專利名稱：用于超高靈敏探測(cè)的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于超高靈敏探測(cè) 的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)的制作方法。
背景技術(shù)：
微納懸臂梁結(jié)構(gòu)是超高靈敏探測(cè)傳感器的核心組元，如掃描力顯微鏡中中的力傳 感器和單光子探測(cè)系統(tǒng)中的超高靈敏諧振器等等，在最近的十幾年已經(jīng)有大量的研究致力 于開(kāi)發(fā)不同需求的微懸臂梁結(jié)構(gòu)。懸臂梁結(jié)構(gòu)通常包括針尖1、懸臂梁2和支撐單元3三部 分，其中，針尖用于實(shí)現(xiàn)與樣品的微觀相互作用(少數(shù)懸臂梁結(jié)構(gòu)中也可以沒(méi)有針尖)，懸 臂梁是懸臂梁結(jié)構(gòu)的彈性部分，支撐單元用于固定懸臂梁，某些情況下支撐單元可允許手 動(dòng)操作。到目前為止，許多研究小組已經(jīng)在優(yōu)化針尖和懸臂梁結(jié)構(gòu)方面作了大量工作，成 功地開(kāi)發(fā)了多種較為可靠的懸臂梁結(jié)構(gòu)加工技術(shù)。然而，這些加工技術(shù)很少涉及到優(yōu)化懸 臂梁結(jié)構(gòu)的固支方式。實(shí)際上，固支方式與懸臂梁結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因子、共振頻率和彈性剛度有 密切關(guān)系。而現(xiàn)有的加工方法制備的懸臂梁結(jié)構(gòu)的支撐單元尺寸較大，如商業(yè)產(chǎn)品尺寸一 般大于200 μ m，并且其尺寸和形狀難以精確控制，這樣不僅限制了懸臂梁結(jié)構(gòu)接近樣品的 方式，而且對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)的探測(cè)(如光學(xué)探測(cè))系統(tǒng)提出了很高的技術(shù)要求?，F(xiàn)有的懸臂 梁結(jié)構(gòu)加工方法通常通過(guò)干法反應(yīng)離子深刻蝕或濕法各向異性刻蝕從晶片背面深刻蝕來(lái) 確定支撐單元尺寸(可參考專利文獻(xiàn)US 2008/0000293AU CN 1240995C)。利用反應(yīng)離子 干法刻蝕時(shí)，因晶片厚度變化、光刻精度限制和晶片的深刻蝕的不均勻性等因素的影響，難 以保證支撐單元尺寸的一致性，即在不同晶片制作出的支撐單元和懸臂梁尺寸差別較大， 甚至同一晶片的不同單元間也具有較大偏差，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，支撐單元和懸臂梁的尺寸在不同 晶片間和在同一晶片的不同單元間變化，這種偏差的最小值超過(guò)士5μπι。而利用濕法各向 異性刻蝕晶片時(shí)，支撐單元和懸臂梁的尺寸更加難控制，尺寸偏差的最小值可能達(dá)到幾十 μ m0當(dāng)懸臂梁結(jié)構(gòu)尺寸縮小一個(gè)量級(jí)時(shí)，如30X3X0. Ιμπι3量級(jí)，這一問(wèn)題就顯得更為突 出ο另一方面，在掃描力顯微鏡系統(tǒng)和其它利用懸臂梁結(jié)構(gòu)的高靈敏光學(xué)探測(cè)系統(tǒng) 中，提高靈敏度的一個(gè)重要途徑是優(yōu)化探測(cè)系統(tǒng)。如掃描力顯微鏡系統(tǒng)中，光學(xué)干涉系統(tǒng)被 認(rèn)為是最靈敏的探測(cè)方案，其靈敏度比激光位移探測(cè)方案高幾個(gè)量級(jí)。但是，光學(xué)干涉系統(tǒng) 很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼘?duì)光入射角要求很高。如果在懸臂梁結(jié)構(gòu)的支撐單元制備出一個(gè)臺(tái)階結(jié) 構(gòu)(如圖1所示臺(tái)階4)，這就可以為探測(cè)系統(tǒng)提供足夠大的光入射角，進(jìn)而提高掃描力顯微 鏡系統(tǒng)的性能。