专利名称：一种低成本微纳一体化结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机电研究领域，特别是涉及一种低成本微纳一体化结构的制作。
背景技术：
微纳结构器件的应用对象包括医疗、环境、能源、制药、国防和科学研究等诸多关系国计民生的领域。因此从一开始微纳跨尺度结构器件制作就受到了广泛关注。近年来，人们一直就如何制造功能化更强、集成度更高、价格更低廉的微纳结构器件开展了大量研究工作，其中关键技术是如何实现跨尺度制造，即把微、纳结构制作到同一片聚合物上，从而实现微纳跨尺度器件制造。
人们已经对微纳跨尺度集成制造方法开展了大量研究工作，从结果可以看出虽然热压或紫外纳米压印都可以制造微纳跨尺度结构，但是这两种方法仍存在缺陷。热压会引起纳米模具欠填充并在脱模后产生图形的弹性恢复问题，而紫外纳米压印存在石英模具制造困难、难以保证大面积平整度、加工成本高的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对以往微纳跨尺度制造成本高、模具制造复杂、模具欠填充、图形弹性恢复问题，不仅提供一种低成本大面积纳米模具制造方法，而且提出一种基于微、纳双模具和紫外固化纳米压印的微纳跨尺度结构制作方法。本发明采用的技术方案包括以下步骤(I)压印模具微纳加工a. “自上而下”，利用侧墙技术制造二维纳尺度硅模具首先表面修饰硅基底提高聚合物与基底结合强度，使用紫外曝光光刻在硅基底上形成聚合物台阶，利用磁控溅射仪各向同性沉积一层延展性良好基底的附着力强的金属薄膜；然后利用溅射反向刻蚀，有选择性的去除水平方向的薄膜材料；再以侧壁上保留下来的纳尺度“侧墙”为掩膜，利用SF6，02，C4F8气体进行深反应离子刻蚀，得到宽度和深度为纳米尺度的二维纳尺度硅模具；b.以石英为基底材料，制造微尺度模具在石英表面沉积一层厚度IOOnm左右的铬膜，经过剥离工艺得到图形宽度为微米尺度的石英模具；(2)微纳跨尺度图形制作将步骤(I)得到的纳米模具和微米模具分别进行局部氧等离子体和气相沉积氟化物表面处理，保证微米模具的表面能小于纳米模具的表面能；在纳米硅模具上旋涂一层紫外固化光刻胶；将微米石英模具与光刻胶另一面接触并施加压力；透过石英模具进行紫外线曝光使微米模具图形区域以外的光刻胶固化；利用压印制作出纳米沟道，利用曝光显影制作出微米沟道，将微米和纳米结构成型在同一片聚合物材料上，实现微纳跨尺度图形制造；
(3)利用基底和聚合物的共价键反应实现微纳跨尺度结构键合将步骤(2)得到双面聚合物用异丙醇清洗、烘干，并用用氧等离子体处理，浸入到体积比为1%的APTES溶液中完成光刻胶表面改性；表面改性后的微纳跨尺度结构与PDMS基底反应生成牢固的Si-O-Si共价键，实现器件的封装。本发明采用紫外固化光刻胶材料，结合表面修饰、双面反向紫外固化纳米压印、共价键合等MEMS加工工艺制作出了微纳跨尺度结构。通过将纳米模具当基底，微米模具当印模，可以使微米和纳米结构成型在同一片聚合物材料上，再经过曝光、显影得到所需的微纳一体化结构。既避免了临近效应，又降低了纳米模具的制造难度。本发明制作工艺简单、成本低并且容易实现。
图I是纳米模具制作流程示意图。 图2是微纳跨尺度结构制作流程示意图。图中1光刻胶台阶；2硅基底；3金；4微米石英模具；5紫外固化光刻胶；6纳米娃模具。
具体实施例方式下面结合技术方案和附图详细叙述本发明专利的具体实施方式
