CN102167280A - 一种超疏水硅微纳复合结构及其制备方法 - Google Patents

一种超疏水硅微纳复合结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超疏水硅微纳复合结构及其制备方法，属于纳米材料制备领域。该结构是由硅表面方柱阵列微米结构以及各微米结构上柱状纳米结构组成的微纳复合结构。该制备方法成本相对低廉，可以实现周期阵列硅微纳复合结构可控制备，并与微电子、微机电工艺兼容，为深入研究几何形貌对润湿性能的影响提供了有力的手段；该制备方法无需表面修饰，只是通过表面结构形貌改变就可获得超疏水性，为超疏水硅微纳复合结构表面在微机电系统等领域中的应用奠定了基础。

Description

一种超疏水硅微纳复合结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超疏水硅微纳复合结构及其制备方法，属于纳米材料制备领域。
背景技术
一般把水的接触角大于150°的固体表面，称为超疏水表面。已经证明一种简单而又有效的达到超疏水性的方法是在固体表面制备微纳米结构。许多植物叶表面的疏水性非常强，最典型的是荷叶表面，水滴与叶面之间的接触角大于150°，并且水滴很容易滚落，这种超疏水性现象被称为荷叶效应。
超疏水硅微纳复合结构表面在微纳机电系统中有着重要应用需求。在微制造工艺过程中，湿法腐蚀时释放粘附是一个难以解决的难题，通过引入超疏水表面对于解决该问题有重要促进。在许多微电子、微机电器件应用过程中，表面污染会大大降低其使用性能，超疏水表面能够使表面具有自清洁性，可以大大改善使用性能。
Ming-Fang Wang等在硅材料上通过电化学刻蚀制备了具有分形特征的超疏水硅微纳复合结构(Ming-Fang Wang，Nithin Raghunathan，and Babak Ziaie.A Nonlithographic Top-Down Electrochemical Approach for Creating Hierarchical(Micro-Nano)Superhydrophobic Silicon Surfaces.Langmuir，2007，23：2300-2303.)。Yonghao Xiu等通过KOH各向异性刻蚀和Au辅助HF/H2O2刻蚀制备了超疏水硅微纳复合结构(Yonghao Xiu，Lingbo Zhu，Dennis W.Hess，and C.P.Wong.Hierarchical Silicon Etched Structures or Controlled Hydrophobicity/Superhydrophobicity.Nano Letters，2007，7(11)：3388-3393.)。上述方法成本低廉，但是获得的硅微纳复合结构形貌不可控。
发明内容
本发明的目的是：为了克服现有技术中制备超疏水硅微纳复合结构的方法形貌不可控的不足，提出一种超疏水硅微纳复合结构及其可控制备方法。
本发明的技术方案是：一种超疏水硅微纳复合结构，硅表面有方柱阵列微米结构，各微米结构边长a满足10μm≤a≤40μm，高度h满足10μm≤h≤40μm，相邻两个微米结构横向间距b1满足10μm≤b1≤200μm，纵向间距b2满足10μm≤b2≤200μm；在各微米结构表面有柱状纳米结构。
一种超疏水硅微纳复合结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：制作掩模版；
步骤二：光刻；
步骤三：电感耦合等离子体反应刻蚀，刻蚀深度为h，得到符合要求的硅微米结构；其采用刻蚀工艺的具体参数为：SF6，气体流量180sccm/min，刻蚀时间14s；C4F6，气体流量85sccm/min，钝化时间7s；刻蚀/钝化循环的次数为7-28次；刻蚀结束后，以O2作为工作气体，去除光刻胶；
步骤四：化学催化腐蚀法在硅微米结构表面制备纳米结构，得到超疏水硅微纳复合结构，包括如下子步骤：
子步骤1：对步骤三ICP刻蚀后的硅微米结构先用丙酮清洗，以去除残留在上面的光刻胶，再用无水乙醇清洗，最后用去离子水清洗，然后用氮气吹干；
子步骤2：配置5mol/L的氢氟酸，0.015mol/L的硝酸银溶液，然后将其等体积混合；
子步骤3：在20℃条件下将子步骤1清洗后的硅微米结构正面朝上放入子步骤2配置的溶液中，沉积1分钟；
子步骤4：配置5mol/L的氢氟酸，0.15mol/L的硝酸铁溶液，然后将其等体积混合；
子步骤5：将子步骤3沉积过的硅微米结构正面朝上放入子步骤4配置的溶液中，将溶液放入恒温水浴中在35℃下处理30-90分钟；
子步骤6：取出硅微纳复合结构，用去离子水多次漂清后用氮气吹干。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种硅微纳复合结构及其制备方法。该微纳复合结构表面静态接触角基本在150°以上，其前进角和后退角的差值基本在2°以内，水滴易从其表面滚落，表现出超疏水性。而没有该微纳复合结构的纯硅片表面静态接触角约为70°，表现出亲水性。也就是说，硅微纳复合结构使亲水表面变为超疏水表面，为用亲水材料直接制备超疏水表面提供了一种新的思路。
该制备方法成本相对低廉，可获得图形可控的微纳复合结构，并与微电子、微机电工艺兼容，为深入研究几何形貌对润湿性能的影响提供了有力的手段。该方法无需表面修饰，只是通过表面结构形貌改变就可获得超疏水性，为超疏水硅微纳复合结构表面在微机电系统等领域中的应用奠定了基础。
而且，本发明在大量实验设计的基础上，确定了一组最优工艺参数。步骤三中的工艺参数可保证硅基底上形成高深宽比、良好垂直度的硅微米结构。步骤四中的参数可保证硅微米结构和硅基底上形成均匀分布和高度可以控制的纳米结构。
附图说明
图1是本发明提出的硅微米结构示意图。
图2是本发明提出的硅微米结构一个阵列单元的俯视图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是实施例1制备的硅微纳复合结构的扫描电镜照片。
图5是实施例1制备的硅微纳复合结构中单个结构扫描电镜照片。
图6是实施例1中制备的硅微纳复合结构上的水滴静态接触角示意图。
图7是实施例1中制备的硅微纳复合结构上的水滴静态接触角照片。
图8是纯硅片表面的水滴静态接触角示意图。
图9是纯硅片表面的水滴静态接触角照片。
具体实施方式
实施例1
本实施例中的超疏水硅微纳复合结构为：一种超疏水硅微纳复合结构，硅表面有100×100个的方柱阵列微米结构，各微米结构边长a＝20μm，高度h＝20μm，相邻两个微米结构的横向间距为b1＝40μm，纵向间距为b2＝80μm，在各微米结构表面有柱状纳米结构。
本实施例中一种硅超疏水微纳复合结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：制作掩模版：通过掩模版设计使阵列微米结构尺寸参数为a＝20μm，b1＝40μm，b2＝80μm；
步骤二：光刻：通过涂胶、前烘、曝光、显影、后烘等工艺进行光刻，把掩模版图形复制到硅片表面光刻胶上。
步骤三：电感耦合等离子体反应刻蚀，刻蚀深度为h＝20μm，得到符合要求的硅微米结构；其采用刻蚀工艺的具体参数为：SF6，气体流量180sccm/min，刻蚀时间14s；C4F6，气体流量85sccm/min，钝化时间7s；刻蚀/钝化循环的次数为14次；刻蚀结束后，以O2作为工作气体，去除光刻胶。
步骤四：化学催化腐蚀法在硅微米结构表面制备纳米结构，得到硅超疏水微纳复合结构，包括如下子步骤：
子步骤1：对步骤三ICP刻蚀后的硅微米结构先用丙酮清洗，以去除残留在上面的光刻胶，再用无水乙醇清洗，最后用去离子水清洗，然后用氮气吹干；
子步骤2：配置5mol/L的氢氟酸，0.015mol/L的硝酸银溶液，然后将其等体积混合；
子步骤3：在20℃条件下将上述清洗后的硅微米结构正面朝上放入该溶液中，沉积1分钟；
子步骤4：配置5mol/L的氢氟酸，0.15mol/L的硝酸铁溶液，然后将其等体积混合；
子步骤5：将沉积过的硅微米结构正面朝上放入上述溶液中，将溶液放入恒温水浴中在35℃下处理30分钟；
子步骤6：取出硅微纳复合结构，用去离子水多次漂清后用氮气吹干。

