專(zhuān)利名稱(chēng)：一種仿蝴蝶磷翅分級(jí)多層非對(duì)稱(chēng)微納結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納加工領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)合鍍膜生長(zhǎng)、光刻、RIE干法刻蝕、ICP 深刻蝕、電子束蒸發(fā)、以及側(cè)向濕法腐蝕的仿蝴蝶磷翅微納結(jié)構(gòu)制備方法。
背景技術(shù)：
廣闊豐富的大自然是人類(lèi)創(chuàng)造和發(fā)明的不竭源泉，而仿生則為人類(lèi)提供了科學(xué)研 究的新思路。其中，自然界翩翩起舞的蝴蝶為人類(lèi)從事科學(xué)研究提供了很多啟示。小小的蝴 蝶幫助人類(lèi)解決了人造衛(wèi)星散熱方面的難題。針對(duì)蝴蝶飛行氣動(dòng)力特性的研究有助于微型 飛行器的仿生設(shè)計(jì)。蝴蝶翅膀依賴(lài)于視角的結(jié)構(gòu)色變化機(jī)理，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)色可調(diào)的靜電梯 形梳齒微執(zhí)行器的制備。一些蝴蝶鱗翅還具有與周?chē)鷼夥彰芮邢嚓P(guān)的奇特光譜選擇特性。隨著微型化趨勢(shì)和微納制造技術(shù)的發(fā)展，具有優(yōu)異功能的仿蝴蝶磷翅結(jié)構(gòu)也日益 受到重視。眾多研究者相繼開(kāi)展了蝴蝶磷翅結(jié)構(gòu)在氣體檢測(cè)、隱身、能源及微型機(jī)器人操 作方面的應(yīng)用探索。研究發(fā)現(xiàn)，蝴蝶磷翅優(yōu)異的功能特性與鱗片表面的周期/準(zhǔn)周期分布 的分級(jí)多層微納結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而借鑒蝴蝶磷翅表面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而合理構(gòu)建表面微觀結(jié)構(gòu)形 態(tài)，人們開(kāi)展了深入的研究，取得了一系列成果。然而，其制備方法一直是難點(diǎn)。針對(duì)蝴蝶 磷翅表面的分級(jí)、多層、非對(duì)稱(chēng)且微納尺度相結(jié)合的仿生結(jié)構(gòu)的制備(尺度變化從數(shù)十納 米到數(shù)百微米)，常規(guī)工藝很難制備出完整結(jié)構(gòu)。目前的研究，或直接采用生物做模板再結(jié) 合原子層沉積(ALD，Atomic Layer D印osition)，或采用電子束光刻、CVD (Chemical vapor deposition), FIB (Focused Ion Beam)-CVD加工，設(shè)備昂貴、加工速度慢、效率低，成本太 高，不適于大批量生產(chǎn)，從而限制了相關(guān)技術(shù)的研究和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)具有優(yōu)異性能的蝴蝶磷翅表面微納結(jié)構(gòu)的分 級(jí)、多層次、非對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)，提供一種高效率、低成本、大批量的制備方法。本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟(1)準(zhǔn)備潔凈的<111>單晶硅；(2)在硅基底表面熱生長(zhǎng)Si02層；(3) 一次光刻。在Si02表面旋涂光刻膠，曝光、顯影，將第一塊光刻掩膜板上的微 尺度圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠表面；(4) 一次干法刻蝕。以光刻膠為掩膜，采用RIE方法，刻蝕暴露出的Si02，將光刻 膠上的圖形轉(zhuǎn)移到Si02薄膜；(5) 二次光刻。在帶有圖形的Si02薄膜上再次旋涂光刻膠，曝光、顯影，將第二塊 光刻掩膜板上的微尺度圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠表面；(6) 二次干法刻蝕。繼續(xù)以光刻膠為掩膜，采用RIE刻蝕，將綜合有兩塊光刻掩膜 板的圖形轉(zhuǎn)移到Si02表面，而第一次RIE刻蝕暴露出的硅表面則會(huì)進(jìn)一步刻蝕，導(dǎo)致相鄰 的暴露出的硅面高度不一致；
