TWI413177B - 三維形狀微奈米結構之製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種微奈米結構及其製造方法，特別關於一種三維形狀微奈米結構及其製造方法。
微奈米結構在許多方面的應用上，均有相當優異的表面，因此有關微奈米結構之製作的研究也備受重視。目前，在微奈米結構的製作上，常見的技術有化學合成方式、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、雷射剝離法(Laser Ablation)、以及分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy)等，再配合微影製程(Photolithography)，利用光罩來形成圖案化之微奈米結構。
然而，使用光學微影製程時，會提高光罩製作的成本及困難程度。此外，如何在不使用微影製程的情況下製造出具有三維形狀之微奈米結構，以降低成本並擴展微奈米結構之應用性，為業界重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種三維形狀微奈米結構及其製造方法，能夠不需使用微影製程即可製造出三維形狀之微奈米結構，進而降低成本，並增加其應用性。
為達上述目的，依據本發明之一種三維形狀微奈米結構之製造方法係應用於一基板，一第二蝕刻材料層位於基板與一第一蝕刻材料層之間。製造方法包含一轉印步驟，藉由一模仁將一轉印材料層轉印至基板之第一蝕刻材料層；一第一蝕刻步驟，係以基板上之轉印材料層作為遮罩，對第一蝕刻材料層及第二蝕刻材料層進行蝕刻；以及一第二蝕刻步驟，對第一蝕刻材料層及第二蝕刻材料層進行蝕刻，且使第一蝕刻材料層具有一第一蝕刻率，第二蝕刻材料層具有一第二蝕刻率，第一蝕刻率與該第二蝕刻率之比值小於30，而使第一蝕刻材料層完全蝕刻完，而留下已蝕刻之該第二蝕刻材料層。
為達上述目的，依據本發明之一種三維形狀微奈米結構之製造方法係應用於一基板，基板設有至少一第一蝕刻材料層及一第二蝕刻材料層，第二蝕刻材料層位於基板與第一蝕刻材料層之間。製造方法包含一轉印步驟，藉由一模仁將一轉印材料層轉印至基板之第一蝕刻材料層；一第一蝕刻步驟，係以基板上之轉印材料層作為遮罩，對第一蝕刻材料層及第二蝕刻材料層進行蝕刻；以及一第二蝕刻步驟，對第一蝕刻材料層及第二蝕刻材料層進行蝕刻，且使第一蝕刻材料層具有一第一蝕刻率，第二蝕刻材料層具有一第二蝕刻率，第一蝕刻率與第二蝕刻率之比值小於30，而使第一蝕刻材料層及第二蝕刻材料層僅蝕刻部分。
在一實施例中，第一蝕刻材料層與第二蝕刻材料層之晶格排列、或材料不同。藉由相同材質但不同晶格排列、或不同材料之蝕刻材料層，可讓第一蝕刻材料層及第二蝕刻材料層之蝕刻率比值小於30之特性，進而產生出三維形狀微奈米結構。
在一實施例中，第一蝕刻材料層與第二蝕刻材料層之厚度不同。藉由厚度不同之蝕刻材料層，並控制其厚度，可改變並控制微奈米結構之三維形狀有不同的變化。
在一實施例中，第二蝕刻步驟可包含一乾式蝕刻或一溼式蝕刻。於溼式蝕刻中，例如第一蝕刻材料層為聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate),PMMA)，第二蝕刻材料層為紫外光(UV)膠，並藉由丙酮蝕刻、或者第一蝕刻材料層為二氧化矽(SiO2
)，第二蝕刻材料層為氮化矽(Si3
N4
)，並藉由氫氟酸(HF)或BOE(buffered oxide etch)蝕刻、或者第一蝕刻材料層為矽，其晶格排列方向為(100)，第二蝕刻材料層為矽，其晶格排列方向為(111)，並藉由氫氧化鉀蝕刻。於乾式蝕刻中，例如第一蝕刻材料層為PMMA，第二蝕刻材料層為聚亞醯胺(polyimide)，並藉由氧電漿(O2
