[发明专利]一种基于凝胶作用固定大高宽比微纳结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于凝胶作用固定大高宽比微纳结构的方法，属于微纳加工及应用。

背景技术

大高宽比一般指高宽比大于5微纳结构有很多重要的应用，像用于短波光学的光学元件、用于加速度测量的惯性器件以及用于高频通讯的电子器件等，在军事、航天等领域中广泛使用。这些元器件的性能与其微纳结构的高宽比有着密切的关系，像用于X射线显微成像的光学元件波带片，要想获得高分辨、高衍射效率等优良光学性能，就要求波带片具有大高宽比的纳米结构。通常的，这些元器件包含的微纳结构的高宽比越大就具备越优良的器件性能。所以，为了提高器件性能，大高宽比的微纳结构的制作非常重要。

大高宽比微纳结构的加工难度大，步骤复杂，工艺过程中的各种影响因素往往会造成图形失效。为了保证整个工艺过程的有效性，每步工艺后的结构检测非常必要。其中，光刻工艺是决定微纳结构加工精度的关键工艺，对其工艺结果的检测尤为重要。但是，要检测光刻工艺制作的大高宽比微纳结构非常困难。这是因为光刻、显影工艺结束后，需将样品从溶剂中取出进行检测。在微纳结构间的液体挥发过程中，液体的表面张力往往带来大高宽比微纳结构的失效，如结构相互粘连和无规律倒塌等，参见Peele A,Shew B,Vora K and Li H,Overcoming SU-8stiction in high aspect ratio structures,Microsyst.Technol.,2005,11:221，造成待检测的微纳结构与光刻工艺制作的微纳结构有很大差异，不能反映光刻工艺的实际加工情况。为了解决这个问题，研究人员提出超临界干燥及冷冻干燥技术，通过避开液体挥发过程来去除液体的表面张力，防止干燥过程中大高宽比微纳结构的倒塌，参见Koch F,Marschall F,Meiser J,et al.,Increasing the aperture of x-ray mosaic lenses by freeze drying,J.Micromech.Microeng.,2015,25:075015，但是，这种技术其工艺过程中的温差很大，容易造成微纳结构与基底脱开，工艺适用性不好；同时，有研究发现工艺中使用的CO₂会被光刻胶吸收，这会对微纳结构产生严重影响。可见，这类技术也不能保证微纳结构在干燥过程中的稳定性，不适用于大高宽比微纳结构的工艺检测。

发明内容

本发明的技术解决方案：克服现有技术针对大高宽比微纳结构在干燥过程中的结构失效问题，提供一种基于凝胶作用固定大高宽比微纳结构的方法，通过在微纳结构中形成凝胶来消除溶剂挥发所产生的液体表面张力，从而防止结构失效，将工艺形成的微纳结构有效地固定住，这样可以通过检测大高宽比微纳结构的好坏来进行工艺评价，以此来保证加工工艺的有效性。

本发明技术解决方案：

所选用的凝胶剂应具有如下属性：

1、加热易溶于水，热溶液置于一定温度下可转化为凝胶，这是基于凝胶作用来固定大高宽比微纳结构的基本要求；

2、水溶液无色透明，这是保证凝胶层透明度高、便于光学检测的要求；

3、冷凝胶与热溶胶的相互转化过程可多次反复，这是工艺的可重复性和可逆性的要求，方便其与后续工艺相衔接。

可以选用的凝胶剂种类很多，常见的热可逆型凝胶剂都可以实现大高宽比微纳结构的固定。考虑到光学检测的需求、以及尽量降低工艺过程温差的要求，通常选用的凝胶剂主要有：结冷胶、琼脂和卡拉胶等，所配置的溶液需根据各自的特性满足上述要求，配置的溶液参数一般如下：

1、浓度为：0.1％～2.0％；

2、热溶胶温度为：50～95℃；

3、凝胶化温度：＜40℃。

为了满足光学检测的要求，需要通过工艺来控制凝胶层的厚度和平整度。常用的工艺是旋涂法：滴加热溶胶于微纳结构上，将整个结构完全覆盖均匀。先将样品置于甩胶台上冷却，一般20秒至2分钟，再按照设置好的甩胶参数进行旋涂，一般1000至3000转/分钟、旋涂20秒至1分钟，完成后静置一段时间，一般20秒至2分钟，使结构间的热溶胶充分转化为凝胶，形成所需厚度的凝胶层。另一种常用的工艺是提拉法：把样品浸入溶液(热溶胶)中，将浸渍后的样品以一定速度垂直提拉起来，将浸渍后的样品以小于等于10mm/s的速度垂直提拉起来，水平静置一段时间(一般为1-10分钟)，使结构间的热溶胶充分转化为凝胶，也可以形成所需厚度的凝胶层。

本发明的具体工艺如下：

1、配置好热溶胶；