CN111807319B - 一种仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法 - Google Patents

一种仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，所述制备方法包括：提供一衬底；在所述衬底的上表面刻蚀出第一光栅结构；在所述衬底的上表面外延交替生长AlXGa1‑XAs薄层和GaAs薄层，以在所述衬底的上表面形成外延层；在所述外延层的上表面刻蚀出第二光栅结构，所述第二光栅结构的光栅周期为所述第一光栅结构的光栅周期的两倍，且所述第二光栅结构的刻蚀深度等于所述外延层的高度；对每一所述AlXGa1‑ XAs薄层进行氧化，以将所述AlXGa1‑XAs薄层转化成为AL2O3薄层；对每一所述GaAs薄层进行选择性蚀除，得到所述仿生蝴蝶磷翅微纳结构。本发明开发出可行的适用于高效率、低成本的大批量制备仿仿蝴蝶磷翅微纳结构的方法，促进仿生微纳结构的制备和应用。

Description

一种仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法
技术领域
本发明涉及仿生微纳结构技术领域，特别涉及一种仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法。
背景技术
自然界生物体表经过了“适者生存”的自然选择和亿万年的进化，表现出了功能的多样性，形成了许多独特结构和优异特性。生物体所特有的功能很大程度上与其表面尤其是表面微观结构有着密切的关系。其中，Morpho蝴蝶翅膀闪耀着蓝色光芒的机理与鳞片分级多层微纳结构吸引了众多研究者，对其形态学信息的研究以及仿生制备也已经取得了很多成果。其颜色效应就是由蝴蝶鳞翅鳞片上特殊的准周期性分层微纳结构引起的，是一种典型的结构色现象。
随着微型化趋势和微纳制造技术的发展，具有优异功能的仿生微纳结构日益受到重视，借鉴仿生结构而合理构建表面微观结构形态，其中，研究人员借鉴Morpho蝴蝶翅膀的微观结构，已开发了一些简单几何形状层次结构的制造工艺，取得了许多重要成果。
然而，针对典型的复杂分层、非对称周期三维微纳结构(尺度变化从数十纳米到数百微米)，常规工艺很难制备出完整结构。目前仿生Morpho蝴蝶翅膀维纳结构的研究，有采用生物做模板再结合原子层沉积，接着煅烧复制出微纳结构，有采用聚焦离子束加工等等，设备昂贵、加工速度慢、效率低、成本太高。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，以解决现有仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备效率低的技术问题。
本发明实施例提供一种仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底的上表面刻蚀出第一光栅结构；
在所述衬底的上表面外延交替生长AlXGa1-XAs薄层和GaAs薄层，以在所述衬底的上表面形成外延层；
在所述外延层的上表面刻蚀出第二光栅结构，所述第二光栅结构的光栅周期为所述第一光栅结构的光栅周期的两倍，且所述第二光栅结构的刻蚀深度等于所述外延层的高度；
对每一所述AlXGa1-XAs薄层进行氧化，以将所述AlXGa1-XAs薄层转化成为AL2O3薄层；
对每一所述GaAs薄层进行选择性蚀除，得到所述仿生蝴蝶磷翅微纳结构。
进一步地，在所述衬底的上表面刻蚀出第一光栅结构的步骤包括：
在所述衬底上表面旋涂第一光刻胶；
透过第一光刻掩膜板对所述第一光刻胶进行曝光、显影，以将所述第一光刻掩膜板上的第一光栅图形转移到所述第一光刻胶表面，得到第一光刻胶光栅图形；
以所述第一光刻胶光栅图形为掩膜对所述衬底进行刻蚀，以将所述第一光刻胶光栅图形转移到所述衬底上表面；
去除剩余未被显影掉的第一光刻胶，以在所述衬底的上表面得到所述第一光栅结构。
进一步地，在所述外延层的上表面刻蚀出第二光栅结构的步骤包括：
在所述外延层上表面旋涂第二光刻胶；
