本发明公开了一种硅悬臂梁结构，包括带悬臂梁的硅片基底，在所述悬臂梁上刻蚀有凹槽，所述凹槽两个侧壁上分别设有多个圆孔结构，且两个侧壁上的圆孔结构呈一一对称设置，每个所述圆孔结构上淀积有锡纳米催化剂层，且每对呈一一对称设置的圆孔结构之间通过硅锗异质结纳米线连接，所述硅锗异质结纳米线呈列阵结构排布。本发明还公开了上述硅悬臂梁结构的制备方法，本发明硅悬臂梁结构采用列阵式硅锗异质结纳米线作为敏感源，由于硅锗异质结纳米线具有灵敏的压阻特性，因此本发明硅悬臂梁结构具有高灵敏度和精确度；本发明制备方法的掩膜版为铬版，铬版能使光刻图形分辨率更高，从而使本发明结构更加精细。
1.一种硅悬臂梁结构，其特征在于：采用如下步骤制备而成：
步骤1，对硅片基底进行预处理，对单晶硅片表面进行热氧化处理，得到表面覆盖有二氧化硅层的单晶硅片；
步骤2，利用所需图形的铬版作掩膜版，在步骤1单晶硅片的下表面光刻出一个矩形窗口，再以二氧化硅为掩膜，将单晶硅片在KOH腐蚀液中腐蚀，得到窗口的深度为225um；
步骤3，利用所需图形的铬版作掩膜版，在步骤2单晶硅片的上表面涂胶，将单晶硅片的上、下表面均对准光刻掩膜版，利用SUSS光刻机在单晶硅片的上表面蚀刻出开口结构；
步骤4，利用所需图形的铬版作掩膜版，在步骤3单晶硅片的上表面甩胶套刻出凹槽结构，利用光刻胶作为掩膜层，采用干法刻蚀硅法使步骤3的开口结构深度达到10um，刻蚀硅完成后去除光刻胶和单晶硅片下表面的导热油并用去离子水清洗干净；
步骤5，将步骤4的单晶硅片置于温度78℃、质量百分比为40％的KOH溶液中进行腐蚀，直至光刻胶掩膜脱落，凹槽结构被向下刻蚀10um，形成悬臂梁所需的凹槽结构；
步骤6，将步骤5的单晶硅片正面涂胶烘干形成保护层，在氢氟酸缓冲液中去除悬臂梁背面的氧化层，去除正面的光刻胶然后从背面利用ICP干法释放悬臂梁；
步骤7，用光刻定位法先去除步骤5凹槽侧壁上的氧化层，再在侧壁上刻出圆孔结构；
步骤8，利用电沉积法在步骤7圆孔结构上沉积出锡纳米催化剂层；
步骤9，将步骤8的单晶硅片置于450-470℃温度下，先向容器中注入苯硅烷液体，热分解产生硅烷气体，将硅烷气体作为前导气体，利用前导气体在锡纳米催化剂层表面生长出硅纳米片段；接着将温度降至420-440℃，停止硅纳米片段的生长，向容器中注入三苯基锗烷液体，热分解产生锗烷气体，将锗烷气体作为前导气体，在硅纳米片段上生长锗纳米片段；如此反复形成突变界面的硅锗异质结纳米线，直至该硅锗异质结纳米线连接到相对侧壁上的圆孔结构。
2.根据权利要求1所述的硅悬臂梁结构，其特征在于：步骤1中，所述二氧化硅层的厚度为1.2um。
3.根据权利要求1所述的硅悬臂梁结构，其特征在于：步骤8中，具体的操作方法为：将步骤7的单晶硅片浸没在由混合溶液和表面活性剂组成的微乳液中，对微乳液超声处理20-
40分钟，即可在圆孔结构上沉积出锡纳米颗粒半径为5～10纳米，密度为500～1200每平方微米的锡纳米催化剂层；其中，所述混合溶液与表面活性剂的体积比为1∶6～15，所述混合溶液由浓度为0.01-0.05mol/L的锡盐溶液和浓度为0.2-0.4mol/L的氢氟酸溶液组成，表面活性剂为顺丁烯二酸二异辛酯磺酸盐和正庚烷溶液组成，所述表面活性剂的浓度为0.2-
4.根据权利要求1所述的硅悬臂梁结构，其特征在于：包括带悬臂梁的硅片基底，在所述悬臂梁上刻蚀有凹槽，所述凹槽两个侧壁上分别设有多个圆孔结构，且两个侧壁上的圆孔结构呈一一对称设置，每个所述圆孔结构上淀积有锡纳米催化剂层，每对呈一一对称设置的圆孔结构之间通过硅锗异质结纳米线连接，所述硅锗异质结纳米线呈列阵结构排布。
5.根据权利要求4所述的硅悬臂梁结构，其特征在于：所述硅锗异质结纳米线的半径为
20～80纳米，所述硅锗异质结纳米线阵列的密度为30～80每平方微米。
6.根据权利要求4所述的硅悬臂梁结构，其特征在于：所述锡纳米催化剂层中锡纳米颗粒的半径为5～10纳米，所述锡纳米颗粒的密度为500～1200每平方微米。
