CN109437093A - 自支撑微纳米结构及其制作方法 - Google Patents

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黄永丹
熊康林
黄增立
许蕾蕾
孙骏逸
冯加贵
武彪
丁孙安
陆晓鸣
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Abstract

本发明公开了一种自支撑微纳米结构的制作方法，包括：在衬底上形成牺牲层以及覆盖牺牲层的功能层；在功能层上预设图案化区域，在图案化区域内进行图案化处理，以在功能层中形成露出部分牺牲层的图案部；其中，部分牺牲层为图案化区域在牺牲层的投影范围内的牺牲层；将部分牺牲层去除，获得自支撑微纳米结构。本发明在制作自支撑微纳米结构时，可控性、重复性、成品率较高，能应用的微纳米材料种类较多，而且能够形成的自支撑微纳米结构更加复杂。

Description

自支撑微纳米结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及纳米加工技术领域，尤其涉及一种自支撑微纳米结构及其制作方法。
背景技术
随着微纳米科学与技术的发展，微纳米尺度的材料生长和器件加工技术显得越来越关键。微纳米材料的生长技术已经非常成熟，如金属有机化学气相沉积、分子束外延、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、电子束蒸发以及磁控溅射等等。
上述材料生长技术能形成微微纳米量级的介质和金属薄膜结构，从而为微纳米器件的实现奠定了坚实的、丰富的和灵活的材料基础。在自支撑微纳米结构的制造过程中，微纳米材料的刻蚀技术是一项对最终器件成败起决定性作用的环节。
自支撑微纳米结构的实现方法目前主要有以下三种：
1)通过化学的方法直接生长，该方法可控性较差，且只能做成简单的器件结构。
2)首先在衬底上生长或旋涂一层牺牲层，再在该牺牲层上生长微纳米级的薄膜，然后通过化学溶解或腐蚀的方法释放牺牲层并将微纳米级的薄膜转移至另一个衬底的方法。该方法对人工转移技术要求较高，成品率较低。
3)首先在衬底上生长微纳米多层结构，然后采用光刻(微纳米量级采用电子束曝光)和显影工艺在光刻胶上形成所需图案，再通过干法或湿法腐蚀刻掉顶层微纳米材料，最后通过有选择性的干法或湿法刻蚀技术将图案化微纳米层下方的牺牲层材料刻蚀掉。
当前技术中的第1种和第2种方案在可控性和高效性方面均存在一些问题，并且通用性不高。第3种方案则是一般的采用光刻结合刻蚀(干法或湿法)工艺实现图形转移。该工艺尤其在实现微纳米级图形转移时容易导致图形转移的精度不高甚至工艺不兼容等问题。
发明内容
为了达到上述目的，本发明的一方面提供了一种自支撑微纳米结构的制作方法，所述制作方法包括：
在衬底上形成牺牲层以及覆盖牺牲层的功能层；
在功能层上预设图案化区域，在图案化区域内进行图案化处理，以在功能层中形成露出部分牺牲层的图案部；其中，所述部分牺牲层为所述图案化区域在所述牺牲层的投影范围内的牺牲层；
将所述部分牺牲层去除，获得自支撑微纳米结构。
优选地，所述制作方法还包括：对其上的所述部分牺牲层被去除后的衬底进行热处理。
优选地，所述对功能层进行图案化处理的方法包括：
将形成有牺牲层和功能层的衬底置于扫描电镜/聚焦离子束的双束系统的真空腔体内；
利用扫描电镜在功能层的表面上确定图案化位置，并在图案化位置绘制预设图案；
利用聚焦离子束轰击所述预设图案所在的功能层表面，以按照所述预设图案形成所述图案部。
优选地，所述将所述部分牺牲层去除的方法包括：
将其上的功能层被图案化处理后的衬底置于干法刻蚀机内；
向所述干法刻蚀机内通入刻蚀气体和催化气体，使刻蚀气体经由所述图案部与所述部分牺牲层进行反应，从而将所述部分牺牲层去除。
优选地，所述刻蚀气体为氟化氢气体。
优选地，所述功能层的材料包括不与所述刻蚀气体进行反应的介质材料或者金属材料。
优选地，所述牺牲层的材料为氧化硅。
优选地，所述催化气体为气态水或者气态无水乙醇。
优选地，所述功能层的厚度为50nm～300nm；和/或所述牺牲层的厚度为450nm～500nm。
