專利名稱：具有納米尺寸孔的多比例懸臂結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有納米尺寸孔的懸臂結(jié)構(gòu)及其制備方法，更特別地，涉及一種具有使用陽極氧化和電拋光制備的納米尺寸孔的多孔的多比例懸臂結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電或光檢測微粒子的系統(tǒng)是石英晶體質(zhì)量平衡(QCM)。然而，QCM的石英單晶體是易碎的，以致于QCM不能變小及變薄，并且不適于大量生產(chǎn)。
然而，基于近來將電和機械組件聯(lián)合成超小型化的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的小型傳感器吸引了人們的注意，因為該傳感器響應(yīng)迅速、具有高靈敏度，并且適于大量生產(chǎn)。
通過應(yīng)用微電子制造，其中重復(fù)執(zhí)行如沉積、蝕刻等過程，MEMS能夠以低成本實現(xiàn)超小型化產(chǎn)品的大量生產(chǎn)。此外，MEMS使用驅(qū)動力如帶電粒子之間的庫侖力、磁力、熱膨脹差異產(chǎn)生的力等，并且該超小型化的產(chǎn)品因為它們的小尺寸極大地減少了它們的功耗。因此，MEMS的重要性與納米技術(shù)和芯片上系統(tǒng)(SOC)技術(shù)一起突顯出來。
近來，為了檢測物理現(xiàn)象或化學反應(yīng)，已經(jīng)進行了許多研制基于MEMS處理的懸臂的傳感器的研究。
附圖1A至1C是說明制備這種傳統(tǒng)的懸臂結(jié)構(gòu)的方法的流程圖。首先，在附圖1A中，在襯底1上形成犧牲層2，然后使用掩模在犧牲層2上形成圖案。在附圖1B中，將要成為懸臂3的材料沉積在犧牲層2上，然后使用另一掩模形成要成為懸臂3的材料的圖案。隨后，當去除犧牲層2時，就形成了如圖1C所示的傳統(tǒng)的懸臂結(jié)構(gòu)。
通過使用光源如激光器吸收熱或氣體，使用研究中的懸臂的傳感器根據(jù)質(zhì)量變化等測量該懸臂的靜載撓度。然而，在使用光源(如激光器)的傳統(tǒng)的傳感器的情況下，該傳感器必須具有光源，因而限制了降低該傳感器的尺寸。
除了采用激光器通過靜載撓度進行感應(yīng)的方法，還有一種使用諧振頻率中的變化的感應(yīng)方法。Oak Ridge National Lab的Thundat等人在AppliedPhysics Letters 80，2219-2221(2002)中證實由于諧振頻率測量導(dǎo)致的、在微懸臂表面上的Na+離子吸收所引起的彈簧常數(shù)變化可以被測量。此外，IBM Swiss Zurich實驗室中的研究員報道可以將諧振頻率測量的感應(yīng)方法用于感應(yīng)空氣中的預(yù)定氣體。
然而，上述所有的方法都是使用懸臂表面上的反應(yīng)。因此，為了即使在低驅(qū)動電壓時也能獲得高靈敏度，理想的是該懸臂具有更大的表面積。然而，在具有恒定尺寸的懸臂結(jié)構(gòu)中增加的表面積是有限的。此外，還有一種通過在懸臂結(jié)構(gòu)的表面上使用利用電子束(E-beam)的光刻方法、掃描隧道顯微鏡(STM)等來制備納米孔，從而增加懸臂結(jié)構(gòu)的表面積的方法。然而，當使用該方法時，制造成本很高，制造過程很復(fù)雜，并且生產(chǎn)量非常受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有使用陽極氧化和電拋光制備的納米尺寸孔的多比例懸臂結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還提供一種制備具有納米尺寸孔的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法。
