一種基于等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的方法。該方法直接對金屬鈦片表面進行等離子體處理，通過控制調(diào)節(jié)等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的工藝參數(shù)，包括平板功率、刻蝕時間、線圈功率、刻蝕氣體流量、反應室壓強、溫度，在無需任何納米尺度光刻工藝的條件下即可在金屬鈦表面生成大面積、高密度的納米柱陣列結(jié)構。其中等離子體刻蝕系統(tǒng)的平板功率為50～150W。該制備鈦納米柱結(jié)構的方法效率高、成本低，且能夠與其他微加工工藝相容。
【專利說明】一種基于等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微納加工【技術領域】，具體涉及一種基于等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的方法。

【背景技術】
[0002]隨著納米尺寸器件在微流體、生物工程、光學、傳感器件等方面的應用價值日益突出，納米柱陣列加工越來越受到廣泛的重視。目前，納米結(jié)構的制備一般采用電子束光刻(Electron-Beam Lithography)、聚焦離子束(Focused 1n Beam, FIB)刻蝕等方法。上述方法對設備要求高，成本高且不能滿足大范圍的納米加工。此外膠體晶粒光刻技術也被用于制備納米結(jié)構，但其加工質(zhì)量難以控制，加工面積小(mm量級)，成品率低。北京大學提出了一種制備硅納米柱結(jié)構的方法，利用干法去膠后殘留的光刻膠作為微掩膜，在硅基底上制備了多樣的納米結(jié)構，但由于氟基氣體刻蝕硅橫向鉆蝕嚴重，納米柱結(jié)構深寬比受到限制。以上介紹的方法均基于等離子體刻蝕，基底材料為硅，結(jié)構幾何特征強烈依賴于微掩膜制備方法。
[0003]金屬鈦除了擁有金屬的一般特性，導電性好、韌性高、耐腐蝕、抗氧化、生物兼容、加工手段豐富多樣等，還有很多獨特的特性，使得它在航空航天、生物醫(yī)學等很多領域備受青睞。金屬鈦能夠通過水浴氧化、酸/堿處理、微弧氧化等方式制備納米尺寸孔狀結(jié)構，但在金屬鈦基底上制備納米柱陣列結(jié)構，目前還沒有相關報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對目前納米柱制備方法掩膜制作困難、面積小、成品率低等問題，提出了一種基于等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的方法，該方法無需制備微掩膜，效率高、成本低、可大面積制備高密度金屬鈦納米柱結(jié)構，且能夠與其他微加工工藝兼容。
[0005]本發(fā)明研究了金屬鈦的等離子體刻蝕技術，發(fā)現(xiàn)當RIE功率低于常規(guī)刻蝕功率后，刻蝕表面形成納米結(jié)構，經(jīng)過一系列的工藝優(yōu)化，可以成功制備納米柱結(jié)構。通過表面成分分析，發(fā)現(xiàn)刻蝕后表面有TiClx殘留，即當刻蝕溫度低、離子轟擊力弱，部分反應生成物殘留在表面，形成微掩膜。金屬鈦等離子體刻蝕制備納米柱結(jié)構不存在鈍化/刻蝕交替，刻蝕與反應生成物淀積同時進行。因側(cè)壁幾乎不暴露在Cl離子環(huán)境中，故側(cè)壁刻蝕速率很低，具有較高的縱向-橫向刻蝕選擇比，使得表面容易形成高深寬比納米柱結(jié)構。
[0006]本發(fā)明提出的基于等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的方法，包括如下步驟:
[0007]I)將鈦片放入等離子體刻蝕系統(tǒng)反應室，然后對反應室抽真空并通入刻蝕氣體；
[0008]2)設定等離子體刻蝕系統(tǒng)的平板功率為50?150W，利用等離子體與鈦片反應進行刻蝕，得到鈦納米柱結(jié)構。
[0009]進一步的，上述等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的工藝，刻蝕氣體優(yōu)選采用氯基氣體，也可以是氯基氣體與氬氣、氧氣等的混合的氣體。
[0010]進一步的，上述等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的工藝，可控制的刻蝕工藝參數(shù)還包括:等離子體氣體流量、刻蝕線圈功率、刻蝕時間、反應室壓強、溫度。其中，等離子體氣體流量的優(yōu)選范圍為40?10sccm ;線圈功率的優(yōu)選為200?1000W ;刻蝕時間優(yōu)選為60?600s ;工作壓強的優(yōu)選范圍為0.4?IPa ;工作溫度的優(yōu)選范圍為-13?0°C。
