CN101881925B - 一种在凹形三维曲面上复制微纳结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种在三维任意曲面上复制微纳结构的方法，涉及微纳加工领域，它解决了现有获得微纳结构的方法步骤繁多，且加工过程费时，不适合大口径大批量加工的问题，本发明的方法为：将柔性模板紧密贴到涂覆有高分子薄膜的三维曲面基底表面，然后对所述三维曲面基底表面在140℃的温度下加热30分钟后，所述高分子薄膜在毛细力的作用下流向柔性模板的空腔；然后将三维曲面基底表面的温度下降至室温，获得采用毛细力光刻的固定的微纳结构形状；所述的柔性模板和三维曲面基底表面分离，获得三维曲面上的微纳结构。本发明适用于微细加工、微纳制造领域等。

Description

一种在凹形三维曲面上复制微纳结构的方法

技术领域

本发明涉及微纳加工领域，具体涉及在三维任意曲面上复制微纳结构的方法。 

背景技术

目前，毛细力光刻的研究是国际上的一个研究热点，主要集中于在二维平面基底上如何通过毛细力作用实现纳米结构的制作。对于应用毛细力光刻于三维曲面上的微纳结构的制作，目前尚未见公开报道。 

现有的在三维曲面上进行微纳加工的方法中最有效的是激光直写技术。该方法利用激光焦斑在曲面上进行扫描，使得涂覆于曲面上的光刻胶被曝光从而得到所需要的图形。其优点是可以得到任意图形，缺点在于加工过程极其缓慢不适合大口径大批量加工的需要。其它方法包括激光全息干涉法，软光刻方法，贴花转印方法(Decal Transfer Lithography)等，这些方法各有优缺点，受限颇多。 

而对于三维曲面上微纳结构的复制，目前可用的方法非常贫乏，其中的一个方法是通过在模板上镀上一层油膜，然后再通过压印、固化以及分离等步骤才能实现微纳结构的复制，该方法步骤繁多、加工过程漫长。 

发明内容

本发明为解决现有获得微纳结构的方法步骤繁多，且加工过程费时，不适合大口径大批量加工的问题，提供一种在三维任意曲面上复制微纳结构的方法；该方法由以下步骤实现： 

步骤一、将柔性模板紧密贴到涂覆有高分子薄膜的三维曲面基底表面，然后对所述三维曲面基底表面进行加热，加热温度由室温上升至140℃； 

步骤二、对步骤一所述的三维曲面基底表面在140℃的温度下加热30分钟，所述高分子薄膜在毛细力的作用下流向柔性模板的空腔； 

步骤三、将步骤二所述的三维曲面基底表面的温度下降至室温，获得固定的微纳结构形状； 

步骤四、将步骤一所述的柔性模板和步骤三所述的三维曲面基底表面分离，获得三维曲面上的衍射光栅。 

本发明的有益效果：本发明通过使用柔性曲面模板，利用毛细力光刻的方法，将母版上的微纳结构快速高保真的复制到三维曲面基底上去，本发明所述方法加工过程简单、快速，可以在一小时左右完成，所用的柔性模版成本低廉，可多次重复使用。 

附图说明

图1为本发明的一种在三维任意曲面上复制微纳结构的方法的柔性模板的制作示意图。 

图2为本发明的一种在三维任意曲面上复制微纳结构的方法的毛细力光刻工作原理图；(a)、柔性模板、高分子薄膜和三维曲面基底在未加热状态的示意图；(b)、柔性模板与三维曲面基底在加热后完全接触的示意图。 

