CN108100989A - 一种微凹坑阵列结构加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微凹坑阵列结构加工方法，本发明方法能够加工获得曲线形貌微凹坑阵列结构。本发明加工方法具体包括如下步骤：步骤1，衬底上涂覆一层基体材料；步骤2，利用离子风穿过带通孔阵列的掩模作用于衬底上的基体材料，形成微凹坑阵列结构；步骤3，固化衬底上的基体材料，成型所需形貌的微凹坑阵列结构。本发明方法能够低成本的实现不同材料、形貌和尺寸参数的凹坑阵列结构加工。

Description

一种微凹坑阵列结构加工方法

技术领域

本发明涉及微尺度结构制造技术领域，尤其涉及一种微凹坑阵列结构加工方法，特别是加工曲线形貌的微凹坑阵列。

背景技术

微凹坑阵列是指直径和深度为微米或者纳米尺度凹坑，其在生物细胞培养、生物实验、药学实验以及电子器件中均有广泛的应用。

现有的微凹坑加工有如下方法：

化学溶剂刻蚀主要利用溶剂对刻蚀材料和刻蚀方向的选择性来制造为图形结构。利用光学原理来的微加工技术主要是光学刻蚀、激光切割和光固化三种技术。以上的方法加工微凹坑结构加工精度高，表面质量好，微凹坑结构形貌规则、尺寸一致性好，但是对材料的要求高，适用材料少，而且加工工艺复杂成本高。

目前是主要利用模具复制的原理来加工微凹坑结构，其基本过程是利用化学或者光刻的方法制作模具，通过模具和聚合材料的接触作用形成与模具结构相同或者相反的形状，如软光刻法就是以光刻法制作母模，然后直接将聚合物材料注入母模稳定后固化并脱模来制作微尺度凹坑结构；热压法是将聚苯乙烯(PS)衬底和聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具在真空中加热至温度刚刚高于PS的玻璃化转变温度，然后将PDMS模具压入PS衬底，待PS冷却至其温度比其玻璃化转变温度低35℃时，分离PS衬底和PDMS模具。微热成形法将聚合物薄膜夹在模具（mold）上方，然后将聚合物材料加热到玻璃化转变温度以上10℃左右，再利用适当的气压作用聚合物薄膜使其被压入模具，成形微结构，再冷却至玻璃化转变温度下适当温度，脱模。这些方法对母模的复制精度高，模具加工复杂，而且要求母模具有很好化学惰性，不与聚合物材料发生反应或黏结，加工工艺复杂，成本高，且难以加工曲线形貌的微凹坑结构，脱模会对微结构造成损伤。

也有人提出不用模具加工微凹坑的方法，如接触式喷墨打印法，其装备微针喷头阵列，在涂覆双组份聚合物层的衬底上接触打印有机溶剂，这些打印的溶剂使衬底上的双组份聚合物局部溶解形成凹坑，这一方法要求溶剂能够溶解聚合物材料，对溶剂的选择性要求很高，所以对有机溶剂的依赖性很强，适用范围很局限。

综上知，化学和光学原理的方法制造微凹坑结构成本高，工艺复杂，难以加工曲线形貌的微凹坑结构。而这些模具复制原理的方法所用模具结构复杂，加工困难，且该原理均需要模具和聚合物材料接触，才能形成微凹坑，无论如何考虑模具和聚合物材料之间的匹配性，脱模过程总会对微结构造成一定的损伤。现有的不使用模具加工微凹坑的方法，则由于溶剂的依赖性太强，材料特性要求高，应用受到极大限制。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种微凹坑阵列结构加工方法，本发明方法无需昂贵的光刻设备和化学刻蚀溶剂，能够解决光刻和化学刻蚀难以加工曲线形貌凹坑的问题、解决模具复制原理加工微凹坑脱模对微结构造成损伤的问题以及降低对模具的要求。本发明方法能够低成本的实现不同材料、形貌和尺寸参数的凹坑阵列结构加工。本发明所采用的技术方案是：

