一种微纳金属三维结构的制备方法与流程

[0001]
本发明涉及半导体制备技术领域，尤其涉及一种微纳金属三维结构的制备方法。

背景技术：

[0002]
随着信息技术的发展进步，金属三维微器件在生物医学、航空航天、电子通讯、军事等领域的应用越来越广泛。微纳三维金属结构的高精度加工制备一直是制约这一系列发展的瓶颈。
[0003]
liga(lithographie galvanoformung abformung)方法是将光刻技术、电铸成型与塑料铸模三项技术的结合，实现微纳量级的金属结构制造，但是这种方法只能进行准三维金属结构的加工，不能制作任意结构的三维金属结构的加工。
[0004]
1999年，美国南加州大学信息科学研究所adam l.cohen等人于发布的采用电化学方法制作三维多层微结构的技术，即efab(electrochemical fabrication)。efab技术采用一种“实时掩模”(instant masking)的高速选择性电沉积方法，顺序沉积上多层金属层，与传统电镀方法相比，该技术更简单、快速、易于实现自动化。但是这种方法的加工制备，其掩膜是在加工前单独完成的，独立于该加工制备方法之外，每加工一个三维结构就需要制备相对应的掩膜，这种方法会由于掩膜的加工而耽误三维金属结构加工的进度。同时，该方法中采用电化学沉积时的接触来实现图形化沉积，这种操作在湿法电化学沉积过程中极易造成由于掩膜与基底的接触不彻底而引发电沉积不理想的问题，进而影响加工的可靠性。
[0005]
因此，如何提高制备微纳金属三维结构加工效率和可靠性是目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

[0006]
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的微纳金属三维结构的制备方法。
[0007]
本发明实施例提供了一种微纳金属三维结构的制备方法，包括：
[0008]
在衬底上由下至上形成n层金属结构层，所述金属结构层包括图形化的第一金属层和第二金属层，所述第一金属层与所述第二金属层的材料不同，n为大于等于2的整数；
[0009]
去除每层金属结构层中的所述第一金属层或第二金属层，获得微纳金属三维结构；
[0010]
其中，所述每层金属结构层的形成步骤如下：
[0011]
形成光敏材料层；
[0012]
在所述光敏材料层的预设区域进行固化处理，形成图形化的掩膜，去除未经固化处理的所述光敏材料层；
[0013]
在去除未经固化处理的所述光敏材料层的区域形成第一金属层，并去除所述掩模；
[0014]
在去除所述掩模的区域形成第二金属层。
[0015]
进一步地，所述去除每层金属结构层中的所述第一金属层或第二金属层，获得微纳金属三维结构，具体包括：
[0016]
在所述第一金属层为牺牲金属材料，所述第二金属层为结构金属材料时，去除每层金属结构层中的所述第一金属层，获得微纳金属三维结构；
[0017]
在所述第一金属层为结构金属材料，所述第一金属层为牺牲金属材料时，去除每层金属结构层中的所述第二金属层，获得微纳金属三维结构。
[0018]
进一步地，所述在所述光敏材料层的预设区域进行固化处理，形成图形化的掩膜，具体包括：
[0019]
在所述光敏材料层的预设区域采用如下任意一种方法进行固化处理，形成图形化的掩模：
[0020]
激光直写方法、紫外光刻方法。
[0021]
进一步地，在去除所述掩模的区域形成第二金属层之后，还包括：
[0022]
对所述第二金属层和所述第一金属层进行平坦化处理。
[0023]
进一步地，所述去除每层金属结构层中的所述第一金属层或第二金属层，获得微纳金属三维结构，具体采用如下任意一种方法进行去除：
[0024]
湿法腐蚀、各向同性干法刻蚀以及各向异性与各向同性相辅助的干法刻蚀。
[0025]
进一步地，在衬底上由下至上形成n层金属结构层之前，还包括：
[0026]
在所述衬底上形成隔离金属层。
[0027]
