CN100417587C - 一种微纳组合结构器件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微米/纳米组合结构器件的制作方法，包括：对一基体掺杂以形成一用作基体电极的掺杂层；成形一绝缘层并露出基体电极；淀积一牺牲层并露出基体电极；淀积一多晶硅层，并对多晶硅层进行掺杂；溅射一金属层；用多晶硅层和金属层成形出质量块、电极以及基座；其中，基座与质量块之间通过连接梁连接，质量块整***于牺牲层之上；将质量块下方的牺牲层腐蚀去除，使得质量块悬空；将一维纳米材料固定在电极和质量块上；将基座与质量块之间的连接梁刻蚀去除。本发明集成成熟的MEMS工艺以及纳米材料组装技术来制作微米/纳米组合结构器件，其中组合结构中的MEMS微结构在工艺上易于实现，能够与IC工艺集成，实现批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及微/纳机电***(MEMS/NEMS)领域，特别涉及一种微米/纳米组合结构器件的制作方法。
背景技术
传统的微机电结构器件常常采用桥式梁支撑悬空的质量块的结构，其材料基本采用微加工常用的材料——硅及其化合物，其中质量块尺寸为几百微米，桥式梁截面尺寸也在微米量级。在近年来纳米技术快速发展的背景下，纳米材料特别是一维(或准一维)结构在微机电结构器件中的应用被尤为关注。有人提出利用一维纳米材料的极小横截面尺寸和较大长度尺寸，将其应用到微机电结构器件中而形成微米/纳米组合结构器件，这样可以在很大程度上提高器件的性能。
本申请人在2004年12月24日提交的申请号为200410101600.3的中国专利申请“一种基于微纳组合结构的力传感器”中提供了这样一种微米/纳米组合结构器件，该传感器包括桥式梁、质量块、基体和设置在基体上的多个电极，在电极和基体之间具有一绝缘层，桥式梁的两端固定在电极上，质量块悬空固定在桥式梁的中间。特别是，在该传感器中，桥式梁为半导体氧化物纳米带。事实上，类似于前述专利的结构不仅可以适用于传感器，也可以用于其它诸如纳米材料特性的检测等应用场合。
因此，就需要有一种方法能够利用现有的MEMS工艺以及纳米材料组装技术实现微米/纳米组合结构器件的制作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微纳组合结构器件的制作方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种微纳组合结构器件的制作方法，包括提供一单晶硅片作为基体，然后沿同一方向在所述基体上顺序进行如下工艺步骤：
1)对所述基体的上表面进行掺杂以形成一用作基体电极的掺杂层；
2)成形一绝缘层，该绝缘层同时作为牺牲层刻蚀的停止层；将所述绝缘层中的一部分去除，以便露出所述基体电极；
3)淀积一牺牲层，然后将该牺牲层中的一部分刻蚀去除，露出所述基体电极；
4)淀积一多晶硅层，并对所述多晶硅层进行掺杂，使得所述多晶硅层可导电；
5)溅射一金属层；
6)光刻并刻蚀所述多晶硅层和所述金属层，使得所述多晶硅层和所述金属层成形出质量块、电极以及基座；其中，所述基座与质量块之间通过连接梁连接，所述质量块整***于所述牺牲层之上；
7)将所述质量块下方的牺牲层腐蚀去除，使得所述质量块悬空；
8)将一维纳米材料固定在所述电极和质量块上，其中，所述一维纳米材料的两端固定在电极上，其中间部分固定在所述质量块上；
9)将所述基座与质量块之间的连接梁刻蚀去除。
本发明具有如下有益效果：
1)利用成熟的MEMS工艺来制作微米/纳米组合结构器件中的MEMS微结构，在工艺上易于实现，能够与IC工艺集成，实现批量生产；
2)采用纳米技术发展起来的纳米材料组装技术，能够方便地组装纳米材料在MEMS微结构之上；
3)本发明的制作方法是集成两种成熟的技术来制作一种新的微米/纳米组合结构器件。
附图说明
图1是在本发明的制备方法中MEMS工艺过程结束后的MEMS微结构俯视图；
