專利名稱：基于soi材料的復(fù)雜nems結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種NEMS結(jié)構(gòu)的制作方法，尤其是一種基于SOI材料的復(fù)雜 NEMS結(jié)構(gòu)的制作方法。
背景技術(shù)：
NEMS(nano-electro-mechanical-system,即納米機電系統(tǒng))技術(shù)是90年代 末基于MEMS (micro-electro-mechanical-system,即微米機電系統(tǒng))技術(shù)而提出 的一個新概念，是指系統(tǒng)特征尺寸和效應(yīng)上具有納米技術(shù)特點的一類超小型機 電一體的系統(tǒng)。 一般指特征尺寸在亞納米到數(shù)百納米，以納米級結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的 新效應(yīng)(量子效應(yīng)、界面效應(yīng)和納米尺度效應(yīng))為工作特征的器件和系統(tǒng)。
NEMS有許多特有的性能(1)超小質(zhì)量NEMS器件的有效質(zhì)量在a克(10 _18g )量級；(2 )超高頻率NEMS器件的機械諧振頻率可以高達10GHz (10"Hz ) 的微波范圍；(3 )超低功耗NEMS器件的功耗很小，其熱損耗也在a瓦(10—1SW)， 基于NEMS技術(shù)的信號處理器或者計算機系統(tǒng)所消耗的能量只有l(wèi)pW,這比當(dāng)前 同等計算能力的計算機系統(tǒng)消耗的能量少了 6個數(shù)量級；(4)超高靈敏度NEMS 器件的力靈敏度在10-18牛頓級，質(zhì)量靈敏度達單個分子級水平；(5)高Q值 NEMS器件的機械品質(zhì)因數(shù)在數(shù)萬以上，這大大超出了電諧振器目前的水平。對 信號處理器件來說，較高的Q值會直接帶來較低的插入損耗；(6)超低熱容量 NEMS器件的熱容量大大低于"幺(l(T)卡"。這些優(yōu)越的特性決定了 NEMS器件 誘人的應(yīng)用前景，從宏觀到微觀，從醫(yī)藥技術(shù)到生命科學(xué)，從制造業(yè)到信息通 訊等等。新的NEMS器件可以對諸如傳感器，醫(yī)療診斷，顯示和數(shù)據(jù)存儲等產(chǎn)生 革命性的影響，將促使信息技術(shù)、醫(yī)療健康、環(huán)境能源、航空航天和國防等各 個領(lǐng)域的技術(shù)進步取得突破性的發(fā)展。隨著對NEMS技術(shù)研究的不斷深入，其應(yīng) 用領(lǐng)域還會逐漸擴大。由于小尺度下產(chǎn)生的 一些新的物理特性將影響器件的操
3作方式和制造手段，因此NEMS對制備技術(shù)提出了更高的要求?？芍貜?fù)的、批量 化的NEMS結(jié)構(gòu)加工技術(shù)是NEMS技術(shù)實用化的關(guān)鍵。
NEMS制造技術(shù)目前主要有兩種途徑。 一種是由小到大(Bottom—up)的途 徑，利用分子原子組裝技術(shù)，把具有某種性質(zhì)的功能分子、原子，借助內(nèi)部作 用力，精密地構(gòu)成納米尺度的分子線、分子膜和其他結(jié)構(gòu)，再由納米結(jié)構(gòu)與功 能單元集成為NEMS,這種加工技術(shù)可以實現(xiàn)很多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的NEMS器件加工，是 目前納米材料領(lǐng)域普遍采用的技術(shù)，但是這種加工技術(shù)難度較大、可重復(fù)性較 差、目前較難實現(xiàn)批量生產(chǎn)。
另一種是由大到小(Top—down)的途徑，這種技術(shù)與現(xiàn)在的微電子和MEMS 加工技術(shù)類似，主要是利用電子束等超精密光刻技術(shù)、電子束蒸發(fā)等納米厚度 薄膜生長技術(shù)以及高精密濕法腐蝕和高精密各向異性干法刻蝕等技術(shù)進行加 工，這種技術(shù)與微電子、納電子電路制造技術(shù)兼容，易于實現(xiàn)系統(tǒng)集成和批量 化生產(chǎn)，是目前NEMS加工技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種在SOI材料上實現(xiàn)復(fù)雜NEMS結(jié)構(gòu)的 制造方法，該方法工藝簡單、加工精度高，能實現(xiàn)重復(fù)、批量生產(chǎn)。
為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是 一種基于SOI材料的復(fù)雜 NEMS結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟
1) SOI材料的頂層硅片采用熱氧化方法氧化，生成二氧化硅，減薄硅片厚度，
2) 利用光刻和濕法腐蝕方法將二氧化硅上焊盤、布線以及電子束對位標(biāo)記 對應(yīng)區(qū)域的二氧化石圭腐蝕掉，
3) 將步驟2)生成的區(qū)域采用磁控'減射方法生成金屬層，并剝離出焊盤、 布線以及電子束對位標(biāo)記，