进一步地，所述隔离金属层具体为牺牲金属材料。
[0028]
进一步地，所述去除每层金属结构层中的所述第一金属层或第二金属层之后，还包括：
[0029]
采用机械方式将去除了所述第一金属层或所述第二金属层的所述n层金属结构层与所述衬底分离。
[0030]
进一步地，所述去除每层金属结构层中的所述第一金属层或第二金属层，具体采用如下任意一种去除方式进行去除：
[0031]
采用超声、等离子体、温度控制、机械搅拌和磁力搅拌方法。
[0032]
本发明提供的一种微纳金属三维结构的制备方法，包括在衬底上由下至上形成n层金属结构层，该金属结构层包括图形化的第一金属层和第二金属层，该第一金属层与第二金属层的材料不同，n为大于等于2的整数，然后去除每层金属结构层中的第一金属层或第二金属层，获得微纳金属三维结构，其中，每层金属结构层的形成步骤如下：形成光敏材料层，在该光敏材料层的预设区域进行固化处理，形成图形化的掩膜，去除未经固化处理的光敏材料层，在去除未经固化处理的光敏材料层的区域形成第一金属层，并去除该掩膜，去除该掩膜的区域形成第二金属层，进而在制备金属结构层的过程中直接制作掩膜，在去除未经固化处理的光敏材料层所在的区域，并形成第一金属层，然后，通过去除掩膜，在去除该掩膜的区域直接形成第二金属层，进而提高形成该金属结构层的效率，同时，使得形成n层金属结构层的效率得到提高，即形成该微纳金属三维结构的效率得到提高，同时，由于采用的掩膜是对光敏材料的固化形成的，掩膜与基底接触良好，不会引起掩膜与基底接触不好的问题，因此制备的可靠性得到保障。
附图说明
[0033]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
[0034]
图1示出了本发明实施例中微纳金属三维结构的制备方法的步骤流程示意图；
[0035]
图2示出了本发明实施例中形成一层金属结构层的步骤流程示意图；
[0036]
图3～图10示出了本发明实施例中形成一层金属结构层的具体结构示意图；
[0037]
图11示出了本发明实施例中形成的微纳金属三维结构的示意图。
具体实施方式
[0038]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0039]
现有在制作微纳金属三维结构时，将掩膜的制作过程与加工过程完全分开，其中，掩膜的制作过程在加工过程之前单独完成的，采用这样制备微纳金属三维结构的制作方法，极有可能在掩膜制作过程中，由于人为或者非人为的因素，使得整个制备微纳金属三维结构的过程在制作掩膜之后，进行加工之前有一定的时间拖延，从而影响整个制备的进度。而且，现有的制作掩膜加工时才将掩膜与基底接触，使得形成的掩膜与基底的接触不彻底，影响了加工的可靠性。
[0040]
为了解决上述的技术问题，本发明实施例提供了一种微纳金属三维结构的制备方法，如图1所示，包括：s101，在衬底上由下至上形成n层金属结构层，该金属结构层包括图形化的第一金属层和第二金属层，该第一金属层与第二金属层的材料不同，n为大于或等于2的整数；s102，去除每层金属结构层中的第一金属层或第二金属层，获得微纳金属三维结构。
[0041]
其中，如图2，在s101中，形成每层金属结构层的步骤具体包括：
[0042]
s1011，形成光敏材料层；
[0043]
s1012，在该光敏材料层的预设区域进行固化处理，形成图形化的掩膜，去除未经固化处理的光敏材料层；
[0044]
s1013，在去除未经固化处理的光敏材料层的区域形成第一金属层，并去除该掩膜；
[0045]
s1014，在去除掩膜的区域形成第二金属层。
[0046]
具体地，如图3～图10所示，在s1011中，形成光敏材料层，具体是在衬底301上均匀化旋涂光敏材料，从而形成光敏材料层302，具体可以采用匀胶机。形成的光敏材料层302的厚度为h1，该光敏材料层302完全覆盖衬底301的加工表面，起到屏蔽的作用，如图3所示。
[0047]
