CN105460885A - 一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其可以包括：选择上层为（100）型硅，下层具有自腐蚀停止层的材料作为衬底；在上硅层表面沉积抗腐蚀层并对其图形化形成抗腐蚀掩膜；利用硅各向异性腐蚀方法将暴露的硅结构腐蚀成横截面为梯形的长条；去除剩余的抗腐蚀掩膜，露出硅结构；用喷胶工艺或厚胶旋涂的方法在硅结构上涂覆光刻胶并光刻；采用金属或者其他材料沉积刚毛结构，剥离去掉残余的光刻胶；最后采用硅的各向同性刻蚀释放牺牲层硅，形成仿生壁虎脚刚毛结构阵列。本发明工艺简单，成品率高，适合大批量制造，所制备的仿生壁虎脚刚毛阵列具有工作寿命长，结构强度大等优点，在壁虎足部形态仿生学等领域具有广泛应用前景。

Description

一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法

技术领域

本发明特别涉及一种仿生壁虎脚刚毛结构阵列的加工方法，属于微加工技术领域。

发明背景

几个世纪以来许多动物优异的生理功能吸引了各界科学家的广泛关注。例如，蚊子可以轻松粘附在人体皮肤上叮咬；跳蛛和壁虎脚底刚毛的粘附作用使其能在墙壁和天花板。其中壁虎脚上功夫尤为神奇，无论是空气环境还是在水里以及真空环境中，它脚上的粘着力都不会失效。壁虎依靠神奇的四脚静止时紧紧吸附，移动时轻松脱离。其特点是具有刚毛（seta）结构，刚毛群构筑（architecture）的不同导致，许多对壁虎脚足刚毛的研究认为，壁虎之所以能够攀檐走壁，完全是壁虎脚与攀爬对象之间“范德华力”作用的结果。因此，多年来各国科研人员都致力于用纳米材料来模仿壁虎脚刚毛发明“机器壁虎”。然而，这些“机器壁虎”大都只能局限于在光滑的物体表面缓慢移动，需要外接电源和控制装置，无法有效控制“强吸附”、“弱脱附”过程以及运动方向。壁虎的惊人攀爬能力源于脚趾上的微毛。接触物体表面时，微毛可充当粘性极高的“单向粘合剂”，如果朝另一个方向移动，粘性便会消失。因此，制备一种具有良好“单向“吸附能力的人造仿生壁虎脚是爬行机器人的关键技术。

目前制备仿壁虎脚微阵列的制备方法有多种，例如，制备密集的纳米线阵列模拟壁虎的刚毛，在纳米线与物体接触面间形成范德华力，叠加后形成巨大的吸附力和剪切力，但其制备工艺复杂，无法批量化生产。又例如，在厚的SU8胶上用光刻、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀的方法形成壁虎脚刚毛结构，再用PDMS等柔性材料浇铸进SU8胶上的楔形槽，固化后揭开形成楔形结构阵列，但这种工艺采用的系柔性材料，形变较大时会产生大面积粘连而失效，因此使用寿命较短。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，以克服现有技术中仿壁虎脚微阵列寿命短、强度低、无法批量化生产的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，包括如下步骤：

（1）提供基片，所述基片包括层叠设置的牺牲材料层和腐蚀自停止层，其中所述牺牲材料层的厚度与所述刚毛的高度相应；

（2）在所述牺牲材料层上设置抗腐蚀层，并对所述抗腐蚀层进行图形化处理，使所述抗腐蚀层形成条形图案结构抗腐蚀掩膜；

（3）去除余留在所述抗腐蚀掩膜上的光刻胶，并以具有所述条形图案结构的抗腐蚀掩膜为掩膜对所述牺牲材料层进行腐蚀，直至暴露出所述腐蚀自停止层，从而在所述牺牲材料层中形成条状阵列结构，所述条状阵列结构中每一条状结构均具有梯形横截面；

