专利名称：基于干法刻蚀和湿法腐蚀工艺制备硅纳米结构的方法
技术领域：
本发明涉及特殊纳米结构的制备。具体而言，涉及一种结合干法刻蚀和湿法腐蚀工艺来制备特殊形状纳米结构的方法。
背景技术：
纳米结构的制备一直是微细加工领域中的一个重要课题，尤其是在微/纳机电系统中尤为重要。微/纳机电系统是利用电磁理论、经典力学、热力学、量子力学以及分子动力学等物理原理构建的微/纳米尺寸器件的系统，即在电路上加入纳米薄膜、梁、弹簧等机械元件以实现对环境进行感知、决策和控制的能力。就微机电系统(MEMS)而言，已经有压力传感器、加速度计和微机械陀螺等产品；纳系统(NEMS)的关键尺寸从几纳米到几百纳米，其性质受量子力学等微观理论的主导。基于纳米尺度下的一些特有效应，例如小尺寸效应和界面效应，在不改变物质化学组成的情况下可以控制其某些基本特性(颜色、导电性等)。因此纳系统研究中，新性质、新效应的发现和利用将是关键，而新的微细加工制造技术和加工方法则是实现制备纳系统的基本前提。
各向异性湿法腐蚀的原理是利用在一定的腐蚀液中硅的腐蚀速度强烈依赖于其暴露在腐蚀液中的表面的晶向，即(100)＞＞(111)。然而，结构的细化对于微/纳系统的进一步研究有着重要的意思，例如将悬臂梁的基底设计为三角形，也可以将悬臂设计为倾斜的而不是单一平行于表面的。
现有腐蚀技术中腐蚀溶液的选择上，作为重要的阳性型光致刻蚀剂的显像剂的TMAH，由于不残留微量的电导性杂质，在电子行业可用作硅片的各向异性腐蚀剂。TMAH较KOH各向异性腐蚀剂有较多的优势。在腐蚀速率上，90℃温度的TMAH(25％)的腐蚀平均速率可达到900nm/min，接近KOH的腐蚀速率；同时，TMAH对SiO2和Si3N4的腐蚀速率更低，TMAH腐蚀中SiO2和Si3N4是很好的掩模材料；最重要的是，TMAH不含金属离子，与CMOS工艺兼容性好，符合MEMS/NEMS的发展趋势——系统芯片(SOC)。鉴于以上优点，TMAH正逐渐地取代KOH。
发明内容
本发明提供一类纳米结构的一种制备方法。本发明基于电子束直写工艺和光学光刻，利用硅各向异性湿法腐蚀的特点，通过调整湿法腐蚀前干法刻蚀工艺刻蚀的深度和角度实现特殊纳米结构的制备。
硅纳米结构的制备方法用于制备倒锥度支撑臂和倾斜悬臂梁的纳米结构。以(100)晶向的普通硅片或SOI(Silicon on Insulator)材料为衬底；表面淀积一层绝缘层作为掩膜；电子束直写工艺或光学光刻在表面的电子束抗蚀剂或光刻胶上制备纳米细线条结构；显影后进行干法刻蚀，将版形转移到表层硅上；湿法去胶，再对表层硅进行各向异性湿法腐蚀；结合硅各向异性湿法腐蚀的特点，通过改变干法刻蚀的刻蚀深度和角度，以及湿法腐蚀的温度和时间可以制备倒锥度支撑臂和倾斜悬臂梁的纳米结构。
所述纳米结构是微/纳机电系统的支撑结构，如倒三角支撑结构和倾斜悬臂梁结构。
其中衬底包括普通硅片和SOI材料，晶向要求为(100)。对于SOI衬底，可以通过热氧化和湿法腐蚀结合的方法进一步减薄表层硅的厚度。
其中光刻工艺包括光学光刻和电子束直写。根据具体线条宽度要求的不同来选择不同的光刻工艺，线宽在0.5微米以下尺寸的结构一般采用电子束直写工艺。
其中干法刻蚀是采用ICP反应离子刻蚀，以CHF3/O2为反应气体，同时通过调整衬底相对刻蚀机托盘基底的角度控制硅材料被刻蚀的角度。
