一种制备微纳结构的方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备微纳结构的方法，包括以下步骤：1）首先，选择一种基板，基板溶于刻蚀溶液；2）在基板上沉积一层膜层，膜层不溶于刻蚀溶液；3）在膜层上沉积一层牺牲层，牺牲层溶于刻蚀溶液；4）根据要制备结构，重复步骤2）和步骤3）；5）将步骤4）沉积所得层结构和基板一起固定在基底上，基底不溶于刻蚀溶液；6）将步骤5）所得样品放入刻蚀溶液中，将基板和牺牲层刻蚀掉，得到膜层与基底形成的微纳结构。通过简单的操作步骤，就可以制备出尺寸精度高、表面光洁度好、深度比大、一致性好和侧壁陡的结构；且加工出的结构最小特征尺寸范围大，可以从光学加工的纳米数量级到机械加工的米数量级，适用范围广。
【专利说明】一种制备微纳结构的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料成型【技术领域】，尤其是涉及一种制备微纳结构的方法。
【背景技术】
[0002]目前，制造电子产品和机械设备所需的零件品种规格很多，使用的材料也十分复杂和多样，采用的加工方法也各种各样。
[0003]如对特征尺度20um以上的大多数零件可以采用的加工手段有:车、铣、刨、磨、冲
压、冷挤压及绕制等。
[0004]随着现代科学技术的发展，比如随着微波器件工作频率的增加，要求器件的尺寸越来越小；随着半导体技术的发展，器件集成度越来越高，除了要求加工出器件的特征尺寸越来越小外，而且对结构的一致性要求也高。
[0005]为了解决这个问题，出现了一些特殊的加工手段，比如电火花加工、光刻、超声加工和激光加工等。但是这些加工手段都有自己的使用范围，比如电火花加工受限于电极丝，加工出的最小尺寸在0.04mm-0.2mm之间；光刻工艺单次加工出器件的特征尺寸在几微米以下，对结构深宽比要求高的结构很难一次成型，而多次加工又受限于对准水平，工艺复杂，误差大；超声加工主要适用于对硬脆材料的加工，且其加工出的结构尺寸误差太大，往往I微米以上，很难在半导体行业推广。尽管激光加工可以对所有材料进行打孔和切割，但利用该手段加工时，激光切除边缘部位的材料由于受到热作用，本身的物理化学性质也发生了改变，进而会影响加工出结构的性能，同时，该技术受限于激光束的能量、波长和光学最小分辨率，目前，报道的利用激光加工制造的最小结构尺寸在0.2um以上，对于更小特征尺寸的结构很难实现。
【发明内容】
[0006]针对现有技术不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种制备微纳结构的方法，其可以很方便的制备出微纳规格尺寸的结构。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为:一种制备微纳结构的方法，包括以下步骤:
[0008]I)首先，选择一种基板，基板溶于刻蚀溶液；
[0009]2)在基板上沉积一层膜层，膜层不溶于刻蚀溶液；
[0010]3)在膜层上沉积一层牺牲层，牺牲层溶于刻蚀溶液；
[0011]4)根据要制备结构，重复步骤2)和步骤3)；
[0012]5)将步骤4)沉积所得层结构和基板一起绑定在基底上，基底不溶于刻蚀溶液；
[0013]6)将步骤5)所得样品放入刻蚀溶液中，将基板和牺牲层刻蚀掉，得到膜层与基底形成的微纳结构。
[0014]进一步的，所述膜层和牺牲层可分别采用磁控溅射或电子束蒸发或热蒸发或脉冲激光或分子束外延进行沉积。[0015]所述膜层和牺牲层的厚度通过控制沉积速率和沉积时间进行控制。
[0016]所述刻蚀溶液为酸性溶液时，膜层材料可为Cu或Ag或Pt或Au，牺牲层材料可为Mg或Al或Zn或Fe或Sn或Pb。
[0017]所述基板和层结构通过焊接或粘结固定在基底上，所用的焊接或粘结剂不溶于刻蚀溶液。
[0018]将步骤5)所得结构通过机械加工出所要制备结构的规格尺寸。
[0019]所述基板和膜层所采用的材料相同。
[0020]在步骤6)后将所得的微纳结构进行清洗和晾干处理。
[0021]所述机械加工采用线切割。
[0022]所述晾干处理采用真空烘干。
[0023]本发明与现有技术相比，具有以下优点:采用薄膜技术和化学刻蚀工艺相结合的方法，通过简单的操作步骤，就可以制备出尺寸精度高、表面光洁度好、深度比大、侧壁陡和一致性好的结构；且加工出的结构最小特征尺寸范围大，可以从光学加工的纳米数量级到机械加工的米数量级，适用范围广。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明:
[0025]图1为本发明待制造结构示意图。
[0026]图2为本发明基板A示意图。
[0027]图3为本发明基板A上沉积膜层B示意图。
[0028]图4为本发明膜层B表面沉积牺牲层C示意图。
[0029]图5为本发明依次沉积B、C膜层结构示意图。
[0030]图6为本发明膜层结构固定到基底D上示意图。
[0031]图7为本发明切割过的膜层结构示意图。
[0032]图8为本发明经过化学反应刻蚀后形成的结构示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0034]如图1至图8所示，为了更好的实现本发明，现对本发明的具体步骤对照附图进行详细描述，具体为:
[0035]步骤一:首先选择一种基板A，基板A溶于刻蚀溶液。其基板的表面易于抛光和清洗，从而获得光滑和平整度高的表面，基板表面的粗糙度小于最终样品所需结构侧边的粗糙度；基板的长度L0、宽度WO大于待制备结构的高度H和宽度W，即LO > H、WO > W，并保证基板具有一定厚度Z0，确保其强度。
[0036]步骤二:利用薄膜沉积技术，如采用磁控溅射或电子束蒸发或热蒸发或脉冲激光或分子束外延进行沉积，在基板A上沉积一层金属的膜层B，膜层不溶于刻蚀溶液。通过控制沉积速率、沉积时间等参数来精确控制膜层的厚度，其厚度可以精确控制到几纳米数量级。[0037]将膜层的厚度控制在Z1，使Zl等于待制备结构光栅厚度dl ;如刻蚀溶液为酸性溶液时，膜层材料可为Cu或Ag或Pt或Au等。
[0038]步骤三:可利用和步骤二一样的沉积方法，在步骤二制备的膜层表面上沉积一层牺牲层C，牺牲层C溶于刻蚀溶液；如刻蚀溶液为酸性溶液时，牺牲层材料可为Mg或Al或Zn或Fe或Sn或Pb等。
[0039]牺牲层的厚度Kl要等于待制结构中两个膜层侧壁之间空隙距离LI。
[0040]步骤四:根据要制备结构的尺寸特征，多次重复步骤二和步骤三。其中，Z2、Z3、Z4依次为沉积膜层各层的厚度，K2、K3、K4依次为沉积牺牲层各层的厚度，实现Z2=d2、K2=L2 ；Z3=d3、K3=L3 ;Z4=d4、K4=L4等，直到最后的膜层尺寸和结构特征符合待制造结构尺寸要求。
[0041]步骤五:把步骤四沉积完成的层结构和基板一起焊接或粘结在一块基底D上，基底不溶于刻蚀溶液。所用的焊接或粘结剂也不溶于刻蚀溶液；绑定后，膜层要垂直于基底。
[0042]步骤六:利用机械加工的方法，如车、削、切或电火花切割等技术手段，把步骤五制备的结构加工出厚度和宽度符合最终要求的尺寸。严格要求膜层和基板的宽度wo=w，膜层高度H和基板的长度LO尺寸相同。
[0043]步骤七:采用湿法化学反应离子刻蚀加工膜层结构，把步骤六加工好的结构放入刻蚀溶液中，将基板和牺牲层刻蚀掉，得到膜层与基底形成的微纳结构。
[0044]如果基板和牺牲层所采用的材料相同，在湿法刻蚀去除牺牲层时，基板也会被一起刻蚀掉，操作简单。如果基板和牺牲层所采用材料不同，但其也溶于刻蚀溶液，在湿法刻蚀去除牺牲层时，基板同样能被刻蚀掉。如果基板和牺牲层材料不同，且基板不能溶于去除牺牲层的刻蚀溶液时，可以选择一种新的溶液刻蚀该基板，但要保证该新溶液不能与膜层、焊接或粘结剂，以及基底反应，以免破坏已经成型的结构，也可以采用机械加工的手段去除掉基底。
[0045]由于溶液浓度、溶液温度对化学反应刻蚀速率的影响比较大，另外，不同的材料对同一种浓度的相同溶液抗刻蚀性也不同，因此，对牺牲层的刻蚀速率也不同。为了彻底去除牺牲层，在刻蚀溶液中要保证足够的刻蚀时间。
[0046]步骤八:清洗步骤七制备的结构表面上残留的化学药品和金属屑。如利用超声清洗设备在清水、酒精、去离子水等环境中去除结构表面残留的化学物质和金属削等，并晾干保存。
[0047]为了去除微结构表面上残留的酸性化学药品，可以使用适当的碱性溶液，但要保证该溶液不与膜层反应，同时也不能与焊接材料或粘结剂反应。
[0048]晾干过程可以采用真空烘干的手段，避免该过程中样品表面被氧化，影响最终器件的性能。
[0049]下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0050]以Al作为牺牲层，使用酸性溶液(HCl)作为刻蚀溶液，制备无氧Cu材料的梳形光栅结构。
