一种微纳机电器件中纳米间隙电极的制备方法

日期:2019-03-02 15:11:34

专利名称:一种微纳机电器件中纳米间隙电极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种微纳机电器件中纳米间隙电极的制备方法,属于微纳机电系统领域。
背景技术
随着硅器件特征尺寸的缩小,对于微纳结构的制作工艺的需求越来越大。纳米间隙电极是MEMS器件的基础部分。纳米间隙电极对于检测纳米尺度材料的性质,以及构造量子器件、生物传感器方面有重要的应用。制造纳米间隙电极的工艺方式有电子束刻蚀法、原子力显微镜纳米刻蚀法、接点断裂法和电镀法等。其中,(1)电子束具有比普通光更短的波长,由于采用电场精确地聚焦,因此可以获得更高的分辨率,而且可以在计算机控制下任意直写,但效率低,价格昂贵, 以及入射电子束产生的邻近效应问题使其很难大规模应用;(2)接点断裂法优势在于方法简单,可以制备间隙微小的电极,但不易于批量生产;(3)电镀法通过传统的光刻技术制备出间隙在微米量级的金属电极,然后将淀积置于电镀液中,电镀液中的金属还原沉积在电极表面,这种方法简便高效,但只能对具体的器件一个一个的操作;(4)电子迁移法成本低廉,但是所制备的电极外形不规则,制备过程不易控制,很难进行大规模制造。

发明内容
本发明提出一种基于微机械工艺的纳米间隙电极的制备方法。该方法采用牺牲层侧墙结构定义纳米间隙的宽度,可不受光刻精度的影响。本发明提供的微纳机电器件中纳米间隙电极的制备方法,具体步骤包括1)在基片上淀积一层介质材料作为绝缘层,再选择淀积一种厚度合适的材料作为侧墙的辅助结构层,辅助结构层材料应与绝缘层材料有较好的腐蚀选择比;2),光刻,定义辅助结构掩膜层图形后,干法刻蚀辅助结构层材料形成侧壁陡直的辅助结构图形,为后续的牺牲层淀积做准备;3)淀积一层牺牲层材料,牺牲层的厚度决定最后纳米间隙的宽度,牺牲层材料同时要与后续的纳米间隙电极材料有很好的腐蚀选择比;4)回刻牺牲层,一般选择性过刻蚀3秒,直到辅助结构层上表面完全裸露,由于干法刻蚀的各向异性刻蚀性质,附着在辅助结构层侧壁的牺牲层会保留下来;5)湿法腐蚀基片,选用腐蚀辅助结构层的腐蚀液,从而保护牺牲层侧墙结构不被腐蚀,辅助结构层腐蚀完成后只剩下纳米宽度的牺牲层侧墙。6)淀积一层薄的电极材料,该材料为金属或其它导电性良好的材料,需与牺牲层侧墙材料有良好的腐蚀选择性;7)湿法腐蚀牺牲层侧墙,由于电极材料不能完全覆盖侧墙结构,在腐蚀侧墙牺牲层时腐蚀液会横钻并腐蚀牺牲层结构,覆盖在侧墙上的电极材料会连同牺牲层侧墙一起被选择性腐蚀掉,形成最终的纳米间隙电极结构。
本发明提供的方法具有如下优点采用简单、可重复的工序,制作高集成度的纳米器件,并且不受光刻最小尺寸限制,不需要采用电子束光刻。通过上述方法制作的硅纳米间隙电极结构,可应用于多种微纳机电传感器的制备,可以制作检测生物活性分子的Bio-MEMS传感器,可以制作研究纳米自旋电子学的量子器件等。