因此，目前迫切需要一種能夠精確控制懸臂梁結(jié)構(gòu)的支撐單元的尺寸和幾何形狀 的高精度懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠精確控制支撐單元和懸臂梁的尺寸和幾何形狀的 高精度懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種用于超高靈敏探測(cè)的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制 作方法，其特征在于，包括下列步驟1)對(duì)晶片進(jìn)行光刻和刻蝕，制作出懸臂梁；所述晶片包括硅晶片或含氧化硅中間 層和單晶硅器件層的晶片；2)通過(guò)光刻和刻蝕在晶片正面制備氧化硅掩膜；3)對(duì)晶片背面進(jìn)行光刻和刻蝕，制作出背面溝槽，所述背面溝槽位于懸臂梁的正 下方；4)利用步驟2~)所制備的氧化硅掩膜，從晶片正面利用各向異性干法刻蝕刻穿硅
曰t±" 曰曰/T ；5)利用步驟2)所制備的氧化硅掩膜，從正面利用各向同性干法刻蝕懸臂梁下方 的硅，去除掩膜，釋放懸臂梁。其中，所述步驟1)還包括在制作出懸臂梁前，對(duì)晶片進(jìn)行第一步光刻和刻蝕，在 單晶硅器件層制作出針尖；在制作懸臂梁時(shí)，在帶針尖的單晶硅器件層上進(jìn)行第二步光刻 和刻蝕，制備出懸臂梁，然后通過(guò)熱氧化細(xì)化針尖和形成后續(xù)工藝的氧化硅掩膜。其中，所述步驟1)還包括原始晶片預(yù)處理步驟，所述原始晶片預(yù)處理步驟包括 通過(guò)針尖和懸臂梁的制作工藝以及針尖高度與懸臂梁結(jié)構(gòu)厚度之和，確定單晶硅器件層的 初始厚度，通過(guò)硅外延生長(zhǎng)技術(shù)來(lái)調(diào)整原始晶片使其單晶硅器件層達(dá)到所述初始厚度，然 后對(duì)經(jīng)過(guò)單晶硅器件層外延生長(zhǎng)的晶片進(jìn)行熱氧化。其中，所述步驟1)還包括在制作針尖時(shí)，首先用光刻膠圖形作掩膜，通過(guò)反應(yīng)離 子干法刻蝕制作氧化硅掩膜層；然后用氧化硅掩膜，通過(guò)各向同性反應(yīng)離子干法刻蝕單晶 硅器件層到預(yù)先確定的厚度來(lái)制作針尖。其中，所述步驟1)還包括在制作懸臂梁時(shí)，用厚度稍大于針尖高度的光刻膠作掩 膜，通過(guò)各向異性反應(yīng)離子干法刻蝕單晶硅器件層直到氧化硅中間層，從而制作出懸臂梁。其中，所述步驟2、中，對(duì)帶懸臂梁的晶片進(jìn)行熱氧化，利用光刻膠掩膜，通過(guò)各向 異性反應(yīng)離子干法刻蝕氧化硅為隨后的工藝準(zhǔn)備掩膜，同時(shí)，細(xì)化針尖。其中，所述步驟幻中，用雙面對(duì)準(zhǔn)光刻來(lái)制作光刻膠掩膜，從晶片背面用各向異 性反應(yīng)離子刻蝕硅晶片到預(yù)定深度，然后，在晶片背面生長(zhǎng)導(dǎo)熱薄膜，以保證刻穿晶片時(shí)晶 片仍能被有效冷卻。其中，所述導(dǎo)熱薄膜的厚度為1 μ m。其中，所述晶片由任意取向的原始晶片制備而成，所述原始晶片包括硅晶片或含 氧化硅層和單晶硅器件層的SOI片。其中，所述步驟4)中，所述各向異性干法刻蝕為各向異性反應(yīng)離子干法刻蝕。其中，所述步驟幻中，所述各向同性干法刻蝕為各向同性反應(yīng)離子干法刻蝕。其中，所述步驟5)中，利用緩沖氫氟酸去除氧化硅掩膜，釋放懸臂梁。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果(1)本發(fā)明的方法能夠更加精確地控制懸臂梁結(jié)構(gòu)和支撐單元的幾何尺寸和形
5狀，從而提高懸臂梁結(jié)構(gòu)的性能；特別地，本發(fā)明尤其適合于超小(長(zhǎng)度L < 30 μ m，寬度W < 5μπι，厚度h < 250nm)單晶硅懸臂梁結(jié)構(gòu)的制備；(2)本發(fā)明的方法能夠方便地制備出圖1(b)所示的臺(tái)階4結(jié)構(gòu)，從而為探測(cè)系統(tǒng) 提供足夠大的光入射角；(3)本發(fā)明的方法能夠優(yōu)化支撐單元的剛度，從而降低機(jī)械能量損失；(4)本發(fā)明具有簡(jiǎn)單、高精度、高成品率的優(yōu)勢(shì)，適合于大規(guī)模生產(chǎn)； (5)本發(fā)明的方法適合于任何取向的晶片。


