CN107651650A - 耦合纳米机械振子及其形成方法 - Google Patents

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CN107651650A CN201710904778.9A CN201710904778A CN107651650A CN 107651650 A CN107651650 A CN 107651650A CN 201710904778 A CN201710904778 A CN 201710904778A CN 107651650 A CN107651650 A CN 107651650A
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徐铿
俞挺
李星仪
方雨苏
丁金龙
曾凡焱
黄姗
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    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Abstract

本申请提供一种耦合纳米机械振子及其形成方法，其中耦合纳米机械振子包括：衬底；依次悬空于衬底表面的第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元；其中，第一纳米机械振子单元为耦合单元，第二纳米机械振子单元为工作单元，所述工作单元具有光学模式和机械模式，耦合单元具有光学模式，且在泵浦光驱动下，第一纳米机械振子单元的光学模式和第二纳米机械振子单元的光学模式耦合。本申请的纳米机械振子灵敏度和分辨率高，本申请的纳米机械振子形成工艺步骤简单。

Description

耦合纳米机械振子及其形成方法
技术领域
本发明涉及纳米制造领域，特别涉及一种耦合纳米机械振子及其形成方法。
背景技术
由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性，因此其在电子材料、光学材料、催化、传感、陶瓷增韧等方面都有着广阔的应用前景。
纳米机械系统是纳米尺度的机械系统，通常具有较好的品质因子、弹性常量等优秀性质，并且纳米机械系统可以用于力和质量的探测。
但是，随着社会进步和科技发展，用户对机械振子的要求也越来越高，现有的机械振子的灵敏度和分辨率已经无法满足需求，且现有的机械振子制造方法较落后，因此，亟待一种新型的机械振子和形成方法。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种耦合纳米机械振子及其形成方法。
本发明提供一种耦合纳米机械振子的形成方法，包括：提供衬底；在所述衬底表面形成第一介质层；在所述第一介质层表面形成第一二硫化钨少层；在所述第一二硫化钨少层表面形成隔热层；在所述隔热层表面形成第二二硫化钨少层；在所述第二二硫化钨少层表面形成硬掩膜层；对所述衬底进行退火，使得第一二硫化钨少层和第二二硫化钨少层弹性常量不相同；在硬掩膜层上形成图案，沿所述图案依次刻蚀硬掩膜层、第二二硫化钨少层、隔热层、第一二硫化钨少层和第一介质层，直至暴露出衬底，形成第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元；去除硬掩膜层；形成覆盖所述衬底、第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元的第二介质层；在所述第二介质层表面形成掩膜图形，以所述掩膜图形为掩膜，去除第二介质层直至暴露出衬底，且暴露出第二纳米机械振子单元表面以及隔热层和第一介质层的侧面；侧向选择性去除第二纳米机械振子单元下方的隔热层以及第一纳米机械振子单元下方的第一介质层，使得第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元悬空，以使得第一纳米机械振子单元为耦合单元，第二纳米机械振子单元为工作单元，其中，工作单元具有光学模式和机械模式，耦合单元具有光学模式，且在泵浦光驱动下，第一纳米机械振子单元的光学模式和第二纳米机械振子单元的光学模式耦合；贯穿所述衬底直至暴露出第一纳米机械振子单元。
可选的，所述第一二硫化钨少层与第二二硫化钨少层形成工艺相同。
可选的，所述第一二硫化钨少层和第二二硫化钨少层厚度相同。
可选的，所述第一二硫化钨少层和第二二硫化钨少层厚度不同。