当然，在形成第一层金属结构层时，该光敏材料层302是形成于衬底301上，而在形成第二层金属结构层或者以上其他金属结构层时，是以前一层的金属结构层作为衬底，从而形成光敏材料层302。
[0048]
在形成光敏材料层302时，选择合适的硬性材料作为支撑衬底。该硬性材料的支撑
衬底具有至少一个导电表面，可为硬性导电金属材料，也可为硬性非金属材料上沉积一层导电金属材料。
[0049]
s1012中，在该光敏材料层302的预设区域进行固化处理，形成图形化的掩膜303，进行图形化的掩蔽，去除未经固化处理的光敏材料层302，如图4、图5所示。
[0050]
在该光敏材料层302的预设区域进行固化处理，具体是采用如下任意一种方法进行固化处理：
[0051]
激光直写方法、紫外光刻方法。
[0052]
其中该激光直写方法具体可以是单光子激光直写、双光子激光直写，且该激光直写方法与光敏材料相配套使用。
[0053]
采用上述的方法，形成图形化的掩膜303。由于该掩膜303并不会采用电化学沉积方法，因此，不会造成现有技术中在形成掩膜时掩膜与基底的接触不彻底的情况，因此，不会影响加工的可靠性。
[0054]
在除第一层之外的其他层加工中，均是在上一层的金属结构层作为基底完成加工过程的，其中，每层加工位置是以激光直写中激光光源与基底中心的相对位置来决定的，层间加工的对准是以加工位置来决定的，也可以通过引入对准标记、对准光路等来进一步提高对准的精确度。因此，本发明中的加工精度取决于激光直写，或者紫外光刻的加工精度，该加工精度可达到0.001～500微米线宽量级的图形精度。
[0055]
采用上述的固化处理之后，由于掩膜303是固化的，在去除未经固化处理的光敏材料层302时，采用的化学试剂(例如：光敏材料对应的显影液)可将未经固化处理的光敏材料层进行溶液，对于固化处理的光敏材料层不可以溶解。
[0056]
在s1012之后，还包括清洗该加工件上的残留物。
[0057]
具体地，可以在清洗该加工件的清洗试剂中浸泡、晃动、超声等方式进行清洗，所采用的清洗试剂可以是离子水、酒精、丙酮、异丙酮等单一或者混合溶剂。
[0058]
接着，执行s1013，在去除未经固化处理的光敏材料层的区域形成第一金属层304，并去除该掩膜303，具体如图6、图7所示。
[0059]
在形成该第一金属层304时，采用电化学沉积法沉积第一金属层304，该第一金属层304具体为结构金属材料或者是牺牲金属材料。其中，形成的第一金属层304的厚度为h2。
[0060]
在去除该掩膜303时，采用化学试剂可溶解该掩膜，即可溶解固化的光敏材料层，同时，不可溶解该第一金属层304。
[0061]
在该s1013之后，还包括清洗该加工件上的残留物。
[0062]
类似的，可以在清洗该加工件的清洗试剂中浸泡、晃动、超声等方式进行清洗，所采用的清洗试剂可以是离子水、酒精、丙酮、异丙酮等单一或者混合溶剂。
[0063]
然后，执行s1014，在去除掩膜的区域形成第二金属层305，形成第m层金属结构层，其中，m小于或等于n。如图8、图9所示。
[0064]
该第二金属层305的材料具体为结构金属材料或者是牺牲金属材料，若第一金属层304的材料为结构金属材料，则第二金属层305的材料为牺牲金属材料；若第一金属层304的材料为牺牲金属材料，则第二金属层305的材料为结构金属材料。该第二金属层305的厚度为h3。
[0065]
其中，牺牲金属材料具体为铜等等，结构金属材料就具体为镍、钯、铑、镍基合金等
等。
[0066]
如图9所示，在形成该第二金属层305之后，还包括：对第二金属层和第一金属层进行平坦化处理，使得第一金属层和第二金属层的表面处于同一平面。
[0067]
其中，采用的平坦化处理工艺可以采用多轴数控加工技术，完成机械物理摩擦来实现研磨和抛光，比如，采用金刚石研磨和碳化硅研磨；也可以采用非机械加工的方法进行平坦化处理，比如，采用电火花加工方法；也可以采用混合加工方法进行平坦化处理，比如在磨粒中添加腐蚀溶液的方法来实现化学机械研磨与抛光等。
[0068]
