专利名称：一种在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体结构的利记博彩app，特别是涉及一种在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法。
背景技术：
1959年诺贝尔得主Richard Feynman在加州理工学院美国物理年会作了“There's Plenty of Room at the Bottom”的演讲,其中阐述了其关于纳米技术的理论和原则，提出了这些技术将如何改变世界，标志着纳米技术的产生。与大尺度材料相比，纳米尺度(0.Γ ΟΟηπι)的器件和材料有着特别而仙猪的区别。从1990在IBM实验室中产生的第一个纳米制造试验至今，纳米技术得到了急速的发展，已然成为近20年来突破发展最快的技术之一。纳米探针作为纳米技术的其中一种应用模型，已经在物理、化学和生物等领域得到了广泛的应用和研究，可用于制造多种纳米传感器，尤其在生物领域，纳米尺度的探针被极其广泛的应用于提取和转移细胞内物质如DNA或用于探测细胞电信号的电极，其尺度上的优势是传统技术无法比拟的。目前制备纳米探针的技术多种多样，其中多以碳纳米管(CNT)沉积为主，即利用FIB沉积一层Pt作探针后在其上通过电沉积形成CNT做针尖，这类方法制作的纳米探针在尺寸上可以达到10纳米左右的尺寸，尖锐度高，但是在集成化和规模化生产方面有着难以逾越的障碍。本发明提出的硅锥体结构制备方法则只需要常规的MEMS工艺，通过ICP干法刻蚀、各向异性湿法腐蚀和氧化工艺即可制作出顶端直径为 (Γιοο纳米，集成度高，可规模化生产的硅锥体结构，其成本低廉，制作方便，在纳米探针领域具有应用前景。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，用于解决现有技术中纳米探针难以实现集成化和规模化生产的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，所述方法至少包括以下步骤:I)提供一(111)型娃片，于该娃片表面制作至少具有3个两两相邻的刻蚀窗口的掩膜图形；2)采用ICP干法刻蚀工艺，将各该刻蚀窗口下方的硅片ICP干法刻蚀至一预设深度；3)对各该刻蚀窗口下方的硅片进行各向异性湿法腐蚀，形成上下表面为六边形的多个腐蚀槽，且相邻的3个腐蚀槽的交界处形成由上锥部、下锥部及连接部组成的沙漏结构；
4)采用自限制氧化工艺对上述所得结构进行热氧化，使所述沙漏结构的连接部完全氧化成氧化硅，且使所述下锥部表面逐渐氧化以于所述下锥部内部形成硅锥体结构；5)去除所述连接部的氧化硅以使所述上锥部和下锥部分离，同时去除所述下锥部表面的氧化硅，形成连接在硅片上的硅锥体结构。作为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法的一种优选方案，步骤3)中相邻的两个腐蚀槽之间具有与所述沙漏结构相连的薄壁结构；步骤4)在进行自限制氧化工艺时还同时将所述薄壁结构氧化成氧化硅；步骤5)中在去除氧化硅时还同时将所述薄壁结构去除。进一步地，所述薄壁结构与所述硅片上表面的夹角为69.5° 71.5°。作为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法的一种优选方案，采用ICP干法刻蚀法对所述硅片进行刻蚀作为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法的一种优选方案，相邻的两个刻蚀窗口之间的最小距离 为I μ m~1ΟΟ μ m。作为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法的一种优选方案，所述预设深度为IOOnm~lOO μ m。作为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法的一种优选方案，步骤4)中，各向异性湿法腐蚀的时间为10分钟 100小时。作为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法的一种优选方案，所述六边形的每个内角均为120°，各边均沿〈110〉晶向，各该腐蚀槽的侧壁均在{111}晶面族内。作为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法的一种优选方案，所述下锥部及所述硅锥体结构均为三棱锥结构。如上所述，本发明提供一种在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，包括步骤:I)提供一(111)型硅片，于该硅片表面制作至少具有3个两两相邻的刻蚀窗口的掩膜图形；将各该刻蚀窗口下方的硅片ICP干法刻蚀至一预设深度；对各该刻蚀窗口下方的硅片进行各向异性湿法腐蚀,形成上下表面为六边形的多个腐蚀槽,且相邻的3个腐蚀槽的交界处形成由上锥部、下锥部及连接部组成的沙漏结构；采用自限制氧化工艺对上述所得结构进行热氧化，使所述沙漏结构的连接部完全氧化成氧化硅，且使所述下锥部表面逐渐氧化以于所述下锥部内部形成硅锥体结构；去除所述连接部的氧化硅以使所述上锥部和下锥部分离，同时去除所述下锥部表面的氧化硅，形成连接在硅片上的硅锥体结构。本发明的方法可以用于制作具有确定结构的硅锥体结构阵列，该硅锥体结构阵列可以作为纳米探针阵列使用，本发明只需要常规的MEMS工艺，通过ICP干法刻蚀、各向异性湿法腐蚀和氧化工艺即可制作出顶端直径达到10 100纳米，集成度高，可规模化生产的硅锥体结构，其成本低廉，制作方便，在纳米探针领域具有应用前景。
图1显示为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，在(111)型硅片一定深度、任意形状的槽形腐蚀窗口下，硅片各向异性湿法腐蚀形成的腐蚀槽平面示意图。图2显示为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法中的设计原理示意图。
图:T图5显示为不同的排列的正三角形刻蚀窗口所获得的三个腐蚀槽交界处各种不同情况的结构示意图。图6 7显示为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法步骤I)所呈现的结构示意图。图8显示为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法步骤2)所呈现的结构示意图。图9显示为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法步骤3)所呈现的结构示意图。图10显示为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法步骤4)所呈现的结构示意图。图11 图12显示为本发明的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法步骤5)所呈现的结构示意图。元件标号说明101硅片102掩膜图形103刻蚀窗口104腐蚀槽105上锥部106连接部107下锥部108硅锥体结构109氧化硅
