一種制備微納結(jié)構(gòu)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備微納結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：1）首先，選擇一種基板，基板溶于刻蝕溶液；2）在基板上沉積一層膜層，膜層不溶于刻蝕溶液；3）在膜層上沉積一層犧牲層，犧牲層溶于刻蝕溶液；4）根據(jù)要制備結(jié)構(gòu)，重復(fù)步驟2）和步驟3）；5）將步驟4）沉積所得層結(jié)構(gòu)和基板一起固定在基底上，基底不溶于刻蝕溶液；6）將步驟5）所得樣品放入刻蝕溶液中，將基板和犧牲層刻蝕掉，得到膜層與基底形成的微納結(jié)構(gòu)。通過簡單的操作步驟，就可以制備出尺寸精度高、表面光潔度好、深度比大、一致性好和側(cè)壁陡的結(jié)構(gòu)；且加工出的結(jié)構(gòu)最小特征尺寸范圍大，可以從光學(xué)加工的納米數(shù)量級到機械加工的米數(shù)量級，適用范圍廣。
【專利說明】一種制備微納結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料成型【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種制備微納結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，制造電子產(chǎn)品和機械設(shè)備所需的零件品種規(guī)格很多，使用的材料也十分復(fù)雜和多樣，采用的加工方法也各種各樣。
[0003]如對特征尺度20um以上的大多數(shù)零件可以采用的加工手段有:車、銑、刨、磨、沖
壓、冷擠壓及繞制等。
[0004]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，比如隨著微波器件工作頻率的增加，要求器件的尺寸越來越??；隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，器件集成度越來越高，除了要求加工出器件的特征尺寸越來越小外，而且對結(jié)構(gòu)的一致性要求也高。
[0005]為了解決這個問題，出現(xiàn)了一些特殊的加工手段，比如電火花加工、光刻、超聲加工和激光加工等。但是這些加工手段都有自己的使用范圍，比如電火花加工受限于電極絲，加工出的最小尺寸在0.04mm-0.2mm之間；光刻工藝單次加工出器件的特征尺寸在幾微米以下，對結(jié)構(gòu)深寬比要求高的結(jié)構(gòu)很難一次成型，而多次加工又受限于對準(zhǔn)水平，工藝復(fù)雜，誤差大；超聲加工主要適用于對硬脆材料的加工，且其加工出的結(jié)構(gòu)尺寸誤差太大，往往I微米以上，很難在半導(dǎo)體行業(yè)推廣。盡管激光加工可以對所有材料進行打孔和切割，但利用該手段加工時，激光切除邊緣部位的材料由于受到熱作用，本身的物理化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了改變，進而會影響加工出結(jié)構(gòu)的性能，同時，該技術(shù)受限于激光束的能量、波長和光學(xué)最小分辨率，目前，報道的利用激光加工制造的最小結(jié)構(gòu)尺寸在0.2um以上，對于更小特征尺寸的結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種制備微納結(jié)構(gòu)的方法，其可以很方便的制備出微納規(guī)格尺寸的結(jié)構(gòu)。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種制備微納結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟:
[0008]I)首先，選擇一種基板，基板溶于刻蝕溶液；
[0009]2)在基板上沉積一層膜層，膜層不溶于刻蝕溶液；
[0010]3)在膜層上沉積一層犧牲層，犧牲層溶于刻蝕溶液；
[0011]4)根據(jù)要制備結(jié)構(gòu)，重復(fù)步驟2)和步驟3)；
[0012]5)將步驟4)沉積所得層結(jié)構(gòu)和基板一起綁定在基底上，基底不溶于刻蝕溶液；
[0013]6)將步驟5)所得樣品放入刻蝕溶液中，將基板和犧牲層刻蝕掉，得到膜層與基底形成的微納結(jié)構(gòu)。
