專利名稱：應(yīng)用納米壓印和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備納米懸臂結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備納米金屬懸臂結(jié)構(gòu)的方法，特別是一種應(yīng)用納米壓印和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備納米懸臂結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
懸臂結(jié)構(gòu)在微機電系統(tǒng)(MEMS)中具有非常廣泛的應(yīng)用，特別是在質(zhì)量傳感器中的應(yīng)用。當(dāng)器件的尺寸縮小至納米級，微機電系統(tǒng)(MEMS)進入到納機電系統(tǒng)(NEMS)，器件的分辨率、靈敏度、集成度及能耗都得到很大提高。目前，納米懸臂結(jié)構(gòu)的制備普遍采用電子束刻蝕(EBL)、離子束刻蝕(FIBL)、掃描探針氧化刻蝕(SPL)以及激光直寫(DWL)刻痕，并結(jié)合濕法化學(xué)腐蝕進行結(jié)構(gòu)懸空。以上方法雖然可以制得窄至幾十納米的懸臂結(jié)構(gòu)，但由于其工藝復(fù)雜且刻蝕速率太低而難以達到低成本大批量生產(chǎn)的要求。同時，以濕法化學(xué)腐蝕的方法懸空懸臂結(jié)構(gòu)的工藝過程中，在干燥過程中，懸臂與腐蝕液及基底之間存在的毛細力、范德華力及氫鍵很容易導(dǎo)致懸臂粘附于基底。
納米壓印技術(shù)是一種與傳統(tǒng)刻蝕技術(shù)概念完全不同的納米結(jié)構(gòu)制備方法，主要由兩個過程構(gòu)成(一)利用印制模板實現(xiàn)圖形復(fù)制。利用類似于印章的模板在一定溫度和壓力下擠壓硅片表面的光刻膠，撤去模板后可在硅片表面上形成具有不同光刻膠厚度的印制圖形；(二)在硅片上的圖形轉(zhuǎn)移。利用各向異性反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)將印制于光刻膠的納米結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移至硅基底，最終形成與傳統(tǒng)光刻技術(shù)效果相一致的光刻膠轉(zhuǎn)移圖形。實驗研究結(jié)果表明，利用納米壓印技術(shù)具有加工特征尺寸在10nm以下圖形的能力，目前報道的最小特征尺寸為6nm，可在8”硅片上一次性構(gòu)造復(fù)雜圖案，具有較高的分辨率和產(chǎn)率。高分辨率、高產(chǎn)率、低成本的納米壓印技術(shù)作為新一代納米結(jié)構(gòu)加工技術(shù)，具有成為30-10nm技術(shù)時代替代光刻技術(shù)的潛力。因此，應(yīng)用納米壓印技術(shù)可實現(xiàn)低成本、大批量制備懸臂結(jié)構(gòu)。同時，應(yīng)用各向同性干法反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)懸空懸臂結(jié)構(gòu)可有效避免濕法化學(xué)腐蝕工藝中懸臂與基底的粘結(jié)現(xiàn)象。
如果結(jié)合納米壓印和各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備納米懸臂結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)納米懸臂結(jié)構(gòu)的低成本、大批量制備，將是懸臂結(jié)構(gòu)制備領(lǐng)域的一個重要課題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種應(yīng)用納米壓印和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備納米懸臂結(jié)構(gòu)的方法，納米壓印技術(shù)是一種與傳統(tǒng)刻蝕技術(shù)概念完全不同的納米結(jié)構(gòu)制備方法，它結(jié)合各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，可實現(xiàn)納米懸臂結(jié)構(gòu)的低成本、大批量制備。
本發(fā)明的技術(shù)方案一種應(yīng)用納米壓印和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備納米懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于它包括以下三個步驟(1)應(yīng)用刻蝕技術(shù)制備納米壓印模板；(2)應(yīng)用納米壓印技術(shù)復(fù)制懸臂圖形；(3)應(yīng)用各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)懸空懸臂結(jié)構(gòu)。
上述所說的懸臂材料取金(Au)和鈦(Ti)，利用材料間熱鼓脹系數(shù)的差異，通過優(yōu)化各金屬層的厚度和組合方式來控制懸臂的偏轉(zhuǎn)方向，從而制備出具有指定偏向的單層和多層懸臂結(jié)構(gòu)。