本发明的另一方面提供了如上述的制作方法制作形成的自支撑微纳米结构。
与现有技术相比，本发明的工艺在制作自支撑微纳米结构时，可控性、重复性、成品率较高，能应用的微纳米材料种类较多，而且能够形成的自支撑微纳米结构更加复杂。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2a和图2b为本发明步骤S110的工艺示意图；
图3a和图3b为本发明步骤S120的工艺示意图；
图4a和图4b为本发明步骤S130的工艺示意图；
图5为本发明自支撑微纳米结构的一种示意图；
图6为本发明自支撑微纳米结构的另一种示意图。
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，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1
结合图1至图4b，本实施例提供的自支撑微纳米结构的制作方法包括：
步骤S110、如图2a和图2b所示，在衬底1上形成牺牲层2以及覆盖牺牲层2的功能层3。具体地，所述牺牲层2和所述功能层3是通过等离子体增强化学气相沉积工艺来形成。所述牺牲层2为氧化硅，所述功能层3为非晶硅(α-Si)。其中，所述牺牲层2的沉积厚度为450nm～500nm，所述功能层3的沉积厚度为200nm～300nm。
步骤S120、将形成有牺牲层2和功能层3的衬底1置于扫描电镜/聚焦离子束的双束系统的真空腔体内，利用扫描电镜在功能层3的表面上确定合适的图案化区域，并在图案化区域内绘制预设图案。然后利用高能的聚焦离子束流(离子加速电压为30kV，离子束流为49pA)轰击所述功能层3的预设图案，将该预设图案位置的非晶硅完全刻除，形成图案部3a(如图3a和图3b所示)。其中，所述牺牲层2的部分牺牲层2a经所述图案部3a向外露出。这里需要说明的是所述牺牲层2的部分牺牲层2a是指所述图案化区域在所述牺牲层2的投影范围内的牺牲层部分。
步骤S130、将其上的功能层3被图案化处理后的衬底1置于气相氟化氢干法刻蚀机内并通入催化气体(气态水或者气态无水乙醇)、氟化氢气体(200SCCM)和氮气(200SCCM)，使氟化氢气体经所述图案部3a与所述牺牲层2的部分牺牲层2a进行反应，形成自支撑微纳米结构，所述自支撑微纳米结构包括由剩余的牺牲层2构成的支撑部。其中，干法刻蚀阶段的反应温度为70℃，刻蚀时压强为95Torr。连续进行3次2分钟的刻蚀循环，每次刻蚀完后需要抽真空至0.1Torr。
步骤S130完毕后，将自支撑微纳米结构置于热板上进行热烘处理。该过程中将残留的少量反应生成物清除，以形成干净、完好的自支撑微纳米结构。其中，热烘处理温度为170℃，烘干30分钟。
实施例2
结合图1至图4b，本实施例提供的自支撑微纳米结构的制作方法包括：
步骤S110、如图2a和图2b所示，在衬底1上形成牺牲层2以及覆盖牺牲层2的功能层3。具体地，所述牺牲层2为采用等离子体增强化学气相沉积工艺来形成的氧化硅，所述功能层3为采用磁控溅射工艺来形成的Au(金)薄膜。其中，所述牺牲层2的沉积厚度为300nm～500nm，所述功能层3的生长厚度为50nm～80nm。
步骤S120、将形成有牺牲层2和功能层3的衬底1置于扫描电镜/聚焦离子束的双束系统的真空腔体内，利用扫描电镜在功能层3的表面上确定合适的图案化区域，并在图案化区域内绘制预设图案。然后利用高能的聚焦离子束流(离子加速电压为30kV，离子束流为49pA)轰击所述功能层3的预设图案，将该预设图案位置的Au薄膜完全刻除，形成图案部3a(如图3a和图3b所示)。其中，所述牺牲层2的部分牺牲层2a经所述图案部3a向外露出。这里需要说明的是，所述牺牲层2的部分牺牲层2a是指所述图案化区域在所述牺牲层2的投影范围内的牺牲层部分。
步骤S130、将其上的功能层3被图案化处理后的衬底1置于气相氟化氢干法刻蚀机内并通入催化气体(气态水或者气态无水乙醇)、氟化氢气体(200SCCM)和氮气(200SCCM)，使氟化氢气体经所述图案部3a与所述牺牲层2的部分牺牲层2a进行反应，形成自支撑微纳米结构。所述自支撑微纳米结构包括由剩余的牺牲层2构成的支撑部。其中，干法刻蚀阶段的反应温度为70℃，刻蚀时压强为95Torr。连续进行3次2分钟的刻蚀循环，每次刻蚀完后需要抽真空至0.1Torr。