透过第二光刻掩膜板对所述第二光刻胶进行曝光、显影，以将所述第二光刻掩膜板上的第二光栅图形转移到所述第二光刻胶表面，得到第二光刻胶光栅图形；
以所述第二光刻胶光栅图形为掩膜对所述外延层进行刻蚀，以将所述第二光刻胶光栅图形转移到所述外延层上表面；
去除剩余未被显影掉的第二光刻胶，以在所述外延层的上表面得到所述第二光栅结构。
进一步地，所述第一光栅结构的光栅周期在200nm-10μm之间。
进一步地，所述第一光栅结构的刻蚀深度在80nm-150nm之间。
进一步地，所述外延层的最底层为所述GaAs薄层，最顶层为所述AlXGa1-XAs薄层。
进一步地，所述AlXGa1-XAs薄层的层厚等于所述第一光栅结构的刻蚀深度。
进一步地，对每一所述GaAs薄层进行选择性蚀除的步骤包括：
采用侧向湿法腐蚀工艺对每一所述GaAs薄层进行选择性蚀除，蚀除时相邻两个AL2O3薄层之间至少存在部分GaAs薄层未蚀除，未蚀除部分用于连接所述相邻两个AL2O3薄层。
进一步地，对所述GaAs薄层进行腐蚀的液体中包含50%柠檬酸和H2O2，其中，50%柠檬酸和H2O2的体积比为：50%柠檬酸：H2O2=2:1。
进一步地，AlXGa1-XAs中的X值在0.8-1之间。
本发明的有益效果：通过采用外延生长工艺，光刻工艺、刻蚀工艺、氧化工艺、选择性腐蚀工艺等相结合的半导体微加工工艺来制备仿蝴蝶翅膀鳞片的复杂分层、非对称周期三维微纳结构，可以大批量、大面积制备出仿生蝴蝶磷翅微纳结构，效率高成本低，促进仿生微纳结构的制备和应用。
附图说明
图1为本发明第一实施例中的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法的流程图；
图2为本发明第一实施例中的第一光栅结构的示意图；
图3为本发明第一实施例中的外延层的示意图；
图4为本发明第一实施例中的第二光栅结构的示意图；
图5为本发明第一实施例中最终制备的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的示意图；
图6为本发明一实施例中的第一光栅结构的制备过程说明图；
图7为本发明一实施例中的第二光栅结构的制备过程说明图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
请参阅图1，所示为本发明第一实施例中的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，包括步骤S01-步骤S06。
步骤S01，提供一衬底。
其中，所述衬底优选为GaAs衬底，其尺寸优先为2-6吋，例如为2吋、3吋、4吋或6吋，其次所述衬底优选为洁净的衬底，例如采用刚制备出的GaAs衬底，以保证后续仿生蝴蝶磷翅微纳结构的良率。
步骤S02，在所述衬底的上表面刻蚀出第一光栅结构。
在具体实施时，可以采用具有与第一光栅结构相对应的光栅图形的光刻掩膜板、并结合半导体光刻工艺在衬底的上表面进行刻蚀，以在衬底的上表面刻蚀出第一光栅结构。其中，第一光栅结构具体为条形光栅结构。
具体地，如图2所示，第一光栅结构包括依次交替布置的若干第一凸台1和若干第一凹槽2，相邻两个第一凸台1的间距为第一光栅结构的光栅周期Λ1，相邻两个第一凸台1之间的区域为第一光栅结构的一个光栅周期区域。其中，该第一凹槽2由在制备第一光栅结构时被刻蚀掉的部分所形成，即被刻蚀掉的部分均形成第一凹槽2。第一光栅结构的蚀刻深度即为该第一凹槽2的深度，在本实施例当中，第一光栅结构的光栅周期Λ1在200nm-10μm之间，第一光栅结构的刻蚀深度在80nm-150nm之间。
步骤S03，在所述衬底的上表面外延交替生长AlXGa1-XAs薄层和GaAs薄层，以在所述衬底的上表面形成外延层。
在具体实施时，可采用半导体外延生长技术在衬底的上表面外延交替生长AlXGa1-XAs薄层和GaAs薄层，得到外延层，具体地，在本实施例当中，外延层的最底层为GaAs薄层，最顶层为AlXGa1-XAs薄层。在实际实施时，AlXGa1-XAs薄层和GaAs薄层的层数不受限制，优选为5-10层。由于衬底的上表面具有第一光栅结构，并非平整表面，使得外延生长出的外延层自然形成分层结构，即第一凸台1和第一凹槽2上外延生长出的外延层区块中的AlXGa1-XAs薄层和GaAs薄层相互之间错位设置，形成非对称的分层结构。
