專利名稱：一種在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法，特別是涉及一種在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
1959年諾貝爾得主Richard Feynman在加州理工學(xué)院美國物理年會作了“There's Plenty of Room at the Bottom”的演講,其中闡述了其關(guān)于納米技術(shù)的理論和原則，提出了這些技術(shù)將如何改變世界，標(biāo)志著納米技術(shù)的產(chǎn)生。與大尺度材料相比，納米尺度(0.Γ ΟΟηπι)的器件和材料有著特別而仙豬的區(qū)別。從1990在IBM實驗室中產(chǎn)生的第一個納米制造試驗至今，納米技術(shù)得到了急速的發(fā)展，已然成為近20年來突破發(fā)展最快的技術(shù)之一。納米探針作為納米技術(shù)的其中一種應(yīng)用模型，已經(jīng)在物理、化學(xué)和生物等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和研究，可用于制造多種納米傳感器，尤其在生物領(lǐng)域，納米尺度的探針被極其廣泛的應(yīng)用于提取和轉(zhuǎn)移細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)如DNA或用于探測細(xì)胞電信號的電極，其尺度上的優(yōu)勢是傳統(tǒng)技術(shù)無法比擬的。目前制備納米探針的技術(shù)多種多樣，其中多以碳納米管(CNT)沉積為主，即利用FIB沉積一層Pt作探針后在其上通過電沉積形成CNT做針尖，這類方法制作的納米探針在尺寸上可以達到10納米左右的尺寸，尖銳度高，但是在集成化和規(guī)模化生產(chǎn)方面有著難以逾越的障礙。本發(fā)明提出的硅錐體結(jié)構(gòu)制備方法則只需要常規(guī)的MEMS工藝，通過ICP干法刻蝕、各向異性濕法腐蝕和氧化工藝即可制作出頂端直徑為 (Γιοο納米，集成度高，可規(guī)模化生產(chǎn)的硅錐體結(jié)構(gòu)，其成本低廉，制作方便，在納米探針領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中納米探針難以實現(xiàn)集成化和規(guī)?；a(chǎn)的問題。為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法至少包括以下步驟:I)提供一(111)型娃片，于該娃片表面制作至少具有3個兩兩相鄰的刻蝕窗口的掩膜圖形；2)采用ICP干法刻蝕工藝，將各該刻蝕窗口下方的硅片ICP干法刻蝕至一預(yù)設(shè)深度；3)對各該刻蝕窗口下方的硅片進行各向異性濕法腐蝕，形成上下表面為六邊形的多個腐蝕槽，且相鄰的3個腐蝕槽的交界處形成由上錐部、下錐部及連接部組成的沙漏結(jié)構(gòu)；
4)采用自限制氧化工藝對上述所得結(jié)構(gòu)進行熱氧化，使所述沙漏結(jié)構(gòu)的連接部完全氧化成氧化硅，且使所述下錐部表面逐漸氧化以于所述下錐部內(nèi)部形成硅錐體結(jié)構(gòu)；5)去除所述連接部的氧化硅以使所述上錐部和下錐部分離，同時去除所述下錐部表面的氧化硅，形成連接在硅片上的硅錐體結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)中相鄰的兩個腐蝕槽之間具有與所述沙漏結(jié)構(gòu)相連的薄壁結(jié)構(gòu)；步驟4)在進行自限制氧化工藝時還同時將所述薄壁結(jié)構(gòu)氧化成氧化硅；步驟5)中在去除氧化硅時還同時將所述薄壁結(jié)構(gòu)去除。進一步地，所述薄壁結(jié)構(gòu)與所述硅片上表面的夾角為69.5° 71.5°。作為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，采用ICP干法刻蝕法對所述硅片進行刻蝕作為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，相鄰的兩個刻蝕窗口之間的最小距離 為I μ m~1ΟΟ μ m。作為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，所述預(yù)設(shè)深度為IOOnm~lOO μ m。作為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)中，各向異性濕法腐蝕的時間為10分鐘 100小時。作為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，所述六邊形的每個內(nèi)角均為120°，各邊均沿〈110〉晶向，各該腐蝕槽的側(cè)壁均在{111}晶面族內(nèi)。作為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法的一種優(yōu)選方案，所述下錐部及所述硅錐體結(jié)構(gòu)均為三棱錐結(jié)構(gòu)。