专利名称：一种去除微纳结构中溶剂的方法
技术领域：
本发明涉及微纳加工中的溶剂去除工艺，特别是涉及大高宽比微纳结构的溶剂去 除工艺。
背景技术：
微纳加工主要可分为干法和湿法两大类工艺。湿法工艺完成微纳结构加工后，需 要将微纳结构中的溶剂去除，以便获得需要的微纳结构，并进行下一步工艺。所以，在湿法 工艺中不可避免的存在溶剂去除问题。微纳加工中最常用的显影工艺和漂洗工艺都包含着 去除微纳结构中溶剂的工艺过程。随着微纳加工技术的发展，人们发现很多微纳器件的优良性能来自于结构的大高 宽比，大高宽比微纳结构的研究日益受到重视。具有大高宽比微纳米结构的惯性器件、特种 半导体器件、光学器件以及高能诊断器件在很多领域有着广泛的应用，优良的器件性能使 其具有广阔的应用前景。大高宽比微纳结构赋予了器件优良的性能，但同时也带来了不少 微纳加工问题，溶剂去除工艺就是其中之一。大高宽比微纳结构的溶剂去除问题来自于溶剂的表面张力。显影和漂洗工艺中， 当样品完成显影和漂洗后，从溶剂中取出时需要将样品上的溶剂去除，微纳结构之间的溶 剂带来的表面张力就会施加在微纳结构上。微纳结构所受的液体的表面张力与微纳结构的 高宽比的 3 次方成正比(J. Micromech. Microeng. , 15, 2005,p978-983,K D Vora,et al.)， 随着微纳结构的高宽比逐渐增大，其所受的表面张力也逐渐增大，当其所受张力超过材料 本身的机械强度时，微纳结构就会发生形变、断裂甚至脱落的现象。所以，在大高宽比微纳 结构的溶剂去除工艺中，微纳结构极容易发生倒塌，通常在微纳结构溶剂去除工艺中被忽 略的溶剂的表面张力给大高宽比微纳结构带来了严重的问题，迫切需要解决。到目前为止，主要有两种方法可以改善溶剂去除过程中溶剂的表面张力给微纳结 构带来的影响。一种方法是减小或去除作用在微纳结构上的表面张力。通过冷冻干燥、超 临界干燥的方法(J. Vac. Sci. Technol.，B18 (6)，2000, p3308_3312，Hideo Namatsu)，首先 将溶剂冷冻成固体，然后将其直接转化成气态挥发掉。由于工艺过程中没有液态相出现，也 就避免了表面张力带来的影响。但是，由于适用这种工艺的溶剂很少，同时工艺过程也会 对微纳结构产生影响，加上工艺本身也比较复杂，需要特定的设备，所以这种方法的应用有 很多限制，显影和漂洗工艺中很少能使用。另一种方法是通过增强微纳结构的机械强度来 抵抗溶剂的表面张力，防止微纳结构发生形变或倒塌。使用机械性能非常好的材料(Adv. Mater.，15 (14)，2003，pll80_1184，Mark. P. Stoykovich，et al.)或者在微纳结构中加入加 强筋结构(J. Micromech. Microeng.，15，2005，p978-983，K D Vora, et al.)都可以有效地 提高微纳结构的机械强度，改善溶剂去除工艺中溶剂的表面张力带来的影响。但是，这类既 有很好的机械性能又有很好的感光性能、同时又适应微纳加工工艺的材料目前还在研究探 索中，可以选用的材料很少；而在微纳结构中加入加强筋结构的方法通常都会降低器件的 性能，在很多功能性结构中不能使用，所以也很少应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种去除微纳结构中溶剂的方法，以 解决微纳结构的溶剂去除工艺中出现的结构易变形、倒塌的问题，获得所需的微纳结构。本发明的实现步骤如下一种去除微纳结构中溶剂的方法，步骤如下(1)在基片上制作微纳结构，首先利用旋涂工艺在基片上涂上的光刻胶，然后采用光刻工艺在基片上得到所需 高度的光刻胶结构；也可利用刻蚀工艺将光刻胶结构再转移到基片上，获得所需高度的基 片材料微纳结构；(2)将完成漂洗的样品从漂洗溶剂中取出，样品上有微纳结构的面朝上，然后将基 片放在样品上，使得基片上的结构盖住样品上的微纳结构；或相反将基片有微纳结构的面 朝上，然后将样品放在基片，使得基片材料上的微纳结构盖住样品上的微纳结构；(3)溶剂挥发完后，将基片移开，完成辅助去除溶剂工艺，获得所需的微纳结构。