CN113548638B - 一种微凸起结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微凸起结构的制备方法，包括：在基板上形成牺牲层；在牺牲层上形成生长层；在生长层上设置滤膜层；部分生长层在毛细作用下进入滤膜层的孔洞中以形成微凸起结构；固化生长层；以及去除滤膜层。本发明还涉及一种半导体器件的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备方法，特别地涉及一种微凸起结构的制备方法。
背景技术
表面微凸起结构广泛应用于传感器、摩擦纳米发电机等领域，微凸起结构的存在极大地增加了表面积，从而提升了器件灵敏度，进而改善了器件性能。随着柔性电子器件的不断发展，其对微凸起结构的生成，尤其是柔性微凸起结构提出了更高的要求。虽然现有的微凸起结构生成方式种类繁多，但都存在自身无法克服的技术瓶颈。
例如，砂纸等表面存在粗糙度的物品：直接在其表面滴涂PDMS，干了以后撕离。但这种方法微凸起结构孔径和深度不可控，仅能适当增加比表面积，同时撕离困难。
自制凹槽模具：主要通过在硅表面形成凹陷的微孔，可结合光刻工艺，通过光刻胶保护住不需要形成微凸起结构的地方，裸露出硅表面的地方通过气体刻蚀或者液体侵蚀形成微孔。然后旋涂PDMS，利用重力作用灌注到孔中，PDMS固化以后撕离模具。但这种方法光刻精度低，孔径难以达到纳米量级，刻蚀深度有限，同时撕离过程会损害PDMS微凸起结构。
AAO模板：AAO模板由于孔排列高度均匀，孔径统一，常被用于纳米材料生长的模板，如一维金属纳米线。一些研究中也会利用AAO模板来生成微凸起结构，主要是将PDMS旋涂在AAO模板表面，利用重力作用灌注到孔中，PDMS固化以后撕离AAO模板，或者通过酸性溶液(如高浓度磷酸)腐蚀掉AAO模板，获取微凸起结构膜。但这种方法孔间距较小，撕离过程会损害PDMS微凸起结构，腐蚀掉AAO成本高昂。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种微凸起结构的制备方法，包括：在基板上形成牺牲层；在牺牲层上形成生长层；在生长层上设置滤膜层；部分生长层在毛细作用下进入滤膜层的孔洞中以形成微凸起结构；固化生长层；以及去除滤膜层。
特别的，在形成所述牺牲层前，进一步包括：基板表面亲水处理。
特别的，所述亲水处理包括氧等离子处理。
特别的，所述牺牲层材料包括葡聚糖或PVA。
特别的，所述生长层材料包括PDMS、Ecoflex、PMMA、SEBS或PUU。
特别的，在牺牲层上形成生长层包括：对生长层微固化处理。
特别的，其中所述滤膜材料为PET、PVDF或PTFE，所述滤膜层孔径为200nm-10μm。
特别的，其中所述微凸起结构长度与所述滤膜层设置时间正相关。
特别的，其中所述微凸起结构长度与所述生长层固化时间负相关。
特别的，所述固化生长层包括：放入70℃恒温箱，放置2h。
特别的，进一步包括：去除牺牲层。
特别的，所述去除牺牲层包括：浸入去离子水中，待牺牲层溶解消失。
特别的，所述基板为硅基板、玻璃基板或PEN柔性基板。
本申请还包括一种半导体器件的制备方法，包括：在基板上形成牺牲层；在牺牲层上形成生长层；在生长层上设置滤膜层；部分生长层在毛细作用下进入滤膜层的孔洞中以形成微凸起结构；固化生长层；去除滤膜层；在所述微凸起结构上形成彼此交叠的导电纳米结构；在所述微凸起结构表面上形成连接层；在生长层上形成与所述连接层电连接的第一电极和第二电极。
特别的，在牺牲层上形成生长层包括：对生长层微固化处理。
特别的，导电层包括：碳纳米管或金属纳米线。
特别的，在生长层上形成连接层包括：在生长层上溅射金属，形成连接层。
特别的，所述金属为钼、铂或钯。
特别的，在连接层上形成第一电极和第二电极包括：利用银浆，把金属导线连接到分布有生长层两侧，形成电极。
特别的，进一步包括：在连接层、第一电极和第二电极上形成封装层。
附图说明
下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1A～图1G是根据本发明的一个实施例微凸起结构的制备方法制备过程结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施例毛细作用随孔径和密度大小变化关系图；
图3是根据本发明的一个实施例微凸起结构的制备方法流程示意图；
图4A～图4E是根据本发明的一个实施例一种半导体器件的制备方法制备过程结构示意图；
图4F是根据本发明的一个实施例一种半导体器件的制备方法所制备的半导体拉伸状态图；
