專利名稱：基于干法刻蝕和濕法腐蝕工藝制備硅納米結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特殊納米結(jié)構(gòu)的制備。具體而言，涉及一種結(jié)合干法刻蝕和濕法腐蝕工藝來制備特殊形狀納米結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
納米結(jié)構(gòu)的制備一直是微細加工領(lǐng)域中的一個重要課題，尤其是在微/納機電系統(tǒng)中尤為重要。微/納機電系統(tǒng)是利用電磁理論、經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、量子力學(xué)以及分子動力學(xué)等物理原理構(gòu)建的微/納米尺寸器件的系統(tǒng)，即在電路上加入納米薄膜、梁、彈簧等機械元件以實現(xiàn)對環(huán)境進行感知、決策和控制的能力。就微機電系統(tǒng)(MEMS)而言，已經(jīng)有壓力傳感器、加速度計和微機械陀螺等產(chǎn)品；納系統(tǒng)(NEMS)的關(guān)鍵尺寸從幾納米到幾百納米，其性質(zhì)受量子力學(xué)等微觀理論的主導(dǎo)?；诩{米尺度下的一些特有效應(yīng)，例如小尺寸效應(yīng)和界面效應(yīng)，在不改變物質(zhì)化學(xué)組成的情況下可以控制其某些基本特性(顏色、導(dǎo)電性等)。因此納系統(tǒng)研究中，新性質(zhì)、新效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和利用將是關(guān)鍵，而新的微細加工制造技術(shù)和加工方法則是實現(xiàn)制備納系統(tǒng)的基本前提。
各向異性濕法腐蝕的原理是利用在一定的腐蝕液中硅的腐蝕速度強烈依賴于其暴露在腐蝕液中的表面的晶向，即(100)＞＞(111)。然而，結(jié)構(gòu)的細化對于微/納系統(tǒng)的進一步研究有著重要的意思，例如將懸臂梁的基底設(shè)計為三角形，也可以將懸臂設(shè)計為傾斜的而不是單一平行于表面的。
現(xiàn)有腐蝕技術(shù)中腐蝕溶液的選擇上，作為重要的陽性型光致刻蝕劑的顯像劑的TMAH，由于不殘留微量的電導(dǎo)性雜質(zhì)，在電子行業(yè)可用作硅片的各向異性腐蝕劑。TMAH較KOH各向異性腐蝕劑有較多的優(yōu)勢。在腐蝕速率上，90℃溫度的TMAH(25％)的腐蝕平均速率可達到900nm/min，接近KOH的腐蝕速率；同時，TMAH對SiO2和Si3N4的腐蝕速率更低，TMAH腐蝕中SiO2和Si3N4是很好的掩模材料；最重要的是，TMAH不含金屬離子，與CMOS工藝兼容性好，符合MEMS/NEMS的發(fā)展趨勢——系統(tǒng)芯片(SOC)。鑒于以上優(yōu)點，TMAH正逐漸地取代KOH。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一類納米結(jié)構(gòu)的一種制備方法。本發(fā)明基于電子束直寫工藝和光學(xué)光刻，利用硅各向異性濕法腐蝕的特點，通過調(diào)整濕法腐蝕前干法刻蝕工藝刻蝕的深度和角度實現(xiàn)特殊納米結(jié)構(gòu)的制備。
硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法用于制備倒錐度支撐臂和傾斜懸臂梁的納米結(jié)構(gòu)。以(100)晶向的普通硅片或SOI(Silicon on Insulator)材料為襯底；表面淀積一層絕緣層作為掩膜；電子束直寫工藝或光學(xué)光刻在表面的電子束抗蝕劑或光刻膠上制備納米細線條結(jié)構(gòu)；顯影后進行干法刻蝕，將版形轉(zhuǎn)移到表層硅上；濕法去膠，再對表層硅進行各向異性濕法腐蝕；結(jié)合硅各向異性濕法腐蝕的特點，通過改變干法刻蝕的刻蝕深度和角度，以及濕法腐蝕的溫度和時間可以制備倒錐度支撐臂和傾斜懸臂梁的納米結(jié)構(gòu)。
所述納米結(jié)構(gòu)是微/納機電系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，如倒三角支撐結(jié)構(gòu)和傾斜懸臂梁結(jié)構(gòu)。
其中襯底包括普通硅片和SOI材料，晶向要求為(100)。對于SOI襯底，可以通過熱氧化和濕法腐蝕結(jié)合的方法進一步減薄表層硅的厚度。
其中光刻工藝包括光學(xué)光刻和電子束直寫。根據(jù)具體線條寬度要求的不同來選擇不同的光刻工藝，線寬在0.5微米以下尺寸的結(jié)構(gòu)一般采用電子束直寫工藝。
其中干法刻蝕是采用ICP反應(yīng)離子刻蝕，以CHF3/O2為反應(yīng)氣體，同時通過調(diào)整襯底相對刻蝕機托盤基底的角度控制硅材料被刻蝕的角度。
通過改變干法刻蝕的時間控制硅材料被刻蝕的深度，從而改變所設(shè)計結(jié)構(gòu)的某些特征尺寸，如倒三角支撐臂和傾斜懸臂梁的垂直高度。