在外延生长时，优先保证各层AlXGa1-XAs薄层的生长厚度均等，以保证后续各层AL2O3薄层的厚度均等，同时也保证各层GaAs薄层的生长厚度均等，以保证后续各层AL2O3薄层的间距均等。在本实施例当中，AlXGa1-XAs薄层和GaAs薄层均为纳米尺度薄层，即其厚度均为纳米级别，优选地，AlXGa1-XAs薄层的层厚等于第一光栅结构的刻蚀深度，并且由于最底层为GaAs薄层，也优选将GaAs薄层的层厚设置为等于第一光栅结构的刻蚀深度，使得最下层的AlXGa1-XAs薄层与衬底的上表面平齐，便于后续制备出仿生蝴蝶磷翅微纳结构，同时这样也可以保证后续AL2O3薄层的厚度和间距均相等。
另外，AlXGa1-XAs中的X值代表GaAs中被Al原子取代的Ga原子的百分数， AlXGa1-XAs中的X值优选在0.8-1之间，在本实施例当中，选为X=0.9，即在本步骤当中，可以通过半导体外延生长技术在衬底的上表面外延交替生长Al0.9Ga0.1As薄层和GaAs薄层，得到外延层，如图3所示。在具体实施时，该外延生长技术具体可以为MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）或者MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀）。
步骤S04，在所述外延层的上表面刻蚀出第二光栅结构，所述第二光栅结构的光栅周期为所述第一光栅结构的光栅周期的两倍，且所述第二光栅结构的刻蚀深度等于所述外延层的高度。
同样地，在具体实施时，也可以采用具有与第二光栅结构相对应的光栅图形的光刻掩膜板、并结合半导体光刻工艺在衬底的上表面进行刻蚀，以在衬底的上表面刻蚀出第二光栅结构。其中，第二光栅结构也具体为条形光栅结构。
具体地，如图4所示，第二光栅结构包括依次交替布置的若干第二凸台3和若干第二凹槽4，相邻两个第二凸台3的间距为第二光栅结构的光栅周期Λ2。在本实施例当中，Λ2=2Λ1，使得第二凸台3下方刚好占据第一光栅结构的一个光栅周期区域。其中，该第二凹槽4由在制备第二光栅结构时被刻蚀掉的部分所形成，即被刻蚀掉的部分均形成第二凹槽4，即第二光栅结构的蚀刻深度即为该第二凹槽4的深度，在本实施例当中，第二光栅结构的刻蚀深度等于外延层的高度，并且第二光栅结构的刻蚀深度从外延层上表面最低位置处（第一凹槽2上方）开始计算，从而保证每一被刻蚀部位均能够刻蚀到抵达衬底为止，以使衬底在第二凹槽4中显露。
步骤S05，对每一所述AlXGa1-XAs薄层进行氧化，以将所述AlXGa1-XAs薄层转化成为AL2O3薄层。
在具体实施时，可以采用湿法氧化工艺将AlXGa1-XAs氧化成AL2O3，从而使AlXGa1- XAs薄层转化成为AL2O3薄层。具体地，所述湿法氧化工艺的工艺参数为：温度在230-260℃之间、N2流量在9-11 LM之间、以及H2O_N2流量在4.5-5.5 LM之间。即在对AlXGa1-XAs薄层进行湿法氧化时，控制环境温度在230-260℃之间，优选为250℃，N2流量控制在10±1 LM，H2O_N2流量控制在5±0.5 LM，以使AlXGa1-XAs完全转换为AL2O3。
步骤S06，对每一所述GaAs薄层进行选择性蚀除，得到所述仿生蝴蝶磷翅微纳结构。
在具体实施时，可以采用侧向湿法腐蚀工艺对每一GaAs薄层进行选择性蚀除，蚀除时相邻两个AL2O3薄层之间至少存在部分GaAs薄层未蚀除，未蚀除部分用于连接该相邻两个AL2O3薄层，其余位置的所述GaAs薄层全部蚀除，从而最终形成仿生蝴蝶磷翅微纳结构5，如图5所示。具体地，本实施例在蚀刻时，第一凸台上方的相邻两个AL2O3薄层之间的GaAs薄层的腐蚀深度小于第一光栅的光栅周期Λ1，从而使相邻两个AL2O3薄层之间存在小部分GaAs薄层未被蚀除，如图5所示。在具体实施时，具体可以采用包含50%柠檬酸和H2O2的腐蚀液体对GaAs薄层进行腐蚀，其中50%柠檬酸和H2O2的体积比为：50%柠檬酸：H2O2=2:1。