4) 采用電子束光刻和濕法腐蝕方法將NEMS結(jié)構(gòu)圖形區(qū)域的二氧化硅腐蝕 掉，使NEMS結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到頂層硅片上，
5) 采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕方法將NEMS結(jié)構(gòu)圖形對應(yīng)區(qū)域的硅片刻蝕掉，形成NEMS結(jié)構(gòu)，
6)采用HF腐蝕NEMS結(jié)構(gòu)下SOI材料上的二氧化硅犧牲層，采用二氧化碳 超臨界萃取方法釋》丈NEMS結(jié)構(gòu)，完成制作。
所述步驟1)熱氧化方法采用的是濕氧，將SOI材料置于105(TC下的濕氧 環(huán)境中進行雙面熱氧化。
采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于本發(fā)明采用由大到小(Top— down)的途徑在SOI材料上實現(xiàn)NEMS結(jié)構(gòu)，符合目前NEMS加工技術(shù)的主要發(fā) 展趨勢，具有加工定位準(zhǔn)確、加工精度高、可批量、重復(fù)制備的特點，對于所 能加工的NEMS結(jié)構(gòu)不受晶向限制，能加工出任意形狀的NEMS結(jié)構(gòu)。


圖1是本發(fā)明SOI材料結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明SOI材料氧化后的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明圖2結(jié)構(gòu)經(jīng)光刻腐蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明圖3濺射金屬后的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明圖4結(jié)構(gòu)經(jīng)電子束光刻腐蝕NEMS圖形到頂層珪片上后的結(jié)構(gòu) 示意圖6是本發(fā)明圖5結(jié)構(gòu)經(jīng)刻蝕NEMS圖形后的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是本發(fā)明圖6腐蝕犧牲層、釋放NEMS結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細(xì)描述
本發(fā)明采用Top—down的途徑，在薄層SOI ( Si 1 icon-0n-lnsulator，即絕 緣襯底上的硅)材料上加工出NEMS結(jié)構(gòu)。采用頂層硅片作為NEMS結(jié)構(gòu)層，通 過熱氧化方式減薄頂層硅片以控制NEMS結(jié)構(gòu)層厚度，采用光刻、誠射方法在頂 層硅片上實現(xiàn)金屬布線，采用電子束光刻、干法刻蝕技術(shù)在頂層硅片上實現(xiàn)NEMS 結(jié)構(gòu)，采用埋層二氧化>法作為犧牲層，采用HF腐蝕二氧化^眭犧牲層，采用二氧 化碳超臨界萃取方法實現(xiàn)NEMS結(jié)構(gòu)的釋放。具體地說，其包括以下步驟材料準(zhǔn)備根據(jù)NEMS結(jié)構(gòu)要求選擇薄層SOI材料，包括頂層硅片1，中間 二氧化硅犧牲層2,底層硅片3;如圖1所示。其具體參數(shù)為二氧化硅犧牲層2 厚度3780 A 、頂層硅片1為P型、<100>晶向、厚度為801A。
頂層硅片減薄采用熱氧化方法進行雙面濕氧熱氧化，減薄頂層硅片1的 厚度。將SOI材料置于105(TC左右的濕氧中，生成500A的二氧化硅層4，其結(jié) 構(gòu)如圖2所示。
光刻利用光刻方法將金屬焊盤、布線以及電子束對位標(biāo)記的圖形6轉(zhuǎn)移 到頂層硅片l上，在生成的二氧化硅層4頂層涂敷光刻膠5，光刻出圖形6，再 利用濕法腐蝕技術(shù)將圖形6區(qū)域暴露出的二氧化硅腐蝕干凈，所得到的結(jié)構(gòu)如 圖3所示。
濺射剝離采用磁控濺射方法在圖3的腐蝕掉二氧化硅的圖形6區(qū)域利用 磁控濺射方法生成金屬層，金屬層金屬分別為鉻200 A、金300 A,而后利用 剝離方法剝離掉無用的材料，生成金屬焊盤、布線以及電子束對位標(biāo)記，所得
到的結(jié)構(gòu)如圖4所示:a
電子束光刻利用電子束光刻方法將NEMS結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到經(jīng)'減射剝離后的 圖4的上，即SOI材料的頂層硅片1上。首先涂敷電子束光刻膠層7,將NEMS 結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到二氧化硅層4上，再利用濕法腐蝕方法將NEMS圖形區(qū)域?qū)?yīng)的 二氧化硅腐蝕干凈，得到頂層硅片NEMS結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
