CN102963863A

CN102963863A - 一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法

Info

Publication number: CN102963863A
Application number: CN2012105320350A
Authority: CN
Inventors: 张海霞; 张晓升; 孟博; 朱福运; 唐伟
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: CN102963863B

Abstract

一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，采用优化深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，无需掩膜实现高密度纳米碳化硅球状阵列，极大增大表面面积体积比；同时由于优化DRIE工艺中钝化步骤在表面淀积的氟碳聚合物，极大降低表面能，则所制备碳化硅材料具有超疏水特性，静态接触角CA＞160°；再通过强碱性溶液腐蚀去除硅基底，则能够实现柔性碳化硅薄膜；且由于强碱性溶液腐蚀去除表面聚合物钝化层，形成裸露高密度碳化硅尖端阵列，则所制备柔性碳化硅薄膜具有超亲水特性，静态接触角CA＜1°。本发明工艺简单、成本低、产率高、可批量生产，首次实现了超疏水和超亲水可控的碳化硅材料，且为柔性薄膜材料，具有广阔的应用前景和实用价值。

Description

一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法

技术领域

本发明涉及一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，属于微加工技术领域。

背景技术

1891年爱德华·古德里希·艾奇逊在电熔金刚石实验时，偶然发现了一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，即碳化硅。碳化硅（SiC）材料是一种非常优良的半导体材料，具有很好的电学特性及很宽的禁带宽度，具有良好的载流子迁移率，可以用于辐射环境。不仅如此，SiC材料还具有很好的耐高温性能和机械性能（如高硬度、耐摩擦），还具有相当好的化学稳定性，从而有非常好的耐腐蚀性。因而广泛用于冶金化工、电子线路、微电子器件等领域。但碳化硅材料的润湿特性却极大地限制了其发展和应用，特别是在微加工技术领域，其本征静态接触角(CA)约60°。例如，利用碳化硅薄膜作为微纳流道保护层，可以使得微纳流道工作在恶劣极端的环境中，抗酸碱腐蚀等。但由于尺寸效应的影响，特别是由于碳化硅薄膜的弱亲水性，流体在微纳米量级的沟槽结构中流动时，其粘滞阻力变得非常巨大，使得液体流动异常困难，通常需要借助外部驱动力的作用才能顺畅流动，譬如微泵、微阀和微能源等，这使得结构复杂、系统稳定性低、功耗高、难以实现微小型化。而通常解决微纳流道粘滞阻力的办法是在结构表面制备超亲水（CA<10°）或超疏水（CA>150°）薄膜，从而减低流体阻力。

而碳化硅薄膜的润湿特性研究目前无报道，特别是实现亲疏水性可调谐碳化硅薄膜的方法未见报道。而由于碳化硅材料强度大，杨氏模量高，因此极难实现柔性碳化硅材料，从而限制了其广泛应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，采用优化深反应离子刻蚀工艺（DRIE），无需掩膜即可实现高密度纳米碳化硅球状阵列，极大增大表面面积体积比；同时由于优化DRIE工艺中钝化步骤在表面淀积的氟碳聚合物，极大降低表面能，则所制备碳化硅材料具有超疏水特性，静态接触角CA>160°。再通过强碱性溶液腐蚀去除硅基底，则可以实现柔性碳化硅薄膜；且由于强碱性溶液腐蚀去除表面聚合物钝化层，形成裸露高密度碳化硅尖端阵列，则所制备柔性碳化硅薄膜具有超亲水特性，静态接触角CA<1°。

为达到上述目的，本发明提供了亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，该方法包括步骤如下：

步骤110：通过物理或化学方法在硅基片上制备碳化硅薄膜，并通过退火降低薄膜应力；

步骤120：利用无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺处理碳化硅薄膜，实现高密度纳米碳化硅球状阵列，具有超疏水特性；

步骤130：利用强碱性溶液腐蚀去除硅基片，实现高密度纳米碳化硅尖端阵列，实现超亲水特性，且碳化硅为柔性薄膜；

上述方案中，步骤110中所述物理方法包括物理气相沉积（PVD）或激光熔蚀淀积（LAD），化学方法包括等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）、常压化学气相沉积（APCVD）、热丝化学气相沉积法（HFCVD）或金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD），所制备碳化硅薄膜厚度为1μm～30μm。

