一种任意三维微结构的加工方法技术

一种任意三维微结构的加工方法，包括如下步骤：(1)将硅或III‑V族半导体材料的工件清洗干燥；(2)在工件衬底上旋涂一层光刻胶，加盖所需微结构形状的掩膜板、曝光，曝光的光刻胶经过显影去除；去除曝光的光刻胶；蒸镀钛(Ti)和金(Au)层；(3)将刻蚀路线各段分别映射到沿x、y、z轴三个方向；根据不同的刻蚀转向角度配置相应的刻蚀液，刻蚀液可沿着工件的某一晶向进行刻蚀；(4)将工件放入对应起始角度的刻蚀液中进行刻蚀；(5)取出工件，浸入预设刻蚀转向角度对应的刻蚀液中进行刻蚀；若需要多个转向弯折点，则重复步骤(4)和步骤(5)；本发明专利技术可实现在加工件上可形成任意规则的复杂三维微结构，其操作简单且成本低廉。

Method for processing arbitrary three-dimensional microstructure

A method for processing arbitrary three-dimensional micro structure, which comprises the following steps: (1) the workpiece cleaning silicon or III V semiconductor material drying; (2) on the substrate coated with a layer of photoresist, with desired microstructure shape mask, exposure of photoresist exposure by development removal; remove photoresist exposure; deposited Ti (Ti) and gold (Au) layer; (3) will be mapped to each etching route along the X, y, Z axis three directions; according to different steering angle configuration of the corresponding etching etching solution, etching solution for etching along to a crystal the workpiece; (4) the workpiece into the etching liquid corresponding starting angle in etching; (5) remove the workpiece, etching the etching liquid into the steering angle corresponding to the preset etching; if you need a steering bending point, repeat steps (4) and step (5); the invention can realize the processing A complex three-dimensional micro structure with arbitrary rules can be formed, and the operation is simple and the cost is low.

