一种微纳弯曲结构的制备方法与流程

本发明涉及微纳米技术领域，特别是涉及一种微纳弯曲结构的制备方法。

背景技术：

随着电子器件以及光学器件的发展，三维弯曲结构已经越来越多的用到我们使用的器件中。例如在光学超材料中，二维的或者平面的光学超材料由于很难与光的磁场分量产生耦合，所以在许多情况下无法发挥光学超材料的调控优势，而三维的光学超材料对于光的入射则可以对其磁场分量产生响应。如果要得到超材料对光的磁分量的响应，三维超材料是一个很好的途径。在制作电子器件时，三维的电子器件具有较小的体积，故而可以获得更高的集成度，同时相比于二维的电子器件也能够产生更强大的功能。此外三维的电子器件可以更方便的进行主动调控，以产生更复杂的功能。在未来的电路发展中，三维电子器件，具有很大的应用潜力。

通常三维结构是通过干法刻蚀或者湿法腐蚀，以及人工折叠的的加工方法获得的。这些途径虽然可以形成三维的结构，但是这些方法存在一些问题，比如说通常的干法或者湿法腐蚀工艺对基底具有较高的要求，并且对材料具有选择性，且不可以灵活的加工需要的结构，且结构的空间取向差等。而人工折叠的方式则很难达到微米和纳米量级的三维结构加工，同时需要很高的时间及费用成本。而随着微纳米量级三维结构需求的不断扩大，以上途径已经不能满足现在科研与加工的需求。开发一种灵活的、可控性强的三维加工手段，对于新型三维微纳结构及器件的设计、加工与应用具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的一个目的是针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种微纳弯曲结构的新的加工制备方法，可以突破折叠加工等三维加工方法在大面积与百纳米结构尺度的加工以及其结构空间灵活性上的限制，以获得灵活的、可控性强的三维加工手段。

特别地，本发明提供了一种微纳弯曲结构的制备方法，包括以下步骤：

s1、在基底上制备悬空材料；

s2、在所述悬空材料上旋涂光刻胶，并通过曝光所述光刻胶以制备预定图形；

s3、通过刻蚀将所述预定图形转移至所述悬空材料上；

s4、去胶处理，并在所述悬空材料上进行材料沉积，以获得所述悬空材料和沉积材料的双层悬空膜结构；

s5、将所述双层悬空膜结构进行离子束诱导变形，得到微纳弯曲结构。

可选地，s1中所述悬空材料为通过薄膜转移得到的金属薄膜、介质薄膜、二维材料中的一种，或者是氮化硅薄膜窗口、二氧化硅薄膜窗口、多孔硅薄膜等窗口中的一种。

可选地，s2中所述预定图形为单次曝光的图形，或者通过套刻得到的多层图形。

可选地，s3中所述刻蚀为采用干法刻蚀技术或物理化学刻蚀。

可选地，s4中所述沉积材料包括金属材料、介质材料或半导体材料；

可选地，所述金属材料包括金、银、铬；所述介质材料包括ITO、氧化铝，所述半导体材料包括氧化锌、氮化镓。

可选地，s4中所述沉积材料通过物理沉积方法或化学气相沉积方法进行沉积。

可选地，s4中所述去胶处理采用去胶液进行去胶，或者采用刻蚀的方法进行去胶。

可选地，s5中所述的离子束是离子铣方法产生的离子束，或者是聚焦离子束系统所产生的离子束，或者是反应离子刻蚀形成的等离子体环境。

可选地，制备的所述微纳弯曲结构的形状、大小和面积可以调控。

可选地，通过控制双层悬空膜结构的厚度或/及控制曝光图形和离子束辐照剂量实现对所述微纳弯曲结构的形状、大小和面积进行调控。

本发明提供的一种微纳弯曲结构的制备方法，其加工机制是通过在悬空双层薄膜表面进行离子辐照，从而引入应力变化使其发生弯曲，进而通过辐照能量的变化控制二维薄膜的弯曲程度。通过在大面积图案上进行离子辐照，曝光区域就可以形成微纳米量级的三维弯曲结构，可以通过控制离子辐照剂量以及二维曝光图形精确控制三维弯曲结构的区域、周期与半径，还可以利用预先设计好的二维图案得到复杂的三维卷曲结构。这种基于二维薄膜及图形的弯曲加工方法，可以突破折叠加工等三维加工方法在大面积与百纳米结构尺度的加工以及其结构空间灵活性上的限制，是一种非常灵活和可控性强的三维加工手段，对于新型三维微纳结构及器件的设计、加工与应用具有重要意义。

本发明提供的一种微纳弯曲结构的制备方法，至少存在以下技术优势：

1)本发明通过离子束辐照二维悬空图案形成三维弯曲结构，加工机制与形成原理清晰，其制备面积大，曝光图形可设计，可跨尺度制备(从微米到纳米)，通过控制离子辐照剂量可以精确控制弯曲结构的半径；