可选的，所述第二二硫化钨少层的厚度大于所述第一二硫化钨少层厚度。
可选的，所述第二二硫化钨少层的厚度小于所述第一二硫化钨少层厚度。
可选的，所述第一介质层为氧化硅。
可选的，所述隔热层为氮化硅。
可选的，所述退火可以采用快速热退火，其中退火温度为500摄氏度至900摄氏度，退火载气为Ar或N2，退火载气的流量为50毫升/分钟至300毫升/分钟,退火时间为2分钟至30分钟。
本申请还提供一种如上述任一实施例的纳米机械振子的形成方法形成的耦合纳米机械振子，包括：衬底；依次悬空于衬底表面的第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元；位于所述第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元的两侧的工作电极，其中，第一纳米机械振子单元为耦合单元，第二纳米机械振子单元为工作单元，所述工作单元具有光学模式和机械模式，耦合单元具有光学模式，且在泵浦光驱动下，第一纳米机械振子单元的光学模式和第二纳米机械振子单元的光学模式耦合。
与现有技术相比，本申请实施例的纳米机械振子的形成方法形成步骤简单，制造成本低。
本申请实施例的纳米机械振子灵敏度和分辨率高。
附图说明
图1至图20为本申请一实施例的纳米机械振子的形成过程示意图。
具体实施方式
现有的机械振子的灵敏度和分辨率较低，无法满足日益增长的需求。另外现有的机械振子制造步骤繁杂，制造成本高。
为此，本发明的发明人提出一种优化的纳米机械振子的形成方法，能够采用一步退火，同时形成弹性常量不相同的第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元，以改善探测灵敏度，节约了工艺步骤，且形成的纳米机械振子单元悬空于衬底表面上，具有较多暴露的表面积，灵敏度高。
下面结合具体实施例对纳米机械振子的形成方法进行详细描述。
请参考图1，提供衬底100。
所述衬底100为后续工艺的工作平台。所述衬底100的材料选自单晶硅、多晶硅、非晶硅、或玻璃衬底；所述衬底100也可以选择硅、锗、砷化镓或者硅锗化合物；所述衬底100还可以选择具有外延层或外延层上硅结构；所述衬底100还可以是其他半导体材料，本领域的技术人员可以根据工艺需要合理选择衬底的类型、材料和种类，在此特意申明，不应过分限制本发明的保护范围。
在一些实施例中，所述衬底100的厚度为500纳米至5微米。
请参考图2，在所述衬底100表面形成第一介质层110。
所述第一介质层110为氧化硅。所述第一介质层110作为牺牲层，后续选择性去除以使得第一纳米机械振子单元悬空。所述第一介质层110的厚度可以为500纳米至3000纳米。所述第一介质层110的形成工艺可以为化学气相沉积。
请参考图3，在所述第一介质层110的表面形成第一二硫化钨少层120。
所述第一二硫化钨少层120由3-8层单层硫化钨构成，所述单层硫化钨由三层原子构成，其中上下层为硫原子组成的六角平面，且被中间的金属钨原子层隔开，从而形成“三明治夹心”结构，其中，层内的原子间以共价键结合。所述第一二硫化钨少层120的厚度为1.8纳米至6.4纳米。所述第一二硫化钨少层120后续用于形成纳米机械振子单元。所述第一二硫化钨少层120的形成工艺可以为化学气相沉积或者激光沉积。
在一些实施例中，所述第一二硫化钨少层120的形成工艺为化学气相沉积，具体的形成工艺参数为：硫蒸汽流量为20毫升/分钟至80毫升/分钟，WO3粉末20克至50克作为钨源，氩气流量为100毫升/分钟至150毫升/分钟，氮气流量为150毫升/分钟至200毫升/分钟，反应温度为800摄氏度至1100摄氏度。
请参考图4，在所述第一二硫化钨少层120表面形成隔热层130。
所述隔热层130具有如下作用：第一，在后续退火工艺中使得第一二硫化钨少层和第二二硫化钨少层的温度不同；第二，作为后续悬空第二纳米机械振子单元的牺牲层。
所述隔热层130的材料为氮化硅。所述隔热层130的厚度为800纳米至5微米。需要说明的是，本领域的技术人员可以根据实际需要，合理的选择所述隔离层的厚度，在此特意声明，不应过分限制本发明的保护范围。
请参考图5，在所述隔热层130表面形成第二二硫化钨少层140。
所述第二二硫化钨少层140的厚度为1.8纳米至6.4纳米。所述第二二硫化钨少层140后续用于形成纳米机械振子单元。所述第二二硫化钨少层140的形成工艺可以为化学气相沉积或者激光沉积。