(7)以Si02膜為掩膜，采用感應(yīng)耦合等離子ICP干法深刻蝕硅，得到側(cè)壁保留有足 夠深度波紋、且相鄰溝槽波紋不對(duì)稱(chēng)的周期或準(zhǔn)周期分布微尺度結(jié)構(gòu)；(8)采用電子束傾斜蒸發(fā)，在微尺度結(jié)構(gòu)側(cè)壁的波紋下半部分鍍覆Au/Cr作為保 護(hù)層；(9)對(duì)微尺度結(jié)構(gòu)側(cè)壁進(jìn)行側(cè)向濕法腐蝕。硅片不同晶向濕法腐蝕速率相差甚遠(yuǎn)， 其中硅沿<110>面腐蝕速度大于<111>面腐蝕速度上百倍，通過(guò)控制濕法腐蝕時(shí)間，得到分 級(jí)、多層、非對(duì)稱(chēng)仿蝴蝶磷翅微納結(jié)構(gòu)。本發(fā)明集成了鍍膜生長(zhǎng)、光刻、RIE干法刻蝕、ICP深刻蝕、電子束蒸發(fā)、以及側(cè)向 濕法腐蝕等微加工工藝，其中步驟(1)選擇<111>單晶硅，該面的腐蝕速度僅為<110>面腐 蝕速度的上百分之一，以保證步驟(9)的側(cè)向濕法腐蝕是各向異性的；步驟(3)-(6)所述的 二次光刻，以保證相鄰溝槽微納結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)性，步驟(7)的ICP工藝保證側(cè)壁保留足夠深 度的波紋，而步驟(8)保證保護(hù)層Au/Cr只鍍覆在側(cè)壁波紋的下半部分。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的效果是本發(fā)明是集成硅工藝的微納結(jié)構(gòu)制備方 法，不涉及生物模板，具有高效率、低成本特點(diǎn)，可以大批量、大面積制備具有優(yōu)異性能的仿 蝴蝶磷翅分級(jí)、多層、非對(duì)稱(chēng)微納結(jié)構(gòu)，促進(jìn)高性能仿蝴蝶磷翅微納結(jié)構(gòu)的研究、制備和應(yīng) 用。


圖1是仿蝴蝶磷翅分級(jí)多層非對(duì)稱(chēng)微納結(jié)構(gòu)制備工藝流程。圖中1為<lll>Si，2 為Si02，3為光刻膠，4為Au/Cr保護(hù)層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的實(shí)施例用于制備仿蝴蝶磷翅表面的微納結(jié)構(gòu)，工藝流程見(jiàn)圖1。<lll>Si 基底表面熱生長(zhǎng)Si02層，利用兩次光刻、RIE干法刻蝕，將兩塊掩膜板圖形綜合轉(zhuǎn)移到Si02 表面，并使暴露出的硅表面高度不一致，為下一步非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)制備奠定基礎(chǔ)。采用ICP深刻 蝕，得到周期/準(zhǔn)周期分布的微尺度結(jié)構(gòu)，其中ICP刻蝕時(shí)側(cè)壁必須保留足夠的波紋深度。 然后用電子束傾斜蒸發(fā)，在側(cè)壁波紋的下半部分鍍覆保護(hù)層，再側(cè)向濕法各向異性腐蝕，得 到仿蝴蝶磷翅分級(jí)、多層、非對(duì)稱(chēng)微納結(jié)構(gòu)。具體工藝步驟說(shuō)明如下(1)準(zhǔn)備潔凈的<111>硅片；(2)在硅片上熱生長(zhǎng)Si02層；(3)在Si02表面旋涂光刻膠；(4) 一次光刻。通過(guò)曝光、顯影把第一塊掩膜板圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠表面；(5) —次RIE干法刻蝕。以光刻膠為掩膜，采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE，Reactive Ion Etch)刻蝕暴露出的Si02，將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到Si02表面；(6)在帶有圖形的Si02表面第二次旋涂光刻膠；(7) 二次光刻。繼續(xù)通過(guò)曝光、顯影把第二塊掩膜板圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠表面。兩次 光刻是為了保證得到非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)；(8) 二次RIE干法刻蝕。繼續(xù)采用RIE，將光刻膠圖形全部轉(zhuǎn)移到Si02表面。針對(duì)前次RIE已經(jīng)刻蝕露出的硅表面，RIE將刻蝕進(jìn)去，使暴露出的硅表面高度不一致，以保 證感應(yīng)耦合等離子(ICP，Inductive Coupled Plasma)深刻蝕時(shí)相鄰溝槽側(cè)壁的波紋不對(duì) 稱(chēng)；(9)以Si02為掩膜，采用ICP深刻蝕。側(cè)壁需要保留足夠深度的波紋，而且相鄰溝 槽中波紋非對(duì)稱(chēng)；(10)采用電子束傾斜蒸發(fā)，在側(cè)壁波紋下半部分鍍覆Au/Cr保護(hù)層，用于阻止該 部分硅片的側(cè)向腐蝕；(11)對(duì)周期/準(zhǔn)周期分布的微尺度結(jié)構(gòu)側(cè)壁進(jìn)行濕法腐蝕。腐蝕液在<110>晶向 的腐蝕速度是<111>晶向的數(shù)百倍?？刂茲穹ǜg時(shí)間，得到分級(jí)、多層、非對(duì)稱(chēng)仿蝴蝶磷 翅微納結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
