一種三維微納米結構的組裝方法
2023-10-10 16:12:19
專利名稱：一種三維微納米結構的組裝方法
技術領域：
本發明涉及一種三維微納米(三維微米或三維納米，以下相同，不再贅述)結構的組裝方法，特別是關於一種利用聚焦離子束致懸浮結構向下彎曲原理進行的三維微納米結構的組裝方法。
背景技術：
一般聚焦離子束(Focused 1n Beam,簡稱FIB)是一種自頂向下(Top-Down)的微納米加工方法。傳統的基於聚焦離子束的加工方法利用高能粒子跟目標材料的相互作用，產生濺射、澱積等效應，從而精確控制刻蝕和澱積。在加工過程中，系統可以同時使用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,簡稱SEM)進行原位觀察。其高的加工精度和方便的原位觀察的特性使其廣泛應用在微納米加工以及集成電路測試領域。三維納米加工技術是納機電系統(Nano-Electromechanical Systems,簡稱NEMS)的重要基礎技術，也是未來微電子技術的發展方向之一。目前組裝三維納米結構通常的手段包括利用氣囊、磁、熱、化學、液體表面張力、生物力等方法。但已有三維納米加工技術的組裝方法不但很難實現多種多樣結構的三維組裝，縮小三維納米加工的自由度，而且對導致懸臂梁彎曲的螺旋參數調整、螺旋的定位和測量有著較大的難度。
發明內容
針對上述問題，本發明方法是基於聚焦離子束能夠使懸浮的微米納米結構可控雙向彎曲這一現象，利用這一現象製備向下彎曲的納米螺旋、納米管、折線、正弦線、發條等結構的三維微納米結構的組裝方法。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案:一種三維微納米結構的組裝方法，包括如下步驟:1)採用常規微機電系統工藝方法、納機電系統工藝方法和聚焦離子束與微機電系統/納機電系統結合中的一種工藝方法中製作一端是自由端，另一端是固定端的懸臂梁結構；2)從懸臂梁的自由端到固定端以均勻間距為標準，依次在懸臂梁上通過離子刻蝕的方式設置刻蝕區域；3)確定控制聚焦離子束的注入劑量，確定與結構彎曲的角度現有的聚焦離子束掃描傾斜的角度，確定與懸臂梁上設置刻蝕區域現有的聚焦離子束掃描的間距；4)從懸臂梁的自由端第一個刻蝕區域開始依次用聚焦離子束對各刻蝕區域進行刻蝕，使整個懸臂梁形成向下捲曲的螺旋、摺疊、正弦形、發條等結構。所述懸臂梁材料為多種單晶、多晶、無定形和金屬材料中的一種。所述懸臂梁材料為鋁。所述懸臂梁的厚度為80-200納米。所述懸臂梁的厚度為100納米。所述離子束能量為15keV_30keV。所述離子束能量為30keV。本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點:1、本發明利用聚焦離子束對目標材料表面進行的損傷，從而引入表面應力，在表面應力的作用下，通過控制懸浮結構的離面運動，控制離子入射劑量，來控制引入應力的大小和正負，使其成為張應力或壓應力，從而實現懸浮結構可控的背向離子束方向彎曲(即向下彎曲)或面向離子束方向彎曲(即向上彎曲)。2、本發明利用FIB致向下彎曲特性，依次選擇不同的刻蝕位置以及不同的注入劑量，可以使懸臂梁依次彎曲，擴大了三維加工的自由度，實現了多種多樣結構的三維組裝，比如向下彎曲的納米螺旋、納米管、摺疊、正弦形、發條等結構。