CN110294453A - 一种高深宽比微纳结构及其制作方法 - Google Patents

一种高深宽比微纳结构及其制作方法 Download PDF

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汪炜
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Abstract

本发明涉及一种制备高深宽比微纳结构的方法，包括以下步骤：步骤S1：提供衬底，在衬底表面进行沟槽刻蚀，可采用电子束光刻技术结合湿法刻蚀技术或者直接采用聚焦离子束技术在衬底表面进行沟槽刻蚀；步骤S2：对刻蚀好的沟槽进行等大小切割，保证切割不破坏已刻蚀的槽；步骤S3：将切割好的单块衬底（分体式结构）进行结合，形成具有高深宽比的一体化结构。本发明专利基于电子束光刻技术或者聚焦离子束技术直接沿着衬底表面“直写”刻蚀，有效解决垂直于玻璃表面加工孔结构产生倒锥的问题，形成的沟槽通道侧壁形貌一致，图形边缘毛刺小。同时，在衬底表面直接进行相应结构的刻蚀，可以获得纳米级尺寸结构，进一步增大结构的深宽比。

Description

一种高深宽比微纳结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及非金属结构工艺制造领域，特别是涉及高深宽比结构的制备。
背景技术
在光学、航空航天、医学等领域，高深宽比结构的元器件得到越来越多的应用，需求量也日益增加。其中，准直器是应用于氢原子钟的一个微小器件。粒子如果不加约束则会杂乱无章的运动，准直器则会对运动的粒子施加束缚，形成稳定的粒子流。
氢原子钟用准直器的作用在于束缚氢原子，减小氢原子的自由程，使得大部分被电离的氢原子以较小的角度进入磁态选择器，从而提高了氢原子的利用率。一般磁态选择器的最大捕获角在几度左右(不能明确表明最大捕获角的大小，需要根据具体的参数而定，当选择不同的参数计算时其值的大小不能确定，但其值均为几度左右)，只有低于最大捕获角的氢原子才有机会进入腔泡，该结论表明从准直器射出的有效氢原子的散射角不能过大，否则无法被利用。而准直器的深宽比对原子从准直器的射出的散射角有着重大的影响，孔的深宽比越大，则从孔中出射的原子的散射角越小，越有利于进入磁态选择器。目前，准直器的孔直径较大，深宽比较低，粒子在孔内的运动难以受到控制，难以形成稳定的粒子流。此外，准直器的均匀性差，孔的精度低。
发明内容
本发明提供一个高深宽比图形结构的生成方法。通过采用特殊的工艺步骤改善了其他工艺常出现的槽两端的倒锥形结构，同时也改善了图形边缘的毛刺问题，孔的变形量小。
本发明的第一个方面，提供了：
一种高深宽比微纳结构，包括：
一种微纳结构，包括有多块衬底，在衬底的正面开设有相互平行的槽结构，多块衬底之间通过层叠固定。
在一个实施方式中，槽结构的截面形状为圆形、方形、多边形或者异形结构等。
在一个实施方式中，衬底的材料可以为石英玻璃，氮化硼，硅片，碳化硅等。
在一个实施方式中，衬底材料的平面度大小为1-2000nm之间，也可以是5-1000nm之间，也可以是10-800nm之间，也可以是20-200nm之间。
在一个实施方式中，槽结构的宽度为1-10000nm之间，也可以是2-5000nm之间，也可以是3-2000nm之间，也可以是4-1000nm之间。
在一个实施方式中，槽结构的深宽比大于50:1。
在一个实施方式中，获得的槽结构大小均匀，可以是单个结构，亦可以为多个结构按照阵列排列，各个结构之间等间距排列。
在一个实施方式中，衬底的背面开设有平行排列的背面槽结构，相邻的背面槽结构之间形成凸结构，并且凸结构可以嵌入于相邻的衬底的正面的槽结构中，凸结构嵌入于槽结构后相互间留有间隙。
