CN102139855A - 用于超高灵敏探测的微纳悬臂梁结构制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于超高灵敏探测的微纳悬臂梁结构制作方法，包括下列步骤：1)对晶片进行光刻和刻蚀，制作出悬臂梁；2)通过光刻和刻蚀在晶片正面制备氧化硅掩膜；3)对晶片背面进行光刻和刻蚀，制作出背面沟槽，所述背面沟槽位于悬臂梁的正下方；4)利用步骤2)制备的掩膜，从晶片正面利用各向异性干法刻蚀刻穿硅晶片；5)利用步骤2)制备的掩膜，从正面利用各向同性干法刻蚀悬臂梁下方的硅，并在缓冲氢氟酸中去除氧化硅以释放悬臂梁。本发明各步骤采用的都是通常的微纳机电系统的加工方法，可靠性高，成品率高、加工精度高、能够精确制备各种形状和尺寸的悬臂梁结构，并且可适用于各种不同取向的晶片，易于产业化。

Description

用于超高灵敏探测的微纳悬臂梁结构制作方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，具体地说，本发明涉及一种用于超高灵敏探测的微纳悬臂梁结构的制作方法。

背景技术

微纳悬臂梁结构是超高灵敏探测传感器的核心组元，如扫描力显微镜中中的力传感器和单光子探测系统中的超高灵敏谐振器等等，在最近的十几年已经有大量的研究致力于开发不同需求的微悬臂梁结构。悬臂梁结构通常包括针尖1、悬臂梁2和支撑单元3三部分，其中，针尖用于实现与样品的微观相互作用(少数悬臂梁结构中也可以没有针尖)，悬臂梁是悬臂梁结构的弹性部分，支撑单元用于固定悬臂梁，某些情况下支撑单元可允许手动操作。

到目前为止，许多研究小组已经在优化针尖和悬臂梁结构方面作了大量工作，成功地开发了多种较为可靠的悬臂梁结构加工技术。然而，这些加工技术很少涉及到优化悬臂梁结构的固支方式。实际上，固支方式与悬臂梁结构的品质因子、共振频率和弹性刚度有密切关系。而现有的加工方法制备的悬臂梁结构的支撑单元尺寸较大，如商业产品尺寸一般大于200μm，并且其尺寸和形状难以精确控制，这样不仅限制了悬臂梁结构接近样品的方式，而且对悬臂梁结构的探测(如光学探测)系统提出了很高的技术要求。现有的悬臂梁结构加工方法通常通过干法反应离子深刻蚀或湿法各向异性刻蚀从晶片背面深刻蚀来确定支撑单元尺寸(可参考专利文献US 2008/0000293A1、CN 1240995C)。利用反应离子干法刻蚀时，因晶片厚度变化、光刻精度限制和晶片的深刻蚀的不均匀性等因素的影响，难以保证支撑单元尺寸的一致性，即在不同晶片制作出的支撑单元和悬臂梁尺寸差别较大，甚至同一晶片的不同单元间也具有较大偏差，实验发现，支撑单元和悬臂梁的尺寸在不同晶片间和在同一晶片的不同单元间变化，这种偏差的最小值超过±5μm。而利用湿法各向异性刻蚀晶片时，支撑单元和悬臂梁的尺寸更加难控制，尺寸偏差的最小值可能达到几十μm。当悬臂梁结构尺寸缩小一个量级时，如30×3×0.1μm³量级，这一问题就显得更为突出。

另一方面，在扫描力显微镜系统和其它利用悬臂梁结构的高灵敏光学探测系统中，提高灵敏度的一个重要途径是优化探测系统。如扫描力显微镜系统中，光学干涉系统被认为是最灵敏的探测方案，其灵敏度比激光位移探测方案高几个量级。但是，光学干涉系统很难实现，因为它对光入射角要求很高。如果在悬臂梁结构的支撑单元制备出一个台阶结构(如图1所示台阶4)，这就可以为探测系统提供足够大的光入射角，进而提高扫描力显微镜系统的性能。