本發(fā)明的目的可以通過下面描述的本發(fā)明的構(gòu)造全部實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種多比例懸臂結(jié)構(gòu)，包括包括鋁襯底的第一層，所述鋁襯底包括具有高度t1的第一區(qū)域和具有大于t1的高度t2的第二區(qū)域；在所述第一層上形成的第二層，包括由氧化鋁構(gòu)成的懸臂，其中所述懸臂包括連接到第二區(qū)域的主體和從所述主體向所述第一區(qū)域凸出的凸出部分，所述凸出部分與所述第一區(qū)域的表面隔開；在所述第二層上形成的第三層，包括金屬薄膜層；以及在所述第三層上形成的第四層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種多比例懸臂結(jié)構(gòu)，包括包括鋁襯底的第一層，所述鋁襯底包括具有高度t1的第一區(qū)域和具有大于t1的高度t2的第二區(qū)域；以及在所述第一層上形成的第二層，包括由氧化鋁構(gòu)成的懸臂，其中所述懸臂包括連接到所述鋁襯底的第二區(qū)域的主體和從所述主體向所述第一區(qū)域凸出并且與所述第一區(qū)域的表面隔開的凸出部分，以及向外部露出的納米尺寸孔。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，包括通過陽極氧化鋁襯底形成具有多個納米尺寸孔的氧化鋁層；通過在所述氧化鋁層上順序沉積金屬薄膜層和光刻膠層形成第一結(jié)構(gòu)；通過在所述第一結(jié)構(gòu)上排列具有凸形橫截面圖案的掩模、然后曝光所述光刻膠層、并且顯影所述光刻膠層，形成具有凸形橫截面的光刻膠層圖案；通過濕式刻蝕所述金屬薄膜層，其中使用光刻膠層圖案作為掩模并且使用金屬蝕刻溶液，在未被所述圖案覆蓋的區(qū)域上去除所述金屬薄膜層，形成具有凸形橫截面的金屬薄膜層圖案；通過濕式蝕刻所述氧化鋁層，其中使用金屬薄膜層圖案作為掩模并且使用氧化鋁蝕刻溶液，去除未被所述金屬薄膜層圖案覆蓋的氧化鋁層，形成具有凸形橫截面的第二結(jié)構(gòu)；以及通過電拋光所述鋁襯底，以通過表面反應(yīng)在未被所述第二結(jié)構(gòu)覆蓋的第一區(qū)域中去除所述鋁襯底的頂部，形成與所述鋁襯底的第一區(qū)域的表面隔開的懸臂。
在本發(fā)明中使用的術(shù)語“多比例”表示根據(jù)本發(fā)明的懸臂結(jié)構(gòu)具有多層結(jié)構(gòu)。
在根據(jù)本發(fā)明的多比例懸臂結(jié)構(gòu)及其制備方法中，使用由陽極氧化制備的氧化鋁在懸臂結(jié)構(gòu)內(nèi)形成納米尺寸孔。與傳統(tǒng)的方法如電子束光刻不同，根據(jù)本發(fā)明的方法不需要復(fù)雜和昂貴的過程。此外，懸臂結(jié)構(gòu)包括納米尺寸孔，以便可以顯著地增加懸臂結(jié)構(gòu)的表面積。當在傳感器中使用這種懸臂結(jié)構(gòu)時，該傳感器可以具有改進的靈敏度和選擇性。


通過參照附圖詳細地描述其示范性實施方案，本發(fā)明的上面和其它特征以及優(yōu)點將變得更加顯而易見，其中附圖1A至1C說明制備傳統(tǒng)的懸臂結(jié)構(gòu)的方法的流程圖；附圖2是說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的透視圖；附圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施方案沿10-10’線的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的橫截面圖；附圖4至6是根據(jù)本發(fā)明的多個實施方案沿10-10’線的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的橫截面圖；附圖7A至7F是根據(jù)本發(fā)明的實施方案制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法的流程圖；附圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施方案制備的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的SEM圖。
具體實施例方式
下文將參照附圖詳細描述根據(jù)本發(fā)明實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)及其制備方法。
附圖2是說明根據(jù)本發(fā)明的實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的透視圖，附圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施方案沿10-10’線的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