2)本发明通过曝光图形的形状设计控制三维结构的成型，可实现各种复杂三维结构的加工，如开口谐振环结构、微容器结构及其它仿生结构等，具有较高的结构灵活性和可控性；

3)本发明所采用的工艺简单、高效、成本低廉而且对材料具有很好的普适性，形成结构与器件涉及领域广且应用潜力巨大。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的一种微纳弯曲结构的制备方法的制作过程示意图；

图2是根据本发明一个实施例的一种微纳弯曲结构的制备方法的流程示意图；

图3是根据本发明一个实施例制备的微纳弯曲结构的图案照片；

图4是根据本发明另一个实施例制备的微纳弯曲结构的图案照片。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的一种微纳弯曲结构的制备方法的制作过程示意图。图2是根据本发明一个实施例的一种微纳弯曲结构的制备方法的流程示意图。如图1和图2所示，本发明提供的一种微纳弯曲结构的制备方法，通过在悬空双层薄膜表面进行离子辐照，从而引入应力变化使其发生弯曲，进而通过辐照能量的变化控制二维薄膜的弯曲程度，具体包括以下步骤：

s1、在基底2上制备悬空材料1；

s2、在悬空材料1上旋涂光刻胶3，并通过曝光光刻胶3以制备预定图形4；

s3、通过刻蚀将预定图形4转移至悬空材料1上，在悬空材料1上得到被刻蚀的图形5；

s4、去胶处理，并在悬空材料1上进行材料沉积，以获得悬空材料1/沉积材料6的双层悬空膜结构；

s5、将双层悬空膜结构进行离子束辐照变形，得到微纳弯曲结构7。

具体地，在步骤s1中，悬空材料1可以是通过转移方法得到的金属薄膜、介质薄膜、二维材料等。例如利用本领域技术人员所熟知的转移方法将金属薄膜、介质薄膜、二维材料等薄膜材料转移到具有窗口的基底2上，使得金属薄膜、介质薄膜、二维材料等薄膜材料悬浮在基底2的窗口上。悬空材料1也可以是购买或通过腐蚀、刻蚀技术获得的氮化硅薄膜窗口、二氧化硅薄膜窗口、多孔硅薄膜窗口等。悬空材料1的薄膜厚度可以是从10纳米到几百纳米之间。

在步骤s2中，光刻胶3可以是现有技术中常见的各种光刻胶。例如电子束光刻胶的正胶如PMMA等，或者负胶如HSQ等；也可以是紫外光刻胶的正胶如AZ等，或者负胶如SU8等；也可以是其它曝光方法的光刻胶。预定图形4可以是单次曝光的图形，也可以是通过套刻得到的复杂的多层图形。

在步骤s3中，刻蚀为采用干法刻蚀技术或物理化学刻蚀。例如，干法刻蚀技术中的离子铣刻蚀，物理化学刻蚀中的反应离子刻蚀、电感耦合等离子反应离子刻蚀等。

在步骤s4中去胶处理，可以是利用去胶液进行去胶的方法，包括PMMA的去胶液丙酮，或者ZEP的去胶液N,N-二甲基乙酰胺等；也可以是利用刻蚀的方法进行去胶，包括去胶机或者反应离子刻蚀等。沉积材料6可以是包括金属材料如金、银、铬等，或者介质材料如ITO、氧化铝等，或者半导体材料如氧化锌、氮化镓等。沉积材料6采用的材料沉积方法包括各种物理和化学沉积方法，如热蒸发沉积、电子束蒸发沉积、磁控溅射沉积、脉冲激光沉积、离子束溅射沉积等工艺方法和化学气相沉积方法。沉积材料6也可以是通过本领域的技术人员所熟知的其他方法制备在悬空材料1上的，例如通过溶液镀膜、电镀、LB膜技术或者其他的晶体生长方法。沉积材料6的薄膜厚度可以是从10纳米到几百纳米均可。

在步骤s5中，所述的离子束是离子铣方法产生的离子束，或者是聚焦离子束系统所产生的离子束，或者是反应离子刻蚀形成的等离子体环境。

本发明提供的制备方法制备的微纳弯曲结构的形状、大小和面积可以调控。具体地，可以通过控制双层悬空膜结构的厚度或/及控制曝光图形和离子束辐照剂量实现对所述微纳弯曲结构的形状、大小和面积进行调控。利用离子束的辐照作用，使双层悬空膜结构进行卷曲变形，形成三维立体的微纳弯曲结构。离子束的辐照方式为对双层悬空膜结构进行辐照，从而使得双层悬空膜结构形成卷曲或变形的微纳弯曲结构7。采用不同的离子束辐照参数，也可控制双层悬空膜结构每一次的弯曲程度。离子束辐照参数包括：离子束的能量、剂量、束流以及离子束入射角。离子束入射角是入射离子束与双层悬空膜结构所在平面的夹角。