（4）去除余留在所述牺牲材料层上的抗腐蚀掩膜，并在所述牺牲材料层上涂胶、光刻，从而在所述条状阵列结构中曝光出与刚毛结构相应的图形结构，形成矩形光刻胶掩膜阵列；

（5）以所述矩形光刻胶掩膜阵列为掩膜，在所述牺牲材料层上生长刚毛结构；

（6）去除所述矩形光刻胶掩膜阵列，并刻蚀除去所述牺牲材料层，从而形成所述刚毛阵列，在所述刚毛阵列中任一刚毛结构均具有四边形横截面，并且所述刚毛结构的倾斜边与所述基片上端面之间具有50~60°的夹角。

进一步的，所述牺牲材料层可优选自但不限于（100）型硅层。

进一步的，所述腐蚀自停止层主要由硅的自腐蚀停止材料组成。

进一步的，所述抗腐蚀层可优选自厚度为50nm-1μm的氮化硅薄膜，但不限于。

进一步的，步骤（2）可以包括：在所述牺牲材料层上设置抗腐蚀层，并对所述抗腐蚀层进行图形化处理，使所述抗腐蚀层形成条形图案结构的抗腐蚀掩膜，所述条形图案结构的长度方向沿硅<110>晶向。

进一步的，步骤（3）可以包括：去除余留在所述抗腐蚀掩膜上的光刻胶后，将所述基片置入硅各向异性腐蚀液中进行腐蚀，直至露出所述腐蚀自停止层，从而在所述牺牲材料层中形成条状阵列结构。

其中，所述硅各向异性腐蚀液可选自但不限于KOH溶液或TMAH溶液。

进一步的，步骤（4）可以包括：去除余留在所述牺牲材料层上的抗腐蚀掩膜后，在所述牺牲材料层上沉积种子层金属，再涂胶、光刻，从而形成所述矩形光刻胶掩膜阵列。

其中，所述种子层金属可选自但不限于Ti和/或Au。

进一步的，步骤（5）可以包括：以所述矩形光刻胶掩膜阵列为掩膜，在所述牺牲材料层上生长刚毛结构，所述刚毛结构的材料包括金属或非金属材料。

进一步的，步骤（6）可以包括：采用硅各向同性刻蚀除去所述牺牲材料层，所述硅各向同性刻蚀气体包括二氟化氙。

与现有技术相比，本发明的优点包括：该仿生壁虎脚刚毛阵列的制作工艺稳定，成品率高，适合大批量制造，并且所获仿生壁虎脚刚毛阵列结构具有工作寿命长，结构强度大等优点，在壁虎足部形态仿生学中具有广泛应用前景。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示系本发明一典型实施案例中一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制备工艺流程图；

图2系图1所示仿生壁虎脚刚毛阵列的制备工艺中步骤e、g、i、j中所形成器件结构的俯视图；

图3是利用图1所示制备工艺获得的仿生壁虎脚刚毛阵列的结构示意图；

附图标记说明：（100）型硅层101、自停止氧化硅层102、硅衬底103、抗腐蚀层104、种子层金属105、光刻胶106、仿生壁虎脚刚毛结构107。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

鉴于现有技术中的诸多缺陷，本发明主要提供了一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其具有工艺稳定，成本低廉，易于规模化实施，且所获产品工作寿命长，结构强度大等优点。

本发明的仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法可参照本说明书中“发明内容”所述及的方案实施。

而在本发明的一实施案例之中，可以选择合适基片，在基片上、下表面沉积抗腐蚀层并对基片的上层，例如（100）硅层（亦可认为是牺牲材料层）进行图形化，并利用硅各向异性腐蚀方法等将暴露的硅结构腐蚀成具有梯形横截面的长条，再去除抗腐蚀掩膜，露出硅结构，并在其表面沉积种子层金属，之后在种子层表面制作光刻胶掩膜并图形化，再利用电镀工艺在硅面上生长刚毛结构，而后剥离去掉光刻胶并刻蚀去掉种子层金属，最后用硅各项同性刻蚀设备去除牺牲层，最终在基片上形成所述仿生壁虎脚刚毛阵列。

进一步的，在一更为具体的实施案例中，该仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法可以包括如下具体步骤：

