CN104925746B - 一种非接触式玻璃微纳结构加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种非接触式玻璃微纳结构加工方法，涉及一种制备微纳结构的方法。将玻璃片置于Z轴移动平台上，与电源负极连接，导电材料置于玻璃片之上，固定于X‑Y平面移动平台，且与电源正极连接；启动加热装置，调节导电材料与玻璃片之间的距离，使气氛介质击穿形成电弧，从而使阳极——导电材料——气氛介质——玻璃片——阴极——电源六个部分构成回路，启动电热改性过程；X‑Y平面移动平台在X‑Y平面内移动，驱动导电材料按照预设加工图案在X‑Y平面移动，在玻璃片上加工得到图案化电热改性结构，将带有图案化电热改性结构的玻璃片置于HF溶液中刻蚀，由于玻璃片上电热改性结构比未改性区域的刻蚀速度快，刻蚀后加工得到所需的微纳结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备微纳结构的方法，尤其是涉及一种非接触式玻璃微纳结构加工方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)已广泛应用于航天、汽车、通讯以及医疗等领域。由于微传感器、微执行器和微制动器等是微机电系统的核心，因此微器件的制备工艺成为MEMS制造中的关键。
玻璃作为一种典型的制作MEMS器件的材料，被广泛应用于微生物传感器、光学设备和传感器封装等。传统常用的玻璃微纳结构加工方法包括喷砂刻蚀(郑钰,王亚,丁桂甫.基于柔性掩膜的高可靠性玻璃喷砂微加工工艺[J].纳米技术与精密工程,2012,10(6):563-568.)、感应耦合等离子体刻蚀(张名川,靖向萌,王京,等.应用于TGV的ICP玻璃刻蚀工艺研究[J].真空科学与技术学报,2014,11:016.)和湿法腐蚀(张锦文,杨化冰,蒋巍等.Pyrex7740玻璃通孔湿法腐蚀技术研究[J].功能材料与器件学报,2012,17(6):596-599.)等。但以上工艺都存在工艺复杂、最小加工尺寸受限等缺陷。
阳极键合技术是另一种广泛应用于硅片与玻璃的微纳技术，它主要是硅片与玻璃在电场以及温度场共同作用下，由于玻璃与硅片接触界面中的钠离子运动，对应形成钠离子耗尽区域，该区域游离氧离子与失去电子的硅结合成Si-O键，进而形成永久键合(U.S.Patent3,397,278[P])。
前期研究发现，玻璃在阳极键合后，硅片与玻璃界面处会形成一层特殊的SiO2层，该层SiO2相较于玻璃本身在氢氟酸中的腐蚀速率更快，故将其称为玻璃的电热改性刻蚀现象。并且通过证明该层SiO2的形成主要是由于玻璃中Na+离子移动所造成的，该效应的刻蚀深度与转移电荷量成正比关系。
发明内容
本发明的目的在于针对传统玻璃刻蚀方法中存在的图形化昂贵、刻蚀线宽苛刻等问题，提供一种非接触式玻璃微纳结构加工方法。
本发明包括以下步骤：
1)将玻璃片置于Z轴移动平台上，与电源负极连接，导电材料置于玻璃片之上，固定于X-Y平面移动平台，且与电源正极连接；启动加热装置，加热后开启电源，通过改变Z轴移动平台在Z方向上的高度，来调节导电材料与玻璃片之间的距离，并通过改变电源电压大小，使气氛介质击穿形成电弧，从而使阳极——导电材料——气氛介质——玻璃片——阴极——电源六个部分构成回路，启动电热改性过程；
2)电热改性过程启动后，X-Y平面移动平台在X-Y平面内移动，驱动导电材料按照预设加工图案在X-Y平面进行移动，在玻璃片上加工得到图案化电热改性结构，其中，针对玻璃片上某一特定电热改性区域，其电热改性深度是由该区域所移动电荷量决定。而对于玻璃片上电热改性结构而言，电热改性结构的大小是由电弧大小决定；
3)采用化学腐蚀技术，将带有图案化电热改性结构的玻璃片置于HF溶液中进行刻蚀，由于玻璃片上电热改性结构比未改性区域的刻蚀速度快，刻蚀后加工得到所需的微纳结构。
在步骤1)中，所述玻璃片可采用Pyrex 7740玻璃片、载玻片或Hoya玻璃片等；所述导电材料可选自与微纳加工兼容的半导体材料或金属材料；所述导电材料具有三维图案化结构，所述三维图案化结构可采用单一针尖型结构，或者其他复杂结构；所述气氛介质可选自空气或其他易于击穿的气体，所述易于击穿的气体可选自N2或Ar等；所述加热的温度可为250～500℃，确保玻璃片中的阳离子具有较强的移动能力。
在步骤3)中，所述HF溶液可加入HCl，以保证刻蚀表面的粗糙度。
