納米厚度梁結構的製備方法

2023-04-24 05:07:31

專利名稱：納米厚度梁結構的製備方法
技術領域：
本發明屬於納電子機械系統(NEMS)加工工藝領域，尤其涉及一種納米厚度梁結構的加工方法。
背景技術：
納電子機械系統(NEMS)是指特徵尺寸和效應上具有納米技術特點的一類超小型機電一體的系統。NEMS器件具有許多優良的特性，如超高頻率、超小尺寸和質量，超低功率、高靈敏度和對表面吸附性的強控制能力等。NEMS技術潛在的巨大經濟效益將逐步滲透到國民經濟的各個領域，包括醫藥技術、生命科學、製造業和信息通訊等。目前NEMS正處於起步階段，世界各地的科技人員正積極致力於這一領域的研究。納米尺度梁結構做為NEMS器件最基本的核心結構和功能單元，對於NEMS系統的發展起著決定性作用，如生物晶片和射頻器件等，都大量使用了納米尺度梁結構。因此，納米尺度梁結構的加工方法是NEMS領域的重點研究問題之一。例如李昕欣等人在SOI矽片上製作了納米厚度單晶矽梁(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矽片，成本高，而且加工過程使用了溼法腐蝕，降低了成品率，同時需要與溼法腐蝕相配合的冷阱釋放設備，工藝複雜，不適合批量化快速生產。因此，NEMS研究和應用對低成本、高生產率的納米尺度梁結構加工方法有強烈的需求。

發明內容
針對上述問題，本發明提供一種在矽片上製造納米厚度梁結構的加工方法。
一種納米厚度梁結構的製備方法，其步驟包括(1)鍵合區製作在矽片的正面，利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕(ICP-RIE)技術製作臺階，該臺階即鍵合區；(2)納米厚度梁結構製作在已經製作好鍵合區的矽片表面上，利用化學氣相澱積(CVD)或物理氣相澱積(PVD)生長一層納米厚度的非矽材料薄膜，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矽有足夠高的選擇比，如二氧化矽(SiO2)和鋁(Al)等。此薄膜的厚度決定了納米厚度梁結構的厚度。再根據所需要的納米厚度梁結構的平面尺寸，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構；(3)矽與玻璃鍵合在矽片上製作完成納米厚度梁結構之後，矽片上下表面翻轉，將上表面已製作好的鍵合區與玻璃片進行陽極鍵合；(4)納米厚度梁結構釋放利用氫氧化鉀溶液腐蝕的方法將矽片從背面減薄。然後再利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕(ICP-RIE)將矽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構的非固支端，則與納米厚度梁結構非固支部位相連接的矽將被去除，而納米厚度梁結構的材料不是矽，在刻蝕過程中被保留而成為懸浮結構，該過程稱為納米寬度梁結構的釋放。
步驟1進一步包括臺階高度大於3μm。
步驟2進一步包括生成的非矽材料薄膜厚度為10nm至500nm。
本發明的優點與技術效果本發明能夠加工出納米厚度的梁結構，準確控制梁結構的納米級厚度，並且梁結構形狀規則，工藝流程簡單，不使用溼法腐蝕釋放，成品率高，重複性好，效率高。與現有矽微機械加工工藝兼容，根據大量實驗的驗證，適合納米梁的批量生產。