參照附圖2和3，根據(jù)本發(fā)明的實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)包括包括鋁襯底的第一層110，該鋁襯底包括具有高度t1的第一區(qū)域和具有大于t1的高度t2的第二區(qū)域；在第一層上形成的第二層120，包括由氧化鋁構(gòu)成的懸臂，其中所述懸臂包括連接到第二區(qū)域的主體和從主體向第一區(qū)域凸出的凸出部分，該凸出部分與第一區(qū)域的表面隔開；在第二層上形成的第三層130，其包括金屬薄膜層；以及在第三層上形成的第四層140。
在根據(jù)本發(fā)明的當前實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)中，理想的是第四層140是光刻膠層，以便容易通過蝕刻轉(zhuǎn)換成其它結(jié)構(gòu)。
此外，在多比例懸臂結(jié)構(gòu)中，第四層可以是納米珠粒層(nanobeadlayer)、空穴配體受體層(cavitand receptor layer)、薄聚合膜層、金屬氧化物薄膜層，有機受體層或自組裝單分子層(SAM)。在將這些材料用作第四層的多比例懸臂結(jié)構(gòu)中，該懸臂可以具有改進的響應(yīng)速度和選擇性。
在當前的實施方案中，懸臂120由氧化鋁構(gòu)成，并且在懸臂120的內(nèi)部形成以高密度集成的納米尺寸孔。在陽極氧化的過程中，可以通過電解液的種類、電解液的溫度，施加的電壓等容易地調(diào)整在懸臂120中形成的納米尺寸孔的直徑120C、納米尺寸孔之間的距離120D以及每單位面積納米尺寸孔的數(shù)量。此外，在陽極氧化的過程中，可以通過施加電壓的時間等控制懸臂120的厚度。
附圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
參照附圖4，根據(jù)本發(fā)明的當前實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)是由具有高度t1的第一區(qū)域和在鋁襯底上形成的氧化鋁構(gòu)成的懸臂，并且包括連接到鋁襯底的第二區(qū)域的主體和從主體向著第一區(qū)域凸出并且與第一區(qū)域的表面隔開的凸出部分，以及具有多個向外露出的納米尺寸孔的第二層。
根據(jù)附圖4所示的本發(fā)明另一個實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)不包括根據(jù)附圖3所示的本發(fā)明的實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的金屬薄膜層和第四層。
當經(jīng)過電拋光在鋁襯底110中形成t1和t2之間的高度差時，在懸臂120上形成的金屬薄膜層130和在金屬薄膜層130上形成的第四層140保護懸臂120。因此，通常，當去除金屬薄膜層130和第四層140時，優(yōu)選最后去除金屬薄膜層130和第四層140，以便使施加于懸臂120的破壞最小化。
在本發(fā)明的當前實施方案中，當在形成懸臂120之后去除金屬薄膜層130時，可能破壞懸臂120。因而，為了在去除金屬薄膜層的過程中使懸臂120的破壞最小化，在制備第二結(jié)構(gòu)的過程中蝕刻氧化鋁層，然后使用有機溶劑如丙酮去除第四層140。然后，執(zhí)行濕式蝕刻，以便預(yù)先去除金屬薄膜層130。其后，執(zhí)行電拋光，以形成其納米尺寸孔被露出的懸臂120。
附圖5是根據(jù)本發(fā)明實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
參照附圖5，將鋁襯底陽極氧化以形成氧化鋁，然后經(jīng)過壓降等使屏障120B變薄。然后，執(zhí)行隨后的過程以形成第二結(jié)構(gòu)，去除第四層140和金屬薄膜層130，并且形成懸臂結(jié)構(gòu)。其后，通過濕式蝕刻去除變薄的屏障120B，以形成具有如附圖5所示的隔膜結(jié)構(gòu)的多比例懸臂結(jié)構(gòu)。具有隔膜結(jié)構(gòu)的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的表面積增加更多，因而該懸臂可以具有更加改進的響應(yīng)速度和選擇性。