其中濕法腐蝕是在一定溫度下采用各向異性濕法腐蝕液(例如TMAH腐蝕液)進行的，通過控制腐蝕的溫度和時間調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的某些特征尺寸，例如結(jié)構(gòu)的剖面寬度。
微/納系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的制備方法各異，本發(fā)明是結(jié)合電子束刻蝕、光學(xué)光刻、干法刻蝕和濕法腐蝕等基本的微細加工工藝技術(shù)。尤其是用干法刻蝕的方法刻蝕高深寬比的垂直結(jié)構(gòu)，用各向異性濕法腐蝕的方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的懸空。其中各向異性濕法腐蝕的原理是利用在一定的腐蝕液中硅的腐蝕速度強烈依賴于其暴露在腐蝕液中的表面的晶向，即(110)＞(100)＞＞(111)。然而，結(jié)構(gòu)的細化對于微/納系統(tǒng)的進一步研究有著重要的意思，例如將懸臂梁的基底設(shè)計為三角形，也可以將懸臂設(shè)計為傾斜的而不是單一平行于表面的。
本發(fā)明的特點是提出了一類納米結(jié)構(gòu)的制備方法。充分利用基于電子束直寫工藝和光學(xué)光刻和硅各向異性濕法腐蝕的特點，能精確和精細的實現(xiàn)特殊納米結(jié)構(gòu)的制備。
提供本發(fā)明的概述和目的是為了能夠揭示其本質(zhì)。通過參考本發(fā)明下列優(yōu)選實施方案，結(jié)合附圖，可以更充分地理解本發(fā)明。


圖1水平放置襯底情況下，結(jié)合干法刻蝕和濕法腐蝕所形成結(jié)構(gòu)的示意2倒三角支撐臂結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察照片圖3小角度傾斜放置襯底干法刻蝕后濕法腐蝕形成的結(jié)構(gòu)的示意4大角度傾斜放置襯底干法刻蝕后濕法腐蝕形成的結(jié)構(gòu)的示意5小角度傾斜懸臂結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察照片具體實施方式
下面將參照附圖詳述特殊納米結(jié)構(gòu)的制備，附圖中給出了本發(fā)明方法的示例性實施例；從對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的更具體描述中，參考上述附圖，本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)勢將很明顯，在不同的圖中相同的標號表示相同的部分。附圖不一定是按比例的，相反其重點在解釋本發(fā)明的方法上。在附圖中，為了清楚起見，放大了各層和區(qū)域的尺寸和和厚度。
圖1是本發(fā)明中實現(xiàn)倒三角支撐臂結(jié)構(gòu)的工藝流程圖，具體工藝中主要包括以下步驟在(100)硅片襯底上低壓化學(xué)氣象淀積一定厚度氮化硅薄膜；旋涂光刻膠，光學(xué)光刻細線條結(jié)構(gòu)，細線條的方向是(110)；將襯底水平放置進行干法刻蝕，硅刻蝕深度h的不同直接決定了三角支撐臂結(jié)構(gòu)的垂直高度；高溫下在硫酸和雙氧水中濕法去除光刻膠，然后在一定溫度下(溫度一般為60-90攝氏度)進行硅的各向異性濕法腐蝕工藝。從硅干法刻蝕的界面分成上下兩個三角形頂部相連的結(jié)構(gòu)，上面的倒三角形的高度即為干法刻蝕的深度。同時通過改變腐蝕時間(根據(jù)需要來進行，其腐蝕的速度一般為0.1mm/10min)?？梢钥刂迫侵伪劭v向腐蝕的深度d，即結(jié)構(gòu)的剖面寬度。三角形結(jié)構(gòu)的斜邊與平面的夾角即是(111)晶面和(110)晶面的夾角，為54.7°。圖2是三角支撐臂結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)示意圖。
圖3是本發(fā)明中實現(xiàn)傾斜懸臂結(jié)構(gòu)的工藝流程圖，具體工藝與三角支撐臂結(jié)構(gòu)類似，不同之處在于干法刻蝕的時候?qū)⒁r底傾斜一定角度放置，而傾斜角度α的大小決定了各向異性濕法腐蝕后最終結(jié)構(gòu)的剖面寬度，即該懸臂的垂直寬度。如圖3所示，當(dāng)刻蝕角度α大于54.7°，由于兩邊刻蝕深度的不同使得B點和D點有一定高度差(B點刻蝕深度h大于D點的深度)，從而濕法腐蝕后兩倒立三角之間會出現(xiàn)傾斜懸臂結(jié)構(gòu)，由于各向異性濕法腐蝕特性，傾斜結(jié)構(gòu)中將是從A點和C點沿A-B和C-D方向展開；對于刻蝕角度α小于54.7°的情況，如圖4所示，傾斜結(jié)構(gòu)將是從B點和C點分別沿B-A方向和C-D方向展開，而右半邊展開的深度是由C-E的寬度決定的，即分界面的深度h′由刻蝕角度和掩膜層厚度綜合決定。對于很薄的掩膜層，則可忽略C-E寬度，將近似出現(xiàn)單一傾斜懸臂結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，控制濕法腐蝕的時間同樣可以進一步改變其剖面寬度，在本實施例中用TMAH濕法腐蝕的時間為5-10min，溫度為70攝氏度。懸臂和平面的夾角則固定為54.7°。圖5則是硅片上小角度刻蝕方法制備的傾斜懸臂結(jié)構(gòu)的SEM示意圖，其中的插圖是另一樣品的傾斜懸臂結(jié)構(gòu)，從其中的M點和N點可以看出小角度刻蝕條件下左右兩邊刻蝕深度的不同以及濕法腐蝕后帶來的結(jié)構(gòu)差異。