经过上述的平坦化处理后得到的第n层金属结构层，其厚度为h0。则上述在形成第一金属层304和形成第二金属层305的厚度均大于该h0，即，h2>h0，h3>h0。
[0069]
在上述对第二金属层和第一金属层进行平坦化处理之后，还包括：清洗该加工件上的残留物。
[0070]
相似的，可以在清洗该加工件的清洗试剂中浸泡、晃动、超声等方式进行清洗，所采用的清洗试剂可以是离子水、酒精、丙酮、异丙酮等单一或者混合溶剂。
[0071]
在形成第一金属层304和第二金属层305时，均可采用电化学沉积法进行沉积，根据不同沉积材料，采用合理配比的电镀液；根据材料特性和沉积厚度，调整电压、电流、温度、时间ph等工艺参数，实现电化学沉积。
[0072]
上述是形成一层金属结构层的步骤，按照上述s1011～s1014的过程，依次形成n层金属结构层，直至加工到预设层数，如图10所示，其中，n为大于或等于2的整数。其中，每层金属结构层的厚度可以相同也可以不相同，具体取决于三维加工件的分层方式。
[0073]
然后，执行s102，去除每层金属结构层中的第一金属层304或第二金属层305，从而获得微纳金属三维结构，如图11所示。
[0074]
该去除每层金属结构层中的第一金属层304或第二金属层305，获得微纳金属三维结构，具体包括：
[0075]
在该第一金属层为牺牲金属材料，第二金属层为结构金属材料时，去除每层金属结构层中的第一金属层，获得微纳金属三维结构；
[0076]
在该第一金属层为结构金属材料，第二金属层为牺牲金属材料时，去除每层金属结构层中的第二金属层，获得微纳金属三维结构。
[0077]
其中，去除该材料为牺牲金属材料的第一金属层或第二金属层时，可以采用湿法腐蚀、各向同性干法刻蚀、各向异性与各向同性相辅助的干法刻蚀方法。采用这些去除方法，可有效去除牺牲金属材料，对结构金属材料没有影响。
[0078]
为了提高去除该牺牲金属材料的效率，可以采用超声、等离子体、温度控制、机械搅拌、磁力搅拌等方法提升该去除牺牲金属材料的效率。
[0079]
在具体的实施方式中，在s101之前，还包括：
[0080]
在衬底上形成隔离金属层。该隔离金属层的材料具体为牺牲金属材料。这样，在执行s102时，对材料为牺牲金属材料的第一金属层或者第二金属层去除时，可以直接将该隔离金属层去除，从而将衬底与n层金属结构层分离，形成微纳金属三维结构。
[0081]
当然，在s101之前，也可不用形成该隔离金属层，可在去除每层金属结构层中的第一金属层或第二金属层之后，还包括：
[0082]
采用机械方法将去除了第一金属层或第二金属层的n层金属结构层与该衬底分
离，进而得到微纳金属三维结构。
[0083]
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0084]
本发明提供的本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0085]
本发明提供的一种微纳金属三维结构的制备方法，包括在衬底上由下至上形成n层金属结构层，该金属结构层包括图形化的第一金属层和第二金属层，该第一金属层与第二金属层的材料不同，n为大于等于2的整数，然后去除每层金属结构层中的第一金属层或第二金属层，获得微纳金属三维结构，其中，每层金属结构层的形成步骤如下：形成光敏材料层，在该光敏材料层的预设区域进行固化处理，形成图形化的掩膜，去除未经固化处理的光敏材料层，在去除未经固化处理的光敏材料层的区域形成第一金属层，并去除该掩膜，去除该掩膜的区域形成第二金属层，进而在制备金属结构层的过程中直接制作掩膜，在去除未经固化处理的光敏材料层所在的区域，并形成第一金属层，然后，通过去除掩膜，在去除该掩膜的区域直接形成第二金属层，进而提高形成该金属结构层的效率，同时，使得形成n层金属结构层的效率得到提高，即形成该微纳金属三维结构的效率得到提高，同时，由于采用的掩膜是对光敏材料的固化形成的，掩膜与基底接触良好，不会引起掩膜与基底接触不好的问题，因此制备的可靠性得到保障。
