CN101311105B - 利用无电极电化学腐蚀自停止制作的纳米梁结构与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在普通硅片上与衬底绝缘的纳米梁结构及制作方法。其特征在于所述纳米梁通过各向异性湿法腐蚀形成，并通过干法腐蚀结合无电极电化学腐蚀自停止实现梁厚度的控制；纳米梁由金属连线提供力学支撑，金属连线与衬底间电学绝缘；纳米梁的周围与下方为各向异性湿法腐蚀形成的腐蚀区；且纳米梁为可动结构，上下自由振动。本发明是基于各向异性湿法腐蚀、干法刻蚀及无电极电化学腐蚀自停止方法制作的。包括梁区台阶制作、深刻蚀、电学连接与力学支撑结构制作、纳米梁释放四个步骤，具有加工精度高、一致性高、重复性好的特点。

Description

利用无电极电化学腐蚀自停止制作的纳米梁结构与方法

技术领域

本发明涉及一种在普通硅片上与衬底绝缘的纳米梁的结构及制作方法，更确切地说涉及一种基于各向异性湿法腐蚀与无电极电化学腐蚀自停止方法，在普通硅片上制作与衬底绝缘的单晶硅纳米梁结构与制作方法。属于微米/纳米制作领域。 

背景技术

纳米机电系统技术(Nano-Electro-Mechanical-System，NEMS)是纳米技术的重要组成部分，是微机电系统技术(Miro-Electro-Mechanical-System，MEMS)的进一步发展。纳米梁结构是纳米机电器件的基本结构之一，是多种纳机电器件的核心部件，纳米梁结构加工技术是纳米机电系统技术的关键技术之一。 

纳米梁的力学和电学性质对整个系统的性能有决定性影响。由于纳米梁的特征尺度小于100nm，对结构中的内应力非常敏感，所以一般采用单晶材料制作，往往需要使用SOI(Silicon on Insulator)硅片等昂贵的衬底材料，例如李昕欣等人制作纳米厚度悬臂梁即采用了昂贵的SOI硅片[Xinxin Li，Takahito Ono，Yueling Wang，Masayoshi Esashi.Study on Ultra-thin NEMSCantilevers-High Yield Fabrication and Size Effect on Young’s Modulus ofSilicon.Micro Electro Mechanical Systems，2002.The Fifteenth IEEEInternational Conference on，20-24 Jan.2002，pp.427-430.]。纳米结构加工的控制精度要求较高，一般的腐蚀技术难以满足要求。现有的控制精度较高的干法刻蚀技术一般会在纳米梁表面形成一层厚度为几十纳米的晶格损伤层，严重影响纳米梁的力学和电学特性。另外，一般要求纳米梁的加工技术与微机电技术(Micro Electro Mechanical System)相兼容，便于批量生产，价格低廉。 

杨恒等人提出在(111)晶面的硅片上利用各向异性腐蚀特性通过干法与湿法腐蚀相结合制作纳米梁的方法[杨恒，李铁，焦继伟，李昕欣，王跃林。在(111)硅片上纳米梁的结构及制作方法，申请号2005100258315]。该方法可以在普通(111)晶面的硅片上制作出与衬底绝缘的单晶硅纳米梁结构。但是该方法必须使用(111)晶面的硅片，而MOS(Metal Oxide Semiconductor)工艺中一般采用(100)晶面的硅片。 