一种硅悬臂梁结构及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种以列阵式硅锗异质结纳米线为敏感源的硅悬臂梁结构，还涉及上述悬臂梁结构的制备方法，属于微纳机电领域。
背景技术
[0002] 随着工艺技术的不断革新，微纳机电系统技术作为一个前景无限的交叉学科，已经实现了基本的起步，甚至已有一些方面实现了应用，而且未来的发展也势必是大势所趋。而如今随着对小尺寸发展趋势的要求，纳米技术也越来越多的应用到了微纳机电系统中来，纳米工艺也在不断提高的要求下取得了长足的进步。而纳机电系统这个大领域内，新型纳米结构，工艺制备方法等小方向已经引起了诸多科研工作者的注意。尤其是纳米线在传感方向的潜在应用。目前的技术背景下，由于硅工艺的成熟发展，人们多利用硅纳米线的压阻效应来开发一些新型的压力传感结构。但是随着技术的革新，除了单一的硅纳米线、锗纳米线以外，硅锗异质结纳米线同样吸引大批科研工作者进行研究，并且发现，硅锗异质结纳米线相对于单一的硅纳米线或者锗纳米线具有更灵敏的压阻特性。这就为纳米尺寸下的压力传感器的制作提供的更多可能性，对于目前大尺寸传感器灵敏度和精确度的提高有很大的帮助。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种以列阵式硅锗异质结纳米线为敏感源的硅悬臂梁结构，本发明硅悬臂梁结构采用列阵式硅锗异质结纳米线作为敏感源，使本发明硅悬臂梁结构具有更高的灵敏度和精确度。
[0004] 本发明还要解决的技术问题是提供上述以列阵式硅锗异质结纳米线为敏感源硅悬臂梁结构的制备方法。
[0005] 发明内容：为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：
[0006] 一种硅悬臂梁结构，包括带悬臂梁的硅片基底，在所述悬臂梁上刻蚀有凹槽，所述凹槽两个侧壁上分别设有多个圆孔结构，且两个侧壁上的圆孔结构呈一一对称设置，每个所述圆孔结构上淀积有锡纳米催化剂层，每对呈一一对称设置的圆孔结构之间通过硅锗异质结纳米线连接，所述硅锗异质结纳米线呈列阵结构排布。
[0007] 其中，所述硅锗异质结纳米线的半径为20~80纳米，所述硅锗异质结纳米线阵列的密度为30~80每平方微米。
[0008] 其中，所述锡纳米催化剂层的半径为5~10纳米，所述锡纳米催化剂层的密度为500~1200每平方微米。
[0009] 上述硅悬臂梁结构的制备方法，包括如下步骤：
[0010] 步骤1，预处理步骤，对单晶硅片表面进行热氧化处理，得到表面覆盖有二氧化硅层的单晶硅片；
[0011] 步骤2，利用所需图形的铬版作掩膜版，在步骤1单晶硅片的下表面光刻出一个矩形窗口，以二氧化硅为掩膜，将单晶硅片在KOH腐蚀液中腐蚀，得到窗口的深度为225um；
[0012] 步骤3，利用所需图形的铬版作掩膜版，在步骤2单晶硅片的上表面涂胶，将单晶硅片的上、下表面均对准光刻掩膜版，利用SUSS光刻机在单晶硅片的上表面蚀刻出开口结构；
[0013] 步骤4，利用所需图形的铬版作掩膜版，在步骤3单晶硅片的上表面甩胶套刻出凹槽结构，利用光刻胶作为掩膜层，采用干法刻蚀硅法使步骤3的开口结构深度达到10um，刻蚀硅完成后去除光刻胶和单晶硅片下表面的导热油并用去离子水清洗干净；
[0014] 步骤5，将步骤4的单晶硅片置于温度78℃、质量百分比为40%的KOH溶液中进行腐蚀，直至光刻胶掩膜脱落，凹槽结构被向下刻蚀10um，形成悬臂梁所需的凹槽结构；
[0015] 步骤6，将步骤5的单晶硅片正面涂胶烘干形成保护层，在氢氟酸缓冲液中去除悬臂梁背面的氧化层，去除正面的光刻胶然后从背面利用ICP干法释放悬臂梁；
[0016] 步骤7，用光刻定位法先去除步骤5凹槽侧壁上的氧化层，再在侧壁上刻出圆孔结构；
[0017] 步骤8，利用电沉积法在步骤7圆孔结构上沉积出锡纳米催化剂层；
