专利名称：用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法
技术领域：
本发明涉及一种用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，更确切地说涉及一种在(100)SOI硅片上制作单晶硅纳米梁的加工方法，梁的横截面为直角三角形，三个侧面的宽度均小于100nm。属微米/纳米加工领域。
背景技术：
NEMS(Nano-Electro-Mechanical-System，纳机电系统)技术是在MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System，微机电系统)技术上发展起来的，其特点是关键部件的特征尺度小于100nm。它是纳米技术的重要组成部分。而纳米梁作为纳机电谐振器、谐振式传感器等多种纳机电期间的核心部分，是纳机电器件的基本结构之一。纳米梁的性能对纳机电系统的性能有着决定性的作用。
当前，纳米梁结构用普通的光刻-腐蚀技术工艺一般不能达到所需要的控制精度，而需要用电子束光刻、聚焦离子束刻蚀等先进加工技术。例如A.N.Cleland等人[A.N.Cleland，M.Pophristic and I.Ferguson.Single CrystalAluminum Nitride Nanomechanical Resonators.Applied Physical Letters，Vol.79，No.13，2001，pp.2070-2072.]与A.Erbe等人[A.Erbe，C.Weiss，W.Zwerger，and R.H.Rlick，Nanomechanical Resonator Shuttling Single Electrons at RadioFrequencies.Physical Review Letters，Vol87，No.9，2001，096106.]均采用了电子束曝光来制作纳米宽度的线条。它的缺点是价格昂贵，不适合批量化生产。
另外，通常制作的纳米梁都只在一个维度上实现纳米尺度，也就是只有在一个维度上尺寸在100nm以下。
向民等人在《基于半导体材料的纳米线制作方法》发明专利中提出了利用半导体工艺中的“鸟嘴”效应和半导体材料的湿法腐蚀或干法刻蚀技术在SOI硅片上加工纳米线的方法。其制作过程如下(1)(100)晶向的SOI材料，单晶硅顶层介质1的厚度为小于300nm，清洗后淀积氮化硅形成保护膜4。光刻氮化硅保护膜4，边界线条沿<110>方向，[如图(1-a)所示]；(2)利用硅的各向异性腐蚀液(如氢氧化钾溶液等)腐蚀硅顶层介质1至氧化硅中间介质层2，硅顶层介质1的(111)面由于腐蚀速率极低而出现自停止，形成侧壁5，侧壁5与底面夹角为54.7°。[如图(1-b)所示]；(3)清洗后生长一层氧化硅，形成保护膜6和鸟嘴7，[如图(1-c)所示]；(4)去除氮化硅保护膜4，露出下面的硅顶层介质1和氧化硅鸟嘴7，[如图(1-d)所示]；(5)使用硅的各向异性腐蚀液(如氢氧化钾溶液等)腐蚀没有氧化硅侧壁5和鸟嘴7遮挡的硅顶层介质1，在硅顶层介质1的(111)面出现自停止，形成侧壁8，侧壁8与底面夹角为54.7°。硅侧壁8与硅侧壁5所夹区域(横截面为近似等腰梯形的棱柱)即为单晶硅纳米线9，[如图(1-e)所示]；(6)清洗后利用稀释氢氟酸等溶液去除氧化硅保护膜6和硅纳米线9下方的氧化硅中间介质层2，即形成悬空的硅纳米线9，[如图(1-f)所示]。
由此可见，向民等人的发明至少需要2次光刻才能制成纳米梁。光刻次数是衡量工艺复杂性的重要标志。本发明人试图通过巧妙利用各向异性干法腐蚀特性和硅各向异性湿法腐蚀特性，只需要1块光刻版就可以实现纳米梁结构的加工，从而引导出本发明的构思。
发明内容
本发明的目的在于利用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，本发明特征在于一般同时形成2根纳米梁，形成的纳米梁截面为直角三角形。这是基于本发明巧妙地利用了(100)晶向硅材料的各向异性腐蚀特性，纳米梁形成后腐蚀即自动停止，从而加工精度高、一致性高、重复性好。
本发明的关键工艺(1)梁区台阶的氧化减薄，(2)梁区台阶的侧壁保护和(3)KOH腐蚀使梁成型。