一种微凹坑阵列结构加工方法，具体包括如下步骤：

步骤1，衬底上涂覆一层基体材料；

步骤2，利用离子风穿过带通孔阵列的掩模作用于衬底上的基体材料，形成微凹坑阵列结构；

步骤3，固化衬底上的基体材料，成型所需形貌的微凹坑阵列结构。

进一步的，上述微凹坑阵列结构加工方法，具体包括如下步骤：

步骤1，在衬底的导电面上涂覆一层基体材料，基体材料的厚度大于或等于要制造的微凹坑的深度；其中，衬底材料为一面导电一面绝缘的材料，基体材料为在室温下具有流动性并能通过加热或风干方式使其固化的材料；

步骤2，离子风由针尖-平板电晕放电装置产生；针尖-平板电晕放电装置包括平板电极、针尖电极和高压电源，衬底放置于平板电极上，衬底的绝缘面与平板电极接触，衬底和针尖电极间放置带通孔阵列的掩模，衬底的导电面与高压电源负极相连，针尖电极与高压电源正极相连，平板电极与高压电源负极相连，针尖-平板电晕装置的极间电压介于空气开始电离的电压与空气击穿电压之间；调整针尖电极与平板电极间的距离以及掩模与衬底之间的距离，打开针尖-平板电晕放电装置，在高电压下产生离子风，离子风穿过掩模的通孔作用于衬底上的基体材料产生微凹坑阵列；

步骤3，离子风作用使基体材料上形成微凹坑结构后，开始对基体材料实施固化处理，待基体材料失去流动性时，关闭针尖-平板电晕放电装置，至基体材料完全固化时停止固化处理，获得所需的曲线形貌微凹坑阵列结构。

上述步骤2中的离子风可由针尖-平板电晕装置或平板-平板电晕装置或针-环电晕装置针-栅电晕装置或针-管电晕装置产生。

上述步骤1中衬底为氧化铟锡玻璃或一面镀有金属层的硅芯片或一面镀有导电层的绝缘薄片，基体材料为聚二甲基硅氧烷或聚苯乙烯或环氧树脂。

上述步骤1中衬底为氧化铟锡玻璃或一面镀有金属层的硅芯片或一面镀有导电层的绝缘薄片，所述基体材料为热硫化硅橡胶或室温硫化硅橡胶，所述热硫化硅橡胶为甲基硅橡胶、二甲基乙烯基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶或腈硅橡胶，所述室温硫化硅橡胶为单组分室温硫化硅橡胶或双组分室温硫化硅橡胶。

上述步骤3中实施固化处理的时机根据离子风强度和聚合物材料的流动性作相应调节，固化处理方式为加热固化或风干固化方法。

上述步骤3中平板电极下方设置加热台，用于对基体材料实施固化处理。

上述加工方法中微凹坑形貌、尺寸、阵列排布方式的控制参数包括：针尖电极与平板电极之间的距离，针尖电极的针尖曲率，针尖-平板电晕放电装置的极间电圧，带通孔阵列的掩模的孔的形状、尺寸、阵列排布方式，掩模与衬底之间的距离；微凹坑的形貌指的是：微凹坑的开口尺寸、凹坑深度、截面轮廓曲线；针尖电极与平板电极之间的距离的增大和针尖电极的针尖曲率的增大，均会导致针尖-平板电晕放电装置使空气开始电离的极间电圧增大；针尖-平板电晕放电装置的极间电压单独变化时，随着极间电压的增大，离子风的强度也随之增大；随着离子风的强度的增大，微凹坑的开口尺寸和微凹坑的深度也随之增大，微凹坑轮廓的曲率也随之增大；微凹坑的开口形状和排列方式与带通孔阵列的掩模的孔的形状和排列方式一致；掩模的孔的尺寸越大，微凹坑的开口尺寸越大；随着掩模与衬底之间距离的增大，微凹坑的深度也随之增大，微凹坑的轮廓曲率越大。