本发明的第二个方面，提供了：
上述的高深宽比微纳结构的制作方法，是通过可采用电子束光刻技术结合湿法刻蚀技术得到，或者采用聚焦离子束技术刻蚀制作得到。
在一个实施方式中，所述的包括电子束光刻技术结合湿法刻蚀技术如下步骤：
第1步，在衬底的表面依次涂覆上铬层和PMMA胶层；
第2步，采用光刻的方法在PMMA胶层（3）上形成相互平行的条状纹路（光栅结构），经显影液显影、定影液定影后去除被电子束光刻的胶层，暴露出纹路下部的铬层（2）；
第3步，对第2步得到的衬底进行铬的溶解处理，去除掉纹路下部的铬层，暴露出纹路下部的衬底；
第4步，对第3步得到的衬底采用腐蚀的方法在暴露出的衬底上形成槽结构；
第5步，去除掉第4步得到的衬底上剩余的PMMA胶层和铬层；
在一个实施方式中，衬底的材料可以为石英玻璃，氮化硼，硅片，碳化硅等。
在一个实施方式中，所述的第4步中的腐蚀是指采用氢氟酸或者氢氧化钠溶液腐蚀。
在一个实施方式中，第5步中是采用丙酮溶液去除掉PMMA胶层，采用去铬溶液（硝酸铈铵、高氯酸和水的混合溶液）去除掉铬层（2）。
在一个实施方式中，还包括以下步骤：
在衬底的背面开设出平行排列的背面槽结构，并且相邻的背面槽结构之间形成凸结构，并且凸结构可以嵌入于相邻的衬底的正面的槽结构中，凸结构嵌入于槽结构后相互间留有间隙；然后将多块衬底按照正面相对于背面的方式层层固定。
本发明的第三个方面，提供了：
一种准直器，其中包含有上述的高深宽比微纳结构。
有益效果
本发明专利基于电子束光刻技术或者聚焦离子束技术直接沿着衬底表面“直写”刻蚀，有效解决垂直于玻璃表面加工孔结构产生倒锥的问题，形成的沟槽通道侧壁形貌一致，图形边缘毛刺小。同时，在衬底表面直接进行相应结构的刻蚀，可以获得纳米级尺寸结构，进一步增大结构的深宽比。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是镀有铬和PMMA胶的衬底结构；
图3是光刻显影后的结构；
图4是除铬、腐蚀处理后的衬底结构；
图5是最终得到的相互平行的光栅微纳结构；
图6是单块衬底等大小切割的示意图；
图7是多块微纳结构通过层层结合的示意图；
图8是另一种微纳结构层层结合示意图；
图9是另一种微纳结构层层结合示意图；
其中，1、衬底；2、铬层；3、PMMA胶层；4、胶层沟槽；5、槽结构；600、601、602、603、604、单块玻璃；7、背面槽结构；8、凸结构。
具体实施方式
本发明提供的微纳结构如图5和图6所示。
一种微纳结构，包括有多块衬底（1），在衬底（1）的正面开设有相互平行的槽结构（5），多块衬底之间通过层叠固定得到一体化的多孔阵列微结构。
在一个实施方式中，槽结构（5）的截面形状为圆形、方形或者多边形等。
在一个实施方式中，衬底1的材料可以为石英玻璃，氮化硼，硅片，碳化硅等。
在一个实施方式中，衬底1材料的平面度大小为1-2000nm之间，也可以是5-1000nm之间，也可以是10-800nm之间，也可以是20-200nm之间。
在一个实施方式中，槽结构（5）的宽度为1-10000nm之间，也可以是2-5000nm之间，也可以是3-2000nm之间，也可以是4-1000nm之间。
在一个实施方式中，槽结构（5）的微结构的深宽比大于50:1。
在一个实施方式中，获得的槽结构（5）大小均匀，可以是单个结构，亦可以为多个结构按照阵列排列，各个结构之间等间距排列。
上述结构中的沟槽是通过刻蚀的方法得到的。
在上述衬底表面进行沟槽的刻蚀，本文提到有两种工艺，一种是电子束刻蚀和湿法刻蚀的结合，另一种是聚焦离子束刻蚀；对于平行于表面进行结构的刻蚀，相对于直接垂直于表面进行刻蚀可以获得更高的深宽比，微结构形貌更好的结构。