權(quán)利要求
1.硅納米結(jié)構(gòu)的一種制備方法，其特征是以(100)晶向的普通硅片或SOI材料為襯底；表面淀積一層絕緣層作為掩膜；電子束直寫工藝或光學(xué)光刻在表面的電子束抗蝕劑或光刻膠上制備納米細線條結(jié)構(gòu)；顯影后進行干法刻蝕，將版形轉(zhuǎn)移到表層硅上；濕法去膠，再對表層硅進行各向異性濕法腐蝕；通過改變干法刻蝕的刻蝕深度和角度，以及濕法腐蝕的溫度和時間制備倒錐度支撐臂和傾斜懸臂梁的納米結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的硅納米結(jié)構(gòu)制備方法，其特征是其中納米結(jié)構(gòu)主要是微/納機電系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，即倒三角支撐結(jié)構(gòu)和傾斜懸臂梁結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的硅納米結(jié)構(gòu)制備方法，其特征是其中襯底包括普通硅片和SOI材料，晶向要求為(100)；對于SOI襯底，并通過熱氧化和濕法腐蝕結(jié)合的方法進一步減薄表層硅的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的硅納米結(jié)構(gòu)制備方法，其特征是其中光刻工藝包括光學(xué)光刻和/或電子束直寫。根據(jù)具體線條寬度要求的不同來選擇不同的光刻工藝，線寬在0.5微米以下尺寸的結(jié)構(gòu)采用電子束直寫工藝。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的硅納米結(jié)構(gòu)制備方法，其特征是其中干法刻蝕是采用ICP反應(yīng)離子刻蝕，以CHF3/O2為反應(yīng)氣體，通過調(diào)整襯底相對刻蝕機托盤基底的角度控制硅材料被刻蝕的角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的硅納米結(jié)構(gòu)制備方法，其特征是通過改變干法刻蝕的時間控制硅材料被刻蝕的深度，從而改變所設(shè)計結(jié)構(gòu)的某些特征尺寸，例如倒三角支撐臂和傾斜懸臂梁的垂直高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的硅納米結(jié)構(gòu)制備方法，其特征是其中濕法腐蝕是在一定溫度下采用各向異性濕法腐蝕液進行的，通過控制腐蝕的溫度和時間調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的某些特征尺寸，例如結(jié)構(gòu)的剖面寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的硅納米結(jié)構(gòu)制備方法，其特征是傾斜角度α的大小決定了各向異性濕法腐蝕后最終結(jié)構(gòu)的剖面寬度，即該懸臂的垂直寬度。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的硅納米結(jié)構(gòu)制備方法，其特征是當(dāng)刻蝕角度α大于54.7°，濕法腐蝕后兩倒立三角之間會出現(xiàn)傾斜懸臂結(jié)構(gòu)。
全文摘要
基于干法刻蝕和濕法腐蝕工藝制備硅納米結(jié)構(gòu)的方法，以(001)晶向的普通硅片或SOI材料為襯底；表面淀積一層絕緣層作為掩膜；電子束直寫工藝或光學(xué)光刻在表面的電子束抗蝕劑或光刻膠上制備納米細線條結(jié)構(gòu)；顯影后進行干法刻蝕，將版形轉(zhuǎn)移到表層硅上；濕法去膠(硫酸加雙氧水)，再對表層硅進行各向異性濕法腐蝕；通過改變干法刻蝕的刻蝕深度和角度，以及濕法腐蝕的溫度和時間制備倒錐度支撐臂和傾斜懸臂梁的納米結(jié)構(gòu)。
文檔編號B82B3/00GK101041414SQ20061004080
公開日2007年9月26日 申請日期2006年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月25日
發(fā)明者施毅, 陳杰智, 濮林, 鄭有炓, 龍世兵, 劉明 申請人:南京大學(xué)