微机械结构和制造微机械结构的方法
阅读：1022发布：2020-12-21
专利汇可以提供微机械结构和制造微机械结构的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种微机械结构和制造微机械结构的方法。该微机械结构包括 硅 (Si)基衬底；直接在该衬底上形成的微机械元件；和在该微机械元件的释放部下方形成的底切部；其中该底切部的形式为在硅基衬底中形成的凹口。，下面是微机械结构和制造微机械结构的方法专利的具体信息内容。
1.一种微机械结构，包括：硅(Si)基衬底；直接在该衬底上形成的 微机械元件；和在该微机械元件的释放部下方形成的底切部；其中该底切 部的形式为在硅基衬底中形成的凹口。
2.如权利要求1所述的结构，其中该硅基衬底包括硅绝缘体(SOI) 衬底。
3.如权利要求2所述的结构，其中SOI衬底的硅重叠层的厚度选择成 用于控制微机械元件的释放部中的应力。
4.如权利要求2或3所述的结构，其中该凹口大体上延伸穿过SOI 衬底的硅重叠层的厚度。
5.如权利要求3至4中的任何一项所述的结构，其中厚度范围是从大 约10nm到大约10μm。
6.如权利要求2至5中的任何一项所述的结构，其中使用晶片键合、 注氧隔离(SIMOX)或这两种方式来提供SOI衬底。
7.如权利要求2至6中的任何一项所述的结构，其中SOI衬底的结晶 取向选择成控制微机械元件的释放部中的应力。
8.如权利要求2所述的结构，其中结晶取向是(100)或(111)。
9.如权利要求1所述的结构，其中该硅基衬底包括体硅衬底。
10.如权利要求9所述的结构，其中该体硅衬底包括(100)或(111)的 结晶取向。
11.如前面权利要求中的任何一项所述的结构，其中该微机械元件包 括一种或多种从由以下各项构成的组中选择的材料：ZnO、Zn(Mg)O、 Zn(Cd)O、ZnS、GaN、AIN、AIGaN、InGaN、InN、多晶金刚石和纳米金 刚石。
12.如前面权利要求中的任何一项所述的结构，其中使用干蚀刻处理 在硅基衬底中形成凹口。
13.如权利要求12所述的结构，其中干蚀刻处理包括使用XeF2。
14.如前面权利要求中的任何一项所述的结构，其中该微机械元件包 括光电子器件。
15.如前面权利要求中的任何一项所述的结构，其中该微机械元件包 括微电子器件。
16.如权利要求14所述的结构，其中该光电子器件包括发光二极管 (LED)。
17.如权利要求15所述的结构，其中该微电子器件包括一个或多个场 效应晶体管(FETs)。
18.一种制造微机械结构的方法，该方法包括以下步骤：提供硅(Si) 基衬底；直接在衬底上形成微机械元件；在该微机械元件的释放部下方以 凹口的形式形成底切部；以及在该硅基衬底中形成凹口。
19.如权利要求18所述的方法，其中该硅基衬底包括硅绝缘体(SOI) 衬底。
20.如权利要求19所述的方法，还包括选择SOI衬底的硅重叠层的厚 度以控制该微机械元件的释放部中的应力。
21.如权利要求19或20所述的方法，其中该凹口大体上延伸穿过SOI 衬底的硅重叠层的厚度。
22.如权利要求20至21中的任何一项所述的方法，其中厚度的范围 是从大约10nmm到大约10μm。
23.如权利要求19至22中的任何一项所述的方法，其中单独或合并 使用晶片键合、注氧隔离(SIMOX)这两种方式提供硅基衬底。
24.如权利要求19至23中的任何一项所述的方法，还包括选择SOI 衬底的结晶取向以控制微机械元件的释放部中的应力。
25.如权利要求24所述的方法，其中结晶取向是(100)或(111)。
26.如权利要求18所述的方法，其中该硅基衬底包括体硅衬底。
27.如权利要求26所述的方法，其中体硅衬底包括(100)或(111)的结 晶取向。
28.如权利要求18至27中的任何一项所述的方法，其中该微机械元 件包括一种或多种从由以下各项构成的组中选择的材料：ZnO、Zn(Mg)O、 Zn(Cd)O、ZnS、GaN、AIN、AIGaN、InGaN、InN多晶金刚石和纳米金刚 石。
29.如权利要求18至28中的任何一项所述的方法，其中以凹口的形 式形成底切部包括使用干蚀刻处理。
30.如权利要求29所述的方法，其中干蚀刻处理包括使用XeF2。
31.如权利要求18至30中的任何一项所述的方法，其中该微机械元 件包括光电子器件。
32.如权利要求18至31中的任何一项所述的方法，其中该微机械元 件包括微电子器件。
33.如权利要求31所述的方法，其中该光电子器件包括发光二极管 (LED)。
34.如权利要求32所述的方法，其中该微电子器件包括一个或多个场 效应晶体管(FETs)。
技术领域
本发明一般地涉及微机械结构和制造微机械结构的方法。
背景技术
在目前的半导体制造技术中，宽带隙材料被典型地用于光电子和微电 子器件。一种这样的材料是氮化镓(GaN)。典型地GaN具有多种特性， 例如较宽的带隙(如在300K时为Eg～3.4eV)，较大的弹性模量，较高的 压电系数和压阻系数以及化学惰性。因此，GaN是一种微型机电系统 (MEMS)应用的合适材料，特别地是在诸如需要高温压电和高击穿电压 等的恶劣条件下。
典型地，由于缺少GaN单晶体，用于光电子和微电子器件应用的GaN 异质外延层在具有大约16％的晶格失配的“外部”衬底如在蓝宝石(α- Al2O3)衬底上生长，或者在具有大约3.4％的晶格失配的碳化硅(SiC)衬 底上生长。已经显示出的是，这些“外部”衬底通常是不期望的。例如，由 于相当的晶格失配以及GaN外延层和衬底之间的热膨胀系数差，蓝宝石衬 底上生长状态的GaN薄膜显示出包含高密度的缺陷(例如螺纹位错)。
从“外部”衬底发展，还有其他衬底，例如用于GaN的异质外延生长的 硅(Si)或硅绝缘体(SOI)衬底。Si(111)衬底上GaN的生长可以潜在 地提供一种选择，即使用硅作为廉价的或更容易接近的传统衬底的替换 物。潜在地，GaN基器件可以集成在被大家所接受的硅处理技术中。然而， 由于晶格常数和热膨胀系数的较大差值，通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD)不能够在硅衬底上获得良好品质的GaN膜。已经有人提出使 用不同的缓冲层或中间层，例如AIN和AI0.27Gao.73N/AIN层，以便改进硅 上的GaN的品质。如果使用合适的生长条件则可以避免晶格失配和热失配 的较大差异。除了高温AlN缓冲层，Wang等在″Effects of periodic delta-doping on the properties of GaN:Si films grown on Si(111)substrates″ (Appl.Phys.Lett.85，5881(2004))中描述的方法使用合适的硅-δ-掺杂的 隔层来减小裂缝和拉伸应力。
如果能够在Si(100)或SOI衬底上生长良好品质的纤维锌矿GaN外 延层，则能够将GaN基器件集成到硅电子器件上。Zhou等在″Comparison of the properties of GaN grown on complex Si-based structures″(Appl.Phys. Lett.，86，081912 2005)中描述了与集成相关的在SOI(111)上的GaN生 长。基于SOI技术通常用于微量应用，包括电子和微机电系统(MEMS) 器件，其中单晶硅能够提供多个优点，例如处理控制和提供可靠的电子和 机械特性。SOI晶片通常使用诸如晶片键合、智能切割处理和所谓的注氧 隔离(SIMOX)的方法进行制备。使用SOI衬底可以提供一些超过使用蓝 宝石或SiC衬底的优点。这些优点包括获得大尺寸的衬底(例如达到12 英寸)，相对更低的成本，以及更容易和硅基微电子器件集成在一起。
M.A.Shah、S.Vicknesh、L.S.Wang、J.Arokiaraj、A.Ramam、S.J.Chua 和S.Tripathy的″Fabrication of Freestanding GaN Micromechanical Structures on Silicon-on-Insulator Substrates″(Electrochem.Solid-State Lett.，8，G275 2005)描述了在使用MOCVD通过SIMOX方法制备的(100)取向的SOI 衬底上硅基外延层的生长，以及描述了在SOI托板上实现GaN基微机械 结构的制造工艺。L.S.Wang，S.Tripathy、S.J.Chua和K.Y.Zang的 ″InGaN/GaN multi-quantum-well structures on (111)-oriented bonded silicon-on-insulator substrates″(Appl.Phys.Lett.，87 111908 2005)描述了在 (111)取向键合的SOI衬底上具有明显界面的多量子阱(MQWs)的生长。
在GaN基MEMS的研发过程中可能出现的一个问题是缺少有效的牺 牲蚀刻剂。出版物如R.P.Strittmatter、R.A.Beach、T.C.McGiII的 ″Fabrication of GaN suspended microstructures″(Appl.Phys.Lett，78 3226 2001)和A.R.Stonas、N.C.MacDonald、K.L Turner、S.P.DenBaars、E. L.Hu的″Photoelectrochemical undercut etching for fabrication of GaN microelectromechanical systems″(J.Vac.Sci.Technol.，B 19 2838 2001)以及 A.R.Stonas、P.Kozodoy、H.Marchand、P.Fini，S.P.DenBaars、U.K.Mishra 和E.L.Hu的″Backside-illuminated photoelectrochemical etching for the fabrication of deeply undercut GaN structures″(Appl.Phys.Lett.，77 2610 2000)描述了使用化学蚀刻对III-氮化物基的MEMS的制造工艺。
在多份出版物中，例如S.Davies、T.S.Huang、M.H.Gass、A.J. Papworth、T.B.Joyce、P.R.Chalker的″Fabrication of GaN cantilevers on silicon substrates for microelectromechanical devices″(Appl.Phys.Lett.，84 2556 2004)，S.Davies、T.S.Huang、R.T.Murray、M.H.Gass、A.J. Papworth、T.B.Joyce、P.R.Chalker的″Fabrication of epitaxial Ill-nitride cantilevers on silicon(111)substrates″(J.Mat.Sci.，15 705 2004)，Z.Yang、 R.N.Wang、S.Jia、D.Wang、B.S.Zhang、K.M.Lau和K.J.Chen的 ″Mechanical characterization of suspended GaN microstructures fabricated by GaN-on-patterned-silicon technique″(Appl.Phys.Lett.，88，041913 2006)以 及Z.Yang、R.Wang、D.Wang、B.Zhang、K.M.Lau、K.J.Chen的 ″GaN-on-patterned-silicon(GPS)technique for fabrication of GaN-based MEMS″中，已经描述了出版物(印刷中)接受的并结合了干和湿化学蚀刻 步骤的传感器和致动装置A，用于在Si(111)衬底上实现GaN表面被微 机械加工的微结构。然而，使用湿化学进行牺牲蚀刻的一个缺点是释放的 微结构必须以一种方式进行干燥，以便防止微结构由于半月板的作用力 (meniscus forces)(静摩擦)而毁坏。
也就是说，获得独立的表面被机械加工的结构的典型处理是漂洗湿化 学蚀刻剂，以便用去离子(DI)水解除(free)结构和利用蒸发干燥结构。 利用该处理，可以通过例如气隙中的水滴的毛细力使柔性微结构降低到衬 底下方，并且该微结构保持附着在衬底上，即使在微结构被完全干燥后。 研究表明诸如实心桥接(solid bridging)、范德华力和静电力的因素会产生 静摩擦。
除了GaN，适合于在光子和电子应用中使用的另一种材料是氧化锌 (ZnO)。ZnO通常具有广泛的应用，例如应用在半导体传感器、光电导 (photoconducting)传感器、压电传感器和光波导中。ZnO具有多种独特 的属性，例如具有直接的宽带隙(例如在300K时为Eg～3.3eV)和较大的 激子结合能(-60meV)。典型地，ZnO用于在恶劣环境下操作的半导体器 件，例如在空间和核反应堆中，因为它比诸如Si、GaAs、SC或GaN的材 料更加耐辐射。
为了在MEMS应用中使用ZnO，可能出现的一个问题是ZnO材料容 易被湿的化学蚀刻剂蚀刻，该化学蚀刻剂通常用于牺牲蚀刻。因此，为了 实现ZnO MEMS，期望的是研发一种干释放技术。
为此，研发在恶劣环境中使用的MEMS的另一种替代材料包括微晶金 刚石和纳米金刚石(NCD)。这种材料具有较强的机械强度、化学惰性、 热稳定性和摩擦特性。独立的NCD-机械结构通常可使用SiO2作为牺牲层 进行制造。然而，该SiO2牺牲层通常使用氟化氢(HF)湿蚀刻和/或气蚀 来去除。使用湿化学进行牺牲蚀刻的一个缺点是释放的金刚石微结构必须 以一种方式进行干燥，以便防止结构由于半月板的作用力而毁坏。这是上 面描述的静摩擦。
因此，为了实现例如宽带隙的超纳米和微晶金刚石微机械结构和/或为 了实现没有与静摩擦相关问题的表面被微机械加工的GaN和ZnO微结构， 期望使用干释放技术。
