CN108358161A - 基于ps小球纳米掩模的聚酰亚胺纳米结构的制备方法 - Google Patents

基于ps小球纳米掩模的聚酰亚胺纳米结构的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PS小球纳米掩模的聚酰亚胺纳米结构的制备方法，属于微纳结构制备领域。该方法将PS小球和含硅聚酰亚胺薄膜结合起来，将单层PS小球与聚酰亚胺薄膜复合，通过RIE刻蚀调整PS小球之间的尺寸，再以PS小球为掩膜版，使用四氟化碳气体对含硅的聚酰亚胺进行RIE刻蚀，利用四氟化碳气体对硅的刻蚀速率远远大于对PS胶体球的刻蚀速率，实现聚酰亚胺薄膜纳米结构制备。本发明首次提出了一种基于PS小球为掩模的聚酰亚胺纳米结构全参数可控制备方法，尤其是在聚酰亚胺薄膜的纳米结构全尺寸可控制备，这对基于聚酰亚胺薄膜的柔性微器件加工有重要的指导作用。

Description

基于PS小球纳米掩模的聚酰亚胺纳米结构的制备方法
技术领域
本发明属于微纳结构制备领域，涉及一种基于PS小球为掩模的聚酰亚胺纳米结构制备的方法。
背景技术
聚酰亚胺是目前已经实现工业化的特殊高分子材料，由于具有优越的物理机械综合性能、优良的电气与化学稳定性，可以制成薄膜、涂料、复合材料、泡沫塑料、纤维、分离膜等，倍受研究者的青睐，广泛应用在航天、航空和微电子领域，聚酰亚胺薄膜是其中用量最大的一种，也是聚酰亚胺最早的商品之一。这种新型耐高温有机聚合物薄膜，广泛应用于航空航天、微电子、原子能、电气绝缘、液晶显示、膜分离技术等各个领域。目前，在微机电领域，聚酰亚胺因具有优良的综合性能，有着广泛的应用。
在微电子器件应用中，聚酰亚胺可作为介电层进行层间绝缘，作为缓冲层可以减少应力，提高成品率。作为保护层可以减少环境对器件的影响，还可以对a粒子起到屏蔽作用，减少或消除期间的软误差。在微纳加工过程中，光敏性聚酰亚胺可以作为光刻胶进行曝光显影，可在基材上直接形成膜状图案。普通聚酰亚胺可以作为牺牲曾用来成型三维结构，基于这些加工工艺，已经获得多种MEMS器件。
近年来，聚酰亚胺在电子学和光电子学领域的应用正在快速拓展，被广泛应用于层间绝缘、器件封装、器件抗辐射加固、器件表面钝化、集成光学波导等等，然而，在这些应用中，聚酰亚胺仍然作为辅助材料的角色在起作用，并没有成为器件的核心部分，因此，作为功能材料，其应用的深度和广度仍然有限，尤其是在典型微小型电子器件中的应用潜力仍有待被发展。
制约聚酰亚胺在微小型器件中应用的主要障碍是聚酰亚胺薄膜的微加工技术以及难以实现在微小型器件局部区域的保形涂覆，此外，目前多以旋涂固化液态聚酰亚胺为主进行MEMS器件加工，直接以聚酰亚胺膜为结构材料的微结构加工研究较少。本发明从利用聚酰亚胺作为基底材料，结合胶体软刻蚀的方法，先通过自组装将纳米微球组装成单层致密纳米掩膜。然后将单层致密纳米掩膜与聚酰亚胺基底结合，通过 RIE(氧等离子刻蚀)，对纳米小球进行软刻蚀，调节纳米微球直径和间距，再通过干法刻蚀聚酰亚胺基底，除去纳米微球就制备出了聚酰亚胺纳米结构。
发明内容
本发明属于微纳结构制备领域，涉及一种基于PS小球为掩模的聚酰亚胺纳米结构制备的方法。通过该方法可在聚酰亚胺薄膜上获得纳米结构的制备。
本发明的关键点在于将纳米掩膜与聚酰亚胺薄膜的复合及纳米结构的全参数可控制备。
本发明的技术方案如下：
基于PS小球为掩模的含硅聚酰亚胺纳米结构制备，是将PS小球和含硅聚酰亚胺薄膜结合起来，将单层PS小球与聚酰亚胺薄膜复合，通过RIE刻蚀调整PS小球之间的尺寸，再以PS小球为掩膜版，使用四氟化碳气体对含硅的聚酰亚胺进行RIE刻蚀，利用四氟化碳气体对硅的刻蚀速率远远大于对PS胶体球的刻蚀速率，实现聚酰亚胺薄膜纳米结构制备。