图3为本发明采用原子力显微镜测得的作为三维曲面母版的三维曲面衍射光栅图； 

图4为本发明的柔性模板上的衍射光栅效果图； 

图5为本发明的三维曲面基底上复制得到的衍射光栅效果图。 

图中：1、三维曲面母版，2、三维曲面基底，3、刚性腔体，4、柔性模板，5、高分子薄膜。 

具体实施方式

具体实施方式一：一种在三维任意曲面上复制微纳结构的方法，由以下步骤完成：

步骤一、将柔性模板4紧密贴到涂覆有高分子薄膜5的三维曲面基底2表面，然后对所述三维曲面基底2表面进行加热，加热温度由室温上升至140℃； 

步骤二、对步骤一所述的三维曲面基底2表面在140℃的温度下加热30分钟，所述高分子薄膜5在毛细力的作用下流向柔性模板4的空腔； 

步骤三、将步骤二所述的三维曲面基底2表面的温度下降至室温，获得固定的微纳结构形状； 

步骤四、将步骤一所述的柔性模板4和步骤三所述的三维曲面基底2表面分离，获得三维曲面上的衍射光栅。 

本实施方式中步骤一所述的柔性模板4的材料为聚二甲基硅烷，简称：PDMS，所述PDMS由单体分子和聚合剂混合而成；所述单体分子和聚合剂的体积比为10∶1。 

本实施方式中步骤一所述的加热温度由室温上升至140℃的过程中对温度进行控制，所述控制温度的方法为：在温度由室温每次上升15℃后，保持10分钟的恒温状态。 

本实施方式中步骤一所述的高分薄膜为Shipley光刻胶。 

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的一种在三维任意曲面上复制微纳结构的方法的区别在于，步骤一所述的柔性模板4的制作过程为： 

步骤A、将表面具有微纳结构的三维曲面母版1与三维曲面基底2置于刚性腔体3中，所述三维曲面母版1与三维曲面基底2的间隔为0至500微米之间； 

步骤B、将PDMS放到真空腔体内采用真空泵进行抽气，时间为10分钟，获得除去气泡后的PDMS液体； 

步骤C、将步骤B获得的PDMS液体沿着步骤A所述的刚性腔体3的预留孔注入三维曲面母版1和三维曲面基底2之间的空隙中；然后对三维曲面基底2进行加热，获得固化的PDMS； 

步骤D、将步骤C获得固化的PDMS从三维曲面基底2与三维母版中分离；获得柔性模板4。 

本实施方式中步骤C所述的对三维曲面基底2进行加热的时间为两小时，加热的温度为65℃。 

本实施方式中步骤D获得的柔性模板4与三维曲面母版1形状相同。 

本实施方式中步骤A所述的三维曲面母版1与三维曲面基底2形状相同。 

本实施方式中步骤A所述的刚性腔体3的材料可以为玻璃、塑料或者金属等。 

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式二 的实施例： 

将表面具有微纳结构的三维曲面母版1和与所述三维曲面母版1共形的三维曲面基底2置于同一刚性腔体3；控制两者之间的共面性和间隔，确保两者高度共形并且使得两者之间的空隙足够小，典型的数值在500微米左右，从而保证复制得到的柔性模板4不但与三维曲面母版1高度共形并且其厚度足够小。实验中观察到当柔性模板4的厚度足够小时，柔性模板4可以很好地吸附在三维曲面基底2表面上，从而使得在毛细力光刻过程中，柔性模板4不会和三维曲面基底2发生局部甚至大面积的分离。 

所述柔性模板4的材料采用聚二甲基硅烷(PDMS)或者其它表面能量足够低可以使得柔性模板4和高分子薄膜5在无压或者非常小的压力下就能够紧密接触的材料制成。PDMS为购自美国康宁公司(Corning)的Sylgard184，该材料有两部分即PDMS单体分子和聚合剂以10∶1的体积比混合而成。在充分混合后，需要去除PDMS液态流体里面的气泡，一般是把PDMS放到真空腔体中利用真空泵抽气10分钟左右即可。在去除气泡后，将PDMS沿着刚性腔体3预留的小孔注入三维曲面母版1和三维曲面基底2之间的空隙当中，然后置于常温下24小时或者在高温下加热一定的时间比如65℃两个小时，使PDMS充分固化。待PDMS固化后将PDMS从三维曲面基底2和三维曲面母版1之间分离出来，就得到了共形曲面柔性模板4，利用该柔性模板4通过毛细力光刻就可以在三维曲面基底2上制作微纳结构。 

