CN104591079A - 一种微米管道的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及表面微加工技术，公开了一种微米管道的加工方法。本发明中，包含以下步骤：提供一衬底，其中，衬底上具有周期性点阵结构的孔；在衬底上淀积牺牲层薄膜；在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜；去除牺牲层薄膜，获得结构层薄膜卷曲成的微米管道，其中，微米管道的外壁上具有从衬底上复制的周期性凸起阵列。这样，使得所制造的微米管道的外壁上具有周期性凸起阵列，具有更加良好的光学性质。
Description
技术领域
本发明涉及表面微加工技术，特别涉及一种微米管道的加工方法。
背景技术
以硅材料为基础的微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical-System，简称MEMS)被认为是21世纪的革命性的新技术，对科学技术、生产方式以及人类的生活都将产生深远的影响。
MEMS加工技术可以分为表面微加工技术、体微加工技术、键合技术、光刻电铸成型技术和牺牲层光刻电铸成型技术等。
表面微加工技术就是先在基片上淀积牺牲层材料，然后再淀积结构材料，腐蚀掉牺牲层后形成各种微结构。
微米管道就是通过上述表面微加工技术而得到的。但是，目前的微米管道的表面没有任何修饰，光学性质有待进一步改进。
另外，在表面微加工技术中，微米管道的加工通常采用湿法腐蚀牺牲层的方法。湿法腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。所谓湿法腐蚀，就是将硅晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀。在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触的材料通过化学反应逐步浸蚀溶掉。用于化学腐蚀的试剂很多，有酸性腐蚀剂、碱性腐蚀剂以及有机腐蚀剂等。根据所选择的腐蚀剂，又可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀剂。各向同性腐蚀的试剂，包含各种盐类(如氰基、亚氨基等)和酸，由于受到能否获得高纯试剂，以及希望避免金属离子的玷污这两个因素的限制，因此广泛采用氢氟酸-硝酸腐蚀系统。各向异性腐蚀是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW(Ethylenediamine、Pyrocatechol and Water，乙二胺、邻苯二酚和水)和联胺等，另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化铵等。
虽然，湿法腐蚀速率快、成本低，腐蚀厚度可以达到整个硅片的厚度，具有较高的机械强度，但是，用这种方法制造的微米管道，在释放过程中需要克服粘连效应，即器件在脱离溶液时，因溶液的表面张力而导致薄膜的塌陷碎裂，造成器件功能的完全失效。这样既不利于测试，也不利于应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微米管道的加工方法，使得所制造的微米管道的外壁上具有周期性凸起阵列，具有更加良好的光学性质。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种微米管道的加工方法，包含以下步骤：
提供一衬底；其中，所述衬底上具有周期性点阵结构的孔；
在所述衬底上淀积牺牲层薄膜；
在所述牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜；
去除所述牺牲层薄膜，获得所述结构层薄膜卷曲形成的微米管道；其中，所述微米管道的外壁上具有从所述衬底上复制的周期性凸起阵列。
本发明实施方式相对于现有技术而言，提供一衬底，其中，该衬底预先加工周期性点阵结构的微纳孔洞；在衬底上淀积牺牲层薄膜后，再在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜；去除牺牲层薄膜，便获得结构层薄膜卷曲形成的微米管道，该微米管道的外壁上具有从衬底上复制的周期性凸起阵列。由于是提供了一具有周期性孔点阵结构的衬底，使得淀积在该衬底上的牺牲层薄膜与结构层薄膜上也形成了相应的周期性点阵结构，再去除牺牲层薄膜，使结构层薄膜与牺牲层薄膜迅速分离，衬底上的周期性点阵就通过干法自卷曲的方式被复制到微米管道的管壁上，使得所制造的微米管道的外壁上具有周期性凸起阵列，具有更加良好的光学性质。