plasma)蝕刻。上述僅為舉例，並非用以限制本發明，熟悉該項技術領域者，可依據所需結構而調配材料層之材料及對應蝕刻技術。
為達上述目的，依據本發明之一種三維形狀微奈米結構包含一基板以及一第一材料層。第一材料層設置於基板之上，且第一材料層之一頂部具有一弧面。
為達上述目的，依據本發明之一種三維形狀微奈米結構包含一基板、一第一材料層以及一第二材料層。第一材料層設置於基板之上。第二材料層位於基板與第一材料層之間，且第一材料層與第二材料層之至少一部分係共同形成一弧面。
在一實施例中，第一材料層與第二材料層之晶格排列不同，例如相同材質但不同晶格排列、或不同材質且不同晶格排列。
承上所述，本發明之三維形狀微奈米結構及其製造方法，其中，在轉印步驟中，藉由一模仁將一轉印材料層轉印至基板之第一蝕刻材料層，以使轉印材料層作為要來之第一蝕刻步驟之遮罩，來形成圖案化之第一蝕刻材料層及/或第二蝕刻材料層，因此，本發明在不需使用微影製程即可製造出三維形狀之微奈米結構，進而降低成本。此外，藉由在第二蝕刻步驟中，控制第一蝕刻材料層之第一蝕刻率以及第二蝕刻材料層之第二蝕刻率之比值小於30，而能製造出三維形狀之微奈米結構。其中，三維形狀之微奈米結構例如第一蝕刻材料層完全蝕刻完，而留下已蝕刻之第二蝕刻材料層、或者留下僅蝕刻部分之第一蝕刻材料層及第二蝕刻材料層，進而增加微奈米結構之應用性。而所製造出的微奈米結構，可例如包含一基板以及一第一材料層，第一材料層設置於基板之上，且第一材料層之一頂部具有一弧面、或者，包含一基板、一第一材料層以及一第二材料層，第一材料層設置於基板之上，第二材料層位於基板與第一材料層之間，且第一材料層與第二材料層係共同形成一弧面。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種三維形狀微奈米結構及其製造方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
請參照圖1所示，本發明較佳實施例之一種三維形狀微奈米結構之製造方法係包含步驟S01至步驟S03。以下以不同實施例來說明三維形狀微奈米結構之製造方法。
請參照圖2A至圖2E，其係繪示依照本發明之第一實施例之一種三維形狀微奈米結構之製造方法的示意圖。如圖2A所示，本實施例之製造方法係應用於一基板10，基板10設有至少一第一蝕刻材料層11及一第二蝕刻材料層12，第二蝕刻材料層12位於基板10與第一蝕刻材料層11之間。於此，第二蝕刻材料層12係貼合於基板10上，且第一蝕刻材料層11係貼合於第二蝕刻材料層12上，然而這僅為舉例，並非用以限制本發明，在其他實施例中，第二蝕刻材料層12與基板10之間可有其他材料層，第一蝕刻材料層11與第二蝕刻材料層12之間可有其他材料層。
於此不限制基板10、第一蝕刻材料層11及第二蝕刻材料層12之材質。基板10可例如包含矽、高分子聚合物系列材料、有機材料、塑膠材料、半導體材料、金屬材料、石英、玻璃材料、陶瓷材料、無機材料、上述材料中任二者或任二者以上所組成之材料。第一蝕刻材料層11及第二蝕刻材料層12可例如包含金屬材料、半導體材料、陶瓷材料、有機材料、塑膠材料、高分子材料、導電材料、磁性材料、無機材料、或上述材料中任二者或任二者以上所組成之材料。
如圖2B所示，首先進行一轉印步驟(S01)，其係藉由一模仁20將一轉印材料層21轉印至基板10之第一蝕刻材料層11。於此，模仁20之一側具有複數凹部22及複數凸部23，轉印材料層21設置於具有凹部22及凸部23之該側上，並可為一連續之膜層、或僅局部設置於凸部23上、或局部設置於凸部23及凹部22上。轉印材料層21可例如藉由熱蒸鍍、電子束蒸鍍法、化學氣相沉積或物理氣相沉積等方式形成於模仁20上。轉印材料層21之材質可為金屬、氧化物或介電材料，例如可為鉻(Cr)金屬或介電材料二氧化矽(SiO2
)。