具体实施方式四：结合图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式为实施方式一的实施例： 

所述柔性模板4上有用于三维曲面基底2上进行加工或者复制的微纳结构；该柔性模板4所用材料和制作过程与实施方式三相同，当柔性模板4和高分子薄膜5紧密接触之后，结合图2(a)，加热高分子薄膜5至温度稍高于其玻璃化转变温度，从而使得高分子薄膜5处于熔融状态而可以流动。此时熔融高分子薄膜5就会在毛细力的作用下流进柔性模板4的空腔当中，同时柔性模板4会朝三维曲面基底2方向逐渐地移动；当柔性模板4上突出的微纳结构下 端的高分子薄膜5材料在完全流入柔性模板4的空腔时，柔性模板4停止移动并与三维曲面基底2完全接触；结合图2(b)，然后缓慢地加热该基底，由于使用的Shipley光刻胶的玻璃化温度在120℃左右，所以加热该三维曲面基底2使其温度由室温一直上升到140℃。为了避免温度上升太快致使柔性模板4从三维曲面基底2表面脱离，控制温度在每上升15℃后保持10分钟的恒温状态；当温度上升到140℃后，使三维曲面基底2在该温度下继续加热30分钟左右以便使熔融光刻胶在毛细力的作用下充分流向柔性模板4的空腔；然后再使所述三维曲面基底2温度缓慢下降至室温，这样通过毛细力光刻制作的微纳结构形状便得以固定下来，最后再把柔性模板4和三维曲面基底2分离，从而在凹形曲面上得到衍射光栅。 

本实施方式为了保证柔性模板4和三维曲面基底2的紧密接触，可以对所述柔性模板适当施加微力但要保证柔性模板4上突出的微纳结构不致变形，结合图3至图5，可以看到三维曲面母版1上的衍射光栅被成功地复制到了凹形曲面基底上，并且由于复制得到的衍射光栅是由毛细力光刻中熔融光刻胶的流动形成的，从而使得其表面看起来比三维曲面母版1稍显光滑。 

Claims (3)

1.一种在凹形三维曲面上复制微纳结构的方法，其特征是，该方法由以下步骤完成：

步骤一、将柔性模板(4)紧密贴到涂覆有高分子薄膜(5)的凹形三维曲面基底表面，然后对所述凹形三维曲面基底表面进行加热，加热温度由室温上升至140℃；

步骤二、对步骤一所述的凹形三维曲面基底表面在140℃的温度下加热30分钟，所述高分子薄膜(5)在毛细力的作用下流向柔性模板(4)的空腔；

步骤三、将步骤二所述的凹形三维曲面基底表面的温度下降至室温，获得固定的微纳结构形状；

步骤四、将步骤一所述的柔性模板(4)和步骤三所述的凹形三维曲面基底表面分离，获得三维曲面上的衍射光栅；

步骤一所述的柔性模板(4)的制作过程为：

步骤A、将表面具有微纳结构的三维曲面母版(1)与凸形三维曲面基底置于刚性腔体(3)中，控制三维曲面母版(1)与凸形三维曲面基底之间的共面性，确保三维曲面母版(1)与凸形三维曲面基底高度共形；所述三维曲面母版(1)与凸形三维曲面基底的间隔为0至500微米之间；

步骤B、将PDMS放到真空腔体内采用真空泵进行抽气，时间为10分钟，获得除去气泡后的PDMS液体；

步骤C、将步骤B获得的PDMS液体沿着步骤A所述的刚性腔体(3)的预留孔注入三维曲面母版(1)和凸形三维曲面基底之间的空隙中；然后对凸形三维曲面基底进行加热，获得固化的PDMS；

步骤D、将步骤C获得固化的PDMS从凸形三维曲面基底与三维母版中分离；获得柔性模板(4)。

2.根据权利要求1所述的一种在凹形三维曲面上复制微纳结构的方法，其特征在于，步骤C所述的对凸形三维曲面基底进行加热的时间为两小时，加热的温度为65℃。

3.根据权利要求1所述的一种在凹形三维曲面上复制微纳结构的方法，其特征在于，步骤A所述的刚性腔体(3)的材料为玻璃或者金属。

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