基于MEMS技术制作的硅纳米线及其性质研究

论文摘要

硅纳米线由于特殊的物理性质和潜在的应用前景而越来越受到人们的重视。其较高的比表面积非常适合制作各种传感器，其特殊的机械特性也引发了人们制作纳米谐振器的兴趣。 为实现纳米线的成熟应用首先要解决纳米线的低成本批量制作问题。目前制作硅纳米线的方法中，“自上而下”方法具有高成本和低产率等缺点；“自下而上”则存在定位困难，不便集成等缺点。 本文在MEMS工艺基础上，通过对材料本质的深层认识和简单MEMS工艺的巧妙运用，设计了一种基于各向异性腐蚀和牺牲层工艺的制作流程，在SOI材料上成功地制作出宽度和厚度都在几十纳米到上百纳米范围内的硅纳米线。该工艺流程简单，便于集成，成本低廉，制作出的纳米线均一性好，尺寸可控。在硅纳米线上制作的金属电极保证了良好的欧姆接触；采用缓冲HF腐蚀和CO2超临界干燥使纳米线悬空于衬底之上，便于进行电学表征和制作谐振器。 对大量上述硅纳米线的测量结果表明：纳米线在氧化层保护下其电学性质较稳定，在BHF腐蚀液中去除氧化层后，其表面态随放置在空气中时间而改变。表现在其电学性质有较大的变化。随着放置在空气中时间的推移，纳米线电阻值持续增大，进一步的实验表明，纳米线表面对于空气中水分子的吸附作用在纳米线电学性质的改变中起到了主要作用。 本文还对采用纳米线制作谐振梁的方案进行了设计。计算了三角形截面纳米线的谐振频率。分析和比较了两种驱动和检测方式，以及描述了纳米线谐振器的噪声和Q值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米技术综述
• 1.1.1 纳米技术的定义
• 1.1.2 世界各国对纳米技术的重视
• 1.1.3 纳米技术四大热门研究领域
• 1.2 硅纳米线的研究现状
• 1.2.1 基于硅纳米线的逻辑电路单元
• 1.2.2 基于硅纳米线的量子器件
• 1.2.3 基于硅纳米线的生化传感器
• 1.3 硅纳米线的制造方法
• 1.3.1 自下而上的硅纳米线制造工艺
• 1.3.2 自上而下的硅纳米线制造工艺
• 1.3.3 混合型硅纳米线制造工艺
• 1.4 本论文的工作
• 1.4.1 本论文工作的意义
• 1.4.2 本论文的创新点
• 1.4.3 本论文各章内容
• 第2章 纳米制造技术的基础工艺
• 2.1 氧化工艺
• 2.1.1 应力对纳米线氧化速率的影响
• 2.1.2 局部氧化工艺（LOCOS）
• 2.2 纳米结构的湿法腐蚀
• 2.2.1 各向异性腐蚀原理
• 2.2.2 纳米间隙的各向同性腐蚀
• 2.3 纳米结构的干法刻蚀
• 2.3.1 ICP原理
• 2.3.2 无切换 ICP刻蚀技术
• 2.4 小结
• 第3章 纳米线的制作
• 3.1 材料的选取
• 3.2 制作流程
• 3.2.1 掺杂
• 3.2.2 纳米线结构制作
• 3.2.3 版图设计
• 3.3 工艺问题及解决
• 3.3.1 工艺问题的发现
• 3.3.2 HF腐蚀时间的控制
• 3.4 制作结果
• 3.4.1 工艺过程中的形貌
• 3.4.2 硅纳米线的结构形貌
• 3.4.3 基于硅纳米线的 MOSFET
• 3.4.4 纳米线的均一性
• 3.4.5 挑战纳米线尺寸的极限
• 3.5 流程的改进
• 3.5.1 结构制作
• 3.5.2 整体流程
• 3.6 小结
• 第4章 纳米线的电学特性及应用
• 4.1 氧化层保护下的纳米线的电特性
• 4.2 电阻温度特性
• 4.3 暴露在空气中纳米线的电学性质
• 4.3.1 纳米线释放前后电学性质的变化
• 4.3.2 暴露在空气中的纳米线特性
• 4.4 纳米线的转移特性
• 4.5 纳米线的光伏特性
• 4.6 小结
• 第5章 纳机械与纳谐振器
• 5.1 引言
• 5.1 纳米谐振器的设计
• 5.1.1 纳米谐振器的结构参数
• 5.1.1 纳米谐振器的谐振频率
• 5.2 纳米谐振器的激励与检测
• 5.3.1 洛仑兹力激励与电动势检测法
• 5.3.2 静电力激励与 FET检测法
• 5.3 纳米谐振器的噪声与 Q值分析
• 5.3.1 纳米谐振器的噪声分析
• 5.3.2 纳米谐振器的 Q值分析
• 5.4 NEMS谐振器面临的挑战
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 附件一