附圖6是根據(jù)本發(fā)明實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
參照附圖6，根據(jù)本發(fā)明當前實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)可以進一步包括填充懸臂120的納米尺寸孔的預(yù)定材料150。該預(yù)定材料可以是金屬、金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物、磁性材料、壓電材料、熒光材料、發(fā)光材料、碳納米管(CNT)、納米線，DNA或干細胞。在附圖6中，舉例說明了去除了金屬薄膜層130和第四層140的多比例懸臂結(jié)構(gòu)。然而，可以通過用預(yù)定材料150填充未將金屬薄膜層130和第四層140去除的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的納米尺寸孔。
在本發(fā)明的當前實施方案中，在氧化鋁內(nèi)形成的納米尺寸孔通常具有排列很好的六角形結(jié)構(gòu)。然而，如果需要六角形結(jié)構(gòu)之外的其它排列很好的結(jié)構(gòu)，該納米尺寸孔可以具有其它的形狀如圓形，三角形或長方形。通過在執(zhí)行陽極氧化之前使用納米壓頭制造所需的形狀的凹陷、然后執(zhí)行陽極氧化以形成氧化鋁，可以形成具有這種其它形狀的納米尺寸孔。
附圖7A至7F是說明制備根據(jù)本發(fā)明實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法的流程圖。
參照附圖7A至7F，制備根據(jù)本發(fā)明的當前實施方案的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法包括通過陽極氧化鋁襯底形成具有多個納米尺寸孔的氧化鋁層；通過在氧化鋁層上順序沉積金屬薄膜層和光刻膠層形成第一結(jié)構(gòu)；通過在第一結(jié)構(gòu)上排列具有凸形橫截面圖案的掩模，然后將光刻膠層曝光并且顯影該光刻膠層，形成具有凸形橫截面的光刻膠層圖案；通過濕式蝕刻金屬薄膜層，其中使用光刻膠層圖案作為掩模并且使用金屬蝕刻溶液，去除未被該圖案覆蓋的區(qū)域上的金屬薄膜層，形成具有凸形橫截面的金屬薄膜層圖案；通過濕式蝕刻氧化鋁層，其中使用金屬薄膜層圖案作為掩模并且使用氧化鋁蝕刻溶液，去除未被金屬薄膜層圖案覆蓋的氧化鋁層，形成具有凸形橫截面的第二結(jié)構(gòu)；以及通過電拋光鋁襯底，以通過表面反應(yīng)在未被第二結(jié)構(gòu)覆蓋的第一區(qū)域中去除鋁襯底的頂部，形成與鋁襯底的第一區(qū)域的表面隔開的懸臂。
下文將參照附圖7A至7F更詳細描述制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法。
首先，附圖7A舉例說明了通過陽極氧化鋁襯底110形成具有多個納米尺寸孔120A的氧化鋁層120的方法。在此，更詳細地描述通過陽極氧化制備氧化鋁層120的方法，以及在氧化鋁層中制備納米尺寸孔的方法。
首先，執(zhí)行電拋光，以去除鋁襯底110的表面的粗糙。然后，在磷酸、草酸、硫酸，磺酸或鉻酸的電解質(zhì)水溶液中將鋁襯底110設(shè)置成陽極，然后將大約1-200V的直流電壓施加于陽極，以將鋁襯底110轉(zhuǎn)換成包括具有納米尺寸直徑的孔的氧化鋁層120。鋁襯底轉(zhuǎn)換成氧化鋁層的程度與陽極氧化的時間成比例。例如，當在15℃的反應(yīng)溫度、40V的電壓和0.3M的草酸水溶液的條件下執(zhí)行陽極氧化時，以每10分鐘大約1μm的厚度將鋁襯底轉(zhuǎn)換成氧化鋁層。
通過陽極氧化在氧化鋁層120上形成的納米尺寸孔可以具有六角形形狀。此外，通過在執(zhí)行陽極氧化之前使用納米壓頭來制造所需的形狀的凹陷、然后執(zhí)行陽極氧化以形成氧化鋁，可以形成具有如圓形、三角形、長方形形狀等的納米尺寸孔。
