CN103172017A

CN103172017A - 一种超疏水性硅衬底制造方法

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Publication number: CN103172017A
Application number: CN2013100961682A
Authority: CN
Inventors: 吴文刚; 王诣斐; 杨增飞; 钱闯
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2033-03-25
Also published as: CN103172017B

Abstract

本发明涉及一种超疏水性硅衬底制造方法，其步骤包括：通过传统的微电子工艺对硅衬底进行光刻、刻蚀，加工出微米级别的硅柱阵列；采用氧等离子刻蚀方法，刻蚀硅衬底；将纳米颗粒溶液进行去离子水稀释配比，得到纳米颗粒悬浊液；将亲水化处理过的硅衬底结构浸泡在纳米颗粒悬浊液中，再将纳米颗粒悬浊液放置于蒸发台中，让该纳米颗粒悬浊液在室温下自然蒸发，也可以通过氮气加速蒸发；采用氧等离子刻蚀方法，刻蚀密排在结构表面的纳米颗粒，控制反应时间，得到大小合适的纳米颗粒；采用化学气相淀积方法，淀积本征弱疏水的聚对二甲苯，使得聚对二甲苯完全保型地淀积在硅衬底结构表面从而得到最终的超疏水衬底。本发明采用微米纳米加工工艺制备微米纳米双层分级复合结构，工艺简单，原料普遍，具有良好的周期性。

Description

一种超疏水性硅衬底制造方法

技术领域

本发明涉及一种超疏水性硅衬底制造方法，特别是关于一种利用纳米颗粒蒸发诱导自组装现象，制备出微米纳米复合分级结构的超疏水性硅衬底制造方法。

背景技术

超疏水是最受关注的一种浸润现象。浸润是指液体在固体表面能铺展，接触面有扩大的趋势。液体在固体上的展布会形成固、液、气三相相交。在交界的地方，自固—液界面经液体内部到气—液界面之间的夹角，叫做接触角。将固体衬底倾斜一定的角度后液体可能在固体表面开始滚动或滑动，能使液体进行滚动或滑动的最小倾角为滚动角。所谓超疏水性是指静态接触角大于150°，同时滚动角小于5°。

通过对自然界中超疏水硅衬底表面的显微观察，人们已经意识到，导致超疏水性质的原因有两点：1、表面应该是本征疏水的化学材料；2、应该具有微米纳米复合分级结构。制备人工的超疏水性硅衬底，就应该使得最终得到的硅衬底表面同时满足这两个条件。按照这样的设计标准，出现了两种不同的设计思路。其一，利用本征低表面能的疏水材料。将这类材料加工出微米纳米分级结构；其二，首先加工出微米纳米分级结构，再对该结构进行本征疏水材料的敷涂或者化学修饰。两种设计思路殊途同归，而基于这两种设计思路，发展出了若干人工超疏水性硅衬底的制造方法，如机械拉伸法、光刻刻蚀法、模板法、溶胶-凝胶法、电纺法等。

上述的各种方法虽然能够制备出疏水程度非常高的硅衬底表面，但是大部分的工艺方法都需要非常复杂的加工设备，同时原材料也十分特殊，这对于超疏水表面的大规模工业化应用产生了限制。更重要的是，上述大部分加工方法制备出的硅衬底表面，其微观形貌都较为杂乱无章。这虽然能够提高衬底表面的粗糙程度，但是并不利于对该种衬底表面进行浸润性的理论分析。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是利用纳米颗粒蒸发诱导自组装现象，提出了一种完全仿照荷叶结构的微米纳米复合分级结构的超疏水性硅衬底制造方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种超疏水性硅衬底制造方法，其包括以下步骤：1）通过传统的微电子工艺对硅衬底进行光刻刻蚀，加工出微米级别的硅柱阵列；2）对经步骤1）加工后的硅衬底，采用氧等离子刻蚀方法进行处理，一方面去除残余的掩模有机物，另一方面对硅表面进行亲水化处理；3）将制备好的聚苯乙烯纳米颗粒悬浊液倒入一容器中，将处理过的硅衬底，硅柱面朝上浸泡在所述容器中，此时液面高度要没过带有硅柱的硅衬底；4）将容器放置在室温条件下自然蒸发，使聚苯乙烯纳米颗粒在液体表面张力的作用下固定在硅柱和硅衬底表面；5）采用氧等离子刻蚀方法，刻蚀经上述步骤得到的硅柱和硅衬底表面的聚苯乙烯纳米颗粒，致使聚苯乙烯纳米颗粒的直径减小至预定值；6）采用化学气相淀积方法，在硅衬底和硅柱表面淀积一层本征弱疏水的聚对二甲苯薄膜，即得到超疏水性衬底。