高深寬比刻蝕利用感應(yīng)耦合等離子(ICP)刻蝕方法將圖5中NEMS結(jié)構(gòu) 對應(yīng)區(qū)域的頂層硅片1上刻蝕出NEMS結(jié)構(gòu)，所得到的結(jié)構(gòu)如圖6所示。
NEMS結(jié)構(gòu)釋放將所得圖6結(jié)構(gòu)材料采用摩爾濃度37 %的HF,在42。C腐 蝕NEMS結(jié)構(gòu)下方的二氧化硅犧牲層2,采用二氧化碳超臨界萃取技術(shù)釋放NEMS 結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中所選擇的SOI材料可以根椐需要加工的NEMS結(jié)構(gòu)對晶向、厚度等 方面的要求自由選擇(IC工業(yè)的多年高速發(fā)展使我們目前可以得到高純度、低 晶格缺陷的SOI圓片，表面硅層厚度可以精確控制到50nm-100nm之間)；生長的氧化層(二氧化硅)的厚度根據(jù)NEMS結(jié)構(gòu)對厚度的要求決定，在氧化過程中 每生長lOOnm 二氧化硅層會消耗約45nm的單晶硅層，實際形成的NEMS結(jié)構(gòu)厚 度等于SOI頂層硅片厚度與氧化所消耗的單晶硅層厚度之差，因此可以通過控 制二氧化硅層厚度來精確控制NEMS結(jié)構(gòu)的厚度。
本發(fā)明方法符合目前NEMS加工技術(shù)的主要發(fā)展趨勢，加工定位準(zhǔn)確、加工 精度高，可批量、重復(fù)制備，其熱氧化方法能夠精確控制縱向結(jié)構(gòu)精度，能精 確控制NEMS結(jié)構(gòu)的厚度；電子束光刻與干法刻蝕方法能夠精確控制橫向結(jié)構(gòu)精 度，能夠精確控制NEMS結(jié)構(gòu)的橫向結(jié)構(gòu)尺寸，對于所能加工的NEMS結(jié)構(gòu)不受 晶向限制，可加工出任意形狀的NEMS結(jié)構(gòu)。本發(fā)明基于SOI材料的制作工藝?yán)?念還可用于實現(xiàn)NEMS器件與基于SOI的微電子電路和納電子電路的系統(tǒng)集成。
權(quán)利要求
1、一種基于SOI材料的復(fù)雜NEMS結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟1)SOI材料的頂層硅片采用熱氧化方法氧化，生成二氧化硅，減薄硅片厚度，2)利用光刻和濕法腐蝕方法將二氧化硅上焊盤、布線以及電子束對位標(biāo)記對應(yīng)區(qū)域的二氧化硅腐蝕掉，3)將步驟2)生成的區(qū)域采用磁控濺射方法生成金屬層，并剝離出焊盤、布線以及電子束對位標(biāo)記，4)采用電子束光刻和濕法腐蝕方法將NEMS結(jié)構(gòu)圖形區(qū)域的二氧化硅腐蝕掉，使NEMS結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到頂層硅片上，5)采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕方法將NEMS結(jié)構(gòu)圖形對應(yīng)區(qū)域的硅片刻蝕掉，形成NEMS結(jié)構(gòu)，6)采用HF腐蝕NEMS結(jié)構(gòu)下SOI材料上的二氧化硅犧牲層，采用二氧化碳超臨界萃取方法釋放NEMS結(jié)構(gòu)，完成制作。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SOI材料的復(fù)雜NEMS結(jié)構(gòu)的制作方法，其 特征在于所述步驟1)熱氧化方法采用的是濕氧，將SOI材料置于1050。C下的 濕氧環(huán)境中進行雙面熱氧化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于SOI材料的復(fù)雜NEMS結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟1)SOI材料的頂層硅片采用熱氧化方法氧化，減薄硅片厚度，2)利用光刻和濕法腐蝕方法將二氧化硅上焊盤、布線以及電子束對位標(biāo)記對應(yīng)區(qū)域的二氧化硅腐蝕掉，3)采用磁控濺射方法生成金屬層，并剝離出焊盤、布線以及電子束對位標(biāo)記，4)采用電子束光刻和濕法腐蝕方法將NEMS結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到頂層硅片上，5)采用感應(yīng)耦合等離子刻蝕方法將NEMS結(jié)構(gòu)圖形對應(yīng)區(qū)域的硅片刻蝕掉，形成NEMS結(jié)構(gòu)，6)采用HF腐蝕NEMS結(jié)構(gòu)下SOI材料上的二氧化硅犧牲層，采用二氧化碳超臨界萃取方法釋放NEMS結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有加工定位準(zhǔn)確、加工精度高、可批量、重復(fù)制備的特點。
文檔編號B82B3/00GK101525117SQ200910074200
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月21日
發(fā)明者楊擁軍, 蓉 羅 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所