本发明的原理如图1所示，在样品的大高宽比微纳结构上添加一个基片，为大高 宽比微纳结构的上表面提供一个机械支撑，限制其运动，增强其抵抗溶剂表面张力的能力， 从而改善溶剂去除工艺中溶剂的表面张力给微纳结构带来的影响。在大高宽比微纳结构上 添加基片可能会造成某些结构被完全封闭起来，使得被包围在其中的溶剂无法挥发，不能 完成溶剂去除过程。所以，在基片上制作上微纳结构，并在放置时使得这些结构跨过那些封 闭的图形，这样就可以将其中的溶剂带走，实现溶剂去除。当然，如果大高宽比微纳结构不 会形成封闭图形，基片上就不需要制作微纳结构，只需要一个面可以提供支撑就行了。步骤(1)中，制作工艺的选择应根据光刻胶的性质来决定。如果光刻胶与基片有 很好的黏附性，在后续辅助溶剂去除工艺中不会被破坏，就可以选择光刻胶结构作为基片 上的最终结构；如果光刻胶结构在后续辅助溶剂去除工艺中会被破坏，就应该选择利用刻 蚀工艺将光刻胶结构再转移到基片上，基片材料的微纳结构为最终结构。基片材料、光刻胶种类应该根据溶剂去除工艺中的漂洗溶剂的性质来决定。因为 基片或光刻胶是为了将溶剂从样品的微纳结构中引导出去，所以它必须要能与溶剂浸润， 接触角要小于90°，以便利用毛细作用将溶剂导出。当然，也可以利用表面工艺对基片或 光刻胶进行表面改性，使其与溶剂的接触角更小，更有利于溶剂的导出。通常基片材料为石 英、硅和金属。光刻胶可以是紫外或电子束光刻胶，考虑到工艺的实用性，通常选用商用的 紫外光刻胶。溶剂为上一步湿法工艺中所使用的溶剂，种类很多，其中使用较多的是水和醇 类。基片上的结构应根据样品上的微纳结构来选择，要保证其能给样品的微纳结构提 供机械支撑，同时又能将微纳结构间的溶剂引导出来。为了使用于辅助去除溶剂的基片有 较广的适用性，基片上通常选用周期性结构(如光栅)，周期一般从500纳米到20微米；为 了能将溶剂导出，基片上结构应该是凸结构，高度从100纳米到10微米，面积要能完全将样 品上微纳结构覆盖。基片上微纳结构的制作工艺参数旋涂速度和时间、光刻胶厚度、刻蚀参数和刻蚀 时间等根据光刻胶和刻蚀机的工艺说明书来选择。工艺中通常的旋涂速度为1000转/分钟至4000转/分钟，旋涂时间为20秒至40秒，光刻胶的厚度为0. 3微米到10微米。通常的离子束刻蚀的参数真空IX 10-2-2 X10_2Pa，离子束流为40_200mA，刻蚀 时间5-50分钟。步骤(2)中，用基片上结构覆盖样品上结构时，应该通过调整基片或样品的位置， 使得基片上微纳结构完全覆盖样品上微纳结构，同时应使得基片上微纳结构跨过样品上的 封闭结构，确保样品上的溶剂能够被导出。本发明与现有技术相比的优点在于本发明首次采用了通过在溶剂去除过程中添 加包含微纳结构的基片辅助去除溶剂的方法来为样品上的微纳结构提供机械支撑，增强了 其抵抗溶剂表面张力的能力，有效地解决了溶剂去除工艺中溶剂的表面张力给微纳结构带 来的影响；同时由于本发明可以为微纳结构的一个面提供有效的机械支撑，它还可以适用 于活动微纳结构中溶剂去除的工艺过程。本发明方法工艺简单，对不同的微纳结构有较好 的适用性，是对溶剂去除工艺的完善和拓展。
图1为本发明中的结构示意图，其中1为基片，2为大高宽比结构，3为基片上微结 构，4为样品。
具体实施例方式下面结合实例对辅助去除溶剂方法的具体过程做进一步详细说明实例1.石英结构的辅助去除溶剂(1)在基片上制作微结构取一片1mm厚的石英基片，尺寸为5cmX5cm。将石英基片放入甩胶机，滴上光刻胶 AZ 1500，3000转/分钟下旋转涂30秒，热台上100°C烘90秒，得到厚度为1. 5微米的光刻 胶层。紫外曝光、显影，曝光剂量为40mJ/cm2，获得周期为2微米的光栅结构。将基片放入 离子刻蚀机进行刻蚀，刻蚀参数为真空1 X 10_2Pa，CHF3/Ar为1 1，离子束流为100mA，刻 蚀时间20分钟。利用丙酮将光刻胶除去，在基片上获得高度为300纳米的光栅结构；(2)辅助去除大高宽比结构中溶剂取一片已完成曝光、包含有宽为200纳米、高度为2微米的PMMA(聚甲基丙烯酸甲 酯)大高宽比光栅结构的一英寸硅片，将这片样品放入甲基异丁基酮异丙醇为1 3(体 积比)的溶液中显影30秒，然后依次放入异丙醇和水中漂洗，在水中获线宽为200纳米、高 度为2微米的PMMA大高宽比光栅结构。