本发明采用通过非接触式电热改性方式形成刻蚀速度差，以获得玻璃片表面微纳结构。它解决了目前常用的玻璃微结构加工设备昂贵以及较难以获得纳米级尺寸等问题。通过非接触式玻璃微结构加工方法，可以实现全尺度范围的玻璃表面结构加工，并且该加工方法属于无掩膜直写式图案化，可以更大程度的简化工艺成本。
附图说明
图1是本发明实施例所述非接触式玻璃微纳结构加工方法工艺流程图。
其中标记为：03加热装置、04Z轴移动平台、05气氛介质、06电源、07导电材料、08电弧、09阳极、10阴极、11X-Y平面移动平台；1电热改性结构、2微纳结构。
图2是本发明实施例所述的腐蚀后硅/玻璃组合片断面扫描电镜图。在图2中，标尺为1μm；01是玻璃片，02是硅片。
图3是电荷转移与刻蚀深度关系图。
具体实施方式
参见图1，以下给出本发明实施例的具体步骤：
步骤1：玻璃片01放置于Z轴移动平台04上，与电源06负极相连；导电材料07采用半导体硅材料，通过微纳刻蚀技术加工成针尖状，导电材料07置于玻璃片01之上，固定在X-Y平面移动平台11上，并与电源06正极相接；开启加热装置03，使玻璃片01加热至250℃与500℃间；改变玻璃片01和导电材料07之间的距离值为a；并调整电源06电压大小值为U，使气氛介质05击穿，形成电弧08。以空气为例，玻璃片01和导电材料07之间的距离值为a与电源06电压大小值为U满足关系式：U(kV)＝300a(cm)+1.35；阳极09——导电材料07——气氛介质05——玻璃片01——阴极10——电源06形成回路，启动玻璃片01上的电热改性过程；
步骤2：玻璃片01上的电热改性过程启动后，通过微机控制系统控制X-Y平面移动平台11在X-Y平面内按照设定加工图案移动，则固定在X-Y平面移动平台11上的导电材料07也随之移动，在玻璃片01上获得图案化的电热改性结构1；其中，电热改性结构1的深度由X-Y平面移动平台11运动速度以及电源06电压大小决定；电热改性结构1最小尺寸由导电材料07结构以及玻璃片01/导电材料07间的Z方向距离决定；
步骤3：采用化学腐蚀技术，将带有电热改性结构1的玻璃片01置于稀释的HF溶液中进行刻蚀，由于玻璃片01上电热改性结构1比未改性区域的刻蚀速度更快，即可加工得到对应的微纳结构2。
本发明实施例所述腐蚀后硅/玻璃组合片断面扫描电镜图见图2，电荷转移与刻蚀深度关系图见图3。
Claims (7)
1.一种非接触式玻璃微纳结构加工方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将玻璃片置于Z轴移动平台上，与电源负极连接，导电材料置于玻璃片之上，固定于X-Y平面移动平台，且与电源正极连接；启动加热装置，加热后开启电源，通过改变Z轴移动平台在Z方向上的高度，来调节导电材料与玻璃片之间的距离，并通过改变电源电压大小，使气氛介质击穿形成电弧，从而使阳极——导电材料——气氛介质——玻璃片——阴极——电源六个部分构成回路，启动电热改性过程；所述导电材料具有三维图案化结构，所述三维图案化结构采用单一针尖型结构，或者其他复杂结构；
2)电热改性过程启动后，X-Y平面移动平台在X-Y平面内移动，驱动导电材料按照预设加工图案在X-Y平面进行移动，在玻璃片上加工得到图案化电热改性结构，其中，针对玻璃片上某一特定电热改性区域，其电热改性深度是由该区域所移动电荷量决定，而对于玻璃片上电热改性结构而言，电热改性结构的大小是由电弧大小决定；
3)采用化学腐蚀技术，将带有图案化电热改性结构的玻璃片置于HF溶液中进行刻蚀，由于玻璃片上电热改性结构比未改性区域的刻蚀速度快，刻蚀后加工得到所需的微纳结构。
2.如权利要求1所述一种非接触式玻璃微纳结构加工方法，其特征在于在步骤1)中，所述玻璃片采用Pyrex 7740玻璃片、载玻片或Hoya玻璃片。
3.如权利要求1所述一种非接触式玻璃微纳结构加工方法，其特征在于在步骤1)中，所述导电材料选自与微纳加工兼容的半导体材料或金属材料。
4.如权利要求1所述一种非接触式玻璃微纳结构加工方法，其特征在于在步骤1)中，所述气氛介质选自空气或其他易于击穿的气体。
5.如权利要求4所述一种非接触式玻璃微纳结构加工方法，其特征在所述易于击穿的气体选自N2或Ar。
6.如权利要求1所述一种非接触式玻璃微纳结构加工方法，其特征在于在步骤1)中，所述加热的温度为250～500℃。
7.如权利要求1所述一种非接触式玻璃微纳结构加工方法，其特征在于在步骤3)中，所述HF溶液中加入HCl，以保证刻蚀表面的粗糙度。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170118 |