[發明專利]一種硅納米孔洞的孔徑調節方法

有效

• 申請號: 201210067841.5
• 申請日: 2012-03-14
• 公開（公告）號: CN102583230A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 馮俊波;郭進;滕婕;宋世嬌
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第三十八研究所
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 合肥金安專利事務所 34114
• 代理人: 王挺

技術領域

本發明屬于硅納米孔洞的加工和制備技術領域，具體涉及一種硅納米孔洞的孔徑調節方法。

背景技術

隨著微納加工技術的發展，可實現的結構尺寸越來越小，加工精度也越來越高。但是任何制備手段都有誤差，特別是需要經過多步加工工藝才能實現的結構，實驗結果和設計的期望相差很大。盡管人們采用多種方法來優化工藝參數以盡量減小誤差，但是由于制備工藝而帶來的尺寸偏移仍然不可避免。

以最常用的MEMS納米孔加工工藝為例，制備工藝一般至少包含光刻工藝和刻蝕工藝。由于制備過程中光的衍射效應(紫外曝光)或鄰近效應(電子束曝光)、顯影條件、刻蝕側壁保護等多種因素，制備出的納米孔的大小和設計值存在較大偏差。此時人們一般采用預先估計偏差值的大小，通過改變設計值的方法來補償工藝所帶來的偏差。但這種補償方法不但靈活性較差，而且由于不同的結構、不同的工藝條件所帶來的偏差值是不一樣的，因此準確估算該偏差非常困難，從而容易造成補償上的二次偏差。

在一些對尺寸大小要求非常嚴格的應用中，如納米光學器件，若制備出的孔洞大小偏差較大，則這種偏差較大的納米光學器件往往只能作為次品浪費掉。因此業界迫切需要一種能精密控制或調節孔徑大小的方法，特別是能夠在器件制備完成后精確調節孔徑大小的方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種硅納米孔洞的孔徑調節方法，本孔徑調節方法能夠精確調節硅納米孔洞的大小，并且可以實現多次調節，直至滿足設計要求。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：一種硅納米孔洞的孔徑調節方法，其包括如下步驟：

1)、通過檢測手段測量出硅納米孔洞的直徑為D1；

2)、計算出直徑D1與期望值D2的偏差Δ，并按下述兩種情況進行操作：

a)、若直徑D1大于期望值D2，此時Δ＝D1-D2，將帶有硅納米孔洞的器件加熱氧化，控制氧化時間使硅納米孔洞內壁的硅被氧化掉的厚度為r，r＝(Δ/2)×(44/56)，然后檢測氧化后的硅納米孔洞的直徑是否達到期望值D2，如果是則停止操作，如果否則重復步驟2)，直至獲得期望的孔洞大小；

b)、若直徑D1小于期望值D2，此時Δ＝D2-D1，則首先將帶有硅納米孔洞的器件加熱氧化，控制氧化時間使硅納米孔洞內壁的硅被氧化掉的厚度為Δ/2；接著用氫氟酸溶液腐蝕掉生成的二氧化硅層，最后檢測腐蝕掉二氧化硅層后的硅納米孔洞的直徑是否達到期望值D2，如果是則停止操作，如果否則重復步驟2)，直至獲得期望的孔洞大小。

本孔徑調節方法還可以通過以下方式得以進一步實現：

所述步驟a)中，將帶有硅納米孔洞的器件放入氧化爐中，采用干法氧化的方法加熱氧化。

所述步驟b)中，氧化時將帶有硅納米孔洞的器件放入氧化爐中，采用干法氧化的方法加熱氧化。

優選的，所述步驟b)中，氫氟酸溶液的濃度值為2％～15％。

本發明主要利用了如下反應原理：

1)、本孔徑調節方法主要利用硅的熱氧化過程所產生的形變和質變來實現的。

硅的熱氧化溫度一般控制在800攝氏度到1200攝氏度之間。硅的熱氧化根據所用的氧化氣體不同而分為濕法氧化和干法氧化兩種。濕法氧化使用水蒸汽作為氧化氣體，干法氧化使用氧氣作為氧化氣體。通常干法氧化速度慢但致密性好。為了很好地控制氧化生成的二氧化硅層的厚度，可以優先選用干法氧化的方法。

在氧化爐里，干法氧化發生如下反應：

Si+O₂→SiO₂

根據上面的化學反應，被消耗掉的硅可以根據硅和二氧化硅的分子量和相對密度嚴格計算出來。被消耗掉的硅的厚度是最終生成的二氧化硅厚度的44％，例如：熱氧化得到100nm的二氧化硅則意味著44nm的硅被氧化，也即少量的硅氧化后生成較多量的二氧化硅，因此可以利用硅的氧化來減小硅納米孔洞的直徑。

硅熱氧化的速率依賴于氧化時間、溫度和氣壓。更具體的來說，氧化速率隨著氧化溫度和氣壓的增大而增大。硅熱氧化的速度已經有很精確的理論模型，比如Deal-Grove?Model(也即迪爾-格羅夫模型)，而且與實驗值符合地很好，因此硅氧化過程是可以精確控制的。

2)、對于經過硅氧化處理后的硅納米孔洞，通常僅包括兩種材料：硅和二氧化硅。

氫氟酸溶液對硅和二氧化硅這兩種材料的腐蝕選擇性很高，也即氫氟酸溶液較容易腐蝕二氧化硅，而難以腐蝕硅，因此可以采用氫氟酸溶液對二氧化硅層進行處理以使硅納米孔洞的直徑擴大。