3、本發明由於採用向下彎曲的加工方法，因此可以形成多種多樣的結構，相比於向上彎曲結構，它具有不受向上結構的阻擋，使得FIB三維加工技術具有更高的靈活性。4、本發明懸臂梁向下彎曲與懸臂梁向上彎曲相比，離子輻照區域的損傷更小。5、本發明向下彎曲結構可以得到更小的螺距和螺徑，而且可以在同一根懸臂梁上同時加工出兩種旋轉方向的螺旋。本發明可以廣泛用於納米螺旋、納米管、摺疊、正弦形、發條等結構的製作過程中。
圖1 (a)是本發明低壓化學氣相沉積金屬膜示意圖；圖1 (b)是本發明刻蝕矽示意圖；圖1(c)是本發明製作懸臂梁示意2 (a)是本發明加工懸臂梁的示意圖；圖2 (b)是本發明懸臂梁參數示意圖；圖
2(c)是本發明懸臂梁彎曲示意3a是本發明致向上彎曲的螺旋示意圖；圖3b是本發明致向下彎曲的螺旋示意圖；圖3c是本發明致向下彎曲的小螺距和小半徑示意圖；圖3d是本發明致向下彎曲的螺旋管示意4是本發明從徑向觀察製得的向下彎曲螺旋的電鏡5是圖4展開的螺旋結構電鏡6是本發明致向下彎曲螺旋製得的納米管電鏡7是本發明將向上、向下彎曲結合在同一個螺旋中電鏡8 Ca)是本發明致向下彎曲結構製得的摺疊形結構示意圖；圖8 (b)是本發明為摺疊加工過程電鏡圖；圖8 (c)是本發明為摺疊加工過程電鏡圖；圖8 (d)是本發明加工的摺疊形狀電鏡9是向下彎曲與向上彎曲結合製得的正弦結構示意10 (A) (C)是本發明向下彎曲現象製得發條結構電鏡11是本發明向下彎曲結構製得的螺旋耦合互感結構電鏡圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。本發明加工微納米螺旋結構包括以下步驟:I)如圖1所示,在絕緣襯底上的娃片(Silicon-0n_Insulator,S0I)上採用低壓化學氣相沉積系統(Low Pressure Chemical Vapor Deposition System,LPCVD)澱積一層金屬膜1，對金屬膜I表面進行光刻，製備測量用的平臺(PAD)和懸臂梁的平面圖形；使用各向異性的反應離子刻蝕(Reactive 1n Etching, RIE)刻蝕娃2 ;使用各項同性的反應離子刻蝕刻蝕矽2，其刻蝕過程中的各項同性刻蝕導致的橫向腐蝕將懸臂梁懸浮。值得注意的是，在聚焦離子束加工的時候往往不把矽2腐蝕乾淨，只是部分腐蝕，留殘餘矽2，僅僅使懸臂梁懸浮。這個時候做聚焦離子束加工的過程中，樣品是導電的，從而不會出現電荷吸附現象，更加有利於掃描電子顯微鏡的原位觀測。結構製備完成之後再次使用離子刻蝕腐蝕，將殘餘的矽2腐蝕乾淨，從而實現電學隔離。離子刻蝕過程對FIB製得的懸臂梁形狀結構沒有影響。使用絕緣矽片，矽2腐蝕乾淨之後上層的金屬膜I製得的金屬元件可以利用絕緣層的二氧化矽3做到互相之間的電學隔離。2)如圖2中的(a)所示，(給出了聚焦離子束加工的各參數的示意)用聚焦離子束刻蝕兩端固定的懸臂梁I』，從一端刻斷，形成具有一端是自由端2』，另一端是固定端3』的懸臂梁I』結構，對上述所得懸臂梁I』結構進行離子刻蝕，離子刻蝕由聚焦離子束系統上的電腦操作控制，從懸臂梁I』自由端2』到固定端3』以均勻間距為標準，依次在懸臂梁I』上設置刻蝕區域，從懸臂梁I』的自由端上第一個刻蝕區域I開始刻蝕，刻蝕區域I內的懸臂梁在被刻蝕後以一定的曲率彎起，隨著由自由端刻蝕區域I到刻蝕區域7的依次刻蝕，帶動整個懸臂梁I』的捲曲形成螺旋結構。