（1）提供上层硅为（100）型的SOI片，上层硅片的厚度与刚毛结构的高度基本相等，并进行清洗；

（2）在SOI片上、下表面利用LPCVD等工艺同时双面沉积氮化硅薄膜作为抗腐蚀层；

（3）在所述SOI上表面的氮化硅层上涂胶光刻，用RIE干法刻蚀等方法将暴露的氮化硅掩膜去除，形成具有条状阵列图形结构的氮化硅掩膜，其长度方向沿<110>晶向；

（4）去除光刻胶，将所述SOI片置入硅各向异性腐蚀液中进行腐蚀，直至露出SOI片中间的自停止氧化硅层，形成横截面为梯形的条状硅阵列结构；

（5）用RIE工艺等将所述SOI片上层硅上剩余的氮化硅掩膜去除；

（6）用磁控溅射等工艺沉积薄薄的一层种子层金属；

（7）在所述SOI片的上层硅上涂胶光刻，曝光出刚毛的图形结构，形成矩形光刻胶掩膜阵列；

（8）采用电镀生长方法沉积壁虎脚刚毛结构；

（9）采用剥离工艺去掉光刻胶，再刻蚀去掉种子层金属；

（10）将所述SOI片置入硅各向同性刻蚀设备中，将直至SOI片的上层硅刻蚀干净，露出SOI片的氧化硅自停止层，形成横截面为四边形的仿生壁虎脚刚毛阵列结构，其中刚毛结构的倾斜边与所述基片上端面之间具有50~60°的夹角。

其中，所述基片可采用上层为（100）型SOI片或者（100）硅片与玻璃键合片，优选采用双面抛光的SOI硅片，但不限于此。

其中，所述硅的自腐蚀停止层的材料可选自二氧化硅等，其厚度应足以耐受步骤（4）、（10）中的腐蚀作用。

其中，步骤（2）中所述氮化硅掩膜的厚度优选在50nm-1μm。

其中，步骤（4）中所述硅各向异性腐蚀液可优选自KOH溶液或TMAH溶液，但不限于此。

其中，步骤（6）中所述的种子层金属可以选自Ti和/或Au，但不限于此。

其中，步骤（7）中涂布光刻胶可采用喷胶或者厚胶旋涂的方式实现，但不限于此。

其中，步骤（8）中用以形成刚毛结构的电镀材料可以选择Cu或者Au等材料，但不限于此。

其中，步骤（10）中所述的硅各项同性刻蚀气体可以选自二氟化氙，但不限于此。

以下将进一步通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本实施例提供了一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，该方法根据目标刚毛结构107的高度，选择（100）硅片的厚度，从而控制相应的工艺参数，实现目标性状的刚毛结构制作。

请参阅图1~图2，以目标仿生壁虎脚刚毛结构高度为50微米为例，如步骤a所示，提供一片上层硅为（100）型硅片的SOI片，其中氧化层的中间氧化层的厚度为10微米；如步骤b所示，SOI硅面用PECVD沉积300nm氮化硅掩膜104作为抗腐蚀掩膜，且SOI上下层都沉积上氮化硅膜；如步骤c所示，在所述上层氮化硅掩膜上涂胶光刻，并光刻显影后，用RIE干法刻蚀的方法将暴露的氮化硅层去除，形成条状氮化硅掩膜，其长度方向沿<110>晶向，去除光刻胶；如步骤d所示，将所述键合片置入85℃、40wt%的KOH溶液中进行腐蚀，直至腐蚀槽底部露出SOI的氧化硅自停止层，形成截面为梯形的条状硅阵列结构，梯形的斜面为（111）晶面，与底面的夹角在53°~58°间；如步骤e所示，用RIE将所述SOI片上层硅面上剩余的氮化硅掩膜去除；如步骤f所示，用磁控溅射的方式在上述SOI片上层结构上沉积金属种子层Ti/Au，厚度20/80nm。如步骤g所示，在所述SOI片上层硅面用厚胶104进行涂布，涂布时因先将厚胶布满硅面，待静置5秒后，先用1000转/min以下的速度进行旋涂，再用1000转/min至4000转/min的速度进行高速旋涂，使厚胶良好地覆盖在结构表面，然后进行光刻，于条状硅结构的一侧斜壁上形成矩形光刻胶掩膜阵列，光刻的矩形宽度为刚毛结构宽度，选择10微米；如步骤h所示，对所述SOI片进行电镀，电镀液选择Au电镀，电镀厚度与刚毛底面长度相关，电镀厚度10微米，电镀完成并通过剥离的方式去掉光刻胶；如步骤i所示，利用IBE刻蚀去掉种子层100nm金属，露出100硅材料；如步骤j所示，利用硅各向同性刻蚀，采用二氟化氙气体，去除SOI上层的硅材料，形成硅衬底上的仿生壁虎脚刚毛阵列107。

