CN112744782B - 一种微悬臂梁的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微悬臂梁的制备方法，包括：提供一衬底，并在衬底的上表面外延生长AlXGa1‑XAs薄层；在AlXGa1‑XAs薄层的上表面旋涂第一光刻胶，并通过第一光刻掩膜板对第一光刻胶进行曝光、显影，得到光刻胶微悬臂梁图形；以光刻胶微悬臂梁图形为掩膜，对AlXGa1‑XAs薄层和衬底进行刻蚀，并刻穿AlXGa1‑XAs薄层且刻蚀部分衬底；将AlXGa1‑XAs薄层氧化成Al2O3薄层；在Al2O3薄层和衬底的上表面旋涂第二光刻胶，并对二光刻胶层进行曝光、显影，以在Al2O3薄层一侧开设窗口；从窗口处侧向选择性腐蚀掉所述Al2O3薄层下部的部分衬底材料。本发明为微悬臂梁提供了一种新的可行制备方法和途径，主要制备得到以Al2O3作为材料的微悬臂梁结构、并以GaAs材料作为衬底，有效提升微悬臂梁的性能和灵敏性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种微悬臂梁的制备方法。
背景技术
MEMS技术已经交叉融合了多种学科，涉及到微电子学、机械学、材料学、力学、声学、光学、电子信息等学科。作为一项未来微技术集中发展的方向，是微电子和精密机械加工技术结合的产物。正在向微型化、低成本、轻量化、低能耗、高可靠性、高灵敏性等方向发展，由于其具有微型化的优势，在化学、物理、生物测量、电子器械、汽车制造以及军事领域等行业都有十分广阔的发展前景。
在众多MEMS传感器的种类之中，微悬臂梁作为结构最简单的产品之一，最初是作为原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)的探针。在一些如AFM、加速度传感器和生化传感器等需要检测精度高、响应速度灵敏的领域中，微悬臂梁由于其成本低廉的优势，逐渐形成市场化。
现有技术当中，目前普遍采用硅和其他硅基材料来制备微悬臂梁，并且基于硅和其他硅基材料的微悬臂梁制作工艺已经很成熟。但是，受限于硅材料性能不足，导致制备的微悬臂梁性能较差、且灵敏度较低。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种微悬臂梁的制备方法，以解决现有微悬臂梁性能差、灵敏度较低的技术问题。
本发明实施例提供一种微悬臂梁的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底，并在所述衬底的上表面外延生长AlXGa1-XAs薄层；
在所述AlXGa1-XAs薄层的上表面旋涂第一光刻胶，并通过第一光刻掩膜板对所述第一光刻胶进行曝光、显影，以将所述光刻掩膜板上的微悬臂梁图形转移到光刻胶表面，得到光刻胶微悬臂梁图形；
以所述光刻胶微悬臂梁图形为掩膜，对所述AlXGa1-XAs薄层和所述衬底进行刻蚀，并刻穿所述AlXGa1-XAs薄层且刻蚀部分所述衬底，刻蚀后去除剩余未被曝光、显影的第一光刻胶；
将所述AlXGa1-XAs薄层氧化成Al2O3薄层；
在所述Al2O3薄层和所述衬底的上表面旋涂第二光刻胶，并通过第二光刻掩膜板对所述二光刻胶层进行曝光、显影，以显影掉所述Al2O3薄层一侧的第二光刻胶，以在所述Al2O3薄层一侧开设窗口；
从所述窗口处侧向选择性腐蚀掉所述Al2O3薄层下部的部分衬底材料，腐蚀后去除剩余未被显影的第二光刻胶，得到AL2O3微悬臂梁。
进一步地，所述AlXGa1-XAs薄层的厚度为5nm-10μm，所述AlXGa1-XAs薄层中的X值在0.8-1之间。
进一步地，所述衬底的刻蚀深度大于所述AlXGa1-XAs薄层的厚度。
进一步地，采用ICP干法刻蚀工艺对所述AlXGa1-XAs薄层和所述衬底进行刻蚀。