圖1 (a)和圖1 (b)分別為微納懸臂梁結(jié)構(gòu)的俯視圖和縱剖視圖；其中MN為剖線； 圖1(c)為微納懸臂梁結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片；圖2(a) 圖2(m)是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中微納懸臂梁結(jié)構(gòu)的制作工藝流程示意 圖，圖2 (η)是與圖2(m)對(duì)應(yīng)的俯視圖；圖3(a)和圖3(b)分別是支撐端加固的懸臂梁結(jié)構(gòu)的俯視圖和縱剖視圖；圖4(a)和圖4(b)分別是不同取向的雙端固支懸臂梁結(jié)構(gòu)的示意圖。圖面說(shuō)明1為針尖，2為懸臂梁，3為支撐單元，4為臺(tái)階，5為加固結(jié)構(gòu)，6和7分別為不同 取向的雙端固支的懸空結(jié)構(gòu)，8為雙端固支的支撐單元，10為硅晶片，11為氧化硅中間層， 12為單晶硅器件層，13為熱氧化生長(zhǎng)的氧化硅掩膜，14為各向同性干法刻蝕單晶硅器件層 制作的針尖，15為用干法刻蝕單晶硅器件層制作懸臂梁結(jié)構(gòu)的光刻膠掩膜，16為在單晶硅 器件層制作的懸臂梁結(jié)構(gòu)，17為通過(guò)熱氧化細(xì)化的針尖，18為第二次熱氧化生長(zhǎng)的氧化硅 層，19為光刻膠掩膜，20為氧化硅掩膜，21為晶片雙面光刻制作的光刻膠掩膜，22為氧化硅 掩膜，23為各向異性反應(yīng)離子刻蝕Si晶片到預(yù)定深度所形成的Si晶片減薄區(qū)域二4為導(dǎo) 熱薄膜，25為晶片被刻穿處，26為懸臂梁下面的被各向同性刻蝕的Si晶片減薄區(qū)域位置， 27為懸臂梁，28為支撐單元的臺(tái)階
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。首先，以掃描力顯微鏡中的力傳感器微納懸臂梁結(jié)構(gòu)為例，說(shuō)明微納懸臂梁結(jié)構(gòu) 的尺寸和形狀對(duì)其機(jī)械性能(如諧振頻率和品質(zhì)因子)的影響。掃描力顯微鏡力分辨率和懸臂梁結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能關(guān)系為
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權(quán)利要求
1.一種用于超高靈敏探測(cè)的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，包括下列步驟1)對(duì)晶片進(jìn)行光刻和刻蝕，制作出懸臂梁；所述晶片包括硅晶片或含氧化硅中間層和 單晶硅器件層的晶片；2)通過(guò)光刻和刻蝕在晶片正面制備氧化硅掩膜；3)對(duì)晶片背面進(jìn)行光刻和刻蝕，制作出背面溝槽，所述背面溝槽位于懸臂梁的正下方；4)利用步驟幻所制備的氧化硅掩膜，從晶片正面利用各向異性干法刻蝕刻穿硅晶片；5)利用步驟幻所制備的氧化硅掩膜，從正面利用各向同性干法刻蝕懸臂梁下方的硅， 去除掩膜，釋放懸臂梁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述步驟1)還包括 在制作出懸臂梁前，對(duì)晶片進(jìn)行第一步光刻和刻蝕，在單晶硅器件層制作出針尖；在制作懸 臂梁時(shí)，在帶針尖的單晶硅器件層上進(jìn)行第二步光刻和刻蝕，制備出懸臂梁，然后通過(guò)熱氧 化細(xì)化針尖和形成后續(xù)工藝的氧化硅掩膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述步驟1)還包括 原始晶片預(yù)處理步驟，所述原始晶片預(yù)處理步驟包括通過(guò)針尖和懸臂梁的制作工藝以及 針尖高度與懸臂梁結(jié)構(gòu)厚度之和，確定單晶硅器件層的初始厚度，通過(guò)硅外延生長(zhǎng)技術(shù)來(lái) 調(diào)整原始晶片使其單晶硅器件層達(dá)到所述初始厚度，然后對(duì)經(jīng)過(guò)單晶硅器件層外延生長(zhǎng)的 晶片進(jìn)行熱氧化。