模仁20的材料本身可具有抗沾黏特性，以使轉印材料層21順利脫離模仁20之凸部23，例如模仁20包含乙烯-四氟乙烯共聚物(ethylene tetrafluoroethylene，其化學式：-(C2H4-C2F4)-)。或者，如本實施例之圖2B所示，模仁20更設有一抗沾黏層24，其可例如藉由熱蒸鍍(Evaporation)技術設置於模仁20之凹部22及凸部23上，然後轉印材料層21再設置於抗沾黏層24上，同樣地，抗沾黏層24可使轉印材料層21順利脫離模仁20之凸部23並轉印至第一蝕刻材料層11上。抗沾黏層24例如包含有機材料、無機材料、高分子材料、陶瓷材料、金屬材料、鐵弗龍材料、類鑽碳材料、碳氟化合物(Cx
Fy
)經電漿解離後之沉積材料、或上述材料中任二者或任二者以上所組成之材料。
在轉印過程中，係藉由壓印而將模仁20具有轉印材料層21之該側與基板10之第一蝕刻材料層11相對壓合，並使模仁20之凸部23上之轉印材料層21的部分壓合在基板10之第一蝕刻材料層11上並與其互相接觸，而將轉印材料層21轉印至第一蝕刻材料層11上。其中，若第一蝕刻材料層11為液狀，可在轉印後對第一蝕刻材料層11進行烘烤，例如以95℃烘烤5分鐘，以將第一蝕刻材料層11烤乾，待溫度降至室溫後，再將模仁20自第一蝕刻材料層11上移除，此時由於模仁20之凸部23上覆設有抗沾黏層24，而使抗沾黏層24介於模仁20與轉印材料層21之間、或者所採用之模仁20本身具有抗沾黏特徵，因此模仁20之凸部23上的轉印材料層21之部分可順利脫離模仁20而轉印至第一蝕刻材料層11上，而完成轉印步驟。
如圖2C所示，轉印步驟完成後，轉印材料層21的一部分轉移至第一蝕刻材料層11之一部分上，並露出第一蝕刻材料層11之另一部分，使得轉印材料層21可作為接下來第一蝕刻步驟(S02)之遮罩(mask)。
接著，如圖2C及圖2D所示，進行一第一蝕刻步驟(S02)，其係以基板10上之轉印材料層21作為遮罩，對第一蝕刻材料層11及第二蝕刻材料層12進行蝕刻。如圖2D所示，在第一蝕刻步驟之後，未受轉印材料層21覆蓋之第一蝕刻材料層11及第二蝕刻材料層12之部分係被移除；當然，在其他實施例中，未受轉印材料層21覆蓋之第一蝕刻材料層11及第二蝕刻材料層12之部分，可藉由第一蝕刻步驟而形成不同的形狀，即第一蝕刻材料層11及第二蝕刻材料層12不完全蝕刻完。
第一蝕刻步驟可例如包含乾式蝕刻或溼式蝕刻方式，並以位在第一蝕刻材料層11上的轉印材料層21作為蝕刻遮罩，來移除未由轉印材料層21所覆蓋之第一蝕刻材料層11及第二蝕刻材料層12之部分。上述所採用之乾式蝕刻技術可例如為反應性離子蝕刻(RIE)或感應耦合電漿(ICP)離子蝕刻技術。在一些實施例中，利用反應性離子蝕刻或感應耦合電漿離子蝕刻等乾式蝕刻方式進行第一蝕刻材料層11及第二蝕刻材料層(例如聚亞醯胺)12之蝕刻時，可利用氧氣作為主要的反應氣體，例如採用氧氣或特定比例之氧氣與氬氣作為蝕刻之反應氣體。
根據實驗發現，以傳統微影技術來圖案化聚亞醯胺層，是使用光感式光阻材料來作為蝕刻遮罩，由於光阻層在顯影過程中會因吸收了部分的顯影液而產生腫脹現象，因此光阻層的體積會膨脹，因而以此體積膨脹之光阻層作為蝕刻罩幕來進行下方材料層的圖案蝕刻時，會導致所形成之材料層圖案結構的尺寸失真。然而，在本發明之較佳實施例中，由於係以位在第一蝕刻材料層11上的轉印材料層21來作為蝕刻遮罩，而非以光阻層來作為蝕刻遮罩，轉印材料層21未經曝光與顯影過程，而不會因顯影液的影響而導致體積膨脹，因此以轉印材料層21作為蝕刻罩幕，可確保蝕刻後之第一蝕刻材料層11與第二蝕刻材料層12層的圖案結構不失真，而可大幅提高所獲得之第一蝕刻材料層11與第二蝕刻材料層12之圖案結構的精度。
