一种三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法技术

本发明专利技术提供一种形变可控的三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：根据所需悬臂结构通过理论计算，设计GeSn薄膜的应力分布和厚度，进而设计所需生长的GeSn薄膜中Sn的组分及GeSn薄膜的厚度；然后外延生长GeSn薄膜，通过精确控制GeSn薄膜中Sn的分布及GeSn薄膜的厚度，调控该GeSn薄膜中的应力分布；根据GeSn薄膜的应力分布和悬臂结构图形，对该材料进行光刻和刻蚀，制作出所需悬臂结构。本发明专利技术克服了难以制备全金属实体的三维微纳结构的问题，直接在锗锡材料上制备而成的三维悬臂结构，在高温或者导电方面都比聚合物的三维微结构更有优势。

Method for preparing three-dimensional GeSn micro nano scale cantilever structure

The invention provides a method for producing a three-dimensional GeSn deformation controllable micro nano scale cantilever structure, which is characterized in that the method comprises the following steps: according to the needs of the cantilever structure by theoretical calculation, the design of GeSn thin film stress distribution and thickness, and the design of components and the required GeSn films GeSn thin film growth in Sn the thickness of the epitaxial growth of GeSn films; then, the GeSn film distribution and accurate control of GeSn Sn in the film thickness, the stress distribution regulation of the GeSn film; GeSn film according to the stress distribution and the cantilever structure of the material in graphics, lithography and etching, making required cantilever structure. The invention overcomes the difficult preparation of the 3D entity of all metal micro nano structure, 3D cantilever structure is prepared directly on germanium tin material at high temperature, or both the conductive polymer three-dimensional micro structure has more advantages.