进一步地，所述ICP干法刻蚀工艺的工艺参数包括：SiCL4/N2＝17sccm/16sccm。
进一步地，采用湿法氧化工艺将所述AlXGa1-XAs薄层氧化成Al2O3薄层。
进一步地，所述湿法氧化工艺的工艺参数包括：温度在230-260℃之间、N2流量在9-11LM之间、以及H2O_N2流量在4.5-5.5LM之间。
进一步地，采用侧向湿法腐蚀工艺来腐蚀所述Al2O3薄层下部的部分衬底材料。
进一步地，所述侧向湿法腐蚀工艺所采用的腐蚀液体中包含50％柠檬酸和H2O2，其中，50％柠檬酸和H2O2的体积比为：50％柠檬酸：H2O2＝2:1。
进一步地，所述衬底为GaAs衬底。
本发明的有益效果：通过提出一种制备AL2O3微悬臂梁的方法，以制备得到以Al2O3作为材料的微悬臂梁结构，由于Al2O3材料的性能优良且具有特殊二维片状结构，并且具有适中的表面活性，同时比硅基材料更好吸附力，能够有效提升微悬臂梁的性能和灵敏性。
附图说明
图1为本发明第一实施例中的微悬臂梁的制备方法的流程图；
图2为本发明第一实施例中的微悬臂梁的制备方法的制备过程说明图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
现有技术普遍采用硅和其他硅基材料来制备微悬臂梁，并且基于硅和其他硅基材料的微悬臂梁制作工艺已经很成熟。但是，受限于硅材料性能不足，导致制备的微悬臂梁性能较差、且灵敏度较低。因此，本申请的目的在于，为微悬臂梁提供了一种新的可行制备方法和途径，主要制备得到以Al2O3作为材料的微悬臂梁结构、并以GaAs材料作为衬底，有效提升微悬臂梁的性能和灵敏性。
实施例一
请参阅图1-图2，所示为本发明第一实施例中的微悬臂梁的制备方法，包括步骤S01-步骤S06。
步骤S01，提供一衬底，并在所述衬底的上表面外延生长AlXGa1-XAs薄层。
其中，所述衬底优选为GaAs衬底，其尺寸优先为2-6吋，例如为2吋、3吋、4吋或6吋，其次所述衬底优选为洁净的衬底，例如采用刚制备出的GaAs衬底，以保证后续AL2O3薄片制备的良率。
在具体实施时，可采用半导体外延生长技术在衬底的上表面外延交替生长AlXGa1-XAs薄层。优选地，AlXGa1-XAs薄层的层厚控制在5nm—10μm之间，从而使后续制备得到的AL2O3微悬臂梁的厚度保持在5nm—10μm之间，从而在厚度上达到纳米或者微米尺度。
其中，AlXGa1-XAs中的X值代表GaAs中被Al原子取代的Ga原子的百分数，在本实施例当中，AlXGa1-XAs中的X值优先在0.8-1之间，最优为X＝0.9，即在本步骤当中，可以通过半导体外延生长技术在衬底的上表面外延交替生长Al0.9Ga0.1As薄层。在具体实施时，所述的外延生长技术具体可以为MBE(Molecular Beam Epitaxy，分子束外延)或者MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)。
步骤S02，在所述AlXGa1-XAs薄层的上表面旋涂第一光刻胶，并通过第一光刻掩膜板对所述第一光刻胶进行曝光、显影，以将所述光刻掩膜板上的微悬臂梁图形转移到光刻胶表面，得到光刻胶微悬臂梁图形。
具体来说，第一光刻掩膜板上的微悬臂梁图形与最终制备得到的AL2O3微悬臂梁在图形上对应，其中，微悬臂梁图形可以是矩形、三角形等(从俯视角度看)。本步骤在具体实施时，基于光刻工艺原理，可以将第一光刻掩膜板置于第一光刻胶的上方，曝光源(如紫外线)从上往下照射第一光刻掩膜板，由于微悬臂梁图形会挡住光源，使得微悬臂梁图形下方的光刻胶不会被曝光，而其他部位的光刻胶则受光源曝光而逐渐显影掉，使得在曝光显影之后，AlXGa1-XAs薄层的上表面只留下形状与微悬臂梁图形对应的第一光刻胶，相当于将光刻掩膜板上的微悬臂梁图形转移到光刻胶表面，得到光刻胶微悬臂梁图形。