综上，本实施例当中的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，通过采用外延生长工艺，光刻工艺、刻蚀工艺、氧化工艺、选择性腐蚀工艺等相结合的半导体微加工工艺来制备仿蝴蝶翅膀鳞片的复杂分层、非对称周期三维微纳结构，可以大批量、大面积制备出仿生蝴蝶磷翅微纳结构，效率高成本低，促进仿生微纳结构的制备和应用。
进一步地，在本发明一可选实施例当中，步骤S02具体包括如下子步骤：
步骤S021、在所述衬底上表面旋涂第一光刻胶；
步骤S022、透过第一光刻掩膜板对所述第一光刻胶进行曝光、显影，以将所述第一光刻掩膜板上的第一光栅图形转移到所述第一光刻胶表面，得到第一光刻胶光栅图形；
步骤S023、以所述第一光刻胶光栅图形为掩膜对所述衬底进行刻蚀，以将所述第一光刻胶光栅图形转移到所述衬底上表面；
步骤S024、去除剩余未被显影掉的第一光刻胶，以在所述衬底的上表面得到所述第一光栅结构。
其中，第一光刻掩膜板上的第一光栅图形与最终制备得到的第一光栅结构在图形上对应。在具体实施时，在执行步骤S023时，具体可以采用感应耦合等离子干法刻蚀工艺、并以所述第一光刻胶光栅图形为掩膜对所述衬底进行刻蚀，以将所述第一光刻胶光栅图形转移到所述衬底上表面。具体地，感应耦合等离子干法刻蚀工艺（Inductive CoupledPlasma，简称ICP）的工艺参数可以为：SiCL4/N2=17sccm/16sccm。其中，SiCL4和N2混合构成ICP工艺的反应气氛，通过对SiCL4和N2的参数进行限定，即限定ICP工艺在特定的反应气氛中进行，以保证外延层刻蚀的效率和良率。
如图6所示，整个第一光栅结构的制备过程为，先在衬底上表面旋涂第一光刻胶，然后透过第一光刻掩膜板对第一光刻胶进行曝光、显影，以将第一光刻掩膜板上的第一光栅图形转移到第一光刻胶表面，得到第一光刻胶光栅图形，然后以第一光刻胶光栅图形为掩膜，将光刻胶图形进一步转移到衬底上表面，最后去除剩余光刻胶即在衬底的上表面得到第一光栅结构。
其中，上述步骤S021- S024各自所得到的产物如图6中步骤标号对应的图形中所示。但需要说明的是，图7仅仅是本实施的一种示例，主要作用还是为了给出示意图便于理解，并不作为对实际产物的限定，基于图6所延伸出的其它符合本发明精神的图形结构依然属于本发明的保护范围。
进一步地，在本发明一可选实施例当中，步骤S04具体包括如下子步骤：
步骤S041、在所述外延层上表面旋涂第二光刻胶；
步骤S042、透过第二光刻掩膜板对所述第二光刻胶进行曝光、显影，以将所述第二光刻掩膜板上的第二光栅图形转移到所述第二光刻胶表面，得到第二光刻胶光栅图形；
步骤S043、以所述第二光刻胶光栅图形为掩膜对所述外延层进行刻蚀，以将所述第二光刻胶光栅图形转移到所述外延层上表面；
步骤S044、去除剩余未被显影掉的第二光刻胶，以在所述外延层的上表面得到所述第二光栅结构。
其中，第一光刻掩膜板上的第二光栅图形与最终制备得到的第二光栅结构在图形上对应。在具体实施时，在执行步骤S043时，具体可以采用感应耦合等离子干法刻蚀工艺、并以所述第二光刻胶光栅图形为掩膜对所述外延层进行刻蚀，以将所述第二光刻胶光栅图形转移到所述外延层上表面。具体地，感应耦合等离子干法刻蚀工艺（Inductive CoupledPlasma，简称ICP）的工艺参数可以为：SiCL4/N2=17sccm/16sccm。其中，SiCL4和N2混合构成ICP工艺的反应气氛，通过对SiCL4和N2的参数进行限定，即限定ICP工艺在特定的反应气氛中进行，以保证外延层刻蚀的效率和良率。
如图7所示，整个第二光栅结构的制备过程为，先在外延层上表面旋涂第二光刻胶，然后透过第二光刻掩膜板对第二光刻胶进行曝光、显影，以将第二光刻掩膜板上的第二光栅图形转移到第二光刻胶表面，得到第二光刻胶光栅图形，然后以第二光刻胶光栅图形为掩膜，将光刻胶图形进一步转移到外延层上表面，最后去除剩余光刻胶即在外延层的上表面得到第二光栅结构。
