[发明专利]基于SOI材料的复杂NEMS结构的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种NEMS结构的制作方法，尤其是一种基于SOI材料的NEMS结构的制作方法。

背景技术

NEMS(nano-elect ro-mechanical-system，即纳米机电系统)技术是90年代末基于MEMS(micro-electro-mechanical-system，即微米机电系统)技术而提出的一个新概念，是指系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统。一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、界面效应和纳米尺度效应)为工作特征的器件和系统。

NEMS有许多特有的性能：(1)超小质量：NEMS器件的有效质量在a克(10^-18g)量级；(2)超高频率：NEMS器件的机械谐振频率可以高达10GHz(10¹⁰Hz)的微波范围；(3)超低功耗：NEMS器件的功耗很小，其热损耗也在a瓦(10^-18W)，基于NEMS技术的信号处理器或者计算机系统所消耗的能量只有1μW，这比当前同等计算能力的计算机系统消耗的能量少了6个数量级；(4)超高灵敏度：NEMS器件的力灵敏度在10-18牛顿级，质量灵敏度达单个分子级水平；(5)高Q值：NEMS器件的机械品质因数在数万以上，这大大超出了电谐振器目前的水平。对信号处理器件来说，较高的Q值会直接带来较低的插入损耗；(6)超低热容量：NEMS器件的热容量大大低于“幺(10^-24)卡”。这些优越的特性决定了NEMS器件诱人的应用前景，从宏观到微观，从医药技术到生命科学，从制造业到信息通讯等等。新的NEMS器件可以对诸如传感器，医疗诊断，显示和数据存储等产生革命性的影响，将促使信息技术、医疗健康、环境能源、航空航天和国防等各个领域的技术进步取得突破性的发展。随着对NEMS技术研究的不断深入，其应用领域还会逐渐扩大。由于小尺度下产生的一些新的物理特性将影响器件的操作方式和制造手段，因此NEMS对制备技术提出了更高的要求。可重复的、批量化的NEMS结构加工技术是NEMS技术实用化的关键。

NEMS制造技术目前主要有两种途径。一种是由小到大(Bottom-up)的途径，利用分子原子组装技术，把具有某种性质的功能分子、原子，借助内部作用力，精密地构成纳米尺度的分子线、分子膜和其他结构，再由纳米结构与功能单元集成为NEMS，这种加工技术可以实现很多复杂结构的NEMS器件加工，是目前纳米材料领域普遍采用的技术，但是这种加工技术难度较大、可重复性较差、目前较难实现批量生产。

另一种是由大到小(Top-down)的途径，这种技术与现在的微电子和MEMS加工技术类似，主要是利用电子束等超精密光刻技术、电子束蒸发等纳米厚度薄膜生长技术以及高精密湿法腐蚀和高精密各向异性干法刻蚀等技术进行加工，这种技术与微电子、纳电子电路制造技术兼容，易于实现系统集成和批量化生产，是目前NEMS加工技术的主要发展趋势。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种在SOI材料上实现NEMS结构的制造方法，该方法工艺简单、加工精度高，能实现重复、批量生产。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于SOI材料的NEMS结构的制作方法，包括以下步骤：

1)SOI材料的顶层硅片采用热氧化方法氧化，生成二氧化硅，减薄顶层硅片厚度，

2)利用光刻和湿法腐蚀方法将二氧化硅上焊盘、布线以及电子束对位标记对应区域的二氧化硅腐蚀掉，

3)将步骤2)生成的区域采用磁控溅射方法生成金属层，并剥离出焊盘、布线以及电子束对位标记，

4)采用电子束光刻和湿法腐蚀方法将NEMS结构图形区域的二氧化硅腐蚀掉，使NEMS结构图形转移到顶层硅片上，

5)采用感应耦合等离子刻蚀方法将NEMS结构图形对应区域的顶层硅片刻蚀掉，形成NEMS结构，

6)采用HF腐蚀NEMS结构下SOI材料上的二氧化硅牺牲层，采用二氧化碳超临界萃取方法释放NEMS结构，完成制作。

所述步骤1)热氧化方法采用的是湿氧，将SOI材料置于1050℃下的湿氧环境中进行双面热氧化。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用由大到小(Top-down)的途径在SOI材料上实现NEMS结构，符合目前NEMS加工技术的主要发展趋势，具有加工定位准确、加工精度高、可批量、重复制备的特点，对于所能加工的NEMS结构不受晶向限制，能加工出任意形状的NEMS结构。

附图说明