上述方案中，步骤110中所述退火工艺包括激光退火和热退火，控制碳化硅薄膜应力-50MPa～50MPa。

上述方案中，步骤120中所述无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，包括以下步骤：对DRIE设备进行初始化和等离子稳定；控制所述DRIE工艺参数，直接制备高密度纳米结构；DRIE后处理工艺处理表面降低表面能。

所述DRIE制备纳米球状阵列的工艺参数包括：线圈功率为800W～900W；压强为20mTorr～30mTorr；刻蚀气体SF₆流量为20sccm～45sccm，钝化气体C₄F₈或O₂流量为30sccm～50sccm（SF₆和C₄F₈气体流量比为1:1～1:2）；平板功率为6W～12W；刻蚀/钝化时间比为10s:10s～4s:4s；刻蚀/钝化循环60～200次。

所述DRIE后处理工艺参数包括：线圈功率为800W～900W；压强为20mTorr～30mTorr；刻蚀气体SF₆流量为0sccm，钝化气体C₄F₈或O₂流量为30sccm～50sccm；平板功率为6W～12W；刻蚀/钝化时间比为0s:10s～0s:4s；刻蚀/钝化循环1～20次。

上述方案中，步骤130中所述强碱性溶液包括：氢氧化钾（KOH）溶液和氢氧化钠（NaOH）溶液，其质量体积比为15%～40%。

本发明的有益效果:

1、本发明提出的亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，利用优化深反应离子刻蚀工艺结合强碱性溶液腐蚀工艺，首次实现了超亲水和超疏水可调谐的碳化硅材料。而超疏水和超亲水是微电子机械系统（MEMS）对材料需求最为重要的特性之一，结合碳化硅材料本身优异的物理和化学特性，可用于实现耐腐蚀、抗磨损的超疏水/超亲水碳化硅保护层，从而提高器件或系统稳定性和可靠性。

2、本发明提出的亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，利用强碱性溶液腐蚀硅基衬底，使得碳化硅薄膜悬浮镂空，从而制备得到柔性碳化硅薄膜，拓展了碳化硅材料的应用空间。

综上，本发明提出的亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法工艺简单、成本低、产率高、可批量生产，首次实现了超疏水和超亲水可控的碳化硅材料，且为柔性薄膜材料，具有广阔的应用前景和实用价值。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明的亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法流程图；

图2为本发明的采用优化DRIE工艺处理得到的超疏水碳化硅材料（纳米球状阵列）扫描电镜照片；

图3为本发明的采用强碱性溶液处理得到超亲水碳化硅材料（纳米尖端阵列）扫描电镜照片；

图4(a)为本发明所制备的亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜接触角测量结果图：超疏水CA>160°；

图4（b）为本发明所制备的亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜接触角测量结果图：超亲水CA<1°；

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：如图1所示，

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

下面结合附图1、图2、图3、图4(a)、图4（b）阐述本发明提供的一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法的具体步骤。

参照图1，图1为本发明的亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法流程图，则图1所示制备步骤如下：

步骤110：通过物理方法，包括物理气相沉积（PVD）或激光熔蚀淀积（LAD），或化学方法，包括化学气相沉积（CVD）在硅基片上制备0.5μm～30μm厚的碳化硅薄膜，并通过热退火或激光退火降低薄膜应力为-50MPa～50MPa；

步骤120：利用无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺处理碳化硅薄膜，实现高密度纳米碳化硅球状阵列，具有超疏水特性，静态接触角CA>160°；

步骤130：利用质量体积比15%～40%的氢氧化钾或氢氧化钠强碱性溶液腐蚀去除硅基片，实现高密度纳米碳化硅尖端阵列，实现超亲水特性，静态接触角CA<1°，且碳化硅为柔性薄膜。

参照图2，图2为本发明的采用优化DRIE工艺处理得到的超疏水碳化硅材料（纳米球状阵列）扫描电镜照片，上述步骤120中所述高密度纳米碳化硅球状阵列，为球状或椭球状，半径20nm～500nm，间距1nm～50nm。

参照图3，图3为本发明的采用强碱性溶液处理得到超亲水碳化硅材料（纳米尖端阵列）扫描电镜照片，上述步骤130中所述高密度纳米碳化硅尖端阵列，为锥状，特征尺寸为10nm～500nm。