在一些实施例中，所述第一二硫化钨少层120的形成工艺为化学气相沉积，具体的形成工艺参数为：硫蒸汽流量为20毫升/分钟至80毫升/分钟，MoO3蒸汽流量为30毫升/分钟至100毫升/分钟，氩气流量为100毫升/分钟至150毫升/分钟，反应温度为600摄氏度至800摄氏度。
需要说明的是，所述第二二硫化钨少层140的厚度可以与第一二硫化钨少层120的厚度相同或者不同。
在一些实施例中，所述第二二硫化钨少层140的厚度与第一二硫化钨少层120的厚度不同，从而能够更大窗口的实现一步退火而形成的第一二硫化钨少层120与第二二硫化钨少层140弹性常量不相同。
请参考图6，在所述第二二硫化钨少层140表面形成硬掩膜层150。
所述硬掩膜层150用于保护所述第二二硫化钨少层140并在后续图形化中作为刻蚀掩膜层。所述硬掩膜层150的厚度为200纳米至500纳米。所述硬掩膜层150的材料为氮化硅、氮氧化硅。所述硬掩膜层150的形成工艺为化学气相沉积工艺。
请参考图7，对所述衬底100进行退火，使得第一二硫化钨少层120和第二二硫化钨少层140具有不相同的弹性常量。
为此，本发明的发明人通过在第一二硫化钨少层120和第二二硫化钨少层140之间形成隔热层130，从而在同时退火时，第一二硫化钨少层120和第二二硫化钨少层140的退火温度不同，使得第一二硫化钨少层120和第二二硫化钨少层140具有的弹性常量不相同。
在一些实施例中，第一二硫化钨少层120和第二二硫化钨少层140的厚度相同。
在另一些实施例中，为了使得退火的窗口优化，可以使得第二二硫化钨少层140的厚度大于第一二硫化钨少层120的厚度，使得在同时退火工艺中，能够更佳地实现第一二硫化钨少层120和第二二硫化钨少层140的退火温度不同。
在一些实施例中，所述退火可以采用快速热退火。作为一些实施例，所述退火可以采用快速热退火，其中退火温度为450摄氏度至850摄氏度，退火载气为Ar或N2，退火载气的流量为100毫升/分钟至400毫升/分钟，退火时间为5分钟至15分钟。
在一些实施例中，所述退火可以为激光退火，激光波长为308nm，能量为0.8J/cm2-1.8J/cm2，重复率为220Hz至280Hz；
在一些实施例中，对所述衬底100进行退火还可以为多次退火工艺，例如，对所述衬底100进行退火包括第一退火和第二退火，其中第一退火具有第一退火时间和第一退火温度，其中第二退火具有第二退火时间和第二退火温度，作为一些实施例中，第一退火温度为500摄氏度至600摄氏度，退火载气为Ar，退火载气的流量为75毫升/分钟至250毫升/分钟，退火时间为0.5分钟至15分钟；第二退火温度为700摄氏度至1000摄氏度，退火载气为N2，退火载气的流量为150毫升/分钟至300毫升/分钟，退火时间为8分钟至20分钟。需要说明的是，采用多次退火工艺，能够更佳地改变边缘硫空位密度，从而影响第一二硫化钨少层120和第二二硫化钨少层140的能级势垒且使得第一二硫化钨少层120和第二二硫化钨少层140具有不相同弹性常量。
参考图8和图9，其中，图8为俯视图，图9为沿图8中AA线的剖面图。
在硬掩膜层150上形成图案，沿所述图案依次刻蚀硬掩膜层150、第二二硫化钨少层140、隔热层130、第一二硫化钨少层120和第一介质层110，直至暴露出衬底100，形成第一纳米机械振子单元121和第二纳米机械振子单元141。
作为一些实施例，在所述硬掩膜层150上形成光刻胶图形(未示出)，所述光刻胶图形与第一纳米机械振子单元121和第二纳米机械振子单元141对应。沿所述光刻胶图形刻蚀所硬掩膜层150，所述刻蚀工艺为等离子体刻蚀工艺，将光刻胶图形转移至所述硬掩膜层150。
然后去除所述光刻胶图形，以所述硬掩膜层为掩膜，采用各向异性刻蚀工艺，刻蚀第二二硫化钨少层140、隔热层130、第一二硫化钨少层120和第一介质层110。其中，刻蚀第二二硫化钨少层140、隔热层130、第一二硫化钨少层120和第一介质层110可以采用一步刻蚀，也可以采用多步刻蚀，其中，刻蚀第二二硫化钨少层140和第一二硫化钨少层120可以采用湿法刻蚀。
作为一些实施例，采用一步刻蚀工艺可以为采用CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8或者C5F8中的一种或者几种作为反应气体刻蚀。