图l(a)_(d)为本发明实施例制作纳米间隙的工艺流程示意图,其中(a)淀积绝缘介质层;(b)淀积辅助结构层;(c)光刻并刻蚀形成辅助结构层;(d)淀积牺牲层材料; (e)回刻牺牲层形成牺牲层侧墙;(f)选择性腐蚀辅助结构层材料形成侧墙牺牲层;(g)溅射薄金属层或主结构层材料;(h)腐蚀侧墙牺牲层形成纳米间隙结构;图2是利用本发明制作的纳米间隙电极的扫描电镜照片。
具体实施例方式下面结合通过实施例对本发明作进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。图1所示在硅衬底上制作纳米金属间隙的工艺流程图,具体步骤如下1)在硅衬底1上LPCVD厚度为IOOnm到120nm氮化硅层2,作为金属电极的绝缘层,见图1(a);2)LPCVD淀积多晶硅层3,厚度800nm,作为后续氧化层淀积的辅助结构层3,见图 1(b);3)光刻显影后用光刻胶做掩膜干法刻蚀多晶硅层,选用ASE,以形成侧壁陡直的辅助结构图形,便于后续的侧墙牺牲层4淀积,如图1(c);4) LPCVD淀积氧化硅层4,厚度lOOnm,其厚度决定侧墙牺牲层的宽度,由于LPCVD 良好的覆盖性,侧壁宽度比淀积厚度IOOnm稍大,如图1(d);5)回刻氧化层4,刻蚀厚度lOOnm,至多晶硅辅助结构层表面完全裸露,便于后续的TMAH腐蚀多晶硅辅助结构图形,如图1(e)。6)水浴80°C,TMAH湿法腐蚀多晶硅,由于多晶硅与氧化硅良好的腐蚀选择性,氧化硅侧墙牺牲层得以保留,如图1(f)。7)溅射Cr/Au 100A/800A金属层5,作为电极材料,如图1 (g)。8)BHF超声腐蚀氧化硅,腐蚀掉牺牲层侧墙,连带除掉附着在侧墙上的薄金属层, 最终形成纳米间隙电极结构,如图1(h)。上述方法实现了本发明的实施方案_利用侧墙牺牲层工艺形成纳米间隙电极结构,并且可以通过牺牲层侧墙的宽度调整纳米间隙的线宽。图2是利用本发明制作的纳米间隙电极的扫描电镜照片,间隙宽度在IlOnm左右。以上描述与附图的说明旨在说明本发明的实施方案,本发明的范围仅由所付的权利要求来限定。本领域的技术人员可以对本发明进行各种必要的改变或变更,但不应脱离本发明。
权利要求
1.一种纳米间隙电极的制备方法,其步骤包括1)在基片上淀积一层绝缘材料作为绝缘层,再淀积一辅助结构层;该辅助结构层材料与绝缘层材料应有一定的腐蚀选择比;2)光刻、定义辅助结构掩膜层图形后,干法刻蚀辅助结构层材料形成侧壁陡直的辅助结构图形;3)淀积一层牺牲层材料,牺牲层的厚度为纳米间隙电极的宽度,同时该牺牲层材料与辅助结构层材料应有一定的腐蚀选择比;4)回刻牺牲层直到辅助结构层上表面完全裸露,由于干法刻蚀的各向异性刻蚀性质, 附着在辅助结构层侧壁的牺牲层被保留下来;5)选用腐蚀辅助结构层的腐蚀液腐蚀基片,由于牺牲层材料与辅助结构层材料有一定的腐蚀选择比,因此完成辅助结构层腐蚀后,牺牲层侧墙被保留下来;6)淀积一层电极材料,该电极材料与牺牲层侧墙材料有一定的腐蚀选择比;7)湿法腐蚀牺牲层侧墙,在腐蚀牺牲层侧墙时,覆盖在侧墙上的电极材料会连同牺牲层侧墙一起被选择性腐蚀掉,最终在侧墙位置处形成纳米间隙电极。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述辅助结构层为多晶硅, 厚度为 600nm-2 μ m。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤3)中,所述牺牲层为氧化硅,氧化硅厚度小于lOOnm。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤6)中,所述电极材料为金属或其它导电性良好的材料。
全文摘要
本发明提供了一种微纳机电器件中纳米间隙电极的制备方法,属于微纳机电系统领域。该方法选用一种合适的材料做牺牲层,首先采用回刻的方式制备纳米尺度的牺牲层侧墙结构,侧墙需要有一定的高度,再淀积一层薄的金属层或其它电极材料,然后选择性腐蚀掉牺牲层侧墙材料,附着在侧墙上的金属或其它电极材料将一同被腐蚀掉,并在侧墙的位置形成一个间隙。通过控制牺牲层侧墙的厚度至纳米量级而制备纳米间隙电极。本发明与常规的半导体加工工艺兼容,易于大规模生产,而且成本低。
文档编号B81C1/00GK102180440SQ201110085240
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者于侃, 于晓梅, 王晓菲 申请人:北京大学


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