Claims (3)

1.一种超疏水硅微纳复合结构，其特征在于，一种超疏水硅微纳复合结构，硅表面有方柱阵列微米结构，各微米结构边长a满足10μm≤a≤40μm，高度h满足10μm≤h≤40μm，相邻两个微米结构横向间距b1满足10μm≤b1≤200μm，纵向间距b2满足10μm≤b2≤200μm；在各微米结构表面有柱状纳米结构。
2.一种如权利要求1所述超疏水硅微纳复合结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制作掩模版；
步骤二：光刻；
步骤三：电感耦合等离子体反应刻蚀，刻蚀深度为h，得到符合要求的硅微米结构；
步骤四：化学催化腐蚀法在硅微米结构表面制备纳米结构，得到超疏水硅微纳复合结构，包括如下子步骤：
子步骤1：对步骤三ICP刻蚀后的硅微米结构先用丙酮清洗，以去除残留在上面的光刻胶，再用无水乙醇清洗，最后用去离子水清洗，然后用氮气吹干；
子步骤2：配置5mol/L的氢氟酸，0.015mol/L的硝酸银溶液，然后将其等体积混合；
子步骤3：在20℃条件下将子步骤1清洗后的硅微米结构正面朝上放入子步骤2配置的溶液中，沉积1分钟；
子步骤4：配置5mol/L的氢氟酸，0.15mol/L的硝酸铁溶液，然后将其等体积混合；
子步骤5：将子步骤3沉积过的硅微米结构正面朝上放入子步骤4配置的溶液中，将溶液放入恒温水浴中在35℃下处理30-90分钟；
子步骤6：取出硅微纳复合结构，用去离子水多次漂清后用氮气吹干。
3.一种如权利要求2所述的超疏水硅微纳复合结构制备方法，其特征在于，所述步骤三中，电感耦合等离子体反应刻蚀采用的具体参数为：SF6，气体流量180sccm/min，刻蚀时间14s；C4F6，气体流量85sccm/min，钝化时间7s；刻蚀/钝化循环的次数为7-28次。
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