CN102701141B - 一种高深宽比微纳复合结构制作方法 - Google Patents

一种高深宽比微纳复合结构制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高深宽比微纳复合结构制作方法，属于微纳电子机械系统加工领域。本发明通过先制作微米结构后制作纳米结构的方法实现有序可控高深宽比微纳复合结构制作。以金属层作为纳米结构刻蚀掩膜，工艺过程中首先将纳米结构图形转移到金属层上，再以光刻胶为掩膜制作微米结构，最后以金属层为掩膜制作纳米结构，通过刻蚀掩膜与刻蚀材料的高选择比以及先制作微米结构后制作纳米结构的顺序，实现高深宽比的微纳复合结构制作。工艺过程简单，易于实现微纳结构集成，将广泛应用于仿生微纳复合结构的制作以及超疏水结构的制作中。

Description

一种高深宽比微纳复合结构制作方法
所属领域 
本发明属于集成电路和微纳电子机械系统制作领域，尤其涉及一种微纳电子工艺中的高深宽比微纳复合结构制作方法。 
背景技术
由高深宽比微米和纳米结构组成的仿生微纳复合结构在光学，表面科学，医药等领域有着广泛应用前景。这种典型的仿生微纳复合结构已经在防结冰，仿生混合制动器，细胞基因分离以及粘附控制，超疏水，自组装和热传递等领域开展了广泛研究和应用。然而，目前制作的微纳复合结构或不能实现有序可控，或者不能实现微纳复合结构高深宽比，其应用受到一定程度的限制。 
韩国釜山国立大学Chi Hoon Lee等人采用两次涂胶刻蚀的方法制备微纳复合结构，用于柔性压印模板（Replication of polyethylene nano-micro hierarchical structures using ultrasonic forming，Chi Hoon Lee,Phill Gu Jung,Sang Min Lee,Sang Hu Park,Bo Sung Shin,Joon-Ho Kim,Kyu-Youn Hwang,Kyoung Min Kim and Jong Soo Ko.J.Micromech.Microeng.2010，20，035018-11），其制作的微纳结构实现了有序可控，然而其制作过程中，首先以光刻胶为掩膜刻蚀制作纳米结构，其次再以光刻胶为掩膜刻蚀制作微米结构。由于涂胶工艺的限制，纳米结构的深宽比不能太高，否则会影响第二次涂胶的均匀性，以致影响微米结构的光刻刻蚀，降低结构深宽比。文献中制作的纳米结构高度仅为几百纳米，限制微纳复合结构的应用范围。 
发明内容
本发明的目的是：为了克服现有微纳复合结构制制作方法不能实现高深宽比的缺点，本发明提出了一种高深宽比微纳复合结构的制作方法，该方法具有工艺流程简单、易于实现微纳结构集成的特点。 
本发明的技术方案是：一种高深宽比微纳复合结构制作方法，包括如下步骤： 
步骤1：标准清洗单晶硅基底1，在洁净的单晶硅基底1正面溅射金属2。 
步骤2：在金属2上旋涂第一层光刻胶3，将纳米结构转移到第一层光刻胶3上。继续以第一层光刻胶3为掩膜刻蚀金属2，将纳米结构图形转移到金属2上。 
步骤3：去除第一层光刻胶3，在具有纳米结构的金属2表面上旋涂第二层光刻胶4。 
步骤4：以微米结构掩模版为掩膜，通过光刻工艺将微米结构图形转移到第二层光刻胶4上。 
步骤5：以第二层光刻胶4为掩膜，刻蚀金属2，将暴露部分的金属2刻蚀干净，而被第二层光刻胶4保护部分的具有纳米结构图形的金属2作为纳米结构刻蚀掩膜保留下来。 
步骤6：再以第二层光刻胶4为掩膜，通过深反应离子刻蚀机刻蚀单晶硅基底1，形成微米结构，通过调整刻蚀时间实现控制微米结构刻蚀深度，实现不同深宽比的微米结构制作。 
步骤7：去除第二层光刻胶4，以金属2为掩膜，通过深反应离子刻蚀机刻蚀单晶硅基底1，形成纳米结构，同样通过调整刻蚀时间实现控制纳米结构深度，实现不同深宽比的纳米结构制作。 
步骤8：去除金属2，完成高深宽比微纳复合结构制作。 
本发明的有益效果是：本发明通过先制作微米结构后制作纳米结构的方法实现高深宽比微纳复合结构制作。以金属层作为纳米结构刻蚀掩膜，工艺过程中首先将纳米结构图形转移到金属层上，再以光刻胶为掩膜加工微米结构，最后以金属层为掩膜制作纳米结构，通过刻蚀掩膜与刻蚀材料的高选择比以及先制作微米结构后制作纳米结 构的顺序，实现高深宽比的微纳复合结构制作。工艺过程简单，易于实现微纳结构集成，将广泛应用于仿生微纳复合结构的制作以及超疏水结构的制作中。 
附图说明
图1是本发明提出的高深宽比微纳复合结构制作方法流程图 
图2是实施例中最终制作出的由柱状纳米结构阵列形成的微纳复合结构示意图。 
图3是实施例中最终制作出的由槽状纳米结构阵列形成的微纳复合结构示意图。 
图中：1-单晶硅基底，2-金属，3-第一层光刻胶，4-第二层光刻胶 
具体实施方式
实施例1： 
本实施例中给出了一种柱状纳米结构形成的高深宽比微纳复合结构制作方法，该微纳复合结构在每个微米柱结构表面上有纳米柱阵列。参阅图2，本实施例柱状纳米结构形成的高深宽比微纳复合结构制作方法包括如下步骤： 
步骤1：选用厚度500μm单面抛光单晶硅基底1，在温度为120℃，体积比为4：1的98%浓硫酸和30%过氧化氢溶液中沸煮30分钟，然后依次用温度为75℃，体积比为1：1：5的28%氨水，30%过氧化氢和水的碱性过氧化氢溶液，和温度为75℃，体积比为1：1：5的36%盐酸、30%过氧化氢和水的酸性过氧化氢溶液中，清洗10分钟，最后用去离子水将单晶硅基底1冲洗干净并烘干，完成标准清洗。在单晶硅基底1正面溅射厚度为200nm的金属2，本实施例中，金属2材料为Al，如图1(a)所示。 
