CN110127596B - 一种高深宽比倒锥型结构制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高深宽比倒锥型结构制造方法，包括以下步骤：将需要刻蚀的锥型结构设置i个不同宽度的形状结构进行叠加而成，由外向内所述不同宽度的形状结构的宽度逐渐减小，深度逐渐增加；设置宽度最小的形状结构的宽度为b，设置相邻的两个形状结构的宽度之差为c，设置每个形状结构的深度为h；设置离子束类型，离子束的电压、离子束的电流；在聚焦离子束发射场扫描电子显微镜上绘制出需要刻蚀的锥型结构的离子束图形，采用连续刻蚀方法，一步完成对靶材进行刻蚀。本发明利用离子束加工过程的反沉积效应制造倒锥形结构，通过绘制离子束图形控制刻蚀结构，在绘制好离子束图形后，利用离子束一步刻蚀完成，工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及精密制造加工技术领域，更具体的，涉及一种高深宽比倒锥型结构制造方法。
背景技术
随着微机电系统MEMS的发展，对微结构所提出的要求也越来越高，高深宽比微细结构(high aspect ratio microstructure，HARMS)就是其中的关键之一。高深宽比微细结构通常指深宽比在10：1到100：1之间的微细结构。其中，高深宽比的倒锥形微细结构是较难加工制造的微细结构之一。
利用反应离子束刻蚀技术刻蚀高深宽比微细结构时仅能刻蚀出侧壁垂直的微细结构；利用湿法化学刻蚀技术刻蚀硅时角度为54.78°的金字塔凹槽结构，远远不能满足如今微结构的加工发展；利用激光束技术、离子束技术刻蚀高深宽比锥形结构时，若采用常规方法加工，由于激光束、离子束为符合高斯分布的能量束，因此仅能加工出截面形状与高斯分布相似的凹槽结构，不能设置侧壁锥度和结构表面宽度及深度。
发明内容
本发明为了解决现有技术常规加工方法，不能制造侧壁锥度和结构表面宽度及深度的问题，提供了一种高深宽比倒锥型结构制造方法，其能制造出高深宽比倒锥型结构，该方法能满足随着微机电系统发展对微结构所提出的越来越高的要求。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种高深宽比倒锥型结构制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
S1：采用分层刻蚀方法，将需要刻蚀的锥型结构设置i个不同宽度的形状结构进行叠加而成，由外向内所述不同宽度的形状结构的宽度逐渐减小，深度逐渐增加，在聚焦离子束发射场扫描电子显微镜上绘制出需要刻蚀的锥型结构的离子束图形，对应的分解成i个不同宽度的分解图形；
S2：设置宽度最小的形状结构的宽度为b，设置相邻的两个形状结构的宽度之差为c，设置每个形状结构的深度为h，则宽度最大的形状结构的宽度为b+2(i-1)c，i个不同宽度的形状结构总深度为ih，对应在聚焦离子束发射场扫描电子显微镜上设置分解图形的参数；
S3：设置聚焦离子束发射场扫描电子显微镜的离子束类型，离子束的电压、离子束的电流；
S4：利用聚焦离子束发射场扫描电子显微镜发射出来的离子束轰击靶材，采用连续刻蚀方法，进行一步完成对靶材的刻蚀。
优选的，所述i为大于5，本发明所述的i数值越大，刻蚀出来的锥型结构的内部表面越光滑。
优选的，步骤S1，所述形状结构包括长方体、圆柱体。
优选的，步骤S1，所述b为20nm～500nm；所述c为5nm～100nm；所述h为50nm～500nm。
优选的，所述离子束包括镓离子束、氦离子束、氖离子束、氩离子束；所述离子束的电压为0.5kV～50kV，所述离子束电流为1pA～10nA。
优选的，所述靶材包括单晶硅、石英、氮化硅、聚合物材料；所述聚合物材料包括PMMA、PDMS；
进一步地，所述靶材为导电性差的材料时，需对靶材进行导电处理。
再进一步地，所述导电处理，具体地，在靶材表面上设置一层金属层；所述金属层的厚度为2nm～500nm。在靶材表面上设置一层金属层主要是为了提高靶材的导电性能，若靶材的导电性，导致离子束聚焦不好，可能影响后面刻蚀的图形。
本发明所述的聚焦离子束发射场扫描电子显微镜的型号为LYRA3XMU，产生厂家为捷克Tescan。
本发明的有益效果如下：
1.本发明利用离子束进行刻蚀高深宽比倒锥型结构制造，利用离子束轰击靶材，然后靶材的原子会溅射出来，从而实现刻蚀作用，而溅射出来的原子会再沉积到侧壁那里。