[0018] 步骤9，将步骤8的单晶硅片置于450-470℃温度下，先向容器中注入苯硅烷液体，热分解产生硅烷气体，将硅烷气体作为前导气体，利用前导气体在锡纳米催化剂层表面生长出硅纳米片段；接着将温度降至420-440℃，停止硅纳米片段的生长，向容器中注入三苯基锗烷液体，热分解产生锗烷气体，将锗烷气体作为前导气体，在硅纳米片段上生长锗纳米片段；如此反复形成突变界面的硅锗异质结纳米线，直至该硅锗异质结纳米线连接到相对侧壁上的圆孔结构。
[0019] 其中，步骤1中，所述二氧化硅层的厚度为1.2um。
[0020] 其中，步骤8中，具体的操作方法为：将步骤7的单晶硅片浸没在由混合溶液和表面活性剂组成的微乳液中，对微乳液超声处理20-40分钟，即可在圆孔结构上沉积出半径为5-10纳米、密度为500-1200每平方微米的锡纳米催化剂层；其中，所述混合溶液与表面活性剂的体积比为1：6~15，所述混合溶液由浓度为0.01-0.05 mol/L的锡盐溶液和浓度为0.2-0.4 mol/L的氢氟酸溶液组成，表面活性剂为顺丁烯二酸二异辛酯磺酸盐和正庚烷溶液组成，所述表面活性剂的浓度为0.2-0.4mol/L。
[0021] 有益效果：相比于现有技术中硅悬臂梁结构采用单一硅纳米线或单一锗纳米线作为敏感源，本发明硅悬臂梁结构采用硅锗异质结纳米线作为敏感源，硅锗异质结纳米线比单一的硅纳米线或单一的锗纳米线具有更灵敏的压阻特性，另外，本发明硅悬臂梁结构中的硅锗异质结纳米线采用阵列方式排布，能够有效解决采用单根纳米线导致硅悬臂梁结构出现灵敏度和精确度不佳的问题，本发明硅悬臂梁结构具有高灵敏度和精确度；本发明制备方法中采用铬版作为掩膜版，铬版能够使光刻图形的分辨率更高，从而使本发明硅悬臂梁结构更加精细，本发明制备方法工艺简单、成本低，适用于工业化生产。
附图说明
[0022] 图1为本发明硅悬臂梁结构的结构示意图；
[0023] 图2为在圆孔结构上沉积出锡纳米催化剂层；
[0024] 图3为在锡纳米催化剂层表面生长出硅纳米片段；
[0025] 图4为在硅纳米片段上生长锗纳米片段；
[0026] 图5为在锗纳米片段上生长硅纳米片段；
[0027] 图6为本发明制备方法中步骤2得到的产品横截面图；
[0028] 图7为本发明制备方法中步骤3得到的产品横截面图；
[0029] 图8为本发明制备方法中步骤4得到的产品横截面图；
[0030] 图9为本发明制备方法中步骤5得到的产品横截面图；
[0031] 图10为本发明制备方法中步骤6得到的产品横截面图；
[0032] 图11为本发明制备方法中步骤7得到的产品横截面图；
[0033] 图12为本发明制备方法中步骤8得到的产品横截面图；
[0034] 图13为本发明制备方法中步骤9得到的产品横截面图。
[0035] 其中，硅片基底1；圆孔结构2；凹槽3；硅锗异质结纳米线4；悬臂梁5；硅纳米片段6；锗纳米片段7；锡纳米催化剂层8；二氧化硅层9；硅杯窗口10；开口结构11；氧化层12；光刻胶层13。
具体实施方式
[0036] 下面结合具体实施例进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0037] 如图1所示，本发明的以硅锗异质结纳米线为敏感源的硅悬臂梁结构，包括带悬臂梁5的硅片基底1，在悬臂梁上4刻蚀有凹槽3，凹槽3两个侧壁上分别设有多个圆孔结构2，且两个侧壁上的圆孔结构2呈一一对称设置，每个圆孔结构2上淀积有锡纳米催化剂层8，每对呈一一对称设置的圆孔结构2之间通过硅锗异质结纳米线4连接，硅锗异质结纳米线4呈列阵结构排布；硅锗异质结纳米线4的半径为20~80纳米，硅锗异质结纳米线4阵列的密度为30~80每平方微米。
[0038] 图2~5为本发明硅悬臂梁结构中硅锗异质结纳米线的生长流程图。
[0039] 图6~13为本发明硅悬臂梁结构制备方法的流程图，本发明硅悬臂梁结构的制备方法，包括如下步骤：