另外，所述牺牲层薄膜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者聚酰亚胺(PI)。在所述衬底上淀积牺牲层薄膜的步骤中，采用旋涂法淀积。采用旋涂法在衬底上淀积牺牲层薄膜，旋涂均匀，薄膜的厚度精确可控，并可以使牺牲层薄膜能很好的淀积在具有周期点阵结构的衬底上，形成有相应的周期性点阵结构。另外，在所述去除所述牺牲层薄膜，获得所述结构层薄膜卷曲形成的微米管道步骤中，采用快速热退火或者气氛氧化的方法。采用快速热退火或者气氛氧化的方法去除牺牲层薄膜，可以使结构层薄膜与牺牲层薄膜分离，卷曲形成微米管道。
另外，所述牺牲层薄膜的材料为二氧化硅、非定形α-碳或者多晶硅。在所述衬底上淀积牺牲层薄膜的步骤中，采用化学气相淀积(CVD)的方法淀积。另外，在所述去除所述牺牲层薄膜，获得所述结构层薄膜卷曲形成的微米管道步骤中，采用反应离子刻蚀或者气氛氧化的方法。
另外，所述牺牲层薄膜的材料为铝。在所述衬底上淀积牺牲层薄膜的步骤中，采用溅射的方法淀积。另外，在所述去除所述牺牲层薄膜，获得所述结构层薄膜卷曲形成的微米管道步骤中，采用湿法刻蚀或者干法刻蚀的方法。
另外，在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜的步骤中，采用电子束蒸发或者溅射的方法，然后利用lift-off(剥离)工艺定义图形化结构。采用电子束蒸发或者溅射的方法在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜，结构层薄膜与牺牲层薄膜结合好且成膜均匀，可以使结构层薄膜能很好的淀积在牺牲层薄膜上，并形成有相应的周期性点阵结构。电子束蒸发和溅射的方法是现有成熟的技术，保证了本发明实施方式的可行性。采用lift-off剥离的方法在牺牲层薄膜上定义图形化结构层薄膜，目标准确，可减少工艺步骤，节约成本，减少污染。
附图说明
图1是根据根据本发明第一实施方式的微米管道的加工方法流程图；
图2A是根据本发明第一实施方式的微米管道的加工方法中的衬底的结构示意图；
图2B是根据本发明第一实施方式的微米管道的加工方法的103步骤对应的结构剖面示意图；
图3是根据本发明第一实施方式的微米管道的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种微米管道的加工方法，具体流程如图1所示。
在步骤101中，提供一衬底，其中，衬底上具有周期性点阵结构的孔。衬底的俯视图如图2A所示，图中204为周期性点阵结构的孔。在本实施方式中，周期性点阵结构的排列形状为正方形或者六角形，这与与光子晶体结构有关；孔的排列周期从几百纳米至十几微米，这由测量的光谱仪或者测试波段决定，一般光子晶体的通过波长跟排列周期成线性关系。周期性点阵结构的排列形状与孔的周期可以根据实际的应用需要设计。
另外，在衬底上打孔采用半导体工艺中的光刻工艺，光刻掩膜上的图案具有周期性点阵结构，经光刻之后，衬底上就具有了周期性点阵结构的孔。点阵结构的周期是可控的。
接着，在步骤102中，在衬底上淀积牺牲层薄膜。其中，牺牲层薄膜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，简称PMMA)或者聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)，其浓度为5％，或者，在5％左右。在本步骤中，采用旋涂法，旋涂均匀，薄膜的厚度精确可控，使得牺牲层薄膜能很好的淀积在具有周期点阵结构的衬底上，并形成有相应的周期性点阵结构。其中，旋涂法是半导体工艺中现有成熟的技术，在此不再赘述。
接着，在步骤103中，在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜。在本步骤中，采用电子束蒸发或者溅射的方法。采用电子束蒸发的方法在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜，目标准确，结构层薄膜大都只会淀积在牺牲层薄膜上，节约成本，减少污染；采用溅射的方法在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜，结构层薄膜与牺牲层薄膜结合好且成膜均匀，使得结构层薄膜能很好的淀积在牺牲层薄膜上，并形成有相应的周期性点阵结构。其中，电子束蒸发和溅射的方法是现有成熟的镀膜技术，在此不再赘述。