然後，如圖2D及圖2E所示，進行一第二蝕刻步驟(S03)，其係對第一蝕刻材料層11及第二蝕刻材料層12進行蝕刻，且使第一蝕刻材料層11具有一第一蝕刻率，第二蝕刻材料層12具有一第二蝕刻率，第一蝕刻率與第二蝕刻率之比值小於30，而使第一蝕刻材料層11完全蝕刻完，而留下已蝕刻之第二蝕刻材料層12。其中，較佳之蝕刻率之比值係小於30且大於1。
第二蝕刻步驟對形成三維形狀微奈米結構是為一重要步驟，其係藉由使第一蝕刻材料層11之第一蝕刻率與第二蝕刻材料層12之第二蝕刻率不同，且第一蝕刻率與第二蝕刻率之比值介於1與30之範圍而得到三維形狀微奈米結構。在本實施例中，第二蝕刻步驟可包含一乾式蝕刻或一溼式蝕刻，且三維形狀微奈米結構之形狀的控制可透過例如第一蝕刻材料層11及第二蝕刻材料層12的蝕刻率不同、厚度不同、蝕刻時間不同及蝕刻液與蝕刻氣體種類不同而得到。其中蝕刻率不同可例如藉由第一蝕刻材料層11與第二蝕刻材料層12之晶格排列不同、或第一蝕刻材料層11與第二蝕刻材料層12之材料不同而得到。
舉例而言，於溼式蝕刻中，第一蝕刻材料層11為聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate),PMMA)，第二蝕刻材料層12為紫外光(UV)膠，並藉由丙酮蝕刻、或者第一蝕刻材料層11為二氧化矽(SiO2
)，第二蝕刻材料層12為氮化矽(Si3
N4
)，並藉由氫氟酸(HF)或BOE(buffered oxide etch)蝕刻、或者第一蝕刻材料層11與第二蝕刻材料層12之晶格排列不同，例如第一蝕刻材料層11為矽(100)，第二蝕刻材料層12為矽(111)，並藉由氫氧化鉀蝕刻。於乾式蝕刻中，第一蝕刻材料層為PMMA，第二蝕刻材料層為聚亞醯胺(polyimide)，並藉由氧電漿(O2
plasma)蝕刻。上述僅為舉例，並非用以限制本發明，熟悉該項技術領域者，可依據所需結構而調配材料層之材料及對應蝕刻技術。
藉由上述第二蝕刻步驟，可將第一蝕刻材料層11完全移除，並使得轉印材料層21剝離(lift-off)。另外，如圖2F所示，其係為經過本發明第二實施例之三維形狀微奈米結構之製造方法所產生之三維形狀微奈米結構的示意圖，其中，第一蝕刻材料層11並不完全蝕刻完，並留下一部分之第一蝕刻材料層11。當然，若為此態樣，則第二蝕刻步驟可選用第一蝕刻材料層11與轉印材料層21之蝕刻液、或者是在第二蝕刻步驟之後更進行一移除步驟，以將轉印材料層21移除。
請參照圖3及圖4所示，其係分別顯示不同態樣之三維形狀微奈米結構3及4。三維形狀微奈米結構3係包含一基板30以及一第一材料層31。第一材料層31設置於基板30之上，且第一材料層31之一頂部311具有一弧面。三維形狀微奈米結構3可藉由上述第一實施例之製造方法而製成，其中基板30相當於基板10，第一材料層31相當於已蝕刻之第二蝕刻材料層12。
三維形狀微奈米結構4係包含一基板40、一第一材料層41以及一第二材料層42。第一材料層41設置於基板40之上，第二材料層42位於基板40與第一材料層41之間，且第一材料層41與第二材料層42之至少一部分係共同形成一弧面。三維形狀微奈米結構4可藉由上述第二實施例之製造方法而製成，其中基板40相當於基板10，第一材料層41相當於已蝕刻之第一蝕刻材料層11，第二材料層42相當於已蝕刻之第二蝕刻材料層22。第一材料層41與第二材料層42之材質或晶格排列可不同。三維形狀微奈米結構3及4可應用於不同場合及目的。
