部分表示硅材料。1區(qū)是被刻蝕的部分，形成凹槽。2區(qū)是沒有被刻蝕的部分，形成表面平坦的臺階，即鍵合區(qū)。
(2)納米厚度梁結(jié)構(gòu)制作在已經(jīng)制作好鍵合區(qū)的硅片表面上，用物理氣相淀積—濺射的方法生長一層厚度為納米量級的鋁(Al)薄膜。濺射是微機(jī)械加工中常用的技術(shù)[NadimMaluf and Kirk Williams，An Introduction to MicroelectromechanicalSystem Engineering，2ndEdition，ISBN1-58053-590-9，Artech House，2004]。制成的結(jié)構(gòu)的俯視圖如圖3.1所示，制成的結(jié)構(gòu)沿A-A’和B-B’的剖面圖分別如圖3.2和圖3.3所示，圖中陰影區(qū)域表示覆蓋了Al薄膜。生長出的薄膜厚度h可以通過濺射工藝控制在納米量級(10nm至500nm)，h即為加工出的納米厚度梁結(jié)構(gòu)的厚度。
在上述基礎(chǔ)上，利用光刻和磷酸腐蝕去除局部的Al薄膜。磷酸腐蝕是微機(jī)械加工中去除Al常用的技術(shù)[Nadim Maluf and Kirk Williams，AnIntroduction to Microelectromechanical System Engineering，2ndEdition，ISBN1-58053-590-9，Artech House，2004]。此次光刻中使用了圖1.2所示的2號光刻版，其中陰影部分表示光刻版上不透光的圖形。此次光刻與前次光刻的套準(zhǔn)關(guān)系如圖1.4所示。制成的結(jié)構(gòu)的俯視圖如圖4.1所示，制成的結(jié)構(gòu)沿A-A’和B-B’的剖面圖分別如圖4.2和圖4.3所示。3即制作完成的納米厚度梁結(jié)構(gòu)。
(3)硅與玻璃鍵合在硅片上制作好納米厚度梁結(jié)構(gòu)之后，將硅片上下表面翻轉(zhuǎn)，已制作好的鍵合區(qū)與玻璃片進(jìn)行陽極鍵合。陽極鍵合(anodic bonding)是微機(jī)械加工中常用的技術(shù)[Nadim Maluf and Kirk Williams，An Introduction toMicroelectromechanical System Engineering，2ndEdition，ISBN1-58053-590-9，Artech House，2004]。制成的結(jié)構(gòu)的俯視圖如圖5.1所示，制成的結(jié)構(gòu)沿A-A’和B-B’的剖面圖分別如圖5.2和圖5.3所示。其中4為玻璃片。
(4)納米厚度梁結(jié)構(gòu)釋放利用氫氧化鉀溶液腐蝕的方法將硅片從背面減薄。然后再利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕(ICP-RIE)將硅片的局部刻蝕穿通。此次光刻中使用了圖1.3所示的3號光刻版，其中陰影部分表示光刻版上不透光的圖形。此次光刻與前兩次光刻的套準(zhǔn)關(guān)系如圖1.4所示。由于ICP-RIE刻蝕硅時對鋁有很高選擇比，所以局部刻蝕穿通之后，鋁梁保持完整，而與之接觸的硅被去除，即鋁納米梁被釋放。制成的結(jié)構(gòu)的俯視圖如圖6.1所示，制成的結(jié)構(gòu)沿A-A’和B-B’的剖面圖分別如圖6.2和圖6.3所示。其中3為釋放之后的納米厚度梁結(jié)構(gòu)。納米厚度梁結(jié)構(gòu)3的固定支端附著在硅1區(qū)上。納米梁的厚度為h。
所述的納米厚度梁結(jié)構(gòu)可以是單端固支或雙端固支，固支端固定在硅襯底上，中部懸浮在硅襯底與玻璃襯底之間的空隙中。
所述的納米厚度梁結(jié)構(gòu)為可動結(jié)構(gòu)，可在其厚度方向上自由振動。
綜上所述，本發(fā)明公開了一種納米厚度梁結(jié)構(gòu)制備方法。上面描述的應(yīng)用場景和實(shí)施例，并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的更動和潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種納米厚度梁結(jié)構(gòu)的制備方法，其步驟包括(1)鍵合區(qū)制作在硅片的正面，利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕技術(shù)制作臺階，該臺階即鍵合區(qū)；(2)納米厚度梁結(jié)構(gòu)制作在已經(jīng)制作好鍵合區(qū)的硅片表面上，利用化學(xué)氣相淀積或物理氣相淀積生長一層納米厚度的非硅材料薄膜，根據(jù)所需要的納米厚度梁結(jié)構(gòu)的平面尺寸，利用光刻和腐蝕/或刻蝕去除局部的薄膜，制得納米厚度梁結(jié)構(gòu)；(3)硅與玻璃鍵合在硅片上制作完成納米厚度梁結(jié)構(gòu)之后，硅片上下表面翻轉(zhuǎn)，將上表面已制作好的鍵合區(qū)與玻璃片進(jìn)行陽極鍵合；(4)納米厚度梁結(jié)構(gòu)釋放利用氫氧化鉀溶液腐蝕的方法將硅片從背面減薄，然后再利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕，將硅片的局部從背面刻蝕穿通，在刻蝕過程中納米厚度梁結(jié)構(gòu)被保留，納米厚度梁結(jié)構(gòu)釋放形成懸浮結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的納米厚度梁結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟1進(jìn)一步包括臺階高度大于3μm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的納米厚度梁結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟2進(jìn)一步包括生成的非硅材料薄膜厚度為10nm至500nm。
4.如權(quán)利要求1或2所述的納米厚度梁結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟2進(jìn)一步包括納米厚度梁結(jié)構(gòu)所采用的材料在電感耦合高密度等離子體刻蝕條件下對硅有足夠高的選擇比。
5.如權(quán)利要求4所述的納米厚度梁結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于納米厚度梁結(jié)構(gòu)采用二氧化硅、氮化硅、碳化硅或金屬材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種納米厚度梁結(jié)構(gòu)的加工方法，屬于納電子機(jī)械系統(tǒng)(NEMS)加工工藝領(lǐng)域。該方法的工藝流程包括鍵合區(qū)制作、納米厚度梁結(jié)構(gòu)制作、硅與玻璃鍵合、納米厚度梁結(jié)構(gòu)釋放四個步驟。本發(fā)明能夠加工出納米厚度的梁結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確控制梁結(jié)構(gòu)的納米級厚度，并且梁結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則，工藝流程簡單，不使用濕法腐蝕釋放，成品率高，重復(fù)性好，效率高。
文檔編號B82B3/00GK1847141SQ20061001178
公開日2006年10月18日 申請日期2006年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月25日
發(fā)明者范煒, 張大成, 李婷, 王穎, 王瑋, 羅葵, 田大宇 申請人:北京大學(xué)