。图I是本发明制作纳米模具过程的示意图。图I (a)先用六甲基二娃胺(hexamethyldisiloxane, HMDS)将 η 型〈100〉晶向的4英寸硅片作表面处理，在其上形成一个粘结层，用以提高硅片和光刻胶的粘附力。将光刻胶旋涂至硅片表面，得到一定厚度的光刻胶。接着将其在普通紫外光下曝光，将掩膜版线条图形转移到光刻胶，形成光刻胶台阶。此步骤材料不局限于光刻胶，使用其它聚合物制作聚合物台阶也同样适用。图I (b)用氧等离子体清洗硅片，除去硅表面可能的残留物。然后利用RF溅射，在整个光刻胶台阶上保形性的沉积一层黄金。图I (c)利用氩等离子体溅射刻蚀方向特征，选择性地除去光刻胶台阶水平方向上的金层，保留下来的垂直方向的金则形成侧墙。图I (d)将硅片用氧等离子体清洗至光刻胶台阶完全去除，留下的金侧墙则成为下步深反应离子刻蚀工艺的掩膜。图I (e)采用SF6、02和C4F8等离子体，应用深反应离子刻蚀工艺刻蚀硅片至所需要的深度。为了保持衬底干净，推荐深反应离子刻蚀前进行氧等离子清洗。图I (f)用王水去除金侧墙，完成二维纳米硅模具的制作。如图I所示，制作流程步骤如下(I)先用六甲基二娃胺(hexamethyldisiloxane, HMDS)将娃片作表面处理。然后在硅片上旋涂一层光刻胶，接着将其在普通紫外光下曝光，将掩膜版线条图形转移到光刻胶，形成光刻胶台阶。(2)用氧等离子体清洗硅片，除去硅表面可能的残留物，然后利用RF溅射在整个光刻胶台阶上沉积一层黄金。(3)利用氩等离子体溅射刻蚀，选择性地除去光刻胶台阶水平方向上的金层，保留下来的垂直方向的金则成为侧墙。(4)将硅片用氧等离子体清洗至光刻胶台阶完全去除，留下的金侧墙则成为下步深反应离子刻蚀工艺的掩膜。(5)采用SF6、02和C4F8等离子体，应用深反应离子刻蚀工艺刻蚀硅片至所需深度。(6)用王水去除金侧墙，完成二维硅纳米模具的制作。图2是本发明制作微纳跨尺度结构工艺流程图。如图2(a)所示，首先对纳米模具和微米模具进行表面处理。对纳米模具图形以外的区域进行氧等离子体处理，以增加表面能；对微米模具采用气相沉积氟化物的方法钝化表面降低表面能；然后在纳米硅模具上旋涂一层微米级厚的紫外固化光刻胶。如图2(b)所示，将微米石英模具与光刻胶接触并施加压力，经过曝光使得微米图形以外区域的光刻胶固化。如图2(c)所示，脱模时，由于纳米硅模具的表面能高于微米石英模具表面能，因此微米模具先脱模。如图2 (d)所示，将曝光后的光刻胶在显影液中显影，由于微米图形部分未 曝光，显影后会成为微米沟道，纳米图形部分受到紫外光照射，因此被保留下来。显影后的光刻胶用异丙醇清洗，烘干后，为了使图形表面带有羟基并能与APTES反应生成Si-O-Si共价键，将光刻胶用氧等离子体处理。之后将带有羟基的光刻胶浸入到体积比为1%的APTES溶液中进行表面改性。如图2(e)所示，将表面改性后的光刻胶与PDMS共价键合。反应后，光刻胶与PDMS之间形成牢固的Si-O-Si共价键。如图2 (f)所示，将纳米硅模具脱模，并对纳米图形部分进行表面改性。如图2 (g)所示，将改性后的光刻胶与PDMS共价键合，具体步骤参照2中e。图2是本发明制作微纳跨尺度结构过程的示意图。(I)对纳米模具进行局部氧等离子体处理，增加纳米图形区域以外的表面能；对微米模具采用气相沉积氟化物的方法降低表面能；在处理过的纳米硅模具上旋涂一层紫外固化光刻胶。(2)采用紫外固化纳米压印的方法，在石英微模具一侧进行紫外光照射，使微米图形区域以外的光刻胶固化。(3)脱模时，纳米硅模具的表面能高于微米石英模具表面能，微米模具先脱模。(4)将曝光后的光刻胶在显影液中显影，未曝光的部分显影后成为微米沟道。显影后用异丙醇清洗，烘干后用氧等离子体处理，最后浸入到体积比为1%的APTES溶液中进行表面改性。(5)将带有APTES的微米结构与PDMS键合。两种表面改性后的聚合物能够发生共价键反应，生成牢固的Si-O-Si共价键。(6)重复步骤(3)、(4)工艺。