一種仿蝴蝶磷翅分級(jí)多層非對(duì)稱(chēng)微納結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟(1)在硅基底表面熱生長(zhǎng)一層SiO2薄膜；(2)在所述SiO2薄膜表面旋涂光刻膠，利用光刻技術(shù)將第一塊光刻掩膜板上的微尺度圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠表面；(3)以上述光刻膠為掩膜，采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到所述SiO2薄膜上；(4)在上述SiO2薄膜上再次旋涂光刻膠，利用光刻技術(shù)將第二塊光刻掩膜板上的微尺度圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠表面；(5)繼續(xù)以步驟(4)中的光刻膠為掩膜，采用反應(yīng)離子刻蝕，將綜合有兩塊光刻掩膜板的圖形轉(zhuǎn)移到SiO2薄膜表面，第一次刻蝕后暴露出的硅表面則會(huì)進(jìn)一步刻蝕，使得相鄰的暴露出的硅面高度不一致；(6)以上述SiO2薄膜為掩膜，采用感應(yīng)耦合等離子干法深刻蝕硅，得到側(cè)壁保留有一定深度波紋、且相鄰溝槽波紋不對(duì)稱(chēng)的周期或準(zhǔn)周期分布微尺度結(jié)構(gòu)；(7)采用電子束傾斜蒸發(fā)，在微尺度結(jié)構(gòu)側(cè)壁的波紋下半部分鍍覆Au/Cr作為保護(hù)層；(8)對(duì)微尺度結(jié)構(gòu)側(cè)壁進(jìn)行側(cè)向濕法腐蝕，通過(guò)控制濕法腐蝕時(shí)間，即可得到分級(jí)、多層且非對(duì)稱(chēng)的仿蝴蝶磷翅微納結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿蝴蝶磷翅分級(jí)多層非對(duì)稱(chēng)微納結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在 于，步驟(1)中的硅基底選用<111>單晶硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的仿蝴蝶磷翅分級(jí)多層非對(duì)稱(chēng)微納結(jié)構(gòu)制備方法，其特征 在于，所述步驟(7)中，僅在側(cè)壁波紋的下半部分鍍覆Au/Cr保護(hù)層，而上半部則露出來(lái)，從 而保證后續(xù)濕法腐蝕中，被保護(hù)部分的橫向結(jié)構(gòu)不受影響；
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的仿蝴蝶磷翅分級(jí)多層非對(duì)稱(chēng)微納結(jié)構(gòu)制備方法，其特 征在于，通過(guò)控制側(cè)向濕法腐蝕時(shí)間，來(lái)控制側(cè)向腐蝕深度，以得到滿足要求的仿蝴蝶磷翅 分級(jí)多層非對(duì)稱(chēng)微納結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種仿蝴蝶磷翅分級(jí)多層非對(duì)稱(chēng)微納結(jié)構(gòu)的制備方法，具體通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)選用<111>單晶硅片，采用鍍膜生長(zhǎng)、兩步光刻、反應(yīng)離子干法刻蝕，并結(jié)合感應(yīng)耦合等離子深刻蝕，得到側(cè)壁保留有足夠深度波紋、且相鄰溝槽波紋非對(duì)稱(chēng)的微尺度結(jié)構(gòu)，再電子束傾斜蒸發(fā)，在側(cè)壁波紋下半部分鍍覆Au/Cr保護(hù)層，結(jié)合濕法腐蝕工藝，對(duì)微尺度結(jié)構(gòu)側(cè)壁進(jìn)行側(cè)向各向異性腐蝕，并控制刻蝕時(shí)間，最終得到具有優(yōu)異特性的分級(jí)層次周期/準(zhǔn)周期仿蝴蝶磷翅微納結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的方法具有高效率、低成本特點(diǎn)，適宜大批量、大面積生產(chǎn)，從而為仿蝴蝶磷翅表面微納結(jié)構(gòu)的批量化制備和廣泛應(yīng)用提供了一種有效的新途徑。
文檔編號(hào)B81C1/00GK101823684SQ201010160958
公開(kāi)日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者史鐵林, 廖廣蘭, 彭爭(zhēng)春, 汪威, 高陽(yáng) 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)