通过改变干法刻蚀的时间控制硅材料被刻蚀的深度，从而改变所设计结构的某些特征尺寸，如倒三角支撑臂和倾斜悬臂梁的垂直高度。
其中湿法腐蚀是在一定温度下采用各向异性湿法腐蚀液(例如TMAH腐蚀液)进行的，通过控制腐蚀的温度和时间调节结构的某些特征尺寸，例如结构的剖面宽度。
微/纳系统结构的制备方法各异，本发明是结合电子束刻蚀、光学光刻、干法刻蚀和湿法腐蚀等基本的微细加工工艺技术。尤其是用干法刻蚀的方法刻蚀高深宽比的垂直结构，用各向异性湿法腐蚀的方法实现结构的悬空。其中各向异性湿法腐蚀的原理是利用在一定的腐蚀液中硅的腐蚀速度强烈依赖于其暴露在腐蚀液中的表面的晶向，即(110)＞(100)＞＞(111)。然而，结构的细化对于微/纳系统的进一步研究有着重要的意思，例如将悬臂梁的基底设计为三角形，也可以将悬臂设计为倾斜的而不是单一平行于表面的。
本发明的特点是提出了一类纳米结构的制备方法。充分利用基于电子束直写工艺和光学光刻和硅各向异性湿法腐蚀的特点，能精确和精细的实现特殊纳米结构的制备。
提供本发明的概述和目的是为了能够揭示其本质。通过参考本发明下列优选实施方案，结合附图，可以更充分地理解本发明。
图1水平放置衬底情况下，结合干法刻蚀和湿法腐蚀所形成结构的示意2倒三角支撑臂结构的扫描电子显微镜(SEM)观察照片图3小角度倾斜放置衬底干法刻蚀后湿法腐蚀形成的结构的示意4大角度倾斜放置衬底干法刻蚀后湿法腐蚀形成的结构的示意5小角度倾斜悬臂结构的扫描电子显微镜(SEM)观察照片具体实施方式
下面将参照附图详述特殊纳米结构的制备，附图中给出了本发明方法的示例性实施例；从对本发明的优选实施方式的更具体描述中，参考上述附图，本发明的前述和其它目的、特征和优势将很明显，在不同的图中相同的标号表示相同的部分。附图不一定是按比例的，相反其重点在解释本发明的方法上。在附图中，为了清楚起见，放大了各层和区域的尺寸和和厚度。
图1是本发明中实现倒三角支撑臂结构的工艺流程图，具体工艺中主要包括以下步骤在(100)硅片衬底上低压化学气象淀积一定厚度氮化硅薄膜；旋涂光刻胶，光学光刻细线条结构，细线条的方向是(110)；将衬底水平放置进行干法刻蚀，硅刻蚀深度h的不同直接决定了三角支撑臂结构的垂直高度；高温下在硫酸和双氧水中湿法去除光刻胶，然后在一定温度下(温度一般为60-90摄氏度)进行硅的各向异性湿法腐蚀工艺。从硅干法刻蚀的界面分成上下两个三角形顶部相连的结构，上面的倒三角形的高度即为干法刻蚀的深度。同时通过改变腐蚀时间(根据需要来进行，其腐蚀的速度一般为0.1mm/10min)。可以控制三角支撑臂纵向腐蚀的深度d，即结构的剖面宽度。三角形结构的斜边与平面的夹角即是(111)晶面和(110)晶面的夹角，为54.7°。图2是三角支撑臂结构的扫描电子显微镜(SEM)示意图。
图3是本发明中实现倾斜悬臂结构的工艺流程图，具体工艺与三角支撑臂结构类似，不同之处在于干法刻蚀的时候将衬底倾斜一定角度放置，而倾斜角度α的大小决定了各向异性湿法腐蚀后最终结构的剖面宽度，即该悬臂的垂直宽度。如图3所示，当刻蚀角度α大于54.7°，由于两边刻蚀深度的不同使得B点和D点有一定高度差(B点刻蚀深度h大于D点的深度)，从而湿法腐蚀后两倒立三角之间会出现倾斜悬臂结构，由于各向异性湿法腐蚀特性，倾斜结构中将是从A点和C点沿A-B和C-D方向展开；对于刻蚀角度α小于54.7°的情况，如图4所示，倾斜结构将是从B点和C点分别沿B-A方向和C-D方向展开，而右半边展开的深度是由C-E的宽度决定的，即分界面的深度h′由刻蚀角度和掩膜层厚度综合决定。