[发明专利]一种单晶硅纳米结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳机电系统领域，特别涉及一种应用于微纳机电器件中的单晶硅纳米结构的制作方法。

背景技术

纳米制造技术、纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学是纳米科技的四大领域，其中，纳米制造技术作为纳米技术的中心之一，是糅合其它各种学科的基本“艺术”，是当前纳米科学研究的基础，它不仅为纳米科学各个领域的研究和拓展提供强有力的手段，而且是未来纳米产业的支柱，尤其在纳米电子学领域。纳米制造技术是纳米电子学发展的源动力，两者的融合标志着人类的科学技术将进入到一个跨时代的发展阶段。

目前制造纳米结构的方法主要有“自下而上”的化学合成和自组装、模板制造以及“自上而下”微纳机械制造方法。虽然不同的技术对于生产特定的结构是非常重要的，但是无人能提供一个全面的解决方案来制造纳米结构，这是由于各方法存在不同缺点，如形态中有限的适应性、狭窄的应用领域、复杂的实验装置等。

近年来，半导体纳米材料和器件研究得到人们的高度重视，利用“自下而上”制备技术和模板制造技术，人们生长制备出Cde、CdSe、CdS、HgS、CdHgTe、Si、Ge、SiGe等材料的量子点、纳米线、纳米管结构，基于这些材料的半导体纳米器件表现出的新颖物理性能为微电子和光电子器件的发展提供了契机。但这类方法制备出的量子点、量子线、纳米管等结构一是结构的三维尺度不易于独立控制，二是不易实现跨微纳尺度的加工，以实现电互连，最重要的是这种技术不能制备出高质量、低缺陷态密度的单晶硅纳米结构。

“自上而下”的微纳机械加工技术是制备单晶硅纳米结构的可行制造方法。利用微纳机械加工技术，研究人员制备出单晶硅纳米悬臂梁，并实现了其高灵敏度的生化传感检测应用，纳米悬臂梁的质量测量分辨率可达到10^-21g[Yang，Y.T.et al.Nano Lett.6，583-586(2006)；Arlett，J.L.et al.Nano Lett.6，1000-1006(2006)]；研制的单晶硅纳米线(硅NWs)可以与MOSFET结合进行诸如蛋白质，DNA等生物大分子的检测[Clara Moldovan et al.Semiconductor Conference，2009.CAS 2009.International.Vol.2.pp.549-552]，也可用于光子晶体研究[V.Poborchii，T.Tada，T.Kanayama，Opt.Commun.，vol.210，pp.285-290，2002]。目前，自上而下制备单晶硅纳米结构的主要方法是电子束直写方法，电子束直写是一个非常昂贵和耗时的工艺。另外的方法是侧墙掩膜技术和光刻胶灰化技术。这两种方法均是先利用淀积的材料或者硅化的光刻胶形成侧墙，再以此作为掩膜进行刻蚀，得到纳米线，但是线宽可控程度不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种单晶硅纳米结构的制作方法，该方法制作成本低，工艺简单可靠，与微机械加工工艺及IC工艺兼容，而且容易实现跨毫米、微米、纳米尺度的加工。

本发明方法可在硅基片或SOI硅片上加工单晶硅纳米结构，可加工的结构包括但不限于硅纳米线和纳米点，所加工出的单晶硅纳米结构可应用于制作微纳机电传感器件和纳米量子器件。

本发明利用硅热氧化过程中的侧向氧化消耗硅来制作单晶硅纳米结构。根据迪尔-格罗夫模型，硅的热氧化分为4个连续的过程：

1)氧化剂从气体内部以扩散的形式穿过气体-衬底附面层运动到气体-SiO₂界面；

2)氧化剂以扩散的形式穿过二氧化硅，到达二氧化硅-硅界面；

3)氧化剂在硅表面与硅反应生成二氧化硅；

4)反应的副产物离开界面。

在准静态近似的条件下，得到二氧化硅的厚度x与氧化时间t的关系为：

x=A21+t+τA2/4B-1]]>