CN104934303B - 一种制备蝴蝶翅膀仿生微纳结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微纳加工技术领域，具体为一种制备蝴蝶翅膀仿生微纳结构的方法。本发明首先在硅基底上采用旋涂法依次交替旋涂两种不同灵敏度的光刻胶若干层，然后利用电子束光刻对光刻胶进行曝光，再利用两种显影液对曝光后的样品进行交替显影，最终制备得到具有优异特性的分级层次周期或准周期仿生微纳结构，如仿闪蝶磷翅微纳结构等。本发明结合多层胶技术与电子束光刻技术，制备过程中不需要生物模板，并且能够控制每层胶的旋涂厚度，实现对纵向树枝状周期和占空比的精确控制，制备工艺简单，能得到不同结构参数的蝴蝶磷翅仿生微纳结构。

Description

一种制备蝴蝶翅膀仿生微纳结构的方法
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种蝴蝶翅膀仿生微纳结构制备方法。
背景技术
自然界中的结构色是由于周期性介质材料（例如蝴蝶翅膀、甲虫壳）对于光的散射、折射和衍射造成的一种光学现象，其中最具影响的Morpho蝴蝶翅膀具有多层垂直周期性结构，有着广泛的应用前景（包括隐身技术、生物传感器、环境气氛监测、雾霾探测的传感器、防伪色谱标记、无化学染料的彩色印染与装饰的绿色生产等众多领域）。随着微纳制造技术的发展，许多具有特异性能的仿生微纳结构日益受到重视，成为当期的研究热点。但是，由于常规工艺难以制备出这种具有多层垂直周期性的结构，这种微纳结构的制备一直是一个严峻的挑战，制约了它的实际应用。目前，只有利用生物作为模板，在模板上进行原子层沉积（ALD，Atomic Layer Deposition），或采用FIB（Focused Ion Beam）直接对材料进行加工等方法，工艺复杂，过程繁琐。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需生物模板、工艺简单、可精确控制的制备蝴蝶磷翅仿生微纳结构的方法。
本发明提供的制备蝴蝶磷翅仿生微纳结构的方法，将多层胶纳米光刻技术和电子束光刻技术结合，一种自上而下制备得蝴蝶磷翅仿生微纳结构，具体步骤如下：
（1）在Si基底表面旋涂上一层六甲基二硅胺（HMDS，Hexamethyldisilazane）；
（2）再在Si基底上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，PolymethylMethacrylate）光刻胶，烘胶后，在基底上再旋涂一层剥离抗蚀剂（LOR，lift-off resist），烘胶；
（3）重复步骤2若干个周期，最后在基底上旋涂一层PMMA，制备出多层光刻胶；
（4）利用电子束曝光方法（EBL，E-Beam Lithography），将设计好的图形在多层光刻胶上曝光；
（5）对曝光后的基底显影：先用PMMA显影液显影，去除第一层PMMA被曝光的部分，再用碱性溶液（如氢氧化钾溶液，CD-26溶液等）对抗蚀剂LOR显影，形成倒T形的显影截面；
（6）重复步骤5若干个周期，直到最后一层PMMA被显影，即可得到最终的蝴蝶磷翅仿生微纳结构。
本发明所述的蝴蝶磷翅仿生结构是一种纵向具有周期性的树状结构。
本发明中所述的倒T形显影截面是由于两种光刻胶的显影液不同，PMMA的显影液不会显影LOR，LOR的显影液也不会显影PMMA，才能进行交替的显影。又由于PMMA显影液只能显影曝光的PMMA部分，而LOR显影液是各向同性的显影，在没有被电子束曝光的LOR部分也能被溶解，所以才能在未被曝光的PMMA层下形成向内凹的空隙。
本发明结合了多层胶纳米光刻技术和电子束光刻技术，其中步骤（1）、（2）、（3）、（5）、（6）为多层胶纳米光刻技术，用于形成垂直方向的周期性仿生结构，步骤（4）为电子束光刻技术，用于形成平面的图形，并为多层胶的显影提供基础。
本发明与现有技术相比较的效果是：本发明结合多层胶技术与电子束光刻技术，制备过程中不需要生物模板，并且能够控制每层胶的旋涂厚度，实现对纵向树枝状周期和占空比的精确控制，制备工艺简单，能得到不同结构参数的蝴蝶磷翅仿生微纳结构。
附图说明
图1-图7是蝴蝶磷翅仿生微纳结构制备工艺流程图示。
图8为图1~图7中图形对应编号的图示。
图中标号：1为Si衬底，2为PMMA，3为LOR。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。凡是对实例中的工艺参数进行了简单的改变，都属于本发明保护范围之内。
实施例仿蝴蝶磷翅表面微纳结构的制备。
制备仿蝴蝶磷翅表面的多层树状微纳结构的工艺流程如图1~图7。洁净的Si基底表面旋涂一层黏附剂HMDS，再以一定转速旋涂上PMMA层，烘胶后，继续旋涂LOR层并再次烘胶，两种胶的厚度按照设计的要求决定。按照同样的过程重复旋涂这两种光刻胶层若干个周期，最后旋涂一层PMMA层，对得到的样品进行电子束曝光。曝光后，用PMMA显影液和LOR显影液对多层胶进行交替显影，溶解掉被曝光的PMMA和间隔层LOR，直到最后一层LOR被显影。最终就得到了仿蝴蝶磷翅表面微纳结构。具体工艺步骤说明如下：
（1）准备洁净的Si基片；
（2）在Si基底上以4000 rpm转速旋涂HMDS；
（3）以2500 rpm转速旋涂浓度为2.5% PMMA-350K溶液，放入180 ℃烘箱烘胶1 h，得到厚度为80 nm的PMMA层；
（4）以3000 rpm转速旋涂LOR-1A溶液，放入180 ℃烘箱烘胶20 min，得到厚度为120 nm的LOR层；
（5）重复步骤（3）、（4）4个周期；
（6）以2500 rpm转速旋涂浓度为2.5% PMMA-350K溶液，放入180 ℃烘箱烘胶1 h；
（7）对样品进行电子束曝光，曝光图形为光栅线条或方块阵列；
（8）用四基二戊酮（MIBK）的异丙醇（IPA）溶液作为PMMA的显影液，在23 ℃下对最上层的PMMA显影1 min，用IPA漂洗1 min；
（9）用50% CD-26 溶液作为LOR层显影液，在23摄氏度下对LOR层显影1 min，用去离子水漂洗1 min；
（10）重复步骤（8）、（9）3个周期，再对最底层PMMA显影一次，得到仿蝴蝶磷翅表面微纳结构。