上述所說懸臂結(jié)構(gòu)的線寬為100-500nm，懸臂長度為2um-12um，長寬比為4-120。納米壓印條件為190℃、45bar、3min。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于1、通過制備模板，以納米壓印技術(shù)實現(xiàn)圖形的復(fù)制與轉(zhuǎn)移，具有工藝簡單、速度快、重復(fù)性好、費用低、產(chǎn)率高等優(yōu)點；2、應(yīng)用各向同性干法反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)懸空懸臂結(jié)構(gòu)，避免了濕法化學(xué)腐蝕工藝中懸臂與基底的粘結(jié)及溶液對結(jié)構(gòu)的污染現(xiàn)象。
圖1為本發(fā)明所涉一種應(yīng)用納米壓印和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備納米懸臂結(jié)構(gòu)的方法的工作流程(即懸臂結(jié)構(gòu)制備)示意圖。
(a)以EBL技術(shù)制備納米壓印模板；(b)納米壓印工藝，將模板上的納米圖形復(fù)制到 上；(c)以 圖形為掩膜，蒸鍍金屬；(d)應(yīng)用各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)懸空懸臂。
圖2為二氧化硅(SiO2)做模板的材料的納米壓印模板結(jié)構(gòu)示意圖，懸臂結(jié)構(gòu)的線寬為100-500nm，懸臂長度為2um-12um，長寬比為4-120。納米壓印條件為190℃、45bar、3min的實施例。
圖3材料為20nm Au的懸臂結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4材料為50nm Au的懸臂結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5材料為90nm Au的懸臂結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6材料為50nm Au+50nmTi的懸臂結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7材料為50nm Ti+50nmAu的懸臂結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8材料為25nm Au+50nmTi+25nmAu的懸臂結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1為模板，2為懸臂結(jié)構(gòu)，3為光刻膠層，4為硅基底，5為金屬層，6為懸臂長度2um，7為懸臂長度4μm，8為懸臂長度6μm，9為懸臂長度8μm，10為懸臂長度10μm，11為懸臂長度12μm，12為懸臂寬度100nm，13為懸臂寬度200nm，14為懸臂寬度300nm，15為懸臂寬度500nm，6為20nm厚的Au層，17為50nm厚的Au層，18為90nm厚的Au層，19為50nm厚的Au層，20為50nm厚的Ti層，21為50nm厚的Ti層，22為50nm厚的Au層，23為25nm厚的Au層，24為50nm厚的Ti層，25為25nm厚的Au層。
具體實施例方式實施例1以直寫式電子束爆光技術(shù)制備線寬為200nm，長度為2μm-12μm的懸臂結(jié)構(gòu)模板，通過納米壓印工藝(壓印條件為190℃、45bar、3min)將圖形復(fù)制到旋涂于硅基底的有機聚合物光刻膠上，然后通過蒸鍍20nmAu和剝離工藝在硅基底上形成金屬化圖形，最后以金屬化圖形為掩膜，應(yīng)用各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，得到懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)往上方彎曲(如圖3所示)。
實施例2以直寫式電子束爆光技術(shù)制備線寬為200nm，長度為2μm-12μm的懸臂結(jié)構(gòu)模板，通過納米壓印工藝(壓印條件為190℃、45bar、3min)將圖形復(fù)制到旋涂于硅基底的有機聚合物光刻膠上，然后通過蒸鍍50nmAu和剝離工藝在硅基底上形成金屬化圖形，最后以金屬化圖形為掩膜，應(yīng)用各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，得到懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)往上方彎曲(如圖4所示)。
實施例3以直寫式電子束爆光技術(shù)制備線寬為200nm，長度為2μm-12μm的懸臂結(jié)構(gòu)模板，通過納米壓印工藝(壓印條件為190℃、45bar、3min)將圖形復(fù)制到旋涂于硅基底的有機聚合物光刻膠上，然后通過蒸鍍90nmAu和剝離工藝在硅基底上形成金屬化圖形，最后以金屬化圖形為掩膜，應(yīng)用各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，得到伸直狀懸臂結(jié)構(gòu)(如圖5所示)。