[0086]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0087]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：

1.一种微纳金属三维结构的制备方法，其特征在于，包括：在衬底上由下至上形成n层金属结构层，所述金属结构层包括图形化的第一金属层和第二金属层，所述第一金属层与所述第二金属层的材料不同，n为大于等于2的整数；去除每层金属结构层中的所述第一金属层或第二金属层，获得微纳金属三维结构；其中，所述每层金属结构层的形成步骤如下：形成光敏材料层；在所述光敏材料层的预设区域进行固化处理，形成图形化的掩膜，去除未经固化处理的所述光敏材料层；在去除未经固化处理的所述光敏材料层的区域形成第一金属层，并去除所述掩模；在去除所述掩模的区域形成第二金属层。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除每层金属结构层中的所述第一金属层或第二金属层，获得微纳金属三维结构，具体包括：在所述第一金属层为牺牲金属材料，所述第二金属层为结构金属材料时，去除每层金属结构层中的所述第一金属层，获得微纳金属三维结构；在所述第一金属层为结构金属材料，所述第一金属层为牺牲金属材料时，去除每层金属结构层中的所述第二金属层，获得微纳金属三维结构。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述光敏材料层的预设区域进行固化处理，形成图形化的掩膜，具体包括：在所述光敏材料层的预设区域采用如下任意一种方法进行固化处理，形成图形化的掩模：激光直写方法、紫外光刻方法。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在去除所述掩模的区域形成第二金属层之后，还包括：对所述第二金属层和所述第一金属层进行平坦化处理。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除每层金属结构层中的所述第一金属层或第二金属层，获得微纳金属三维结构，具体采用如下任意一种方法进行去除：湿法腐蚀、各向同性干法刻蚀以及各向异性与各向同性相辅助的干法刻蚀。6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在衬底上由下至上形成n层金属结构层之前，还包括：在所述衬底上形成隔离金属层。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述隔离金属层具体为牺牲金属材料。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除每层金属结构层中的所述第一金属层或第二金属层之后，还包括：采用机械方式将去除了所述第一金属层或所述第二金属层的所述n层金属结构层与所述衬底分离。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去除每层金属结构层中的所述第一金属层或第二金属层，具体采用如下任意一种去除方式进行去除：采用超声、等离子体、温度控制、机械搅拌和磁力搅拌方法。

技术总结

本发明涉及一种微纳金属三维结构的制备方法，包括：在衬底上由下至上形成N层金属结构层，所述金属结构层包括图形化的第一金属层和第二金属层，所述第一金属层与所述第二金属层的材料不同；去除每层金属结构层中的所述第一金属层或第二金属层，获得微纳金属三维结构；其中，所述每层金属结构层的形成步骤如下：形成光敏材料层；在所述光敏材料层的预设区域进行固化处理，形成图形化的掩膜，去除未经固化处理的所述光敏材料层；在去除未经固化处理的所述光敏材料层的区域形成第一金属层，并去除所述掩模；在去除所述掩模的区域形成第二金属层，进而提高了加工效率和可靠性。进而提高了加工效率和可靠性。进而提高了加工效率和可靠性。