如上所述，本發(fā)明提供一種在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟:I)提供一(111)型硅片，于該硅片表面制作至少具有3個兩兩相鄰的刻蝕窗口的掩膜圖形；將各該刻蝕窗口下方的硅片ICP干法刻蝕至一預(yù)設(shè)深度；對各該刻蝕窗口下方的硅片進行各向異性濕法腐蝕,形成上下表面為六邊形的多個腐蝕槽,且相鄰的3個腐蝕槽的交界處形成由上錐部、下錐部及連接部組成的沙漏結(jié)構(gòu)；采用自限制氧化工藝對上述所得結(jié)構(gòu)進行熱氧化，使所述沙漏結(jié)構(gòu)的連接部完全氧化成氧化硅，且使所述下錐部表面逐漸氧化以于所述下錐部內(nèi)部形成硅錐體結(jié)構(gòu)；去除所述連接部的氧化硅以使所述上錐部和下錐部分離，同時去除所述下錐部表面的氧化硅，形成連接在硅片上的硅錐體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的方法可以用于制作具有確定結(jié)構(gòu)的硅錐體結(jié)構(gòu)陣列，該硅錐體結(jié)構(gòu)陣列可以作為納米探針陣列使用，本發(fā)明只需要常規(guī)的MEMS工藝，通過ICP干法刻蝕、各向異性濕法腐蝕和氧化工藝即可制作出頂端直徑達到10 100納米，集成度高，可規(guī)?；a(chǎn)的硅錐體結(jié)構(gòu)，其成本低廉，制作方便，在納米探針領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。


圖1顯示為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，在(111)型硅片一定深度、任意形狀的槽形腐蝕窗口下，硅片各向異性濕法腐蝕形成的腐蝕槽平面示意圖。圖2顯示為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法中的設(shè)計原理示意圖。
圖:T圖5顯示為不同的排列的正三角形刻蝕窗口所獲得的三個腐蝕槽交界處各種不同情況的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6 7顯示為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法步驟I)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8顯示為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法步驟2)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9顯示為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法步驟3)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10顯示為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法步驟4)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖11 圖12顯示為本發(fā)明的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法步驟5)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。元件標(biāo)號說明101硅片102掩膜圖形103刻蝕窗口104腐蝕槽105上錐部106連接部107下錐部108硅錐體結(jié)構(gòu)109氧化硅
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖f圖12。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。本實施例提供一種在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，該方法根據(jù)目標(biāo)硅錐體結(jié)構(gòu)的參數(shù)、計算預(yù)設(shè)的刻蝕窗口 103陣列的形狀參數(shù)、排列規(guī)則、以及對刻蝕窗口103內(nèi)硅片101ICP干法刻蝕的深度，從而控制相應(yīng)的工藝參數(shù)，實現(xiàn)目標(biāo)形狀的硅錐體結(jié)構(gòu)。圖1顯示為(111)晶 面的硅片的各向異性濕法腐蝕原理圖，如圖所示，在(111)晶面型的硅片101表面，當(dāng)有任意形狀、一定深度的槽形腐蝕窗口時，經(jīng)過單晶硅各向異性濕法腐蝕后將形成上下表面均為六邊形的腐蝕槽104，每個六邊形的所有內(nèi)角均為120°。其中，AB邊、BC邊、⑶邊、DE邊、EF邊、FA邊構(gòu)成腐蝕槽104的上表面六邊形，A’ B’邊、B’ C，邊、C’ D’邊、D’ E’邊、E’ F’邊、F’ A’構(gòu)成腐蝕槽104的下表面六邊形，并且這十二條邊均沿〈110〉晶向族。上下兩個六邊形在平面上投影的交點分別記為H、1、J、K、L、M、N。其中，AB邊、B’ C’邊、⑶邊、D’ E’邊、EF邊、F’ A’邊垂直投影圍成的六邊形為預(yù)設(shè)任意形狀腐蝕槽104105的內(nèi)角均為120°的最小外接六邊形。腐蝕槽104的六個側(cè)壁均在{111}晶面族內(nèi)，與上表面的夾角Θ為70.5° ±1°。