CN102786029A

CN102786029A - 一种用于制作纳米器件的自对准盖板及其制作、使用方法

Info

Publication number: CN102786029A
Application number: CN2011101281723A
Authority: CN
Inventors: 李铁; 周玉修; 王文荣; 王跃林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2012-11-21

Abstract

本发明公开了提供一种用于制作纳米器件的自对准硅盖板，以及该硅盖板的制作方法和使用方法。该硅盖板的正面开设有用于制作电极的图形开口，该硅盖板的背面设有一梯台型凹槽，所述梯台型凹槽的底部与所述图形开口的底部相连通，所述梯台型凹槽的底部尺寸与所制作纳米器件的衬底尺寸相同。利用(100)单晶硅的各向异性腐蚀特性，通过对双面抛光硅片的氧化，双面光刻，各向异性腐蚀和划片等步骤可制作出所述硅盖板。将所述硅盖板盖在尺寸一致的表面有纳米材料的衬底上，经过金属沉积之后直接拿掉盖板，完成器件的制作。这一方法减小了电极布置位置的误差，避免了在金属沉积过程中由于样品台转动而发生的盖板移动导致器件的失效。

Description

一种用于制作纳米器件的自对准盖板及其制作、使用方法

技术领域

本发明涉及一种纳米器件的电极制作工艺，尤其涉及一种用于制作纳米器件的自对准盖板及其制作、使用方法，特别适用于大批量纳米器件的制造。本发明属于半导体器件制造领域。

背景技术

制作基于纳米材料器件电极的方法主要有传统光刻法，电子束光刻法等。这些方法中都需要涂胶，曝光，显影，去胶等过程。由于纳米材料的比表面积很大，光刻过程中的光刻胶很容易吸附在纳米材料表面，难以去除。吸附在纳米材料的光刻胶残留一方面会改变材料的特性，另一方面也不利于材料和电极之间欧姆接触的形成。2009年，Fubo Rao等人采用硬盖板技术，通过无需光刻的工艺制作了基于单壁碳纳米管阵列的器件。但由于盖板结构过于简单，放置时仅依靠肉眼判断，位置误差大，容易发生位置的相对移动。2010年，Wenzhong Bao等人制作了硅硬盖板，并通过无需光刻的工艺制作了基于单层石墨烯的器件。通过在盖板上开的辅助窗口来观测调节盖板和衬底的相对位置，但相对位置的调节过程复杂耗时，且衬底和盖板间容易发生相对滑动。

鉴于此，本发明提出一种用于制作纳米器件电极的具有“自对准”功能的硬盖板，以及该盖板的制作方法和使用方法，使其具有操作简便，盖板和衬底不易发生相对滑移，电极布置的位置精度较高等优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种用于制作纳米器件的自对准硅盖板，以及该硅盖板的制作方法和使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于制作纳米器件的自对准硅盖板，该硅盖板的正面开设有用于制作电极的图形开口，该硅盖板的背面设有一梯台型凹槽，所述梯台型凹槽的底部与所述图形开口的底部相连通，所述梯台型凹槽的底部尺寸与所制作纳米器件的衬底尺寸相同。

作为本发明的优选方案，所述硅盖板的材料为(100)单晶硅。

作为本发明的优选方案，所述硅盖板除图形开口和梯台型凹槽以外的表面覆盖有氧化层。

作为本发明的优选方案，所述梯台型凹槽的深度为所述硅盖板厚度的一半。

上述自对准硅盖板的制作方法，包括如下步骤：

a)在双面抛光的(100)单晶硅片的正反两个表面上都形成氧化层；

b)在所述(100)单晶硅片正面定义出用于制作电极的图形化窗口，在所述(100)单晶硅片反面定义出矩形窗口，所述矩形窗口各边均与该(100)单晶硅片的<110>晶向平行；

c)腐蚀去除位于所述图形化窗口内以及所述矩形窗口内的部分氧化层，使所述图形化窗口内以及所述矩形窗口内的(100)单晶硅片部分露出；

d)利用各向异性腐蚀液腐蚀所述图形化窗口内以及所述矩形窗口内露出的(100)单晶硅片部分，从而在所述(100)单晶硅片的正面形成用于制作电极的图形开口，在其反面形成梯台型凹槽，且使所述梯台型凹槽的底部与所述图形开口的底部相连通。

作为本发明的优选方案，步骤a)中，所形成的氧化层厚度为1000-2000nm。

作为本发明的优选方案，步骤b)中，利用光刻胶及光刻工艺在所述(100)单晶硅片正、反面分别定义出所述图形化窗口和矩形窗口。所述图形化窗口为长条型窗口，且各边均与该(100)单晶硅片的<110>晶向平行。

