专利名称：基于soi材料的复杂nems结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种NEMS结构的制作方法，尤其是一种基于SOI材料的复杂 NEMS结构的制作方法。
背景技术：
NEMS(nano-electro-mechanical-system,即纳米机电系统)技术是90年代 末基于MEMS (micro-electro-mechanical-system,即微米机电系统)技术而提出 的一个新概念，是指系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机 电一体的系统。 一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的 新效应(量子效应、界面效应和纳米尺度效应)为工作特征的器件和系统。
NEMS有许多特有的性能(1)超小质量NEMS器件的有效质量在a克(10 _18g )量级；(2 )超高频率NEMS器件的机械谐振频率可以高达10GHz (10"Hz ) 的微波范围；(3 )超低功耗NEMS器件的功耗很小，其热损耗也在a瓦(10—1SW)， 基于NEMS技术的信号处理器或者计算机系统所消耗的能量只有lpW,这比当前 同等计算能力的计算机系统消耗的能量少了 6个数量级；(4)超高灵敏度NEMS 器件的力灵敏度在10-18牛顿级，质量灵敏度达单个分子级水平；(5)高Q值 NEMS器件的机械品质因数在数万以上，这大大超出了电谐振器目前的水平。对 信号处理器件来说，较高的Q值会直接带来较低的插入损耗；(6)超低热容量 NEMS器件的热容量大大低于"幺(l(T)卡"。这些优越的特性决定了 NEMS器件 诱人的应用前景，从宏观到微观，从医药技术到生命科学，从制造业到信息通 讯等等。新的NEMS器件可以对诸如传感器，医疗诊断，显示和数据存储等产生 革命性的影响，将促使信息技术、医疗健康、环境能源、航空航天和国防等各 个领域的技术进步取得突破性的发展。随着对NEMS技术研究的不断深入，其应 用领域还会逐渐扩大。由于小尺度下产生的 一些新的物理特性将影响器件的操
3作方式和制造手段，因此NEMS对制备技术提出了更高的要求。可重复的、批量 化的NEMS结构加工技术是NEMS技术实用化的关键。
NEMS制造技术目前主要有两种途径。 一种是由小到大(Bottom—up)的途 径，利用分子原子组装技术，把具有某种性质的功能分子、原子，借助内部作 用力，精密地构成纳米尺度的分子线、分子膜和其他结构，再由纳米结构与功 能单元集成为NEMS,这种加工技术可以实现很多复杂结构的NEMS器件加工，是 目前纳米材料领域普遍采用的技术，但是这种加工技术难度较大、可重复性较 差、目前较难实现批量生产。
另一种是由大到小(Top—down)的途径，这种技术与现在的微电子和MEMS 加工技术类似，主要是利用电子束等超精密光刻技术、电子束蒸发等纳米厚度 薄膜生长技术以及高精密湿法腐蚀和高精密各向异性干法刻蚀等技术进行加 工，这种技术与微电子、纳电子电路制造技术兼容，易于实现系统集成和批量 化生产，是目前NEMS加工技术的主要发展趋势。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种在SOI材料上实现复杂NEMS结构的 制造方法，该方法工艺简单、加工精度高，能实现重复、批量生产。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是 一种基于SOI材料的复杂 NEMS结构的制作方法，包括以下步骤
1) SOI材料的顶层硅片采用热氧化方法氧化，生成二氧化硅，减薄硅片厚度，
2) 利用光刻和湿法腐蚀方法将二氧化硅上焊盘、布线以及电子束对位标记 对应区域的二氧化石圭腐蚀掉，
3) 将步骤2)生成的区域采用磁控'减射方法生成金属层，并剥离出焊盘、 布线以及电子束对位标记，
4) 采用电子束光刻和湿法腐蚀方法将NEMS结构图形区域的二氧化硅腐蚀 掉，使NEMS结构图形转移到顶层硅片上，
5) 采用感应耦合等离子刻蚀方法将NEMS结构图形对应区域的硅片刻蚀掉，形成NEMS结构，
6)采用HF腐蚀NEMS结构下SOI材料上的二氧化硅牺牲层，采用二氧化碳 超临界萃取方法释》丈NEMS结构，完成制作。
所述步骤1)热氧化方法采用的是湿氧，将SOI材料置于105(TC下的湿氧 环境中进行双面热氧化。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于本发明采用由大到小(Top— down)的途径在SOI材料上实现NEMS结构，符合目前NEMS加工技术的主要发 展趋势，具有加工定位准确、加工精度高、可批量、重复制备的特点，对于所 能加工的NEMS结构不受晶向限制，能加工出任意形状的NEMS结构。
图1是本发明SOI材料结构示意图2是本发明SOI材料氧化后的结构示意图3是本发明图2结构经光刻腐蚀后的结构示意图4是本发明图3溅射金属后的结构示意图5是本发明图4结构经电子束光刻腐蚀NEMS图形到顶层珪片上后的结构 示意图6是本发明图5结构经刻蚀NEMS图形后的结构示意图； 图7是本发明图6腐蚀牺牲层、释放NEMS结构的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述