为了蚀刻硅，已经使用二氟化氙(XeF2)的气相脉冲蚀刻已被用作硅蚀 刻剂。XeF2是氟基硅蚀刻剂家族中的一个，该家族包括CIF3、BrF3、BrF5 和IF5。当首次使用XeF2蒸气研究氟蚀刻化学在硅上的机理时，可以发现 在室温下的高蚀刻率和反应概率。作为硅蚀刻剂，XeF2具有独特的属性， 例如能够在不激活或没有外部能源的条件下进行蚀刻，由此显示出对在传 统的集成电路制造中使用的多种金属、电介质和聚合物较高的选择性，从 而提供各向同性蚀刻，和提供柔和的干反应蚀刻。XeF2在室温和大气压下 是固体材料。在真空环境中，固体XeF2会立即升华和在没有物理激活的条 件下各向同性地蚀刻硅。
Hoffman等在″3D structures with piezoresistive sensors in standard CMOS，″(Proceedings of Micro Electro Mechanical Systems Workshop (MEMS″95)，288 1995)中描述了使用XeF2在标准的CMOS处理中形成具 有压阻传感器的三维结构，以大批量地微机械加工芯片。此外， US7041224B2、US6942811B2、US6960305和US7027200B2描述了通过使 用气相蚀刻剂特别是在不存在等离子体的情况下(例如具有一种或多种稀 释液的XeF2)，在蚀刻用于微机械结构(例如用于投影显示的微反射镜阵 列和硅基偏转MEMS元件)的硅牺牲层中使用的装置改进(例如为了准确 地确定蚀刻步骤的终点)和方法。这样，能够相对非硅材料择优地蚀刻硅， 所述非硅材料包括钛、金、铝和这些金属的化合物以及碳化硅、光致抗蚀 剂、聚酰亚胺和二氧化硅。Jang等在US20030193269A1中描述了一种形 成薄膜体声波谐振器(FBAR)的方法，该谐振器具有与预定的频率信号 共振的激活区域。该方法包括形成多晶硅层作为牺牲层，随后使用XeF2 去除牺牲层形成相应的气隙。该方法还包括在半导体衬底如硅或GaAs上 形成由电介质材料制成的薄层，从而使用该薄层的压电特性产生共振。
在上面的公开中，为了使用XeF2进行干蚀刻，通常是沉淀一牺牲层并 作为附加的工序构图，使得在XeF2干蚀刻后形成气隙。然而，牺牲层的沉 淀和构图可能导致制造工艺的复杂程度增大，和产生附加成本。
因此，需要一种寻求解决至少一个上面的问题的微机械结构和制造微 机械结构的方法。
典型地，由于缺少GaN单晶体，用于光电子和微电子器件应用的GaN 异质外延层在具有大约16％的晶格失配的“外部”衬底如在蓝宝石(α- Al2O3)衬底上生长，或者在具有大约3.4％的晶格失配的碳化硅(SiC)衬 底上生长。已经显示出的是，这些“外部”衬底通常是不期望的。例如，由 于相当的晶格失配以及GaN外延层和衬底之间的热膨胀系数差，蓝宝石衬 底上生长状态的GaN薄膜显示出包含高密度的缺陷(例如螺纹位错)。
从“外部”衬底发展，还有其他衬底，例如用于GaN的异质外延生长的 硅(Si)或硅绝缘体(SOI)衬底。Si(111)衬底上GaN的生长可以潜在 地提供一种选择，即使用硅作为廉价的或更容易接近的传统衬底的替换 物。潜在地，GaN基器件可以集成在被大家所接受的硅处理技术中。然而， 由于晶格常数和热膨胀系数的较大差值，通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD)不能够在硅衬底上获得良好品质的GaN膜。已经有人提出使 用不同的缓冲层或中间层，例如AIN和AI0.27Gao.73N/AIN层，以便改进硅 上的GaN的品质。如果使用合适的生长条件则可以避免晶格失配和热失配 的较大差异。除了高温AlN缓冲层，Wang等在″Effects of periodic delta-doping on the properties of GaN:Si films grown on Si(111)substrates″ (Appl.Phys.Lett.85，5881(2004))中描述的方法使用合适的硅-δ-掺杂的 隔层来减小裂缝和拉伸应力。
如果能够在Si(100)或SOI衬底上生长良好品质的纤维锌矿GaN外 延层，则能够将GaN基器件集成到硅电子器件上。Zhou等在″Comparison of the properties of GaN grown on complex Si-based structures″(Appl.Phys. Lett.，86，081912 2005)中描述了与集成相关的在SOI(111)上的GaN生 长。基于SOI技术通常用于微量应用，包括电子和微机电系统(MEMS) 器件，其中单晶硅能够提供多个优点，例如处理控制和提供可靠的电子和 机械特性。SOI晶片通常使用诸如晶片键合、智能切割处理和所谓的注氧 隔离(SIMOX)的方法进行制备。使用SOI衬底可以提供一些超过使用蓝 宝石或SiC衬底的优点。这些优点包括获得大尺寸的衬底(例如达到12 英寸)，相对更低的成本，以及更容易和硅基微电子器件集成在一起。
M.A.Shah、S.Vicknesh、L.S.Wang、J.Arokiaraj、A.Ramam、S.J.Chua 和S.Tripathy的″Fabrication of Freestanding GaN Micromechanical Structures on Silicon-on-Insulator Substrates″(Electrochem.Solid-State Lett.，8，G275 2005)描述了在使用MOCVD通过SIMOX方法制备的(100)取向的SOI 衬底上硅基外延层的生长，以及描述了在SOI托板上实现GaN基微机械 结构的制造工艺。L.S.Wang，S.Tripathy、S.J.Chua和K.Y.Zang的 ″InGaN/GaN multi-quantum-well structures on (111)-oriented bonded silicon-on-insulator substrates″(Appl.Phys.Lett.，87 111908 2005)描述了在 (111)取向键合的SOI衬底上具有明显界面的多量子阱(MQWs)的生长。
在GaN基MEMS的研发过程中可能出现的一个问题是缺少有效的牺 牲蚀刻剂。出版物如R.P.Strittmatter、R.A.Beach、T.C.McGiII的 ″Fabrication of GaN suspended microstructures″(Appl.Phys.Lett，78 3226 2001)和A.R.Stonas、N.C.MacDonald、K.L Turner、S.P.DenBaars、E. L.Hu的″Photoelectrochemical undercut etching for fabrication of GaN microelectromechanical systems″(J.Vac.Sci.Technol.，B 19 2838 2001)以及 A.R.Stonas、P.Kozodoy、H.Marchand、P.Fini，S.P.DenBaars、U.K.Mishra 和E.L.Hu的″Backside-illuminated photoelectrochemical etching for the fabrication of deeply undercut GaN structures″(Appl.Phys.Lett.，77 2610 2000)描述了使用化学蚀刻对III-氮化物基的MEMS的制造工艺。
在多份出版物中，例如S.Davies、T.S.Huang、M.H.Gass、A.J. Papworth、T.B.Joyce、P.R.Chalker的″Fabrication of GaN cantilevers on silicon substrates for microelectromechanical devices″(Appl.Phys.Lett.，84 2556 2004)，S.Davies、T.S.Huang、R.T.Murray、M.H.Gass、A.J. Papworth、T.B.Joyce、P.R.Chalker的″Fabrication of epitaxial Ill-nitride cantilevers on silicon(111)substrates″(J.Mat.Sci.，15 705 2004)，Z.Yang、 R.N.Wang、S.Jia、D.Wang、B.S.Zhang、K.M.Lau和K.J.Chen的 ″Mechanical characterization of suspended GaN microstructures fabricated by GaN-on-patterned-silicon technique″(Appl.Phys.Lett.，88，041913 2006)以 及Z.Yang、R.Wang、D.Wang、B.Zhang、K.M.Lau、K.J.Chen的 ″GaN-on-patterned-silicon(GPS)technique for fabrication of GaN-based MEMS″中，已经描述了出版物(印刷中)接受的并结合了干和湿化学蚀刻 步骤的传感器和致动装置A，用于在Si(111)衬底上实现GaN表面被微 机械加工的微结构。然而，使用湿化学进行牺牲蚀刻的一个缺点是释放的 微结构必须以一种方式进行干燥，以便防止微结构由于半月板的作用力 (meniscus forces)(静摩擦)而毁坏。
也就是说，获得独立的表面被机械加工的结构的典型处理是漂洗湿化 学蚀刻剂，以便用去离子(DI)水解除(free)结构和利用蒸发干燥结构。 利用该处理，可以通过例如气隙中的水滴的毛细力使柔性微结构降低到衬 底下方，并且该微结构保持附着在衬底上，即使在微结构被完全干燥后。 研究表明诸如实心桥接(solid bridging)、范德华力和静电力的因素会产生 静摩擦。
除了GaN，适合于在光子和电子应用中使用的另一种材料是氧化锌 (ZnO)。ZnO通常具有广泛的应用，例如应用在半导体传感器、光电导 (photoconducting)传感器、压电传感器和光波导中。ZnO具有多种独特 的属性，例如具有直接的宽带隙(例如在300K时为Eg～3.3eV)和较大的 激子结合能(-60meV)。典型地，ZnO用于在恶劣环境下操作的半导体器 件，例如在空间和核反应堆中，因为它比诸如Si、GaAs、SC或GaN的材 料更加耐辐射。
为了在MEMS应用中使用ZnO，可能出现的一个问题是ZnO材料容 易被湿的化学蚀刻剂蚀刻，该化学蚀刻剂通常用于牺牲蚀刻。因此，为了 实现ZnO MEMS，期望的是研发一种干释放技术。
为此，研发在恶劣环境中使用的MEMS的另一种替代材料包括微晶金 刚石和纳米金刚石(NCD)。这种材料具有较强的机械强度、化学惰性、 热稳定性和摩擦特性。独立的NCD-机械结构通常可使用SiO2作为牺牲层 进行制造。然而，该SiO2牺牲层通常使用氟化氢(HF)湿蚀刻和/或气蚀 来去除。使用湿化学进行牺牲蚀刻的一个缺点是释放的金刚石微结构必须 以一种方式进行干燥，以便防止结构由于半月板的作用力而毁坏。这是上 面描述的静摩擦。
因此，为了实现例如宽带隙的超纳米和微晶金刚石微机械结构和/或为 了实现没有与静摩擦相关问题的表面被微机械加工的GaN和ZnO微结构， 期望使用干释放技术。
为了蚀刻硅，已经使用二氟化氙(XeF2)的气相脉冲蚀刻已被用作硅蚀 刻剂。XeF2是氟基硅蚀刻剂家族中的一个，该家族包括CIF3、BrF3、BrF5 和IF5。当首次使用XeF2蒸气研究氟蚀刻化学在硅上的机理时，可以发现 在室温下的高蚀刻率和反应概率。作为硅蚀刻剂，XeF2具有独特的属性， 例如能够在不激活或没有外部能源的条件下进行蚀刻，由此显示出对在传 统的集成电路制造中使用的多种金属、电介质和聚合物较高的选择性，从 而提供各向同性蚀刻，和提供柔和的干反应蚀刻。XeF2在室温和大气压下 是固体材料。在真空环境中，固体XeF2会立即升华和在没有物理激活的条 件下各向同性地蚀刻硅。
Hoffman等在″3D structures with piezoresistive sensors in standard CMOS，″(Proceedings of Micro Electro Mechanical Systems Workshop (MEMS″95)，288 1995)中描述了使用XeF2在标准的CMOS处理中形成具 有压阻传感器的三维结构，以大批量地微机械加工芯片。此外， US7041224B2、US6942811B2、US6960305和US7027200B2描述了通过使 用气相蚀刻剂特别是在不存在等离子体的情况下(例如具有一种或多种稀 释液的XeF2)，在蚀刻用于微机械结构(例如用于投影显示的微反射镜阵 列和硅基偏转MEMS元件)的硅牺牲层中使用的装置改进(例如为了准确 地确定蚀刻步骤的终点)和方法。这样，能够相对非硅材料择优地蚀刻硅， 所述非硅材料包括钛、金、铝和这些金属的化合物以及碳化硅、光致抗蚀 剂、聚酰亚胺和二氧化硅。Jang等在US20030193269A1中描述了一种形 成薄膜体声波谐振器(FBAR)的方法，该谐振器具有与预定的频率信号 共振的激活区域。该方法包括形成多晶硅层作为牺牲层，随后使用XeF2 去除牺牲层形成相应的气隙。该方法还包括在半导体衬底如硅或GaAs上 形成由电介质材料制成的薄层，从而使用该薄层的压电特性产生共振。
在上面的公开中，为了使用XeF2进行干蚀刻，通常是沉淀一牺牲层并 作为附加的工序构图，使得在XeF2干蚀刻后形成气隙。然而，牺牲层的沉 淀和构图可能导致制造工艺的复杂程度增大，和产生附加成本。
因此，需要一种寻求解决至少一个上面的问题的微机械结构和制造微 机械结构的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种微机械结构，包括硅(Si)基衬底； 直接在该衬底上形成的微机械元件；和在该微机械元件的释放部下方形成 的底切部；其中该底切部的形式为在硅基衬底中形成的凹口。
该硅基衬底包括硅绝缘体(SOI)衬底。
该SOI衬底的硅重叠层的厚度选择成控制微机械元件的释放部中的应 力。
该底切部可以大体上延伸穿过SOI衬底的硅重叠层的厚度。
该厚度的范围是从大约10nm到大约10μm。
可以使用晶片键合、注氧隔离(SIMOX)或这两种方法来提供该SOI 衬底。
该SOI衬底的结晶取向可以选择成控制微机械元件的释放部中的应 力。