在陽極氧化的過程中，可以通過施加的電壓、電解液的種類、電解液的濃度、電解液的溫度等容易地調(diào)整納米尺寸孔的直徑120C，納米尺寸孔之間的距離120D和每單位面積納米尺寸孔的數(shù)量。例如，當在25V的電壓、10℃的反應(yīng)溫度和0.3M的硫酸水溶液的條件下執(zhí)行陽極氧化時，形成的納米尺寸孔具有大約20nm的直徑121C，納米尺寸孔之間的距離120D大約是60nm。當在40V的電壓、15℃的反應(yīng)溫度和0.3M的草酸水溶液的條件下執(zhí)行陽極氧化時，形成的納米尺寸孔具有大約40nm的直徑120C，并且納米尺寸孔之間的距離120D大約是100nm。當在160V的電壓、0℃的反應(yīng)溫度和0.3M的磷酸水溶液的條件下執(zhí)行陽極氧化時，形成的納米尺寸孔具有大約100nm的直徑120C，并且納米尺寸孔之間的距離120D大約是450nm。每單位面積形成的納米尺寸孔的數(shù)量通常大約是108～1011個/cm2，該數(shù)量取決于施加的電壓。通過陽極氧化形成的納米尺寸孔的直徑120C大約是4-300nm。通過化學后處理(使用磷酸、氫氧化鈉等)且不改變每單位面積形成的納米尺寸孔的數(shù)量，可以控制納米尺寸孔的直徑120C。
附圖7B舉例說明了通過在氧化鋁層上順序沉積金屬薄膜層和光刻膠層形成第一結(jié)構(gòu)的方法。在此，術(shù)語“第一結(jié)構(gòu)”表示在執(zhí)行蝕刻之前的過程中的四層結(jié)構(gòu)。
參照附圖7B，使用濺射或電子束沉積，在通過陽極氧化形成的氧化鋁層120上沉積金屬薄膜層130，然后使用旋涂，在沉積的金屬薄膜層130上形成光刻膠層140。在此，理想的是該金屬薄膜層是鋁薄膜層。
附圖7C舉例說明了通過在第一結(jié)構(gòu)上排列具有凸形橫截面圖案的掩模，然后曝光該掩模并且顯影該掩模，從而形成具有凸形橫截面圖案的光刻膠層的方法。
參照附圖7C，首先，將具有凸形圖案的掩模160安裝在光刻膠層140上，然后將光刻膠層140曝光，以蝕刻未被掩模覆蓋的光刻膠層的一部分。然后，當去除掩模時，可以如附圖7B所示地顯影具有凸形橫截面圖案的光刻膠層140。在附圖7C中，右面的圖舉例說明了刻蝕光刻膠層并且去除掩模之后的結(jié)構(gòu)的橫截面圖，下面的圖舉例說明了當在蝕刻光刻膠層140之前在光刻膠層140上沉積掩模時的結(jié)構(gòu)的平面圖。可以在附圖7C的下面的圖中看到，當光刻膠層的蝕刻和掩模的去除終止時，在頂部上形成具有凸形橫截面圖案的光刻膠層140。
附圖7D舉例說明了通過濕式蝕刻金屬薄膜層形成具有凸形橫截面圖案的金屬薄膜層的方法，其中使用光刻膠層作為掩模并且使用金屬蝕刻溶液，以去除未被光刻膠層圖案覆蓋的金屬薄膜層的一部分。
參照附圖7D，通過應(yīng)用可以蝕刻在包括光刻膠層圖案的結(jié)構(gòu)上的金屬的蝕刻溶液，蝕刻具有凸形形狀的光刻膠層140圖案的外部。在本發(fā)明當前的實施方案中，當金屬薄膜層是鋁薄膜層時，理想的是該蝕刻溶液是鋁蝕刻溶液。例如，可以將包括質(zhì)量比是16∶2∶1∶1的H3PO4、H2O、CH3COOH和HNO3的溶液用作蝕刻溶液。通過在室溫將根據(jù)本發(fā)明當前實施方案的結(jié)構(gòu)浸入蝕刻溶液、攪拌被浸入的結(jié)構(gòu)持續(xù)二十分鐘以去除鋁層130、和將在光刻膠層140上顯影的圖案轉(zhuǎn)換成鋁層，可以執(zhí)行鋁薄膜層蝕刻。然而，鋁蝕刻溶液也可以蝕刻氧化鋁層120。因此，當將該結(jié)構(gòu)長時間浸入鋁蝕刻溶液時，也蝕刻了形成懸臂的氧化鋁層120，因而不能形成具有所需形狀的懸臂。因此，必須將該結(jié)構(gòu)浸入蝕刻溶液預(yù)定的時間。
附圖7E舉例說明了通過濕式蝕刻鋁層，其中使用金屬薄膜層圖案作為掩模并且使用氧化鋁蝕刻溶液以去除未被金屬薄膜層圖案覆蓋的氧化鋁層的一部分，形成具有凸形橫截面的第二結(jié)構(gòu)的方法。
參照附圖7E，執(zhí)行濕式蝕刻，其中使用在附圖7D中形成的金屬薄膜層130作為掩模并且使用氧化鋁蝕刻溶液。在本發(fā)明當前實施方案中使用的氧化鋁蝕刻溶液是5重量％的H3PO4溶液，并且可以在室溫使用。將氧化鋁層120浸入溶液中并且攪拌，以便蝕刻。結(jié)果，形成具有凸形形狀的第二結(jié)構(gòu)。此時，攪拌時間由氧化鋁層120的厚度確定。在此，“第二結(jié)構(gòu)”是在通過電拋光蝕刻鋁襯底之前的過程中的四層結(jié)構(gòu)，并且表示具有凸形形狀的結(jié)構(gòu)。