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述步驟1)還包括 在制作針尖時(shí)，首先用光刻膠圖形作掩膜，通過(guò)反應(yīng)離子干法刻蝕制作氧化硅掩膜層；然后 用氧化硅掩膜，通過(guò)各向同性反應(yīng)離子干法刻蝕單晶硅器件層到預(yù)先確定的厚度來(lái)制作針 尖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述步驟1)還包括 在制作懸臂梁時(shí)，用厚度稍大于針尖高度的光刻膠作掩膜，通過(guò)各向異性反應(yīng)離子干法刻 蝕單晶硅器件層直到氧化硅中間層，從而制作出懸臂梁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述步驟2)中，對(duì)帶 懸臂梁的晶片進(jìn)行熱氧化，利用光刻膠掩膜，通過(guò)各向異性反應(yīng)離子干法刻蝕為隨后的工 藝準(zhǔn)備掩膜，同時(shí)，細(xì)化針尖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述步驟3)中，用雙 面對(duì)準(zhǔn)光刻來(lái)制作光刻膠掩膜，從晶片背面用各向異性反應(yīng)離子刻蝕硅晶片到預(yù)定深度， 然后，在晶片背面生長(zhǎng)導(dǎo)熱薄膜，以保證刻穿晶片時(shí)晶片仍能被有效冷卻。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述導(dǎo)熱薄膜的厚 度為1 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述晶片為任意取 向的晶片，所述原始晶片包括硅晶片或含氧化硅層和單晶硅器件層的SOI片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述步驟4)中，所 述各向異性干法刻蝕為各向異性反應(yīng)離子干法刻蝕。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述步驟5)中，所 述各向同性干法刻蝕為各向同性反應(yīng)離子干法刻蝕。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于，所述步驟5)中，利 用緩沖氫氟酸去除氧化硅掩膜，釋放懸臂梁。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于超高靈敏探測(cè)的微納懸臂梁結(jié)構(gòu)制作方法，包括下列步驟1)對(duì)晶片進(jìn)行光刻和刻蝕，制作出懸臂梁；2)通過(guò)光刻和刻蝕在晶片正面制備氧化硅掩膜；3)對(duì)晶片背面進(jìn)行光刻和刻蝕，制作出背面溝槽，所述背面溝槽位于懸臂梁的正下方；4)利用步驟2)制備的掩膜，從晶片正面利用各向異性干法刻蝕刻穿硅晶片；5)利用步驟2)制備的掩膜，從正面利用各向同性干法刻蝕懸臂梁下方的硅，并在緩沖氫氟酸中去除氧化硅以釋放懸臂梁。本發(fā)明各步驟采用的都是通常的微納機(jī)電系統(tǒng)的加工方法，可靠性高，成品率高、加工精度高、能夠精確制備各種形狀和尺寸的懸臂梁結(jié)構(gòu)，并且可適用于各種不同取向的晶片，易于產(chǎn)業(yè)化。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102139855SQ201010106789
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者曹立新, 李位勇, 許波, 趙柏儒, 韓燁 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所