因此，目前迫切需要一种能够精确控制悬臂梁结构的支撑单元的尺寸和几何形状的高精度悬臂梁结构制作方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够精确控制支撑单元和悬臂梁的尺寸和几何形状的高精度悬臂梁结构制作方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于超高灵敏探测的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)对晶片进行光刻和刻蚀，制作出悬臂梁；所述晶片包括硅晶片或含氧化硅中间层和单晶硅器件层的晶片；

2)通过光刻和刻蚀在晶片正面制备氧化硅掩膜；

3)对晶片背面进行光刻和刻蚀，制作出背面沟槽，所述背面沟槽位于悬臂梁的正下方；

4)利用步骤2)所制备的氧化硅掩膜，从晶片正面利用各向异性干法刻蚀刻穿硅晶片；

5)利用步骤2)所制备的氧化硅掩膜，从正面利用各向同性干法刻蚀悬臂梁下方的硅，去除掩膜，释放悬臂梁。

其中，所述步骤1)还包括：在制作出悬臂梁前，对晶片进行第一步光刻和刻蚀，在单晶硅器件层制作出针尖；在制作悬臂梁时，在带针尖的单晶硅器件层上进行第二步光刻和刻蚀，制备出悬臂梁，然后通过热氧化细化针尖和形成后续工艺的氧化硅掩膜。

其中，所述步骤1)还包括原始晶片预处理步骤，所述原始晶片预处理步骤包括：通过针尖和悬臂梁的制作工艺以及针尖高度与悬臂梁结构厚度之和，确定单晶硅器件层的初始厚度，通过硅外延生长技术来调整原始晶片使其单晶硅器件层达到所述初始厚度，然后对经过单晶硅器件层外延生长的晶片进行热氧化。

其中，所述步骤1)还包括：在制作针尖时，首先用光刻胶图形作掩膜，通过反应离子干法刻蚀制作氧化硅掩膜层；然后用氧化硅掩膜，通过各向同性反应离子干法刻蚀单晶硅器件层到预先确定的厚度来制作针尖。

其中，所述步骤1)还包括：在制作悬臂梁时，用厚度稍大于针尖高度的光刻胶作掩膜，通过各向异性反应离子干法刻蚀单晶硅器件层直到氧化硅中间层，从而制作出悬臂梁。

其中，所述步骤2)中，对带悬臂梁的晶片进行热氧化，利用光刻胶掩膜，通过各向异性反应离子干法刻蚀氧化硅为随后的工艺准备掩膜，同时，细化针尖。

其中，所述步骤3)中，用双面对准光刻来制作光刻胶掩膜，从晶片背面用各向异性反应离子刻蚀硅晶片到预定深度，然后，在晶片背面生长导热薄膜，以保证刻穿晶片时晶片仍能被有效冷却。

其中，所述导热薄膜的厚度为1μm。

其中，所述晶片由任意取向的原始晶片制备而成，所述原始晶片包括硅晶片或含氧化硅层和单晶硅器件层的SOI片。

其中，所述步骤4)中，所述各向异性干法刻蚀为各向异性反应离子干法刻蚀。

其中，所述步骤5)中，所述各向同性干法刻蚀为各向同性反应离子干法刻蚀。

其中，所述步骤5)中，利用缓冲氢氟酸去除氧化硅掩膜，释放悬臂梁。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

(1)本发明的方法能够更加精确地控制悬臂梁结构和支撑单元的几何尺寸和形状，从而提高悬臂梁结构的性能；特别地，本发明尤其适合于超小(长度L＜30μm，宽度w＜5μm，厚度h＜250nm)单晶硅悬臂梁结构的制备；

