CN104163397B

CN104163397B - 一种基于等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的方法

Info

Publication number: CN104163397B
Application number: CN201410342430.1A
Authority: CN
Inventors: 陈兢; 李男男; 朱宁莉
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2018-09-18
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: CN104163397A

Abstract

本发明涉及一种基于等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的方法。该方法直接对金属钛片表面进行等离子体处理，通过控制调节等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的工艺参数，包括平板功率、刻蚀时间、线圈功率、刻蚀气体流量、反应室压强、温度，在无需任何纳米尺度光刻工艺的条件下即可在金属钛表面生成大面积、高密度的纳米柱阵列结构。其中等离子体刻蚀系统的平板功率为50～150W。该制备钛纳米柱结构的方法效率高、成本低，且能够与其他微加工工艺相容。

Description

一种基于等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的方法

技术领域

本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种基于等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的方法。

背景技术

随着纳米尺寸器件在微流体、生物工程、光学、传感器件等方面的应用价值日益突出，纳米柱阵列加工越来越受到广泛的重视。目前，纳米结构的制备一般采用电子束光刻(Electron-Beam Lithography)、聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)刻蚀等方法。上述方法对设备要求高，成本高且不能满足大范围的纳米加工。此外胶体晶粒光刻技术也被用于制备纳米结构，但其加工质量难以控制，加工面积小(mm量级)，成品率低。北京大学提出了一种制备硅纳米柱结构的方法，利用干法去胶后残留的光刻胶作为微掩膜，在硅基底上制备了多样的纳米结构，但由于氟基气体刻蚀硅横向钻蚀严重，纳米柱结构深宽比受到限制。以上介绍的方法均基于等离子体刻蚀，基底材料为硅，结构几何特征强烈依赖于微掩膜制备方法。

金属钛除了拥有金属的一般特性，导电性好、韧性高、耐腐蚀、抗氧化、生物兼容、加工手段丰富多样等，还有很多独特的特性，使得它在航空航天、生物医学等很多领域备受青睐。金属钛能够通过水浴氧化、酸/碱处理、微弧氧化等方式制备纳米尺寸孔状结构，但在金属钛基底上制备纳米柱阵列结构，目前还没有相关报道。

发明内容

本发明针对目前纳米柱制备方法掩膜制作困难、面积小、成品率低等问题，提出了一种基于等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的方法，该方法无需制备微掩膜，效率高、成本低、可大面积制备高密度金属钛纳米柱结构，且能够与其他微加工工艺兼容。

本发明研究了金属钛的等离子体刻蚀技术，发现当RIE功率低于常规刻蚀功率后，刻蚀表面形成纳米结构，经过一系列的工艺优化，可以成功制备纳米柱结构。通过表面成分分析，发现刻蚀后表面有TiClx残留，即当刻蚀温度低、离子轰击力弱，部分反应生成物残留在表面，形成微掩膜。金属钛等离子体刻蚀制备纳米柱结构不存在钝化/刻蚀交替，刻蚀与反应生成物淀积同时进行。因侧壁几乎不暴露在Cl离子环境中，故侧壁刻蚀速率很低，具有较高的纵向-横向刻蚀选择比，使得表面容易形成高深宽比纳米柱结构。

本发明提出的基于等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的方法，包括如下步骤：

1)将钛片放入等离子体刻蚀系统反应室，然后对反应室抽真空并通入刻蚀气体；

2)设定等离子体刻蚀系统的平板功率为50～150W，利用等离子体与钛片反应进行刻蚀，得到钛纳米柱结构。

进一步的，上述等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的工艺，刻蚀气体优选采用氯基气体，也可以是氯基气体与氩气、氧气等的混合的气体。

进一步的，上述等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的工艺，可控制的刻蚀工艺参数还包括：等离子体气体流量、刻蚀线圈功率、刻蚀时间、反应室压强、温度。其中，等离子体气体流量的优选范围为40～100sccm；线圈功率的优选为200～1000W；刻蚀时间优选为60～600s；工作压强的优选范围为0.4～1Pa；工作温度的优选范围为-13～0℃。

进一步的，上述等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的工艺，也可以采用刻蚀/钝化混合的方式(即同时通入刻蚀气体和一定比例的钝化气体)对钛片进行处理。与单纯进行刻蚀相比，这种刻蚀/钝化混合的方式，有利于钝化保护层的形成，可以进一步提高纳米柱森林结构深宽比。

进一步的，上述等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的工艺，在钛纳米柱结构制备前，可以通过常规微米/纳米加工方法在金属钛表面制备微米/纳米结构，加工方法包括湿法腐蚀、干法刻蚀、激光加工、电火花加工以及其他可以在金属钛表面产生台阶、曲面等表面形貌的物理、化学及机械加工方法。

进一步的，上述等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的工艺，可以在通过软掩膜或者硬掩膜图形化在限定的区域制作图形化纳米柱结构。

本发明直接对钛片表面进行等离子体处理，通过调节选取合适的刻蚀工艺参数，在无需纳米光刻工艺和掩膜制作的条件下即可在钛片本体制备大面积、高密度的纳米柱结构。该方法还可以应用在已有任意微结构表面制备钛纳米柱结构，并且不会破坏原有结构，效率高，成本低，能够与其他微加工工艺集成。