(7)重复步骤(5)工艺。凡是利用本发明及附图内容的等效结构或等效工艺流程，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种低成本低成本微纳跨尺度结构制作方法，其特征如下 (1)压印模具微纳加工 a.“自上而下”，利用侧墙技术制造二维纳尺度硅模具 首先表面修饰硅基底提高聚合物与基底结合强度，使用紫外曝光光刻在硅基底上形成聚合物台阶，利用磁控溅射仪各向同性沉积一层延展性良好基底的附着力强的金属薄膜；然后利用溅射反向刻蚀，有选择性的去除水平方向的薄膜材料；再以侧壁上保留下来的纳尺度“侧墙”为掩膜，利用SF6, O2, C4F8气体进行深反应离子刻蚀，得到宽度和深度为纳米尺度的二维纳尺度硅模具； b.以石英为基底材料，制造微尺度模具 在石英表面沉积一层厚度IOOnm的铬膜，经过剥离工艺得到图形宽度为微米尺度的石英模具； (2)微纳跨尺度图形制作 将步骤(I)得到的纳米模具和微米模具分别进行局部氧等离子体和气相沉积氟化物表面处理，保证微米模具的表面能小于纳米模具的表面能；在纳米硅模具上旋涂一层紫外固化光刻胶；将微米石英模具与光刻胶另一面接触并施加压力；透过石英模具进行紫外线曝光使微米模具图形区域以外的光刻胶固化；利用压印制作出纳米沟道，利用曝光显影制作出微米沟道，将微米和纳米结构成型在同一片聚合物材料上，实现微纳跨尺度图形制造； (3)利用基底和聚合物的共价键反应实现微纳跨尺度结构键合 将步骤(2)得到双面聚合物用异丙醇清洗、烘干，并用用氧等离子体处理，浸入到体积比为1%的APTES溶液中完成光刻胶表面改性；表面改性后的微纳跨尺度结构与PDMS基底反应生成牢固的Si-O-Si共价键，实现器件的封装。
2.根据权利要求I所述的一种低成本微纳一体化结构的制作方法，其特征在于，制备侧墙所需的台阶采用聚合物、二氧化硅或氮化硅。
3.根据权利要求I或2所述的一种低成本微纳跨尺度结构制作方法，其特征在于，提高薄膜延展性并增强薄膜与基底的附着力，薄膜材料选择金。
4.根据权利要求I或2所述的一种低成本微纳跨尺度结构制作方法，其特征在于，提高聚合物与基底结合强度的粘结层材料选用六甲基二硅胺(HMDS)。
5.根据权利要求I或2所述的一种低成本微纳跨尺度结构制作方法，其特征在于，封装双面聚合物结构采用顺次脱模和键合的方法。
6.根据权利要求3所述的一种低成本微纳跨尺度结构制作方法，其特征在于，提高聚合物与基底结合强度的粘结层材料选用六甲基二硅胺(HMDS)。
7.根据权利要求3所述的一种低成本微纳跨尺度结构制作方法，其特征在于，封装双面聚合物结构采用顺次脱模和键合的方法。
8.根据权利要求4所述的一种低成本微纳跨尺度结构制作方法，其特征在于，封装双面聚合物结构采用顺次脱模和键合的方法。
全文摘要
本发明属于微机电系统(MEMS)领域，涉及一种低成本微纳一体化结构的制作方法。其特征是利用侧墙工艺制作出纳米硅模具，再利用剥离工艺制作出微米石英模具，然后通过类似紫外纳米压印的方法，将紫外固化光刻胶旋涂在纳米硅模具上，将微米石英模具与光刻胶接触并施压力，经过曝光、显影后得到微纳一体化结构。最后，通过PDMS与光刻胶Si-O-Si共价键合对结构进行封装，进而实现了微纳一体化结构的制作。本发明采用侧墙工艺制作纳米模具，采用双模具通过紫外纳米压印方式制作微纳一体化结构，并利用共价键合实现结构封装，其制作工艺简单、成本低、工艺重复性好并且容易实现。
文档编号B81C1/00GK102897709SQ201210344720
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者邹赫麟, 程娥, 殷志富 申请人:大连理工大学