无电极电化学腐蚀自停止技术是P.French等人提出的一种腐蚀自停止技术[P.J.French，M.Nagao，M.Esashi.Electrochemical etch-stop in TMAHwithout externally applied bias.Sensors and Actuators，A56，1996，pp.279-280]。该技术利用金与硅在碱性各向异性腐蚀液中形成原电池，由于不需要外接电源就可以实现电化学腐蚀自停止所以称为无电极电化学自停止。该技术中，金、硅与碱性各向异性湿法腐蚀液共同组成一原电池系统，金为阴极，硅为阳极。当金与硅暴露面积比小于腐蚀自停止临界面积比时，各向异性腐蚀液对硅的腐蚀特性与一般的硅相同。当金与硅暴露面积比大于腐蚀自停止临界面积比时，原电池效应足够强使阳极发生氧化，在硅表面形成一薄层SiO₂，使腐蚀自动停止。腐蚀自停止临界面积比与腐蚀液有关。对于TMAH溶液，该特定值为8[P.J.French，M.Nagao，M.Esashi.Electrochemical etch-stop inTMAH without externally applied bias.Sensors and Actuators，A56，1996，pp.279-280]。可以通过在腐蚀液中添加氧化剂来改变该值。本发明试图利用该技术制作纳米梁结构，利用金制作纳米梁支撑结构与压焊块，同时实现纳米梁的力学支撑与电学引出。由于支撑结构与压焊块的面积远大于纳米梁的暴露面积，可以满足无电极电化学腐蚀自停止的要求。 

发明内容

本发明目的在于利用无电极电化学腐蚀自停止制作的纳米梁结构与方法，也即提供一种在普通硅片上单晶纳米梁的结构及制作方法。它是在普通硅片上制作与衬底实现电学隔离的单晶纳米梁。 

所述的纳米梁由金属线条提供力学支撑，它是通过两端面上的引线孔与金属线条连接的，金属线条与硅衬底间有氧化层存在，金属线条与衬底间为化学绝缘，从而实现纳米梁与衬底间的电学隔离。 

所述的纳米梁为可动结构，可自由地上下振动； 

所述的纳米梁周围与下方为各向异性湿法腐蚀形成的腐蚀区； 

所述的纳米梁的厚度等于正面浅腐蚀制作的梁区台阶的深度，可以控制在100纳米以内。 

所述的金属线条为金引线。 

本发明所述的纳米梁是通过各向异性湿法腐蚀结合无电极电化学腐蚀自停止技术制作的。在梁区制作纳米厚度的台阶，在台阶两侧制作腐蚀槽，然后在硅片表面制作腐蚀阻挡层，并去处腐蚀槽底部的腐蚀阻挡层，接着制作金属线条，使金属线条与梁区台阶通过引线孔连接。用各向异性湿法腐蚀液腐蚀结构。上述结构经过特别设计，使在纳米梁形成以前梁区与衬底连接，金属线条与所有硅暴露面积之比小于腐蚀自停止临界面积比，各向异性湿法腐蚀液会腐蚀结构直至形成纳米梁。当纳米梁形成后，梁与衬底间的连接部被腐蚀掉了，金属线条只与纳米梁连接而与衬底绝缘，金属线条与纳米梁下表面硅的暴露面积之比大于腐蚀自停止临界面积比，对纳米梁的腐蚀即自动停止。具体工艺过程包括： 

(1)梁区台阶制作； 

(2)腐蚀槽制作； 

(3)电学连接与力学支撑结构的制作； 

以及(4)纳米梁的释放。(详见实施例) 

本发明的优点是： 

1)纳米梁的厚度由梁区台阶深度决定。梁区台阶可以采用二次氧化、干法浅刻蚀或各向异性湿法浅腐蚀等技术制作，可以精确地控制。 

2)利用硅在碱基各向异性腐蚀液中的无电极电化学腐蚀自停止特性，当纳米梁形成后腐蚀即自行停止，纳米梁的控制精度高、一致性高、重复性好。有利于批量生产的实现。 

3)在普通单抛或双抛硅片上就可以实现电学隔离的纳米梁而不需要使用昂贵的SOI材料，极大地降低了成本。 

附图说明

图1.为本发明制作的纳米梁结构示意图，(a)为俯视图，(b)和(c)分别为沿A-A’和B-B’的剖面图。图中1b为纳米梁，2为金属引线，纳米梁与金属引线通过引线孔3连接，纳米梁下硅被腐蚀掉为腐蚀槽4b，5为衬底，金属引线与衬底间有绝缘层6实现电学绝缘。 