图5是根据本发明的一个实施例一种半导体器件的制备方法流程示意图；
图6A是根据本发明的一个实施例一种8μm孔径微凸起结构成品图；
图6B是根据本发明的一个实施例一种拉伸传感器成品图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
本发明涉及一种微凸起结构的制备方法。图1A～图1G是根据本发明的一个实施例微凸起结构的制备方法制备过程结构示意图，图2是根据本发明的一个实施例毛细作用随孔径和密度大小变化关系图，图3是根据本发明的一个实施例微凸起结构的制备方法流程示意图。如上述图例所示，本申请所述方法包括：
步骤301：基板表面亲水性处理，如图1A所示。基板101表面亲水性处理可以提升基板亲水性，方便接下来的操作。在一些实施例中，亲水处理可以是氧等离子处理。在一些实施例中，氧等离子处理可以用氧等离子体以100W的功率将基板101表面处理5分钟。在一些实施例中，基板101表面亲水性处理还可以是：反应离子刻蚀，或者沉积一层亲水材料等，如本领域技术人员所知的方法，本发明不以此为限。在一些实施例中，基板101表面亲水性处理不是必须的。在一些实施例中，基板101材料为硅基板、玻璃基板或PEN柔性基板。在一些实施例中，基板101表面亲水性处理前，可以先对基板101表面进行清洗。
步骤302：在基板上形成牺牲层，如图1B所示。形成牺牲层102可以便于基板和其他结构分离。在一些实施例中，所述牺牲层102材料可以是葡聚糖或PVA。在一些实施例中，在基板101上形成牺牲层102可以包括：将葡聚糖以1:10比例溶于去离子水，并在40℃下搅动1小时，形成葡聚糖溶液；在基板101表面以2000rpm旋涂葡聚糖溶液，时长50s，以得到550纳米厚的牺牲层102。在一些实施例中，牺牲层102可以使用其他水溶性材料或与制备体系兼容的可溶性材料替代，如PVA等。
步骤303：在牺牲层上形成生长层，如图1C所示。在一些实施例中，生长层103材料可以是PDMS、Ecoflex、PMMA、SEBS或PUU。在一些实施例中，在牺牲层102上形成生长层103可以包括：
预聚物和固化剂的质量比为10:1混合，以形成PDMS溶液；将含有PDMS的溶液以1000rpm的速度旋涂在牺牲层102表面，时长30s；在70℃恒温条件下，处理15min微固化；以5000rpm旋涂PDMS溶液30s。在一些实施例中，微固化指的是生长层未完全固化，只是流动性变弱，成为类似胶状的形态。
步骤304：在生长层上设置滤膜层，如图1D所示。具体的，根据所需微凸起结构大小，预先选定特定尺寸的滤膜，将滤膜覆盖在生长层103上，形成滤膜层104。在一些实施例中，滤膜材料可以是PET、PVDF或PTFE。在一些实施例中，所述滤膜孔径为200nm-10μm。在一些实施例中，滤膜上孔洞的排布是短程无序，长程有序的，图中的排布和个数仅为示例性。在一些实施例中，滤膜层为单通(下凹式孔洞)或双通(滤膜上下贯通式孔洞)结构。
步骤305：部分生长层在毛细作用下进入滤膜层的孔洞中以形成微凸起结构。生长层上部包括PDMS溶液，覆盖滤膜后，由于毛细作用，生长层材料例如PDMS溶液会由下而上进入滤膜的孔洞中。
步骤306：固化生长层，如图1E所示。在一些实施例中，固化生长层103包括：放入70℃恒温箱，放置2h。前述进入孔洞的PDMS溶液，经过固化后形成所需的微凸起结构。在一些实施例中，加热不是固化的必要过程，静置即可固化，加热可以加速固化。
图2是根据本发明的一个实施例毛细作用随孔径和密度大小变化关系图，如图2所示。在一些实施例中，微凸起结构的长度与滤膜孔径大小负相关。在一些实施例中，微凸起结构的长度与生长层材料例如PDMS溶液密度负相关。在一些实施例中，微凸起结构长度与所述生长层103固化时间负相关。在一些实施例中，微凸起结构长度与所述滤膜层104设置时间正相关。
步骤307：去除滤膜层，如图1F所示。在一些实施例中，可以从上方揭去滤膜层104。
本申请方法相较现有技术，不再是利用重力形成微凸起结构，而是通过毛细作用。这种方法不但更利于工艺的调控，同时更方便去除滤膜层，对生长层103形成的微凸起结构破坏更小。但如本领域技术人员所知，在一些实施例中，也可以利用重力或同时利用重力和毛细现象由上而下实现本申请所述方法。
步骤308：去除牺牲层，如图1G所示。在一些实施例中，去除牺牲层102包括：浸入去离子水中；待牺牲层102消失，生长层103与基板101分离。