基于PS小球为掩模的含硅聚酰亚胺纳米结构制备的方法,其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：利用酸碱表面处理法对含硅聚酰亚胺薄膜表面进行改性，提高表面粘接性能；
所述表面改性的处理液为氢氧化钠、氢氧化钾、高锰酸钾或有机胺溶液之一；因为聚酰亚胺不耐强碱，所以碱能在很短的时间内使聚酰亚胺薄膜的表面发生结构和形态上的变化。酸碱处理法主要是使聚酰亚胺薄膜表面的酰亚胺基团水解成聚酰胺酸和聚酰胺酸金属盐。这些极性基团使得聚酰亚胺薄膜表面能增大、接触角变小、润湿性提高，从而提高薄膜粘接性能，使纳米薄膜能更好的与聚酰亚胺薄膜复合。
步骤二：制备单层致密PS小球纳米掩膜；
步骤三：将单层致密PS小球纳米掩膜复合于含硅聚酰亚胺薄膜之上；
步骤四：使用氧气对含硅的聚酰亚胺进行RIE刻蚀，以调节PS纳米掩膜间距及半径；
步骤五：聚酰亚胺纳米结构全参数可控制备：包括两个子步骤：
子步骤一：使用四氟化碳气体对含硅的聚酰亚胺进行RIE刻蚀；
子步骤二：将刻蚀后的含硅聚酰亚胺基底放在四氢呋喃中浸泡，去除含硅聚酰亚胺薄膜表面的PS小球纳米掩膜，得到含硅聚酰亚胺纳米结构。
作为一种优选方案，所述子步骤一中RIE刻蚀过程中，使用四氟化碳气体的同时还加入氧气。
本专利的发明点和有益效果在于：
选择单层致密PS小球纳米掩膜和含硅的聚酰亚胺薄膜的结合，实现聚酰亚胺纳米结构在较大范围内可控制备；而且在步骤五中，通过四氟化碳气体对含硅聚酰亚胺薄膜进行RIE刻蚀时，对硅的刻蚀速率远远大于对PS小球的刻蚀速率，本专利选用含硅聚酰亚胺，硅成分在聚酰亚胺中均匀分布，四氟化碳气体刻蚀时，首先会对聚酰亚胺薄膜上的硅成分进行刻蚀，从而使得刻蚀后的含硅聚酰亚胺薄膜表面呈现小孔状，然后在四氟化碳等离子轰击，以及氧气的辅助刻蚀作用下，将聚酰亚胺表面的中空孔状结构刻蚀掉，从而达到刻蚀聚酰亚胺的效果，所以在四氟化碳气体刻蚀含硅聚酰亚胺时，PS小球薄膜可以作为很好的掩膜。此外，在使用四氟化碳气体作蚀刻工作气体时加入氧气，加入的氧气除了可以对聚酰亚胺有刻蚀作用，还可以通过氧化作用去除非气态的反应副产物—碳，去除碳还可以增加等离子体中自由氟的浓度，增加自由氟的浓度对于硅腐蚀的增强腐蚀作用超过对PS胶体球的增强腐蚀作用，因此，加入氧气还可以使的硅的蚀刻相比与PS胶体球蚀刻的选择性得到增强。
蚀刻的选择性对于确定合理的蚀刻工艺具有重大的意义。选择性决定了在一定的抗蚀刻胶厚度之下，被蚀刻薄膜材料的最大蚀刻深度，以确保在时刻进程中作为刻蚀掩膜的抗蚀刻层不被剥离掉，或者说他决定了达到一定蚀刻深度的最小抗蚀胶层的厚度。
本发明首次提出了一种基于PS小球为掩模的聚酰亚胺纳米结构全参数可控制备方法，尤其是在聚酰亚胺薄膜的纳米结构全尺寸可控制备，这对基于聚酰亚胺薄膜的柔性微器件加工有重要的指导作用。
附图说明：
图1为本发明提出的基于PS小球为掩模的聚酰亚胺纳米结构制备的方法流程图。
具体实施例：
实施例：步骤一：聚酰亚胺薄膜表面改性；
本实施例中聚酰亚胺薄膜表面改性，首先，对聚酰亚胺薄膜样品进行清洁，用家用洗洁精进行清洗，再放入盛有去离子水的烧杯中超声清洗20min，然后，在30℃条件下，将聚酰亚胺薄膜样品放入质量分数为15％的NAOH溶液进行处理改性处理，处理时间为60min。
步骤二：制备致密单层纳米掩膜；
本实施例中，用纳米微球气液界面自组装形成单层致密纳米微球薄膜。该方法应用前期本课题组发明的旋涂和气液界面组装的方法，如专利CNxxxxxxxxxxxx所述。