图2.(100)硅片上制作纳米梁区台阶示意图，(a)为俯视图，(b)为A-A’面侧视图。图中1a为纳米梁区台阶。 

图3.制作腐蚀槽后结构示意图，(a)为俯视图，(b)为A-A’面的侧视图。图中6为第一层掩模层，也同时作为金属引线与衬底间绝缘层。7为光刻胶，将在后续工艺中去除。8为腐蚀槽。 

图4.制作第二层掩模层并去除腐蚀槽底面掩模层后A-A’面侧视图。图中9为侧壁的第二层掩模层。 

图5.制作金属引线后结构示意图，(a)为俯视图，(b)为B-B’面侧视图，分别为(a)和(b)。 

图6.碱性各向异性湿法腐蚀液腐蚀一段时间后A-A’与B-B’面侧视图。 

图7.腐蚀自停止后结构示意图。(a)为俯视图。(b)为B-B’面侧视 

图8.腐蚀去除表面氧化层后B-B’面侧视图。 

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明提供的纳米梁的结构及制作方法。 

利用本发明制作的纳米梁结构如图(a)所示。纳米梁1b的厚度小于100nm，所述的金属线条在本实施例中为金引线，由金引线2提供力学支撑与电学引出。如图(b)所示。金引线与纳米梁间通过引线孔3连接。由于金引线2与硅衬底5间有氧化层6存在，金引线2与衬底5间为电学绝缘，也即纳米梁1b与衬底5间电学绝缘。纳米梁1b的周围与下方为各向异性湿 法腐蚀形成的腐蚀区4b，因此纳米梁1b为可动结构，可自由地上下振动。纳米梁与硅衬底的掺杂类型相同，可以是P型或N型掺杂。 

本发明采用的制作的对象是单面抛光或双面抛光的普通硅片，可以是MOS工艺中常用的(100)硅片，也可以是能够实现梁正确释放的其他晶面的硅片。具体工艺过程包括：(1)梁区台阶制作；(2)腐蚀槽制作；(3)电学连接与力学支撑结构的制作；(4)纳米梁的释放。下面以(100)硅片为例介绍制作原理与工艺流程。 

(1)梁区台阶制作 

当采用(100)硅片时，梁区台阶图形应当沿<100>晶向，如图2所示，台阶的厚度就近似等于制成后的纳米梁厚度。可以采用干法刻蚀、湿法腐蚀或二次氧化等方法制作纳米厚度台阶，与专利申请“在(111)硅片上纳米梁的结构及制作方法”(申请号：200510025831.5)中制作纳米厚度台阶的方法相同。 

根据设计需要对梁区掺杂。掺杂类型与衬底相同，掺杂浓度根据设计需要确定，但是应保证引线孔处的掺杂浓度达到欧姆接触的要求。掺杂方法可采用集成电路中标准的离子注入、扩散等工艺。 

(2)腐蚀槽制作 

在硅片表面制作第一层掩模层6，掩模层需要能够耐受后续的各向异性湿法腐蚀，可以采用热生长的二氧化硅(SiO₂)，也可以采用低压化学气相淀积(LPCVD)制作的氮化硅(Si₃N₄)。 

在纳米台阶两侧光刻腐蚀槽图形，然后用干法腐蚀技术制作深度为h_T的腐蚀槽8，如图3所示。两腐蚀槽间的距离为d_T。假设各向异性腐蚀液沿图3b中x方向的腐蚀速率为R_x，沿y方向的腐蚀速率为R_y。则h_T与d_T必须满足 