步骤S03，以所述光刻胶微悬臂梁图形为掩膜，对所述AlXGa1-XAs薄层和所述衬底进行刻蚀，并刻穿所述AlXGa1-XAs薄层且刻蚀部分所述衬底，刻蚀后去除剩余未被曝光、显影的第一光刻胶。
在具体实施时，可以采用ICP(Inductive Coupled Plasma)干法刻蚀工艺对AlXGa1-XAs薄层和衬底进行刻蚀。在进行ICP干法刻蚀时，以光刻胶微悬臂梁图形为掩膜，完全垂直刻穿AlXGa1-XAs薄层，同时刻蚀一定深度至衬底，且衬底的刻蚀深度大于AlXGa1-XAs薄层的厚度，刻蚀后去除剩余未被曝光、显影的第一光刻胶。其中，光刻胶微悬臂梁图形作为掩膜，可以对AlXGa1-XAs薄层和衬底进行保护，即保护光刻胶微悬臂梁图形下方的AlXGa1-XAs薄层和衬底在进行ICP干法刻蚀时不会被刻蚀掉。
其中，ICP干法刻蚀工艺的工艺参数包括：SiCL4/N2＝17sccm/16sccm。其中，SiCL4和N2混合构成ICP工艺的反应气氛，通过对SiCL4和N2的参数进行限定，即限定ICP工艺在特定的反应气氛中进行，以保证刻蚀的效率和良率。
步骤S04，将所述AlXGa1-XAs薄层氧化成Al2O3薄层。
在具体实施时，可以采用湿法氧化工艺将AlXGa1-XAs氧化成AL2O3，从而使AlXGa1- XAs薄层转化成为AL2O3薄层。
其中，所述湿法氧化工艺的工艺参数包括：温度在230-260℃之间、N2流量在9-11LM之间、以及H2O_N2流量在4.5-5.5LM之间。即在对AlXGa1-XAs薄层进行湿法氧化时，控制环境温度在230-260℃之间，优选为250℃，N2流量控制在10±1LM，H2O_N2流量控制在5±0.5LM，以使Al0.9Ga0.1As充分、高效转换为AL2O3。
步骤S05，在所述Al2O3薄层和所述衬底的上表面旋涂第二光刻胶，并通过第二光刻掩膜板对所述二光刻胶层进行曝光、显影，以显影掉所述Al2O3薄层一侧的第二光刻胶，以在所述Al2O3薄层一侧开设窗口。
其中，本步骤跟步骤S02一样，都是基于光刻工艺原理，利用第二光刻掩膜板的图像对第二光刻胶进行定向显影，使得在曝光显影后Al2O3薄层一侧形成一窗口，以在窗口处暴露出Al2O3薄层和衬底的侧壁，以用于后续的侧向湿法腐蚀工艺。而未被曝光显影掉的第二光刻胶将对Al2O3薄层和衬底形成保护，以避免这些部位被后续侧向腐蚀工艺腐蚀掉。
步骤S06，从所述窗口处侧向选择性腐蚀掉所述Al2O3薄层下部的部分衬底材料，腐蚀后去除剩余未被显影的第二光刻胶，得到AL2O3微悬臂梁。
在具体实施时，可以采用侧向湿法腐蚀工艺对微尺度的Al2O3薄层和衬底进行选择性湿法腐蚀，腐蚀掉部分Al2O3薄层下部的GaAs材料，释放出AL2O3微悬臂梁，去掉光刻胶，得到AL2O3微悬臂梁结构。
具体地，所述侧向湿法腐蚀工艺所采用的腐蚀液体中包含50％柠檬酸和H2O2，其中，50％柠檬酸和H2O2的体积比为：50％柠檬酸：H2O2＝2:1。
综上，本实施例当中的微悬臂梁的制备方法，通过提出一种制备AL2O3微悬臂梁的方法，以制备得到以Al2O3作为材料的微悬臂梁结构，由于Al2O3材料的性能优良且具有特殊二维片状结构，并且具有适中的表面活性，同时比硅基材料更好吸附力，能够有效提升微悬臂梁的性能和灵敏性。同时，还以GaAs作为衬底材料，GaAs属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，它具有一些优于硅的性能，能够进一步提升微悬臂梁的性能和灵敏性，同时还有利于半导体激光器和微悬臂梁的集成制造。将为微悬臂梁传感器的微型化开发提供了一种新的可行方法和途径。