其中，上述步骤S041- S044各自所得到的产物如图7中步骤标号对应的图形中所示。但需要说明的是，图7仅仅是本实施的一种示例，主要作用还是为了给出示意图便于理解，并不作为对实际产物的限定，基于图7所延伸出的其它符合本发明精神的图形结构依然属于本发明的保护范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底的上表面刻蚀出第一光栅结构；
在形成有所述第一光栅结构的衬底的上表面外延交替生长AlXGa1-XAs薄层和GaAs薄层，以形成外延层；
在所述外延层的上表面刻蚀出第二光栅结构，所述第二光栅结构的光栅周期为所述第一光栅结构的光栅周期的两倍，且所述第二光栅结构的刻蚀深度等于所述外延层的高度；
对每一所述AlXGa1-XAs薄层进行氧化，以将所述AlXGa1-XAs薄层转化成为AL2O3薄层；
对每一所述GaAs薄层进行选择性蚀除，得到所述仿生蝴蝶磷翅微纳结构。
2.根据权利要求1所述的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，其特征在于，在所述衬底的上表面刻蚀出第一光栅结构的步骤包括：
在所述衬底上表面旋涂第一光刻胶；
透过第一光刻掩膜板对所述第一光刻胶进行曝光、显影，以将所述第一光刻掩膜板上的第一光栅图形转移到所述第一光刻胶表面，得到第一光刻胶光栅图形；
以所述第一光刻胶光栅图形为掩膜对所述衬底进行刻蚀，以将所述第一光刻胶光栅图形转移到所述衬底上表面；
去除剩余未被显影掉的第一光刻胶，以在所述衬底的上表面得到所述第一光栅结构。
3.根据权利要求1所述的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，其特征在于，在所述外延层的上表面刻蚀出第二光栅结构的步骤包括：
在所述外延层上表面旋涂第二光刻胶；
透过第二光刻掩膜板对所述第二光刻胶进行曝光、显影，以将所述第二光刻掩膜板上的第二光栅图形转移到所述第二光刻胶表面，得到第二光刻胶光栅图形；
以所述第二光刻胶光栅图形为掩膜对所述外延层进行刻蚀，以将所述第二光刻胶光栅图形转移到所述外延层上表面；
去除剩余未被显影掉的第二光刻胶，以在所述外延层的上表面得到所述第二光栅结构。
4.根据权利要求1-3任一项所述的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，其特征在于，所述第一光栅结构的光栅周期在200nm-10μm之间。
5.根据权利要求1所述的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，其特征在于，所述第一光栅结构的刻蚀深度在80nm-150nm之间。
6.根据权利要求1或5所述的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，其特征在于，所述外延层的最底层为所述GaAs薄层，最顶层为所述AlXGa1-XAs薄层。
7.根据权利要求1或5所述的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，其特征在于，所述AlXGa1-XAs薄层的层厚等于所述第一光栅结构的刻蚀深度。
8.根据权利要求1所述的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，其特征在于，对每一所述GaAs薄层进行选择性蚀除的步骤包括：
采用侧向湿法腐蚀工艺对每一所述GaAs薄层进行选择性蚀除，蚀除时相邻两个AL2O3薄层之间至少存在部分GaAs薄层未蚀除，未蚀除部分用于连接所述相邻两个AL2O3薄层。
9.根据权利要求8所述的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，其特征在于，对所述GaAs薄层进行腐蚀的液体中包含50%柠檬酸和H2O2，其中，50%柠檬酸和H2O2的体积比为：50%柠檬酸：H2O2=2:1。
10.根据权利要求1所述的仿生蝴蝶磷翅微纳结构的制备方法，其特征在于，AlXGa1-XAs中的X值在0.8-1之间。
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