$\frac{h_T}{R_y}>\frac{d_T}{2R_x}---\left(1\right)$

为了保证纳米梁形成前金与硅暴露面积之比小于临界面积比，而当纳米梁形成后金与纳米梁下表面的面积比大于临界面积比，两腐蚀槽底面积之和应大于纳米台阶的下表面面积。 

接着去除表面的光刻胶。在硅片表面制作第二层掩模层。该掩模层可以与第一层掩模材料不同。例如第一层采用热生长SiO₂，则此时采用LPCVD生长的低应力氮化硅。第二层掩模层材料与第一层掩模层材料相同也是可行的，但厚度应显著低于第一层掩模层。接着利用各向异性的干法腐蚀如反应离子刻蚀(RIE)腐蚀掩模层，去除腐蚀槽底部的掩模层。由于离子束方向是垂直的且对不同材料具有选择性，上表面与腐蚀槽底部的第二层掩模层被去除但上表面的第一层掩模层与腐蚀槽侧壁的掩模层被保留。制成的结构剖面如图4所示。当第一、二层掩模层采用相同材料时，需控制RIE腐蚀时间，使腐蚀槽底部的掩模层被腐蚀掉但上表面较厚掩模层仍剩余部分。 

(3)电学连接与力学支撑结构制作 

在梁区光刻/腐蚀制作引线孔，去除引线孔表面的掩模层，然后去除光刻胶。接着制作金属引线。金属引线应能够耐受后续的各向异性湿法腐蚀，例如选择Cr作为粘附层，选择金作为导电层。具体工艺可采用溅射制作Cr/Au种子层，然后光刻制作光刻胶铸模，再电镀加厚金层，去胶后腐蚀去除不需要的种子层。制成的结构如图5所示。 

金引线的作用有三个。首先，金引线作为纳米梁释放后的力学支撑结构。其次，作为纳米梁的电学引线。最后，作为无电极电化学腐蚀自停止技术中原电池的阴极。为了实现纳米梁的腐蚀自停止，应使金引线的总面积与纳米梁下表面的面积比大于腐蚀自停止临界面积比。 

(4)各向异性湿法腐蚀，使纳米梁释放 

将样品放入碱性各向异性湿法腐蚀液中腐蚀。由于金引线与腐蚀槽底面积之比小于腐蚀自停止临界面积比，腐蚀从腐蚀槽底部开始，向两侧与上表面腐蚀。腐蚀一段时间后，梁区底部的硅被腐蚀掉，两腐蚀槽连为一体。如图6所示。此时梁区仅通过两端与衬底连接。继续腐蚀，当纳米梁完全与衬底断开时，如图7所示，金引线与衬底绝缘，金引线与纳米梁底部间的面积比大于腐蚀自停止临界面积比，纳米梁实现腐蚀自停止，但是衬底仍会继续腐蚀。图8所示为用HF腐蚀去除梁表面氧化层后的结构。 

Claims (8)

1.利用无电极电化学腐蚀自停止制作纳米梁的结构，其特征在于所制作的纳米梁的结构是在(100)硅片上，所述的纳米梁由金引线提供力学支撑，它是通过两端面上的引线孔与金引线连接的，金引线与硅衬底间有氧化层存在，金引线与硅衬底间为电学绝缘，从而实现纳米梁与硅衬底间的电学隔离。