[0014]進一步的，所述膜層和犧牲層可分別采用磁控濺射或電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)或脈沖激光或分子束外延進行沉積。[0015]所述膜層和犧牲層的厚度通過控制沉積速率和沉積時間進行控制。
[0016]所述刻蝕溶液為酸性溶液時，膜層材料可為Cu或Ag或Pt或Au，犧牲層材料可為Mg或Al或Zn或Fe或Sn或Pb。
[0017]所述基板和層結(jié)構(gòu)通過焊接或粘結(jié)固定在基底上，所用的焊接或粘結(jié)劑不溶于刻蝕溶液。
[0018]將步驟5)所得結(jié)構(gòu)通過機械加工出所要制備結(jié)構(gòu)的規(guī)格尺寸。
[0019]所述基板和膜層所采用的材料相同。
[0020]在步驟6)后將所得的微納結(jié)構(gòu)進行清洗和晾干處理。
[0021]所述機械加工采用線切割。
[0022]所述晾干處理采用真空烘干。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:采用薄膜技術(shù)和化學(xué)刻蝕工藝相結(jié)合的方法，通過簡單的操作步驟，就可以制備出尺寸精度高、表面光潔度好、深度比大、側(cè)壁陡和一致性好的結(jié)構(gòu)；且加工出的結(jié)構(gòu)最小特征尺寸范圍大，可以從光學(xué)加工的納米數(shù)量級到機械加工的米數(shù)量級，適用范圍廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]下面對本說明書各幅附圖所表達的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡要說明:
[0025]圖1為本發(fā)明待制造結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖2為本發(fā)明基板A示意圖。
[0027]圖3為本發(fā)明基板A上沉積膜層B示意圖。
[0028]圖4為本發(fā)明膜層B表面沉積犧牲層C示意圖。
[0029]圖5為本發(fā)明依次沉積B、C膜層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖6為本發(fā)明膜層結(jié)構(gòu)固定到基底D上示意圖。
[0031]圖7為本發(fā)明切割過的膜層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖8為本發(fā)明經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)刻蝕后形成的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面對照附圖，通過對實施例的描述，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0034]如圖1至圖8所示，為了更好的實現(xiàn)本發(fā)明，現(xiàn)對本發(fā)明的具體步驟對照附圖進行詳細描述，具體為:
[0035]步驟一:首先選擇一種基板A，基板A溶于刻蝕溶液。其基板的表面易于拋光和清洗，從而獲得光滑和平整度高的表面，基板表面的粗糙度小于最終樣品所需結(jié)構(gòu)側(cè)邊的粗糙度；基板的長度L0、寬度WO大于待制備結(jié)構(gòu)的高度H和寬度W，即LO > H、WO > W，并保證基板具有一定厚度Z0，確保其強度。
[0036]步驟二:利用薄膜沉積技術(shù)，如采用磁控濺射或電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)或脈沖激光或分子束外延進行沉積，在基板A上沉積一層金屬的膜層B，膜層不溶于刻蝕溶液。通過控制沉積速率、沉積時間等參數(shù)來精確控制膜層的厚度，其厚度可以精確控制到幾納米數(shù)量級。[0037]將膜層的厚度控制在Z1，使Zl等于待制備結(jié)構(gòu)光柵厚度dl ;如刻蝕溶液為酸性溶液時，膜層材料可為Cu或Ag或Pt或Au等。
[0038]步驟三:可利用和步驟二一樣的沉積方法，在步驟二制備的膜層表面上沉積一層犧牲層C，犧牲層C溶于刻蝕溶液；如刻蝕溶液為酸性溶液時，犧牲層材料可為Mg或Al或Zn或Fe或Sn或Pb等。
[0039]犧牲層的厚度Kl要等于待制結(jié)構(gòu)中兩個膜層側(cè)壁之間空隙距離LI。
