CN100396595C - 应用纳米压印和反应离子刻蚀术制备纳米悬臂结构的方法 - Google Patents

应用纳米压印和反应离子刻蚀术制备纳米悬臂结构的方法 Download PDF

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Abstract

一种应用纳米压印和反应离子刻蚀技术制备纳米悬臂结构的方法，其特征在于它包括以下三个步骤：(1)应用刻蚀技术制备纳米压印模板；(2)应用纳米压印技术复制悬臂图形；(3)应用各向同性反应离子刻蚀技术悬空悬臂结构。本发明的优越性在于：1、通过制备模板，以纳米压印技术实现图形的复制与转移，具有工艺简单、速度快、重复性好、费用低、产率高等优点；2、应用各向同性干法反应离子刻蚀技术悬空悬臂结构，避免了湿法化学腐蚀工艺中悬臂与基底的粘结及溶液对结构的污染现象。

Description

应用纳米压印和反应离子刻蚀术制备纳米悬臂结构的方法
(一)技术领域：
本发明涉及一种制备纳米金属悬臂结构的方法，特别是一种应用纳米压印和反应离子刻蚀技术制备纳米悬臂结构的方法。
(二)背景技术：
悬臂结构在微机电系统(MEMS)中具有非常广泛的应用，特别是在质量传感器中的应用。当器件的尺寸缩小至纳米级，微机电系统(MEMS)进入到纳机电系统(NEMS)，器件的分辨率、灵敏度、集成度及能耗都得到很大提高。目前，纳米悬臂结构的制备普遍采用电子束刻蚀(EBL)、离子束刻蚀(FIBI)、扫描探针氧化刻蚀(SPL)以及激光直写(DWL)刻痕，并结合湿法化学腐蚀进行结构悬空。以上方法虽然可以制得窄至几十纳米的悬臂结构，但由于其工艺复杂且刻蚀速率太低而难以达到低成本大批量生产的要求。同时，以湿法化学腐蚀的方法悬空悬臂结构的工艺过程中，在干燥过程中，悬臂与腐蚀液及基底之间存在的毛细力、范德华力及氢键很容易导致悬臂粘附于基底。
纳米压印技术是一种与传统刻蚀技术概念完全不同的纳米结构制备方法，主要由两个过程构成：(一)利用印制模板实现图形复制。利用类似于印章的模板在一定温度和压力下挤压硅片表面的光刻胶，撤去模板后可在硅片表面上形成具有不同光刻胶厚度的印制图形；(二)在硅片上的图形转移。利用各向异性反应离子刻蚀(RIE)技术将印制于光刻胶的纳米结构图形转移至硅基底，最终形成与传统光刻技术效果相一致的光刻胶转移图形。实验研究结果表明，利用纳米压印技术具有加工特征尺寸在10nm以下图形的能力，目前报道的最小特征尺寸为6nm，可在8”硅片上一次性构造复杂图案，具有较高的分辨率和产率。高分辨率、高产率、低成本的纳米压印技术作为新一代纳米结构加工技术，具有成为30-10nm技术时代替代光刻技术的潜力。因此，应用纳米压印技术可实现低成本、大批量制备悬臂结构。同时，应用各向同性干法反应离子刻蚀技术悬空悬臂结构可有效避免湿法化学腐蚀工艺中悬臂与基底的粘结现象。
如果结合纳米压印和各向同性反应离子刻蚀技术制备纳米悬臂结构，可实现纳米悬臂结构的低成本、大批量制备，将是悬臂结构制备领域的一个重要课题。
(三)发明内容：
本发明的目的在于设计一种应用纳米压印和反应离子刻蚀技术制备纳米悬臂结构的方法，纳米压印技术是一种与传统刻蚀技术概念完全不同的纳米结构制备方法，它结合各向同性反应离子刻蚀技术，可实现纳米悬臂结构的低成本、大批量制备。
本发明的技术方案：一种应用纳米压印和反应离子刻蚀技术制备纳米悬臂结构的方法，其特征在于它包括以下三个步骤：(1)应用刻蚀技术制备纳米压印模板；(2)应用纳米压印技术复制悬臂图形；(3)应用各向同性反应离子刻蚀技术悬空悬臂结构。
上述所说的悬臂材料取金(Au)和钛(Ti)，利用材料间热鼓胀系数的差异，通过优化各金属层的厚度和组合方式来控制悬臂的偏转方向，从而制备出具有指定偏向的单层和多层悬臂结构。
上述所说悬臂结构的线宽为100-500nm，悬臂长度为2um-12um，长宽比为4-120。纳米压印条件为190℃、45bar、3min。
本发明的优越性在于：1、通过制备模板，以纳米压印技术实现图形的复制与转移，具有工艺简单、速度快、重复性好、费用低、产率高等优点；2、应用各向同性干法反应离子刻蚀技术悬空悬臂结构，避免了湿法化学腐蚀工艺中悬臂与基底的粘结及溶液对结构的污染现象。
(四)附图说明：
图1为本发明所涉一种应用纳米压印和反应离子刻蚀技术制备纳米悬臂结构的方法的工作流程(即悬臂结构制备)示意图。
(a)以EBL技术制备纳米压印模板；
(b)纳米压印工艺，将模板上的纳米图形复制到上；
(c)以
Figure C20051013364900042
图形为掩膜，蒸镀金属；
(d)应用各向同性反应离子刻蚀技术悬空悬臂。