上述加工方法能加工的微凹坑阵列的尺寸范围为：凹坑开口直径为1μm-2000μm，凹坑的深度为0.5μm-200μm。

上述方法中，针尖电极与平板电极间的距离以及掩模与衬底之间的距离，由极间电压和微凹坑形貌尺寸决定；极间距和针尖曲率越大，针尖-平板电晕放电装置使空气开始电离的极间电压越高，能加工的面积越大；极间电压越高，离子风强度越大，能够加工的面积越大，加工的微凹坑阵列深度越大；掩模与衬底之间的距离越大，加工的微凹坑阵列深度越大，微凹坑轮廓的曲率越大；带通孔阵列的掩模的孔的形状、尺寸、阵列排布方式根据所需微凹坑阵列的凹坑的形貌、尺寸、阵列排布方式进行调整；微凹坑阵列的开口形状和排列方式与带通孔阵列的掩模的孔的形状和排列方式一致；带通孔阵列的掩模的孔的尺寸越大，微凹坑的开口尺寸越大。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明方法能够同时加工大量的微凹坑，能够加工曲线形貌的微凹坑阵列结构，工艺流程简单，能通过针尖电极与平板电极之间的距离，针尖电极的针尖曲率，针尖-平板电晕放电装置的极间电圧，带通孔阵列的掩模的孔的形状、尺寸、阵列排布方式，掩模与衬底之间的距离等控制参数调节微凹坑的微凹坑形貌、尺寸、阵列排布方式，微凹坑的形貌、尺寸、阵列排布方式控制方便易行。本发明方法采用的加工设备主要包括针尖-平板电晕放电装置、加热台、带通孔阵列的掩模，加工设备简单易搭，来加工微尺度的凹坑阵列掩模和实验设备结构简单，成本低，且无需掩模与微凹坑阵列结构基体材料接触，无脱模损伤。

附图说明

图1是本发明提供的一种曲线形貌微凹坑阵列结构加工方法的流程图；

图2是本发明提供的一种曲线形貌微凹坑阵列结构加工方法的原理图；

图3 是实施例1中采用的丝网方孔阵列掩模图案；

图4是实施例1所加工出的微凹坑阵列在光学显微镜放大50倍下的观察图；

图5是实施例2中采用的硅片掩模图案；

图6是实施例2所加工出的微凹坑阵列在光学显微镜放大50倍下的观察图。

图中附图标记：1为针尖电极，2为带通孔阵列的掩模，3为基体材料，4为衬底，5为平板电极，6为加热台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，一种曲线形貌微凹坑阵列结构加工方法，包括：

（1）衬底上涂覆一层基体材料；

（2）利用离子风穿过带通孔阵列的掩模作用于衬底上的基体材料，形成微凹坑阵列结构；

（3）固化衬底上的基体材料，成型所需形貌的微凹坑阵列结构。

实施例1

步骤（1）提供ITO玻璃作为衬底，在所述衬底的导电面上喷涂一层PDMS胶体，厚度约为300μm。

步骤（2）将该衬底放置于针尖-平板电晕放电装置的平板电极上，并在该衬底和针尖电极间放置带通孔阵列的掩模（丝网方孔阵列掩模：方孔边长350μm，孔中心距470μm）如图3所示，其中氧化铟锡（ITO）玻璃衬底的非导电面与针尖-平板电晕放电装置的平板电极接触，同时ITO玻璃衬底的导电面与平板电极是有导线导通的，针尖-平板电晕放电装置中针尖接正极，平板接负极，调整针尖与平板电极间的距离为15mm以及掩模与ITO玻璃衬底之间的距离为4mm，打开针尖-平板电晕放电装置，设置直流电压为8kV，在高电压下产生离子风，离子风中的正电荷穿过丝网方孔阵列掩模的通孔继续朝ITO导电玻璃运动并最终与PDMS胶体薄膜发生作用时，在较大的库伦力作用下挤压PDMS胶体薄膜，使PDMS胶体薄膜向下运动。由于相邻两孔下方区域的正电荷都驱使PDMS胶体向下运动，而PDMS胶体的体积不会减少，因此PDMS胶体最终朝非孔区域正下方流动。最终在丝网方孔阵列掩模的非孔区域下方形成凸起结构，而在孔区域下方形成凹陷结构，凹凸有秩的图形化PDMS胶体薄膜，就形成了微凹坑阵列结构，其中离子风单独作用时间为1-2min。