其中，上述步骤S01-S06各自所得到的产物如图2中步骤标号对应的图形中所示。但需要说明的是，图2仅仅是本实施的一种示例，主要作用还是为了给出示意图便于理解，并不作为对实际产物的限定，基于图2所延伸出的其它符合本发明精神的图形结构依然属于本发明的保护范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种微悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底，并在所述衬底的上表面外延生长AlXGa1-XAs薄层；
在所述AlXGa1-XAs薄层的上表面旋涂第一光刻胶，并通过第一光刻掩膜板对所述第一光刻胶进行曝光、显影，以将所述光刻掩膜板上的微悬臂梁图形转移到光刻胶表面，得到光刻胶微悬臂梁图形；
以所述光刻胶微悬臂梁图形为掩膜，对所述AlXGa1-XAs薄层和所述衬底进行刻蚀，并刻穿所述AlXGa1-XAs薄层且刻蚀部分所述衬底，刻蚀后去除剩余未被曝光、显影的第一光刻胶；
将所述AlXGa1-XAs薄层氧化成Al2O3薄层；
在所述Al2O3薄层和所述衬底的上表面旋涂第二光刻胶，并通过第二光刻掩膜板对所述第二光刻胶进行曝光、显影，以显影掉所述Al2O3薄层一侧的第二光刻胶，以在所述Al2O3薄层一侧开设窗口；
从所述窗口处侧向选择性腐蚀掉所述Al2O3薄层下部的部分衬底材料，腐蚀后去除剩余未被显影的第二光刻胶，得到AL2O3微悬臂梁。
2.根据权利要求1所述的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述AlXGa1-XAs薄层的厚度为5nm-10μm，所述AlXGa1-XAs薄层中的X值在0.8-1之间。
3.根据权利要求1或2所述的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述衬底的刻蚀深度大于所述AlXGa1-XAs薄层的厚度。
4.根据权利要求1所述的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，采用ICP干法刻蚀工艺对所述AlXGa1-XAs薄层和所述衬底进行刻蚀。
5.根据权利要求4所述的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述ICP干法刻蚀工艺的工艺参数包括：SiCL4/N2＝17sccm/16sccm。
6.根据权利要求1所述的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，采用湿法氧化工艺将所述AlXGa1-XAs薄层氧化成Al2O3薄层。
7.根据权利要求6所述的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述湿法氧化工艺的工艺参数包括：温度在230-260℃之间、N2流量在9-11LM之间、以及H2O_N2流量在4.5-5.5LM之间。
8.根据权利要求1所述的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，采用侧向湿法腐蚀工艺来腐蚀所述Al2O3薄层下部的部分衬底材料。
9.根据权利要求8所述的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述侧向湿法腐蚀工艺所采用的腐蚀液体中包含50％柠檬酸和H2O2，其中，50％柠檬酸和H2O2的体积比为：50％柠檬酸：H2O2＝2:1。
10.根据权利要求1所述的微悬臂梁的制备方法，其特征在于，所述衬底为GaAs衬底。
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