【技术实现步骤摘要】
一种任意三维微结构的加工方法
本专利技术涉及集成电路制造工艺
，尤其涉及一种任意三维微结构的加工方法。
技术介绍
微结构广泛存在于微流控芯片、生物芯片及微电子器件中，常用于控制各类型的化学反应、筛选异常细胞、基因检测、电学通道等各类重要应用场合。其中，微流控芯片因其微型、快速、高效、集成、自动、节能以及试剂耗费量低等特点，广泛应用于包括生命科学、分析化学、医学化验、食品卫生、环境监测等多种领域。但是，由于精确检测、控制反应等功能的需要，往往需要形状较为复杂的三维微结构，对微结构的形状及表面的质量要求也极高。目前制作复杂三维微结构的加工方法主要包括：电子束光刻、光刻电铸(LIGA)、二元光学技术、三束直写技术(电子束、聚焦离子束、激光束)。然而，电子束光刻或LIGA技术都需要三层光刻胶技术、反应离子束刻蚀技术、电铸技术相结合。其加工工艺复杂，加工设备昂贵。二元光学技术面临多次掩模套刻和对准问题，加工过程复杂。三束直写技术属于逐点加工技术，加工效率低且成本高，不适合批量加工。同时目前利用光刻技术加工得到的复杂三维结构都是属于二进制的准三维结构(2.5维)，都是由一系列台阶组成的近似连续曲面。适用于加工连续曲面的灰度掩模技术需要对掩模进行复杂的设计，同时加以复杂的甩胶和曝光过程。如专利ZL201210110238.0、专利ZL201110007738.7以及专利ZL201110193072.9等，在高聚物中普遍采用的是利用多片二维表面刻画沟槽的有机玻璃相键合制作的伪三维结构，直接在有机玻璃种直写制作三维微结构存在很大工艺难度。因此，亟需设计一种任意三维微结构的加工新方法。金属辅助化学刻蚀工艺，通过贵金属纳米粒子的催化，在氢氟酸和氧化剂(过氧化氢、硝酸铁、高锰酸钾等)的混合溶液中刻蚀硅或者III-V族半导体材料，从而在体硅或者III-V族半导体材料深处形成与重金属颗粒直径和密度相当的大深径比的微孔。然而，目前仍没有可利用金属辅助化学刻蚀工艺加工得到任意三维微结构的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种任意三维微结构的加工方法，实现了在加工件上可形成任意规则的复杂三维微结构，其操作简单且成本低廉。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种任意三维微结构的加工方法，包括如下步骤：(1)将硅或III-V族半导体材料的工件进行清洗，然后干燥待用；(2)在步骤(1)得到的工件衬底上旋涂一层光刻胶，烘干，加盖所需微结构形状的掩膜板，并放在光刻机中进行曝光，曝光的光刻胶经过显影去除；然后，通过反应离子刻蚀去除残留的曝光的光刻胶；接着，在工件衬底上表面分别蒸镀钛(Ti)和金(Au)层，由于未曝光的光刻胶起到了掩模的作用，因此可在工件上产生具有所需微结构形状的金属层；(3)根据所需成形的三维微结构设计刻蚀路线，将刻蚀路线各段分别映射到沿x、y、z轴三个方向；根据不同的刻蚀转向角度配置相应的刻蚀液，所述刻蚀液可沿着所述工件的某一晶向进行刻蚀，形成相应的孔道；(4)将所述工件放入对应起始角度的刻蚀液中进行刻蚀，通过刻蚀时间控制刻蚀长度，以此确定转向弯折点；(5)将工件取出，经过清洗干燥处理后，浸入预设刻蚀转向角度对应的刻蚀液中进行刻蚀，通过刻蚀时间控制刻蚀长度，以此确定转向弯折点；刻蚀后进行清洗干燥处理；若需要多个转向弯折点，则重复步骤(4)和步骤(5)。进一步说明，所述刻蚀液的组分包括：氢氟酸、氧化剂、水和添加剂，其通过改变添加剂的材质和用量来控制所述刻蚀液对工件的刻蚀角度。进一步说明，步骤(1)中的所述清洗为将工件置于浓硫酸和过氧化氢的混合热溶液中，并用去离子水冲洗；所述浓硫酸与过氧化氢的配比为1:1，所述混合热溶液的温度为20-70℃；所述干燥为采用氮气进行干燥。进一步说明，所述加工件被刻蚀的速度为0.5-5μm/min。进一步说明，步骤(5)中所述清洗干燥处理为取出刻蚀完成后的工件采用去离子水冲洗干净和采用氮气来吹干。进一步说明，所述刻蚀液保存于密闭容器中，所述密闭容器为聚四氟乙烯容器。进一步说明，步骤(2)中的所述光刻胶的旋涂厚度为350～450nm。一种单晶硅的任意三维微结构的加工方法，包括如此步骤：(1)将单晶硅的工件进行清洗，然后干燥待用；(2)在步骤(1)得到的工件衬底上旋涂一层光刻胶，烘干，加盖所需微结构形状的掩膜板，并放在光刻机中进行曝光，曝光的光刻胶经过显影去除；然后，通过反应离子刻蚀去除残留的曝光的光刻胶；接着，在工件衬底上表面分别蒸镀钛(Ti)和金(Au)层，由于未曝光的光刻胶起到了掩模的作用，因此可在工件上产生具有所需微结构形状的金属层；(3)根据所需成形的三维微结构设计刻蚀路线，将刻蚀路线各段分别映射到沿x、y、z轴三个方向；根据不同的刻蚀转向角度配置相应的刻蚀液，所述刻蚀液可沿着所述工件的某一晶向进行刻蚀，形成相应的孔道；所述刻蚀液的组分包括氢氟酸、氧化剂、水，以及不同比例的添加剂，其通过改变添加剂的材质和用量来控制所述刻蚀液对工件刻蚀的转向角度；(4)将所述工件放入对应起始角度的刻蚀液中进行刻蚀，通过刻蚀时间控制刻蚀长度，以此确定转向弯折点；(5)将工件取出，经过清洗干燥处理后，浸入预设刻蚀转向角度对应的刻蚀液中进行刻蚀，通过刻蚀时间控制刻蚀长度，以此确定转向弯折点；刻蚀后进行清洗干燥处理；若需要多个转向弯折点，则重复步骤(4)和步骤(5)。进一步说明，所述添加剂包括乙醇、乙二醇和丙三醇中的任意一种。本专利技术的有益效果：在前处理中以贵金属粒子作为催化剂，根据所需要成形的三维微结构设计刻蚀路线，将刻蚀路线各段分别映射到沿x、y、z轴三个方向，再根据所需要成形的三维微结构和不同的刻蚀转向角度，设计刻蚀液的成分和比例来控制刻蚀液的粘度与表面张力，从而控制金属粒子催化剂与加工件的接触位置与刻蚀方向；并通过控制刻蚀液的更换次数来控制转向次数、通过控制每次的刻蚀时间来控制每段微结构形状，在混合溶液的作用下去除特定位置的材料，从而加工出所需的任意的三维微结构。该方法避开了常规思维，通过改变刻蚀液中的成分和比例，巧妙且简单地实现了三维微结构的制作，操作简单，成本低，适应于任意规则的复杂三维微结构；能够适用于微流控芯片、生物芯片及微电子器件，可用于大批量生产，具有较大的推广空间。附图说明图1是本专利技术一个实施例的显影后在硅表面形成的横截面的结构示意图；图2是本专利技术一个实施例的蒸镀后在硅表面形成的贵金属层的横截面结构示意图；图3是本专利技术一个实施例的去除光刻胶后硅表面贵金属层的横截面的结构示意图；图4是本专利技术一个实施例的去除光刻胶后硅表面贵金属层的俯视图；图5是本专利技术一个实施例的单晶硅块件与刻蚀液A反应后获得块件横截面的结构示意图；图6是本专利技术一个实施例的单晶硅块件与刻蚀液B1反应后获得块件横截面的结构示意图；图7是本专利技术一个实施例的单晶硅块件与刻蚀液A反应后获得块件横截面的结构示意图；图8是本专利技术一个实施例的单晶硅块件与刻蚀液B2反应后获得块件横截面的结构示意图；图9是本专利技术一个实施例的单晶硅块件与刻蚀液A反应后获得块件横截面的结构示意图；图10是本专利技术一个实施例的单晶硅块件获得的三维结构微通道的结构示意图；图11是本专利技术一个实施例的去除光刻胶后硅表面贵金属层的俯视图；图12是本专利技术一个实施例的单晶硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种任意三维微结构的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)将硅或III‑V族半导体材料的工件进行清洗，然后干燥待用；(2)在步骤(1)得到的工件衬底上旋涂一层光刻胶，烘干，加盖所需微结构形状的掩膜板，并放在光刻机中进行曝光，曝光的光刻胶经过显影去除；然后，通过反应离子刻蚀去除残留的曝光的光刻胶；接着，在工件衬底上表面分别蒸镀钛(Ti)和金(Au)层，由于未曝光的光刻胶起到了掩模的作用，因此可在工件上产生具有所需微结构形状的金属层；(3)根据所需成形的三维微结构设计刻蚀路线，将刻蚀路线各段分别映射到沿x、y、z轴三个方向；根据不同的刻蚀转向角度配置相应的刻蚀液，所述刻蚀液可沿着所述工件的某一晶向进行刻蚀，形成相应的孔道；(4)将所述工件放入对应起始角度的刻蚀液中进行刻蚀，通过刻蚀时间控制刻蚀长度，以此确定转向弯折点；(5)将工件取出，经过清洗干燥处理后，浸入预设刻蚀转向角度对应的刻蚀液中进行刻蚀，通过刻蚀时间控制刻蚀长度，以此确定转向弯折点；刻蚀后进行清洗干燥处理；若需要多个转向弯折点，则重复步骤(4)和步骤(5)。