由此可知，當(dāng)所述刻蝕窗口 103的形狀和腐蝕槽104的預(yù)設(shè)深度確定后，最終在各向異性濕法腐蝕后的腐蝕槽104的形狀也將確定。根據(jù)刻蝕窗口的形狀和排列、以及腐蝕槽腐蝕深度的不同，當(dāng)3個刻蝕窗口兩兩相鄰時，在對各該腐蝕槽進行各向異性濕法腐蝕后，其交界處所形成的結(jié)構(gòu)一般會出現(xiàn)三種情況，第一種情況是于交界處形成單一正立的錐體結(jié)構(gòu)，第二種情況是于交界處形成單一倒立的錐體結(jié)構(gòu)，第三種情況是于交界處形成由上錐部、下錐部及連接部組成的沙漏結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過控制刻蝕窗口的形狀和排列、以及腐蝕槽的深度，可以精確地控制目標(biāo)硅錐體結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)。如圖f圖5所示，以下提供一個本發(fā)明的具體設(shè)計方案，如圖2所示，刻蝕窗口圖形為邊長為I2的正三角形，底邊與[112]晶向(圖中水平方向)的偏轉(zhuǎn)角為Θ，以順時針方向為正，其中，記圖1中線段IJ的長度為I1、線段HI的長度為13，Ip I3的大小取決于腐蝕槽深度τ:
權(quán)利要求
1.一種在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步驟: 1)提供一(111)型硅片，于該硅片表面制作至少具有3個兩兩相鄰的刻蝕窗口的掩膜圖形； 2)采用ICP干法刻蝕工藝，將各該刻蝕窗口下方的硅片ICP干法刻蝕至一預(yù)設(shè)深度； 3)對各該刻蝕窗口下方的硅片進行各向異性濕法腐蝕，形成上下表面為六邊形的多個腐蝕槽，且相鄰的3個腐蝕槽的交界處形成由上錐部、下錐部及連接部組成的沙漏結(jié)構(gòu)； 4)采用自限制氧化工藝對上述所得結(jié)構(gòu)進行熱氧化，使所述沙漏結(jié)構(gòu)的連接部完全氧化成氧化硅，且使所述下錐部表面逐漸氧化以于所述下錐部內(nèi)部形成硅錐體結(jié)構(gòu)； 5)去除所述連接部的氧化硅以使所述上錐部和下錐部分離，同時去除所述下錐部表面的氧化硅，形成連接在硅片上的硅錐體結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于: 步驟3)中相鄰的兩個腐蝕槽之間具有與所述沙漏結(jié)構(gòu)相連的薄壁結(jié)構(gòu)；步驟4)在進行自限制氧化工藝時還同時將所述薄壁結(jié)構(gòu)氧化成氧化硅；步驟5)中在去除氧化硅時還同時將所述薄壁結(jié)構(gòu)去除。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述薄壁結(jié)構(gòu)與所述娃片上表面的夾角為69.5° 71.5°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:相鄰的兩個刻蝕窗口之間的最小距離為1 μ m-100 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述預(yù)設(shè)深度為100nm-100 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:步驟4)中,各向異性濕法腐蝕的時間為10分鐘 100小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述六邊形的每個內(nèi)角均為120°，各邊均沿〈110〉晶向，各該腐蝕槽的側(cè)壁均在{111}晶面族內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述下錐部及所述硅錐體結(jié)構(gòu)均為三棱錐結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在(111)型硅片上制作硅錐體結(jié)構(gòu)的方法，先在硅片表面制作至少具有3個兩兩相鄰的刻蝕窗口的掩膜圖形；然后將刻蝕窗口下方的硅片用ICP干法刻蝕至一預(yù)設(shè)深度；進行各向異性濕法腐蝕使3個腐蝕槽的交界處形成由上錐部、下錐部及連接部組成的沙漏結(jié)構(gòu)；進行熱氧化，使所述連接部完全氧化，且使所述下錐部表面氧化以于所述下錐部內(nèi)部形成硅錐體結(jié)構(gòu)；去除所述連接部的氧化硅以使所述上錐部和下錐部分離，同時去除所述下錐部表面的氧化硅，形成硅錐體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明只需要常規(guī)的MEMS工藝，通過ICP干法刻蝕、各向異性濕法腐蝕和氧化工藝即可制作出頂端直徑為10~100納米，集成度高，可規(guī)模化生產(chǎn)的硅錐體結(jié)構(gòu)，其成本低廉，制作方便，在納米探針領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。
文檔編號B81C1/00GK103101876SQ20131002814
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月25日
發(fā)明者李鐵, 俞驍, 王躍林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所