该结晶取向可以是(100)或(111)。
该硅基衬底包括体硅衬底。
该体硅衬底包括(100)或(111)的结晶取向。
该微机械元件包括一种或多种从由以下各项构成的组中选择的材料： ZnO、Zn(Mg)O、Zn(Cd)O、ZnS、GaN、AIN、AIGaN、InGaN、InN多晶 金刚石和纳米金刚石。
可以使用干蚀刻处理在硅基衬底中形成凹口。
干蚀刻处理包括使用XeF2。
该微机械元件包括光电子器件。
该微机械元件包括微电子器件。
该微机械元件包括发光二极管(LED)。
该微机械元件包括一个或多个场效应晶体管(FETs)。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造微机械结构的方法，该方法 包括以下步骤：提供硅(Si)基衬底；直接在衬底上形成微机械元件；在 该微机械元件的释放部下方以凹口的形式形成底切部；以及在该硅基衬底 中形成凹口。
该硅基衬底包括硅绝缘体(SOI)衬底。
该方法还包括选择SOI衬底的硅重叠层的厚度以控制该微机械元件的 释放部中的应力。
该凹口大体上延伸穿过SOI衬底的硅重叠层的厚度。
厚度的范围是从大约10nmm到大约10μm。
使用晶片键合、注氧隔离(SIMOX)或这两种方式提供硅基衬底。
该方法还包括选择SOI衬底的结晶取向以控制微机械元件的释放部中 的应力。
结晶取向是(100)或(111)。
该硅基衬底包括体硅衬底。
体硅衬底包括(100)或(111)的结晶取向。
该微机械元件包括一种或多种从由以下各项构成的组中选择的材料： ZnO、Zn(Mg)O、Zn(Cd)O、ZnS、GaN、AIN、AIGaN、InGaN、InN多晶 金刚石和纳米金刚石。
以凹口的形式形成底切部包括使用干蚀刻处理。
干蚀刻处理包括使用XeF2。
该微机械元件包括光电子器件。
该微机械元件包括微电子器件。
该光电子器件包括发光二极管(LED)。
该微电子器件包括一个或多个场效应晶体管(FETs)。
附图说明
仅作为实例，结合附图，通过下面的描述本发明的实施例将更好地被 本领域技术人员理解和显而易见，其中：
图1(a)是示出了在一个实施例中包括在注氧隔离的硅绝缘体 (SIMOX_SOI)(100)衬底上形成的氮化镓(GaN)层的试样的示意图。
图1(b)是示出了测得的氮化镓层的微拉曼光谱的强度-拉曼位移图。
图1(c)是示出了测得的GaN层的PL光谱的光致发光(PL)强度- 波长图。
图2(a)至(c)是示出了以45ΔT的渐进时间间隔进行二氟化氙(XeF2) 蚀刻后的试样的显微图像。
图2(d)是示出了测得的图2(c)的试样的微拉曼光谱的强度-拉曼 位移图。
图3(a)是另一个示例性实施例中具有更大的薄膜尺寸的试样的显微 图像。
图3(b)是示出了测得的图3(a)的试样的微拉曼光谱的强度-拉曼 位移图。
图3(c)是示出了在图1(a)的SIMOX SOI(100)衬底上在试样的 GaN悬臂结构下方的气隙的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图3(d)是示出了与试样SIMOX SOI(100)托板上的独立膜连接的 在试样的GaN梁(beam)下方的气隙的SEM图像。
图4(a)是图2(c)的试样的E2声子峰强度分布图。
图4(b)是图2(c)的试样的拉曼应力分布图。
图5(a)是示出了在一个示例性实施例中包括具有生长在Si(111) 衬底上的高温氮化铝(AlN)缓冲层的GaN外延层的示意图。
图5(b)是示出了图5(a)的试样的PL光谱的PL强度-带隙能图。
图6(a)是图5(a)的试样的被释放的GaN结构的扫描电子显微镜 (SEM)图像。
图6(b)是示出了测得的图6(a)的GaN结构的微拉曼光谱的强度 -拉曼位移图。
图6(c)是图6(a)的GaN结构的E2声子峰强度分布图。
图6(d)是图6(a)的GaN结构的拉曼应力分布图。
图7(a)是示出了图5(a)的试样的独立的GaN悬臂结构的SEM图 像。
图7(b)是图5(a)的试样的GaN悬臂结构的E2声子峰强度分布图。
图7(c)是图5(a)的试样的GaN悬臂结构的拉曼应力分布图。
图8(a)是示出了在另一个实施例中试样的示意图。
图8(b)是示出了在图8(a)的试样上在77K和350K之间进行的随 温度变化的微-PL测量的PL强度-波长图。
图8(c)是示出了室温下在ZnO层上PL光谱测量结果的PL强度- 波长图。
图8(d)是图8(a)的试样的截面SEM图像。
图9(a)是在XeF2蚀刻前图8(a)的试样的悬臂结构的显微图像。
图9(b)是在XeF2蚀刻后图8(a)的试样的悬臂结构的显微图像。
图10(a)是示出了在一个示例性实施例中的试样的示意图。
图10(b)是示出了从图10(a)的试样测得的PL光谱的PL强度- 波长图。
图11(a)是示出了在XeF2蚀刻后图10(a)的试样的ZnO桥结构的 显微图像。
图11(b)是示出了在XeF2蚀刻后图10(a)的试样的悬臂结构的显 微图像。
图12(a)是图10(a)的试样的释放的ZnO桥结构的SEM图像。
图12(b)是图10(a)的试样的悬臂结构的SEM图像。
图13(a)是示出了测得的图11(a)的桥结构的微拉曼光谱的强度- 拉曼位移图。
图13(b)是示出了测得的图11(b)的悬臂结构的微拉曼光谱的强度 -拉曼位移图。
图13(c)是图11(a)的ZnO微桥结构中E2声子强度的拉曼分布图。
图14(a)是在另一个示例性实施例中体Si(111)托板上释放的ZnO 桥结构的SEM图像。
图14(b)是在一个示例性实施例中体Si(111)托板上悬臂结构的 SEM图像。
图15(a)是在一个示例性实施例中独立的纳米金刚石(NCD)悬臂 结构的SEM图像。
图15(b)是在一个示例性实施例中独立的NCD桥结构的SEM图像。
图16(a)是示出了在另一个示例性实施例中化学气相沉积(CVD) -生长的微晶金刚石机械结构的截面SEM图像。
图16(b)是示出了在一个示例性实施例中多晶/微晶金刚石悬臂的 SEM图像。
图16(c)是示出了在一个示例性实施例中多晶/微晶微桥结构的SEM 图像。
图17(a)是示出了在另一个示例性实施例中在体硅托板上的发光二 极管(LED)微结构的光学显微图像。
图17(b)是示出了在一个示例性实施例中在体硅托板上的场效应晶 体管(FET)悬臂的光学显微图像。
图17(c)是示出了在一个示例性实施例中在SOI托板上的LED微结 构的光学显微图像。
图17(d)是示出了在一个示例性实施例中在SOI托板上的FET悬臂 的光学显微图像。
图18(a)是在又一个示例性实施例中的微片型(microdisk)LED结 构的光学显微图像。
图18(b)是在一个示例性实施例中微片型LED结构的SEM图像。
图18(c)是示出了在一个实施例中从微片型LED结构测得的EL光 谱的场致发光(EL)强度-波长图。
图19是示出了制造微机械结构的方法的示意流程图。
该硅基衬底包括硅绝缘体(SOI)衬底。
该SOI衬底的硅重叠层的厚度选择成控制微机械元件的释放部中的应 力。
该底切部可以大体上延伸穿过SOI衬底的硅重叠层的厚度。
该厚度的范围是从大约10nm到大约10μm。
可以使用晶片键合、注氧隔离(SIMOX)或这两种方法来提供该SOI 衬底。
该SOI衬底的结晶取向可以选择成控制微机械元件的释放部中的应 力。
该结晶取向可以是(100)或(111)。
该硅基衬底包括体硅衬底。
该体硅衬底包括(100)或(111)的结晶取向。
该微机械元件包括一种或多种从由以下各项构成的组中选择的材料： ZnO、Zn(Mg)O、Zn(Cd)O、ZnS、GaN、AIN、AIGaN、InGaN、InN多晶 金刚石和纳米金刚石。
可以使用干蚀刻处理在硅基衬底中形成凹口。
干蚀刻处理包括使用XeF2。
该微机械元件包括光电子器件。
该微机械元件包括微电子器件。
该微机械元件包括发光二极管(LED)。
该微机械元件包括一个或多个场效应晶体管(FETs)。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造微机械结构的方法，该方法 包括以下步骤：提供硅(Si)基衬底；直接在衬底上形成微机械元件；在 该微机械元件的释放部下方以凹口的形式形成底切部；以及在该硅基衬底 中形成凹口。
该硅基衬底包括硅绝缘体(SOI)衬底。
该方法还包括选择SOI衬底的硅重叠层的厚度以控制该微机械元件的 释放部中的应力。
该凹口大体上延伸穿过SOI衬底的硅重叠层的厚度。
厚度的范围是从大约10nmm到大约10μm。
使用晶片键合、注氧隔离(SIMOX)或这两种方式提供硅基衬底。
该方法还包括选择SOI衬底的结晶取向以控制微机械元件的释放部中 的应力。
结晶取向是(100)或(111)。
该硅基衬底包括体硅衬底。
体硅衬底包括(100)或(111)的结晶取向。
该微机械元件包括一种或多种从由以下各项构成的组中选择的材料： ZnO、Zn(Mg)O、Zn(Cd)O、ZnS、GaN、AIN、AIGaN、InGaN、InN多晶 金刚石和纳米金刚石。
以凹口的形式形成底切部包括使用干蚀刻处理。
干蚀刻处理包括使用XeF2。
该微机械元件包括光电子器件。
该微机械元件包括微电子器件。
该光电子器件包括发光二极管(LED)。
该微电子器件包括一个或多个场效应晶体管(FETs)。
附图说明
仅作为实例，结合附图，通过下面的描述本发明的实施例将更好地被 本领域技术人员理解和显而易见，其中：
图1(a)是示出了在一个实施例中包括在注氧隔离的硅绝缘体 (SIMOX_SOI)(100)衬底上形成的氮化镓(GaN)层的试样的示意图。
图1(b)是示出了测得的氮化镓层的微拉曼光谱的强度-拉曼位移图。
图1(c)是示出了测得的GaN层的PL光谱的光致发光(PL)强度- 波长图。
图2(a)至(c)是示出了以45ΔT的渐进时间间隔进行二氟化氙(XeF2) 蚀刻后的试样的显微图像。
图2(d)是示出了测得的图2(c)的试样的微拉曼光谱的强度-拉曼 位移图。
图3(a)是另一个示例性实施例中具有更大的薄膜尺寸的试样的显微 图像。
图3(b)是示出了测得的图3(a)的试样的微拉曼光谱的强度-拉曼 位移图。
图3(c)是示出了在图1(a)的SIMOX SOI(100)衬底上在试样的 GaN悬臂结构下方的气隙的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图3(d)是示出了与试样SIMOX SOI(100)托板上的独立膜连接的 在试样的GaN梁(beam)下方的气隙的SEM图像。
图4(a)是图2(c)的试样的E2声子峰强度分布图。
图4(b)是图2(c)的试样的拉曼应力分布图。
图5(a)是示出了在一个示例性实施例中包括具有生长在Si(111) 衬底上的高温氮化铝(AlN)缓冲层的GaN外延层的示意图。
图5(b)是示出了图5(a)的试样的PL光谱的PL强度-带隙能图。
图6(a)是图5(a)的试样的被释放的GaN结构的扫描电子显微镜 (SEM)图像。
图6(b)是示出了测得的图6(a)的GaN结构的微拉曼光谱的强度 -拉曼位移图。
图6(c)是图6(a)的GaN结构的E2声子峰强度分布图。
图6(d)是图6(a)的GaN结构的拉曼应力分布图。
图7(a)是示出了图5(a)的试样的独立的GaN悬臂结构的SEM图 像。
图7(b)是图5(a)的试样的GaN悬臂结构的E2声子峰强度分布图。
图7(c)是图5(a)的试样的GaN悬臂结构的拉曼应力分布图。
图8(a)是示出了在另一个实施例中试样的示意图。
图8(b)是示出了在图8(a)的试样上在77K和350K之间进行的随 温度变化的微-PL测量的PL强度-波长图。
图8(c)是示出了室温下在ZnO层上PL光谱测量结果的PL强度- 波长图。
图8(d)是图8(a)的试样的截面SEM图像。
图9(a)是在XeF2蚀刻前图8(a)的试样的悬臂结构的显微图像。
图9(b)是在XeF2蚀刻后图8(a)的试样的悬臂结构的显微图像。
图10(a)是示出了在一个示例性实施例中的试样的示意图。
图10(b)是示出了从图10(a)的试样测得的PL光谱的PL强度- 波长图。
图11(a)是示出了在XeF2蚀刻后图10(a)的试样的ZnO桥结构的 显微图像。
图11(b)是示出了在XeF2蚀刻后图10(a)的试样的悬臂结构的显 微图像。
图12(a)是图10(a)的试样的释放的ZnO桥结构的SEM图像。
图12(b)是图10(a)的试样的悬臂结构的SEM图像。
图13(a)是示出了测得的图11(a)的桥结构的微拉曼光谱的强度- 拉曼位移图。
图13(b)是示出了测得的图11(b)的悬臂结构的微拉曼光谱的强度 -拉曼位移图。
图13(c)是图11(a)的ZnO微桥结构中E2声子强度的拉曼分布图。
图14(a)是在另一个示例性实施例中体Si(111)托板上释放的ZnO 桥结构的SEM图像。
图14(b)是在一个示例性实施例中体Si(111)托板上悬臂结构的 SEM图像。
图15(a)是在一个示例性实施例中独立的纳米金刚石(NCD)悬臂 结构的SEM图像。
图15(b)是在一个示例性实施例中独立的NCD桥结构的SEM图像。
图16(a)是示出了在另一个示例性实施例中化学气相沉积(CVD) -生长的微晶金刚石机械结构的截面SEM图像。
图16(b)是示出了在一个示例性实施例中多晶/微晶金刚石悬臂的 SEM图像。
图16(c)是示出了在一个示例性实施例中多晶/微晶微桥结构的SEM 图像。
图17(a)是示出了在另一个示例性实施例中在体硅托板上的发光二 极管(LED)微结构的光学显微图像。
图17(b)是示出了在一个示例性实施例中在体硅托板上的场效应晶 体管(FET)悬臂的光学显微图像。
图17(c)是示出了在一个示例性实施例中在SOI托板上的LED微结 构的光学显微图像。
图17(d)是示出了在一个示例性实施例中在SOI托板上的FET悬臂 的光学显微图像。
图18(a)是在又一个示例性实施例中的微片型(microdisk)LED结 构的光学显微图像。
图18(b)是在一个示例性实施例中微片型LED结构的SEM图像。
图18(c)是示出了在一个实施例中从微片型LED结构测得的EL光 谱的场致发光(EL)强度-波长图。
图19是示出了制造微机械结构的方法的示意流程图。
具体实施方式