【技术实现步骤摘要】
一种三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法
本专利技术涉及一种制作微纳器件的方法，特别涉及一种形变可控的三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法。
技术介绍
近年来，越来越多的人开始设计研究三维金属微纳结构。因为这种结构在包括微机电系统(MEMS)，等离子体，超导材料，以及生物传感器等领域具有极大的应用前景。如三维碗状金属微纳结构可以用于制作表面增强拉曼散射探测器。其中，微纳尺度的悬臂结构在微机电系统中有很多的应用，结合一些电学结构可作为微纳尺度的压力传感器，加速度计等。由于不同的应用对悬臂结构的形变方向要求不同，因此如果在制备过程中能够控制最终形成的悬臂结构的形变方向，更能推动该结构在微机电系统中的应用。然而，到目前为止，制备真正三维的金属微纳结构一直是一个技术难题。因为传统的光刻技术，包括层层组装结构化的金属结构，都仅仅只能实现有限几层的堆叠，或者是只能实现高纵深比的二维结构。目前实现三维金属微纳结构制备的方法主要包括以下几种：(1)飞秒激光多光子吸收诱导金属离子还原。该方法能够制备纯金属的微纳结构，但是通常情况下直接在液相环境中诱导金属离子还原，更多的是去制备二维结构，能够制备三维结构的成功案例较少。所得结构表面粗糙度较高，并且很容易坍塌。这是由于离子被还原沉积下来的机械强度不够，不足以支撑三维结构，而且由于采用飞秒激光加工而制作成本高，工艺繁杂，难以大面积工业生产使用。(2)飞秒激光技术来直写光刻胶三维微结构，然后再利用化学镀方法加以金属化，是目前大家比较常用的方法。这种方式是在用直写光刻胶制成的三维模板的外壳上，利用化学镀等技术辅助生长一层金属，从而制备三维金属结构。该方法克服了飞秒激光多光子吸收诱导金属离子还原方法所造成的结构表面粗糙度高且容易坍塌的问题。但究其根本，这种三维微结构的内部都是聚合物材质的光刻，所以在高温或者导电等方面的应用很有限，并由于采用飞秒激光加工而制作成本高，工艺繁杂。(3)先利用湿法化学加工，离子刻蚀等方法制备介质材料微纳结构，再利用已制备好的介质材料微纳结构作为模板，然后利用化学或者其它沉积方法来沉积一层金属到模板的表面。这样，就形成了一层金属覆盖的介质微纳结构。这种方法克服了飞秒激光技术制作成本高、工艺繁杂的缺陷，但这种方法制作出的结构并不是全金属实体的结构，其内核实质上是其它介质，在高温或者导电等方面的应用很有限。总的来说现有的三维金属微纳结构制备方式要么由于采用飞秒激光加工而制作成本高，工艺繁杂，且机械强度不够易坍塌，难以大面积工业生产使用，要么难以制作全金属实体的三维结构。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种经济的且工艺简化的形变可控的三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法，以制作机械强度高且全金属实体的三维金属微纳结构。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：提供一种形变可控的三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1根据所需得到的悬臂结构的三维结构，通过理论计算，设计GeSn薄膜的应力分布和厚度；根据GeSn薄膜的应力分布和厚度，通过理论计算，设计所需生长的GeSn薄膜中Sn的组分及GeSn薄膜的厚度；S2利用外延技术在衬底材料上生长一层GeSn薄膜，通过Ge和Sn分子束的束流强度比例精确控制GeSn薄膜中Sn的组分及GeSn薄膜的厚度，调控GeSn薄膜中的应力分布；S3根据GeSn薄膜的应力分布和悬臂结构图形，对该材料进行光刻和刻蚀，制作出GeSn微纳尺度悬臂结构。所述步骤S1中的理论计算为采用商用模拟软件COMSOL进行。所述步骤S2中的衬底材料和GeSn薄膜之间设有一个缓冲层。所述步骤S2中，所述缓冲层的材料为Ge。所述步骤S2中的外延技术包括分子束外延技术、及经分子束外延修改的液滴外延和迁移增强外延的使用蒸发元素的晶体沉积技术。所述步骤S2中的外延技术包括溅射法、脉冲激光沉积的使用离子束的晶体沉积技术。所述步骤S2中的外延技术包括金属有机化学气相外延技术、液相外延技术或热壁外延技术。所述步骤S3中刻蚀为采用湿法腐蚀工艺和反应离子刻蚀工艺进行。所述湿法腐蚀工艺为利用对于GeSn薄膜材料和缓冲层材料的非选择性腐蚀溶液，将设计的图形转移到GeSn薄膜材料和缓冲层材料上。所述反应离子刻蚀工艺为根据GeSn薄膜材料和缓冲层材料，选用选择性反应离子刻蚀，该刻蚀对缓冲层材料刻蚀各向同性，对GeSn薄膜基本不刻蚀。