步骤（3）加热台在离子风单独作用1-2min后打开，加热台预设温度为90℃，加热台产生的热量通过针尖-平板电晕装置的平板电极传导至ITO玻璃加热PDMS胶体，当加热至PDMS初步固化，失去流动性时，则可以关闭针尖-平板电晕装置，由加热台单独加热固化PDMS加热PDMS至完全固化，约加热30min左右关闭加热台，获得所需的曲线形貌微凹坑阵列结构：微凹坑的中心距均值为500μm，微凹坑的开口形状近视为矩形，微凹坑的开口尺寸均值为400μm，微凹坑的深度均值为80μm，微凹坑的轮廓为曲线，微凹坑的排列方式为与掩模孔一样的方形阵列。图4是实施例1所加工出的微凹坑阵列在用黄光做光源的光学显微镜（KEYENCE VHX-600）放大50倍下的观察图。微凹坑的开口尺寸、中心距、微凹坑的深度和轮廓曲线通过超景深光学显微镜或激光共聚焦显微镜获得。

实施例2

步骤（1）提供ITO玻璃作为衬底，在所述衬底的导电面上旋涂一层双组分室温硫化硅橡胶，厚度约为100μm。

步骤（2）将该衬底放置于针尖-平板电晕放电装置的平板电极上，并在该衬底和针尖电极间放置带通孔阵列的掩模（硅片掩模：孔径50μm，孔中心距400μm）如图5所示，其中ITO玻璃衬底的非导电面与针尖-平板电晕放电装置的平板电极接触，同时ITO玻璃衬底的导电面与平板电极是有导线导通的，针尖-平板电晕放电装置中针尖接正极，平板接负极，调整针尖与平板电极间的距离为14mm以及掩模与ITO玻璃衬底之间的距离为3mm，使它们之间保持适当的距离；打开针尖-平板电晕放电装置，设置直流电压为7kV，在高电压下产生离子风，离子风中的正电荷穿过硅片掩模的通孔继续朝ITO导电玻璃运动并最终与双组分室温硫化硅橡胶薄膜发生作用时，在较大的库伦力作用下挤压双组分室温硫化硅橡胶薄膜，使双组分室温硫化硅橡胶薄膜向下运动。由于相邻两孔下方区域的正电荷都驱使双组分室温硫化硅橡胶向下运动，而双组分室温硫化硅橡胶的体积不会减少，因此双组分室温硫化硅橡胶最终朝非孔区域正下方流动。最终在硅片掩模的非孔区域下方形成凸起结构，而在孔区域下方形成凹陷结构，凹凸有秩的图形化双组分室温硫化硅橡胶薄膜，就形成了微凹坑阵列结构。离子风穿过掩模的通孔作用于ITO玻璃上的双组分室温硫化硅橡胶产生微凹坑阵列；其中离子风单独作用时间为1-2min。

步骤（3）加热台在离子风单独作用1-2min后打开，加热台预设温度为120℃，加热台产生的热量通过针尖-平板电晕装置的平板电极传导至ITO玻璃加热双组分室温硫化硅橡胶，当加热至双组分室温硫化硅橡胶初步固化，失去流动性时，则可以关闭针尖-平板电晕装置，由加热台单独加热固化双组分室温硫化硅橡胶，加热双组分室温硫化硅橡胶至完全固化，约加热35min左右关闭加热台，获得所需的曲线形貌微凹坑阵列结构：微凹坑的中心距均值为450μm，微凹坑的开口形状近视为圆形，微凹坑的开口尺寸均值为100μm，微凹坑的深度均值为30μm，微凹坑的轮廓为曲线，微凹坑的排列方式为与掩模孔一样的方形阵列。图6是实施例2所加工出的微凹坑阵列在用黄光做光源的光学显微镜（KEYENCE VHX-600）放大50倍下的观察图。微凹坑的开口尺寸、中心距、微凹坑的深度和轮廓曲线通过超景深光学显微镜或激光共聚焦显微镜获得。

Claims (9)

1.一种微凹坑阵列结构加工方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1，衬底上涂覆一层基体材料；

步骤2，利用离子风穿过带通孔阵列的掩模作用于衬底上的基体材料，形成微凹坑阵列结构；

步骤3，固化衬底上的基体材料，成型所需形貌的微凹坑阵列结构。

2.根据权利要求1所述的微凹坑阵列结构加工方法，其特征在于：

步骤1，在衬底的导电面上涂覆一层基体材料，基体材料的厚度大于或等于要制造的微凹坑的深度；其中，衬底材料为一面导电一面绝缘的材料，基体材料为在室温下具有流动性并能通过加热或风干方式使其固化的材料；