图2为二氧化硅(SiO2)做模板的材料的纳米压印模板结构示意图，悬臂结构的线宽为100-500nm，悬臂长度为2um-12um，长宽比为4-120。纳米压印条件为190℃、45bar、3min的实施例。
图3材料为20nm Au的悬臂结构示意图。
图4材料为50nm Au的悬臂结构示意图。
图5材料为90nm Au的悬臂结构示意图。
图6材料为50nm Au+50nmTi的悬臂结构示意图。
图7材料为50nm Ti+50nmAu的悬臂结构示意图。
图8材料为25nm Au+50nmTi+25nmAu的悬臂结构示意图。
其中：1为模板，2为悬臂结构，3为光刻胶层，4为硅基底，5为金属层，6为悬臂长度2um，7为悬臂长度4μm，8为悬臂长度6μm，9为悬臂长度8μm，10为悬臂长度10μm，11为悬臂长度12μm，12为悬臂宽度100nm，13为悬臂宽度200nm，14为悬臂宽度300nm，15为悬臂宽度500nm，6为20nm厚的Au层，17为50nm厚的Au层，18为90nm厚的Au层，19为50nm厚的Au层，20为50nm厚的Ti层，21为50nm厚的Ti层，22为50nm厚的Au层，23为25nm厚的Au层，24为50nm厚的Ti层，25为25nm厚的Au层。
(五)具体实施方式：
实施例1
以直写式电子束爆光技术制备线宽为200nm，长度为2μm-12μm的悬臂结构模板，通过纳米压印工艺(压印条件为190℃、45bar、3min)将图形复制到旋涂于硅基底的有机聚合物光刻胶上，然后通过蒸镀20nmAu和剥离工艺在硅基底上形成金属化图形，最后以金属化图形为掩膜，应用各向同性反应离子刻蚀技术，得到悬臂结构，悬臂结构往上方弯曲(如图3所示)。
实施例2
以直写式电子束爆光技术制备线宽为200nm，长度为2μm-12μm的悬臂结构模板，通过纳米压印工艺(压印条件为190℃、45bar、3min)将图形复制到旋涂于硅基底的有机聚合物光刻胶上，然后通过蒸镀50nmAu和剥离工艺在硅基底上形成金属化图形，最后以金属化图形为掩膜，应用各向同性反应离子刻蚀技术，得到悬臂结构，悬臂结构往上方弯曲(如图4所示)。
实施例3
以直写式电子束爆光技术制备线宽为200nm，长度为2μm-12μm的悬臂结构模板，通过纳米压印工艺(压印条件为190℃、45bar、3min)将图形复制到旋涂于硅基底的有机聚合物光刻胶上，然后通过蒸镀90nmAu和剥离工艺在硅基底上形成金属化图形，最后以金属化图形为掩膜，应用各向同性反应离子刻蚀技术，得到伸直状悬臂结构(如图5所示)。
实施例4
以直写式电子束爆光技术制备线宽为200nm，长度为2μm-12μm的悬臂结构模板，通过纳米压印工艺(压印条件为190℃、45bar、3min)将图形复制到旋涂于硅基底的有机聚合物光刻胶上，然后通过先后蒸镀50nmTi和50nmAu及剥离工艺在硅基底上形成金属化图形，最后以金属化图形为掩膜，应用各向同性反应离子刻蚀技术，得到悬臂结构，悬臂结构往上方弯曲(如图6所示)。
实施例5
以直写式电子束爆光技术制备线宽为500nm，长度为2μm-12μm的悬臂结构模板，通过纳米压印工艺(压印条件为190℃、45bar、3min)将图形复制到旋涂于硅基底的有机聚合物光刻胶上，然后通过先后蒸镀50nmAu和50nmTi及剥离工艺在硅基底上形成金属化图形，最后以金属化图形为掩膜，应用各向同性反应离子刻蚀技术，得到悬臂结构，悬臂结构往下方弯曲(如图7所示)。
实施例6
以直写式电子束爆光技术制备线宽为300nm，长度为2μm-12μm的悬臂结构模板，通过纳米压印工艺(压印条件为190℃、45bar、3min)将图形复制到旋涂于硅基底的有机聚合物光刻胶上，然后通过先后蒸镀25nmAu、50nmTi和25nmAu及剥离工艺在硅基底上形成金属化图形，最后以金属化图形为掩膜，应用各向同性反应离子刻蚀技术，得到伸直状悬臂结构(如图8所示)。

Claims (3)

1.一种应用纳米压印和反应离子刻蚀技术制备纳米悬臂结构的方法，其特征在于它包括以下三个步骤：
(1)应用刻蚀技术制备纳米压印模板；
(2)应用纳米压印技术复制悬臂图形；
(3)应用各向同性反应离子刻蚀技术悬空悬臂结构。
2.根据权利要求1所说的一种应用纳米压印和反应离子刻蚀技术制备纳米悬臂结构的方法，其特征在于所说的悬臂材料取金(Au)和钛(Ti)。
3.根据权利要求1所说的一种应用纳米压印和反应离子刻蚀技术制备纳米悬臂结构的方法，其特征在于所说悬臂结构的线宽为100-500nm，悬臂长度为2μm-12μm，长宽比为4-120；纳米压印条件为190℃、45 bar、3min。
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