CN111688044A - 一种基于蓝宝石材料的纳米压印模板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于蓝宝石材料的纳米压印模板及其制造方法。蓝宝石材料经过精密研磨、第一次退火去应力、多步抛光、湿法清洗及第二次表面结构化退火处理，其表面形成一种纳米台阶结构，该结构作为纳米热压印模板。通过采用不同晶面蓝宝石材料、调整晶面错切角、调整热处理温度和时间等工艺参数均可获得不同台阶高度、宽度的纳米压印模板。本发明的方法简单易操作，对于纳米、亚纳米级新型元器件的开发应用，具有很广泛的应用前景。

Description

一种基于蓝宝石材料的纳米压印模板及其制造方法
技术领域
本发明属于纳米器件制造技术领域，具体涉及一种基于蓝宝石材料的纳米压印模板及其制造方法。
背景技术
纳米压印技术是纳米级沟道加工的主要方法，其是利用物理机械作用在光刻胶等材料上制备纳米尺寸图形，热压印是纳米压印技术中的主流技术，压印装置中的压印模板是热压印技术中的重要部件，高硬度、良好的抗粘能力是选用模板材料的重要依据；此外，热压印胶是压印过程中的中间载体，其对于压印结构的转移起重要作用，热压印胶一般选用聚合物材料，聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)是应用最多的热压印胶，其玻璃转化温度大约为105℃，针对PMMA材料加热加压过程，其加热温度一般控制在200℃。
随着集成电路的迅猛发展，对于纳米器件的尺寸提出了更高要求，更小尺寸的纳米结构成为研究的重要方向。此外，随着生物医疗器械的不断开发，更小尺寸的生物医用纳米器件的安装载体也是研究内容中的关键技术。蓝宝石作为一种高熔点、高硬度、导热性良好的单晶材料，其透光性好，且化学性质稳定，广泛应用于工业、国防和科学研究等多个领域，因蓝宝石特有的物理化学性质，在一定温度范围内，其也可用作压印模板，因此，如何提供一种能够高效制备具有更高精度的蓝宝石压印模板的制作方法，具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于蓝宝石材料的纳米压印模板及其制造方法，从而实现纳米、亚纳米台阶状微型结构的压印。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
(1)对蓝宝石毛坯材料进行研磨，所采用的研磨液的主要成分是氮化硼、金刚石或碳化硅等超硬磨粒，具体配比为，20L水：4kg超硬磨粒：0.36kg悬浮剂，其中，所述超硬磨料的粒径为10～50μm。
(2)对研磨后的蓝宝石工件进行第一次高温退火，释放工件内部残余应力，改善工件面形，退火温度为1000±100℃，退火时间为3～5h，升、降温速度为110～140℃/h。
(3)对第一次热处理后的蓝宝石工件进行三步化学机械抛光：第一步，利用粗抛抛光液进行粗抛，所述粗抛抛光液中磨料的平均粒度直径为3～5μm，粗抛时间为3～5h；第二步，对粗抛后的工件进行水合抛光，抛光时间为0.5～2h，以去除粗抛残留磨粒；第三步，采用精抛抛光液进行精抛，所述精抛抛光液中磨料的平均粒度直径为10～50nm，精抛时间为5～7h。
(4)对抛光后的蓝宝石工件进行超声化学清洗处理，其中，依次采用下述清洗液进行湿法多步清洗：清洗液A为硫酸、双氧水和水的混合溶液，其体积比例为H2SO4:H2O2:H2O＝2:1:5，清洗液B为氢氟酸和水的混合液，其体积比例为HF:H2O＝1:100，清洗液C为氨水、双氧水和水的混和溶液，其体积比例为NH3H2O:H2O2:H2O＝1:1:8，清洗液D为去离子水，每种清洗液的清洗时间为15～20min，清洗温度为50～60℃。清洗后，用纯氮气将其吹干。
(5)将洁净后的蓝宝石工件放置在热处理炉中进行第二次高温热处理，热处理温度为1400100℃，保温时间为3～5h，升温、降温速度为90～140℃/h，由此得到蓝宝石纳米台阶压印模板。
进一步地，通过采用不同晶面蓝宝石材料、调整晶面错切角、调整热处理温度和时间等工艺参数可以获得台阶宽度、高度不同比值的纳米压印模板。
进一步地，所述悬浮剂由羧甲基纤维素钠、四甲基氢氧化钠、聚乙二醇、盐酸和氢氧化钠组成，其中，四甲基氢氧化钠和聚乙二醇起着分散超磨磨粒的作用，羧甲基纤维素钠有增稠作用，盐酸和氢氧化钠作为pH调节剂，使得研磨液呈碱性。
