一種基于靜電直寫的低成本微納結(jié)構(gòu)刻蝕方法
【專利摘要】一種基于靜電直寫的低成本微納結(jié)構(gòu)刻蝕方法，首先利用計算機設(shè)計需刻蝕的二維幾何圖案，并對圖案的輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)處理得到擠出噴頭與接收平臺的相對運動數(shù)據(jù)；然后通過控制電壓、接收距離、流速、溫度、濕度等因素將材料液體制備成微/納米纖維；并通過擠出噴頭與接收平臺的相對移動實現(xiàn)微/納米纖維沉積為所需幾何圖案；通過在帶有電紡絲掩膜的基材上制作一層保護層，并去除電紡絲后，得到帶有所需幾何圖案凹槽的基材保護層；以基材保護層為新的掩膜，將基材進行干法或濕法刻蝕，除去保護層后，實現(xiàn)基材的刻蝕，本發(fā)明在極大程度上降低基材的微/納米級圖形刻蝕成本，并有效縮短刻蝕時間。
【專利說明】一種基于靜電直寫的低成本微納結(jié)構(gòu)刻蝕方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于靜電直寫的低成本微納結(jié)構(gòu)刻蝕方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在微電子制造過程中，光刻是制造集成電路工藝中最復(fù)雜、最核心、最昂貴的技術(shù)。該工藝通過光化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過曝光與顯影將掩膜版上設(shè)計好的幾何圖形轉(zhuǎn)移至光刻膠上，為后期的襯底材料刻蝕做準(zhǔn)備。其中，掩膜版的作用是選擇性地遮擋光、電子束、X射線等，從而實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，所以掩膜版的幾何圖形從根本上決定了制作集成電路的好壞。掩膜版上的幾何圖形制作多是通過電子束直寫技術(shù)獲得，其制備費時且成本昂貴，而一套完整的集成電路工藝流程通常要用到15-20道不同掩膜版。靜電直寫技術(shù)是指高壓靜電場中，原材料溶液或熔液在電場力和表面張力的作用下形成泰勒錐，當(dāng)電場強度超過臨界值時，微/納米級射流從泰勒錐中噴射而出，在噴射過程中或沉積后殘余溶劑揮發(fā)或熔液凝固形成微/納米級纖維，通過調(diào)整接收距離至0.5-3_，可實現(xiàn)纖維的可控沉積，從而進行復(fù)雜幾何圖形的制作。該技術(shù)可制備高分子、金屬、非金屬及復(fù)合材料的微/納米級纖維，且方法簡單、易于實現(xiàn)、成本低廉。因此，可以利用靜電直寫技術(shù)在基材上直接制作掩膜，取代光亥IJ技術(shù)中的掩膜版，進而實現(xiàn)基材的刻蝕，降低成本、縮短制備時間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于靜電直寫的低成本微納結(jié)構(gòu)刻蝕方法，該方法可在極大程度上降低基材的微/納米級圖形刻蝕成本，并有效縮短刻蝕時間。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0005]一種基于靜電直寫的低成本微納結(jié)構(gòu)刻蝕方法，包括以下步驟:
[0006]I)利用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計所需掩膜的二維微納幾何圖形結(jié)構(gòu)，然后將該圖形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)；
[0007]2)將液態(tài)材料裝入數(shù)控擠出裝置，控制液態(tài)材料的擠出速度為0.1?50ul/h，將擠出噴頭與直流高壓發(fā)生器正極相連，調(diào)節(jié)直流電壓介于0.6?15kV之間，并將接收平臺接地，從而在擠出噴頭與接收平臺間形成高壓靜電場；調(diào)整擠出噴頭與接收平臺之間的距離介于0.5?30mm，使擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場作用下形成微/納米纖維絲；
[0008]3)采用數(shù)控X、Y軸精密移動平臺控制擠出噴頭或接收平臺，根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進行運動，使擠出噴頭與接收平臺的相對運動速度介于0.01?lm/s ;通過控制程序控制電壓的啟停進而控制電紡絲的啟停，配合控制程序在基材上獲得由微/納米級電紡絲組成的幾何圖案結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)掩膜的制作；