本步骤对应的结构剖面图如图2B所示。图中201为衬底，202为牺牲层薄膜，203为结构层薄膜，T为孔的周期。
其中，结构层薄膜可以为叠层结构，且至少包含两层结构层薄膜，各结构层薄膜之间可以包含粘附层，也可以不包含粘附层，可视具体情况而定。具体地说，在牺牲层薄膜上依次淀积各层结构层薄膜，其中，各层结构层薄膜的热膨胀系数不一致，结构层薄膜的材料可根据需要进行选取。
最后，在步骤104中，去除牺牲层薄膜，获得结构层薄膜卷曲成的微米管道，其中，微米管道的外壁上具有从衬底上复制的周期性凸起阵列，具体结构如图3所示，图中301为凸起。
具体地说，在本步骤中，可以采用快速热退火或者气氛氧化的方法。比如说，采用快速热退火的方法，牺牲层薄膜因受热而挥发，体积快速收缩，并与结构层薄膜形成内应力。由于处于上层的结构层薄膜的形变与牺牲层薄膜的形变不一致，便发生拉伸形变，并在内应力的作用下发生挠曲从而形成微米管道，且将衬底上的周期性点阵列复制到微米管道的管壁上，从而，获得外壁具有周期性凸起阵列的微米管道，使得微米管道具有更加良好的光学性质。比如，微米管道表面有了这种周期性结构，然后表面再淀积金等金属，可实现光发射或者反射的增强，一般可提高100倍左右的光强度增强。因此，这种微米管道拥有更加广泛的应用，特别是在生物监测方面。
同时，具有周期性点阵结构的孔的衬底可以重复利用，成本低廉。另外，采用快速热退火或者气氛氧化的方法，工艺简单，可以有效地避免传统湿法卷曲工艺中出现的坍塌现象。
需要说明的是，在实际应用中，牺牲层薄膜的材料还可以为二氧化硅、非定形α-碳或者多晶硅，将牺牲层薄膜淀积在衬底上时，采用化学气相淀积(CVD)的方法；在去除牺牲层薄膜时，采用反应离子刻蚀或者气氛氧化的方法获得结构层薄膜卷曲形成的微米管道。而且，牺牲层薄膜的材料还可以为铝，将牺牲层薄膜淀积在衬底上时采用溅射的方法，在去除牺牲层薄膜时，采用湿法刻蚀或者干法氯气氛等离子体刻蚀的方法获得结构层薄膜卷曲形成的微米管道。牺牲层薄膜材料的多样化，丰富了本发明的实施方式，具体实施时可以根据实际需要进行选择。
与现有技术相比，由于是提供了一具有周期性点阵结构的微纳孔洞的衬底，使得淀积在该衬底上的牺牲层薄膜与结构层薄膜上也形成了相应的周期性点阵结构，再去除牺牲层薄膜，并使结构层薄膜与牺牲层薄膜迅速分离，衬底上的周期性点阵就通过干法自卷曲的方式被复制到微米管道的管壁上，使得所制造的微米管道的外壁上具有周期性凸起阵列，具有更加良好的光学性质。
本发明的第二实施方式涉及一种微米管道的加工方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要不同之处在于：在本发明第一实施方式中，结构层薄膜为单层结构；在本发明第二实施方式中，结构层薄膜为叠层结构。
具体地说，在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜的步骤中，包含以下子步骤：
首先，在牺牲层薄膜上淀积第一结构层薄膜。其中，第一结构层薄膜的材料为以下材料中的任意一种：氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)。第一结构层薄膜的材料可以采用氧化硅(SiO2)或者氮化硅(SiN)，是因为这两种材料为标准的半导体材料，与半导体制程兼容，薄膜应力可根据工艺参数调整，并且与PMMA或者PI粘附性好，并且在后续的卷曲过程中起到自支撑结构的作用。
接着，在第一结构层薄膜上淀积第二结构层薄膜；其中，第一结构层薄膜与第二结构层薄膜的热膨胀系数不同；且第二结构层薄膜的材料可以为以下材料中的任意一种：金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)。也就是说，在本实施方式中，结构层薄膜包含两层薄膜，一层为半导体(氧化硅或者氮化硅)薄膜，淀积在牺牲层薄膜上，另一层为金属(金、银或者铜)薄膜，淀积在半导体薄膜上，两层薄膜的厚度均为10纳米。利用该方法制作微米管道，工艺简单，机械强度好，成品率高。同时，因选择的材料与生物应用或者光学测量有很好的兼容性，可大大扩展所制备器件的应用领域。
本发明的第三实施方式涉及一种微米管道的加工方法。第三实施方式与第二实施方式大致相同，主要不同之处在于：在本发明第二实施方式中，结构层薄膜的两层薄膜中，一层为半导体薄膜，另一层为金属薄膜；而在本发明第三实施方式中，结构层薄膜的两层薄膜均为金属薄膜。
具体地说，在牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜的步骤中，包含以下子步骤：