步骤2：在金属2Al上旋涂厚度为1μm的第一层光刻胶3，采用电子束刻蚀机，将柱状纳米结构图形转移到第一层光刻胶3上。继续以第一层光刻胶3为掩膜采用反应离子刻蚀机刻蚀金属2Al，刻蚀气体为Cl2，将柱状纳米结构图形转移到金属2Al上，如图1(b)所示。 
步骤3：用丙酮去除厚度为1μm的第一层光刻胶3，接着在单晶硅基底1上旋涂厚度为2μm的第二层光刻胶4，保证金属2Al表面第二层光刻胶4的均匀性，如图1(c)所示。 
步骤4：以微米结构的掩模板为掩膜，通过对准标记套刻对准，通过在SUSS MA6光刻机上进行曝光，并显影，将微米结构图形转移到第二层光刻胶4上，如图1(d)所示。 
步骤5：以厚度为2μm的第二层光刻胶4为掩膜，采用反应离子刻蚀机刻蚀厚度为200nm金属2Al，刻蚀气体为Cl2，将暴露部分的金属2Al刻蚀干净，而被厚度为2μm的第二层光刻胶4保护部分的金属2Al作为纳米结构刻蚀掩膜保留下来，如图1(e)所示。 
步骤6：再以厚度为2μm的第二层光刻胶4为掩膜，通过深反应离子刻蚀机刻蚀单晶硅基底1，刻蚀气体为SF6和C4F8，刻蚀时间为3分钟，形成5μm高的微米结构。由于光刻胶和硅的刻蚀选择比为50：1，因此，通过增加刻蚀时间，微米结构的最大高度可达到100μm。如图1(f)所示。 
步骤7：采用氧等离子体干法刻蚀，去除厚度为2μm的第二层光刻胶4，再以厚度为200nm的金属2Al为掩膜，通过深反应离子刻蚀机刻蚀单晶硅基底1，形成纳米结构，刻蚀气体为SF6和C4F8，刻蚀时间为3分钟，形成5μm高的纳米结构，此时微米结构高度增大到10μm，如图1(g)所示。 
步骤8：采用反应离子刻蚀机和Cl2刻蚀厚度为200nm的剩余的金属2Al，完成柱状纳米结构形成的高深宽比微纳复合结构制作，如图1(h)所示。 
图2所示为采用本实施例方法制作的有序可控柱状纳米结构形成的微纳复合结构，柱状纳米结构的宽度为350nm左右，高度为5μm左右，深宽比为15左右，微米结构高度为10μm。 
实施例2： 
本实施例中给出了一种槽状纳米结构形成的高深宽比微纳复合结构制作方法，该微纳复合结构在每个微米柱结构表面上有纳米槽阵列。参阅图3，本实施例槽状纳米结构形成的高深宽比微纳复合结构制作方法包括如下步骤： 
步骤1：选用厚度500μm单面抛光单晶硅基底1，在温度为120℃，体积比为4：1的98%浓硫酸和30%过氧化氢溶液中沸煮30分钟，然后依次用温度为75℃，体积比为1：1：5的28%氨水，30%过氧化氢和水的碱性过氧化氢溶液，和温度为75℃，体积比为1：1：5的36%盐酸、30%过氧化氢和水的酸性过氧化氢溶液中，清洗10分钟，最后用去离子水将单晶硅基底1冲洗干净并烘干，完成标准清洗。在单晶硅基底1正面溅射厚度为100nm的金属2，本实施例中，金属2材料为Cr，如图1(a)所示。 
步骤2：在金属2Cr上旋涂厚度为1μm的第一层光刻胶3，并以槽状纳米结构图形为掩膜，采用X射线曝光机，将槽状纳米结构图形转移到第一层光刻胶3上。继续以第一层光刻胶3为掩膜在温度为20℃、体积比为1:1的9%(NH4)2Ce(NO3)6)和6%HClO4溶液中刻蚀厚度为100nm金属2Cr，将槽状纳米结构图形转移到金属2Cr上，如图1(b)所示。 
步骤3：用丙酮去除厚度为1μm的第一层光刻胶3，接着在单晶硅基底1上旋涂厚度为2μm的第二层光刻胶4，保证金属2Cr表面第二层光刻胶4的均匀性，如图1(c)所示。 
步骤4：以微米结构的掩模板为掩膜，通过对准标记套刻对准，通过在SUSS MA6光刻机上进行曝光，并显影，将微米结构图形转移到第二层光刻胶4上，如图1(d)所示。 
步骤5：以厚度为2μm的第二层光刻胶4为掩膜，在温度为20℃、体积比为1:1的9%(NH4)2Ce(NO3)6)和6%HClO4溶液中刻蚀厚度为100nm金属2Cr，将暴露部分的 金属2Cr刻蚀干净，而被厚度为2μm的第二层光刻胶4保护部分的金属2Cr作为纳米结构刻蚀掩膜保留下来，如图1(e)所示。 
步骤6：再以厚度为2μm的第二层光刻胶4为掩膜，通过深反应离子刻蚀机刻蚀单晶硅基底1，刻蚀气体为SF6和C4F8，刻蚀时间为2分钟，形成4μm高的微米结构。由于光刻胶和硅的刻蚀选择比为50：1，因此，通过增加刻蚀时间，微米结构的最大高度可达到100μm。如图1(f)所示。 
步骤7：采用氧等离子体干法刻蚀，去除厚度为2μm的第二层光刻胶4，再以厚度为100nm的金属2Al为掩膜，通过深反应离子刻蚀机刻蚀单晶硅基底1，形成纳米结构，刻蚀气体为SF6和C4F8，刻蚀时间为3分钟，形成5μm高的槽状纳米结构，此时微米结构高度增大到9μm，如图1(g)所示。 
步骤8：在温度为20℃、体积比为1:1的9%(NH4)2Ce(NO3)6)和6%HClO4溶液中去除厚度为100nm金属2Cr，完成由槽状纳米结构形成的高深宽比微纳复合结构制作，如图1(h)所示。 
图3所示为采用本实施例方法制作的有序可控槽状纳米结构形成的微纳复合结构，槽状纳米结构的宽度为300nm左右，高度为5μm左右，深宽比为15左右，微米结构高度为9μm。 