(2)本发明的方法能够方便地制备出图1(b)所示的台阶4结构，从而为探测系统提供足够大的光入射角；

(3)本发明的方法能够优化支撑单元的刚度，从而降低机械能量损失；

(4)本发明具有简单、高精度、高成品率的优势，适合于大规模生产；

(5)本发明的方法适合于任何取向的晶片。

附图说明

图1(a)和图1(b)分别为微纳悬臂梁结构的俯视图和纵剖视图；其中MN为剖线；图1(c)为微纳悬臂梁结构的扫描电镜照片；

图2(a)～图2(m)是本发明一个实施例中微纳悬臂梁结构的制作工艺流程示意图，图2(n)是与图2(m)对应的俯视图；

图3(a)和图3(b)分别是支撑端加固的悬臂梁结构的俯视图和纵剖视图；

图4(a)和图4(b)分别是不同取向的双端固支悬臂梁结构的示意图。

图面说明：

1为针尖，2为悬臂梁，3为支撑单元，4为台阶，5为加固结构，6和7分别为不同取向的双端固支的悬空结构，8为双端固支的支撑单元，10为硅晶片，11为氧化硅中间层，12为单晶硅器件层，13为热氧化生长的氧化硅掩膜，14为各向同性干法刻蚀单晶硅器件层制作的针尖，15为用干法刻蚀单晶硅器件层制作悬臂梁结构的光刻胶掩膜，16为在单晶硅器件层制作的悬臂梁结构，17为通过热氧化细化的针尖，18为第二次热氧化生长的氧化硅层，19为光刻胶掩膜，20为氧化硅掩膜，21为晶片双面光刻制作的光刻胶掩膜，22为氧化硅掩膜，23为各向异性反应离子刻蚀Si晶片到预定深度所形成的Si晶片减薄区域，24为导热薄膜，25为晶片被刻穿处，26为悬臂梁下面的被各向同性刻蚀的Si晶片减薄区域位置，27为悬臂梁，28为支撑单元的台阶

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

首先，以扫描力显微镜中的力传感器微纳悬臂梁结构为例，说明微纳悬臂梁结构的尺寸和形状对其机械性能(如谐振频率和品质因子)的影响。

扫描力显微镜力分辨率和悬臂梁结构的机械性能关系为：

$F_{\min }=\sqrt{\frac{{2\mathrm{kk}}_B\mathrm{TB}}{\mathrm{\πQf}}}---\left(1\right)$

其中k为悬臂梁结构的弹性常数，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度，B为带宽，Q为悬臂梁结构的品质因子，f为悬臂梁结构的频率。可以看出，只有提高品质因子和谐振频率，降低弹性常数，才能改进力分辨率。将悬臂梁结构的谐振频率和弹性常数的表达式代入公式(1)，力分辨率可表示为：

$f\≈\frac{h}{{2l}^2}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\ρ}}}$

$k=\frac{1}{4}\mathrm{Ew}\frac{h^3}{l^3}$

$F_{\min }\≈{\left(\frac{{\mathrm{wh}}^{2}T}{\mathrm{lQ}}\right)}^{1/2}{\left(k_{B}B\right)}^{1/2}{\left(\mathrm{E\ρ}\right)}^{1/4}---\left(2\right)$

其中l、w、h和ρ分别为悬臂梁结构的长、宽、厚度和密度。可以看出，提高力分辨率可以通过改变悬臂梁结构的几何尺寸，即降低w、h和增加l来实现，而这一途径又与品质因子的提高相制约，特别是在微纳悬臂梁结构中起主导作用的表面损失和支撑端损失随h减小而增加。如何在降低w、h的同时获得高Q，从而实现高力分辨率，其关键是要精确控制悬臂梁结构的几何尺寸，制作高质量悬臂梁结构，消除由结构缺陷造成的机械能量损失，精细改进支撑端结构，减小支撑端损失，提高Q。因此，为提高扫描力显微镜的力分辨率，高精度制作微纳悬臂梁结构是关键。