具体实施例方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式
加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图f图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本实施例提供一种在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，该方法根据目标硅锥体结构的参数、计算预设的刻蚀窗口 103阵列的形状参数、排列规则、以及对刻蚀窗口103内硅片101ICP干法刻蚀的深度，从而控制相应的工艺参数，实现目标形状的硅锥体结构。图1显示为(111)晶 面的硅片的各向异性湿法腐蚀原理图，如图所示，在(111)晶面型的硅片101表面，当有任意形状、一定深度的槽形腐蚀窗口时，经过单晶硅各向异性湿法腐蚀后将形成上下表面均为六边形的腐蚀槽104，每个六边形的所有内角均为120°。其中，AB边、BC边、⑶边、DE边、EF边、FA边构成腐蚀槽104的上表面六边形，A’ B’边、B’ C，边、C’ D’边、D’ E’边、E’ F’边、F’ A’构成腐蚀槽104的下表面六边形，并且这十二条边均沿〈110〉晶向族。上下两个六边形在平面上投影的交点分别记为H、1、J、K、L、M、N。其中，AB边、B’ C’边、⑶边、D’ E’边、EF边、F’ A’边垂直投影围成的六边形为预设任意形状腐蚀槽104105的内角均为120°的最小外接六边形。腐蚀槽104的六个侧壁均在{111}晶面族内，与上表面的夹角Θ为70.5° ±1°。由此可知，当所述刻蚀窗口 103的形状和腐蚀槽104的预设深度确定后，最终在各向异性湿法腐蚀后的腐蚀槽104的形状也将确定。根据刻蚀窗口的形状和排列、以及腐蚀槽腐蚀深度的不同，当3个刻蚀窗口两两相邻时，在对各该腐蚀槽进行各向异性湿法腐蚀后，其交界处所形成的结构一般会出现三种情况，第一种情况是于交界处形成单一正立的锥体结构，第二种情况是于交界处形成单一倒立的锥体结构，第三种情况是于交界处形成由上锥部、下锥部及连接部组成的沙漏结构。本发明通过控制刻蚀窗口的形状和排列、以及腐蚀槽的深度，可以精确地控制目标硅锥体结构的具体参数。如图f图5所示，以下提供一个本发明的具体设计方案，如图2所示，刻蚀窗口图形为边长为I2的正三角形，底边与[112]晶向(图中水平方向)的偏转角为Θ，以顺时针方向为正，其中，记图1中线段IJ的长度为I1、线段HI的长度为13，Ip I3的大小取决于腐蚀槽深度τ:
权利要求
1.一种在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤: 1)提供一(111)型硅片，于该硅片表面制作至少具有3个两两相邻的刻蚀窗口的掩膜图形； 2)采用ICP干法刻蚀工艺，将各该刻蚀窗口下方的硅片ICP干法刻蚀至一预设深度； 3)对各该刻蚀窗口下方的硅片进行各向异性湿法腐蚀，形成上下表面为六边形的多个腐蚀槽，且相邻的3个腐蚀槽的交界处形成由上锥部、下锥部及连接部组成的沙漏结构； 4)采用自限制氧化工艺对上述所得结构进行热氧化，使所述沙漏结构的连接部完全氧化成氧化硅，且使所述下锥部表面逐渐氧化以于所述下锥部内部形成硅锥体结构； 5)去除所述连接部的氧化硅以使所述上锥部和下锥部分离，同时去除所述下锥部表面的氧化硅，形成连接在硅片上的硅锥体结构。
2.根据权利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，其特征在于: 步骤3)中相邻的两个腐蚀槽之间具有与所述沙漏结构相连的薄壁结构；步骤4)在进行自限制氧化工艺时还同时将所述薄壁结构氧化成氧化硅；步骤5)中在去除氧化硅时还同时将所述薄壁结构去除。
3.根据权利要求2所述的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，其特征在于:所述薄壁结构与所述娃片上表面的夹角为69.5° 71.5°。
4.根据权利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，其特征在于:相邻的两个刻蚀窗口之间的最小距离为1 μ m-100 μ m。
5.根据权利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，其特征在于:所述预设深度为100nm-100 μ m。
6.根据权利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，其特征在于:步骤4)中,各向异性湿法腐蚀的时间为10分钟 100小时。
7.根据权利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，其特征在于:所述六边形的每个内角均为120°，各边均沿〈110〉晶向，各该腐蚀槽的侧壁均在{111}晶面族内。
8.根据权利要求1所述的在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，其特征在于:所述下锥部及所述硅锥体结构均为三棱锥结构。
全文摘要
本发明提供一种在(111)型硅片上制作硅锥体结构的方法，先在硅片表面制作至少具有3个两两相邻的刻蚀窗口的掩膜图形；然后将刻蚀窗口下方的硅片用ICP干法刻蚀至一预设深度；进行各向异性湿法腐蚀使3个腐蚀槽的交界处形成由上锥部、下锥部及连接部组成的沙漏结构；进行热氧化，使所述连接部完全氧化，且使所述下锥部表面氧化以于所述下锥部内部形成硅锥体结构；去除所述连接部的氧化硅以使所述上锥部和下锥部分离，同时去除所述下锥部表面的氧化硅，形成硅锥体结构。本发明只需要常规的MEMS工艺，通过ICP干法刻蚀、各向异性湿法腐蚀和氧化工艺即可制作出顶端直径为10~100纳米，集成度高，可规模化生产的硅锥体结构，其成本低廉，制作方便，在纳米探针领域具有应用前景。
文档编号B81C1/00GK103101876SQ20131002814
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者李铁, 俞骁, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所