[0051]I)以一块长L1、宽Wl和厚hi分别为10mm、5mm和Imm的Fe为基板，该基板上表
面经过抛光、去污处理，其表面粗糙度小于最终要求制备的无氧铜结构的平整度和洁净度要求。[0052]2)以该Fe为基板，采用磁控溅射工艺在其上表面沉积一层Cu膜层，通过调整沉积时间和沉积速率来控制膜层的厚度h2，膜层的厚度可以通过晶振法或其他光学手段实时实时监测，最终制备的膜层厚度h2为0.3mm。
[0053]3)利用薄膜工艺制备牺牲层，也采用磁控溅射进行沉积，通过控制沉积速率和沉积时间在上述无氧Cu膜层表面上沉积一层Al材料，且Al的厚度h3要精确，等于待制备结构中相邻Cu片之间的距离0.4mm。
[0054]4)重复步骤2)和步骤3)的操作，使结构层数和厚度都符合最终制备样品要求。
[0055]如沉积五层Cu膜层和四层Al牺牲层，如图6所示。
[0056]5)把步骤4)所得的结构旋转，使每一层所在的平面都垂直于一片基底平板，其基底也可采用Cu板。并使用焊接技术，将步骤4)所得的结构焊接到基底上。为了使焊接时的焊料不溶于酸性材料，可以使用纯银基、Cu基、钯基、金基焊料等不溶于酸性溶液的材料。
[0057]6)使线切割、并配合磨削等技术手段，把步骤5)获得的结构切割成最总样品所需要的尺度。
[0058]要求此时Fe基板和Cu、Al膜板的宽度W和高度H都等于最终要制作结构的尺寸要求，其中高度是不包含焊料的厚度，比如，此时宽度W为5mm，高度H为7mm。
[0059]7)把该结构放入酸性溶液中，如百分比浓度为20%的HCl溶液中，经过一定时间的化学反应离子刻蚀，将Al层被完全刻蚀掉，Fe基板在该过程中也被刻蚀掉。
[0060]8)去掉步骤七得到的结构表面残留的HCl和金属残留物。把该结构放入清水中冲洗一遍，然后依次用酒精、去离子水在超声清洗设备中进行清洗，清洗次数大于I遍，清洗时间大于30s。
[0061]9)把清洗完的机构放入自然状态或干燥的烘箱下烘干，最好真空烘干。烘干的温度小于60度，以免发生氧化，然后就得到了具有垂直边缘的Cu微纳结构。
[0062]上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种制备微纳结构的方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)首先，选择一种基板(A)，基板(A)溶于刻蚀溶液； 2)在基板(A)上沉积一层膜层(B)，膜层(B)不溶于刻蚀溶液； 3)在膜层(B)上沉积一层牺牲层(C)，牺牲层(C)溶于刻蚀溶液； 4)根据要制备结构，重复步骤2)和步骤3)； 5)将步骤4)沉积所得层结构和基板(A)—起绑定在基底(D)上，基底(D)不溶于刻蚀溶液； 6)将步骤5)所得样品放入刻蚀溶液中，将基板(A)和牺牲层(C)刻蚀掉，得到膜层(B)与基底(D)形成的微纳结构。
2.如权利要求1所述制备微纳结构的方法，其特征在于:所述膜层(B)和牺牲层(C)可分别采用磁控溅射或电子束蒸发或热蒸发或脉冲激光或分子束外延进行沉积。
3.如权利要求1所述制备微纳结构的方法，其特征在于:所述膜层(B)和牺牲层(C)的厚度通过控制沉积速率和沉积时间进行控制。
4.如权利要求1所述制备微纳结构的方法，其特征在于:所述刻蚀溶液为酸性溶液时，膜层(B)材料可为Cu或Ag或Pt或Au，牺牲层(C)材料可为Mg或Al或Zn或Fe或Sn或Pb。
5.如权利要求1所述制备微纳结构的方法，其特征在于:所述基板(A)和层结构通过焊接或粘结固定在基底(D)上，所用的焊接或粘结剂不溶于刻蚀溶液。
6.如权利要求1所述制备微纳结构的方法，其特征在于:将步骤5)所得结构通过机械加工出所要制备结构的规格尺寸。
7.如权利要求1所述制备微纳结构的方法，其特征在于:所述基板(A)和膜层(B)所采用的材料相同。
8.如权利要求1所述制备微纳结构的方法，其特征在于:在步骤6)后将所得的微纳结构进行清洗和晾干处理。
9.如权利要求6所述制备微纳结构的方法，其特征在于:所述机械加工采用线切割。
10.如权利要求8所述制备微纳结构的方法，其特征在于:所述晾干处理采用真空烘干。
【文档编号】B81C1/00GK103641062SQ201310694352
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】吴华夏, 席洪柱, 温旭杰, 张建成, 余锋, 余正红 申请人:安徽华东光电技术研究所