2.按权利要求1所述的利用无电极电化学腐蚀自停止制作纳米梁的结构，其特征在于所述的纳米梁为可动结构，可上下自由振动。

3.按权利要求1所述的利用无电极电化学腐蚀自停止制作纳米梁的结构，其特征在于所述的纳米梁的厚度等于正面浅腐蚀制作的梁区台阶的深度。

4.按权利要求1、2或3所述的利用无电极电化学腐蚀自停止制作纳米梁的结构，其特征在于纳米梁的周围与下方为各向异性湿法腐蚀形成的腐蚀区。

5.按权利要求1、2或3所述的利用无电极电化学腐蚀自停止制作纳米梁的结构，其特征在于所述的纳米梁的厚度控制在100纳米以内。

6.制作如权利要求1、2或3所述的利用无电极电化学腐蚀自停止制作纳米梁的结构的方法，其特征在于所述的纳米梁是通过各向异性湿法腐蚀结合无电极电化学腐蚀自停止技术制作的；在梁区制作纳米厚度的台阶，在台阶两侧制作腐蚀槽，然后在硅衬底表面制作第二层掩模层，并去除腐蚀槽底部的第二层掩模层，接着制作金引线，使金引线与梁区台阶通过引线孔连接；用各向异性湿法腐蚀液腐蚀结构；使在纳米梁形成以前梁区与硅衬底连接，金引线与所有硅暴露面积之比小于腐蚀自停止临界面积比，各向异性湿法腐蚀液会腐蚀结构直至形成纳米梁；当纳米梁形成后，纳米梁与硅衬底间的连接部被腐蚀掉，金引线只与纳米梁连接而与硅衬底绝缘，金引线与纳米梁下表面硅的暴露面积之比大于腐蚀自停止临界面积比，对纳米梁的腐蚀即自动停止；

具体的制作工艺过程包括：

(1)梁区台阶制作

采用单面抛光或双面抛光的(100)硅片，梁区台阶图形沿<100>晶向，台阶的深度等于纳米梁的厚度；

(2)腐蚀槽制作

在硅衬底表面制作第一层掩模层

a)所述的第一层掩模层为采用热生长的二氧化硅，或为采用低压化学气相淀积制作的氮化硅；

b)在梁区制作的纳米厚度台阶两侧光刻腐蚀槽图形，然后用干法腐蚀技术制作深度为h_T的腐蚀槽；两腐蚀槽间的距离为d_T；假设各向异性腐蚀液沿x方向的腐蚀速率为R_x，沿y方向的腐蚀速率为R_y，则h_T与d_T必须满足

$\frac{h_T}{R_y}>\frac{d_T}{{2R}_x}$

当纳米梁形成后金引线与纳米梁下表面硅的暴露面积比大于腐蚀自停止临界面积比，两腐蚀槽底面积之和应大于纳米台阶的下表面面积；

c)接着去除表面的光刻胶，在硅衬底表面制作第二层掩模层，第二层掩模层与第一层掩模层的材料相同或不相同，但第二掩模层厚度应显著低于第一层掩模层；接着利用反应离子刻蚀方法腐蚀掩模层，去除腐蚀槽底部的第二层掩模层；

(3)电学连接与力学支撑结构制作

在梁区光刻/腐蚀制作引线孔，去除引线孔表面的掩模层，然后去除光刻胶，接着制作金引线；具体工艺是采用溅射制作Cr/Au种子层，然后光刻制作光刻胶铸模，再电镀加厚金层，去胶后腐蚀去除不需要的种子层；

(4)纳米梁的释放

将步骤3制成的样品放入碱性各向异性湿法腐蚀液中腐蚀；腐蚀从腐蚀槽底部开始，向两侧与上表面腐蚀；腐蚀后，梁区底部的硅被腐蚀掉，两腐蚀槽连为一体；梁区仅通过两端与衬底连接；继续腐蚀，当纳米梁完全与衬底断开时，金引线与硅衬底绝缘，金引线与纳米梁下表面硅的暴露面积比大于腐蚀自停止临界面积比，纳米梁实现腐蚀自停止，衬底仍会继续腐蚀；释放纳米梁，完成整个纳米梁结构的制作。

7.按权利要求6所述的利用无电极电化学腐蚀自停止制作纳米梁的结构的制作方法，其特征在于步骤2中所述的第一层掩模层和第二层掩模层采用相同材料时，需控制反应离子刻蚀时间，使腐蚀槽底部的掩模层被腐蚀但上表面掩模层仍剩余。

8.按权利要求6所述的利用无电极电化学腐蚀自停止制作纳米梁的结构的制作方法，其特征在于金引线作为无电极电化学腐蚀自停止技术中原电池的阴极。

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