下面描述的示例性实施例可以使用干释放技术提供直接在硅和/或 SOI衬底上生长的表面被微机械加工的宽带隙纳米/微机械结构(例如包括 ZnO、GaN和纳米金刚石)。在该示例性实施例中采用的干释放技术是使用 二氟化氙(XeF2)的受控气相脉冲蚀刻，其能够选择性地蚀刻硅和/或SOI 衬底，由此底切宽带隙材料。在示例性实施例中，干释放技术用于蚀刻硅 “牺牲层”和/或硅和SOI衬底固有的硅重叠层，从而为任何生长在硅和/或 SOI衬底上的宽带隙材料产生气隙。这样，在示例性实施例中，不需要沉 积和构图附加的专用牺牲层。另一方面，在示例性实施例中通过例如提供 具有选择的硅重叠层厚度的SOI衬底可以保持对气隙厚度的控制。换句话 说，在该实施例中，有利的是气隙厚度的控制与器件的形成处理分开，如 沉积GaN、ZnO、NCD材料等到衬底上，而不是在例如以大家所接受的 SOI形成技术如晶片键合、SIMOX等等中通过简单地控制硅的厚度而合并 到SOI晶片的预加工中。
为了使用SIMOX控制硅的厚度，可以参考多份出版物，如M.Bruel 的″Silicon on insulator material technology″(Electron.Lett，31，1201 1995)， M.Bruel，B.Aspar和A.J.Auberton-Herve的″Smart-Cut：A New Silicon On Insulator Material Technology Based on Hydrogen Implantation and Wafer Bonding″(Jpn.J.Appl.Phys.，Part 1，36，1636 1997)，以及O.W.Holland、 D.Fathy和D.K.Sadana的″Formation of ultrathin，buried oxides in Si by O+ ion implantation″(Appl.Phys.Lett.，69，674 1996)。
当在衬底制造过程中控制硅重叠层的厚度时，可以控制形成的气隙的 厚度。这样，宽带隙材料的残余应力可以通过设计宽带隙材料下面的衬底 固有的硅重叠层来控制。在该示例性实施例中，当XeF2是高度选择性的电 介质时，XeF2选择性地蚀刻衬底固有的硅重叠层以形成相应的气隙。应该 理解，XeF2不会蚀刻SOI衬底的硅重叠层下面的底层SiO2。这样，SOI 衬底的SiO2层可用作固有的蚀刻终止。
在下面的描述中，在更加详细地描述示例性实施例之前简要地介绍示 例性实施例的试样制备/形成和特色技术。
对于一些示例性实施例，GaN基外延层生长在可商业获得的(100) 和(111)取向的SOI衬底上，该衬底可使用MOCVD通过SIMOX方法制 造。这种衬底可以提供厚度为大约150-350nm的隐埋氧化物层和大约 50-200nm的硅重叠层。在一个实例中，具有薄AIN缓冲的GaN层生长在 Si(111)衬底上，以突出制造直接位于基体Si(111)上的GaN微机械结 构的干释放技术的潜力(potential)。在该示例性实施例中，对生长在体Si (111)上的GaN层和SOI衬底进行周期的δ掺杂，以减小裂缝和拉伸应力。 应该理解，在例如AlN缓冲层上生长层和在MOCVD外延附生过程使用周 期的δ掺杂步骤能够在Si(111)上产生良好的GaN外延附生。这种生长方 法还能够应用于SIMOX SOI(111)和SOI(100)衬底。此外，对于一些 示例性实施例，为了说明使用其他宽带隙材料，ZnO材料例如可以通过射 频磁控溅射沉积/生长在使用SIMOX方法制造的(111)取向的SOI衬底 和晶片键合的SOI衬底上。在一些试样中，隐埋的氧化物层的厚度范围是 从大约370nm到2.0μm，硅重叠层的厚度范围是从大约200nm到3.0μm。
ZnO和GaN试样的特点在于光学技术，例如微光致发光(PL)和微 拉曼测量。
对于一些示例性实施例，厚度为大约2.0μm的超纳米金刚石(UNCD) 膜通过微波等离子化学气相沉积技术生长在硅基衬底上。这些膜显示出极 其光滑的金刚石结构，结晶品质的性质可以通过微拉曼光谱学进行研究。
上面描述的试样可以切成多个2x2cm的试样。在等级100的洁净室 中使用丙酮和甲醇在超声波清洗槽中用每种溶剂清洗这些试样大约5分 钟。之后，在去离子水中漂洗试样，用氮气吹干和在90℃的炉中(例如烘 箱)中预焙大约10分钟。加热后，使用具有AZ4330光致抗蚀剂(PR)的 旋涂机(例如Brewer科技公司的型号CEE100)以大约5000rpm旋涂试样 大约30秒。然后将试样放置在炉中在大约90℃下软焙烧大约30分钟。接 着使用卡尔苏斯掩模光刻机(MA8)I-线实施光刻术，其中紫外光(大约 365nm)的强度为近似4.5-5mW。在该示例性实施例中，使用具有不同膜、 悬臂和桥尺寸的特征的3″掩膜板进行构图。光刻后，蚀刻前，在构图的试 样上的测得光致抗蚀剂的厚度为大约3μm。
对于蚀刻，可以在负载锁定的Unaxis公司SLR770型高密度等离子体 蚀刻系统中进行蚀刻，该系统由电感耦合等离子体(ICP)室(在大约2MHz 下操作)和附加的用于试样卡盘的射频偏压(大约13.56MHz)构成。引 入背面氦冷却以便能够更加有效地控制试样衬底的温度。试样在其被引入 蚀刻室之前安装在具有真空润滑油的8-英寸的硅载体晶片上。引入三氯化 硼(BCl3)和纯度为99.999％的氯气(Cl2)用于结构蚀刻。根据宽带隙材 料的类型，使用以下恒定的处理参数即大约20sccm的BCl3流、10sccm的 Cl2流、500W的ICP功率、200W的反应离子蚀刻(RIE)功率、5mTorr 的压力以及6℃的温度，在ICP室中蚀刻试样一段时间。
蚀刻后，通过使用KLA Tencor P-10表面轮廓仪确定剩余材料和光致 抗蚀剂的蚀刻深度。使用丙酮去除光致抗蚀剂，并再次使用表面轮廓仪测 量被蚀刻材料的梯段高度。这是为随后的牺牲层蚀刻确定宽带隙材料下方 的(衬底固有的)底层的曝光条件。对于试样，通过使用XeF2在定制的 Penta真空系统中牺牲蚀刻相应的衬底硅重叠层，实现相应的宽带隙材料的 释放。使用分辨率为大约3.5nm的JEOL JSM 5600扫描电子显微镜(SEM) 并提升电压到5kV-10kV的范围，在二次电子像(SEI)模式中捕获被释放 的宽带隙材料的图像。
此外，被释放的试样的特征是室温下在反向散射几何学中空间分解的 拉曼散射。使用氩离子激光器的514.5nm线进行拉曼散射测量。被散射的 光通过与液氮冷却的电荷耦合器件(CCD)检测器连接的JY-T64000三单 色系统分散开。拉曼测量结果的准确性为大约0.2cm-1，其横向空间分辨率 为大约1.2μm。垂直于衬底对试样进行激发，通过用于聚焦入射激光的同 一物镜检测反向散射的光。
在简要地介绍了试样制备/形成和特色技术后，下文将更加详细地描述 示例性实施例。
图1(a)是示出了在一个示例性实施例中包括在SIMOX_SOI(100) 衬底上形成的GaN层102的试样100的示意图。厚度为大约1.5至1.7μm 的GaN层102直接形成在衬底104上，而不用沉积附加的或“专用的”牺牲 层。衬底104内在地包括厚度为大约200nm的“固有”硅重叠层106和厚度 为350nm的“固有”隐埋的氧化层108。试样100可利用标准的光刻术构图 为具有不同的膜尺寸特征，并使用恒定的处理参数即大约20sccm的BCl3 流、10sccm的Cl2流、500W的ICP功率、200W的RIE功率、5mTorr的 压力以及6℃的温度，蚀刻大约11分钟的时间达到大约2μm的深度。
因此，应该理解，有利的是对气隙厚度的控制与器件形成处理分离， 并通过控制“固有”的硅重叠层厚度来提供。
图1(b)是示出了测得的GaN层102的微拉曼光谱的强度-拉曼位移 图。图1(c)是示出了测得的GaN层102的PL光谱的PL强度-波长图。
然后使用渐进时间的单次脉冲对试样的硅重叠层106进行XeF2蚀刻。 图2(a)至(c)是示出了以45ΔT的渐进时间间隔进行XeF2蚀刻后的试 样的显微图像，其中T是以秒计的时间。从图2(a)至(c)，可以发现试 样100的膜202的对比度改变了膜202下方气隙的指示信息。在图2(c) 中，与指示SOI衬底104(图1(a))上独立的GaN膜202的试样100的 托板204相比，整个膜202的对比度更小。图2(c)的释放膜202(也参 见插图1)的特征是使用微拉曼技术和测量来自三个位置的光谱，所述三 个位置是：托板204、释放膜202和梁206。图2(d)是示出了测得的微 拉曼光谱的一组强度-拉曼位移图。
从图2(d)的测量结果来看，氩离子激光器的可见514.5nm由于激光 的有效肤深可以探测整个GaN层102(图1(a))以及硅重叠层106(图1 (a))。首先测量托板204，随后测量膜202和梁206。通过图2(d)的光 谱，可以发现托板204在520cm-1处具有较大的Si强度(参见附图标记208)， 而托板204中GaN的E2声子强度在565.9cm-1处最弱(参见附图标记210)。 对于释放膜202和梁206，E2声子强度分别在567.3cm-1(参见附图标记212) 和567.1cm-1(参见附图标记214)处最强，而Si强度在520.5cm-1(参见 附图标记216和218)处最弱。E2声子频率可以用于监控GaN膜中的面内 应力，当与梁的E2声子线如206和膜如202相比时，SOI衬底(即托板204) 上的E2声子线显示朝低能侧移动。当与标准的无应变的400μm厚的独立 的GaN的参考声子峰相比，观察到的红移是由于出现了拉伸应力。对于标 准的无应变的400μm厚的独立的GaN的参考声子峰，请参见R.Armitage， Q.Yang、H.Feick、J.Gebauer、E.R.Weber、S.Shinkai和K.Sasaki的 ″Lattice-matched HfN buffer layers for epitaxy of GaN on Si″(Appl.Phys. Lett.，81，1450 2002)，以及L.S.Wang、K.Y.Zang、S.Tripathy和S.J.Chua 的″Effects of periodic delta-doping on the properties of GaN:Si films grown on Si(111)substrates″(Appl.Phys.Lett，85，5881 2004)。释放膜和梁的强E2 声子强度(参见附图标记212、214)清楚地表明厚度为大约200nm的硅 重叠层106(图1(a))已被完全蚀刻。这显示出使用了图2(d)的微拉 曼光谱以及释放膜202在图2(c)中显微图像的对比度。
尽管使用XeF2的硅蚀刻是高度选择性的，但是也可以随时间变化。图 3(a)是另一个示例性实施例中具有更大的膜尺寸的试样300的显微图像。 用XeF2蚀刻试样300，从托板302、膜304和梁306获得微拉曼光谱测量 结果。在用XeF2进行蚀刻的同时，XeF2蚀刻图2(a)至2(c)的试样100。 从图3(a)可以发现，与边缘如膜304和梁306的边缘308相比，膜304 的中心具有更暗的对比度。边缘如膜304和梁306的边缘308的对比度与 托板302相同。
图3(b)是示出了测得的图3(a)的试样的微拉曼光谱的强度-拉曼 位移图。首先测量托板302，然后测量膜304和释放梁306。通过光谱可 以观察到，托板302在520cm-1具有较强的Si亮度(参见附图标记310)， 而E2声子强度在565.9cm-1处具有较弱的信号(参见附图标记312)。未释 放膜304在520cm-1处具有稍弱的Si强度(参见附图标记314)，GaN最 弱的E2声子强度在566.9cm-1处(参见附图标记316)。然而，释放梁306 在567.3cm-1处具有最强的E2声子强度(参见附图标记318)，在520cm-1 处具有最弱的Si强度(参见附图标记320)。与释放梁306的E2声子线相 比，SOI衬底(即托板302)上GaN的E2声子线更低。然而，未释放的 GaN膜304的E2声子线与释放梁306的声子线相似，从而表明膜304接近 无应变，但是Si峰值(参见附图标记314)的出现表明没有完全从硅重叠 层(未示出)释放。应该理解，XeF2蚀刻的长期荷载可以释放膜304。
在上面的示例性实施例，截面SEM可以分别用于研究在图2(a)至 2(c)中示出的试样100的被释放的膜和悬臂结构。
图3(c)是示出了SIMOX SOI(100)衬底104上位于试样GaN悬臂 结构下方的气隙的SEM图像。图3(d)是示出了与试样SIMOX SOI(100) 托板上的独立的膜连接的位于试样GaN梁下方的气隙的SEM图像。图3 (c)和(d)的SEM图像示出了厚度为大约1.7μm的GaN独立的结构， 其气隙为大约200nm。
图4(a)是图2(c)的试样100的E2声子峰强度分布图。图4(b) 是图2(c)的试样100的拉曼应力分布图。使用来自标准的无应变的厚度 为400μm的独立的GaN的参考拉曼峰，可以确定SOI衬底上来自GaN的 红移声子峰例如402是由于出现了面内的拉伸应力。使用表达式Δω＝Kσ 可以计算出拉伸应力的大小，其中K是按照4.3GPa-1cm-1给出的比例因子。 拉曼测量显示XeF2干蚀刻释放的GaN接近无应力的声子峰。GaN释放的 膜202(图2(c))中的应力变化是大约+0.1至+0.2GPa，而在GaN/SOI (100)托板204(图2(c))中，应力是大约0.45±0.05GPa。可以使用SIMOX SOI(111)衬底进行实验，同时改变衬底固有的硅重叠层的厚度，即大约 50、100和200nm。对于生长在50nm的SOI(111)的衬底上的GaN的情 况，已经发现200nm的SOI(111)衬底中的残余应力的范围是大约 0.32-0.40GPa，并且发现被减小到大约0.2GPa。通过控制生长导致的应力， 发现可以在干释放后使微结构的卷曲和弯曲最小化。
在另一个示例性实施例中，对GaN/SOI(111)托板实施类似的XeF2干 蚀刻处理和表征。
在又一个示例性实施例中，在不沉积附加的或“专用的”牺牲层的条件 下，在体Si(111)衬底上直接形成的GaN层上进行表面微机械加工。这 可以显示使用干蚀刻形成较大气隙的可行性，并且用于检验在干蚀刻后形 成的独立的GaN膜和悬臂的机械稳定性。