所述步骤3）中，聚苯乙烯纳米颗粒悬浊液是由聚苯乙烯纳米颗粒原液加入去离子水稀释得到，悬浊液的浓度为每毫升1×10¹²～8×10¹²个。

所述步骤4）中，将容器放置在一蒸发台中，并通入氮气加速蒸发。

所述步骤5）中，聚苯乙烯纳米颗粒直径的预定值为400～500nm。

所述步骤6）中，聚对二甲苯薄膜的厚度为50nm～150nm。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过微米纳米加工工艺制备出的硅衬底结构完全仿照了荷叶表面的微结构。这种微结构是一种微米纳米双层分级复合结构，其排列紧密有序，且具有良好的周期性，能够进行超疏水特性的理论分析及模拟，从而优化最终的设计。2、本发明采用的微米纳米加工工艺为传统的微电子加工工艺，所用工艺简单。3、本发明采用硅、聚苯乙烯纳米颗粒、聚对二甲苯等普遍原材料，成本价格低廉。本发明可以广泛用于纺织服装、交通运输、液体输运、建筑、商品包装等领域中，提高防尘除垢、防雾除水汽、防电流串通、防腐蚀、防霜、防粘附等功能。

附图说明

图1是本发明微米级别的硅柱阵列示意图

图2是本发明蒸发自组装过程示意图

图3是本发明半月形液膜将纳米颗粒压在硅柱侧壁上示意图

图4是本发明纳米颗粒均匀密排固定在硅柱上的示意图

图5是本发明附着纳米颗粒的硅柱和硅衬底的电子显微镜效果图

图6是本发明氧等离子刻蚀纳米颗粒小球后的示意图

图7是本发明氧等离子刻蚀纳米颗粒小球后的电子显微镜效果图

图8是本发明化学气相淀积聚对二甲苯后的示意图

图9是本发明化学气相淀积聚对二甲苯后的电子显微镜效果图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明一种超疏水性硅衬底制造方法，包括以下步骤：

1）如图1所示，将100晶向的4英寸n型硅衬底1,通过传统的微电子工艺对硅衬底1进行光刻、刻蚀，加工出微米级别的硅柱2阵列；硅柱2的大小要考虑模仿真实荷叶表面的纳米突起时固定在硅柱2上的聚苯乙烯纳米颗粒3的大小，当聚苯乙烯纳米颗粒3的直径为700nm时，硅柱2的基准直径设计为20μm，刻蚀的硅柱2高度为20μm，使得700nm直径的聚苯乙烯纳米颗粒3能够较为理想地在硅柱2表面排布。

2）采用氧等离子刻蚀方法刻蚀步骤1）中带有硅柱2的硅衬底1，一方面是为了去除残余掩模有机物，另一方面是对硅衬底1和硅柱2表面进行亲水化处理，使其表面生成一层二氧化硅薄层从而更容易吸附聚苯乙烯纳米颗粒3。

3）如图2所示，在一容器中放入聚苯乙烯纳米颗粒悬浊液，将步骤2)处理过的硅衬底1浸泡在聚苯乙烯纳米颗粒悬浊液中，此时液面高度要没过带有硅柱2的硅衬底1。

其中聚苯乙烯纳米颗粒悬浊液是通过聚苯乙烯纳米颗粒原溶液进行去离子水稀释得到的，聚苯乙烯纳米颗粒原溶液为市售产品；悬浊液中去离子水的量是根据聚苯乙烯纳米颗粒原溶液和需要配置的悬浊液的浓度计算得到的，比如实验中所用培养皿底面半径为4cm，液面高度要稍高于衬底，所以纳米颗粒悬浊液的体积约为15微升，配置的纳米颗粒溶液浓度过高将形成双层甚至多层结构，太低则表面覆盖率很低，为了实现纳米颗粒的单层密排，配置好的纳米颗粒悬浊液的浓度一般约为每毫升悬浊液中含有1×10¹²～8×10¹²个纳米颗粒；此处浓度仅作为参考，实际操作中需要反复试验，以寻求最佳浓度范围。

4）将容器放置在室温条件下自然蒸发，一般液体蒸发干净需要一天左右，蒸发过程也可以是将容器放置在一蒸发台中，并通入氮气加速蒸发，进而得到固定有聚苯乙烯纳米颗粒3的硅柱2和硅衬底1；

如图3所示，在上述聚苯乙烯纳米颗粒悬浊液3的蒸发过程中，聚苯乙烯纳米颗粒悬浊液液面会在硅柱2与硅衬底1表面形成一弯月形4，靠近硅柱2的液面会较高，而远离硅柱2的液面则较低，越靠近硅柱2顶部液体层越薄。当液膜厚度接近一个聚苯乙烯纳米颗粒3的直径时，该处的液膜内便只能容许单层聚苯乙烯纳米颗粒3存在，悬浊液体的表面张力将聚苯乙烯纳米颗粒3固定在硅柱2表面（如图4所示）。与此同时，聚苯乙烯纳米颗粒3上一些含硅氧键的化学基团，将水解变为硅醇或类似物，而硅柱2表面的悬挂键则吸附水中的氢氧根变为羟基。这些羟基会与硅醇类似物连接成稳定的硅-氧-硅（Si-O-Si）化学键或者类似物。如果进一步考虑氢键、静电作用力、分子间作用力等，那么即使液体完全蒸发后，聚苯乙烯纳米颗粒3也将被牢牢地固定在硅柱2和硅衬底1表面（如图5所示），图中705nm是测量出的一个聚苯乙烯纳米颗粒的直径，10μm是比例尺的单位长度。