附图说明

图1是无图形金属钛表面制备纳米柱阵列结构的示意图。

图2是平板功率设定为100W时不同刻蚀时间的钛表面纳米结构刻蚀形貌扫描电镜图。

图3钛表面纳米结构刻蚀形貌随线圈功率变化(400W～800W)扫描电镜图。

图4钛表面纳米结构刻蚀形貌随氯气流量变化(40sccm～80sccm)扫描电镜图。

图5是图形化金属钛表面制备纳米柱结构1的示意图。

图6是图形化金属钛表面制备纳米柱结构2的示意图。

图7是图形化金属钛表面制备纳米柱结构3的示意图。

图8a和图8b是图形化金属钛表面制备的两种纳米柱阵列结构的扫描电镜图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例1：

本实施例使用刻蚀气体氯气制备钛纳米柱结构。图1是无图形金属钛表面制备纳米柱阵列结构的示意图。具体制备步骤包括：

步骤1：将钛片放入等离子体刻蚀系统反应室；本实施例采用Sentech等离子体刻蚀设备；

步骤2：抽真空后，通入刻蚀气体氯气，优选工作压强0.4～0.7Pa，优选氯气流量40～100sccm；

步骤3：调整设备的刻蚀工艺参数，优选平板功率80～120W，优选线圈功率400～600W，利用产生的等离子体与钛片反应进行刻蚀，得到钛纳米柱结构。优选刻蚀时间90～300s。

本发明通过实验研究发现，当平板功率过高(例如，大于等于200W)时，离子轰击力大，无法形成钛纳米柱结构，即属于常规深刻蚀；当平板功率降低(例如，150W～200W)时，离子轰击力减弱，肉眼观察呈黑色，但没有形成纳米尺寸柱形结构；当平板功率较低(例如小于等于50W)时，离子轰击力小，形成的钛纳米柱结构不规则，因此只有选取合适的平板功率才能产生规则的钛纳米柱结构。本发明设定平板功率的优选范围为50～150W。对于本实施例采用的刻蚀气体氯气，如上所述平板功率进一步优选为80～120W。

经过氯气的等离子体刻蚀工艺处理，钛片表面为纳米柱状结构，直径范围为50nm～200nm，高度范围为400nm～1200nm的纳米柱，深宽比达10：1。

图2为该工艺条件下制备钛纳米柱结构的扫描电镜图。图3为纳米结构随线圈功率变化的扫描电镜图，其中，(a)图的线圈功率是400W，(b)图的线圈功率是600W，(c)图的线圈功率是800W。当线圈功率变化400W～800W时，纳米结构密度变化，功率越高，纳米柱越稀疏。图4为纳米结构随氯气流量变化的扫描电镜图，氯气流量40～80sccm，其中，(a)图为40sccm，(b)图为60sccm，(c)图为80sccm。随着氯气流量的增大，纳米柱的高度增加、密度降低。

采用等离子体刻蚀制备纳米柱结构，所处理的钛片表面可以为没有任何图形与结构的平坦钛片，也可以为具有台阶、曲面等表明形貌的非平坦钛片；还可以为以光刻胶、金属、氧化物及其他可用于常规图形化阻挡层材料的掩膜的已进行图形化但未去除掩膜的平坦或非平坦钛片，即可实现微纳混合结构。图5～7为制备的三种纳米柱结构。图5所示的图形化纳米柱结构1的制备过程为，(a)掩膜制备及图形化，(b)纳米柱结构制备。图6制备的钛表面纳米柱结构2中，(a)图为常规深刻蚀，(b)图为常规深刻蚀底部制备纳米柱阵列。图7制备的钛表面纳米柱结构3中，(a)图为常规深刻蚀，(b)图为去除常规深刻蚀掩膜，(c)图为在非平坦表面制备纳米柱阵列。

实验证明，本发明采用钛纳米柱结构工艺实现的微纳混合加工不影响原有微米结构基本形貌。如首先利用等离子刻蚀在金属钛表面制备微米结构，然后使用钛纳米柱结构工艺形成表面纳米柱，通过观察微米结构底部纳米柱清晰可见，且微米结构并没有受到破坏，示例结果如图8(a)和图8(b)所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims

1.一种基于等离子刻蚀制备钛纳米柱结构的方法，其步骤包括：

1)将钛片放入等离子体刻蚀系统反应室，然后对反应室抽真空并通入刻蚀气体；所述刻蚀气体是下列中的一种：氯基气体，或氯基气体与氩气、氧气的混合气体；

2)设定等离子体刻蚀系统的平板功率为80～120W，等离子体气体流量为40～100sccm，刻蚀线圈功率为200～1000W，刻蚀时间为60～600s，反应室压强为0.4～1Pa，温度为-13～0℃，利用等离子体与钛片反应进行刻蚀，在无需纳米光刻工艺和掩膜制作的条件下得到钛纳米柱结构。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述钛片是表面平坦的钛片、或表面有一定台阶的钛片、或表面为曲面的钛片。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在钛纳米柱结构制备前，通过常规微米/纳米加工方法在金属钛表面制备微米/纳米结构。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述常规微米/纳米加工方法为下列中的一种：湿法腐蚀、干法刻蚀、激光加工、电火花加工、超声加工、微细精密切削加工。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过软掩膜或者硬掩膜图形化在限定的区域制作图形化纳米柱结构。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于：在刻蚀钛片过程中加入钝化周期，采用刻蚀/钝化混合的方式对钛片进行刻蚀。