对于很薄的掩膜层，则可忽略C-E宽度，将近似出现单一倾斜悬臂结构。当然，控制湿法腐蚀的时间同样可以进一步改变其剖面宽度，在本实施例中用TMAH湿法腐蚀的时间为5-10min，温度为70摄氏度。悬臂和平面的夹角则固定为54.7°。图5则是硅片上小角度刻蚀方法制备的倾斜悬臂结构的SEM示意图，其中的插图是另一样品的倾斜悬臂结构，从其中的M点和N点可以看出小角度刻蚀条件下左右两边刻蚀深度的不同以及湿法腐蚀后带来的结构差异。
权利要求
1.硅纳米结构的一种制备方法，其特征是以(100)晶向的普通硅片或SOI材料为衬底；表面淀积一层绝缘层作为掩膜；电子束直写工艺或光学光刻在表面的电子束抗蚀剂或光刻胶上制备纳米细线条结构；显影后进行干法刻蚀，将版形转移到表层硅上；湿法去胶，再对表层硅进行各向异性湿法腐蚀；通过改变干法刻蚀的刻蚀深度和角度，以及湿法腐蚀的温度和时间制备倒锥度支撑臂和倾斜悬臂梁的纳米结构。
2.根据权利要求1的硅纳米结构制备方法，其特征是其中纳米结构主要是微/纳机电系统的支撑结构，即倒三角支撑结构和倾斜悬臂梁结构。
3.根据权利要求1的硅纳米结构制备方法，其特征是其中衬底包括普通硅片和SOI材料，晶向要求为(100)；对于SOI衬底，并通过热氧化和湿法腐蚀结合的方法进一步减薄表层硅的厚度。
4.根据权利要求1的硅纳米结构制备方法，其特征是其中光刻工艺包括光学光刻和/或电子束直写。根据具体线条宽度要求的不同来选择不同的光刻工艺，线宽在0.5微米以下尺寸的结构采用电子束直写工艺。
5.根据权利要求1的硅纳米结构制备方法，其特征是其中干法刻蚀是采用ICP反应离子刻蚀，以CHF3/O2为反应气体，通过调整衬底相对刻蚀机托盘基底的角度控制硅材料被刻蚀的角度。
6.根据权利要求1的硅纳米结构制备方法，其特征是通过改变干法刻蚀的时间控制硅材料被刻蚀的深度，从而改变所设计结构的某些特征尺寸，例如倒三角支撑臂和倾斜悬臂梁的垂直高度。
7.根据权利要求1的硅纳米结构制备方法，其特征是其中湿法腐蚀是在一定温度下采用各向异性湿法腐蚀液进行的，通过控制腐蚀的温度和时间调节结构的某些特征尺寸，例如结构的剖面宽度。
8.根据权利要求5的硅纳米结构制备方法，其特征是倾斜角度α的大小决定了各向异性湿法腐蚀后最终结构的剖面宽度，即该悬臂的垂直宽度。
9.根据权利要求5的硅纳米结构制备方法，其特征是当刻蚀角度α大于54.7°，湿法腐蚀后两倒立三角之间会出现倾斜悬臂结构。
全文摘要
基于干法刻蚀和湿法腐蚀工艺制备硅纳米结构的方法，以(001)晶向的普通硅片或SOI材料为衬底；表面淀积一层绝缘层作为掩膜；电子束直写工艺或光学光刻在表面的电子束抗蚀剂或光刻胶上制备纳米细线条结构；显影后进行干法刻蚀，将版形转移到表层硅上；湿法去胶(硫酸加双氧水)，再对表层硅进行各向异性湿法腐蚀；通过改变干法刻蚀的刻蚀深度和角度，以及湿法腐蚀的温度和时间制备倒锥度支撑臂和倾斜悬臂梁的纳米结构。
文档编号B82B3/00GK101041414SQ20061004080
公开日2007年9月26日 申请日期2006年7月25日 优先权日2006年7月25日
发明者施毅, 陈杰智, 濮林, 郑有炓, 龙世兵, 刘明 申请人:南京大学