[0011]進一步的，上述等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的工藝，也可以采用刻蝕/鈍化混合的方式(即同時通入刻蝕氣體和一定比例的鈍化氣體)對鈦片進行處理。與單純進行刻蝕相比，這種刻蝕/鈍化混合的方式，有利于鈍化保護層的形成，可以進一步提高納米柱森林結(jié)構深寬比。
[0012]進一步的，上述等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的工藝，在鈦納米柱結(jié)構制備前，可以通過常規(guī)微米/納米加工方法在金屬鈦表面制備微米/納米結(jié)構，加工方法包括濕法腐蝕、干法刻蝕、激光加工、電火花加工以及其他可以在金屬鈦表面產(chǎn)生臺階、曲面等表面形貌的物理、化學及機械加工方法。
[0013]進一步的，上述等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的工藝，可以在通過軟掩膜或者硬掩膜圖形化在限定的區(qū)域制作圖形化納米柱結(jié)構。
[0014]本發(fā)明直接對鈦片表面進行等離子體處理，通過調(diào)節(jié)選取合適的刻蝕工藝參數(shù)，在無需納米光刻工藝和掩膜制作的條件下即可在鈦片本體制備大面積、高密度的納米柱結(jié)構。該方法還可以應用在已有任意微結(jié)構表面制備鈦納米柱結(jié)構，并且不會破壞原有結(jié)構，效率高，成本低，能夠與其他微加工工藝集成。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是無圖形金屬鈦表面制備納米柱陣列結(jié)構的示意圖。
[0016]圖2是平板功率設定為100W時不同刻蝕時間的鈦表面納米結(jié)構刻蝕形貌掃描電鏡圖。
[0017]圖3鈦表面納米結(jié)構刻蝕形貌隨線圈功率變化(400W?800W)掃描電鏡圖。
[0018]圖4鈦表面納米結(jié)構刻蝕形貌隨氯氣流量變化(40SCCm?80sCCm)掃描電鏡圖。
[0019]圖5是圖形化金屬鈦表面制備納米柱結(jié)構I的示意圖。
[0020]圖6是圖形化金屬鈦表面制備納米柱結(jié)構2的示意圖。
[0021]圖7是圖形化金屬鈦表面制備納米柱結(jié)構3的示意圖。
[0022]圖8a和圖8b是圖形化金屬鈦表面制備的兩種納米柱陣列結(jié)構的掃描電鏡圖。

【具體實施方式】
[0023]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0024]實施例1:
[0025]本實施例使用刻蝕氣體氯氣制備鈦納米柱結(jié)構。圖1是無圖形金屬鈦表面制備納米柱陣列結(jié)構的示意圖。具體制備步驟包括:
[0026]步驟1:將鈦片放入等離子體刻蝕系統(tǒng)反應室；本實施例采用Sentech等離子體刻蝕設備；
[0027]步驟2:抽真空后，通入刻蝕氣體氯氣，優(yōu)選工作壓強0.4?0.7Pa，優(yōu)選氯氣流量40 ?10sccm ；
[0028]步驟3:調(diào)整設備的刻蝕工藝參數(shù)，優(yōu)選平板功率80?120W，優(yōu)選線圈功率400?600W，利用產(chǎn)生的等離子體與鈦片反應進行刻蝕，得到鈦納米柱結(jié)構。優(yōu)選刻蝕時間90?300s。
[0029]本發(fā)明通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，當平板功率過高(例如，大于等于200W)時，離子轟擊力大，無法形成鈦納米柱結(jié)構，即屬于常規(guī)深刻蝕；當平板功率降低(例如，150W?200W)時，離子轟擊力減弱，肉眼觀察呈黑色，但沒有形成納米尺寸柱形結(jié)構；當平板功率較低(例如小于等于50W)時，離子轟擊力小，形成的鈦納米柱結(jié)構不規(guī)則，因此只有選取合適的平板功率才能產(chǎn)生規(guī)則的鈦納米柱結(jié)構。本發(fā)明設定平板功率的優(yōu)選范圍為50?150W。對于本實施例采用的刻蝕氣體氯氣，如上所述平板功率進一步優(yōu)選為80?120W。
[0030]經(jīng)過氯氣的等離子體刻蝕工藝處理，鈦片表面為納米柱狀結(jié)構，直徑范圍為50nm?200nm,高度范圍為400nm?1200nm的納米柱，深寬比達10:1。
