CN101823684A - 一种仿蝴蝶磷翅分级多层非对称微纳结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种仿蝴蝶磷翅分级多层非对称微纳结构的制备方法，具体通过以下步骤实现：选用<111>单晶硅片，采用镀膜生长、两步光刻、反应离子干法刻蚀，并结合感应耦合等离子深刻蚀，得到侧壁保留有足够深度波纹、且相邻沟槽波纹非对称的微尺度结构，再电子束倾斜蒸发，在侧壁波纹下半部分镀覆Au/Cr保护层，结合湿法腐蚀工艺，对微尺度结构侧壁进行侧向各向异性腐蚀，并控制刻蚀时间，最终得到具有优异特性的分级层次周期/准周期仿蝴蝶磷翅微纳结构。本发明提供的方法具有高效率、低成本特点，适宜大批量、大面积生产，从而为仿蝴蝶磷翅表面微纳结构的批量化制备和广泛应用提供了一种有效的新途径。

Description

一种仿蝴蝶磷翅分级多层非对称微纳结构的制备方法

技术领域：

本发明属于微纳加工领域，具体涉及一种结合镀膜生长、光刻、RIE干法刻蚀、ICP深刻蚀、电子束蒸发、以及侧向湿法腐蚀的仿蝴蝶磷翅微纳结构制备方法。

背景技术：

广阔丰富的大自然是人类创造和发明的不竭源泉，而仿生则为人类提供了科学研究的新思路。其中，自然界翩翩起舞的蝴蝶为人类从事科学研究提供了很多启示。小小的蝴蝶帮助人类解决了人造卫星散热方面的难题。针对蝴蝶飞行气动力特性的研究有助于微型飞行器的仿生设计。蝴蝶翅膀依赖于视角的结构色变化机理，导致了结构色可调的静电梯形梳齿微执行器的制备。一些蝴蝶鳞翅还具有与周围气氛密切相关的奇特光谱选择特性。

随着微型化趋势和微纳制造技术的发展，具有优异功能的仿蝴蝶磷翅结构也日益受到重视。众多研究者相继开展了蝴蝶磷翅结构在气体检测、隐身、能源及微型机器人操作方面的应用探索。研究发现，蝴蝶磷翅优异的功能特性与鳞片表面的周期/准周期分布的分级多层微纳结构密切相关，而借鉴蝴蝶磷翅表面结构，进而合理构建表面微观结构形态，人们开展了深入的研究，取得了一系列成果。然而，其制备方法一直是难点。针对蝴蝶磷翅表面的分级、多层、非对称且微纳尺度相结合的仿生结构的制备(尺度变化从数十纳米到数百微米)，常规工艺很难制备出完整结构。目前的研究，或直接采用生物做模板再结合原子层沉积(ALD，Atomic Layer Deposition)，或采用电子束光刻、CVD(Chemical vapor deposition)、FIB(Focused Ion Beam)-CVD加工，设备昂贵、加工速度慢、效率低，成本太高，不适于大批量生产，从而限制了相关技术的研究和发展。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：针对具有优异性能的蝴蝶磷翅表面微纳结构的分级、多层次、非对称特点，提供一种高效率、低成本、大批量的制备方法。

本发明解决的技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)准备洁净的<111>单晶硅；

(2)在硅基底表面热生长SiO₂层；

(3)一次光刻。在SiO₂表面旋涂光刻胶，曝光、显影，将第一块光刻掩膜板上的微尺度图形转移到光刻胶表面；

(4)一次干法刻蚀。以光刻胶为掩膜，采用RIE方法，刻蚀暴露出的SiO₂，将光刻胶上的图形转移到SiO₂薄膜；

(5)二次光刻。在带有图形的SiO₂薄膜上再次旋涂光刻胶，曝光、显影，将第二块光刻掩膜板上的微尺度图形转移到光刻胶表面；

(6)二次干法刻蚀。继续以光刻胶为掩膜，采用RIE刻蚀，将综合有两块光刻掩膜板的图形转移到SiO₂表面，而第一次RIE刻蚀暴露出的硅表面则会进一步刻蚀，导致相邻的暴露出的硅面高度不一致；

(7)以SiO₂膜为掩膜，采用感应耦合等离子ICP干法深刻蚀硅，得到侧壁保留有足够深度波纹、且相邻沟槽波纹不对称的周期或准周期分布微尺度结构；

(8)采用电子束倾斜蒸发，在微尺度结构侧壁的波纹下半部分镀覆Au/Cr作为保护层；

(9)对微尺度结构侧壁进行侧向湿法腐蚀。硅片不同晶向湿法腐蚀速率相差甚远，其中硅沿<110>面腐蚀速度大于<111>面腐蚀速度上百倍，通过控制湿法腐蚀时间，得到分级、多层、非对称仿蝴蝶磷翅微纳结构。

本发明集成了镀膜生长、光刻、RIE干法刻蚀、ICP深刻蚀、电子束蒸发、以及侧向湿法腐蚀等微加工工艺，其中步骤(1)选择<111>单晶硅，该面的腐蚀速度仅为<110>面腐蚀速度的上百分之一，以保证步骤(9)的侧向湿法腐蚀是各向异性的；步骤(3)-(6)所述的二次光刻，以保证相邻沟槽微纳结构的非对称性，步骤(7)的ICP工艺保证侧壁保留足够深度的波纹，而步骤(8)保证保护层Au/Cr只镀覆在侧壁波纹的下半部分。

