CN103991839B - 一种超声振动制备微纳米织构的方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声振动制备微纳米织构的方法，属于硅表面微纳米织构的制备方法。该方法：首先利用匀胶机在基板表面均匀的涂覆一层光刻胶；将带有光刻胶的基板在激光干涉系统中进行干涉曝光，实现对光刻胶的织构化处理；最后将基板置于超声加工系统中进行加工，无光刻胶覆盖区域的基板材料将被去除，随着超声加工时间的增加，去除深度将逐渐增大，控制激光干涉光刻的曝光参数、超声振动加工参数实现尺寸可控、大面积的周期性微纳米织构制备。优点：采用超声振动加工无污染、操作简单，超声加工过程中，不会破坏基板表面的光刻胶层，图形转移效果好；改变振动工具的大小实现不同面积的加工；超声波振动的加工精度高、表面质量好，基板在加工过程中受力较小。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备尺寸可控、大面积周期性微纳米织构的方法，尤其是一种超声振动制备微纳米织构的方法。
技术背景
微机电系统(MEMS)以其质量轻、体积小、能耗低等优势逐渐在数字通信、医疗、环境工程、航空航天、工业、武器及传感技术等领域占据了重要的地位。单晶硅具有优良的机械和物理性能，且与微电子集成电路工艺兼容性好，是M/NEMS中的主要结构材料。微纳米织构可以有效的改善材料的表面性能，因此，硅表面的微纳米织构的制备是近年来国内外的一个研究热点。目前，常用于织构化单晶硅表面的加工方法有高能束直写、扫描探针加工、纳米压印及掩膜光刻等，但它们均具有一定的缺陷，例如高能束直写设备昂贵且所制备织构表面较粗糙；扫描探针加工效率低且很难实现大面积加工；掩膜光刻无法实现尺寸可控、大面积微纳米织构的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单、高效、尺寸可控、可实现大面积周期性表面的超声振动制备微纳米织构的方法。
本发明的目的是这样实现的：该方法首先利用匀胶机在基板表面均匀的涂覆一层光刻胶；将带有光刻胶的基板在激光干涉系统中进行干涉曝光，实现对光刻胶的织构化处理；最后将基板置于超声加工系统中进行加工，无光刻胶覆盖区域的基板材料将被去除，随着超声加工时间的增加，去除深度将逐渐增大，通过控制激光干涉光刻的曝光参数、超声振动加工参数实现尺寸可控、大面积的周期性微纳米织构制备。
具体步骤如下：
(1)采用硅基板，依次在丙酮、酒精和去离子水中超声振动清洗后，将基板置于高温真空干燥箱中干燥，接着在其表面涂覆一层六甲基二硅胺；
(2)将光刻胶均匀的涂覆在基板表面，接着在真空干燥箱中进行前烘；待前烘后的基板在空气中自然冷却后，将基板置于激光干涉系统中进行曝光；所述的前烘为：90℃的真空干燥箱中前烘20分钟；
(3)将曝光后的基板在80～100℃的真空干燥箱中后烘10～20分钟，待自然冷却后放入显影液池中进行清洗，使干涉图样记录在基板上，并用去离子水冲洗掉基板表面残留的显影液，接着将基板置于100～120℃恒温真空干燥箱中进行硬烘烤；
(4)待硬烘烤后的基板在空气中自然冷却后，将其置于超声加工系统中，调节超声振动工具的振幅为0.01～0.1mm，频率为16～25kHz，设定超声加工时间为0.5s～5min，将光刻胶图形按1:1复制在基板表面；
(5)超声加工达到50nm～100μm的深度后，将基板放入去胶液池中进行清洗，以除去其表面剩余的光刻胶，然后用丙酮、酒精和去离子水反复超声清洗基板。
所述的步骤(1)中，硅基板为单晶硅(100)；
所述的步骤(1)中，依次用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗3～5min；
所述的步骤(1)中的六甲基二硅胺，它是一种含Si的有机分子，与硅和光刻胶均有很好的黏附性。
所述的步骤(2)中的光刻胶，经由紫外激光照射后可以发生固化反应，显影后将被去除；所述的步骤(2)中，激光干涉的激光器为脉冲激光器DSH-355-10，加工时控制激光器的功率在10mW～100mW，曝光时间由GCI-37精密电子开关控制，通过改变激光器的功率和曝光时间，可以在光刻胶表面实现周期大小为100nm～10μm、不同类型的微纳米织构的制备。
所述的步骤(4)中，超声振动加工机床的型号为CSJ-2，超声振动工具的振幅为0.01～0.1mm，频率为16～25kHz，超声加工时间为0.5s～5min，实现织构深度为50nm～100μm。
所述的步骤(5)中，依次用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗3～5min。
有益效果，由于采用了上述方法，
(1)单晶硅为脆性材料，光刻胶软材料，超声加工过程中，不会破坏基板表面的光刻胶层，图形转移效果好；
(2)可实现低成本、高效、尺寸可控的微纳米织构的制备。使用激光干涉光刻不需要昂贵的透镜组和掩膜板，减少了成本和制作掩膜板的时间；通过改变光束入射角度、曝光剂量和曝光方式，便可以得到不同类型和尺寸的周期性图案；