在一些实施例中，如后续器件在硬质基板上操作，则可应用在硬质器件中，不需去除牺牲层。在一些实施例中，如在硬质基板上制备，本方法可以不包括步骤302形成牺牲层。在一些实施例中，如在柔性基板，例如PEN上制备，则可应用于柔性器件中，例如在可拉伸器件中使用，此时可以去除牺牲层102，将生长层103与基板101分离，形成柔性微凸起结构。
本发明所述方法，具有诸多优势，包括：
首先，由于柔性滤膜，例如PET，的孔呈现出短程无序长程有序的分布状态，可以认为所分布的孔在一定面积上是相对均匀的，一般的AAO是由化学方法得到的，其孔分布也并不是完全均匀。在一些需要生成大高宽比的细圆柱传感器应用上，AAO并不能体现出其作为模板的优势，因为微凸起结构越长，受到末端重力的影响，微凸起结构越容易发生倒塌，致密的微凸起结构在倒塌之后势必连成一片相互交叉，失去了微凸起结构的独立性。而本发明稀疏的孔分布在得到大高宽比微凸起结构的同时，即使倒塌也不至于相互接触，倒塌的微凸起结构在保证提供大比表面积和更多的接触位点的同时缩短了各微凸起结构的距离。
而且，目前微凸起结构高度均大于10μm，高度主要取决于模具厚度，同时，高度越高剥离难度越大(例如AAO)。使用其他模具剥离对于微凸起结构的破坏明显，由于毛细方法是在上方剥离柔性滤膜，能够有效缓解该问题。
进而，本申请的滤膜可以是双通结构。单通的模板适合用于使用重力灌注产生微凸起结构，因为重力本身可以克服部分空气的挤压。当使用毛细回溯生成微凸起结构时，由于大气压的挤压，微凸起结构的长度就会受限。而双通的模板由于与大气压强连接，不存在这样的问题，可以生成更长的微凸起结构。
本申请进一步包括一种半导体器的件制备方法，可以利用前述微凸起结构制备半导体器件。图4A～图4E是根据本发明的一个实施例一种半导体器件的制备方法制备过程结构示意图，图4F是根据本发明的一个实施例一种半导体器件的制备方法所制备的半导体拉伸状态图，图5是根据本发明的一个实施例一种半导体器件的制备方法流程示意图，如上述图例所示。其中，部分与前述方法相同或类似的步骤，在此不再赘述。
半导体器的件制备方法包括：
可选择的，步骤501：基板表面亲水性处理。
可选择的，步骤502：在基板上形成牺牲层。
步骤503：在牺牲层上形成生长层。
步骤504：在生长层上设置滤膜层。
步骤505：部分生长层在毛细作用下进入滤膜层的孔洞中以形成微凸起结构。
步骤506：固化生长层。
步骤507：去除滤膜层。
步骤508：在所述微凸起结构上形成彼此交叠的导电纳米结构，如图4A所示。在一些实施例中，在前述获得的微凸起结构表面旋涂金属性碳纳米管，形成导电层105。在一些实施例中，旋涂条件：转速2000rpm，时间40s。在一些实施例中，导电层105材料可以是一维导电材料，如金属纳米线等。
步骤509：在所述微凸起结构表面上形成连接层，如图4B所示。其中，为了方便说明，仅选取部分结构说明。在一些实施例中，再溅射金属Mo，形成连接层106，使原始状态下的凸起微凸起结构互连。此时生长层103是导电的，电阻较小。在一些实施例中，测得溅射条件：气压0.36Pa，功率120W，时长30s。在一些实施例中，连接层106材料可以是其他金属，例如铂、钯等。在一些实施例中，先形成导电纳米结构，后形成连接层是为了利用金属更好地把碳管固定在微凸起结构上。
步骤510：在生长层上形成与所述连接层电连接的第一电极和第二电极，如图4C所示。在一些实施例中，利用银浆，把铜导线连接到分布有Mo和碳纳米管的生长层103两侧作为电极107，置于70℃烘箱固化3h以上。
步骤511：在连接层、第一电极和第二电极上形成封装层，如图4D所示。在一些实施例中，在电极107及生长层103表面旋涂PDMS，形成封装层108进行封装。在一些实施例中，旋涂条件：转速2000rpm，时间60s，固化2h。
在一些实施例中，步骤511不是必须的。如本领域技术人员所知，也可采用其他方式对器件进行封装。
步骤512：去除牺牲层，如图4E所示。
图4F是根据本发明的一个实施例一种半导体器件的制备方法所制备的半导体拉伸状态图。当该器件未拉伸时，如图4E所示，碳纳米管相互接触，形成导电通路，电流在两个电极107之间传输。当器件进行拉伸时，部分碳纳米管不再接触，部分碳纳米管仍然互相接触，器件整体电导率下降。当器件完全拉伸时，如图4F所示，碳纳米管之间不再接触，或仅有少量接触，但已无法形成导电通路，器件不再导电。由于本申请微凸起结构长程有序的特点，这种拉伸强度大小和电导率的关系是线性的，变化率更稳定。
图6A是根据本发明的一个实施例一种8μm孔径微凸起结构成品图。图中包括多个微凸起结构601，这些结构短程无序，长程有序。使得结构整体分布均匀。另外，如图所示，图中微凸起结构完整，长度一致。图中还包括多个微凸起结构集合而成的结构，这是滤膜孔洞形状造成的，这种结构可以提高微凸起结构机械强度。