本发明与现有技术相比具有的效果是：本发明是集成硅工艺的微纳结构制备方法，不涉及生物模板，具有高效率、低成本特点，可以大批量、大面积制备具有优异性能的仿蝴蝶磷翅分级、多层、非对称微纳结构，促进高性能仿蝴蝶磷翅微纳结构的研究、制备和应用。

附图说明：

图1是仿蝴蝶磷翅分级多层非对称微纳结构制备工艺流程。图中1为<111>Si，2为SiO₂，3为光刻胶，4为Au/Cr保护层。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的实施例用于制备仿蝴蝶磷翅表面的微纳结构，工艺流程见图1。<111>Si基底表面热生长SiO₂层，利用两次光刻、RIE干法刻蚀，将两块掩膜板图形综合转移到SiO₂表面，并使暴露出的硅表面高度不一致，为下一步非对称结构制备奠定基础。采用ICP深刻蚀，得到周期/准周期分布的微尺度结构，其中ICP刻蚀时侧壁必须保留足够的波纹深度。然后用电子束倾斜蒸发，在侧壁波纹的下半部分镀覆保护层，再侧向湿法各向异性腐蚀，得到仿蝴蝶磷翅分级、多层、非对称微纳结构。具体工艺步骤说明如下：

(1)准备洁净的<111>硅片；

(2)在硅片上热生长SiO₂层；

(3)在SiO₂表面旋涂光刻胶；

(4)一次光刻。通过曝光、显影把第一块掩膜板图形转移到光刻胶表面；

(5)一次RIE干法刻蚀。以光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀(RIE，Reactive Ion Etch)刻蚀暴露出的SiO₂，将光刻胶上的图形转移到SiO₂表面；

(6)在带有图形的SiO₂表面第二次旋涂光刻胶；

(7)二次光刻。继续通过曝光、显影把第二块掩膜板图形转移到光刻胶表面。两次光刻是为了保证得到非对称结构；

(8)二次RIE干法刻蚀。继续采用RIE，将光刻胶图形全部转移到SiO₂表面。针对前次RIE已经刻蚀露出的硅表面，RIE将刻蚀进去，使暴露出的硅表面高度不一致，以保证感应耦合等离子(ICP，Inductive Coupled Plasma)深刻蚀时相邻沟槽侧壁的波纹不对称；

(9)以SiO₂为掩膜，采用ICP深刻蚀。侧壁需要保留足够深度的波纹，而且相邻沟槽中波纹非对称；

(10)采用电子束倾斜蒸发，在侧壁波纹下半部分镀覆Au/Cr保护层，用于阻止该部分硅片的侧向腐蚀；

(11)对周期/准周期分布的微尺度结构侧壁进行湿法腐蚀。腐蚀液在<110>晶向的腐蚀速度是<111>晶向的数百倍。控制湿法腐蚀时间，得到分级、多层、非对称仿蝴蝶磷翅微纳结构。

Claims (4)

1.一种仿蝴蝶磷翅分级多层非对称微纳结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)在硅基底表面热生长一层SiO₂薄膜；

(2)在所述SiO₂薄膜表面旋涂光刻胶，利用光刻技术将第一块光刻掩膜板上的微尺度图形转移到光刻胶表面；

(3)以上述光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀(RIE)将光刻胶上的图形转移到所述SiO₂薄膜上；

(4)在上述SiO₂薄膜上再次旋涂光刻胶，利用光刻技术将第二块光刻掩膜板上的微尺度图形转移到光刻胶表面；

(5)继续以步骤(4)中的光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀，将综合有两块光刻掩膜板的图形转移到SiO₂薄膜表面，第一次刻蚀后暴露出的硅表面则会进一步刻蚀，使得相邻的暴露出的硅面高度不一致；

(6)以上述SiO₂薄膜为掩膜，采用感应耦合等离子干法深刻蚀硅，得到侧壁保留有一定深度波纹、且相邻沟槽波纹不对称的周期或准周期分布微尺度结构；

(7)采用电子束倾斜蒸发，在微尺度结构侧壁的波纹下半部分镀覆Au/Cr作为保护层；

(8)对微尺度结构侧壁进行侧向湿法腐蚀，通过控制湿法腐蚀时间，即可得到分级、多层且非对称的仿蝴蝶磷翅微纳结构。

2.根据权利要求1所述的仿蝴蝶磷翅分级多层非对称微纳结构制备方法，其特征在于，步骤(1)中的硅基底选用<111>单晶硅。

3.根据权利要求1或2所述的仿蝴蝶磷翅分级多层非对称微纳结构制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中，仅在侧壁波纹的下半部分镀覆Au/Cr保护层，而上半部则露出来，从而保证后续湿法腐蚀中，被保护部分的横向结构不受影响；

4.根据权利要求1-3之一所述的仿蝴蝶磷翅分级多层非对称微纳结构制备方法，其特征在于，通过控制侧向湿法腐蚀时间，来控制侧向腐蚀深度，以得到满足要求的仿蝴蝶磷翅分级多层非对称微纳结构。

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