一种低成本的二维纳米模具制作方法与流程

本发明涉及微机电研究领域，特别是涉及一种低成本二维纳米模具的制作方法。

背景技术：

纳流控芯片的核心结构尺寸为纳米级别。由微米结构进入纳米结构，表体比急剧增加，双电偶层表面电荷主导传输，会发生许多在微米通道中不存在的新物理现象，如离子输运、二极管效应、浓差极化、电压响应等，使得纳流控芯片在化学检测、生物分析以及医学工程等领域有着广阔的应用前景。

二维纳米模具是指深度和宽度分别为纳米尺度的模具。目前，二维纳米模具的制作方法主要依赖于电子束和聚焦离子束等具有纳米级分辨率的设备。这些设备具有较高的分辨率，然而这些设备成本比较昂贵，并且它们都是利用直写的方式形成纳米图形，刻写过程非常缓慢而耗时，以此制造晶圆级的纳米图形将变得非常困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，针对以往二维纳米模具制造成本高，生产效率低，不适合批量化生产的问题，提供一种低成本、大面积二维纳米模具的制作方法。

本发明采用的技术方案为：一种低成本二维纳米模具的制作方法，包括如下步骤：

(1)生长薄膜：在硅基底表面生长二氧化硅薄膜材料层，厚度为100nm-400nm。

(2)旋涂反转光刻胶：在二氧化硅薄膜材料层表面旋涂反转光刻胶，再进行前烘工艺；

(3)制造宽度为纳米级的光刻胶台阶：利用微米级尺寸的掩膜版进行紫外曝光，调节紫外曝光参数0.1-1s，然后在120℃的热板上，反转烘烤时间为1min45s、全面曝光时间为30s、显影、清洗和后烘工艺，得到宽度为100nm-850nm的纳米光刻胶台阶结构；

(4)刻蚀二氧化硅薄膜：以所述步骤(3)中纳米光刻胶台阶结构为掩膜，刻蚀二氧化硅薄膜，进一步缩小纳米图形的宽度，得到宽度为纳米尺度的二氧化硅纳米图形阵列；

(5)刻蚀硅基底：去除所述步骤(3)中的纳米光刻胶台阶结构，以二氧化硅纳米图形为掩膜，刻蚀硅基底，通过设定刻蚀时间，刻蚀深度为纳米级；

(6)去除二氧化硅薄膜，得到纳米尺度二维纳米硅模具，二维纳米硅模具的宽度为80-200nm，深度为20-200nm。

所述步骤(2)中的反转光刻胶是指：在紫外曝光和前烘工艺后，进行显影表现为正性光刻胶；但若在紫外曝光和前烘工艺完成后，再进行烘烤(反转烘)和全面曝光工艺，最后进行显影则表现为负性光刻胶。

所述步骤(3)中的掩膜版图形为微米尺度的矩形阵列，矩形宽度尺寸为1.5-3μm，矩形间距尺寸为1.5-3μm。

所述步骤(3)中平均曝光剂量为6.9mwcm^-2

与现有技术相比，本发明具有的突出实质性优点和作用表现如下：

本发明通过将传统的紫外光刻技术结合湿法刻蚀技术，制造大面积二维纳米模具，首先利用具有微米尺度图形的掩膜版，进行紫外光刻制造出宽度为几百纳米的光刻胶台阶结构；然后利用湿法刻蚀技术进一步缩小纳米图形的宽度，最后制造出宽度和深度均为纳米尺度的二维纳米模具。本发明不需要昂贵的具有纳米级分辨率的光刻设备，只需改变曝光时间，即可制造出截面尺寸可控的，高精度的二维纳米模具，且该方法成本低，工艺简单，并且容易实现。

本发明在基底旋涂反转光刻胶az5214，仅利用具有微米尺度图形的掩膜版进行紫外光刻，显影后即可得到宽度为纳米尺度的光刻胶台阶。目前未见相关报道。

附图说明

图1是制作二维纳米模具的工艺流程示意图：

(a)旋涂反转光刻胶示意图；

(b)紫外光刻示意图；

(c)显影后,宽度为纳米的光刻胶台阶结构示意图；

(d)湿法腐蚀示意图；

(e)去除反转光刻胶掩膜材料；

(f)二维纳米模具示意图。

图2是光刻胶台阶断面形貌的电镜图:

(a)曝光时间＝0.7s；

(b)曝光时间＝0.8s；

(c)曝光时间＝0.9s；

(d)曝光时间＝1s。

附图标记：1-光刻胶；2-二氧化硅薄膜材料层；3-硅基底；4-紫外光；5-掩膜版。

具体实施方式

下面结合实施例和附图详细叙述本发明做进一步说明。

实施例1

如图1(a)将硅基底3，本实施例中硅基底3采用硅片，通过标准清洗液清洗后，放入氧化炉内进行氧化，并按照一定顺序通入干氧和湿氧，使得硅片的表面生成一层致密的厚度为100-400nm的二氧化硅薄膜材料层2，作为衬底；再旋涂一层反转光刻胶az5214，厚度为860nm，然后在100℃的热板上，前烘时间为90s。

如图1(b)所示，曝光剂量为6.9mw/m²，利用具有微米尺度图形的掩膜版5，对az5214进行紫外曝光，紫外光4作用于光刻胶上,其中，掩膜版图形为矩形阵列，其中矩形的宽度尺寸和间距尺寸均为1.5-3μm，矩形的长度尺寸为1.5-3μm。

如图1(c)所示，在120℃的热板上，反转烘时间为1min45s，然后进行全曝光时间为30s，显影，清洗和后烘工艺120℃、3min，得到宽度为纳米的光刻胶台阶结构。调节紫外曝光参数，曝光时间为0.7s，0.8s，0.9s和1s时，光刻胶台阶宽度值分别为400nm，725nm，850nm，855nm,如图2(a)-(d)所示。

如图1(d)所示，以光刻胶为掩膜，恒温60℃条件下，利用hf缓冲液(hf:nh4f:h2o＝3:6:10)对二氧化硅薄膜进行过刻蚀。

如图1(e)所示，以二氧化硅纳米图形为掩膜，对硅基底进行刻蚀，刻蚀深度为纳米级(刻蚀深度控制在200nm以下)。

如图1(f)所示，去除二氧化硅掩膜，得到宽度和深度分别为纳米尺寸(宽度80-200nm、深度20-200nm)的二维纳米模具。

实施例2

曝光时间为0.2秒-0.6秒，经过显影后，得到光刻胶台阶宽度值为100-300nm。其他工艺过程及参数与实施例1相同。

实施例3

曝光时间为0.6-0.7s，经过显影后，得到光刻胶台阶的宽度值为300-400nm。其他工艺过程及参数如实施例1相同。

应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明属于微机电系统(MEMS)领域，涉及一种低成本二维纳米模具的制作方法。其特征是：采用具有微米尺度图形的掩膜版，利用紫外曝光技术制造出宽度为纳米级别的光刻胶台阶；再利用光刻胶台阶为掩膜，利用湿法刻蚀技术刻蚀二氧化硅薄膜，进一步缩小图形宽度；然后以二氧化硅图形为掩膜，刻蚀硅基底，刻蚀深度为纳米级，从而制得宽度和深度分别为纳米尺度的二维纳米硅模具。本发明采用传统的紫外曝光技术，结合简单的湿法刻蚀技术制造二维纳米模具，其制作工艺简单，成本低，可以批量制造出大面积二维纳米模具。

技术研发人员：程娥;邢奔
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2019.01.12
技术公布日：2019.05.14