根据本发明的一个实施例，提供了一种可以高精度控制悬臂梁和支撑端尺寸的微纳悬臂梁结构制作方法。该实施例中，整个工艺流程仅需要四个掩膜版，而且每步工艺都只需要采用具有高成品率的常规加工技术，因此，可以实现微纳悬臂梁结构的批量制作。

一般来说，可选择Si晶片或SOI晶片来制作微纳悬臂梁结构。下面以(100)取向的SOI晶片为例(当然，这仅仅是示例性的，本发明可采用的晶片并不限于此)，该SOI晶片含有400nm厚的单晶硅器件层，400nm厚的氧化硅中间层和300-500μm厚的Si晶片。一般来说，单晶硅器件层的厚度决定于针尖/悬臂梁结构的制作工艺和针尖高度与悬臂梁结构厚度之和，必要时，可以通过Si外延生长技术增加单晶硅器件层厚度，如本实施例中可以将单晶硅器件层厚度增加到2.7μm。氧化硅中间层是在释放悬臂梁结构的过程中用作保护层。

图2示出了本实施例的微纳悬臂梁结构的制作工艺流程示意图。本实施例的微纳悬臂梁结构制作方法包括下列步骤：

(1)取(100)取向的SOI晶片，通过Si外延生长技术使单晶硅器件层增加到预定厚度，如2.7μm。如图2(a)所示，SOI晶片包括硅晶片10、氧化硅中间层11和单晶硅器件层12。

(2)参考图2(b)，用热氧化法在SOI片的双面生长氧化硅(即氧化硅)掩膜，本实施例中，正面和背面的氧化硅掩膜厚度均为500nm。图2(b)中，13为热氧化生长的氧化硅掩膜。

(3)制作针尖。这步工艺是在经步骤(2)的平整的晶片上进行，可以很好地保证光刻精度。首先通过反应离子干法刻蚀将光刻图形转换到氧化硅掩膜层，去除光刻胶。然后，通过反应离子各向同性干法刻蚀单晶硅器件层到预先确定的厚度，从而制作出针尖，如图2(c)所示。本实施例中针尖高度约2μm。最后，利用缓冲氢氟酸去除氧化硅掩膜。图2(c)中，14为各向同性干法刻蚀单晶硅器件层制作的针尖。

(4)悬臂梁的光刻。在晶片正面制作光刻胶掩模，光刻胶的厚度应稍大于针尖高度，如图2(d)所示，以保证足够的对准精度。一般地，悬臂梁结构要求1-1.5μm的对准精度。图2(d)中，15为干法刻蚀单晶硅器件层制作悬臂梁结构的光刻胶掩膜。

(5)悬臂梁的刻蚀。用各向异性干法刻蚀方法刻蚀单晶硅器件层直到氧化硅层，确定悬臂梁结构的正面轮廓。然后，用氧等离子体去除光刻胶掩膜，如图2(e)所示，其中16为在单晶硅器件层制作的悬臂梁结构。

(6)对晶片进行热氧化，一方面使针尖细化，另一方面形成后续工艺的掩膜层，如图2(f)所示，其中17为细化针尖，18为第二次热氧化生长氧化硅掩膜。

(7)晶片正面沟槽的掩膜制作。将经步骤(6)的晶片进行光刻，并用干法刻蚀氧化硅层，制作从正面各向异性干法刻蚀Si晶片和利用各向同性干法刻蚀来释放悬臂梁结构的掩膜，如图2(g)和2(h)所示，其中，19为光刻胶掩膜，20为氧化硅掩膜。本步骤是为后续步骤(9)、(10)的两步连续刻蚀工艺制作掩膜。