[0040]步驟四:根據(jù)要制備結(jié)構(gòu)的尺寸特征，多次重復(fù)步驟二和步驟三。其中，Z2、Z3、Z4依次為沉積膜層各層的厚度，K2、K3、K4依次為沉積犧牲層各層的厚度，實現(xiàn)Z2=d2、K2=L2 ；Z3=d3、K3=L3 ;Z4=d4、K4=L4等，直到最后的膜層尺寸和結(jié)構(gòu)特征符合待制造結(jié)構(gòu)尺寸要求。
[0041]步驟五:把步驟四沉積完成的層結(jié)構(gòu)和基板一起焊接或粘結(jié)在一塊基底D上，基底不溶于刻蝕溶液。所用的焊接或粘結(jié)劑也不溶于刻蝕溶液；綁定后，膜層要垂直于基底。
[0042]步驟六:利用機械加工的方法，如車、削、切或電火花切割等技術(shù)手段，把步驟五制備的結(jié)構(gòu)加工出厚度和寬度符合最終要求的尺寸。嚴(yán)格要求膜層和基板的寬度wo=w，膜層高度H和基板的長度LO尺寸相同。
[0043]步驟七:采用濕法化學(xué)反應(yīng)離子刻蝕加工膜層結(jié)構(gòu)，把步驟六加工好的結(jié)構(gòu)放入刻蝕溶液中，將基板和犧牲層刻蝕掉，得到膜層與基底形成的微納結(jié)構(gòu)。
[0044]如果基板和犧牲層所采用的材料相同，在濕法刻蝕去除犧牲層時，基板也會被一起刻蝕掉，操作簡單。如果基板和犧牲層所采用材料不同，但其也溶于刻蝕溶液，在濕法刻蝕去除犧牲層時，基板同樣能被刻蝕掉。如果基板和犧牲層材料不同，且基板不能溶于去除犧牲層的刻蝕溶液時，可以選擇一種新的溶液刻蝕該基板，但要保證該新溶液不能與膜層、焊接或粘結(jié)劑，以及基底反應(yīng)，以免破壞已經(jīng)成型的結(jié)構(gòu)，也可以采用機械加工的手段去除掉基底。
[0045]由于溶液濃度、溶液溫度對化學(xué)反應(yīng)刻蝕速率的影響比較大，另外，不同的材料對同一種濃度的相同溶液抗刻蝕性也不同，因此，對犧牲層的刻蝕速率也不同。為了徹底去除犧牲層，在刻蝕溶液中要保證足夠的刻蝕時間。
[0046]步驟八:清洗步驟七制備的結(jié)構(gòu)表面上殘留的化學(xué)藥品和金屬屑。如利用超聲清洗設(shè)備在清水、酒精、去離子水等環(huán)境中去除結(jié)構(gòu)表面殘留的化學(xué)物質(zhì)和金屬削等，并晾干保存。
[0047]為了去除微結(jié)構(gòu)表面上殘留的酸性化學(xué)藥品，可以使用適當(dāng)?shù)膲A性溶液，但要保證該溶液不與膜層反應(yīng)，同時也不能與焊接材料或粘結(jié)劑反應(yīng)。
[0048]晾干過程可以采用真空烘干的手段，避免該過程中樣品表面被氧化，影響最終器件的性能。
[0049]下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0050]以Al作為犧牲層，使用酸性溶液(HCl)作為刻蝕溶液，制備無氧Cu材料的梳形光柵結(jié)構(gòu)。
[0051]I)以一塊長L1、寬Wl和厚hi分別為10mm、5mm和Imm的Fe為基板，該基板上表
面經(jīng)過拋光、去污處理，其表面粗糙度小于最終要求制備的無氧銅結(jié)構(gòu)的平整度和潔凈度要求。[0052]2)以該Fe為基板，采用磁控濺射工藝在其上表面沉積一層Cu膜層，通過調(diào)整沉積時間和沉積速率來控制膜層的厚度h2，膜層的厚度可以通過晶振法或其他光學(xué)手段實時實時監(jiān)測，最終制備的膜層厚度h2為0.3mm。
[0053]3)利用薄膜工藝制備犧牲層，也采用磁控濺射進行沉積，通過控制沉積速率和沉積時間在上述無氧Cu膜層表面上沉積一層Al材料，且Al的厚度h3要精確，等于待制備結(jié)構(gòu)中相鄰Cu片之間的距離0.4mm。
[0054]4)重復(fù)步驟2)和步驟3)的操作，使結(jié)構(gòu)層數(shù)和厚度都符合最終制備樣品要求。
[0055]如沉積五層Cu膜層和四層Al犧牲層，如圖6所示。
[0056]5)把步驟4)所得的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，使每一層所在的平面都垂直于一片基底平板，其基底也可采用Cu板。并使用焊接技術(shù)，將步驟4)所得的結(jié)構(gòu)焊接到基底上。為了使焊接時的焊料不溶于酸性材料，可以使用純銀基、Cu基、鈀基、金基焊料等不溶于酸性溶液的材料。
[0057]6)使線切割、并配合磨削等技術(shù)手段，把步驟5)獲得的結(jié)構(gòu)切割成最總樣品所需要的尺度。
[0058]要求此時Fe基板和Cu、Al膜板的寬度W和高度H都等于最終要制作結(jié)構(gòu)的尺寸要求，其中高度是不包含焊料的厚度，比如，此時寬度W為5mm，高度H為7mm。