【技术特征摘要】
1.一种任意三维微结构的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)将硅或III-V族半导体材料的工件进行清洗，然后干燥待用；(2)在步骤(1)得到的工件衬底上旋涂一层光刻胶，烘干，加盖所需微结构形状的掩膜板，并放在光刻机中进行曝光，曝光的光刻胶经过显影去除；然后，通过反应离子刻蚀去除残留的曝光的光刻胶；接着，在工件衬底上表面分别蒸镀钛(Ti)和金(Au)层，由于未曝光的光刻胶起到了掩模的作用，因此可在工件上产生具有所需微结构形状的金属层；(3)根据所需成形的三维微结构设计刻蚀路线，将刻蚀路线各段分别映射到沿x、y、z轴三个方向；根据不同的刻蚀转向角度配置相应的刻蚀液，所述刻蚀液可沿着所述工件的某一晶向进行刻蚀，形成相应的孔道；(4)将所述工件放入对应起始角度的刻蚀液中进行刻蚀，通过刻蚀时间控制刻蚀长度，以此确定转向弯折点；(5)将工件取出，经过清洗干燥处理后，浸入预设刻蚀转向角度对应的刻蚀液中进行刻蚀，通过刻蚀时间控制刻蚀长度，以此确定转向弯折点；刻蚀后进行清洗干燥处理；若需要多个转向弯折点，则重复步骤(4)和步骤(5)。2.根据权利要求1所述的一种任意三维微结构的加工方法，其特征在于：所述刻蚀液的组分包括：氢氟酸、氧化剂、水和添加剂，其通过改变添加剂的材质和用量来控制所述刻蚀液对工件的刻蚀角度。3.根据权利要求1所述的一种任意三维微结构的加工方法，其特征在于：步骤(1)中的所述清洗为将工件置于浓硫酸和过氧化氢的混合热溶液中，并用去离子水冲洗；所述浓硫酸与过氧化氢的配比为1:1，所述混合热溶液的温度为20-70℃；所述干燥为采用氮气进行干燥。4.根据权利要求1所述的一种任意三维微结构的加工方法，其特征在于：所述加工件被刻蚀的速度为0.5-5μm/min。5.根据权利要求1所述的一种任意三维微结构的加工...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云，李力一，麦锡全，陈新，刘强，汪正平，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44