[0009]4)在帶有電紡絲掩膜的基材上制作一層厚度不超過電紡絲掩膜厚度，即0_400nm的基材保護膜，在電紡絲掩膜厚度內(nèi)，根據(jù)刻蝕深度選擇保護膜厚度；
[0010]5)通過熔化、溶解、超聲振動或分解等物理化學(xué)方法除去電紡絲掩膜，將電紡絲掩膜的幾何圖形轉(zhuǎn)移至基材保護層上，得到帶有所需幾何圖形凹槽的基材保護層，為下一步刻蝕準(zhǔn)備；
[0011]6)通過干法或濕法刻蝕將暴露在保護層凹槽中的基材去除，實現(xiàn)基材的刻蝕，控制刻蝕時間從而控制刻蝕深度；
[0012]7)去除基材保護層，得到帶有所需幾何圖形的基材，完成刻蝕。
[0013]所述的液態(tài)材料分為兩類，一類是將高分子聚合物材料加熱熔解后得到的熔融狀態(tài)的液態(tài)材料，包括聚己內(nèi)酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP);另一類是將高分子聚合物材料溶解于有機或無機溶劑得到的材料溶液，包括聚氧化乙烯(PEO)、聚乳羥基乙酸共聚物(PLGA)或聚偏氟乙烯(PVDF)。
[0014]本發(fā)明利用靜電直寫技術(shù)可制備有機高分子聚合物材料的微/納米級纖維，并可實現(xiàn)電紡絲精確沉積、用于復(fù)雜微/納米級幾何圖形制作的技術(shù)特點，將靜電直寫技術(shù)所制作的微/納米纖維制成所需掩膜圖案，用于基材的刻蝕。該方法可在極大程度上降低基材的微/納米級圖形刻蝕成本，并有效縮短刻蝕時間，從而為基材的微納刻蝕提供了一種新工藝。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]附圖為實施例1制作的微流道表面形貌圖。

【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做詳細描述。
[0017]實施例1
[0018]一種基于靜電直寫的低成本微納結(jié)構(gòu)刻蝕方法，包括以下步驟:
[0019]I)利用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計所需掩膜的二維幾何圖形結(jié)構(gòu)，然后將該圖形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)；
[0020]2)將液態(tài)材料裝入數(shù)控擠出裝置如精密注射泵內(nèi)，控制液態(tài)材料從擠出噴頭擠出的速度為5ul/h，擠出噴頭的外徑為600微米、內(nèi)徑為200微米，將擠出噴頭與直流高壓發(fā)生器正極相連，調(diào)節(jié)直流電壓為900V，并將接收平臺接地，從而在擠出噴頭與接收平臺間形成高壓靜電場；調(diào)整擠出噴頭與接收平臺之間的距離為1.5mm，使擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場作用下形成纖維；
[0021]所述的液態(tài)材料為:以分子量為300000的聚氧化乙烯(PEO)為溶質(zhì)、去離子水為溶劑，配置質(zhì)量比為7%的PEO溶液；
[0022]3)采用數(shù)控X、Y軸精密移動平臺控制擠出噴頭，根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進行運動，使擠出噴頭與接收平臺的相對運動速度為30mm/s，通過控制程序控制電壓的啟停進而控制電紡絲的啟停，配合運動控制程序在硅片上獲得由微/納米級電紡絲組成的幾何圖案結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)掩膜的制作；
[0023]4)利用多靶材濺射機在帶有電紡絲掩膜的基材硅片上濺射一層50nm厚度的鋁膜；
[0024]5)以丙酮為溶劑、配合超聲清洗溶解電紡絲掩膜，然后分別采用無水乙醇和去離子水、配合超聲清洗對硅片進行清洗，在鋁膜上形成所需幾何圖形結(jié)構(gòu)的凹槽；
[0025]6)通過干法刻蝕機將暴露在鋁凹槽中的硅去除，實現(xiàn)硅片的刻蝕；
[0026]7)去除鋁膜，在硅片上得到帶有所需刻蝕的幾何圖案，完成刻蝕，所獲的微流道表面形貌如附圖所示。
[0027]實施例2
[0028]一種基于靜電直寫的低成本微納結(jié)構(gòu)刻蝕方法，包括以下步驟:
[0029]I)利用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計所需掩膜的二維微納幾何圖形結(jié)構(gòu)，然后將該圖形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)；