利用本发明提供的制备方法，通过离子束辐照二维悬空图案形成三维弯曲结构，加工机制与形成原理清晰，其制备面积大，曝光图形可设计，可跨尺度制备(从微米到纳米)，通过控制离子辐照剂量可以精确控制弯曲结构的半径。例如，其制备的微纳弯曲结构的特征尺度可以从200纳米到200微米进行大范围调控。

下面结合具体的实施例进行详细说明。

实施例一

步骤1：购买商业的20纳米二氧化硅窗口并在氧等离子体下清洗20秒；

步骤2：在购买的硅衬底上旋涂电子束光刻胶PMMA，转速4000r/min，然后置于180℃热板上烘烤1min；

步骤3：利用电子束曝光工艺在步骤2得到的样品上曝光，曝光的图案设置为条带型图案的反图形，利用PMMA的显影液进行显影，并利用反应离子刻蚀去掉未被掩膜的二氧化硅图形；

步骤4：将步骤3得到的样品利用氧等离子体刻蚀去掉光刻胶PMMA，利用热蒸发工艺沉积金40纳米；

步骤5：将步骤4得到的样品置于反应离子刻蚀产生的离子束下，利用氧等离子体处理样品即可得到三维弯曲结构。

本实施例所得到的三维弯曲结构的图案如图3所示。

实施例二

步骤1：在涂有牺牲层的清洁的硅片上利用电子束沉积的方法沉积100纳米Au，在丙酮的环境中将金薄膜转移到TEM用铜网上，得到悬空的金窗口；

步骤2：在转移得到的金窗口上旋涂紫外光刻胶S1813，转速3000r/min，然后置于115℃热板上烘烤1min；

步骤3：利用电子束曝光工艺在步骤2得到的样品上曝光，曝光的图案设置为“T”型图案的反图形，利用S1813的显影液进行显影，并利用离子铣去掉未被掩膜的金图形；

步骤4：将步骤3得到的样品利用丙酮去掉光刻胶S1813；利用脉冲激光沉积工艺沉积TiO2 40纳米；

步骤5：将步骤4得到的样品置于离子铣下，利用氩等离子体辐照样品即可得到三维弯曲结构。

实施例三

步骤1：购买商业的50纳米氮化硅窗口并在氧等离子体下清洗20秒；

步骤2：在购买的硅衬底上旋涂电子束光刻胶ZEP胶，转速4000r/min，然后置于180℃热板上烘烤1min；

步骤3：利用电子束曝光工艺在步骤2得到的样品上曝光，曝光的图案设置为十字型图案的反图形，利用ZEP的显影液进行显影，并利用反应离子刻蚀去掉未被掩膜的氮化硅图形；

步骤4：将步骤3得到的样品利用ZEP的去胶液N,N-二甲基乙酰胺，去除光刻胶ZEP，利用热蒸发工艺沉积银60纳米；

步骤5：将步骤4得到的样品置于聚焦离子束产生的离子束下，利用30kV高压，辐照样品即可得到复杂的三维弯曲结构。

本实施例所得到的三维弯曲结构的图案如图4所示。

本发明提供的一种微纳弯曲结构的制备方法，其步骤s2中的预定图形4可以是根据实际需要设计的任意图形，并不仅仅限于实施例中所提到的条带型图案的反图形、“T”型图案的反图形、十字型图案的反图形等。因此，其通过离子束的辐照变形，可以是利用预先设计好的二维图案得到复杂的三维卷曲结构，例如可以得到开口谐振环结构、微容器及其它仿生结构等，具有较高的结构灵活性和可控性。

本发明提供的一种微纳弯曲结构的制备方法，其加工机制是通过在悬空双层薄膜表面进行离子辐照，从而引入应力变化使其发生弯曲，进而通过辐照能量及离子束剂量的变化控制二维薄膜的弯曲程度。通过在大面积图案上进行离子辐照，曝光区域就可以形成微纳米量级的三维弯曲结构，可以通过控制离子辐照剂量以及二维曝光图形精确控制三维弯曲结构的区域、周期与半径，还可以利用预先设计好的二维图案得到复杂的三维卷曲结构。这种基于二维薄膜及图形的弯曲加工方法，可以突破折叠加工等三维加工方法在大面积与百纳米结构尺度的加工以及其结构空间灵活性上的限制，是一种非常灵活和可控性强的三维加工手段，对于新型三维微纳结构及器件的设计、加工与应用具有重要意义。

本发明提供的一种微纳弯曲结构的制备方法，所采用的工艺简单、高效、成本低廉而且对材料具有很好的普适性，形成结构与器件涉及领域广且应用潜力巨大。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。