5）如图6所示，采用氧等离子刻蚀方法，刻蚀经步骤4）得到的硅柱2和硅衬底1上的聚苯乙烯纳米颗粒3，以减小聚苯乙烯纳米颗粒3的直径至400nm。应该注意的是，硅柱2顶面的聚苯乙烯纳米颗粒3缩小的程度要大于硅柱2侧壁上的聚苯乙烯纳米颗粒3，因此在控制聚苯乙烯纳米颗粒3的直径时，只要硅柱2顶面的聚苯乙烯纳米颗粒3达到400nm即可。在刻蚀的过程中，被刻蚀的聚苯乙烯纳米颗粒3会形成氧化聚苯乙烯气体而挥发，因此不会在聚苯乙烯纳米颗粒3形成残留。此时得到的硅衬底1和硅柱2表面已经具备了微米纳米复合分级结构（如图7所示），但是氧等离子刻蚀得到的聚苯乙烯纳米颗粒3不具备各向同性的均匀性，会将聚苯乙烯纳米颗粒3刻蚀成较为杂乱的结构。

6）采用化学气相淀积方法，淀积本征弱疏水的聚对二甲苯5（parylene），由于聚对二甲苯能够渗透进入硅衬底1、硅柱2和基苯乙烯纳米颗粒3表面几百纳米的极小隙缝，进而形成一层化学气相淀积聚对二甲苯膜5（如图8中粗实线所示），因此处理后的硅衬底1具有更好的保型效果，最终得到的硅衬底1表面更加疏水。

如图9所示，上述步骤6）中，如果化学气相淀积聚对二甲苯膜5的厚度过小，则聚对二甲苯膜的厚度均一可能无法控制，成膜质量较差；而若淀积较厚的聚对二甲苯膜5，则前一步的聚苯乙烯纳米颗粒3不能过小，否则聚对二甲苯会将本来凹凸有致的表面形貌变得平坦化，从而使得纳米级结构不能发挥出应有的功效。综合考虑，本发明聚对二甲苯薄膜5的厚度控制在50nm～150nm，最终的聚苯乙烯纳米颗粒3直径控制在500nm～700nm。

经过上述各步骤后，得到了基于聚苯乙烯纳米颗粒蒸发诱导自组装的微米纳米复合分级结构的超疏水性硅衬底。通过实验证明，经本发明上述步骤得到的硅衬底1的静态接触角达到了163.8°，滚动角只有3.2°，达到了超疏水性硅衬底1的要求。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种超疏水性硅衬底制造方法，其包括以下步骤：

1）通过传统的微电子工艺对硅衬底进行光刻刻蚀，加工出微米级别的硅柱阵列；

2）对经步骤1）加工后的硅衬底，采用氧等离子刻蚀方法进行处理，一方面去除残余的掩模有机物，另一方面对硅表面进行亲水化处理；

3）将制备好的聚苯乙烯纳米颗粒悬浊液倒入一容器中，将经步骤2）处理过的硅衬底，硅柱面朝上浸泡在所述容器中，此时液面高度要没过带有硅柱的硅衬底；

4）将容器放置在室温条件下自然蒸发，使聚苯乙烯纳米颗粒在液体表面张力的作用下固定在硅柱和硅衬底表面；

5）采用氧等离子刻蚀方法，刻蚀经步骤4）得到的硅柱和硅衬底表面的聚苯乙烯纳米颗粒，致使聚苯乙烯纳米颗粒的直径减小至预定值；

6）采用化学气相淀积方法，在硅衬底和硅柱表面淀积一层本征弱疏水的聚对二甲苯薄膜，即得到超疏水性衬底。

2.如权利要求1所述的一种超疏水性硅衬底制造方法，其特征在于：所述步骤3）中，聚苯乙烯纳米颗粒悬浊液是由聚苯乙烯纳米颗粒原液加入去离子水稀释得到，悬浊液的浓度为每毫升1×10¹²～8×10¹²个。

3.如权利要求1所述的一种超疏水性硅衬底制造方法，其特征在于：所述步骤4）中，将容器放置在一蒸发台中，并通入氮气加速蒸发。

4.如权利要求2所述的一种超疏水性硅衬底制造方法，其特征在于：所述步骤4）中，将容器放置在一蒸发台中，并通入氮气加速蒸发。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种超疏水性硅衬底制造方法，其特征在于：所述步骤5）中，聚苯乙烯纳米颗粒直径的预定值为400～500nm。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种超疏水性硅衬底制造方法，其特征在于：所述步骤6）中，聚对二甲苯薄膜的厚度为50nm～150nm。

7.如权利要求5所述的一种超疏水性硅衬底制造方法，其特征在于：所述步骤6）中，聚对二甲苯薄膜的厚度为50nm～150nm。