本专利技术提供的三维GeSn微纳尺度悬臂结构，由于直接通过传统的外延技术生长出微纳结构材料，因此不易坍塌；本专利技术利用湿法刻蚀和反应离子刻蚀(RIE)相对于飞秒激光直写技术来说成本较低，且操作方便；锗锡材料的微纳尺度悬臂结构先通过对悬臂结构中GeSn组分和厚度的改变对GeSn薄膜的应力分布进行调控，再结合特定的刻蚀工艺，从而获得所需形变效果的三维GeSb维纳尺度的悬臂结构，克服了难以制备难以制作全金属实体的三维微纳结构的问题；本专利技术并不需要以非金属的介质材料微纳结构为模板进行后续的金属薄膜的制备，是直接在锗锡材料上制备而成的三维悬臂结构，该材料本身耐高温特性好，通过掺杂还能够改变悬臂结构的导电特性，因此在高温或者导电方面都比聚合物的三维微结构更有优势。因此，本专利技术提供了一种操作简单、价格低廉、强度足够且能大面积制备、能够获得所需的悬臂的形变方向的三维GeSn微纳结构的制备方法。附图说明图1为衬底的缓冲层上的GeSn样品湿法刻蚀后的侧视示意图。图2为衬底的缓冲层上的GeSn样品反应离子刻蚀后的侧视示意图。图3为实施例1中利用软件进行应力模拟示意图。图4为实施例1的Ge衬底上GeSn样品湿法刻蚀后侧视的扫描电子显微镜图。图5为实施例1的Ge衬底上GeSn样品反应离子刻蚀后形成的形变向上的三维GeSn微纳尺度悬臂结构侧视的扫描电子显微镜图。图6为实施例1的Ge衬底上GeSn样品反应离子刻蚀后形成的形变向上的三维GeSn微纳尺度悬臂结构侧视的扫描电子显微镜图。其中：1‐GeSn层、2‐缓冲层、3‐衬底、4‐非选择性腐蚀溶液、5‐反应离子气体具体实施方式下面结合附图，给出本专利技术的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本专利技术的功能、特点。本专利技术提出的一种形变可控的三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法包括：S1.设计结构：由于悬臂结构的形变与形成悬臂结构的GeSn薄膜的应力分布和厚度直接相关，所以根据需要得到的三维结构，可以利用模拟软件，如商用软件COMSOL，设计出GeSn薄膜的应力分布和厚度，从而设计悬臂结构尺寸及形状。S2.材料生长：利用外延生长技术在衬底材料上获得GeSn薄膜；通过分别控制从分子束外延设备的Ge和Sn源炉中喷出的分子束的束流强度比例，调控GeSn薄膜中Sn含量；同时，通过控制生长时间与生长速率精确控制GeSn薄膜的厚度，GeSn薄膜的厚度精度为原子层级别；通过GeSn薄膜中Sn组分和GeSn薄膜厚度的控制，调控GeSn薄膜中的应力分布。可以用商用软件COMSOL进行模拟计算，计算所需的GeSn薄膜中的Sn组分和GeSn薄膜的厚度，使得生长得到的GeSn薄膜的应力分布和厚度与步骤1设计的GeSn薄膜的应力分布和厚度相符。其中，锡的含量分布和设计需求有关，随厚度不同而发生变化的。本专利技术尤其适用于Ge本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形变可控的三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1根据所需得到的悬臂结构的三维结构，通过理论计算，设计GeSn薄膜的应力分布和厚度；根据GeSn薄膜的应力分布和厚度，通过理论计算，设计所需生长的GeSn薄膜中Sn的组分及GeSn薄膜的厚度；S2利用外延技术在衬底材料上生长一层GeSn薄膜，通过Ge和Sn分子束的束流强度比例精确控制GeSn薄膜中Sn的组分及GeSn薄膜的厚度，调控GeSn薄膜中的应力分布；S3根据GeSn薄膜的应力分布和悬臂结构图形，对该材料进行光刻和刻蚀，制作出GeSn微纳尺度悬臂结构。

【技术特征摘要】
1.一种形变可控的三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1根据所需得到的悬臂结构的三维结构，通过理论计算，设计GeSn薄膜的应力分布和厚度；根据GeSn薄膜的应力分布和厚度，通过理论计算，设计所需生长的GeSn薄膜中Sn的组分及GeSn薄膜的厚度；S2利用外延技术在衬底材料上生长一层GeSn薄膜，通过Ge和Sn分子束的束流强度比例精确控制GeSn薄膜中Sn的组分及GeSn薄膜的厚度，调控GeSn薄膜中的应力分布；S3根据GeSn薄膜的应力分布和悬臂结构图形，对该材料进行光刻和刻蚀，制作出GeSn微纳尺度悬臂结构。2.根据权利要求1所述的一种形变可控的三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的理论计算为采用商用模拟软件COMSOL进行。3.根据权利要求1所述的一种形变可控的三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的衬底材料和GeSn薄膜之间设有一个缓冲层。4.根据权利要求3所述的一种形变可控的三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述缓冲层的材料为Ge。5.根据权利要求1所述的一种形变可控的三维GeSn微纳尺度悬臂结构的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩奕，李耀耀，宋禹忻，朱忠赟珅，张振普，曹春芳，王庶民，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31