图6B是根据本发明的一个实施例一种拉伸传感器成品图。其中包括多个微凸起结构601和多个微凸起结构601之间的碳纳米管602。
本申请所述方法应用于器件制备等工艺中，由于微凸起结构倒塌的多方向性，在一定面积中，各倒塌微凸起结构间呈现出不同的的距离分布，这个特点如应用在拉伸传感器中，可以实现在拉伸过程中，随着不同间距微凸起结构的距离变大，可以呈现出线性拉伸传感器的特点，这样全阈值的拉伸传感器相比于突变式传感器应用范围更广。倒塌的微凸起结构状态相较于竖直微凸起结构状态在平面上提供了更多的接触位点，作为DNA、蛋白质、多肽或多糖等生物传感器使用时，结合碳纳米管作为传感层，提供了更多的附着位点，将有利于生物分子的捕获与识别。
上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。
Claims (18)
1.一种半导体器件的制备方法，包括：
在基板上形成牺牲层；
在牺牲层上形成生长层；
在生长层上设置滤膜层；
部分生长层在毛细作用下进入滤膜层的孔洞中以形成微凸起结构；
固化生长层；
去除滤膜层；
在所述微凸起结构上形成彼此交叠的导电纳米结构；
在所述微凸起结构表面上形成连接层；
在生长层上形成与所述连接层电连接的第一电极和第二电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在牺牲层上形成生长层包括：对生长层微固化处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述导电纳米结构包括：碳纳米管或金属纳米线。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述微凸起结构表面上形成连接层包括：溅射金属，形成连接层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述金属为钼、铂或钯。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在生长层上形成与所述连接层电连接的第一电极和第二电极包括：
利用银浆，把金属导线连接到分布有导电纳米结构的生长层两侧，形成电极。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在连接层、第一电极和第二电极上形成封装层。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在形成所述牺牲层前，进一步包括：基板表面亲水处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述亲水处理包括氧等离子处理。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述牺牲层材料包括葡聚糖或PVA。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生长层材料包括PDMS、Ecoflex、PMMA、SEBS或PUU。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述滤膜层材料为PET、PVDF或PTFE，所述滤膜层孔径为200nm-10μm。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述微凸起结构长度与所述滤膜层设置时间正相关。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述微凸起结构长度与所述生长层固化时间负相关。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述固化生长层包括：放入70℃恒温箱，放置2h。
16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：去除牺牲层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述去除牺牲层包括：
浸入去离子水中，待牺牲层溶解消失。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基板为硅基板、玻璃基板或PEN柔性基板。
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