作为一实施例，刻蚀工艺参数可以为：选用等离子体型刻蚀设备，刻蚀设备腔体压力为5毫托至35毫托，顶部射频功率为150瓦至700瓦，底部射频功率为50瓦至150瓦，C4F8流量为每分钟5标准立方厘米(5SCCM)至每分钟70标准立方厘米，CO流量为每分钟50标准立方厘米至每分钟200标准立方厘米，Ar流量为每分钟100标准立方厘米至每分钟500标准立方厘米，O2流量为每分钟10标准立方厘米至每分钟50标准立方厘米。
作为一些实施例，刻蚀图形可以为长条型。
请参考图10和图11，去除硬掩膜层150。
作为一些实施例，去除硬掩膜层150可以采用湿法去除。将所述衬底100放置于磷酸溶液中，去除所述硬掩膜层。
请参考图12和图13，形成覆盖所述衬底100和第一纳米机械振子单元121和第二纳米机械振子单元141的第二介质层160。
所述第二介质层160为氧化硅。第二介质层160的厚度可以为500纳米至1500纳米。所述第二介质层160的形成工艺可以为化学气相沉积。
请参考图14、15和16，其中，图14为俯视图，图15为沿图14中AA线的剖面图，图16为沿图14中BB线的剖面图。
在所述第二介质层160表面形成掩膜图形，以所述掩膜图形为掩膜，去除第二介质层160直至暴露出衬底100，且暴露出第二纳米机械振子单元表面121以及隔热层130和第一介质层110的侧面。
所述掩膜图形可以采用对光刻胶曝光显影后形成。
所述去除工艺可以为采用CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8或者C5F8中的一种或者几种作为反应气体刻蚀。
作为一实施例，刻蚀工艺参数可以为：选用等离子体型刻蚀设备，刻蚀设备腔体压力为5毫托至35毫托，顶部射频功率为150瓦至700瓦，底部射频功率为50瓦至150瓦，C4F8流量为每分钟5标准立方厘米(5SCCM)至每分钟70标准立方厘米，CO流量为每分钟50标准立方厘米至每分钟200标准立方厘米，Ar流量为每分钟100标准立方厘米至每分钟500标准立方厘米，O2流量为每分钟10标准立方厘米至每分钟50标准立方厘米。
请参考图17、18和19，侧向选择性去除第二纳米机械振子单元141下方的隔热层130以及第一纳米机械振子单元121下方的第一介质层110，使得第一纳米机械振子单元121和第二纳米机械振子单元141悬空，从而使得第一纳米机械振子单元121与第二纳米机械振子单元141的弹性常量不相同。
所述侧向选择性去除工艺可以为湿法去除工艺或者各向同性去除工艺，选择第一纳米机械振子单元121与第一介质层110和隔热层130选择刻蚀比大于10的刻蚀工艺，去除隔热层130和第一介质层110。
还需要指出的是，在其他的实施例中，可以形成依次横向或者纵向排列的多个第一纳米机械振子单元121和第二纳米机械振子单元141，从而构成纳米机械振子阵列。
请参考图20，贯穿所述衬底100直至暴露出第一纳米机械振子单元121。
采用光刻和刻蚀工艺，刻蚀所述衬底100，直至暴露出第一纳米机械振子单元121。
具体包括：在所述衬底100的底面形成光刻胶图形，采用硅通孔(ThroughSiliconVias)刻蚀所述衬底100，直至暴露出第一纳米机械振子单元121。
在其他实施例中，也可以在所述衬底100的底面形成光刻胶图形，采用湿法刻蚀所述衬底100，直至暴露出第一纳米机械振子单元121。
下面结合一些实施例对本申请的耦合纳米机械振子做具体说明。其中第二纳米机械振子单元141具有有效振子质量和弹性常量K2，其中当第一纳米机械振子单元121做简谐振动时，其弹性常量和振子的质量满足方程1：
其中，Ωm2为第二纳米机械振子单元141的振动频率，K2为第二纳米机械振子单元141的弹性常量，M2为第二纳米机械振子单元141的有效振子质量。当纳米颗粒附着在第二纳米机械振子单元141上时，有效振子质量增加，机械振动频率减小，因此，可以通过测量第二纳米机械振子单元141的振动频率位移ΔΩm2来获得有效振子质量的变化ΔM2，对方程1的两边同时微分并保留到一阶项，获得如下的方程2：
而在本实施例中，包括两个相耦合的机械系统，第一纳米机械振子单元为耦合单元，第二纳米机械振子单元为工作单元，其中，工作单元具有光学模式和机械模式，耦合单元具有光学模式。其中，对第一纳米机械振子单元施加泵浦光和探测光，对第二纳米机械只施加泵浦光。对第一纳米机械振子单元施加泵浦光漏到第二纳米机械振子单元上，在泵浦光的驱动下，第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元存在耦合。当纳米颗粒附着到工作单元时，纳米颗粒引起的有效质量变化会对耦合单元的机械频率造成影响并产生一个频率位移。从而可以通过耦合单元的光的透射谱来观测上述频率位移，从而获得纳米颗粒的质量。