步骤三：将单层致密纳米掩膜复合于聚酰亚胺薄膜之上；
本实施例中，该过程由于聚酰亚胺薄膜是柔性的，不能与现有MEMS工艺兼容，且很难与PS小球直接复合，因此在工艺上要进行一些处理使其与现有工艺兼容。整体做法是采用贴覆的方法将聚酰亚胺薄膜固定于硅基底，加工完成后，再将聚酰亚胺整体从硅片上分离。步骤如下：1)、在普通硅片表面旋涂一层PDMS溶液。3)、将聚酰亚胺膜贴覆到硅片表面。4)、将贴服完成的聚酰亚胺膜连同工艺基底放入贴片机加压升温固化，利用PDMS的粘附性将聚酰亚胺膜与硅片牢固的粘结在一起，这样聚酰亚胺膜就能像普通硅片一样进行MEMS工艺加工，以及和PS小球的复合工艺。对于聚酰亚胺和 PS小球复合工艺，应用前期本小组发明的竖直沉降的装置及方法，详见专利 CNxxxxxxxxxxxx所述，通过降低液面，将液面组装的单层致密纳米微球掩膜沉降到经过表面改性处理的聚酰亚胺薄膜上。
步骤四：RIE刻蚀PS小球，调节PS小球纳米掩膜间距及半径；
由于纳米微柱阵列间距是由纳米微球原始直径尺寸决定，纳米微柱的直径是由刻蚀后纳米直径决定的，因此，我们通过RIE刻蚀，刻蚀紧密排列的PS小球直径，以此来调节纳米阵列结构尺寸，通过调节刻蚀时间该步骤可实现PS纳米掩膜直径d＝200～ 800nm，高度h1＝3μm～200nm范围变化。
应用氧等离子刻蚀(RIE)对纳米微球进行软刻蚀具体工艺参数如下：O2气体流量100sccm/min，CF4气体流量为9.0sccm/min室内压强为：26pa，气体射频功为100w，刻蚀时间为30s～120s，主要工作气体为O2，刻蚀时间决定了纳米微球的最终直径。
对于步骤五，聚酰亚胺纳米结构全参数可控制备。
子步骤一：使用四氟化碳气体和氧气对含硅的聚酰亚胺薄膜进行RIE刻蚀；
所述步骤一中RIE刻蚀ps小球纳米微球掩膜的具体工艺参数:：O2气体流量20sccm/min，CF4气体流量为50sccm/min，室内压强为26pa,气体射频功为100w,刻蚀时间为2-5min
子步骤二：将刻蚀后的聚酰亚胺基底放在四氢呋喃中浸泡30min，去除聚酰亚胺表面的PS小球纳米掩膜，得到聚酰亚胺纳米结构。
不同氧气刻蚀时间下PS小球的平均尺寸大小及经四氟化碳刻蚀3min秒后聚酰亚胺纳米柱的平均直径如下表：
由于本实施例中步骤三中的聚酰亚胺基底是制备在硅基底上的，因此最后还需要直接将硅基底从聚酰亚胺薄膜上撕去，去除硅基底，得到最终的聚酰亚胺纳米结构。

Claims (2)

1.基于PS小球为掩模的含硅聚酰亚胺纳米结构制备的方法,其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：利用酸碱表面处理法对含硅聚酰亚胺薄膜表面进行改性，提高表面粘接性能；
步骤二：制备单层致密PS小球纳米掩膜；
步骤三：将单层致密PS小球纳米掩膜复合于含硅聚酰亚胺薄膜之上；
步骤四：使用氧气对含硅的聚酰亚胺进行RIE刻蚀，以调节PS纳米掩膜间距及半径；
步骤五：聚酰亚胺纳米结构全参数可控制备：包括两个子步骤：
子步骤一：使用四氟化碳气体对含硅的聚酰亚胺进行RIE刻蚀；
子步骤二：将刻蚀后的含硅聚酰亚胺基底放在四氢呋喃中浸泡，去除含硅聚酰亚胺薄膜表面的PS小球纳米掩膜，得到含硅聚酰亚胺纳米结构。
2.如权利要求1所述的基于PS小球为掩模的含硅聚酰亚胺纳米结构制备的方法,其特征在于，所述子步骤一中RIE刻蚀过程中，使用四氟化碳气体的同时还加入氧气。
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