[0040] 步骤1，预处理步骤：选用2英寸的n型（100）双面抛光单晶硅片1，单晶硅片1的厚度为250um，电阻率为3~6Ω/cm，首先分别使用1号和2号清洗液（1号清洗液主要成分丙酮；2号清洗液主要成分为去离子水）对单晶硅片1进行清洗，然后对清洗后的单晶硅片1进行热氧化处理，对得到表面覆盖有二氧化硅层9的单晶硅片1，二氧化硅层9的厚度为1.2um；
[0041] 步骤2，利用所需图形的铬版作掩膜版，在步骤1单晶硅片1的下表面光刻出截面为矩形的硅杯窗口10，（拿开铬版）再以二氧化硅层9为掩膜，将单晶硅片1在浓度40%的KOH腐蚀液中腐蚀，得到硅杯窗口10的深度为225um，得到的产品图形如图6所示；
[0042] 步骤3，利用所需图形的铬版作掩膜版，在步骤2单晶硅片1的上表面涂胶，将单晶硅片的上、下表面均对准光刻掩膜版，寻找到所需刻蚀的位置，利用SUSS光刻机在单晶硅片1的上表面蚀刻出开口结构11，此开口结构11位置必需要在步骤2硅杯窗口10的上方，注意保护单晶硅片1下表面的二氧化硅层9，得到的产品图形如图7所示；
[0043] 步骤4，利用所需图形的铬版作掩膜版，在步骤3单晶硅片1的上表面甩胶套刻出（悬臂梁的）凹槽结构3，利用光刻胶13作为掩膜层，采用干法刻蚀硅法使步骤3的开口结构11深度达到10um，刻蚀硅完成后去除光刻胶13和单晶硅片1下表面的导热油并用去离子水清洗干净，得到的产品图形如图8所示；
[0044] 步骤5，将步骤4的单晶硅片1置于温度78℃、质量百分比为40%的KOH溶液中进行腐蚀，直至光刻胶13掩膜脱落，（此时凹槽结构3与开口结构11同时被向下刻蚀），凹槽结构3被向下刻蚀10um，形成悬臂梁5所需深度的凹槽结构3，得到的产品图形如图9所示；
[0045] 步骤6，将步骤5的单晶硅片1正面涂胶烘干形成保护层，在氢氟酸缓冲液中去除悬臂梁5背面的氧化层，去除正面的光刻胶然后从背面利用ICP干法释放悬臂梁5，得到的产品图形如图10所示；
[0046] 步骤7，在单硅晶片1正面左侧，在凹槽结构3内裸露的硅区域形成30-60um氧化层12，再光刻定位去除步骤5凹槽结构内侧壁上的氧化层，形成用于生长硅锗异质结纳米线4的圆孔结构2，得到的产品图形如图11所示；
[0047] 步骤8，利用电沉积法在步骤7圆孔结构2上沉积出锡纳米催化剂层8，将步骤7的单晶硅片1浸没在由混合溶液和表面活性剂组成的微乳液中，对微乳液超声处理20-40分钟，即可在圆孔结构2上沉积出半径为5-10纳米、密度为500-1200每平方微米的锡纳米催化剂层8；其中，所述混合溶液与表面活性剂的体积比为1：6~15，所述混合溶液由浓度为0.01-0.05 mol/L的锡盐溶液和浓度为0.2-0.4 mol/L的氢氟酸溶液组成（，锡盐溶液与氢氟酸溶液的体积比为1:1），表面活性剂为顺丁烯二酸二异辛酯磺酸盐和正庚烷溶液组成（顺丁烯二酸二异辛酯磺酸盐与正庚烷溶液的体积比为1:1），所述表面活性剂的浓度为0.2-
0.4mol/L，得到的产品图形如图12所示；
[0048] 步骤9，采用高效的溶液气象法（SVG）生长硅锗异质结纳米线4，将步骤8的单晶硅片1置于450-470℃温度下，先向容器中注入苯硅烷液体，热分解产生硅烷气体，将硅烷气体作为前导气体，利用前导气体在锡纳米催化剂层8表面生长出硅纳米片段6；接着将温度降至420-440℃，停止硅纳米片段6的生长，向容器中注入三苯基锗烷液体，热分解产生锗烷气体，将锗烷气体作为前导气体，在硅纳米片段6上生长锗纳米片段7；如此反复形成突变界面的硅锗异质结纳米线，直至该硅锗异质结纳米线4连接到相对侧壁上的圆孔结构2，最后，利用氢氟酸缓冲液去除结构表面氧化层12，得到的产品图形如图13所示。
[0049] 本发明的硅悬臂梁结构，当在结构（正面）右端施加应力，悬臂梁5会产生应变，进而使凹槽3中的列阵式硅锗异质结纳米线敏感源4产生应变，由于本发明硅悬臂梁结构是采用列阵式硅锗异质结纳米线作为敏感源，因此其远远优于单一硅纳米线梁结构的压阻效应，因此本发明结构在应力检测时具有很高的灵敏度和精确度。