作为本发明的优选方案，步骤c)中，利用HF腐蚀液腐蚀去除位于所述图形化窗口内以及所述矩形窗口内的部分氧化层。

作为本发明的优选方案，步骤d)中，所述各向异性腐蚀液为KOH或TMAH溶液。

上述自对准硅盖板的使用方法，包括如下步骤：

A)将表面有纳米材料的衬底水平放在蒸发或者溅射设备的托盘上，将所述硅盖板盖在该衬底上，所述衬底的尺寸与所述硅盖板背面的梯台型凹槽的底部尺寸相同，在重力作用下，盖板会将衬底卡在背面凹槽的内部，实现自动对准；

B)将所述托盘连同所述衬底和所述硅盖板一起放入蒸发或者溅射设备中，蒸发或者溅射金属；

C)从蒸发或者溅射设备中取出托盘，拿掉所述硅盖板，完成纳米器件的制作。

作为本发明的优选方案，所述衬底为绝缘衬底；所述衬底上可以有沟槽结构。所述表面的纳米材料可以为碳纳米管或者石墨烯，也可以为硅纳米线或者ZnO等纳米材料。

作为本发明的优选方案，所述金属选自铝、金、钛、铂、钨、铜中的一种或多种。

本发明的用于制作纳米器件的自对准硅盖板，以及该硅盖板的制作方法和使用方法，相较于现有技术，其有益效果在于：

1.由于硅盖板背面的凹槽和衬底大小相匹配，盖板盖到衬底上之后不会发生相对滑动，提高了电极布置位置的精度，提高了器件成品率。

2.由于电极布置的精度高，可以使用多个正面开孔位置不同的盖板，分别沉积不同的金属，制作不同金属电极的纳米器件。

3.器件制作过程不需要调整盖板和衬底的相对位置，操作简便，而且硅盖板可以重复使用。

附图说明

图1a-1c为实施例中硅盖板的结构示意图。其中1a为剖视图，1b为俯视图，1c为底视图。

图2为实施例中硅盖板的的制作流程图。其中(a)氧化，(b)双面光刻，(c)氧化硅腐蚀，(d)硅的各向异性腐蚀。

图3为实施例中使用硅盖板制作纳米器件的流程。其中(a)将硅盖板盖到尺寸匹配的带有纳米材料的衬底上，(b)金属沉积，(c)取下盖板，完成器件制作。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。

为了大批量纳米器件的制造，本发明的发明人在对纳米器件电极制作进行深入的研究和分析，设计了一种具有“自对准”功能的硅盖板，并提供了该硅盖板的制作方法和使用方法。该“自对准”硅盖板可用MEMS微加工技术制作，和大小相匹配的表面有纳米材料的衬底配套使用。由于该硅盖板背面的凹槽结构设计，可将衬底卡在中间，盖板和衬底间不易发生相对滑移，可以提高电极布置位置的精度和纳米器件的成品率，操作简便，而且硅盖板可以重复使用，有利于节约生产成本。本实施例将提供这种硅盖板的具体结勾和具体的制作方法和使用方法。

请参阅图1a-1c，其中图1a、1b、1c分别为这种用于制作纳米器件的自对准硅盖板结构的剖面图、俯视图和底视图。由图可见，该硅盖板的正面开设有用于制作电极的图形开口，该硅盖板的背面设有一梯台型凹槽，所述梯台型凹槽的底部与所述图形开口的底部相连通，所述梯台型凹槽的底部尺寸与所制作纳米器件的衬底尺寸相同。其中，所述硅盖板的材料为(100)单晶硅。所述硅盖板的表面除图形开口和梯台型凹槽以外，均覆盖有氧化层(SiO₂)。所述梯台型凹槽的深度为所述硅盖板厚度的一半。硅盖板中正面及背面腐蚀图形开口和梯台型凹槽的侧边均沿硅<110>晶向，如图1b、1c所示，正、背面的腐蚀槽都是在各向异性湿法腐蚀中得到，腐蚀后的侧壁均为硅(111)晶面，如图1a所示。