制備根據(jù)本發(fā)明實施方案的具有納米尺寸孔的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法可以進一步包括向外部露出的懸臂120的納米尺寸孔。在形成具有凸形形狀的第二結(jié)構(gòu)之后通過使用有機溶劑如丙酮去除光刻膠層140，并且通過濕式蝕刻去除金屬薄膜層130，從而向外露出懸臂120的納米尺寸孔。
附圖7F舉例說明了通過電拋光鋁襯底，以通過表面反應(yīng)在未被第二結(jié)構(gòu)覆蓋的第一區(qū)域上去除鋁襯底的頂部，形成與鋁襯底的第一區(qū)域的表面隔開的懸臂的方法。
參照附圖7F，通過電拋光去除布置在第二結(jié)構(gòu)的氧化鋁層120之下的第一區(qū)域中的鋁，以完成具有一端與鋁襯底的第一區(qū)域隔開的懸臂的結(jié)構(gòu)。當使用可以同時蝕刻鋁和氧化鋁的蝕刻溶液執(zhí)行電拋光時，不能形成具有所需形狀的懸臂結(jié)構(gòu)。因此，理想的是使用可以選擇性地只蝕刻鋁的蝕刻溶液。在本發(fā)明的當前實施方案中，理想的是鋁蝕刻溶液是包括體積比是1∶4的高氯酸和乙醇的溶液，并且可以在5℃和20V的電壓下使用該鋁蝕刻溶液執(zhí)行電拋光。在此，“電拋光”是通過將鋁襯底的第一區(qū)域浸入鋁蝕刻溶液，然后將正電壓施加于鋁襯底并且將負電壓施加于鉑或碳電極，以便從鋁襯底電離鋁金屬離子，從而蝕刻鋁襯底。電拋光的時間取決于懸臂的所需寬度。
為了在根據(jù)本發(fā)明的方法形成懸臂之后形成具有隔膜結(jié)構(gòu)的懸臂，在形成具有凸形橫截面的第二結(jié)構(gòu)之后可以進一步包括去除光刻膠層140和金屬薄膜層130的方法。此外，通過在形成懸臂之后濕法蝕刻氧化鋁的下部，可以進一步包括去除屏障層的方法。
在當前的實施方案中，通過上面的過程形成的具有多比例懸臂結(jié)構(gòu)的懸臂120包括以高密度集成在懸臂120內(nèi)部中的納米尺寸孔。
此外，制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法可以進一步包括在形成懸臂之后去除光刻膠層140，并且在金屬薄膜層130上形成納米珠粒層、空穴配體受體層、薄聚合膜層、金屬氧化物薄膜層，有機受體層或自組裝單分子層(SAM)。包括通過上面的過程形成的材料層的多比例懸臂結(jié)構(gòu)可以具有更加改進的響應(yīng)速度或選擇性。
此外，在本發(fā)明的當前實施方案中，當在形成鋁襯底之后，重復(fù)執(zhí)行在用預(yù)定的材料150填充氧化鋁內(nèi)的納米尺寸孔之后形成和去除金屬薄膜層130和光刻膠層140的方法時，可以制備納米尺寸孔內(nèi)包括預(yù)定材料的懸臂結(jié)構(gòu)。在此，該預(yù)定材料可以是金屬、金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物、磁性材料、壓電材料、熒光材料、發(fā)光材料、碳納米管(CNT)、納米線，DNA或干細胞。
附圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施方案制備的多比例懸臂結(jié)構(gòu)的SEM圖?？梢栽诟綀D8中看到，制備的懸臂結(jié)構(gòu)包括一端與鋁襯底的表面隔開的懸臂，這是由于去除了在該懸臂之下布置的鋁襯底。
根據(jù)本發(fā)明的多比例懸臂結(jié)構(gòu)在由陽極氧化制備的氧化鋁內(nèi)具有多個納米尺寸孔。因此，不需要像在現(xiàn)有技術(shù)中增加表面積所需的復(fù)雜和昂貴的過程，并且可以極大地增加懸臂結(jié)構(gòu)的表面積。
因此，使用根據(jù)本發(fā)明的多比例懸臂結(jié)構(gòu)及其制備方法時，可以簡單地獲得靈敏度和選擇性得到改進的精確的傳感器。
雖然參照其示范性的實施方案特別顯示和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不脫離后附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行形式和細節(jié)上的各種改變。
權(quán)利要求