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關係示意圖；圖2為完成臺階製作後的結構示意圖，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為製備納米厚度梁結構的薄膜生長後結構示意圖，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為納米厚度梁結構製作後結構示意圖，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為矽與玻璃鍵合後結構示意圖，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為納米厚度梁結構釋放後結構示意圖，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。
具體實施例方式
本發明採用雙面拋光的矽片和玻璃片做襯底，工藝流程包括鍵合區製作、納米厚度梁結構製作、矽與玻璃鍵合、納米厚度梁結構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構為例，具體工藝步驟是(1)鍵合區製作在矽片的正面，利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕(ICP-RIE)技術製作高度為4μm的臺階，光刻和等離子體刻蝕是微機械加工中常用的技術[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。製成的結構的俯視圖如圖2.1所示。製成的結構沿A-A』和B-B』的剖面圖分別如圖2.2和圖2.3所示。圖中灰色部分表示矽材料。1區是被刻蝕的部分，形成凹槽。2區是沒有被刻蝕的部分，形成表面平坦的臺階，即鍵合區。
(2)納米厚度梁結構製作在已經製作好鍵合區的矽片表面上，用物理氣相澱積—濺射的方法生長一層厚度為納米量級的鋁(Al)薄膜。濺射是微機械加工中常用的技術[NadimMaluf and Kirk Williams，An Introduction to MicroelectromechanicalSystem Engineering，2ndEdition，ISBN1-58053-590-9，Artech House，2004]。製成的結構的俯視圖如圖3.1所示，製成的結構沿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構的厚度。
在上述基礎上，利用光刻和磷酸腐蝕去除局部的Al薄膜。磷酸腐蝕是微機械加工中去除Al常用的技術[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關係如圖1.4所示。製成的結構的俯視圖如圖4.1所示，製成的結構沿A-A』和B-B』的剖面圖分別如圖4.2和圖4.3所示。3即製作完成的納米厚度梁結構。
(3)矽與玻璃鍵合在矽片上製作好納米厚度梁結構之後，將矽片上下表面翻轉，已製作好的鍵合區與玻璃片進行陽極鍵合。陽極鍵合(anodic bonding)是微機械加工中常用的技術[Nadim Maluf and Kirk Williams，An Introduction toMicroelectromechanical System Engineering，2ndEdition，ISBN1-58053-590-9，Artech House，2004]。製成的結構的俯視圖如圖5.1所示，製成的結構沿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)納米厚度梁結構釋放利用氫氧化鉀溶液腐蝕的方法將矽片從背面減薄。然後再利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕(ICP-RIE)將矽片的局部刻蝕穿通。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關係如圖1.4所示。由於ICP-RIE刻蝕矽時對鋁有很高選擇比，所以局部刻蝕穿通之後，鋁梁保持完整，而與之接觸的矽被去除，即鋁納米梁被釋放。製成的結構的俯視圖如圖6.1所示，製成的結構沿A-A』和B-B』的剖面圖分別如圖6.2和圖6.3所示。其中3為釋放之後的納米厚度梁結構。納米厚度梁結構3的固定支端附著在矽1區上。納米梁的厚度為h。
所述的納米厚度梁結構可以是單端固支或雙端固支，固支端固定在矽襯底上，中部懸浮在矽襯底與玻璃襯底之間的空隙中。
所述的納米厚度梁結構為可動結構，可在其厚度方向上自由振動。
綜上所述，本發明公開了一種納米厚度梁結構製備方法。上面描述的應用場景和實施例，並非用於限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，可做各種的更動和潤飾，因此本發明的保護範圍視權利要求範圍所界定。
權利要求
1.一種納米厚度梁結構的製備方法，其步驟包括(1)鍵合區製作在矽片的正面，利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕技術製作臺階，該臺階即鍵合區；(2)納米厚度梁結構製作在已經製作好鍵合區的矽片表面上，利用化學氣相澱積或物理氣相澱積生長一層納米厚度的非矽材料薄膜，根據所需要的納米厚度梁結構的平面尺寸，利用光刻和腐蝕/或刻蝕去除局部的薄膜，製得納米厚度梁結構；(3)矽與玻璃鍵合在矽片上製作完成納米厚度梁結構之後，矽片上下表面翻轉，將上表面已製作好的鍵合區與玻璃片進行陽極鍵合；(4)納米厚度梁結構釋放利用氫氧化鉀溶液腐蝕的方法將矽片從背面減薄，然後再利用光刻和電感耦合高密度等離子體刻蝕，將矽片的局部從背面刻蝕穿通，在刻蝕過程中納米厚度梁結構被保留，納米厚度梁結構釋放形成懸浮結構。
2.如權利要求1所述的納米厚度梁結構的製備方法，其特徵在於步驟1進一步包括臺階高度大於3μm。
3.如權利要求1或2所述的納米厚度梁結構的製備方法，其特徵在於步驟2進一步包括生成的非矽材料薄膜厚度為10nm至500nm。
4.如權利要求1或2所述的納米厚度梁結構的製備方法，其特徵在於步驟2進一步包括納米厚度梁結構所採用的材料在電感耦合高密度等離子體刻蝕條件下對矽有足夠高的選擇比。
5.如權利要求4所述的納米厚度梁結構的製備方法，其特徵在於納米厚度梁結構採用二氧化矽、氮化矽、碳化矽或金屬材料。
全文摘要
本發明提供一種納米厚度梁結構的加工方法，屬於納電子機械系統(NEMS)加工工藝領域。該方法的工藝流程包括鍵合區製作、納米厚度梁結構製作、矽與玻璃鍵合、納米厚度梁結構釋放四個步驟。本發明能夠加工出納米厚度的梁結構，準確控制梁結構的納米級厚度，並且梁結構形狀規則，工藝流程簡單，不使用溼法腐蝕釋放，成品率高，重複性好，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 優先權日2006年4月25日
發明者範煒, 張大成, 李婷, 王穎, 王瑋, 羅葵, 田大宇 申請人:北京大學