本发明还提供一种采用上述任一实施例形成的纳米机械振子，包括：衬底100；依次悬空于衬底100表面的第一纳米机械振子单元121和第二纳米机械振子单元141，其中，第一纳米机械振子单元121为耦合单元，第二纳米机械振子单元141为工作单元，其中，工作单元具有光学模式和机械模式，耦合单元具有光学模式，且在泵浦光驱动下，第一纳米机械振子单元的光学模式和第二纳米机械振子单元的光学模式耦合。
本发明采用一步退火，能够形成弹性常量不同的第一纳米机械振子单元121和第二纳米机械振子单元141，节约了工艺步骤。且本发明的第一纳米机械振子单元121和第二纳米机械振子单元141悬空，比表面积大，灵敏度高。
进一步地，本发明形成暴露出的弹性常量不同的第一纳米机械振子单元121和第二纳米机械振子单元141，从而能对不同的称重纳米颗粒或生物分子有选择性。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种耦合纳米机械振子的形成方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面形成第一介质层；
在所述第一介质层表面形成第一二硫化钨少层；
在所述第一二硫化钨少层表面形成隔热层；
在所述隔热层表面形成第二二硫化钨少层；
在所述第二二硫化钨少层表面形成硬掩膜层；
对所述衬底进行退火，使得第一二硫化钨少层和第二二硫化钨少层弹性常量不相同；
在硬掩膜层上形成图案，沿所述图案依次刻蚀硬掩膜层、第二二硫化钨少层、隔热层、第一二硫化钨少层和第一介质层，直至暴露出衬底，形成第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元；
去除硬掩膜层；
形成覆盖所述衬底、第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元的第二介质层；
在所述第二介质层表面形成掩膜图形，以所述掩膜图形为掩膜，去除第二介质层直至暴露出衬底，且暴露出第二纳米机械振子单元表面以及隔热层和第一介质层的侧面；
侧向选择性去除第二纳米机械振子单元下方的隔热层以及第一纳米机械振子单元下方的第一介质层，使得第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元悬空，以使得第一纳米机械振子单元为耦合单元，第二纳米机械振子单元为工作单元，其中，工作单元具有光学模式和机械模式，耦合单元具有光学模式，且在泵浦光驱动下，第一纳米机械振子单元的光学模式和第二纳米机械振子单元的光学模式耦合；
贯穿所述衬底直至暴露出第一纳米机械振子单元。
2.如权利要求1所述的耦合纳米机械振子的形成方法，其特征在于，所述第一二硫化钨少层与第二二硫化钨少层形成工艺相同。
3.如权利要求1所述的耦合纳米机械振子的形成方法，其特征在于，所述第一二硫化钨少层和第二二硫化钨少层厚度相同。
4.如权利要求1所述的耦合纳米机械振子的形成方法，其特征在于，所述第一二硫化钨少层和第二二硫化钨少层厚度不同。
5.如权利要求4所述的耦合纳米机械振子的形成方法，其特征在于，所述第二二硫化钨少层的厚度大于所述第一二硫化钨少层厚度。
6.如权利要求4所述的耦合纳米机械振子的形成方法，其特征在于，所述第二二硫化钨少层的厚度小于所述第一二硫化钨少层厚度。
7.如权利要求1所述的耦合纳米机械振子的形成方法，其特征在于，所述第一介质层为氧化硅。
8.如权利要求1所述的耦合纳米机械振子的形成方法，其特征在于，所述隔热层为氮化硅。
9.如权利要求1所述的耦合纳米机械振子的形成方法，其特征在于，所述退火可以采用快速热退火，其中退火温度为450摄氏度至850摄氏度，退火载气为Ar或N2，退火载气的流量为100毫升/分钟至400毫升/分钟，退火时间为5分钟至15分钟。
10.一种如权利要求1至9任一项形成方法形成的耦合纳米机械振子，其特征在于，包括：
衬底；
依次悬空于衬底表面的第一纳米机械振子单元和第二纳米机械振子单元；其中，第一纳米机械振子单元为耦合单元，第二纳米机械振子单元为工作单元，所述工作单元具有光学模式和机械模式，耦合单元具有光学模式，且在泵浦光驱动下，第一纳米机械振子单元的光学模式和第二纳米机械振子单元的光学模式耦合。
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