图2是按照本发明的制备方法制备好的微米/纳米组合结构器件实施例；
图3是按照工艺流程在图1中沿A-A线提取的图示工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明微米/纳米组合结构器件的制作方法总体上包括三个过程：MEMS工艺过程、纳米材料组装过程和后处理过程。MEMS工艺过程主要是在一个基体上形成组成MEMS微结构所需要的电极和悬空的质量块；纳米材料组装过程主要是将纳米材料组装到制备好的MEMS微结构上；后处理过程主要是对组装后的结构进行最后的处理，最终得到制备好的微米/纳米组合结构器件。
在本发明的一个实施例中，经MEMS工艺过程结束后的结构如图1所示，包括一个基体10，该基体10同时也作为基体电极。该基体10上有一个悬空的质量块11，质量块11的两侧分布有四个电极，一侧为电极12和13，另一侧为电极12’和13’，其中，电极12和12’对称分布在质量块11两侧，而电极13和13’对称分布在质量块11两侧。质量块11的另两侧分别分布有基座14和14’，质量块11通过连接梁15和15’分别与基座14和14’连接从而悬空在基体10之上。此外，在基体10上还有一个压焊盘16，作为基体电极的引出接头。
图3按工艺顺序详细图示出本发明中MEMS工艺过程的一个实施例，包括下述步骤A)～J)，其中这些步骤标号A)～J)与图3的(a)～(j)一一对应。具体如下：
A)提供一单晶硅片作为基体10，对基体10的上表面进行重掺杂磷，以形成一用作基体电极的掺杂层(图中未示出)，或者说通过对基体10的表面进行掺杂使得基体10可作为基体电极；
B)采用热氧化法在基体10硅基体上表面生长一层二氧化硅(SiO2)31；
C)采用低压化学气相沉积法(LPCVD)淀积一层氮化硅(Si3N4)32；步骤B)和步骤C)中得到的二氧化硅层31和氮化硅层32作为绝缘层和牺牲层刻蚀的停止层；
D)通过光刻、反应离子刻蚀(RIE)图形化绝缘层(即二氧化硅层31和氮化硅层32)，以去除绝缘层的一部分，以形成一开孔区域33，从而露出基体电极。该开孔区域33最好位于远离中央的位置；
E)用LPCVD淀积一层磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层34；
F)通过光刻、反应离子刻蚀(RIE)图形化牺牲层34，以去除一部分牺牲层，而残留下牺牲层35；该残留的牺牲层35两侧最好分别暴露出一部分绝缘层36和36’；去除一部分牺牲层后，同时也暴露出了开孔区域33处的基体电极；
G)在牺牲层35之上用LPCVD淀积一层多晶硅37；然后对多晶硅层37进行重掺杂磷，使得该多晶硅层37可导电。该重掺杂磷可通过如下步骤：在多晶硅层37上淀积一层磷硅玻璃，并进行退火操作，最后去除残留的磷硅玻璃，得到掺杂后的多晶硅层；
H)在多晶硅层37上溅射金属层38，如镉/金(Cr/Au)层；
I)通过光刻、反应离子刻蚀(RIE)图形化多晶硅层37和金属层38，用多晶硅层37和金属层38成形出图1中的质量块11、电极12、12’、13和13’、基座14和14’、连接梁15和15’以及压焊盘16；受图示所限，在图3-(k)中仅能示出质量块11、电极12和12’，以及压焊盘16，但是结合图1很容易得到各个部件的分布；其中，质量块11整***于牺牲层35之上，而电极12、12’、13和13’最好有一部分位于牺牲层35之外的绝缘层之上，以便腐蚀牺牲层35之后，确保电极12、12’、13和13’位置的固定；
J)用氢氟酸缓冲液(BHF)腐蚀磷硅玻璃牺牲层35，其中至少要将牺牲层35中位于质量块11下方的部分去除，以使得质量块11悬空。在图1中看得更清楚，此时质量块11由连接梁15和15’支撑。
在纳米材料组装过程中，将两根一维纳米材料的两端固定在电极上，而中间部分固定在质量块11上，这里的一维纳米材料是指诸如纳米带、纳米线和纳米管等材料。在图2所示的实施例中以氧化锌纳米带为例进行说明，一根氧化锌纳米带21的两端分别固定在电极12和12’上，而另一根氧化锌纳米带22的两端分别固定在电极13和13’上，两根纳米带21和22的中间部分均固定在质量块11上。