该硅盖板的制作过程如图2所示，具体如下：

a)将双面抛光的(100)单晶硅片氧化，使正反两个表面上都形成氧化层，厚度为1000nm到2000nm。本实施例优选厚度400μm的(100)单晶硅氧化1μm(图2(a))。

b)采用双面对准光刻分别光刻出正面和背面的腐蚀窗口，从而在所述(100)单晶硅片正面定义出用于制作电极的图形化窗口，所述图形化窗口为长条型窗口，且各边均与该(100)单晶硅片的<110>晶向平行，窗口宽度为782μm，窗口间距离为218μm；在所述(100)单晶硅片反面定义出矩形窗口，所述矩形窗口各边均与该(100)单晶硅片的<110>晶向平行，矩形长为16282μm，宽为8282μm(图2(b))。

c)使用HF溶液湿法腐蚀去除位于所述图形化窗口内以及所述矩形窗口内的部分氧化层，使所述图形化窗口内以及所述矩形窗口内的(100)单晶硅片部分露出(图2(c))。

d)去胶后使用KOH溶液或者TMAH溶液等各向异性硅腐蚀溶液腐蚀所述图形化窗口内以及所述矩形窗口内露出的(100)单晶硅片部分，本实施例采用KOH溶液中腐蚀掉200μm厚度的硅，从而在所述(100)单晶硅片的正面形成用于制作电极的图形开口，开口宽度为500μm，且开口间的距离为500μm；在其反面形成梯台型凹槽，且使所述梯台型凹槽的底部与所述图形开口的底部相连通，所述梯台型凹槽的深度为硅厚度的一半，凹槽底部的尺寸为16mm×8mm(图2(d))。

最后，可以将整片硅片划成小片，经过超声清洗之后得到多块“自对准”硅盖板。

使用上述“自对准”硅盖板制作纳米器件的方法如图3所示，具体如下：

A)将表面有纳米材料的衬底水平放在蒸发或者溅射设备的托盘上，将所述硅盖板盖在该衬底上，所述衬底的尺寸为16mm×8mm，与所述硅盖板背面的梯台型凹槽的底部尺寸相同，表面长有碳纳米管，在重力作用下，盖板会将衬底卡在背面凹槽的内部，实现自动对准(图3(a))。

B)将所述托盘连同所述衬底和所述硅盖板一起放入蒸发或者溅射设备中，蒸发或者溅射沉积100nm-1000nm厚的金属(如铝，金，钛，铂，钨，铜等)，本实施例中，将衬底和盖板放入Al蒸发设备中，蒸发600nm厚的Al层。

C)从蒸发或者溅射设备中取出托盘，拿掉所述硅盖板，完成纳米器件的制作，Al电极宽度为500μm，电极间距为500μm。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种用于制作纳米器件的自对准硅盖板，其特征在于，该硅盖板的正面开设有用于制作电极的图形开口，该硅盖板的背面设有一梯台型凹槽，所述梯台型凹槽的底部与所述图形开口的底部相连通，所述梯台型凹槽的底部尺寸与所制作纳米器件的衬底尺寸相同。

2.根据权利要求1所述的用于制作纳米器件的自对准硅盖板，其特征在于：所述硅盖板的材料为(100)单晶硅。

3.根据权利要求1所述的用于制作纳米器件的自对准硅盖板，其特征在于：所述硅盖板除图形开口和梯台型凹槽以外的表面覆盖有氧化层。

4.根据权利要求1所述的用于制作纳米器件的自对准硅盖板，其特征在于：所述梯台型凹槽的深度为所述硅盖板厚度的一半。

5.一种用于制作纳米器件的自对准硅盖板的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的用于制作纳米器件的自对准硅盖板的制作方法，其特征在于：步骤a)中，所形成的氧化层厚度为1000-2000nm。

7.根据权利要求5所述的用于制作纳米器件的自对准硅盖板的制作方法，其特征在于：步骤b)中，利用光刻胶及光刻工艺在所述(100)单晶硅片正、反面分别定义出所述图形化窗口和矩形窗口。

8.根据权利要求5所述的用于制作纳米器件的自对准硅盖板的制作方法，其特征在于：步骤b)中，所述图形化窗口为长条型窗口，且各边均与该(100)单晶硅片的<110>晶向平行。

9.根据权利要求5所述的用于制作纳米器件的自对准硅盖板的制作方法，其特征在于：步骤c)中，利用HF腐蚀液腐蚀去除位于所述图形化窗口内以及所述矩形窗口内的部分氧化层。

10.根据权利要求5所述的用于制作纳米器件的自对准硅盖板的制作方法，其特征在于：步骤d)中，所述各向异性腐蚀液为KOH或TMAH溶液。

11.一种用于制作纳米器件的自对准硅盖板的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

12.根据权利要求11所述的用于制作纳米器件的自对准硅盖板的使用方法，其特征在于：所述纳米材料为碳纳米管、石墨烯、硅纳米线或者ZnO纳米材料。

13.根据权利要求11所述的用于制作纳米器件的自对准硅盖板的使用方法，其特征在于：所述金属选自铝、金、钛、铂、钨、铜中的一种或多种。