(8)晶片背面光刻和刻蚀。在晶片背面制作光刻胶掩模，如图2(i)所示，其中21为通过晶片双面光刻制作的光刻胶掩膜，22为氧化硅掩膜。从背面利用各向异性反应离子干法刻蚀Si晶片到预定深度，这一深度确定了图1中所示的台阶4的高度。本实施例中，减薄区域的厚度约为30μm。在晶片背面生长一层导热薄膜，以保证后续步骤(特别是刻穿晶片的步骤)中晶片能被很好地冷却。如图2(j)所示，23为各向异性反应离子刻蚀Si晶片到预定深度所形成的Si晶片减薄区域，24为导热性能好的薄膜，本实施例中，Al薄膜厚度约为1μm。

(9)利用步骤(7)制作的氧化硅掩膜，通过各向异性反应离子干法刻蚀方法从正面刻蚀晶片，直到刻穿Si晶片，即刻穿Si晶片减薄区域，如图2(k)所示，25为晶片被刻穿处。

(10)然后，利用各向同性干法刻蚀方法，刻蚀悬臂梁下方的Si晶片减薄区域，如图2(l)所示，其中26为悬臂梁下面的被各向同性刻蚀的Si晶片减薄区域位置。用缓冲氢氟酸去除氧化硅保护层，释放悬臂梁，如图2(m)所示，其中27为悬臂梁，28为支撑单元的台阶。图2(m)是最后释放的悬臂梁结构的纵剖视图，图2(n)示出悬臂梁结构的俯视图。

根据本发明的另一个实施例，还可以在上述步骤(3)中，在刻蚀针尖的同时，在单晶硅器件层12中制作一个支撑端的加固结构5(如图3a、图3b所示)，减小支撑端损失，进而提高品质因子。本实施例的其它步骤与上一实施例完全一致。

另外，需说明的是，本发明的方法不仅适用于单端固支的悬臂梁结构制作，同样也适用于双端固支的悬臂梁结构制作，双端固支的悬臂梁结构如图4(a)和4(b)所示，其中6和7分别为不同取向的双端固支的悬空结构，8为双端固支的支撑单元。

本发明具有以下优点：

(1)在通常的悬臂梁结构制作方法中，通过干法反应离子刻蚀方法或湿法各向异性刻蚀方法从晶片背面深刻蚀硅晶片来释放悬臂梁结构，这是确定悬臂梁结构和支撑端尺寸最关键的一步。在这些现有方法中，为了提高悬臂梁结构和支撑端的制作精度，在制作背面深刻蚀的掩膜时，对双面光刻对准要求非常苛刻，即使是最好的情况，光刻和刻蚀不可避免地产生十几个微米的对准误差，这将导致悬臂梁结构的几何尺寸误差。与通常制作方法相比，本发明的加工方法对双面光刻的对准要求不再那么苛刻，而将决定悬臂梁结构和支撑端几何尺寸的关键工艺转移到对晶片正面的加工工艺，这样极大地提高了支撑单元的加工精度。本发明的高质量的针尖/悬臂梁结构制作，可以实现针尖直径10-15nm和不同高宽比，大大提高悬臂梁结构的横向分辨率。通过将晶片正面和背面的干法刻蚀相结合，可以精确控制悬臂梁结构的尺寸，即梁的长度、宽度和支撑端宽度等，加工精度可达到1μm，显著改进圆片级的加工均匀性和工艺可靠性，减小仅用背面干法刻蚀所带来的加工误差。

(2)本发明的各个步骤所采用的都是通常的微纳机电系统的加工方法，没有特殊的加工技术要求，可靠性高，大幅提高了悬臂梁结构的成品率(＞90％)，因此很容易产业化。因此，本发明很好解决了超小悬臂梁结构研究人员和生产商长期面临的问题：低成品率、很难精确控制支撑单元和悬臂梁结构的几何尺寸、性能差、需要特殊且昂贵的技术，如电子束曝光等。