2.本发明可以设置侧壁锥度和结构表面宽度及深度，然后巧妙的利用了离子束加工过程的反沉积效应制造出倒锥形结构，可通过绘制离子束图形控制刻蚀结构，在绘制好离子束图形后，利用离子束一步刻蚀完成，工艺简单。
附图说明
图1是本实施例制造方法的流程图。
图2是本实施例设计高深宽比倒锥结构的示意图。
图3是图2所述设计高深宽比倒锥结构的分解图形图。
图4是图3的俯视图。
图5是本实施例制造高深宽比倒锥结构的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1所示，一种高深宽比倒锥型结构制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
S1：采用分层刻蚀方法，将需要刻蚀的锥型结构设置i个不同宽度的形状结构进行叠加而成，由外向内所述不同宽度的形状结构的宽度逐渐减小，深度逐渐增加，在聚焦离子束发射场扫描电子显微镜上绘制出需要刻蚀的锥型结构的离子束图形，对应的分解成i个不同宽度的分解图形；
S2：设置宽度最小的形状结构的宽度为b，设置相邻的两个形状结构的宽度之差为c，设置每个形状结构的深度为h，则宽度最大的形状结构的宽度为b+2(i-1)c，i个不同宽度的形状结构总深度为ih，对应在聚焦离子束发射场扫描电子显微镜上设置分解图形的参数；
S3：设置聚焦离子束发射场扫描电子显微镜的离子束类型，离子束的电压、离子束的电流；
S4：利用聚焦离子束发射场扫描电子显微镜发射出来的离子束轰击靶材，采用连续刻蚀方法，进行一步完成对靶材的刻蚀。
如图2所示，本实施例锥型结构为凹槽，其俯视图为矩形，将锥型结构设置10个不同宽度的长方体结构叠加而成，最大长方体结构的表面宽度为200nm，锥型结构的总深度为2500nm，即深宽比为12.5：1，相邻两个长方体的宽度相差10nm。
如图3、图4所示，本实施在聚焦离子束发射场扫描电子显微镜上绘制刻蚀图形的俯视图(即锥型结构的俯视图)，由于锥型结构为凹槽，所以刻蚀图形的俯视图为矩形，分解图形个数为10个，分解图形1～9绘制离子束图形时使用矩形命令，分解图形10绘制离子束图形时使用线命令，刻蚀图形深度使用刻蚀时间参数控制，其余各参数设置如表1所示。
表1
在本实施例中，离子束为镓离子束，离子束电压为30kV，离子束电流为20pA；选择靶材为石英材料，在离子束加工前进行了镀铬处理，金属层厚度为20nm。
本实施例通过以上步骤设置聚焦离子束发射场扫描电子显微镜的相关参数后，使用聚焦离子束发射场扫描电子显微镜连续刻蚀命令，一步刻蚀完成高深宽比倒锥型结构的制造，所制造出来的高深宽比倒锥型结构，如图5所示。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高深宽比倒锥型结构制造方法，其特征在于：所述制造方法包括以下步骤：
S1：采用分层刻蚀方法，将需要刻蚀的锥型结构设置i个不同宽度的形状结构进行叠加而成，由外向内所述不同宽度的形状结构的宽度逐渐减小，深度逐渐增加，在聚焦离子束发射场扫描电子显微镜上绘制出需要刻蚀的锥型结构的离子束图形，对应的分解成i个不同宽度的分解图形；
S2：设置宽度最小的形状结构的宽度为b，设置相邻的两个形状结构的宽度之差为c，设置每个形状结构的深度为h，则宽度最大的形状结构的宽度为b+2(i-1)c，i个不同宽度的形状结构总深度为ih，对应在聚焦离子束发射场扫描电子显微镜上设置分解图形的参数；
S3：设置聚焦离子束发射场扫描电子显微镜的离子束类型，离子束的电压、离子束的电流；
S4：利用聚焦离子束发射场扫描电子显微镜发射出来的离子束轰击靶材，采用连续刻蚀方法，进行一步完成对靶材的刻蚀；
所述离子束类型包括镓离子束、氦离子束、氖离子束、氩离子束；所述离子束的电压为0.5kV～50kV，所述离子束电流为1pA～10nA；
所述靶材包括单晶硅、石英、氮化硅、聚合物材料；所述聚合物材料包括PMMA、PDMS；
所述靶材为导电性差的材料时，需对靶材进行导电处理。
2.根据权利要求1所述的高深宽比倒锥型结构制造方法，其特征在于：步骤S1，所述i为大于5。
3.根据权利要求1所述的高深宽比倒锥型结构制造方法，其特征在于：步骤S1，所述形状结构包括长方体、圆柱体。
4.根据权利要求1所述的高深宽比倒锥型结构制造方法，其特征在于：步骤S1，所述b为20nm～500nm；所述c为5nm～100nm；所述h为50nm～500nm。
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