1.一種多比例懸臂結(jié)構(gòu)，包括包括鋁襯底的第一層，所述鋁襯底包括具有高度t1的第一區(qū)域和具有大于t1的高度t2的第二區(qū)域；在所述第一層上形成的第二層，所述第二層包括由氧化鋁構(gòu)成的懸臂，其中所述懸臂包括連接到第二區(qū)域的主體和從所述主體向所述第一區(qū)域凸出的凸出部分，所述凸出部分與所述第一區(qū)域的表面隔開；在所述第二層上形成的第三層，所述第三層包括金屬薄膜層，以及在所述第三層上形成的第四層。
2.如權(quán)利要求1所述的多比例懸臂結(jié)構(gòu)，其中所述第四層是光刻膠層。
3.如權(quán)利要求1所述的多比例懸臂結(jié)構(gòu)，其中所述第四層是納米珠粒層、空穴配體受體層，薄聚合膜層、金屬氧化物薄膜層，有機受體層或自組裝單分子層(SAM)。
4.如權(quán)利要求1所述的多比例懸臂結(jié)構(gòu)，其中所述懸臂是具有納米尺寸孔的多孔結(jié)構(gòu)。
5.一種多比例懸臂結(jié)構(gòu)，包括包括鋁襯底的第一層，所述鋁襯底包括具有高度t1的第一區(qū)域和具有大于t1的高度t2的第二區(qū)域；以及在所述第一層上形成的第二層，所述第二層包括由氧化鋁構(gòu)成的懸臂，其中所述懸臂包括連接到所述鋁襯底的第二區(qū)域的主體、從所述主體向所述第一區(qū)域凸出并且與所述第一區(qū)域的表面隔開的凸出部分、以及向外部露出的納米尺寸孔。
6.如權(quán)利要求5所述的多比例懸臂結(jié)構(gòu)，其中所述懸臂是具有納米尺寸孔的多孔結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1或5所述的多比例懸臂結(jié)構(gòu)，其中所述懸臂是隔膜結(jié)構(gòu)，不包括在其下部上的屏障層。
8.如權(quán)利要求4或6所述的多比例懸臂結(jié)構(gòu)，其中所述納米尺寸孔填充有預(yù)定的材料。
9.如權(quán)利要求8所述的多比例懸臂結(jié)構(gòu)，其中所述預(yù)定的材料是金屬、金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物、磁性材料、壓電材料、熒光材料、發(fā)光材料、碳納米管(CNT)、納米線，DNA或干細胞。
10.如權(quán)利要求4或6所述的多比例懸臂結(jié)構(gòu)，其中所述納米尺寸孔具有六角形橫截面。
11.如權(quán)利要求4或6所述的多比例懸臂結(jié)構(gòu)，其中所述納米尺寸孔具有圓形、三角形或長方形橫截面。
12.如權(quán)利要求1所述的多比例懸臂結(jié)構(gòu)，其中所述金屬薄膜層是鋁薄膜層。
13.一種制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，包括通過陽極氧化鋁襯底形成具有多個納米尺寸孔的氧化鋁層；通過在所述氧化鋁層上順序沉積金屬薄膜層和光刻膠層形成第一結(jié)構(gòu)；通過在所述第一結(jié)構(gòu)上排列具有凸形橫截面圖案的掩模，然后曝光所述光刻膠層并且顯影所述光刻膠層，形成具有凸形橫截面的光刻膠層圖案；通過濕式刻蝕所述金屬薄膜層，其中使用所述光刻膠層圖案作為掩模并且使用金屬蝕刻溶液，在未被所述圖案覆蓋的區(qū)域上去除所述金屬薄膜層，形成具有凸形橫截面的金屬薄膜層圖案；通過濕式蝕刻所述氧化鋁層，其中使用所述金屬薄膜層圖案作為掩模并且使用氧化鋁蝕刻溶液，去除未被所述金屬薄膜層圖案覆蓋的氧化鋁層，形成具有凸形橫截面的第二結(jié)構(gòu)；以及通過電拋光所述鋁襯底，以通過表面反應(yīng)在未被所述第二結(jié)構(gòu)覆蓋的第一區(qū)域中去除所述鋁襯底的頂部，形成與所述鋁襯底的第一區(qū)域的表面隔開的懸臂。
14.如權(quán)利要求13所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其中在所述陽極氧化過程中使用的電解液是磷酸、草酸、硫酸、磺酸或鉻酸的電解質(zhì)水溶液。
15.如權(quán)利要求13所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其中所述懸臂是包括納米尺寸孔的多孔結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求15所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其中所述納米尺寸孔具有六角形橫截面。