参照图4(a)、图4（b），为本发明所制备的亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜接触角测量结果图，则步骤120中所实现的超疏水碳化硅材料静态接触角CA>160°（超疏水CA>160°），步骤130中所实现的超亲水碳化硅柔性薄膜静态接触角CA<1°（超亲水CA<1°）。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，其特征是：采用优化深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，无需掩膜实现高密度纳米碳化硅球状阵列，极大增大表面面积体积比；同时由于优化DRIE工艺中钝化步骤在表面淀积的氟碳聚合物，极大降低表面能，则所制备碳化硅材料具有超疏水特性，静态接触角CA>160°；再通过强碱性溶液腐蚀去除硅基底，则能够实现柔性碳化硅薄膜；且由于强碱性溶液腐蚀去除表面聚合物钝化层，形成裸露高密度碳化硅尖端阵列，则所制备柔性碳化硅薄膜具有超亲水特性，静态接触角CA<1°。

2.根据权利要求1所述的一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，其特征是包括步骤如下：

步骤110：通过物理或化学方法在硅基片上制备碳化硅薄膜，并通过退火步骤，降低薄膜应力；

步骤130：利用强碱性溶液腐蚀去除硅基片，实现高密度纳米碳化硅尖端阵列，实现超亲水特性，且碳化硅为柔性薄膜。

3.根据权利要求2所述的一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，其特征是：

步骤110中所述物理方法包括物理气相沉积PVD或激光熔蚀淀积LAD，化学方法包括等离子体增强化学气相沉积PECVD、低压化学气相沉积LPCVD、常压化学气相沉积APCVD、热丝化学气相沉积法HFCVD或金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD，所制备碳化硅薄膜厚度为0.5μm～30μm。

4.根据权利要求2所述的一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，其特征是：

步骤110中所述退火步骤包括激光退火和热退火，控制碳化硅薄膜应力-50MPa～50MPa。

5.根据权利要求2所述的一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，其特征是：

步骤120中所述无掩膜优化深反应离子刻蚀工艺，包括以下步骤：对DRI E设备进行初始化和等离子稳定；控制所述DRIE工艺参数，直接制备高密度纳米结构；DRIE后处理工艺处理表面降低表面能。

6.根据权利要求2所述的一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，其特征是：

采用优化深反应离子刻蚀工艺DRIE制备纳米球状阵列，工艺参数包括：线圈功率为800W～900W；压强为20mTorr～30mTorr；刻蚀气体SF₆流量为20sccm～45sccm，钝化气体C₄F₈或O₂流量为30sccm～50sccm（SF₆和C₄F₈气体流量比为1:1～1:2）；平板功率为6W～12W；刻蚀/钝化时间比为10s:10s～4s:4s；刻蚀/钝化循环60～200次。

7.根据权利要求5所述的一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，其特征是：

DRIE后处理工艺参数包括：线圈功率为800W～900W；压强为20mTorr～30mTorr；刻蚀气体SF₆流量为0sccm，钝化气体C₄F₈或O₂流量为30sccm～50sccm；平板功率为6W～12W；刻蚀/钝化时间比为0s:10s～0s:4s；刻蚀/钝化循环1～20次。

8.根据权利要求1所述的一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，其特征是：

步骤130中所述强碱性溶液包括：氢氧化钾KOH溶液和氢氧化钠NaOH溶液，其质量体积比为15%～40%。

9.根据权利要求1所述的一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，其特征是包括步骤如下：

步骤110：通过物理方法，包括物理气相沉积PVD或激光熔蚀淀积LAD，或化学方法，包括化学气相沉积CVD在硅基片上制备0.5μm～30μm厚的碳化硅薄膜，并通过热退火或激光退火降低薄膜应力为-50MPa～50MPa；

10.根据权利要求2或9所述的一种亲疏水性可调谐柔性碳化硅薄膜制备方法，其特征是：

步骤120中所述高密度纳米碳化硅球状阵列，为球状或椭球状，半径20nm～500nm，间距1nm～50nm；

步骤130中所述高密度纳米碳化硅尖端阵列，为锥状，特征尺寸为10nm～

步骤120中所实现的超疏水碳化硅材料静态接触角CA>160°，步骤130中所实现的超亲水碳化硅柔性薄膜静态接触角CA<1°。