步骤S130完毕后，将自支撑微纳米结构置于热板上进行热烘处理。该过程中将残留的少量反应生成物清除，以形成干净、完好的自支撑微纳米结构。其中，热烘处理温度为170℃，烘干30分钟。
基于上述实施例，作为一种代替示例，本发明中的衬底1可以为蓝宝石、砷化镓、氮化镓、碳化硅中的一种。
进一步地，本发明中形成牺牲层2的工艺还可以采用低压力化学气相沉积、光学镀膜机、介质电子束蒸发和原子层沉积中的一种。
本发明的工艺在制作自支撑微纳米结构时，可控性、重复性、成品率较高，而且能应用的微纳米材料种类较多，例如：Pt、Au、Al、Pd、Ag、α-Si等不与刻蚀气体(干法刻蚀工序中的氟化氢气体)进行反应的介质材料或者金属材料。而且根据实际用途能够形成更复杂的自支撑微纳米结构(如图5、6所示)。
通过本发明工艺制作的自支撑微纳米结构可具备较复杂的结构，如图5所示，微纳米量级的悬镜结构的光学响应更强或者光敏反应更加迅速，因此可适用于光学技术，例如红外光技术领域等。
除此之外，如图6所示，通过本发明工艺制作的纳米悬臂梁结构，可以用于制作纳米力学器件，进一步提高探测装置的灵敏度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种自支撑微纳米结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在衬底(1)上形成牺牲层(2)以及覆盖牺牲层(2)的功能层(3)；
在功能层(3)上预设图案化区域，在图案化区域内进行图案化处理，以在功能层(3)中形成露出部分牺牲层(2a)的图案部(3a)；其中，所述部分牺牲层(2a)为所述图案化区域在所述牺牲层(2)的投影范围内的牺牲层；
将所述部分牺牲层(2a)去除，获得自支撑微纳米结构。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：对其上的所述部分牺牲层(2a)被去除后的衬底(1)进行热处理。
3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述对功能层(3)进行图案化处理的方法包括：
将形成有牺牲层(2)和功能层(3)的衬底(1)置于扫描电镜/聚焦离子束的双束系统的真空腔体内；
利用扫描电镜在功能层(3)的表面上确定图案化位置，并在图案化位置绘制预设图案；
利用聚焦离子束轰击所述预设图案所在的功能层(3)表面，以按照所述预设图案形成所述图案部(3a)。
4.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述将所述部分牺牲层(2a)去除的方法包括：
将其上的功能层(3)被图案化处理后的衬底(1)置于干法刻蚀机内；
向所述干法刻蚀机内通入刻蚀气体和催化气体，使刻蚀气体经由所述图案部(3a)与所述部分牺牲层(2a)进行反应，从而将所述部分牺牲层(2a)去除。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述刻蚀气体为氟化氢气体。
6.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述功能层(3)的材料包括不与所述刻蚀气体进行反应的介质材料或者金属材料。
7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述牺牲层(2)的材料为氧化硅。
8.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述催化气体为气态水或者气态无水乙醇。
9.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述功能层(3)的厚度为50nm～300nm；和/或所述牺牲层(2)的厚度为450nm～500nm。
10.一种由权利要求1至9任一项所述的制作方法制作形成的自支撑微纳米结构。
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