3)如圖2中的(b)、(C)所示，單次聚焦離子束應力引入所致結構彎曲的角度、聚焦離子束應力引入的刻蝕次數t、聚焦離子束掃描的間距I以及聚焦離子束掃描傾斜的角度0。通過控制聚焦離子束的注入劑量Q，可以精確控制懸臂梁I』彎曲的角度a通過控制聚焦離子束的刻蝕條件，我們可以得到螺旋結構的結構參數，如下所示:t次刻蝕之後，聚焦離子束導致的螺旋結構的彎曲圈數n為:
權利要求
1.一種三維微納米結構的組裝方法，包括如下步驟: 1)採用常規微機電系統工藝方法、納機電系統工藝方法和聚焦離子束與微機電系統/納機電系統結合中的一種工藝方法中製作一端是自由端，另一端是固定端的懸臂梁結構； 2)從懸臂梁的自由端到固定端以均勻間距為標準，依次在懸臂梁上通過離子刻蝕的方式設置刻蝕區域； 3)確定控制聚焦離子束的注入劑量，確定與結構彎曲的角度現有的聚焦離子束掃描傾斜的角度，確定與懸臂梁上設置刻蝕區域現有的聚焦離子束掃描的間距； 4)從懸臂梁的自由端第一個刻蝕區域開始依次用聚焦離子束對各刻蝕區域進行刻蝕，使整個懸臂梁形成向下捲曲的螺旋、摺疊、正弦形、發條等結構。
2.如權利要求1所述的一種三維微納米結構的組裝方法，其特徵在於:所述懸臂梁材料為多種單晶、多晶、無定形和金屬材料中的一種。
3.如權利要求2或所述的一種三維微納米結構的組裝方法，其特徵在於:所述懸臂梁材料為鋁。
4.如權利要求1或2或3所述的一種三維微納米結構的組裝方法，其特徵在於:所述懸臂梁的厚度為80-200納米。
5.如權利要求4所述的一種三維微納米結構的組裝方法，其特徵在於:所述懸臂梁的厚度為100納米。
6.如權利要求1或2或3或5所述的一種三維微納米結構的組裝方法，其特徵在於:所述離子束能量為15keV_30keV。
7.如權利要求4所述的一種三維微納米結構的組裝方法，其特徵在於:所述離子束能量為 15keV-30keV。
8.如權利要求6所述的一種三維微納米結構的組裝方法，其特徵在於:所述離子束能量為30keV。
9.如權利要求7所述的一種三維微納米結構的組裝方法，其特徵在於:所述離子束能量為30keV。
全文摘要
本發明涉及一種三維微納米結構的組裝方法，其步驟包括採用常規微機電系統工藝方法、納機電系統工藝方法和聚焦離子束與微機電系統/納機電系統結合中的一種工藝方法中製作一端是自由端，另一端是固定端的懸臂梁結構；從懸臂梁的自由端到固定端以均勻間距為標準，依次在懸臂梁上通過離子刻蝕的方式設置刻蝕區域；確定控制聚焦離子束的注入劑量，確定與結構彎曲的角度現有的聚焦離子束掃描傾斜的角度，確定與懸臂梁上設置刻蝕區域現有的聚焦離子束掃描的間距；從懸臂梁的自由端第一個刻蝕區域開始依次用聚焦離子束對各刻蝕區域進行刻蝕，使整個懸臂梁形成向下捲曲的螺旋、摺疊、正弦形、發條等結構。本發明可以廣泛用於納米螺旋、納米管、摺疊、正弦形、發條等結構的製作過程中。
文檔編號B82Y40/00GK103193196SQ20131008931
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月20日 優先權日2013年3月20日
發明者吳文剛, 王志強, 李 燦, 毛逸飛, 趙路睿 申請人:北京大學