本发明所述的湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，其主要工艺为(1)梁区台阶的氧化减薄在当已经形成图2所示的台阶后，要减小台阶的高度到需要的尺度。这里用的使氧化减薄法。因为在微电子工艺中常用的热氧化过程中，形成的氧化层的厚度和消耗硅的厚度有以下关系消耗硅的厚度＝氧化层厚度×0.46所以，通过热氧化在表面生成氧化层，使上层硅的厚度减小到需要的尺度。
(2)梁区台阶的侧壁保护在氧化减薄工艺后，再在表面用PECVD生长一层氮化硅，因为对氮化硅的刻蚀相对于氧化硅的刻蚀有更好的深宽比，也就是对侧壁的影响更小，图3(a)所示为此时台阶的横截面图。接着进行一次光刻，用光刻胶保护梁的两端不受干法刻蚀影响，然后用干法刻蚀分别刻去台阶表面的氮化硅和氧化硅，而刻蚀对侧壁的影响很小，于是侧壁仍然被氧化硅和氮化硅保护着。
如图3(b)所示。
(3)KOH腐蚀使梁成型当侧壁形成保护后，用KOH腐蚀腐蚀台阶，由于台阶的侧面被氮化硅和氧化硅保护着，不会被KOH腐蚀，只能从台阶的表面向下腐蚀，同时由于硅的各向异性腐蚀特性，会自动形成(111)面，而在(100)硅片上，(111)面与(100)的夹角是54.74度。如图4所示。
具体的工艺步骤是(a)台阶的制作和减薄①台阶的制作使用光刻-刻蚀工艺先进行一次光刻，光刻时台阶方向和硅片(100)切边方向垂直，然后用光刻胶作掩膜，等离子刻蚀掉窗口中的上层硅，从而形成台阶；②利用氧化减薄方法，进行台阶减薄，形成的氧化层的厚度和消耗硅的厚度关系是消耗硅的厚度＝氧化层的厚度×0.46；(b)侧壁保护用PECVD生长一层氮化硅，接着进行一次光刻，使梁的两端被光刻胶保护，然后进行两次干法刻蚀，分别刻蚀掉氮化硅和氧化硅；使台阶上的硅暴露出来；(c)梁的成型在步骤(b)完成侧壁保护后，用KOH腐蚀台阶，使腐蚀从台阶的上表面向下进行，直至露出埋层氧化硅，同时自动形成(111)面；(d)梁结构的释放用HF腐蚀埋层氧化硅实现梁结构的释放，同时使梁的侧壁和两端的氮化硅和氧化硅被腐蚀掉。
所述的(100)硅片为(100)绝缘层上硅片。
所述的上层硅厚度为100-300nm，埋层氧化层厚度为300-500nm。
综上所述，本发明提供的方法，其特点有(1)梁的横截面是直角三角形，其斜面是(111)面，侧面是(110)面，底面是(100)面，由硅的晶面关系有(111)面和(100)面夹角是54.74度。三个侧面的宽度均小于100nm。
(2)梁的斜面和底面宽度由梁的高度决定，而梁的高度用氧化法进行控制的，有较高的精度。
(3)利用硅在各向异性腐蚀液中会自动找到(111)晶面的特点使梁成型，有较高的加工精度、一致性和重复性。
图1向民等人提出基于半导体材料的纳米线制作方法的工艺步骤图2本发明关键工艺之一----梁区台阶的氧化减薄示意图(a)梁区台阶的俯视图(b)梁区台阶的A-A向的截面3梁区台阶的侧壁保护(a)生长氮化硅后梁区台阶的横截面图(b)侧壁保护形成后梁区台阶的横截面4腐蚀成型后的横截面5侧壁保护形成后梁区台阶的横截面6第二次光刻掩模板图形图7(a)干法刻蚀后的俯视图(b)干法刻蚀后A-A’剖面图(c)干法刻蚀后B-B’剖面8KOH腐蚀后的图形(a)俯视图(b)A-A’剖面9释放后的梁(a)俯视图(b)A-A’剖面图(c)B-B’剖面图具体实施方式
下面通过具体实施例结合附图的介绍以进一步阐明本发明实质性特点和显著的进步。
实施例1本实例使用的硅片是(100)绝缘层上硅片即(100)SOI硅片，其上层硅是约200nm，埋层氧化硅层约为400nm。具体工艺流程包括(1)台阶的制作和减薄、(2)侧壁保护、(3)梁的成型、(4)梁的释放等四个主要步骤。下面对各工艺步骤作具体的介绍。
(1)台阶的制作和减薄台阶的制作使用普通的光刻一刻蚀工艺。先进行一次光刻，掩模板图形如图5所示，光刻时要控制台阶方向和硅片(110)切边方向垂直，然后用光刻胶作掩膜，等离子刻蚀掉窗口中的上层硅，就形成了图1所示的台阶。
接着对台阶进行减薄，本发明使用的是氧化减薄的方法。前面已经介绍了在热氧化中，形成的氧化层的厚度和消耗硅的厚度有以下关系消耗硅的厚度＝氧化层厚度×0.46所以，只要在表面生长一层氧化层，通过控制氧化层的厚度来达到控制台阶厚度的效果。
(2)侧壁保护本发明利用干法刻蚀对侧壁影响很小的特点，通过干法刻蚀使台阶上表面的硅暴露出来，而侧壁仍然被保护着。具体做法是用PECVD生长一层氮化硅，接着进行一次光刻，掩膜板图形如图6所示，这样梁的两端被光刻胶保护着，不受干法刻蚀影响，然后进行两次干法刻蚀，分别刻掉氮化硅和氧化硅，使台阶上表面的硅暴露出来，而侧壁仍然被保护着，如图7所示。