为了组装纳米材料，首先可采用AFM操作、流体排列、电泳或原位生长方法将一维纳米材料布置在电极和质量块上的相应位置，然后再将纳米材料固定。在一个实施例中可采用电泳方法布置一维纳米材料，具体操作为：准备一悬浮有多根氧化锌纳米带的溶液；使用一个高频交流信号发生器在电极12和电极12’之上施加一个高频交流信号；然后将图1所示的MEMS微结构器件沉浸在溶液中；在电极12和电极12’之间形成的电场的作用下，溶液中的纳米带被极化，其两端分别带相反电荷，且两端分别靠近与其电荷相反极性的电极12和12’，直至有一根纳米带21吸附在电极12和12’上，从而完成纳米带21的布置。利用同样的方法，可将另一根氧化锌纳米带22布置到电极13和13’上。最后，用聚焦离子束(FIB)把纳米带点焊固定在电极和质量块上。
在后处理过程中，用聚焦离子束(FIB)将基座14和14’与质量块11之间的连接梁15和15’刻蚀去除，使得质量块11仅有纳米带21和22支撑悬空，完成整个微米/纳米组合结构器件的制备。如图2所示的制备好的微米/纳米组合结构器件，该器件可以用作传感器，也可以用于对该器件上的纳米带21或22进行性能检测。
Claims (10)
1. 一种微纳组合结构器件的制作方法，包括提供一单晶硅片作为基体，然后沿同一方向在所述基体上顺序进行如下工艺步骤：
1)对所述基体的上表面进行掺杂以形成一用作基体电极的掺杂层；
2)成形一绝缘层，该绝缘层同时作为牺牲层刻蚀的停止层；将所述绝缘层中的一部分去除，以便露出所述基体电极；
3)淀积一牺牲层，然后将该牺牲层中的一部分刻蚀去除，露出所述基体电极；
4)淀积一多晶硅层，并对所述多晶硅层进行掺杂，使得所述多晶硅层可导电；
5)溅射一金属层；
6)光刻并刻蚀所述多晶硅层和所述金属层，使得所述多晶硅层和所述金属层成形出质量块、电极以及基座；其中，所述基座与质量块之间通过连接梁连接，所述质量块整***于所述牺牲层之上；
7)将所述质量块下方的牺牲层腐蚀去除，使得所述质量块悬空；
8)将一维纳米材料固定在所述电极和质量块上，其中，所述一维纳米材料的两端固定在电极上，其中间部分固定在所述质量块上；
9)将所述基座与质量块之间的连接梁刻蚀去除。
2. 根据权利要求1所述的微纳组合结构器件的制作方法，其特征在于，在步骤1)和步骤4)中，所述掺杂为重掺杂磷。
3. 根据权利要求1所述的微纳组合结构器件的制作方法，其特征在于，在步骤2)中，所述绝缘层包括用热氧化法生长的二氧化硅层和在二氧化硅层之上用低压化学气相沉积法淀积的氮化硅层。
4. 根据权利要求1所述的微纳组合结构器件的制作方法，其特征在于，在步骤3)中，所述牺牲层材料为磷硅玻璃。
5. 根据权利要求2所述的微纳组合结构器件的制作方法，其特征在于，在步骤4)中，对所述多晶硅进行重掺杂磷包括：在所述多晶硅层上淀积一层磷硅玻璃，并进行退火操作，最后去除残留的磷硅玻璃。
6. 根据权利要求1所述的微纳组合结构器件的制作方法，其特征在于，在步骤5)中，所述溅射层是镉/金层。
7. 根据权利要求1所述的微纳组合结构器件的制作方法，其特征在于，在步骤6)中，所述电极至少有一部分位于牺牲层之外的绝缘层之上。
8. 根据权利要求1所述的微纳组合结构器件的制作方法，其特征在于，在步骤8)中，采用AFM操作、流体排列、电泳或原位生长方法将一维纳米材料布置在所述电极和质量块上，然后将所述一维纳米材料固定在所述电极和质量块上。
9. 根据权利要求8所述的微纳组合结构器件的制作方法，其特征在于，用聚焦离子束将所述一维纳米材料点焊固定在所述电极和质量块上。
10. 根据权利要求8所述的微纳组合结构器件的制作方法，其特征在于，在步骤9)中，所述基座与质量块之间的连接梁采用聚焦粒子束刻蚀去除。
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