图5(a)是示出了在一个示例性实施例中包括具有生长在Si(111) 衬底上的高温氮化铝缓冲层的GaN外延层502的示意图。GaN外延层502 的厚度为大约1.7μm。图5(b)是示出了试样500的PL光谱的PL强度- 带隙能图。测量结果如X-线衍射回摆曲线、透射电子显微镜术(TEM)和 拉曼测量(未示出)表明，生长在体Si(111)上的单晶GaN能够具有良 好的光学特性。
试样500可利用标准的光刻术构图为具有不同的膜尺寸特征，并使用 恒定的处理参数即大约20sccm的BCl3流、10sccm的Cl2流、500W的ICP 功率、200W的RIE功率、5mTorr的压力以及6℃的温度，蚀刻大约9分 钟的时间达到大约2.5μm的深度。随后，对试样500进行硅处理晶片(handle wafer)的XeF2蚀刻持续渐进时间的单次脉冲。
利用XeF2蚀刻了渐进时间的试样500的显微图像显示出试样500的膜 的对比度变化，从而表明出现了气隙(与图2(a)至2(c)相比)。图6 (a)是被释放的GaN结构602的SEM图像600。结构602包括托板604、 释放梁例如606、608以及膜610。结构602的特征是使用了微拉曼技术。 图6(b)是示出了测得的GaN结构602的微拉曼光谱的强度-拉曼位移 图。测量来自四个位置即托板604、释放梁例如606、608和膜610的光谱。 首先测量托板604，随后是膜610和两个梁606、608。
从图6(b)可以看出，托板604在520cm-1处具有较强的Si强度(参 见附图标记612)，而托板604的GaN的E2声子强度在564.9cm-1处最弱(参 见附图标记614)。对于释放膜610和梁606、608，GaN的E2声子强度在 566.9cm-1(分别参见附图标记616、618、620)处最强而Si强度在520cm-1 (分别参见附图标记622、624、626)处最弱，这表明底层的Si(111)处 理晶片衬底504(图5(a))已经被蚀刻，从而形成不确定的气隙。与利用 XeF2蚀刻SIMOX-SOI(100)衬底上的GaN后的观察结果类似(即与图 3(a)相比)，由于蚀刻硅底层的时间关系，具有更大尺寸的GaN膜不是 独立的。
图6(c)是图6(a)的GaN结构602的E2声子峰强度分布图。图6 (d)是图6(a)的GaN结构的拉曼应力分布图。在蚀刻的侧壁处的E2 拉曼强度由于光散射效应而稍微更高。拉曼测量结果显示，通过XeF2干蚀 刻释放的GaN接近无应力的声子峰。GaN释放膜610中的应力变化是大 约+0.15至-0.10GPa，而在GaN/Si(111)托板604中，应力是大约 0.65±0.05GPa。由于该示例性实施例涉及体Si(111)上的GaN机械结构 以及体Si(111)的厚度是固定的，因此GaN层的厚度和隔层的状态可用 于控制外延层中的应力。
图7(a)是示出了(图5(a))的试样500的独立的GaN悬臂结构如 702、704的SEM图像700。SEM图像700显示出厚度为大约23μm的气 隙706，而衬底504的硅层(图5(a))已被用XeF2蚀刻。从SEM图像 700看到的悬臂阵列显示出被释放结构如702、704和托板708的光学显微 图像的对比度的变化。然而，在没有蚀刻停止层(例如SiO2)的情况下， 衬底504(图5(a))的整个硅材料将在没有任何掩膜步骤的情况下进行蚀 刻。这样，优选SOI晶片而不是体Si(111)衬底的一个原因是，在衬底 制造过程中可以在SOI晶片上精确地控制硅重叠层和底部SiO2层的厚度， 从而控制气隙的尺寸。也可以使用预定义的SOI层厚度控制残余应力。
图7(b)是(图5(a))的试样500的GaN悬臂结构如702、704的 E2声子峰强度分布图。图7(c)是(图5(a))的试样500的GaN悬臂结 构如702、704的拉曼应力分布图。拉曼测量结果显示，利用XeF2干蚀刻 的GaN释放接近无应力的声子峰。GaN释放的悬臂结构如702、704中的 应力变化是大约-0.05至+0.20GPa，而在GaN/Si(111)托板708中应力是大 约0.60±0.05GPa。由于该示例性实施例涉及体Si(111)上的GaN机械结 构并且体Si(111)的厚度是固定的，因此可以使用GaN层的厚度和隔层 的状态控制外延层中的应力。对于结果，可以参考Tripathy等的 ″Micro-Raman probing of residual stress in freestanding GaN-based micromechanical structures fabricated by a dry release technique″(J.Appl. Phys.101，063525(2007))。
在另一个示例性实施例中，使用常规的射频磁控系统，将厚度为大约 500-600nm的ZnO材料直接溅射到SIMOX_SOI(111)晶片上。
图8(a)是示出了在另一个实施例中试样800的示意图。试样800包 括SIMOX_SOI(111)衬底802，其具有厚度为大约370nm的“固有的”SiO2 层804和厚度为大约200nm的“固有的”硅重叠层806。试样800还包括在 没有沉积附加的或“专用的”牺牲层的情况下，溅射在SIMOX_SOI(111)衬 底802(即在硅重叠层806)上的大约600nm的ZnO层808。
因此，应该理解，有利的是对气隙厚度的控制与器件形成处理分离， 并通过控制“固有”的硅重叠层厚度来提供。
图8(b)是示出了在溅射于SIMOX_SOI衬底802上的ZnO层808 上在77K和350K之间进行的随温度变化的微-PL测量的PL强度-波长 图。通过图8(b)，可以在低温(77K)PL光谱上看到明显的施主受主对 发射(donor-acceptor-pair(DAP)emission)(参见附图标记810)。当温度 增大到大约350K时DAP发射慢慢减弱。类似地，可以在77K从PL光谱 上看到窄小带缘的自由激子发射(FX)(参见附图标记812)，其随着试样 温度的增高而变宽。
图8(c)是示出了在溅射于硅重叠层806的ZnO层808上的室温PL 光谱测量结果的PL强度-波长图。图8(d)是图8(a)的试样的截面SEM 图像。
在示例性实施例中，利用标准的光刻术将ZnO层808构图为具有变化 的桥和悬臂长度特征，并使用恒定的处理参数即大约20sccm的BCl3流、 10sccm的Cl2流、500W的ICP功率、200W的RIE功率、5mTorr的压力 以及6℃的温度，蚀刻大约10分钟的时间达到大约620nm的深度。对于 试样800的硅重叠层806进行两次脉冲XeF2蚀刻每次大约100秒。
图9(a)是在XeF2蚀刻前图8(a)的试样800的悬臂结构902的显 微图像900。图9(b)是在XeF2蚀刻后图8(a)的试样800的悬臂结构 902的显微图像904。比较图9(a)和图9(b)，ZnO托板906和悬臂如 908中对比度的变化表明，底部硅重叠层806(图8(a))已被完全蚀刻。
包括ZnO桥的另一个示例性实施例以及包括溅射在100nm的硅重叠 层上的500nm的ZnO层的又一个示例性实施例可以观察到类似的效果。
回到图9(a)和(b)，被释放的ZnO结构902的特征还在于使用了 微拉曼光谱法。在438cm-1处观察到的ZnO的E2声子用于评估残余应力。 由于ZnO结构实际上是多晶的，因此可以从声子峰移测量到大约0.15GPa 的残余应力，使用关系式Δω＝Kσ，其中K是按照6.7GPa-1cm-1给出的比 例因子。ZnO结构薄膜中初始生长导致的残余应力的减小是因为衬底的依 从性。此外，已经观察到，被释放的结构902具有一定的数量级为100MPa 的拉伸应力，该应力可以通过悬臂/桥的尺寸进行控制。弯曲应力会导致声 子峰位置产生附加的变化。对于ZnO形成处理，使用具有衬底所固有的其 厚度范围从大约100nm至大约3.0μm的硅重叠层的SOI衬底进行实验。 发现生长导致的残余应力在不同的试样中随着硅重叠层厚度的变化而不 同，其范围从大约0.20至大约0.45GPa。已发现沿生长方向的垂直应力梯 度在通过干蚀刻进行器件释放后可控制残余应力。还发现ZnO释放的悬臂 和微桥中的残余应力在SOI托板上从大约-0.05GPa变化到大约0.40GPa。 残余应力的变化取决于机械结构的几何尺寸、生长导致的应力和SOI上 ZnO层的厚度。
在另一个示例性实施例中，ZnO被溅射到键合的SOI衬底上。衬底可 以是商品级2或4英寸直径的键合的SOI结构，包括Si(111)器件层(厚 度为大约3+0.5μm)、2.0至2.5μm厚的隐埋SiO2层以及Si(111)处理衬底 (厚度为大约400+25μm)。SOI(111)层的取向偏离轴倾斜0.5°-4°。使用 常规的射频磁控系统，将厚度分别为大约2.5μm和1.0μm的ZnO材料直 接溅射到键合的SOI衬底上。
图10(a)是示出了在一个示例性实施例中的试样1000的示意图。试 样1000包括Si(111)键合的SOI衬底1002，该衬底具有厚度为大约2.0μm 的“固有的”SiO2层1004和厚度为大约3.0μm的“固有的”硅重叠层1006。 试样1000还包括在不沉积附加的或“专用的”牺牲层的情况下，溅射在硅重 叠层1006上厚度为大约2.5μm的ZnO层1008。
这样，应该理解，有利的是对气隙厚度的控制与器件形成处理分离， 并通过控制“固有”的硅重叠层厚度来提供。
使用微-PL装置实施77K PL测量。图10(b)是示出了从溅射在硅重 叠层1006上的ZnO层1008测得的光谱的PL强度-波长图。通过图10 (b)，光谱显示了近带缘的自由激子发射(FX)(参见附图标记1010)， 并在低温(DX)处出现施主边界激子峰(参见附图标记1010)。施主受主 对发射(DAP)在77K处更强(参见附图标记1012)。
在示例性的实施例中，ZnO层1008利用标准的光刻术被构图为具有 不同的桥和悬臂长度特征，并使用恒定的处理参数即大约20sccm的BCl3 流、10sccm的Cl2流、500W的ICP功率、200W的RIE功率、5mTorr的 压力以及6℃的温度，蚀刻大约20分钟的时间达到大约3.0μm的深度。对 试样1000的硅层1006进行一个脉冲的XeF2蚀刻即大约30秒。
图11(a)是示出了在XeF2蚀刻后(图10(a))试样1000的ZnO桥 结构1102的显微图像1100。图11(b)是示出了在XeF2蚀刻后(图10(a)) 试样1000的悬臂结构如1106的显微图像1104。在图11(a)中，观察到 ZnO桥结构1102独立于键合的SOI晶片上，同时结构1102保持在两端 1106、1108。可以观察到，桥结构1102的对比度与支撑结构1110、1112 相比更小。插图5中示出了整个桥结构的显微图像。在图11(b)中，观 察到ZnO悬臂结构如1106独立于键合SOI晶片上，同时悬臂结构如1106 保持一个端部如1114上。可以观察到，悬臂结构如1106的对比度与支撑 结构1116相比更小。插图6中示出了整个悬臂结构的显微图像。可以观察 到，一些较长的悬臂如1118、1120由于ZnO材料的安装应力而朝上卷曲。
图12(a)是(图10(a))试样1000的释放的ZnO桥结构1202的 SEM图像1200。图12(b)是(图10(a))试样1000的悬臂结构如1206、 1208的SEM图像1204。在图12(a)中，示出的ZnO桥结构1202具有 大约2.5μm的厚度，其气隙1210是大约3μm。插图7中示出了整个桥结 构的SEM图像。在图12(b)中，示出的具有气隙1212的悬臂结构如1206、 1208的厚度是大约2.5μm。由于ZnO材料的安装应力，悬臂结构如1206、 1208会朝上卷曲。插图8中示出了整个悬臂结构的SEM图像，其还示出 了朝上卷曲的悬臂结构(例如参见1214)。
在示例性的实施例中，释放的ZnO微桥结构1102(图11(a)和悬臂 结构如1106(图11(b))的特征还在于空间分解的微拉曼技术。图13(a) 是示出了测得的桥结构1102(图11(a))的微拉曼光谱的强度-拉曼位移 图。图13(b)是示出了测得的悬臂结构如1106(图11(b))的微拉曼光 谱的强度-拉曼位移图。通过图13(a)，可以观察到，两个支撑结构或托 板1110和1112在520cm-1处(参见附图标记1302)具有较大的硅强度， 而ZnO的E2声子强度在437cm-1处(参见附图标记1304)最弱。由于在 释放的多晶衬底如1102中出现的残余的弯曲应力，因此可以观察到E2声 子峰的轻微变化。对于悬臂结构如1106(图11(b))可以从图13(b)观 察到相似的效果。利用关系式Δω＝Kσ，其中K是按照6.7GPa-1cm-1给出 的比例因子，使用应力敏感的E2声子峰移可以评估应力分布。使用拉曼数 据和适当的声子形变势可以导出该关系式。ZnO的弹性劲度常数用于确定 比例因子。对于计算，可以参考Vicknesh等的″Surface micromachined freestanding ZnO microbridge and cantilever structures on Si(111)substrates″ (Appl.Phys.Lett.90，091913(2007))。
图13(c)是ZnO微桥结构1102(图11(a))中E2声子强度的拉曼 分布图。中心部分1306由于选择性地去除了硅重叠层1006(图10(a)) 而显示出最大的拉曼强度。在支撑结构或托板1110、1112(图(a))和生 长状态的薄膜中多晶ZnO的残余应力的变化范围是大约0.22至0.11GPa。 “生长状态的薄膜”表示多晶ZnO。有人发现托板区域的应力可以和生长状 态的薄膜的应力相同。发现干释放的独立区域具有不同的应力值。拉曼测 量结果显示，在独立悬臂1106(图11(b))中拉伸应力的变化范围是大约 0.15至-0.05GPa。几何效应和生长导致的机械特性可能在独立悬臂1106(图 11(b))中产生这种梯度残余应力的变化。对于ZnO形成处理，可以使用 具有衬底所固有的厚度范围从大约100nm至大约3.0μm的硅重叠层的SOI 衬底进行实验。发现生长导致的残余应力在不同的试样中随着硅重叠层厚 度的变化而不同，其范围从大约0.20至大约0.45GPa。已发现沿生长方向 的垂直应力梯度在通过干蚀刻进行器件释放后可控制残余应力。还发现 ZnO释放的悬臂和微桥中的残余应力在SOI托板上从大约-0.05GPa变化到 大约0.40GPa。残余应力的变化取决于机械结构的几何尺寸、生长导致的 应力和SOI上ZnO层的厚度。