步骤2，离子风由针尖-平板电晕放电装置产生；针尖-平板电晕放电装置包括平板电极、针尖电极和高压电源，衬底放置于平板电极上，衬底的绝缘面与平板电极接触，衬底和针尖电极间放置带通孔阵列的掩模，衬底的导电面与高压电源负极相连，针尖电极与高压电源正极相连，平板电极与高压电源负极相连，针尖-平板电晕装置的极间电压介于空气开始电离的电压与空气击穿电压之间；调整针尖电极与平板电极间的距离以及掩模与衬底之间的距离，打开针尖-平板电晕放电装置，在高电压下产生离子风，离子风穿过掩模的通孔作用于衬底上的基体材料产生微凹坑阵列；

步骤3，离子风作用使基体材料上形成微凹坑结构后，开始对基体材料实施固化处理，待基体材料失去流动性时，关闭针尖-平板电晕放电装置，至基体材料完全固化时停止固化处理，获得所需的曲线形貌微凹坑阵列结构。

3.根据权利要求1所述的微凹坑阵列结构加工方法，其特征在于：

步骤2中的离子风可由针尖-平板电晕装置或平板-平板电晕装置或针-环电晕装置针-栅电晕装置或针-管电晕装置产生。

4.根据权利要求1所述的微凹坑阵列结构加工方法，其特征在于：

步骤1中衬底为氧化铟锡玻璃或一面镀有金属层的硅芯片或一面镀有导电层的绝缘薄片，基体材料为聚二甲基硅氧烷或聚苯乙烯或环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的微凹坑阵列结构加工方法，其特征在于：

步骤1中衬底为氧化铟锡玻璃或一面镀有金属层的硅芯片或一面镀有导电层的绝缘薄片，所述基体材料为热硫化硅橡胶或室温硫化硅橡胶，所述热硫化硅橡胶为甲基硅橡胶、二甲基乙烯基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶或腈硅橡胶，所述室温硫化硅橡胶为单组分室温硫化硅橡胶或双组分室温硫化硅橡胶。

6.根据权利要求1所述的微凹坑阵列结构加工方法，其特征在于：

步骤3中实施固化处理的时机根据离子风强度和聚合物材料的流动性作相应调节，固化处理方式为加热固化或风干固化。

7.根据权利要求1所述的微凹坑阵列结构加工方法，其特征在于：

步骤3中平板电极下方设置加热台，用于对基体材料实施固化处理。

8.根据权利要求1所述的微凹坑阵列结构加工方法，其特征在于：

上述加工方法中微凹坑形貌、尺寸、阵列排布方式的控制参数包括：针尖电极与平板电极之间的距离，针尖电极的针尖曲率，针尖-平板电晕放电装置的极间电圧，带通孔阵列的掩模的孔的形状、尺寸、阵列排布方式，掩模与衬底之间的距离；微凹坑的形貌指的是：微凹坑的开口尺寸、凹坑深度、截面轮廓曲线；针尖电极与平板电极之间的距离的增大和针尖电极的针尖曲率的增大，均会导致针尖-平板电晕放电装置使空气开始电离的极间电圧增大；针尖-平板电晕放电装置的极间电压单独变化时，随着极间电压的增大，离子风的强度也随之增大；随着离子风的强度的增大，微凹坑的开口尺寸和微凹坑的深度也随之增大，微凹坑轮廓的曲率也随之增大；微凹坑的开口形状和排列方式与带通孔阵列的掩模的孔的形状和排列方式一致；掩模的孔的尺寸越大，微凹坑的开口尺寸越大；随着掩模与衬底之间距离的增大，微凹坑的深度也随之增大，微凹坑的轮廓曲率越大。

9.根据权利要求1所述的微凹坑阵列结构加工方法，其特征在于：

上述加工方法能加工的微凹坑阵列的尺寸范围为：凹坑开口直径为1μm-2000μm，凹坑的深度为0.5μm-200μm。