进一步地，经过步骤(1)研磨后蓝宝石工件的表面粗糙度Ra控制在0.5μm之内，晶面错切角为0.03°～2°。
进一步地，所述两次热处理的氛围为空气或氩气。
本发明的有益效果是：蓝宝石材料在经过超精密抛光后，当表面粗糙度达到亚纳米级时，由于工件材料存在定向切割误差角，表面材料会出现纳米级台阶结构，在高温热处理作用下，原子发生扩散，晶体结构重排，纳米级台阶结构会出现台阶变宽和台阶长高现象，表面结构规则分布，这种纳米台阶状结构成为纳米元器件的潜在承载体。本发明采用两步热处理工艺，在研磨工序之后，进行第一步热处理工艺，以降低磨削过程中产生的表面应力，减小工件的翘曲程度，然后再进行第二步高温热处理工艺，以获得纳米尺度的结构化表面，从而得到基于蓝宝石材料的纳米压印模板。本发明所提出的基于蓝宝石材料的纳米压印模板制造方法，为纳米压印模板的制备提供了一种简单和高效的技术途径，并且为新型纳米元器件的开发提供更多可能，在聚合物柔性纳米器件、纳米薄膜器件、微小芯片等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为蓝宝石纳米台阶压印模板制造工艺流程图；
图2为蓝宝石纳米台阶压印模板表面形貌图一；
图3为蓝宝石纳米台阶压印模板表面形貌图二；
图4为C面蓝宝石错切原子台阶原理图；
图5为不同错切角下原子台阶高度、宽度关系；
图6为A面蓝宝石错切原子台阶原理图；
图7为R面蓝宝石错切原子台阶原理图。
具体实施方式
以下通过一次C面蓝宝石材料纳米压印模板制作过程来说明本发明的具体实施方式，参照图1：
(1)对蓝宝石毛坯材料进行研磨，所采用的研磨液的主要成分是金刚石磨粒，具体配比为，4L水：0.8kg的平均直径为20μm的金刚石磨粒：0.072kg的悬浮剂。研磨后蓝宝石工件的表面粗糙度Ra小于0.5μm，晶面错切角为0.03°。
(2)对研磨后的蓝宝石工件进行第一次高温退火，释放工件内部残余应力，改善工件面形，热处理氛围为空气，退火温度为1100℃，退火时间为3h，升、降温速度为140℃/h。
(3)对第一次热处理后的蓝宝石工件进行三步化学机械抛光：第一步，利用粗抛抛光液进行粗抛，所述粗抛抛光液中含有平均粒度直径为3μm的二氧化硅，粗抛时间为3h；第二步，对粗抛后的工件进行水合抛光，所采用的抛光液为水，抛光时间为0.5h，以去除粗抛残留磨粒；第三步，采用精抛抛光液进行精抛，所述精抛抛光液中含有平均粒度直径为40nm的二氧化硅，精抛时间为6h。
(4)对抛光后的蓝宝石工件进行超声化学清洗处理，先使用清洗液A(H2SO4:H2O2:H2O＝2:1:5)超声清洗15min，之后使用清洗液B(HF:H2O＝1:100)清洗20min，然后使用清洗液C(NH3H2O:H2O2:H2O＝1:1:8)超声清洗20min，最后使用去离子水清洗20min，清洗后，用纯氮气吹干工件。其中，超声清洗频率为40kHz，清洗温度为50℃，清洗过程中保证液体表面高于被清洗表面1cm。
(5)将洁净后的蓝宝石工件放置在热处理炉中进行第二次高温热处理，处理氛围为空气，热处理温度为1500℃，保温时间为3h，升温、降温速度为140℃/h，由此得到蓝宝石纳米台阶压印模板。
蓝宝石工件表面经过高温热处理后，表面台阶发生合并，台阶展宽及台阶高度增加，所制备蓝宝石材料纳米压印模板AFM形貌如图2-3所示，从图中可以看出所制作纳米压印模板结构轮廓清晰，台阶宽度大约800nm，高度在2nm以内，该原子尺度结构可为生物医用、聚合物等器件的开发提供模板，为原子尺度器件的装配提供载体。
由于蓝宝石晶体材料属于hcp晶体，其是由按一定规律排布的Al-O双原子层组成的，在一个单元晶胞内共有6层Al-O双原子层。当所切割的晶面轴向有一定错切偏转的时候，Al-O双原子堆垛也会发生一定程度的偏转。
其中，C面蓝宝石错切原子台阶原理图如图4所示，根据蓝宝石晶格参数，可以计算出蓝宝石Al-O双原子的层的厚度为0.216nm。超精密抛光表面台阶的宽度和高度关系与错切角有关，如图5所示，原子台阶高度lh近似为Al-O双原子的层的厚度的倍数，其与台阶宽度lw关系可以表示为
Figure BDA0002484239440000041