17.如權(quán)利要求15所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其中所述納米尺寸孔具有圓形，三角形或長方形橫截面。
18.如權(quán)利要求13所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，進一步包括在形成所述懸臂之后，去除所述光刻膠層，并且在所述金屬薄膜層上形成納米珠粒層、空穴配體受體層、薄聚合膜層、金屬氧化物薄膜層，有機受體層或自組裝單分子層(SAM)。
19.如權(quán)利要求13所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，進一步包括在形成所述氧化鋁層之后，用預(yù)定的材料填充所述納米尺寸孔。
20.如權(quán)利要求19所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其中所述預(yù)定的材料是金屬、金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物、磁性材料、壓電材料、熒光材料、發(fā)光材料、碳納米管(CNT)、納米線，DNA或干細胞。
21.如權(quán)利要求13所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其中所述金屬薄膜層是鋁薄膜層。
22.如權(quán)利要求13所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其中所述金屬蝕刻溶液是鋁蝕刻溶液。
23.如權(quán)利要求22所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其中所述鋁蝕刻溶液是包括質(zhì)量比是16∶2∶1∶1的H3PO4、H2O、CH3COOH和HNO3的溶液。
24.如權(quán)利要求13所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其中所述氧化鋁蝕刻溶液是5重量％的H3PO4溶液。
25.如權(quán)利要求13所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，進一步包括在形成具有凸形橫截面的第二結(jié)構(gòu)之后，通過使用有機溶劑去除光刻膠層并且通過執(zhí)行濕式蝕刻去除所述金屬薄膜層，露出所述懸臂的納米尺寸孔。
26.如權(quán)利要求13所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，其中在所述電拋光中使用的鋁蝕刻溶液是包括體積比是1∶4的高氯酸和乙醇的溶液。
27.如權(quán)利要求13所述的制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)的方法，進一步包括在形成具有凸形橫截面的第二結(jié)構(gòu)之后去除所述光刻膠層和金屬薄膜層，并且在形成所述懸臂之后使用濕式蝕刻去除沉積在所述氧化鋁的下部上的屏障層，從而形成具有隔膜結(jié)構(gòu)的懸臂。
全文摘要
本發(fā)明提供具有通過陽極氧化制備的納米尺寸孔的多比例懸臂結(jié)構(gòu)及其制備方法。使用陽極氧化和電拋光制備多比例懸臂結(jié)構(gòu)，以便制造過程是簡單的，并且制造成本是廉價的。此外，多比例懸臂結(jié)構(gòu)具有多個納米尺寸孔在其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)，因此可以最大化該懸臂結(jié)構(gòu)的表面積。因此，當在傳感器中使用這種懸臂結(jié)構(gòu)時，該傳感器可以具有改進的靈敏度和選擇性。
文檔編號B81C1/00GK1966393SQ20061016464
公開日2007年5月23日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者李政炫, 李坪洙, 李建弘, 申娜英 申請人:學校法人浦項工科大學校, 浦項工科大學校產(chǎn)學協(xié)力團