本发明提供的仿生壁虎脚刚毛结构制作方法，相比于目前常用的柔性材料倒模、浇铸等工艺制备的楔形结构阵列，具有工艺简单，成品率高，适合大批量制造的特点，并且所制备的仿生壁虎脚刚毛结构强度高，使用寿命长，具有高度产业利用价值。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

因而，本领域技术人员应当理解，上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）提供基片，所述基片包括层叠设置的牺牲材料层和腐蚀自停止层，其中所述牺牲材料层的厚度与所述刚毛的高度相应；

（2）在所述牺牲材料层上设置抗腐蚀层，并对所述抗腐蚀层进行图形化处理，使所述抗腐蚀层形成条形图案结构的抗腐蚀掩膜；

（3）以上述条形图案结构的抗腐蚀结构为掩膜对所述牺牲材料层进行各项异性腐蚀，直至暴露出所述腐蚀自停止层，从而在所述牺牲材料层中形成条状阵列结构，所述条状阵列结构中每一条状结构均具有梯形横截面；

（4）去除余留在所述牺牲材料层上的抗腐蚀掩膜，并在所述牺牲材料层上涂胶、光刻，从而在所述条状阵列结构中曝光出与刚毛结构相应的图形结构，形成矩形光刻胶掩膜阵列；

（5）以所述矩形光刻胶掩膜阵列为掩膜，在所述牺牲材料层上生长刚毛结构；

（6）剥离去除所述矩形光刻胶掩膜阵列，并刻蚀除去所述剩余牺牲材料层，从而形成所述刚毛阵列，在所述刚毛阵列中任一刚毛结构均具有四边形横截面，并且所述刚毛结构的倾斜边与所述基片上端面之间具有50~60°的夹角。

2.根据权利要求1所述仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其特征在于所述牺牲材料层选用（100）型硅层，所述腐蚀自停止层主要由硅的自腐蚀停止材料组成。

3.根据权利要求1或2所述仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其特征在于所述抗腐蚀层选用厚度为50nm-1μm的氮化硅薄膜。

4.根据权利要求2所述仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其特征在于，步骤（2）包括：在所述牺牲材料层上设置抗腐蚀层，并对所述抗腐蚀层进行图形化处理，使所述抗腐蚀层形成条形图案结构的抗腐蚀掩膜，所述条形图案结构的长度方向沿硅<110>晶向。

5.根据权利要求4所述仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其特征在于，步骤（3）包括：去除余留在所述抗腐蚀掩膜上的光刻胶后，将所述基片置入硅各向异性腐蚀液中进行腐蚀，直至露出所述腐蚀自停止层，从而在所述牺牲材料层中形成条状阵列结构。

6.根据权利要求5所述仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其特征在于，所述硅各向异性腐蚀液包括KOH溶液或TMAH溶液。

7.根据权利要求1或2所述仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其特征在于，步骤（4）包括：去除余留在所述牺牲材料层上的抗腐蚀掩膜后，在所述牺牲材料层上沉积种子层金属，再涂胶、光刻，从而形成所述矩形光刻胶掩膜阵列。

8.根据权利要求6所述仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其特征在于，所述种子层金属包括Ti和/或Au。

9.根据权利要求1或2所述仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其特征在于，步骤（5）包括：以所述矩形光刻胶掩膜阵列为掩膜，在所述牺牲材料层上生长刚毛结构，所述刚毛结构的材料包括金属或非金属材料。

10.根据权利要求1或2所述仿生壁虎脚刚毛阵列的制作方法，其特征在于，步骤（6）包括：采用硅各向同性刻蚀除去所述牺牲材料层，所述硅各向同性刻蚀气体包括二氟化氙。