(3)本发明可以不涉及具有晶向依赖性的湿法刻蚀，因此，这一制作方法适合于任何取向的晶片。适用本发明的制作方法的微纳悬臂梁结构的几何尺寸覆盖范围较大，其最小长、宽、高分别可达5μm、3μm、10nm。值得一提的是，本发明方法适用于高精度制作不同取向和几何尺寸的悬空结构，如图4(a)、图4(b)所示，特别是微米和亚微米结构。

(4)本发明能够高精度制作悬臂梁结构的不同支撑端微细结构，减小由支撑端导致的机械能量损失，提高悬臂梁的品质因子。

Claims (12)

1.一种用于超高灵敏探测的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)对晶片进行光刻和刻蚀，制作出悬臂梁；所述晶片包括硅晶片或含氧化硅中间层和单晶硅器件层的晶片；

2)通过光刻和刻蚀在晶片正面制备氧化硅掩膜；

3)对晶片背面进行光刻和刻蚀，制作出背面沟槽，所述背面沟槽位于悬臂梁的正下方；

4)利用步骤2)所制备的氧化硅掩膜，从晶片正面利用各向异性干法刻蚀刻穿硅晶片；

5)利用步骤2)所制备的氧化硅掩膜，从正面利用各向同性干法刻蚀悬臂梁下方的硅，去除掩膜，释放悬臂梁。

2.根据权利要求1所述的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，所述步骤1)还包括：在制作出悬臂梁前，对晶片进行第一步光刻和刻蚀，在单晶硅器件层制作出针尖；在制作悬臂梁时，在带针尖的单晶硅器件层上进行第二步光刻和刻蚀，制备出悬臂梁，然后通过热氧化细化针尖和形成后续工艺的氧化硅掩膜。

3.根据权利要求2所述的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，所述步骤1)还包括原始晶片预处理步骤，所述原始晶片预处理步骤包括：通过针尖和悬臂梁的制作工艺以及针尖高度与悬臂梁结构厚度之和，确定单晶硅器件层的初始厚度，通过硅外延生长技术来调整原始晶片使其单晶硅器件层达到所述初始厚度，然后对经过单晶硅器件层外延生长的晶片进行热氧化。

4.根据权利要求2所述的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，所述步骤1)还包括：在制作针尖时，首先用光刻胶图形作掩膜，通过反应离子干法刻蚀制作氧化硅掩膜层；然后用氧化硅掩膜，通过各向同性反应离子干法刻蚀单晶硅器件层到预先确定的厚度来制作针尖。

5.根据权利要求1所述的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，所述步骤1)还包括：在制作悬臂梁时，用厚度稍大于针尖高度的光刻胶作掩膜，通过各向异性反应离子干法刻蚀单晶硅器件层直到氧化硅中间层，从而制作出悬臂梁。

6.根据权利要求1所述的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，所述步骤2)中，对带悬臂梁的晶片进行热氧化，利用光刻胶掩膜，通过各向异性反应离子干法刻蚀为随后的工艺准备掩膜，同时，细化针尖。

7.根据权利要求1所述的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，所述步骤3)中，用双面对准光刻来制作光刻胶掩膜，从晶片背面用各向异性反应离子刻蚀硅晶片到预定深度，然后，在晶片背面生长导热薄膜，以保证刻穿晶片时晶片仍能被有效冷却。

8.根据权利要求7所述的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，所述导热薄膜的厚度为1μm。

9.根据权利要求1所述的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，所述晶片为任意取向的晶片，所述原始晶片包括硅晶片或含氧化硅层和单晶硅器件层的SOI片。

10.根据权利要求1所述的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述各向异性干法刻蚀为各向异性反应离子干法刻蚀。

11.根据权利要求1所述的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，所述步骤5)中，所述各向同性干法刻蚀为各向同性反应离子干法刻蚀。

12.根据权利要求1所述的微纳悬臂梁结构制作方法，其特征在于，所述步骤5)中，利用缓冲氢氟酸去除氧化硅掩膜，释放悬臂梁。

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