一种制备微纳结构的方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103641062 A (43)申请公布日 2014.03.19 CN 103641062 A (21)申请号 201310694352.7 (22)申请日 2013.12.17 B81C 1/00(2006.01) (71)申请人 安徽华东光电技术研究所 地址 241000 安徽省芜湖市弋江区城南高新 技术开发区华厦科技园 (72)发明人 吴华夏 席洪柱 温旭杰 张建成 余锋 余正红 (74)专利代理机构 芜湖安汇知识产权代理有限 公司 34107 代理人 马荣 (54) 发明名称 一种制备微纳结构的方法 (57) 摘要 本发明公开了一种制备微纳结构的方法， 包 括。

2、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。

3、数量级到机械加工的米数量级， 适用 范围广。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103641062 A CN 103641062 A 1/1 页 2 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。

4、） 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） 一起绑定在基底 （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。

5、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。

6、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。 权 利 要 求 书 CN 103641062 A 2 1/4 页 3 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。

7、 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。

8、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 1 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。

9、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 1） 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）。

10、 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。 说 明 书 CN 103641062 A 3 2/4 页 4 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 Z。

11、n 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。

12、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。 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。

13、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 W0 大于待制备结构的高度 H 和宽度 W， 即 L0 H、 W0 W， 并保 证基板具有一定厚度 Z0， 确保其强度。 0036 。

14、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。 说 明 书 CN 103641062 A 4 3/4 页 5 0037 将膜层的厚度控制在Z1， 使Z1等于待制备结构光栅厚度d1 ； 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。

15、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 K1 要等于待制结构中两个膜层侧壁之间空隙距离 L1。 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。

16、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 W0=W， 膜层 高度 H 和基板的长度 L0 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。

17、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。

18、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 1） 以一块长 L1、。

19、 宽 W1 和厚 h1 分别为 10mm、 5mm 和 1mm 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。 说 明 书 CN 103641062 A 5 4/4 页 6 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。

20、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。

21、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。

22、声清洗设备中进行清洗， 清洗次数大于 1 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。 说 明 书 CN 103641062 A 6 1/4 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103641062 A 7 2/4 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103641062 A 8 3/4 页 9 图 5 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103641062 A 9 4/4 页 10 图 8 说 明 书 附 图 CN 103641062 A 10 。