CN104261343B - 一种基于静电直写的低成本微纳结构刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于静电直写的低成本微纳结构刻蚀方法，首先利用计算机设计需刻蚀的二维几何图案，并对图案的轮廓数据和填充数据处理得到挤出喷头与接收平台的相对运动数据；然后通过控制电压、接收距离、流速、温度、湿度等因素将材料液体制备成微/纳米纤维；并通过挤出喷头与接收平台的相对移动实现微/纳米纤维沉积为所需几何图案；通过在带有电纺丝掩膜的基材上制作一层保护层，并去除电纺丝后，得到带有所需几何图案凹槽的基材保护层；以基材保护层为新的掩膜，将基材进行干法或湿法刻蚀，除去保护层后，实现基材的刻蚀，本发明在极大程度上降低基材的微/纳米级图形刻蚀成本，并有效缩短刻蚀时间。

Description

一种基于静电直写的低成本微纳结构刻蚀方法
技术领域
本发明涉及微纳制造技术领域，具体涉及一种基于静电直写的低成本微纳结构刻蚀方法。
背景技术
在微电子制造过程中，光刻是制造集成电路工艺中最复杂、最核心、最昂贵的技术。该工艺通过光化学反应，经过曝光与显影将掩膜版上设计好的几何图形转移至光刻胶上，为后期的衬底材料刻蚀做准备。其中，掩膜版的作用是选择性地遮挡光、电子束、X射线等，从而实现图形转移，所以掩膜版的几何图形从根本上决定了制作集成电路的好坏。掩膜版上的几何图形制作多是通过电子束直写技术获得，其制备费时且成本昂贵，而一套完整的集成电路工艺流程通常要用到15-20道不同掩膜版。静电直写技术是指高压静电场中，原材料溶液或熔液在电场力和表面张力的作用下形成泰勒锥，当电场强度超过临界值时，微/纳米级射流从泰勒锥中喷射而出，在喷射过程中或沉积后残余溶剂挥发或熔液凝固形成微/纳米级纤维，通过调整接收距离至0.5-3mm，可实现纤维的可控沉积，从而进行复杂几何图形的制作。该技术可制备高分子、金属、非金属及复合材料的微/纳米级纤维，且方法简单、易于实现、成本低廉。因此，可以利用静电直写技术在基材上直接制作掩膜，取代光刻技术中的掩膜版，进而实现基材的刻蚀，降低成本、缩短制备时间。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于静电直写的低成本微纳结构刻蚀方法，该方法可在极大程度上降低基材的微/纳米级图形刻蚀成本，并有效缩短刻蚀时间。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于静电直写的低成本微纳结构刻蚀方法，包括以下步骤：
1)利用计算机辅助设计软件设计所需掩膜的二维微纳几何图形结构，然后将该图形结构转换为轮廓数据和填充数据；
2)将液态材料装入数控挤出装置，控制液态材料的挤出速度为0.1～50ul/h，将挤出喷头与直流高压发生器正极相连，调节直流电压介于0.6～15kV之间，并将接收平台接地，从而在挤出喷头与接收平台间形成高压静电场；调整挤出喷头与接收平台之间的距离介于0.5～30mm，使挤出的液态材料在高压静电场作用下形成微/纳米纤维丝；
3)采用数控X、Y轴精密移动平台控制挤出喷头或接收平台，根据轮廓数据和填充数据进行运动，使挤出喷头与接收平台的相对运动速度介于0.01～1m/s；通过控制程序控制电压的启停进而控制电纺丝的启停，配合控制程序在基材上获得由微/纳米级电纺丝组成的几何图案结构，实现掩膜的制作；
4)在带有电纺丝掩膜的基材上制作一层厚度不超过电纺丝掩膜厚度，即0-400nm的基材保护膜，在电纺丝掩膜厚度内，根据刻蚀深度选择保护膜厚度；
5)通过熔化、溶解、超声振动或分解等物理化学方法除去电纺丝掩膜，将电纺丝掩膜的几何图形转移至基材保护层上，得到带有所需几何图形凹槽的基材保护层，为下一步刻蚀准备；
6)通过干法或湿法刻蚀将暴露在保护层凹槽中的基材去除，实现基材的刻蚀，控制刻蚀时间从而控制刻蚀深度；
7)去除基材保护层，得到带有所需几何图形的基材，完成刻蚀。
所述的液态材料分为两类，一类是将高分子聚合物材料加热熔解后得到的熔融状态的液态材料,包括聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)；另一类是将高分子聚合物材料溶解于有机或无机溶剂得到的材料溶液，包括聚氧化乙烯(PEO)、聚乳羟基乙酸共聚物(PLGA)或聚偏氟乙烯(PVDF)。
本发明利用静电直写技术可制备有机高分子聚合物材料的微/纳米级纤维，并可实现电纺丝精确沉积、用于复杂微/纳米级几何图形制作的技术特点，将静电直写技术所制作的微/纳米纤维制成所需掩膜图案，用于基材的刻蚀。该方法可在极大程度上降低基材的微/纳米级图形刻蚀成本，并有效缩短刻蚀时间，从而为基材的微纳刻蚀提供了一种新工艺。
附图说明
附图为实施例1制作的微流道表面形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做详细描述。
实施例1
一种基于静电直写的低成本微纳结构刻蚀方法，包括以下步骤：
1)利用计算机辅助设计软件设计所需掩膜的二维几何图形结构，然后将该图形结构转换为轮廓数据和填充数据；
2)将液态材料装入数控挤出装置如精密注射泵内，控制液态材料从挤出喷头挤出的速度为5ul/h，挤出喷头的外径为600微米、内径为200微米，将挤出喷头与直流高压发生器正极相连，调节直流电压为900V，并将接收平台接地，从而在挤出喷头与接收平台间形成高压静电场；调整挤出喷头与接收平台之间的距离为1.5mm，使挤出的液态材料在高压静电场作用下形成纤维；
所述的液态材料为：以分子量为300000的聚氧化乙烯(PEO)为溶质、去离子水为溶剂，配置质量比为7％的PEO溶液；
3)采用数控X、Y轴精密移动平台控制挤出喷头，根据轮廓数据和填充数据进行运动，使挤出喷头与接收平台的相对运动速度为30mm/s，通过控制程序控制电压的启停进而控制电纺丝的启停，配合运动控制程序在硅片上获得由微/纳米级电纺丝组成的几何图案结构，实现掩膜的制作；
4)利用多靶材溅射机在带有电纺丝掩膜的基材硅片上溅射一层50nm厚度的铝膜；
5)以丙酮为溶剂、配合超声清洗溶解电纺丝掩膜，然后分别采用无水乙醇和去离子水、配合超声清洗对硅片进行清洗，在铝膜上形成所需几何图形结构的凹槽；
6)通过干法刻蚀机将暴露在铝凹槽中的硅去除，实现硅片的刻蚀；
7)去除铝膜，在硅片上得到带有所需刻蚀的几何图案，完成刻蚀，所获的微流道表面形貌如附图所示。
实施例2
一种基于静电直写的低成本微纳结构刻蚀方法，包括以下步骤：
1)利用计算机辅助设计软件设计所需掩膜的二维微纳几何图形结构，然后将该图形结构转换为轮廓数据和填充数据；
2)将液态材料装入数控挤出装置如精密注射泵内，维持90℃，控制液态材料流速为50ul/h，挤出喷头内径为300微米，将挤出喷头与直流高压发生器正极相连，调节直流电压为12KV，并将接收平台接地，从而在挤出喷头与接收平台间形成高压静电场；调整挤出喷头与接收平台之间的距离为30mm，使挤出的液态材料在高压静电场作用下形成纤维；
所述的液态材料为熔化的分子量为80000的聚己内酯(PCL)熔液；
3)采用数控X、Y轴精密移动平台控制挤出喷头，根据轮廓数据和填充数据进行运动，使挤出喷头与接收平台的相对运动速度为10mm/s，通过控制程序控制电压的启停进而控制电纺丝的启停，配合运动控制程序在硅片上获得由微米级电纺丝组成的几何图案结构，实现掩膜的制作；
4)利用多靶材溅射机在带有电纺丝掩膜的基材硅片上溅射一层300nm厚度的铝膜；
5)以丙酮为溶剂、配合超声清洗溶解聚己内酯(PCL)电纺丝掩膜，然后分别采用无水乙醇和去离子水、配合超声清洗对硅片进行清洗，在铝膜上形成所需几何图形结构的凹槽；
6)通过干法刻蚀机将暴露在铝凹槽中的硅去除，实现硅片的刻蚀；
7)去除铝膜，在硅片上得到带有所需刻蚀的几何图案，完成刻蚀。

