[发明专利]利用无电极电化学腐蚀自停止制作的纳米梁结构与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在普通硅片上与衬底绝缘的纳米梁的结构及制作方法，更确切地说涉及一种基于各向异性湿法腐蚀与无电极电化学腐蚀自停止方法，在普通硅片上制作与衬底绝缘的单晶硅纳米梁结构与制作方法。属于微米/纳米制作领域。 

背景技术

纳米机电系统技术(Nano-Electro-Mechanical-System，NEMS)是纳米技术的重要组成部分，是微机电系统技术(Miro-Electro-Mechanical-System，MEMS)的进一步发展。纳米梁结构是纳米机电器件的基本结构之一，是多种纳机电器件的核心部件，纳米梁结构加工技术是纳米机电系统技术的关键技术之一。 

纳米梁的力学和电学性质对整个系统的性能有决定性影响。由于纳米梁的特征尺度小于100nm，对结构中的内应力非常敏感，所以一般采用单晶材料制作，往往需要使用SOI(Silicon on Insulator)硅片等昂贵的衬底材料，例如李昕欣等人制作纳米厚度悬臂梁即采用了昂贵的SOI硅片[Xinxin Li，Takahito Ono，Yueling Wang，Masayoshi Esashi.Study on Ultra-thin NEMSCantilevers-High Yield Fabrication and Size Effect on Young’s Modulus ofSilicon.Micro Electro Mechanical Systems，2002.The Fifteenth IEEEInternational Conference on，20-24 Jan.2002，pp.427-430.]。纳米结构加工的控制精度要求较高，一般的腐蚀技术难以满足要求。现有的控制精度较高的干法刻蚀技术一般会在纳米梁表面形成一层厚度为几十纳米的晶格损伤层，严重影响纳米梁的力学和电学特性。另外，一般要求纳米梁的加工技术与微机电技术(Micro Electro Mechanical System)相兼容，便于批量生产，价格低廉。 

杨恒等人提出在(111)晶面的硅片上利用各向异性腐蚀特性通过干法与湿法腐蚀相结合制作纳米梁的方法[杨恒，李铁，焦继伟，李昕欣，王跃林。在(111)硅片上纳米梁的结构及制作方法，申请号2005100258315]。该方法可以在普通(111)晶面的硅片上制作出与衬底绝缘的单晶硅纳米梁结构。但是该方法必须使用(111)晶面的硅片，而MOS(Metal Oxide Semiconductor)工艺中一般采用(100)晶面的硅片。 

无电极电化学腐蚀自停止技术是P.French等人提出的一种腐蚀自停止技术[P.J.French，M.Nagao，M.Esashi.Electrochemical etch-stop in TMAHwithout externally applied bias.Sensors and Actuators，A56，1996，pp.279-280]。该技术利用金与硅在碱性各向异性腐蚀液中形成原电池，由于不需要外接电源就可以实现电化学腐蚀自停止所以称为无电极电化学自停止。该技术中，金、硅与碱性各向异性湿法腐蚀液共同组成一原电池系统，金为阴极，硅为阳极。当金与硅暴露面积比小于腐蚀自停止临界面积比时，各向异性腐蚀液对硅的腐蚀特性与一般的硅相同。当金与硅暴露面积比大于腐蚀自停止临界面积比时，原电池效应足够强使阳极发生氧化，在硅表面形成一薄层SiO₂，使腐蚀自动停止。腐蚀自停止临界面积比与腐蚀液有关。对于TMAH溶液，该特定值为8[P.J.French，M.Nagao，M.Esashi.Electrochemical etch-stop inTMAH without externally applied bias.Sensors and Actuators，A56，1996，pp.279-280]。可以通过在腐蚀液中添加氧化剂来改变该值。本发明试图利用该技术制作纳米梁结构，利用金制作纳米梁支撑结构与压焊块，同时实现纳米梁的力学支撑与电学引出。由于支撑结构与压焊块的面积远大于纳米梁的暴露面积，可以满足无电极电化学腐蚀自停止的要求。 

发明内容

本发明目的在于利用无电极电化学腐蚀自停止制作的纳米梁结构与方法，也即提供一种在普通硅片上单晶纳米梁的结构及制作方法。它是在普通硅片上制作与衬底实现电学隔离的单晶纳米梁。