在另一个示例性实施例中，在体Si(111)衬底上提供ZnO。在进行 XeF2干释放/蚀刻之前和之后的桥和悬臂的SEM图像可确定底蚀。在光学 显微图像(未示出)中，ZnO托板和桥中对比度的变化表明衬底的底部硅 材料已被蚀刻。
图14(a)是在体Si(111)托板1404、11406上释放的ZnO桥结构 的SEM图像1400。图14(b)是在体Si(111)托板1412上悬臂结构如 1410的SEM图像1408。气隙1414、1416的尺寸都是大约4.3μm，桥结构 1402和悬臂结构如1410的底蚀是清楚可见的。通过拉曼分析，在该示例 性实施例中可以发现，在体Si(111)上处于生长状态的ZnO薄膜(厚度 是大约1.7μm)显示出大约0.55±0.03Gpa的残余拉伸应力。在构图结构的 托板区域1404、1406、1412，应力值大体上保持相同，其数量级是大约 0.52至0.55GPa。通过图14(a)，沿50μm长的独立的微桥结构1402，可 以从拉曼行扫描估计出残余应力的变化范围是大约0.33±0.03到大约 0.42±0.03GPa。通过图14(b)，沿50μm长的悬臂结构如1410，可以从拉 曼行扫描估计出残余应力的变化范围是大约0.29±0.03到大约0.40±0.03。 对于悬臂结构如1410，随着梁长度增加到大约400μm，可以在悬臂结构如 1410的边缘处观察到略微更大的拉伸应力的值(即达到大约 0.43±0.03GPa)。
在又一个示例性的实施例中，在硅上提供纳米和微晶金刚石机械结 构。纳米金刚石(NCD)微结构在XeF2蚀刻前通过ICP蚀刻进行构图。 对于ICP蚀刻，使用Al硬膜和ArIO2等离子体来干蚀刻金刚石。
图15(a)是在一个示例性实施例中独立的NCD悬臂结构如1502的 SEM图像1500。NCD悬臂结构如1502已经经过了大约2分钟的XeF2蚀 刻。插图示出的显微图像1504中可以观察到悬臂结构如1502的区域中对 比度的变化。在SEM图像1500中也可以观察到对比度的变化。
图15(b)是在一个示例性实施例中独立的NCD桥结构1508的SEM 图像1506。NCD桥结构1508已经经过大约2分钟的XeF2蚀刻。插图示 出的显微图像1510中可以观察到桥结构如1508的区域中对比度的变化。 在SEM图像1506中也可以观察到对比度的变化。
在一个示例性实施例中，金刚石微机械结构1502、1508在机械上是 稳定的。
在另一个示例性实施例中，利用相似的制造步骤实现化学气相沉积 (CVD)-生长的微晶金刚石机械结构。图16(a)是示出了在一个示例性 实施例中化学气相沉积-生长的微晶金刚石机械结构的截面SEM图像 1600。图16(b)是示出了在一个示例性实施例中多晶/微晶金刚石悬臂如 1604的SEM图像1602。图16(c)是示出了在一个示例性实施例中多晶/ 微晶微桥结构如1608的SEM图像1606。
在另一个示例性实施例中，提供GaN基发光二极管(LED)和场效应 晶体管(FET)微结构。为了制造光子传感器和机械传感器，在硅和SOI 托板上制造独立的发光二极管和场效应晶体管。
图17(a)是示出了在一个示例性实施例中在体硅托板上的发光二极 管微结构膜1704的光学显微图像1702。图17(b)是示出了在一个示例 性实施例中在体硅托板上的场效应晶体管悬臂如1708的光学显微图像 1706。图17(c)是示出了在一个示例性实施例中在SOI托板上的发光二 极管微结构膜1712的光学显微图像1710。图17(d)是示出了在一个示 例性实施例中在SOI托板上的场效应晶体管悬臂如1716的光学显微图像 1714。
在一个示例性实施例中，底蚀的(underetched)结构通过XeF2干释放 技术形成。这种机械结构适合于光子传感。除了使用InGaN/GaN，可以在 体硅和SOI托板上制造AIGaN/GaN场效应晶体管悬臂。机械结构的底切 蚀刻是高度选择性的，并且通过XeF2干蚀刻硅和SOI可以实现最终器件 的释放。
在又一个示例性实施例中，提供GaN基底切的微片型LED结构。图 18(a)是在一个示例性实施例中的微片型LED结构如1802的光学显微图 像1800。图18(b)是在一个示例性实施例中微片型LED结构如1806的 SEM图像1804。图18(c)是示出了在一个实施例中从微片型LED结构 1806测得的EL光谱的场致发光(EL)强度-波长图。
在示例性实施例中，使用顶部p键垫和p接触金属化处理垂直的微片 型LED结构。图18(c)示出了来自这种微片型LED器件的典型的场致 发光(EL)光谱。可以看到，当和在没有XeF2蚀刻底部的硅的情况下微 构造的发光二极管相比时，具有InGaN/GaN多量子阱的底切发光二极管可 能导致蓝色和绿色EL强度增大。由于通过XeF2蚀刻选择性地去除了硅而 显著地改善了可见光的提取效率，这表明这种用于一般照明的微片型LED 的潜在应用。在这种底蚀的结构中，由于边缘处的结温增大，因此对于白 光应用可以在更高的驱动电流下保持波长稳定度。这种LED的制造处理对 于微光学机械系统和也是有用的。
图19是示出了制造微机械结构的方法的示意流程图。在步骤1902， 提供硅(Si)基衬底。在步骤1904，在衬底上直接形成微机械元件。在步 骤1906，在微机械元件的释放部下方以凹口的形式形成底切部。
在上面的示例性实施例中，可以在SOI衬底上实现II-VI宽带隙半导 体微机械结构或III-V宽带隙半导体微机械结构。该SOI衬底可以通过晶 片键合和/或注氧隔离(SIMOX)进行制备。SOI托板可以是(100)和(111) 取向。不同取向的SOI衬底会导致特定的应力，该应力可以通过精确地控 制硅重叠层的厚度来调整。II-V1型宽带隙结构包括与ZnO、Zn(Mg)O、 Zn(Cd)O、ZnS相关的材料，它是具有不同厚度的单一结构和异质结构。 III-V型宽带隙结构包括与GaN、AIN、AIGaN、InGaN和InN相关的材 料，它是具有不同厚度的单一结构和异质结构。示例性的实施例还可以应 用于体硅和SOI衬底上的多晶和纳米金刚石微机械结构。用于实现外伸结 构的II-V1和III-V型宽带隙层可以在硅被牺牲蚀刻后提供受控的残余应 力。用于干蚀刻的衬底的硅可通过标准的光刻技术进行曝光。示例性的实 施例还可以在体硅和SOI托板上提供宽带隙半导体微机械结构，例如包括 材料如InGaN/GaN基、AIGaN/GaN基、ZnMgO/ZnO基发光二极管(LEDs) 的光电子器件。
示例性的实施例还可以提供宽带隙半导体微机械结构，例如包括材料 如AIGaN/GaN基、InAIN/GaN基、ZnO/GaN基混合场效应晶体管(FETs) 和高电子迁移率晶体管(HEMTs)的微电子器件。在描述的示例性实施例 中，硅和SOI的牺牲释放是在使用各种生长技术沉积如宽带隙结构之后。 在这种在SOI和体硅上生长的晶格失配和热失配的材料中存在生长导致的 应力。在器件释放后，出现弯曲应力，其取决于层的厚度和几何尺寸。这 种应力也受预先设计的生长导致的应力的显著影响。因此，通过控制这些 参数，可以使用牺牲干释放设计具有预知应力值的机械结构。
本领域技术人员将理解，在不脱离如所广义描述的本发明的精神或范 围的条件下，可以对在具体实施例中示出的本发明进行多种变化和/或修 改。因此这些实施例在任何意义上来说被认为是说明性的和非限制性的。
为了使用SIMOX控制硅的厚度，可以参考多份出版物，如M.Bruel 的″Silicon on insulator material technology″(Electron.Lett，31，1201 1995)， M.Bruel，B.Aspar和A.J.Auberton-Herve的″Smart-Cut：A New Silicon On Insulator Material Technology Based on Hydrogen Implantation and Wafer Bonding″(Jpn.J.Appl.Phys.，Part 1，36，1636 1997)，以及O.W.Holland、 D.Fathy和D.K.Sadana的″Formation of ultrathin，buried oxides in Si by O+ ion implantation″(Appl.Phys.Lett.，69，674 1996)。
当在衬底制造过程中控制硅重叠层的厚度时，可以控制形成的气隙的 厚度。这样，宽带隙材料的残余应力可以通过设计宽带隙材料下面的衬底 固有的硅重叠层来控制。在该示例性实施例中，当XeF2是高度选择性的电 介质时，XeF2选择性地蚀刻衬底固有的硅重叠层以形成相应的气隙。应该 理解，XeF2不会蚀刻SOI衬底的硅重叠层下面的底层SiO2。这样，SOI 衬底的SiO2层可用作固有的蚀刻终止。
在下面的描述中，在更加详细地描述示例性实施例之前简要地介绍示 例性实施例的试样制备/形成和特色技术。
对于一些示例性实施例，GaN基外延层生长在可商业获得的(100) 和(111)取向的SOI衬底上，该衬底可使用MOCVD通过SIMOX方法制 造。这种衬底可以提供厚度为大约150-350nm的隐埋氧化物层和大约 50-200nm的硅重叠层。在一个实例中，具有薄AIN缓冲的GaN层生长在 Si(111)衬底上，以突出制造直接位于基体Si(111)上的GaN微机械结 构的干释放技术的潜力(potential)。在该示例性实施例中，对生长在体Si (111)上的GaN层和SOI衬底进行周期的δ掺杂，以减小裂缝和拉伸应力。 应该理解，在例如AlN缓冲层上生长层和在MOCVD外延附生过程使用周 期的δ掺杂步骤能够在Si(111)上产生良好的GaN外延附生。这种生长方 法还能够应用于SIMOX SOI(111)和SOI(100)衬底。此外，对于一些 示例性实施例，为了说明使用其他宽带隙材料，ZnO材料例如可以通过射 频磁控溅射沉积/生长在使用SIMOX方法制造的(111)取向的SOI衬底 和晶片键合的SOI衬底上。在一些试样中，隐埋的氧化物层的厚度范围是 从大约370nm到2.0μm，硅重叠层的厚度范围是从大约200nm到3.0μm。
ZnO和GaN试样的特点在于光学技术，例如微光致发光(PL)和微 拉曼测量。
对于一些示例性实施例，厚度为大约2.0μm的超纳米金刚石(UNCD) 膜通过微波等离子化学气相沉积技术生长在硅基衬底上。这些膜显示出极 其光滑的金刚石结构，结晶品质的性质可以通过微拉曼光谱学进行研究。
上面描述的试样可以切成多个2x2cm的试样。在等级100的洁净室 中使用丙酮和甲醇在超声波清洗槽中用每种溶剂清洗这些试样大约5分 钟。之后，在去离子水中漂洗试样，用氮气吹干和在90℃的炉中(例如烘 箱)中预焙大约10分钟。加热后，使用具有AZ4330光致抗蚀剂(PR)的 旋涂机(例如Brewer科技公司的型号CEE100)以大约5000rpm旋涂试样 大约30秒。然后将试样放置在炉中在大约90℃下软焙烧大约30分钟。接 着使用卡尔苏斯掩模光刻机(MA8)I-线实施光刻术，其中紫外光(大约 365nm)的强度为近似4.5-5mW。在该示例性实施例中，使用具有不同膜、 悬臂和桥尺寸的特征的3″掩膜板进行构图。光刻后，蚀刻前，在构图的试 样上的测得光致抗蚀剂的厚度为大约3μm。
对于蚀刻，可以在负载锁定的Unaxis公司SLR770型高密度等离子体 蚀刻系统中进行蚀刻，该系统由电感耦合等离子体(ICP)室(在大约2MHz 下操作)和附加的用于试样卡盘的射频偏压(大约13.56MHz)构成。引 入背面氦冷却以便能够更加有效地控制试样衬底的温度。试样在其被引入 蚀刻室之前安装在具有真空润滑油的8-英寸的硅载体晶片上。引入三氯化 硼(BCl3)和纯度为99.999％的氯气(Cl2)用于结构蚀刻。根据宽带隙材 料的类型，使用以下恒定的处理参数即大约20sccm的BCl3流、10sccm的 Cl2流、500W的ICP功率、200W的反应离子蚀刻(RIE)功率、5mTorr 的压力以及6℃的温度，在ICP室中蚀刻试样一段时间。
蚀刻后，通过使用KLA Tencor P-10表面轮廓仪确定剩余材料和光致 抗蚀剂的蚀刻深度。使用丙酮去除光致抗蚀剂，并再次使用表面轮廓仪测 量被蚀刻材料的梯段高度。这是为随后的牺牲层蚀刻确定宽带隙材料下方 的(衬底固有的)底层的曝光条件。对于试样，通过使用XeF2在定制的 Penta真空系统中牺牲蚀刻相应的衬底硅重叠层，实现相应的宽带隙材料的 释放。使用分辨率为大约3.5nm的JEOL JSM 5600扫描电子显微镜(SEM) 并提升电压到5kV-10kV的范围，在二次电子像(SEI)模式中捕获被释放 的宽带隙材料的图像。
此外，被释放的试样的特征是室温下在反向散射几何学中空间分解的 拉曼散射。使用氩离子激光器的514.5nm线进行拉曼散射测量。被散射的 光通过与液氮冷却的电荷耦合器件(CCD)检测器连接的JY-T64000三单 色系统分散开。拉曼测量结果的准确性为大约0.2cm-1，其横向空间分辨率 为大约1.2μm。垂直于衬底对试样进行激发，通过用于聚焦入射激光的同 一物镜检测反向散射的光。
在简要地介绍了试样制备/形成和特色技术后，下文将更加详细地描述 示例性实施例。
图1(a)是示出了在一个示例性实施例中包括在SIMOX_SOI(100) 衬底上形成的GaN层102的试样100的示意图。厚度为大约1.5至1.7μm 的GaN层102直接形成在衬底104上，而不用沉积附加的或“专用的”牺牲 层。衬底104内在地包括厚度为大约200nm的“固有”硅重叠层106和厚度 为350nm的“固有”隐埋的氧化层108。试样100可利用标准的光刻术构图 为具有不同的膜尺寸特征，并使用恒定的处理参数即大约20sccm的BCl3 流、10sccm的Cl2流、500W的ICP功率、200W的RIE功率、5mTorr的 压力以及6℃的温度，蚀刻大约11分钟的时间达到大约2μm的深度。
因此，应该理解，有利的是对气隙厚度的控制与器件形成处理分离， 并通过控制“固有”的硅重叠层厚度来提供。