[0030]2)將液態(tài)材料裝入數(shù)控擠出裝置如精密注射泵內(nèi)，維持90°C，控制液態(tài)材料流速為50ul/h，擠出噴頭內(nèi)徑為300微米，將擠出噴頭與直流高壓發(fā)生器正極相連，調(diào)節(jié)直流電壓為12KV，并將接收平臺接地，從而在擠出噴頭與接收平臺間形成高壓靜電場；調(diào)整擠出噴頭與接收平臺之間的距離為30mm，使擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場作用下形成纖維；
[0031]所述的液態(tài)材料為熔化的分子量為80000的聚己內(nèi)酯(PCL)熔液；
[0032]3)采用數(shù)控X、Y軸精密移動平臺控制擠出噴頭，根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進行運動，使擠出噴頭與接收平臺的相對運動速度為lOmm/s，通過控制程序控制電壓的啟停進而控制電紡絲的啟停，配合運動控制程序在硅片上獲得由微米級電紡絲組成的幾何圖案結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)掩膜的制作；
[0033]4)利用多靶材濺射機在帶有電紡絲掩膜的基材硅片上濺射一層300nm厚度的鋁膜；
[0034]5)以丙酮為溶劑、配合超聲清洗溶解聚己內(nèi)酯(PCL)電紡絲掩膜，然后分別采用無水乙醇和去離子水、配合超聲清洗對硅片進行清洗，在鋁膜上形成所需幾何圖形結(jié)構(gòu)的凹槽；
[0035]6)通過干法刻蝕機將暴露在鋁凹槽中的硅去除，實現(xiàn)硅片的刻蝕；
[0036]7)去除鋁膜，在硅片上得到帶有所需刻蝕的幾何圖案，完成刻蝕。
【權(quán)利要求】
1.一種基于靜電直寫的低成本微納結(jié)構(gòu)刻蝕方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)利用計算機輔助設(shè)計軟件設(shè)計所需掩膜的二維微納幾何圖形結(jié)構(gòu)，然后將該圖形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)； 2)將液態(tài)材料裝入數(shù)控擠出裝置，控制液態(tài)材料的擠出速度為0.1?50ul/h，將擠出噴頭與直流高壓發(fā)生器正極相連，調(diào)節(jié)直流電壓介于0.6?15kV之間，并將接收平臺接地，從而在擠出噴頭與接收平臺間形成高壓靜電場；調(diào)整擠出噴頭與接收平臺之間的距離介于0.5?30mm，使擠出的液態(tài)材料在高壓靜電場作用下形成微/納米纖維絲； 3)采用數(shù)控X、Y軸精密移動平臺控制擠出噴頭或接收平臺，根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)和填充數(shù)據(jù)進行運動，使擠出噴頭與接收平臺的相對運動速度介于0.01?lm/s ;通過控制程序控制電壓的啟停進而控制電紡絲的啟停，配合控制程序在基材上獲得由微/納米級電紡絲組成的幾何圖案結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)掩膜的制作； 4)在帶有電紡絲掩膜的基材上制作一層厚度不超過電紡絲掩膜厚度，即0-400nm的基材保護膜，在電紡絲掩膜厚度內(nèi)，根據(jù)刻蝕深度選擇保護膜厚度； 5)通過熔化、溶解、超聲振動或分解等物理化學(xué)方法除去電紡絲掩膜，將電紡絲掩膜的幾何圖形轉(zhuǎn)移至基材保護層上，得到帶有所需幾何圖形凹槽的基材保護層，為下一步刻蝕準(zhǔn)備； 6)通過干法或濕法刻蝕將暴露在保護層凹槽中的基材去除，實現(xiàn)基材的刻蝕，控制刻蝕時間從而控制刻蝕深度； 7)去除基材保護層，得到帶有所需幾何圖形的基材，完成刻蝕。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于靜電直寫的低成本微納結(jié)構(gòu)刻蝕方法，其特征在于:所述的液態(tài)材料分為兩類，一類是將高分子聚合物材料加熱熔解后得到的熔融狀態(tài)的液態(tài)材料，包括聚己內(nèi)酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP);另一類是將高分子聚合物材料溶解于有機或無機溶劑得到的材料溶液，包括聚氧化乙烯(PEO)、聚乳羥基乙酸共聚物(PLGA)或聚偏氟乙烯(PVDF)。
【文檔編號】B81C1/00GK104261343SQ201410443088
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】賀健康, 徐方遠, 李滌塵, 劉亞雄, 靳忠民 申請人:西安交通大學(xué)