[0059]7)把該結(jié)構(gòu)放入酸性溶液中，如百分比濃度為20%的HCl溶液中，經(jīng)過一定時間的化學(xué)反應(yīng)離子刻蝕，將Al層被完全刻蝕掉，F(xiàn)e基板在該過程中也被刻蝕掉。
[0060]8)去掉步驟七得到的結(jié)構(gòu)表面殘留的HCl和金屬殘留物。把該結(jié)構(gòu)放入清水中沖洗一遍，然后依次用酒精、去離子水在超聲清洗設(shè)備中進行清洗，清洗次數(shù)大于I遍，清洗時間大于30s。
[0061]9)把清洗完的機構(gòu)放入自然狀態(tài)或干燥的烘箱下烘干，最好真空烘干。烘干的溫度小于60度，以免發(fā)生氧化，然后就得到了具有垂直邊緣的Cu微納結(jié)構(gòu)。
[0062]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案進行的各種非實質(zhì)性的改進，或未經(jīng)改進將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種制備微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)首先，選擇一種基板(A)，基板(A)溶于刻蝕溶液； 2)在基板(A)上沉積一層膜層(B)，膜層(B)不溶于刻蝕溶液； 3)在膜層(B)上沉積一層犧牲層(C)，犧牲層(C)溶于刻蝕溶液； 4)根據(jù)要制備結(jié)構(gòu)，重復(fù)步驟2)和步驟3)； 5)將步驟4)沉積所得層結(jié)構(gòu)和基板(A)—起綁定在基底(D)上，基底(D)不溶于刻蝕溶液； 6)將步驟5)所得樣品放入刻蝕溶液中，將基板(A)和犧牲層(C)刻蝕掉，得到膜層(B)與基底(D)形成的微納結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述制備微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述膜層(B)和犧牲層(C)可分別采用磁控濺射或電子束蒸發(fā)或熱蒸發(fā)或脈沖激光或分子束外延進行沉積。
3.如權(quán)利要求1所述制備微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述膜層(B)和犧牲層(C)的厚度通過控制沉積速率和沉積時間進行控制。
4.如權(quán)利要求1所述制備微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述刻蝕溶液為酸性溶液時，膜層(B)材料可為Cu或Ag或Pt或Au，犧牲層(C)材料可為Mg或Al或Zn或Fe或Sn或Pb。
5.如權(quán)利要求1所述制備微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述基板(A)和層結(jié)構(gòu)通過焊接或粘結(jié)固定在基底(D)上，所用的焊接或粘結(jié)劑不溶于刻蝕溶液。
6.如權(quán)利要求1所述制備微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:將步驟5)所得結(jié)構(gòu)通過機械加工出所要制備結(jié)構(gòu)的規(guī)格尺寸。
7.如權(quán)利要求1所述制備微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述基板(A)和膜層(B)所采用的材料相同。
8.如權(quán)利要求1所述制備微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:在步驟6)后將所得的微納結(jié)構(gòu)進行清洗和晾干處理。
9.如權(quán)利要求6所述制備微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述機械加工采用線切割。
10.如權(quán)利要求8所述制備微納結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于:所述晾干處理采用真空烘干。
【文檔編號】B81C1/00GK103641062SQ201310694352
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】吳華夏, 席洪柱, 溫旭杰, 張建成, 余鋒, 余正紅 申請人:安徽華東光電技術(shù)研究所