以下通过对电子束刻蚀和湿法刻蚀的结合的方法进行说明。
方法流程如图1所示。
本实施例选用的衬底材料为石英玻璃，采用的刻槽工艺为电子束刻蚀技术和湿法刻蚀相结合，亦可以选用硅片，碳化硅，氮化硼等材料。
首先，用丙酮对衬底（1）进行清洗，去除表面杂质，将清洗后的衬底在热板上加热烘干。
在衬底（1）（石英玻璃）表面镀上一层铬层（2），再在铬层（2）上面镀上一层PMMA胶层（3）。其中，铬层的厚度为100-300nm左右，镀铬的目的在于：玻璃是绝缘体材料，绝缘体材料不能用于电子束的曝光，曝光时电子束透过抗蚀剂进入绝缘体的基片产生电荷积累现象，所积累的电荷排斥后来的曝光电子流，电流不能在预定坐标曝光。镀上铬层（2）后，增加了玻璃的导电性，从而可以完成电子束的曝光。将玻璃放入匀胶机的托盘上，设定相应的旋转速度以及时间，在玻璃上表面镀上一层厚度为几百纳米的PMMA胶层（胶层的厚度根据实际甩胶的时间而定，一般为120-150纳米之间）。对完成甩胶的玻璃进行前烘，目的在于去除PMMA胶的溶剂，提高胶层与玻璃衬底的粘附性。
将玻璃基体放置于样品托上，将样品托放置于扫描电镜中。在DY-2000A纳米通用图形发生器对应的软件设置需要加工的图形结构，设置相应的加工参数，在电子束加工机中对玻璃进行曝光。对曝光后的石英玻璃进行显影、定影。首先在显影液中进行大约60秒的显影，然后在定影液中进行大约40秒的定影。显影的目的在于破坏PMMA胶层的共价键，使得被电子束曝光的胶层在显影液的作用下被去除；定影的目的是显影完后，防止图形边沿脱落，凝固胶图形，终止定影。如图3所示，通过光刻胶的处理，在PMMA胶层的表面形成了条状的胶层沟槽（4）。
显影定影后，经过吸尘球干燥，将石英玻璃置于去除铬层的溶液中，60s后取出石英玻璃并用去离子水进行清洗。至此，在显影的步骤中，暴露出了条状的胶层沟槽（4）下方的铬层，并且通过铬溶解液的处理，将条状的铬去除，并暴露出条状铬层下方的玻璃衬底。
在上步中，暴露出了条状的铬层下方的细条衬底玻璃，因此可采用湿法刻蚀（经过氢氟酸腐蚀）技术，将条状胶层图形转移到玻璃上，获得需要的槽结构（5）。优选的槽结构为等距且按阵列排列，亦可以加工单槽结构。
最后，再将湿法刻蚀后的石英玻璃分别置于丙酮溶液以及去铬层溶液中，分别去除剩余的PMMA胶层以及铬层，最终得到图5所示结构。
按照需要的尺寸，等大小对石英玻璃进行切割，获得小块单块玻璃600、601、602、603、604。实际切割的个数根据实际切割的尺寸而定，如图6所示。
对各个单块玻璃（600、601、602、603、604）进行结合，获得具有高深宽比的一体化结构，最终获得具有高深宽比的槽结构，如图7所示。
而采用聚焦离子束刻蚀，则无需进行图形的转移，即不需要结合湿法刻蚀工艺将需要加工的结构从胶层图形转移到衬底上，直接在衬底表面进行相应结构的刻蚀。
如图8所示，为了进一步提高加工精度和高深宽比，采用了一种改进的组装方法。
首先，如上述的方法，先取第一块衬底A，在衬底A正面的表面加工出槽结构5，然后，在另一块衬底B的正面也加工出槽结构5，同时，在衬底B的背面加工出背面槽结构7，并且使相邻的背面槽结构7之间形成凸结构8，并且凸结构8能够嵌入到槽结构5之中，并留有空隙。采用这种方式进行加工时，可以在有限的加工精度条件下，提高微纳结构的深宽比，例如，如果当前的加工精度是10nm时，使凸结构8的高度为10nm，同时，使槽结构5的深度为15nm，然后采用如图9所示的方法，将两块衬底相互之间由正面和背面拼接，并且当凸结构8卡接于槽结构5后，使得两者之间留下的缝隙为5nm，就实现了在有限加工精度的条件下，进一步提高深宽比的效果。