本发明采用Top—down的途径，在薄层SOI ( Si 1 icon-0n-lnsulator，即绝 缘衬底上的硅)材料上加工出NEMS结构。采用顶层硅片作为NEMS结构层，通 过热氧化方式减薄顶层硅片以控制NEMS结构层厚度，采用光刻、誠射方法在顶 层硅片上实现金属布线，采用电子束光刻、干法刻蚀技术在顶层硅片上实现NEMS 结构，采用埋层二氧化>法作为牺牲层，采用HF腐蚀二氧化^眭牺牲层，采用二氧 化碳超临界萃取方法实现NEMS结构的释放。具体地说，其包括以下步骤材料准备根据NEMS结构要求选择薄层SOI材料，包括顶层硅片1，中间 二氧化硅牺牲层2,底层硅片3;如图1所示。其具体参数为二氧化硅牺牲层2 厚度3780 A 、顶层硅片1为P型、<100>晶向、厚度为801A。
顶层硅片减薄采用热氧化方法进行双面湿氧热氧化，减薄顶层硅片1的 厚度。将SOI材料置于105(TC左右的湿氧中，生成500A的二氧化硅层4，其结 构如图2所示。
光刻利用光刻方法将金属焊盘、布线以及电子束对位标记的图形6转移 到顶层硅片l上，在生成的二氧化硅层4顶层涂敷光刻胶5，光刻出图形6，再 利用湿法腐蚀技术将图形6区域暴露出的二氧化硅腐蚀干净，所得到的结构如 图3所示。
溅射剥离采用磁控溅射方法在图3的腐蚀掉二氧化硅的图形6区域利用 磁控溅射方法生成金属层，金属层金属分别为铬200 A、金300 A,而后利用 剥离方法剥离掉无用的材料，生成金属焊盘、布线以及电子束对位标记，所得
到的结构如图4所示:a
电子束光刻利用电子束光刻方法将NEMS结构图形转移到经'减射剥离后的 图4的上，即SOI材料的顶层硅片1上。首先涂敷电子束光刻胶层7,将NEMS 结构图形转移到二氧化硅层4上，再利用湿法腐蚀方法将NEMS图形区域对应的 二氧化硅腐蚀干净，得到顶层硅片NEMS结构，其结构如图5所示。
高深宽比刻蚀利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀方法将图5中NEMS结构 对应区域的顶层硅片1上刻蚀出NEMS结构，所得到的结构如图6所示。
NEMS结构释放将所得图6结构材料采用摩尔浓度37 %的HF,在42。C腐 蚀NEMS结构下方的二氧化硅牺牲层2,采用二氧化碳超临界萃取技术释放NEMS 结构。
本发明中所选择的SOI材料可以根椐需要加工的NEMS结构对晶向、厚度等 方面的要求自由选择(IC工业的多年高速发展使我们目前可以得到高纯度、低 晶格缺陷的SOI圆片，表面硅层厚度可以精确控制到50nm-100nm之间)；生长的氧化层(二氧化硅)的厚度根据NEMS结构对厚度的要求决定，在氧化过程中 每生长lOOnm 二氧化硅层会消耗约45nm的单晶硅层，实际形成的NEMS结构厚 度等于SOI顶层硅片厚度与氧化所消耗的单晶硅层厚度之差，因此可以通过控 制二氧化硅层厚度来精确控制NEMS结构的厚度。
本发明方法符合目前NEMS加工技术的主要发展趋势，加工定位准确、加工 精度高，可批量、重复制备，其热氧化方法能够精确控制纵向结构精度，能精 确控制NEMS结构的厚度；电子束光刻与干法刻蚀方法能够精确控制横向结构精 度，能够精确控制NEMS结构的横向结构尺寸，对于所能加工的NEMS结构不受 晶向限制，可加工出任意形状的NEMS结构。本发明基于SOI材料的制作工艺理 念还可用于实现NEMS器件与基于SOI的微电子电路和纳电子电路的系统集成。
权利要求
1、一种基于SOI材料的复杂NEMS结构的制作方法，包括以下步骤1)SOI材料的顶层硅片采用热氧化方法氧化，生成二氧化硅，减薄硅片厚度，2)利用光刻和湿法腐蚀方法将二氧化硅上焊盘、布线以及电子束对位标记对应区域的二氧化硅腐蚀掉，3)将步骤2)生成的区域采用磁控溅射方法生成金属层，并剥离出焊盘、布线以及电子束对位标记，4)采用电子束光刻和湿法腐蚀方法将NEMS结构图形区域的二氧化硅腐蚀掉，使NEMS结构图形转移到顶层硅片上，5)采用感应耦合等离子刻蚀方法将NEMS结构图形对应区域的硅片刻蚀掉，形成NEMS结构，6)采用HF腐蚀NEMS结构下SOI材料上的二氧化硅牺牲层，采用二氧化碳超临界萃取方法释放NEMS结构，完成制作。
2、 根据权利要求1所述的基于SOI材料的复杂NEMS结构的制作方法，其 特征在于所述步骤1)热氧化方法采用的是湿氧，将SOI材料置于1050。C下的 湿氧环境中进行双面热氧化。
全文摘要
本发明公开了一种基于SOI材料的复杂NEMS结构的制作方法，包括以下步骤1)SOI材料的顶层硅片采用热氧化方法氧化，减薄硅片厚度，2)利用光刻和湿法腐蚀方法将二氧化硅上焊盘、布线以及电子束对位标记对应区域的二氧化硅腐蚀掉，3)采用磁控溅射方法生成金属层，并剥离出焊盘、布线以及电子束对位标记，4)采用电子束光刻和湿法腐蚀方法将NEMS结构图形转移到顶层硅片上，5)采用感应耦合等离子刻蚀方法将NEMS结构图形对应区域的硅片刻蚀掉，形成NEMS结构，6)采用HF腐蚀NEMS结构下SOI材料上的二氧化硅牺牲层，采用二氧化碳超临界萃取方法释放NEMS结构。本发明具有加工定位准确、加工精度高、可批量、重复制备的特点。
文档编号B82B3/00GK101525117SQ200910074200
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月21日 优先权日2009年4月21日
发明者杨拥军, 蓉 罗 申请人:中国电子科技集团公司第十三研究所