[0031]圖2為該工藝條件下制備鈦納米柱結(jié)構的掃描電鏡圖。圖3為納米結(jié)構隨線圈功率變化的掃描電鏡圖，其中，(a)圖的線圈功率是400W，(b)圖的線圈功率是600W，(c)圖的線圈功率是800W。當線圈功率變化400W?800W時，納米結(jié)構密度變化，功率越高，納米柱越稀疏。圖4為納米結(jié)構隨氯氣流量變化的掃描電鏡圖，氯氣流量40?80SCCm，其中，(a)圖為40sccm, (b)圖為60sccm, (c)圖為80sccm。隨著氯氣流量的增大,納米柱的高度增加、密度降低。
[0032]采用等離子體刻蝕制備納米柱結(jié)構，所處理的鈦片表面可以為沒有任何圖形與結(jié)構的平坦鈦片，也可以為具有臺階、曲面等表明形貌的非平坦鈦片；還可以為以光刻膠、金屬、氧化物及其他可用于常規(guī)圖形化阻擋層材料的掩膜的已進行圖形化但未去除掩膜的平坦或非平坦鈦片，即可實現(xiàn)微納混合結(jié)構。圖5?7為制備的三種納米柱結(jié)構。圖5所示的圖形化納米柱結(jié)構I的制備過程為，(a)掩膜制備及圖形化，(b)納米柱結(jié)構制備。圖6制備的鈦表面納米柱結(jié)構2中，(a)圖為常規(guī)深刻蝕，(b)圖為常規(guī)深刻蝕底部制備納米柱陣列。圖7制備的鈦表面納米柱結(jié)構3中，(a)圖為常規(guī)深刻蝕，(b)圖為去除常規(guī)深刻蝕掩膜，(C)圖為在非平坦表面制備納米柱陣列。
[0033]實驗證明，本發(fā)明采用鈦納米柱結(jié)構工藝實現(xiàn)的微納混合加工不影響原有微米結(jié)構基本形貌。如首先利用等離子刻蝕在金屬鈦表面制備微米結(jié)構，然后使用鈦納米柱結(jié)構工藝形成表面納米柱，通過觀察微米結(jié)構底部納米柱清晰可見，且微米結(jié)構并沒有受到破壞，示例結(jié)果如圖8(a)和圖8(b)所示。
[0034]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求所述為準。
【權利要求】
1.一種基于等離子刻蝕制備鈦納米柱結(jié)構的方法，其步驟包括: 1)將鈦片放入等離子體刻蝕系統(tǒng)反應室,然后對反應室抽真空并通入刻蝕氣體； 2)設定等離子體刻蝕系統(tǒng)的平板功率為50?150W，利用等離子體與鈦片反應進行刻蝕，得到鈦納米柱結(jié)構。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)所述刻蝕氣體是下列中的一種:氯基氣體，或氯基氣體與氬氣、氧氣的混合氣體。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)所述鈦片表面可以為任意形狀，包括表面平坦的鈦片、表面有一定臺階的鈦片、表面為曲面的鈦片。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟2)所述刻蝕工藝還包括設定如下參數(shù):等離子體氣體流量、刻蝕線圈功率、刻蝕時間、反應室壓強和溫度。
5.如權利要求4所述的方法,其特征在于:所述等離子體氣體流量為40?10sccm；所述刻蝕線圈功率為200?1000W ;所述刻蝕時間為60?600s ;所述反應室壓強為0.4?IPa;所述溫度為-13?(TC。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于:在鈦納米柱結(jié)構制備前，通過常規(guī)微米/納米加工方法在金屬鈦表面制備微米/納米結(jié)構.
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述常規(guī)微米/納米加工方法為下列中的一種:濕法腐蝕、干法刻蝕、激光加工、電火花加工、超聲加工、微細精密切削加工。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于:通過軟掩膜或者硬掩膜圖形化在限定的區(qū)域制作圖形化納米柱結(jié)構。
9.如權利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于:在刻蝕鈦片過程中加入鈍化周期，采用刻蝕/鈍化混合的方式對鈦片進行刻蝕。
10.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述方法制備的鈦納米柱結(jié)構。
【文檔編號】B81C1/00GK104163397SQ201410342430
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權日:2014年7月17日
【發(fā)明者】陳兢, 李男男, 朱寧莉 申請人:北京大學