Claims (9)

1.一种高深宽比微纳结构，其特征在于，包括：一种微纳结构，包括有多块衬底（1），在衬底（1）的正面开设有相互平行的槽结构（5），多块衬底之间通过层叠固定形成一体化多孔微纳结构。
2.根据权利要求1所述的高深宽比微纳结构，其特征在于，在一个实施方式中，槽结构（5）的截面形状为圆形、方形、多边形或者异形结构等；在一个实施方式中，衬底（1）的材料可以为石英玻璃，氮化硼，硅片，碳化硅等；在一个实施方式中，衬底（1）材料的平面度大小为1-2000nm之间，也可以是5-1000nm之间，也可以是10-800nm之间，也可以是20-200nm之间。
3.根据权利要求1所述的高深宽比微纳结构，其特征在于，在一个实施方式中，槽结构（5）的宽度为1-10000nm之间，也可以是2-5000nm之间，也可以是3-2000nm之间，也可以是4-1000nm之间；在一个实施方式中，槽结构（5）的深宽比大于50:1；在一个实施方式中，获得的槽结构（5）大小均匀，可以是单个结构，亦可以为多个结构按阵列排列，各个结构之间等间距排列。
4.根据权利要求1所述的高深宽比微纳结构，其特征在于，衬底（1）的背面开设有平行排列的背面槽结构（7），相邻的背面槽结构（7）之间形成凸结构（8），并且凸结构（8）可以嵌入于相邻的衬底（1）的正面的槽结构（5）中，凸结构（8）嵌入于槽结构（5）后相互间留有间隙。
5.权利要求1所述的高深宽比微纳结构的制作方法，其特征在于，是通过可采用电子束光刻技术结合湿法刻蚀/干法刻蚀技术得到，或者采用聚焦离子束技术刻蚀制作得到。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在一个实施方式中，还包括对衬底进行等大小切割后进行多块衬底层层结合。
7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述的包括电子束光刻技术结合湿法刻蚀技术如下步骤：
第1步，在衬底（1）的表面依次涂覆上铬层（2）和PMMA胶层（3）；
第2步，采用电子束光刻的方法在PMMA胶层（3）上形成相互平行的条状纹路（光栅结构），经显影液显影、定影液定影后去除被电子束光刻的胶层，暴露出纹路下部的铬层（2）；
第3步，对第2步得到的衬底（1）进行铬的溶解处理，去除掉纹路下部的铬层（2），暴露出纹路下部的衬底（1）；
第4步，对第3步得到的衬底（1）采用腐蚀的方法在暴露出的衬底（1）上形成槽结构（5）；
第5步，去除掉第4步得到的衬底（1）上剩余的PMMA胶层（3）和铬层（2）；
根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，在一个实施方式中，衬底（1）的材料可以为石英玻璃，氮化硼，硅片，碳化硅等；所述的第（4）步中的腐蚀是指采用氢氟酸或者氢氧化钠溶液腐蚀；第5步中是采用丙酮去除掉PMMA胶层（3），采用去铬溶液去除掉铬层（2）；在一个实施方式中，所述的去铬溶液是硝酸铈铵、高氯酸和水的混合溶液。
8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在衬底（1）的背面开设出平行排列的背面槽结构（7），并且相邻的背面槽结构（7）之间形成凸结构（8），并且凸结构（8）可以嵌入于相邻的衬底（1）的正面的槽结构（5）中，凸结构（8）嵌入于槽结构（5）后相互间留有间隙；然后将多块衬底（1）按照正面相对于背面的方式层层固定。
9.一种准直器，其特征在于，其中包含有权利要求1所述的高深宽比微纳结构。
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