将完成漂洗的硅片从水中取出，有大高宽比纳米结构的面朝上，然后将含有周期 性微米结构的基片放在硅片上，使得基片上的光栅结构盖住硅片上的纳米结构。调整基片 位置，使得基片上光栅结构与样品上光栅结构相垂直；(3)待水挥发完后，将石英基片移开，完成辅助去除溶剂工艺，获得线宽为200纳 米、高度为2微米的PMMA大高宽比纳米结构。实例2. SU8光刻胶结构的辅助去除溶剂(1)在基片上制作微结构取一片2英寸的硅基片，放入甩胶机，滴上光刻胶SU82010，3000转/分钟下旋转涂30秒，热台上95°C烘5分钟，得到厚度为10微米的光刻胶层。紫外曝光、显影，曝光剂量 为140mJ/cm2，获得周期为20微米的光栅结构；(2)辅助去除大高宽比结构中溶剂取一片已完成曝光、包含有宽为20微米、高度为300微米的SU8大高宽比结构的2 英寸硅片，放入显影液中显影30分钟，再放入异丙醇中漂洗，在溶液中获得线宽为20微米、 高度为300微米的SU8大高宽比结构。将完成漂洗的硅片从溶液中取出，有大高宽比结构的面朝上，然后将含有周期性 微米结构的基片放在样品上，使得基片上的光栅结构盖住样品上的大高宽比结构；(3)待溶剂挥发完后，将硅基片移开，完成辅助去除溶剂工艺，获得线宽为20微 米、高度为300微米的SU8大高宽比结构。实例3.硅基片的辅助去除溶剂(1)在基片上制作微结构取一片2英寸的硅片，清洗后烘干；(2)辅助去活动微结构中溶剂取一片已利用湿法腐蚀完成基底去除的、包含有周期为2微米、长1厘米的可活动 的金光栅结构的样品，放入水中漂洗，在水溶液中获得周期为2微米、长1厘米的可活动的 金光栅结构。将完成漂洗的样品从溶液中取出，放在硅基片上，使得样品上的活动微结构的一 个面与硅基片完全接触；(3)待水挥发完后，将硅基片移开，完成辅助去除溶剂工艺，获得周期为2微米、长 1厘米的可活动的金光栅结构。本发明未详细阐述部分属于本领域公知常识。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
一种去除微纳结构中溶剂的方法，其特征在于步骤如下(1)在基片上制作微纳结构，利用旋涂工艺在基片上旋涂光刻胶，然后采用光刻工艺在基片材料上得到所需高度的光刻胶结构，也可利用刻蚀工艺将光刻胶结构再转移到基片上，获得所需高度的基片材料微纳结构；(2)将完成漂洗的样品从溶剂中取出，样品上有微纳结构的面朝上，然后将基片放在样品上，使得基片材料上的微纳结构盖住样品上的微纳结构；或相反将基片有微纳结构的面朝上，然后将样品放在基片，使得基片材料上的微纳结构盖住样品上的微纳结构；(3)待溶剂挥发完后，将基片移开，完成辅助去除溶剂工艺，获得所需的微纳结构。
2.根据权利要求1所述的一种去除微纳结构中溶剂的方法，其特征在于所述基片材 料上的微纳结构为具有周期性的光栅结构，周期从500纳米到20微米，且为凸结构，高度从 100纳米到10微米，面积要能完全将样品上微纳结构覆盖。
3.根据权利要求1所述的一种去除微纳结构中溶剂的方法，其特征在于所述基片或 光刻胶要能与溶剂浸润，接触角要小于90°。
全文摘要
一种去除微纳结构中溶剂的方法，步骤为(1)在基片上制作微纳结构，利用旋涂工艺在基片上旋涂光刻胶，然后采用光刻工艺在基片材料上得到所需高度的光刻胶结构，也可利用刻蚀工艺将光刻胶结构再转移到基片上，获得所需高度的基片材料微纳结构；(2)将完成漂洗的样品从溶剂中取出，样品上有微纳结构的面朝上，然后将基片放在样品上，使得基片材料上的微纳结构盖住样品上的微纳结构；或相反将基片有微纳结构的面朝上，然后将样品放在基片，使得基片材料上的微纳结构盖住样品上的微纳结构；(3)待溶剂挥发完后，将基片移开，完成辅助去除溶剂工艺，获得所需的微纳结构。本发明有效地解决了溶剂去除工艺中溶剂的表面张力给微纳结构带来的影响。
文档编号B82B3/00GK101850945SQ201010188490
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者刘刚, 周杰, 熊瑛, 田扬超 申请人:中国科学技术大学