Claims (1)

1.一种高深宽比微纳复合结构制作方法，包括如下步骤：
步骤1：标准清洗单晶硅基底(1)，在洁净的单晶硅基底(1)正面溅射金属(2)；
步骤2：在金属(2)上旋涂第一层光刻胶(3)，将纳米结构转移到第一层光刻胶(3)上；继续以第一层光刻胶(3)为掩膜刻蚀金属(2)，将纳米结构图形转移到金属(2)上；
步骤3：去除第一层光刻胶(3)，在具有纳米结构的金属(2)表面上旋涂第二层光刻胶(4)；
步骤4：以微米结构掩模版为掩膜，通过光刻工艺将微米结构图形转移到第二层光刻胶(4)上；
步骤5：以第二层光刻胶(4)为掩膜，刻蚀金属(2)，将暴露部分的金属(2)刻蚀干净，而被第二层光刻胶(4)保护部分的具有纳米结构图形的金属(2)作为纳米结构刻蚀掩膜保留下来；
步骤6：再以第二层光刻胶(4)为掩膜，通过深反应离子刻蚀机刻蚀单晶硅基底(1)，形成微米结构，通过调整刻蚀时间实现控制微米结构刻蚀深度，实现不同深宽比的微米结构制作；
步骤7：去除第二层光刻胶(4)，以金属(2)为掩膜，通过深反应离子刻蚀机刻蚀单晶硅基底(1)，形成纳米结构，同样通过调整刻蚀时间实现控制纳米结构深度，实现不同深宽比的纳米结构制作；
步骤8：去除金属(2)，完成高深宽比微纳复合结构制作。
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Assignor: Northwestern Polytechnical University

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Denomination of invention: Method for manufacturing high depth-to-width ratio micro-nano composite structure

Granted publication date: 20141126

License type: Common License

Record date: 20150330

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