首先，在牺牲层薄膜上淀积第一结构层薄膜。其中，第一结构层薄膜的材料为以下材料中的任意一种：铬(Cr)、钛(Ti)、镍(Ni)。
接着，在第一结构层薄膜上淀积粘附层。
接着，在粘附层上淀积第二结构层薄膜。其中，第一结构层与第二结构层的热膨胀系数不同；且第二结构层薄膜的材料为以下材料中的任意一种：金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)。也就是，在本实施方式中，包含两层金属薄膜，且这两层金属薄膜之间夹有粘附层，用于粘合这两层金属薄膜。用双层金属薄膜结构制作的微米管道，工艺简单，可以很好的解决应力梯度问题，解决因应力和应力梯度的存在导致的薄膜变形、弯曲,甚至器件失效的问题。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (16)
1.一种微米管道的加工方法，其特征在于，包含以下步骤：
提供一衬底；其中，所述衬底上具有周期性点阵结构的孔；
在所述衬底上淀积牺牲层薄膜；
在所述牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜；
去除所述牺牲层薄膜，获得所述结构层薄膜卷曲形成的微米管道；其中，所述微米管道的外壁上具有从所述衬底上复制的周期性凸起阵列。
2.根据权利要求1所述的微米管道的加工方法，其特征在于，所述周期性点阵结构的排列形状为正方形或者六角形。
3.根据权利要求1所述的微米管道的加工方法，其特征在于，在所述牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜的步骤中，采用电子束蒸发或者溅射的方法。
4.根据权利要求1所述的微米管道的加工方法，其特征在于，在所述牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜的步骤中，包含以下子步骤：
在所述牺牲层薄膜上淀积第一结构层薄膜；
在所述第一结构层薄膜上淀积第二结构层薄膜；
其中，所述第一结构层薄膜与所述第二结构层薄膜的热膨胀系数不同。
5.根据权利要求4所述的微米管道的加工方法，其特征在于，所述第一结构层薄膜的材料为以下材料中的任意一种：
氧化硅SiO2、氮化硅SiN；
所述第二结构层薄膜的材料为以下材料中的任意一种：
金Au、银Ag、铜Cu。
6.根据权利要求1所述的微米管道的加工方法，其特征在于，在所述牺牲层薄膜上淀积结构层薄膜的步骤中，包含以下子步骤：
在所述牺牲层薄膜上淀积第一结构层薄膜；
在所述第一结构层薄膜上淀积粘附层；
在所述粘附层上淀积第二结构层薄膜；
其中，所述第一结构层与所述第二结构层的热膨胀系数不同。
7.根据权利要求6所述的微米管道的加工方法，其特征在于，所述第一结构层薄膜的材料为以下材料中的任意一种：
铬Cr、钛Ti、镍Ni；
所述第二结构层薄膜的材料为以下材料中的任意一种：
金Au、银Ag、铜Cu。
8.根据权利要求1所述的微米管道的加工方法，其特征在于，所述牺牲层薄膜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或者聚酰亚胺PI。
9.根据权利要求8所述的微米管道的加工方法，其特征在于，在所述衬底上淀积牺牲层薄膜的步骤中，采用旋涂法淀积。
10.根据权利要求8所述的微米管道的加工方法，其特征在于，在所述去除所述牺牲层薄膜，获得所述结构层薄膜卷曲形成的微米管道步骤中，采用快速热退火或者气氛氧化的方法。
11.根据权利要求1所述的微米管道的加工方法，其特征在于，所述牺牲层薄膜的材料为二氧化硅、非定形α-碳或者多晶硅。
12.根据权利要求11所述的微米管道的加工方法，其特征在于，在所述衬底上淀积牺牲层薄膜的步骤中，采用化学气相淀积CVD的方法淀积。
13.根据权利要求11所述的微米管道的加工方法，其特征在于，在所述去除所述牺牲层薄膜，获得所述结构层薄膜卷曲形成的微米管道步骤中，采用反应离子刻蚀或者气氛氧化的方法。
14.根据权利要求1所述的微米管道的加工方法，其特征在于，所述牺牲层薄膜的材料为铝。
15.根据权利要求14所述的微米管道的加工方法，其特征在于，在所述衬底上淀积牺牲层薄膜的步骤中，采用溅射的方法淀积。
16.根据权利要求14所述的微米管道的加工方法，其特征在于，在所述去除所述牺牲层薄膜，获得所述结构层薄膜卷曲形成的微米管道步骤中，采用湿法或者干法刻蚀的方法。
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