图1(b)是示出了测得的GaN层102的微拉曼光谱的强度-拉曼位移 图。图1(c)是示出了测得的GaN层102的PL光谱的PL强度-波长图。
然后使用渐进时间的单次脉冲对试样的硅重叠层106进行XeF2蚀刻。 图2(a)至(c)是示出了以45ΔT的渐进时间间隔进行XeF2蚀刻后的试 样的显微图像，其中T是以秒计的时间。从图2(a)至(c)，可以发现试 样100的膜202的对比度改变了膜202下方气隙的指示信息。在图2(c) 中，与指示SOI衬底104(图1(a))上独立的GaN膜202的试样100的 托板204相比，整个膜202的对比度更小。图2(c)的释放膜202(也参 见插图1)的特征是使用微拉曼技术和测量来自三个位置的光谱，所述三 个位置是：托板204、释放膜202和梁206。图2(d)是示出了测得的微 拉曼光谱的一组强度-拉曼位移图。
从图2(d)的测量结果来看，氩离子激光器的可见514.5nm由于激光 的有效肤深可以探测整个GaN层102(图1(a))以及硅重叠层106(图1 (a))。首先测量托板204，随后测量膜202和梁206。通过图2(d)的光 谱，可以发现托板204在520cm-1处具有较大的Si强度(参见附图标记208)， 而托板204中GaN的E2声子强度在565.9cm-1处最弱(参见附图标记210)。 对于释放膜202和梁206，E2声子强度分别在567.3cm-1(参见附图标记212) 和567.1cm-1(参见附图标记214)处最强，而Si强度在520.5cm-1(参见 附图标记216和218)处最弱。E2声子频率可以用于监控GaN膜中的面内 应力，当与梁的E2声子线如206和膜如202相比时，SOI衬底(即托板204) 上的E2声子线显示朝低能侧移动。当与标准的无应变的400μm厚的独立 的GaN的参考声子峰相比，观察到的红移是由于出现了拉伸应力。对于标 准的无应变的400μm厚的独立的GaN的参考声子峰，请参见R.Armitage， Q.Yang、H.Feick、J.Gebauer、E.R.Weber、S.Shinkai和K.Sasaki的 ″Lattice-matched HfN buffer layers for epitaxy of GaN on Si″(Appl.Phys. Lett.，81，1450 2002)，以及L.S.Wang、K.Y.Zang、S.Tripathy和S.J.Chua 的″Effects of periodic delta-doping on the properties of GaN:Si films grown on Si(111)substrates″(Appl.Phys.Lett，85，5881 2004)。释放膜和梁的强E2 声子强度(参见附图标记212、214)清楚地表明厚度为大约200nm的硅 重叠层106(图1(a))已被完全蚀刻。这显示出使用了图2(d)的微拉 曼光谱以及释放膜202在图2(c)中显微图像的对比度。
尽管使用XeF2的硅蚀刻是高度选择性的，但是也可以随时间变化。图 3(a)是另一个示例性实施例中具有更大的膜尺寸的试样300的显微图像。 用XeF2蚀刻试样300，从托板302、膜304和梁306获得微拉曼光谱测量 结果。在用XeF2进行蚀刻的同时，XeF2蚀刻图2(a)至2(c)的试样100。 从图3(a)可以发现，与边缘如膜304和梁306的边缘308相比，膜304 的中心具有更暗的对比度。边缘如膜304和梁306的边缘308的对比度与 托板302相同。
图3(b)是示出了测得的图3(a)的试样的微拉曼光谱的强度-拉曼 位移图。首先测量托板302，然后测量膜304和释放梁306。通过光谱可 以观察到，托板302在520cm-1具有较强的Si亮度(参见附图标记310)， 而E2声子强度在565.9cm-1处具有较弱的信号(参见附图标记312)。未释 放膜304在520cm-1处具有稍弱的Si强度(参见附图标记314)，GaN最 弱的E2声子强度在566.9cm-1处(参见附图标记316)。然而，释放梁306 在567.3cm-1处具有最强的E2声子强度(参见附图标记318)，在520cm-1 处具有最弱的Si强度(参见附图标记320)。与释放梁306的E2声子线相 比，SOI衬底(即托板302)上GaN的E2声子线更低。然而，未释放的 GaN膜304的E2声子线与释放梁306的声子线相似，从而表明膜304接近 无应变，但是Si峰值(参见附图标记314)的出现表明没有完全从硅重叠 层(未示出)释放。应该理解，XeF2蚀刻的长期荷载可以释放膜304。
在上面的示例性实施例，截面SEM可以分别用于研究在图2(a)至 2(c)中示出的试样100的被释放的膜和悬臂结构。
图3(c)是示出了SIMOX SOI(100)衬底104上位于试样GaN悬臂 结构下方的气隙的SEM图像。图3(d)是示出了与试样SIMOX SOI(100) 托板上的独立的膜连接的位于试样GaN梁下方的气隙的SEM图像。图3 (c)和(d)的SEM图像示出了厚度为大约1.7μm的GaN独立的结构， 其气隙为大约200nm。
图4(a)是图2(c)的试样100的E2声子峰强度分布图。图4(b) 是图2(c)的试样100的拉曼应力分布图。使用来自标准的无应变的厚度 为400μm的独立的GaN的参考拉曼峰，可以确定SOI衬底上来自GaN的 红移声子峰例如402是由于出现了面内的拉伸应力。使用表达式Δω＝Kσ 可以计算出拉伸应力的大小，其中K是按照4.3GPa-1cm-1给出的比例因子。 拉曼测量显示XeF2干蚀刻释放的GaN接近无应力的声子峰。GaN释放的 膜202(图2(c))中的应力变化是大约+0.1至+0.2GPa，而在GaN/SOI (100)托板204(图2(c))中，应力是大约0.45±0.05GPa。可以使用SIMOX SOI(111)衬底进行实验，同时改变衬底固有的硅重叠层的厚度，即大约 50、100和200nm。对于生长在50nm的SOI(111)的衬底上的GaN的情 况，已经发现200nm的SOI(111)衬底中的残余应力的范围是大约 0.32-0.40GPa，并且发现被减小到大约0.2GPa。通过控制生长导致的应力， 发现可以在干释放后使微结构的卷曲和弯曲最小化。
在另一个示例性实施例中，对GaN/SOI(111)托板实施类似的XeF2干 蚀刻处理和表征。
在又一个示例性实施例中，在不沉积附加的或“专用的”牺牲层的条件 下，在体Si(111)衬底上直接形成的GaN层上进行表面微机械加工。这 可以显示使用干蚀刻形成较大气隙的可行性，并且用于检验在干蚀刻后形 成的独立的GaN膜和悬臂的机械稳定性。
图5(a)是示出了在一个示例性实施例中包括具有生长在Si(111) 衬底上的高温氮化铝缓冲层的GaN外延层502的示意图。GaN外延层502 的厚度为大约1.7μm。图5(b)是示出了试样500的PL光谱的PL强度- 带隙能图。测量结果如X-线衍射回摆曲线、透射电子显微镜术(TEM)和 拉曼测量(未示出)表明，生长在体Si(111)上的单晶GaN能够具有良 好的光学特性。
试样500可利用标准的光刻术构图为具有不同的膜尺寸特征，并使用 恒定的处理参数即大约20sccm的BCl3流、10sccm的Cl2流、500W的ICP 功率、200W的RIE功率、5mTorr的压力以及6℃的温度，蚀刻大约9分 钟的时间达到大约2.5μm的深度。随后，对试样500进行硅处理晶片(handle wafer)的XeF2蚀刻持续渐进时间的单次脉冲。
利用XeF2蚀刻了渐进时间的试样500的显微图像显示出试样500的膜 的对比度变化，从而表明出现了气隙(与图2(a)至2(c)相比)。图6 (a)是被释放的GaN结构602的SEM图像600。结构602包括托板604、 释放梁例如606、608以及膜610。结构602的特征是使用了微拉曼技术。 图6(b)是示出了测得的GaN结构602的微拉曼光谱的强度-拉曼位移 图。测量来自四个位置即托板604、释放梁例如606、608和膜610的光谱。 首先测量托板604，随后是膜610和两个梁606、608。
从图6(b)可以看出，托板604在520cm-1处具有较强的Si强度(参 见附图标记612)，而托板604的GaN的E2声子强度在564.9cm-1处最弱(参 见附图标记614)。对于释放膜610和梁606、608，GaN的E2声子强度在 566.9cm-1(分别参见附图标记616、618、620)处最强而Si强度在520cm-1 (分别参见附图标记622、624、626)处最弱，这表明底层的Si(111)处 理晶片衬底504(图5(a))已经被蚀刻，从而形成不确定的气隙。与利用 XeF2蚀刻SIMOX-SOI(100)衬底上的GaN后的观察结果类似(即与图 3(a)相比)，由于蚀刻硅底层的时间关系，具有更大尺寸的GaN膜不是 独立的。
图6(c)是图6(a)的GaN结构602的E2声子峰强度分布图。图6 (d)是图6(a)的GaN结构的拉曼应力分布图。在蚀刻的侧壁处的E2 拉曼强度由于光散射效应而稍微更高。拉曼测量结果显示，通过XeF2干蚀 刻释放的GaN接近无应力的声子峰。GaN释放膜610中的应力变化是大 约+0.15至-0.10GPa，而在GaN/Si(111)托板604中，应力是大约 0.65±0.05GPa。由于该示例性实施例涉及体Si(111)上的GaN机械结构 以及体Si(111)的厚度是固定的，因此GaN层的厚度和隔层的状态可用 于控制外延层中的应力。
图7(a)是示出了(图5(a))的试样500的独立的GaN悬臂结构如 702、704的SEM图像700。SEM图像700显示出厚度为大约23μm的气 隙706，而衬底504的硅层(图5(a))已被用XeF2蚀刻。从SEM图像 700看到的悬臂阵列显示出被释放结构如702、704和托板708的光学显微 图像的对比度的变化。然而，在没有蚀刻停止层(例如SiO2)的情况下， 衬底504(图5(a))的整个硅材料将在没有任何掩膜步骤的情况下进行蚀 刻。这样，优选SOI晶片而不是体Si(111)衬底的一个原因是，在衬底 制造过程中可以在SOI晶片上精确地控制硅重叠层和底部SiO2层的厚度， 从而控制气隙的尺寸。也可以使用预定义的SOI层厚度控制残余应力。
图7(b)是(图5(a))的试样500的GaN悬臂结构如702、704的 E2声子峰强度分布图。图7(c)是(图5(a))的试样500的GaN悬臂结 构如702、704的拉曼应力分布图。拉曼测量结果显示，利用XeF2干蚀刻 的GaN释放接近无应力的声子峰。GaN释放的悬臂结构如702、704中的 应力变化是大约-0.05至+0.20GPa，而在GaN/Si(111)托板708中应力是大 约0.60±0.05GPa。由于该示例性实施例涉及体Si(111)上的GaN机械结 构并且体Si(111)的厚度是固定的，因此可以使用GaN层的厚度和隔层 的状态控制外延层中的应力。对于结果，可以参考Tripathy等的 ″Micro-Raman probing of residual stress in freestanding GaN-based micromechanical structures fabricated by a dry release technique″(J.Appl. Phys.101，063525(2007))。
在另一个示例性实施例中，使用常规的射频磁控系统，将厚度为大约 500-600nm的ZnO材料直接溅射到SIMOX_SOI(111)晶片上。
图8(a)是示出了在另一个实施例中试样800的示意图。试样800包 括SIMOX_SOI(111)衬底802，其具有厚度为大约370nm的“固有的”SiO2 层804和厚度为大约200nm的“固有的”硅重叠层806。试样800还包括在 没有沉积附加的或“专用的”牺牲层的情况下，溅射在SIMOX_SOI(111)衬 底802(即在硅重叠层806)上的大约600nm的ZnO层808。
因此，应该理解，有利的是对气隙厚度的控制与器件形成处理分离， 并通过控制“固有”的硅重叠层厚度来提供。
图8(b)是示出了在溅射于SIMOX_SOI衬底802上的ZnO层808 上在77K和350K之间进行的随温度变化的微-PL测量的PL强度-波长 图。通过图8(b)，可以在低温(77K)PL光谱上看到明显的施主受主对 发射(donor-acceptor-pair(DAP)emission)(参见附图标记810)。当温度 增大到大约350K时DAP发射慢慢减弱。类似地，可以在77K从PL光谱 上看到窄小带缘的自由激子发射(FX)(参见附图标记812)，其随着试样 温度的增高而变宽。
图8(c)是示出了在溅射于硅重叠层806的ZnO层808上的室温PL 光谱测量结果的PL强度-波长图。图8(d)是图8(a)的试样的截面SEM 图像。
在示例性实施例中，利用标准的光刻术将ZnO层808构图为具有变化 的桥和悬臂长度特征，并使用恒定的处理参数即大约20sccm的BCl3流、 10sccm的Cl2流、500W的ICP功率、200W的RIE功率、5mTorr的压力 以及6℃的温度，蚀刻大约10分钟的时间达到大约620nm的深度。对于 试样800的硅重叠层806进行两次脉冲XeF2蚀刻每次大约100秒。
图9(a)是在XeF2蚀刻前图8(a)的试样800的悬臂结构902的显 微图像900。图9(b)是在XeF2蚀刻后图8(a)的试样800的悬臂结构 902的显微图像904。比较图9(a)和图9(b)，ZnO托板906和悬臂如 908中对比度的变化表明，底部硅重叠层806(图8(a))已被完全蚀刻。
包括ZnO桥的另一个示例性实施例以及包括溅射在100nm的硅重叠 层上的500nm的ZnO层的又一个示例性实施例可以观察到类似的效果。