其中，d0为单层原子厚度，θ为错切角，n为Al-O双原子的层的数量。
此外，蓝宝石不同晶面的晶层间距存在差异，C面的晶面间距为1.2294nm，而A面蓝宝石晶面间距约为C面的0.2倍，R面蓝宝石的晶面间距为C面的0.28倍。由于不同晶面的原子晶面间距及晶面排布差异，从而形成不同的错切台阶结构，A面、R面原子错切结构分别如图6和图7所示，晶面间距、原子排布以及错切角的不同决定了不同的台阶结构参数，在实际加工过程中，错切角与线切割及其后续工艺有关，通过调整线切割加工工艺参数可将错切角限定在一定范围内(0～2°)，进一步可通过XRD定向仪得到错切角的精确数值，从而可选取合适的模板试件。
再者，由于蓝宝石工件表面经过高温热处理后，表面台阶发生合并，其台阶展宽及台阶高度会按一定比例增加，台阶展宽和高度的变化不仅与不同晶面蓝宝石材料、不同错切角所引起的原始台阶有关，同时还与热处理温度和时间等热处理工艺参数有关，因此，通过采用不同晶面蓝宝石材料、调整晶面错切角、调整热处理温度和时间等热处理工艺参数均可获得台阶宽度、高度不同比值的纳米压印模板。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于蓝宝石材料的纳米压印模板制造方法，所述蓝宝石材料包括C面、A面和R面，其特征在于，该制造方法包括如下步骤：
(1)对蓝宝石毛坯材料进行研磨，所采用的研磨液的主要成分是氮化硼、金刚石或碳化硅等超硬磨粒，具体配比为，20L水：4kg超硬磨粒：0.36kg悬浮剂，其中，所述超硬磨料的粒径为10～50μm；
(2)对研磨后的蓝宝石工件进行第一次高温退火，释放工件内部残余应力，改善工件面形，退火温度为1000±100℃，退火时间为3～5h，升、降温速度为110～140℃/h；
(3)对第一次热处理后的蓝宝石工件进行三步化学机械抛光：第一步，利用粗抛抛光液进行粗抛，所述粗抛抛光液中磨料的平均粒度直径为3～5μm，粗抛时间为3～5h；第二步，对粗抛后的工件进行水合抛光，抛光时间为0.5～2h，以去除粗抛残留磨粒；第三步，采用精抛抛光液进行精抛，所述精抛抛光液中磨料的平均粒度直径为10～50nm，精抛时间为5～7h；
(4)对抛光后的蓝宝石工件进行超声化学清洗处理，其中，依次采用下述清洗液进行湿法多步清洗：清洗液A为硫酸、双氧水和水的混合溶液，其体积比例为H2SO4:H2O2:H2O＝2:1:5，清洗液B为氢氟酸和水的混合液，其体积比例为HF:H2O＝1:100，清洗液C为氨水、双氧水和水的混和溶液，其体积比例为NH3H2O:H2O2:H2O＝1:1:8，清洗液D为去离子水，每种清洗液的清洗时间为15～20min，清洗温度为50～60℃，清洗后，用纯氮气将其吹干；
(5)将洁净后的蓝宝石工件放置在热处理炉中进行第二次高温热处理，热处理温度为1400±100℃，保温时间为3～5h，升温、降温速度为90～140℃/h，由此得到蓝宝石纳米台阶压印模板。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，通过采用不同晶面蓝宝石材料、调整晶面错切角、调整热处理温度和时间等工艺参数可以获得台阶宽度、高度不同比值的纳米压印模板。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述悬浮剂由羧甲基纤维素钠、四甲基氢氧化钠、聚乙二醇、盐酸和氢氧化钠组成，其中，四甲基氢氧化钠和聚乙二醇起着分散超磨磨粒的作用，羧甲基纤维素钠有增稠作用，盐酸和氢氧化钠作为pH调节剂，使得研磨液呈碱性。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制造方法，其特征在于，经过步骤(1)研磨后蓝宝石工件的表面粗糙度Ra控制在0.5μm之内，晶面错切角为0.03°～2°。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制造方法，其特征在于，所述两次热处理的氛围为空气或氩气。
6.一种基于蓝宝石材料的纳米压印模板，其特征在于，所述纳米压印模板采用权利要求1-5中任一项所述的方法制造。
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