(3)梁的成型在完成侧壁保护后，用KOH腐蚀台阶。由于台阶的侧壁被氮化硅和氧化硅保护着，不会被KOH腐蚀，腐蚀只能从台阶的上表面向下进行，直到露出埋层氧化硅，同时由于硅的各向异性腐蚀特性，会自动形成(111)面，从而形成了图8所示的梁结构。
(4)梁的释放本发明通过用HF腐蚀埋层氧化硅来实现梁结构的释放，同时梁侧壁的氧化硅和氮化硅，梁两端的氮化硅和氧化硅都能被腐蚀掉，从而形成图9所示的结构。
权利要求
1.一种用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，其特征在于利用(100)晶向硅材料各向异性腐蚀特性，纳米梁形成后腐蚀即自动停止；形成梁的横截面为直角三角形；具体工艺步骤是(a)台阶的制作和减薄①台阶的制作使用光刻—刻蚀工艺先进行一次光刻，光刻时台阶方向和硅片(100)切边方向垂直，然后用光刻胶作掩膜，等离子刻蚀掉窗口中的上层硅，从而形成台阶；②利用氧化减薄方法，进行台阶减薄，形成的氧化层的厚度和消耗硅的厚度关系是消耗硅的厚度＝氧化层的厚度×0.46；(b)侧壁保护用PECVD生长一层氮化硅，接着进行一次光刻，使梁的两端被光刻胶保护，然后进行两次干法刻蚀，分别刻蚀掉氮化硅和氧化硅；使台阶上的硅暴露出来；(c)梁的成型在步骤(b)完成侧壁保护后，用KOH腐蚀台阶，使腐蚀从台阶的上表面向下进行，直至露出埋层氧化硅，同时自动形成(111)面；(d)梁结构的释放用HF腐蚀埋层氧化硅实现梁结构的释放，同时使梁的侧壁和两端的氮化硅和氧化硅被腐蚀掉。
2.按权利要求1所述的用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，其特征在于所述的直角三角形的斜面为(111)面，侧面是(110)面，底面是(100)面。
3.按权利要求1或2所述的用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，其特征在于所述的直角三角形的斜面和侧面之间夹角为54.74°。
4.按权利要求1或2所述的用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，其特征在于所述的梁的斜面和底面宽度由梁的高度决定。
5.按权利要求4所述的用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，其特征在于梁的高度是用氧化法进行控制的。
6.按权利要求1所述的用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，其特征在于所述的(100)硅片为(100)绝缘层上硅片。
7.按权利要求1所述的用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，其特征在于所述的上层硅厚度为100-300nm，埋层氧化层厚度为300-500nm。
8.按权利要求1所述的用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，其特征在于同时形成两根纳米梁。
9.按权利要求1所述的用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，其特征在于直角三角形的三个侧面的宽度均小于100nm。
全文摘要
本发明涉及一种用湿法腐蚀工艺制作截面为直角三角形的纳米梁加工方法，其特征在于利用(100)晶向硅材料各向异性腐蚀特性，纳米梁形成后腐蚀即自动停止；形成梁的横截面为直角三角形，所述直角三角形的斜而为(111)面，侧面是(110)面，底面是(100)面，梁的斜面和底面宽度由梁的高度决定，是用氧化法进行控制的。本发明巧妙利用各向异性干法腐蚀特性和硅各向异性湿法腐蚀特性，只需一块光刻版就可实现纳米梁结构的加工。
文档编号B81C1/00GK101062761SQ200610148119
公开日2007年10月31日 申请日期2006年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者许科峰, 杨恒, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所