回到图9(a)和(b)，被释放的ZnO结构902的特征还在于使用了 微拉曼光谱法。在438cm-1处观察到的ZnO的E2声子用于评估残余应力。 由于ZnO结构实际上是多晶的，因此可以从声子峰移测量到大约0.15GPa 的残余应力，使用关系式Δω＝Kσ，其中K是按照6.7GPa-1cm-1给出的比 例因子。ZnO结构薄膜中初始生长导致的残余应力的减小是因为衬底的依 从性。此外，已经观察到，被释放的结构902具有一定的数量级为100MPa 的拉伸应力，该应力可以通过悬臂/桥的尺寸进行控制。弯曲应力会导致声 子峰位置产生附加的变化。对于ZnO形成处理，使用具有衬底所固有的其 厚度范围从大约100nm至大约3.0μm的硅重叠层的SOI衬底进行实验。 发现生长导致的残余应力在不同的试样中随着硅重叠层厚度的变化而不 同，其范围从大约0.20至大约0.45GPa。已发现沿生长方向的垂直应力梯 度在通过干蚀刻进行器件释放后可控制残余应力。还发现ZnO释放的悬臂 和微桥中的残余应力在SOI托板上从大约-0.05GPa变化到大约0.40GPa。 残余应力的变化取决于机械结构的几何尺寸、生长导致的应力和SOI上 ZnO层的厚度。
在另一个示例性实施例中，ZnO被溅射到键合的SOI衬底上。衬底可 以是商品级2或4英寸直径的键合的SOI结构，包括Si(111)器件层(厚 度为大约3+0.5μm)、2.0至2.5μm厚的隐埋SiO2层以及Si(111)处理衬底 (厚度为大约400+25μm)。SOI(111)层的取向偏离轴倾斜0.5°-4°。使用 常规的射频磁控系统，将厚度分别为大约2.5μm和1.0μm的ZnO材料直 接溅射到键合的SOI衬底上。
图10(a)是示出了在一个示例性实施例中的试样1000的示意图。试 样1000包括Si(111)键合的SOI衬底1002，该衬底具有厚度为大约2.0μm 的“固有的”SiO2层1004和厚度为大约3.0μm的“固有的”硅重叠层1006。 试样1000还包括在不沉积附加的或“专用的”牺牲层的情况下，溅射在硅重 叠层1006上厚度为大约2.5μm的ZnO层1008。
这样，应该理解，有利的是对气隙厚度的控制与器件形成处理分离， 并通过控制“固有”的硅重叠层厚度来提供。
使用微-PL装置实施77K PL测量。图10(b)是示出了从溅射在硅重 叠层1006上的ZnO层1008测得的光谱的PL强度-波长图。通过图10 (b)，光谱显示了近带缘的自由激子发射(FX)(参见附图标记1010)， 并在低温(DX)处出现施主边界激子峰(参见附图标记1010)。施主受主 对发射(DAP)在77K处更强(参见附图标记1012)。
在示例性的实施例中，ZnO层1008利用标准的光刻术被构图为具有 不同的桥和悬臂长度特征，并使用恒定的处理参数即大约20sccm的BCl3 流、10sccm的Cl2流、500W的ICP功率、200W的RIE功率、5mTorr的 压力以及6℃的温度，蚀刻大约20分钟的时间达到大约3.0μm的深度。对 试样1000的硅层1006进行一个脉冲的XeF2蚀刻即大约30秒。
图11(a)是示出了在XeF2蚀刻后(图10(a))试样1000的ZnO桥 结构1102的显微图像1100。图11(b)是示出了在XeF2蚀刻后(图10(a)) 试样1000的悬臂结构如1106的显微图像1104。在图11(a)中，观察到 ZnO桥结构1102独立于键合的SOI晶片上，同时结构1102保持在两端 1106、1108。可以观察到，桥结构1102的对比度与支撑结构1110、1112 相比更小。插图5中示出了整个桥结构的显微图像。在图11(b)中，观 察到ZnO悬臂结构如1106独立于键合SOI晶片上，同时悬臂结构如1106 保持一个端部如1114上。可以观察到，悬臂结构如1106的对比度与支撑 结构1116相比更小。插图6中示出了整个悬臂结构的显微图像。可以观察 到，一些较长的悬臂如1118、1120由于ZnO材料的安装应力而朝上卷曲。
图12(a)是(图10(a))试样1000的释放的ZnO桥结构1202的 SEM图像1200。图12(b)是(图10(a))试样1000的悬臂结构如1206、 1208的SEM图像1204。在图12(a)中，示出的ZnO桥结构1202具有 大约2.5μm的厚度，其气隙1210是大约3μm。插图7中示出了整个桥结 构的SEM图像。在图12(b)中，示出的具有气隙1212的悬臂结构如1206、 1208的厚度是大约2.5μm。由于ZnO材料的安装应力，悬臂结构如1206、 1208会朝上卷曲。插图8中示出了整个悬臂结构的SEM图像，其还示出 了朝上卷曲的悬臂结构(例如参见1214)。
在示例性的实施例中，释放的ZnO微桥结构1102(图11(a)和悬臂 结构如1106(图11(b))的特征还在于空间分解的微拉曼技术。图13(a) 是示出了测得的桥结构1102(图11(a))的微拉曼光谱的强度-拉曼位移 图。图13(b)是示出了测得的悬臂结构如1106(图11(b))的微拉曼光 谱的强度-拉曼位移图。通过图13(a)，可以观察到，两个支撑结构或托 板1110和1112在520cm-1处(参见附图标记1302)具有较大的硅强度， 而ZnO的E2声子强度在437cm-1处(参见附图标记1304)最弱。由于在 释放的多晶衬底如1102中出现的残余的弯曲应力，因此可以观察到E2声 子峰的轻微变化。对于悬臂结构如1106(图11(b))可以从图13(b)观 察到相似的效果。利用关系式Δω＝Kσ，其中K是按照6.7GPa-1cm-1给出 的比例因子，使用应力敏感的E2声子峰移可以评估应力分布。使用拉曼数 据和适当的声子形变势可以导出该关系式。ZnO的弹性劲度常数用于确定 比例因子。对于计算，可以参考Vicknesh等的″Surface micromachined freestanding ZnO microbridge and cantilever structures on Si(111)substrates″ (Appl.Phys.Lett.90，091913(2007))。
图13(c)是ZnO微桥结构1102(图11(a))中E2声子强度的拉曼 分布图。中心部分1306由于选择性地去除了硅重叠层1006(图10(a)) 而显示出最大的拉曼强度。在支撑结构或托板1110、1112(图(a))和生 长状态的薄膜中多晶ZnO的残余应力的变化范围是大约0.22至0.11GPa。 “生长状态的薄膜”表示多晶ZnO。有人发现托板区域的应力可以和生长状 态的薄膜的应力相同。发现干释放的独立区域具有不同的应力值。拉曼测 量结果显示，在独立悬臂1106(图11(b))中拉伸应力的变化范围是大约 0.15至-0.05GPa。几何效应和生长导致的机械特性可能在独立悬臂1106(图 11(b))中产生这种梯度残余应力的变化。对于ZnO形成处理，可以使用 具有衬底所固有的厚度范围从大约100nm至大约3.0μm的硅重叠层的SOI 衬底进行实验。发现生长导致的残余应力在不同的试样中随着硅重叠层厚 度的变化而不同，其范围从大约0.20至大约0.45GPa。已发现沿生长方向 的垂直应力梯度在通过干蚀刻进行器件释放后可控制残余应力。还发现 ZnO释放的悬臂和微桥中的残余应力在SOI托板上从大约-0.05GPa变化到 大约0.40GPa。残余应力的变化取决于机械结构的几何尺寸、生长导致的 应力和SOI上ZnO层的厚度。
在另一个示例性实施例中，在体Si(111)衬底上提供ZnO。在进行 XeF2干释放/蚀刻之前和之后的桥和悬臂的SEM图像可确定底蚀。在光学 显微图像(未示出)中，ZnO托板和桥中对比度的变化表明衬底的底部硅 材料已被蚀刻。
图14(a)是在体Si(111)托板1404、11406上释放的ZnO桥结构 的SEM图像1400。图14(b)是在体Si(111)托板1412上悬臂结构如 1410的SEM图像1408。气隙1414、1416的尺寸都是大约4.3μm，桥结构 1402和悬臂结构如1410的底蚀是清楚可见的。通过拉曼分析，在该示例 性实施例中可以发现，在体Si(111)上处于生长状态的ZnO薄膜(厚度 是大约1.7μm)显示出大约0.55±0.03Gpa的残余拉伸应力。在构图结构的 托板区域1404、1406、1412，应力值大体上保持相同，其数量级是大约 0.52至0.55GPa。通过图14(a)，沿50μm长的独立的微桥结构1402，可 以从拉曼行扫描估计出残余应力的变化范围是大约0.33±0.03到大约 0.42±0.03GPa。通过图14(b)，沿50μm长的悬臂结构如1410，可以从拉 曼行扫描估计出残余应力的变化范围是大约0.29±0.03到大约0.40±0.03。 对于悬臂结构如1410，随着梁长度增加到大约400μm，可以在悬臂结构如 1410的边缘处观察到略微更大的拉伸应力的值(即达到大约 0.43±0.03GPa)。
在又一个示例性的实施例中，在硅上提供纳米和微晶金刚石机械结 构。纳米金刚石(NCD)微结构在XeF2蚀刻前通过ICP蚀刻进行构图。 对于ICP蚀刻，使用Al硬膜和ArIO2等离子体来干蚀刻金刚石。
图15(a)是在一个示例性实施例中独立的NCD悬臂结构如1502的 SEM图像1500。NCD悬臂结构如1502已经经过了大约2分钟的XeF2蚀 刻。插图示出的显微图像1504中可以观察到悬臂结构如1502的区域中对 比度的变化。在SEM图像1500中也可以观察到对比度的变化。
图15(b)是在一个示例性实施例中独立的NCD桥结构1508的SEM 图像1506。NCD桥结构1508已经经过大约2分钟的XeF2蚀刻。插图示 出的显微图像1510中可以观察到桥结构如1508的区域中对比度的变化。 在SEM图像1506中也可以观察到对比度的变化。
在一个示例性实施例中，金刚石微机械结构1502、1508在机械上是 稳定的。
在另一个示例性实施例中，利用相似的制造步骤实现化学气相沉积 (CVD)-生长的微晶金刚石机械结构。图16(a)是示出了在一个示例性 实施例中化学气相沉积-生长的微晶金刚石机械结构的截面SEM图像 1600。图16(b)是示出了在一个示例性实施例中多晶/微晶金刚石悬臂如 1604的SEM图像1602。图16(c)是示出了在一个示例性实施例中多晶/ 微晶微桥结构如1608的SEM图像1606。
在另一个示例性实施例中，提供GaN基发光二极管(LED)和场效应 晶体管(FET)微结构。为了制造光子传感器和机械传感器，在硅和SOI 托板上制造独立的发光二极管和场效应晶体管。
图17(a)是示出了在一个示例性实施例中在体硅托板上的发光二极 管微结构膜1704的光学显微图像1702。图17(b)是示出了在一个示例 性实施例中在体硅托板上的场效应晶体管悬臂如1708的光学显微图像 1706。图17(c)是示出了在一个示例性实施例中在SOI托板上的发光二 极管微结构膜1712的光学显微图像1710。图17(d)是示出了在一个示 例性实施例中在SOI托板上的场效应晶体管悬臂如1716的光学显微图像 1714。
在一个示例性实施例中，底蚀的(underetched)结构通过XeF2干释放 技术形成。这种机械结构适合于光子传感。除了使用InGaN/GaN，可以在 体硅和SOI托板上制造AIGaN/GaN场效应晶体管悬臂。机械结构的底切 蚀刻是高度选择性的，并且通过XeF2干蚀刻硅和SOI可以实现最终器件 的释放。
在又一个示例性实施例中，提供GaN基底切的微片型LED结构。图 18(a)是在一个示例性实施例中的微片型LED结构如1802的光学显微图 像1800。图18(b)是在一个示例性实施例中微片型LED结构如1806的 SEM图像1804。图18(c)是示出了在一个实施例中从微片型LED结构 1806测得的EL光谱的场致发光(EL)强度-波长图。
在示例性实施例中，使用顶部p键垫和p接触金属化处理垂直的微片 型LED结构。图18(c)示出了来自这种微片型LED器件的典型的场致 发光(EL)光谱。可以看到，当和在没有XeF2蚀刻底部的硅的情况下微 构造的发光二极管相比时，具有InGaN/GaN多量子阱的底切发光二极管可 能导致蓝色和绿色EL强度增大。由于通过XeF2蚀刻选择性地去除了硅而 显著地改善了可见光的提取效率，这表明这种用于一般照明的微片型LED 的潜在应用。在这种底蚀的结构中，由于边缘处的结温增大，因此对于白 光应用可以在更高的驱动电流下保持波长稳定度。这种LED的制造处理对 于微光学机械系统和也是有用的。
图19是示出了制造微机械结构的方法的示意流程图。在步骤1902， 提供硅(Si)基衬底。在步骤1904，在衬底上直接形成微机械元件。在步 骤1906，在微机械元件的释放部下方以凹口的形式形成底切部。
在上面的示例性实施例中，可以在SOI衬底上实现II-VI宽带隙半导 体微机械结构或III-V宽带隙半导体微机械结构。该SOI衬底可以通过晶 片键合和/或注氧隔离(SIMOX)进行制备。SOI托板可以是(100)和(111) 取向。不同取向的SOI衬底会导致特定的应力，该应力可以通过精确地控 制硅重叠层的厚度来调整。II-V1型宽带隙结构包括与ZnO、Zn(Mg)O、 Zn(Cd)O、ZnS相关的材料，它是具有不同厚度的单一结构和异质结构。 III-V型宽带隙结构包括与GaN、AIN、AIGaN、InGaN和InN相关的材 料，它是具有不同厚度的单一结构和异质结构。示例性的实施例还可以应 用于体硅和SOI衬底上的多晶和纳米金刚石微机械结构。用于实现外伸结 构的II-V1和III-V型宽带隙层可以在硅被牺牲蚀刻后提供受控的残余应 力。用于干蚀刻的衬底的硅可通过标准的光刻技术进行曝光。示例性的实 施例还可以在体硅和SOI托板上提供宽带隙半导体微机械结构，例如包括 材料如InGaN/GaN基、AIGaN/GaN基、ZnMgO/ZnO基发光二极管(LEDs) 的光电子器件。
示例性的实施例还可以提供宽带隙半导体微机械结构，例如包括材料 如AIGaN/GaN基、InAIN/GaN基、ZnO/GaN基混合场效应晶体管(FETs) 和高电子迁移率晶体管(HEMTs)的微电子器件。在描述的示例性实施例 中，硅和SOI的牺牲释放是在使用各种生长技术沉积如宽带隙结构之后。 在这种在SOI和体硅上生长的晶格失配和热失配的材料中存在生长导致的 应力。在器件释放后，出现弯曲应力，其取决于层的厚度和几何尺寸。这 种应力也受预先设计的生长导致的应力的显著影响。因此，通过控制这些 参数，可以使用牺牲干释放设计具有预知应力值的机械结构。
本领域技术人员将理解，在不脱离如所广义描述的本发明的精神或范 围的条件下，可以对在具体实施例中示出的本发明进行多种变化和/或修 改。因此这些实施例在任何意义上来说被认为是说明性的和非限制性的。
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