綜上所述，本發明之三維形狀微奈米結構及其製造方法，其中，在轉印步驟中，藉由一模仁將一轉印材料層轉印至基板之第一蝕刻材料層，以使轉印材料層作為要來之第一蝕刻步驟之遮罩，來形成圖案化之第一蝕刻材料層及/或第二蝕刻材料層，因此，本發明在不需使用微影製程即可製造出三維形狀之微奈米結構，進而降低成本。此外，藉由在第二蝕刻步驟中，控制第一蝕刻材料層之第一蝕刻率以及第二蝕刻材料層之第二蝕刻率之比值小於30且大於1，而能製造出三維形狀之微奈米結構。其中，三維形狀之微奈米結構例如第一蝕刻材料層完全蝕刻完，而留下已蝕刻之第二蝕刻材料層、或者留下僅蝕刻部分之第一蝕刻材料層及第二蝕刻材料層，進而增加微奈米結構之應用性。而所製造出的微奈米結構，可例如包含一基板以及一第一材料層，第一材料層設置於基板之上，且第一材料層之一頂部具有一弧面、或者，包含一基板、一第一材料層以及一第二材料層，第一材料層設置於基板之上，第二材料層位於基板與第一材料層之間，且第一材料層與第二材料層係共同形成一弧面。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
10、30、40．．．基板
11．．．第一蝕刻材料層
12．．．第二蝕刻材料層
20．．．模仁
21．．．轉印材料層
22．．．凹部
23．．．凸部
24．．．抗沾黏層
3、4．．．三維形狀微奈米結構
31、41．．．第一材料層
311．．．頂部
42．．．第二材料層
S01～S03．．．三維形狀微奈米結構之製造方法的步驟
圖1為本發明較佳實施例之一種三維形狀微奈米結構之製造方法的步驟流程圖；
圖2A至圖2E為本發明第一實施例之一種三維形狀微奈米結構之製造方法的示意圖；
圖2F為本發明第二實施例之三維形狀微奈米結構之製造方法所產生之三維形狀微奈米結構的示意圖；以及
圖3及圖4分別為本發明不同態樣之三維形狀微奈米結構的示意圖。
S01～S03．．．三維形狀微奈米結構之製造方法的步驟
Claims (6)
- 一種三維形狀微奈米結構之製造方法係應用於一基板，該基板設有至少一第一蝕刻材料層及一第二蝕刻材料層，該第二蝕刻材料層位於該基板與該第一蝕刻材料層之間，包含：一轉印步驟，藉由一模仁將一轉印材料層轉印至該基板之該第一蝕刻材料層；一第一蝕刻步驟，係以該基板上之該轉印材料層作為遮罩，對該第一蝕刻材料層及該第二蝕刻材料層進行蝕刻；以及一第二蝕刻步驟，對該第一蝕刻材料層及該第二蝕刻材料層進行蝕刻，且使該第一蝕刻材料層具有一第一蝕刻率，該第二蝕刻材料層具有一第二蝕刻率，該第一蝕刻率與該第二蝕刻率之比值小於30，而使該第一蝕刻材料層完全蝕刻完，而留下已蝕刻之該第二蝕刻材料層。
- 一種三維形狀微奈米結構之製造方法係應用於一基板，該基板設有至少一第一蝕刻材料層及一第二蝕刻材料層，該第二蝕刻材料層位於該基板與該第一蝕刻材料層之間，包含：一轉印步驟，藉由一模仁將一轉印材料層轉印至該基板之該第一蝕刻材料層；一第一蝕刻步驟，係以該基板上之該轉印材料層作為遮罩，對該第一蝕刻材料層及該第二蝕刻材料層進 行蝕刻；以及一第二蝕刻步驟，對該第一蝕刻材料層及該第二蝕刻材料層進行蝕刻，且使該第一蝕刻材料層具有一第一蝕刻率，該第二蝕刻材料層具有一第二蝕刻率，該第一蝕刻率與該第二蝕刻率之比值小於30，而使該第一蝕刻材料層及該第二蝕刻材料層僅蝕刻部分。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維形狀微奈米結構之製造方法，其中該第一蝕刻材料層與該第二蝕刻材料層之晶格排列不同。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維形狀微奈米結構之製造方法，其中該第一蝕刻材料層與該第二蝕刻材料層之材料不同。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維形狀微奈米結構之製造方法，其中該第一蝕刻材料層與該第二蝕刻材料層之厚度不同。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之三維形狀微奈米結構之製造方法，其中該第二蝕刻步驟包含一乾式蝕刻或一溼式蝕刻。
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