(3)采用超声振动加工无污染、操作简单，通过改变振动工具的大小可以实现不同面积的加工，而且超声波振动的加工精度高、表面质量好，基板在加工过程中受力较小。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明的超声振动制备微纳米织构的原理图。
具体实施方式
结合附图对本发明的一个具体实施例进行进一步说明：
实施例1：该方法首先利用匀胶机在基板表面均匀的涂覆一层光刻胶；将带有光刻胶的基板在激光干涉系统中进行干涉曝光，实现对光刻胶的织构化处理；最后将基板置于超声加工系统中进行加工，无光刻胶覆盖区域的基板材料将被去除，随着超声加工时间的增加，去除深度将逐渐增大，通过控制激光干涉光刻的曝光参数、超声振动加工参数实现尺寸可控、大面积的周期性微纳米织构制备。
本发明中的微纳米织构制备方法，采用激光干涉光刻和超声振动的加工方法。
本发明的工艺流程为：
首先，硅片依次在丙酮和酒精中分别超声清洗5min，然后用去离子水反复冲洗，以除去表面的各种污迹；上述清洗后的硅片置于150℃的真空干燥箱中烘烤0.5h；利用KW-4A型台式匀胶机，设定转速为3000r/min，旋转时间10s，在上述硅片表面涂覆一层六甲基二硅胺(HMDS)；在硅片中央滴适量的光刻胶，KW-4A匀胶机设定为两种转速，启动后先以500r/min低速运行30s，接着以5000r/min高速运行60s，光刻胶型号为BP-212(37CP)；将硅片置于90℃的真空干燥箱中前烘20分钟；将前烘后的样品置于激光干涉系统中的移动平台上，根据需要设定激光器功率和曝光时间对样品进行干涉曝光，其中所述激光器为脉冲激光器DSH-355-10，控制激光器的功率在10mW～100mW，曝光时间由GCI-37电子开关控制；将样品置于100℃的真空干燥箱中后烘20min；将样品置于显影液池中15秒，并不断搅拌显影液，所述显影液型号为KMPPD238-II；将样品置于120℃真空干燥箱中烘烤1h；待样品冷却后，将其置于型超声加工机床中进行超声加工，所述超声振动机床的型号为CSJ-2超声振动工具的振幅为0.01～0.1mm，频率为16～25kHz，通过调整超声振动的时间可以实现织构深度为50nm～100μm；将超声加工后的样品置于去胶液池中20min，所述去胶液型号为KMPST600；最后将样品在丙酮、酒精和去离子水中分别超声清洗3～5min。
图2中，(a)为干涉曝光前的样品；(b)为干涉曝光后的样品；(c)为显影后的样品；(d)为超声波振动加工后的样品。
Claims (2)
1.一种超声振动制备微纳米织构的方法，其特征是：该方法首先利用匀胶机在基板表面均匀的涂覆一层光刻胶；将带有光刻胶的基板在激光干涉系统中进行干涉曝光，实现对光刻胶的织构化处理；最后将基板置于超声加工系统中进行加工，无光刻胶覆盖区域的基板材料将被去除，随着超声加工时间的增加，去除深度将逐渐增大，通过控制激光干涉光刻的曝光参数、超声振动加工参数实现尺寸可控、大面积的周期性微纳米织构制备；
具体步骤如下：
(1)采用硅基板，依次在丙酮、酒精和去离子水中超声振动清洗后，将基板置于高温真空干燥箱中干燥，接着在其表面涂覆一层六甲基二硅胺；
(2)将光刻胶均匀的涂覆在基板表面，接着在真空干燥箱中进行前烘；待前烘后的基板在空气中自然冷却后，将基板置于激光干涉系统中进行曝光；所述的前烘为：90°C的真空干燥箱中前烘20分钟；
(3)将曝光后的基板在80~100°C的真空干燥箱中后烘10~20分钟，待自然冷却后放入显影液池中进行清洗，使干涉图样记录在基板上，并用去离子水冲洗掉基板表面残留的显影液，接着将基板置于100~120°C恒温真空干燥箱中进行硬烘烤；
(4)待硬烘烤后的基板在空气中自然冷却后，将其置于超声加工系统中，调节超声振动工具的振幅为0.01~0.1mm，频率为16~25kHz，设定超声加工时间为0.5s~5min，将光刻胶图形按1:1复制在基板表面；
(5)超声加工达到50nm~100μm的深度后，将基板放入去胶液池中进行清洗，以除去其表面剩余的光刻胶，然后用丙酮、酒精和去离子水反复超声清洗基板。
2.根据权利要求1所述的一种超声振动制备微纳米织构的方法，其特征是：所述的步骤(1)中，硅基板为单晶硅(100)；
所述的步骤(1)中，依次用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗3~5min；
所述的步骤(1)中的六甲基二硅胺，它是一种含Si的有机分子，与硅和光刻胶均有很好的黏附性；
所述的步骤(2)中的光刻胶，经由紫外激光照射后可以发生固化反应，显影后将被去除；
所述的步骤(2)中，激光干涉系统的激光器为脉冲激光器DSH-355-10，加工时控制激光器的功率在10mW~100mW，曝光时间由GCI-37精密电子开关控制，通过改变激光器的功率和曝光时间，可以在光刻胶表面实现周期大小为100nm~10μm、不同类型的微纳米织构的制备；
所述的步骤(4)中，超声加工系统的机床的型号为CSJ-2，超声振动工具的振幅为0.01~0.1mm，频率为16~25kHz，超声加工时间为0.5s~5min，实现织构深度为50nm~100μm；
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