Claims (3)

1.一种制备蝴蝶磷翅仿生微纳结构的方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）在Si基底表面旋涂上一层六甲基二硅胺HMDS；
（2）再在Si基底上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA光刻胶，烘胶后，在基底上再旋涂一层剥离抗蚀剂LOR，烘胶；
（3）重复步骤2若干个周期，最后在基底上旋涂一层PMMA，制备出多层光刻胶；
（4）利用电子束曝光方法，将设计好的图形在多层光刻胶上曝光；
（5）对曝光后的基底显影：先用PMMA显影液显影，去除第一层PMMA被曝光的部分，再用碱性溶液对抗蚀剂LOR显影，形成倒T形的显影截面；
（6）重复步骤5若干个周期，直到最后一层PMMA被显影，即得到最终的蝴蝶磷翅仿生微纳结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的蝴蝶磷翅仿生微纳结构是具有纵向周期性的树状结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的倒T形显影截面是由两种不同的显影液交替的显影而获得：光刻胶的显影液不会显影剥离抗蚀剂，剥离抗蚀剂的显影液不会显影光刻胶；且光刻胶显影液只能显影曝光的光刻胶部分，而剥离抗蚀剂显影液是各向同性的显影，在没有被电子束曝光的剥离抗蚀剂部分也能被溶解，所以能在未被曝光的光刻胶层下形成向内凹的空隙。
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