Claims (2)

1.一种基于静电直写的低成本微纳结构刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用计算机辅助设计软件设计所需掩膜的二维微纳几何图形结构，然后将该图形结构转换为轮廓数据和填充数据；
2)将液态材料装入数控挤出装置，控制液态材料的挤出速度为0.1～50ul/h，将挤出喷头与直流高压发生器正极相连，调节直流电压介于0.6～15kV之间，并将接收平台接地，从而在挤出喷头与接收平台间形成高压静电场；调整挤出喷头与接收平台之间的距离介于0.5～30mm，使挤出的液态材料在高压静电场作用下形成微/纳米纤维丝；
3)采用数控X、Y轴精密移动平台控制挤出喷头或接收平台，根据轮廓数据和填充数据进行运动，使挤出喷头与接收平台的相对运动速度介于0.01～1m/s；通过控制程序控制电压的启停进而控制电纺丝的启停，配合控制程序在基材上获得由微/纳米级电纺丝组成的几何图案结构，实现掩膜的制作；
4)在带有电纺丝掩膜的基材上制作一层厚度不超过电纺丝掩膜厚度，厚度为0-400nm的基材保护膜，在电纺丝掩膜厚度内，根据刻蚀深度选择保护膜厚度；
5)通过熔化、溶解、超声振动或分解等物理化学方法除去电纺丝掩膜，将电纺丝掩膜的几何图形转移至基材保护层上，得到带有所需几何图形凹槽的基材保护层，为下一步刻蚀准备；
6)通过干法或湿法刻蚀将暴露在保护层凹槽中的基材去除，实现基材的刻蚀，控制刻蚀时间从而控制刻蚀深度；
7)去除基材保护层，得到带有所需几何图形的基材，完成刻蚀。
2.根据权利要求1所述的一种基于静电直写的低成本微纳结构刻蚀方法，其特征在于：所述的液态材料分为两类，一类是将高分子聚合物材料加热熔解后得到的熔融状态的液态材料,包括聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)；另一类是将高分子聚合物材料溶解于有机或无机溶剂得到的材料溶液，包括聚氧化乙烯(PEO)、聚乳羟基乙酸共聚物(PLGA)或聚偏氟乙烯(PVDF)。
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