實施例4以直寫式電子束爆光技術(shù)制備線寬為200nm，長度為2μm-12μm的懸臂結(jié)構(gòu)模板，通過納米壓印工藝(壓印條件為190℃、45bar、3min)將圖形復(fù)制到旋涂于硅基底的有機聚合物光刻膠上，然后通過先后蒸鍍50nmTi和50nmAu及剝離工藝在硅基底上形成金屬化圖形，最后以金屬化圖形為掩膜，應(yīng)用各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，得到懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)往上方彎曲(如圖6所示)。
實施例5以直寫式電子束爆光技術(shù)制備線寬為500nm，長度為2μm-12μm的懸臂結(jié)構(gòu)模板，通過納米壓印工藝(壓印條件為190℃、45bar、3min)將圖形復(fù)制到旋涂于硅基底的有機聚合物光刻膠上，然后通過先后蒸鍍50nmAu和50nmTi及剝離工藝在硅基底上形成金屬化圖形，最后以金屬化圖形為掩膜，應(yīng)用各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，得到懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂結(jié)構(gòu)往下方彎曲(如圖7所示)。
實施例6以直寫式電子束爆光技術(shù)制備線寬為300nm，長度為2μm-12μm的懸臂結(jié)構(gòu)模板，通過納米壓印工藝(壓印條件為190℃、45bar、3min)將圖形復(fù)制到旋涂于硅基底的有機聚合物光刻膠上，然后通過先后蒸鍍25nmAu、50nmTi和25nmAu及剝離工藝在硅基底上形成金屬化圖形，最后以金屬化圖形為掩膜，應(yīng)用各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，得到伸直狀懸臂結(jié)構(gòu)(如圖8所示)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用納米壓印和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備納米懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于它包括以下三個步驟(1)應(yīng)用刻蝕技術(shù)制備納米壓印模板；(2)應(yīng)用納米壓印技術(shù)復(fù)制懸臂圖形；(3)應(yīng)用各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)懸空懸臂結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種應(yīng)用納米壓印和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備納米懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所說的懸臂材料取金(Au)和鈦(Ti)，利用材料間熱鼓脹系數(shù)的差異，通過優(yōu)化各金屬層的厚度和組合方式來控制懸臂的偏轉(zhuǎn)方向，從而制備出具有指定偏向的單層和多層懸臂結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種應(yīng)用納米壓印和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備納米懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所說懸臂結(jié)構(gòu)的線寬為100-500nm，懸臂長度為2μm-12μm，長寬比為4-120。納米壓印條件為190℃、45bar、3min。
全文摘要
一種應(yīng)用納米壓印和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備納米懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于它包括以下三個步驟(1)應(yīng)用刻蝕技術(shù)制備納米壓印模板；(2)應(yīng)用納米壓印技術(shù)復(fù)制懸臂圖形；(3)應(yīng)用各向同性反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)懸空懸臂結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)越性在于1.通過制備模板，以納米壓印技術(shù)實現(xiàn)圖形的復(fù)制與轉(zhuǎn)移，具有工藝簡單、速度快、重復(fù)性好、費用低、產(chǎn)率高等優(yōu)點；2.應(yīng)用各向同性干法反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)懸空懸臂結(jié)構(gòu)，避免了濕法化學(xué)腐蝕工藝中懸臂與基底的粘結(jié)及溶液對結(jié)構(gòu)的污染現(xiàn)象。
文檔編號B82B3/00GK1807222SQ200510133649
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者謝國勇, 章國明, 劉忠范, 張錦 申請人:北京大學(xué), 國家納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地