CN113336186B - 一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法 - Google Patents

一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于加工技术领域，提供了一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法。将纳米颗粒分散在光刻胶中，通过光刻工艺形成厚度与纳米颗粒直径接近的光刻胶层，以含有纳米颗粒的图形化光刻胶层为掩膜对基底进行刻蚀，胶层中的纳米颗粒可被刻蚀液腐蚀或溶解，并逐渐形成纳米孔穴，刻蚀液透过纳米孔穴对基底进行刻蚀。本发明仅需一次光刻与腐蚀工艺，即可在基底上同时构建具有微米或几百纳米的功能结构以及在功能结构表面具有纳米特征尺寸的凹坑结构。简化了制造工艺流程、降低了加工成本，有利于批量化制造。

Description

一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法
技术领域
本发明属于加工领域，具体涉及到一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法，以及采用了上述方法制造得到的微纳结构。
背景技术
微纳米加工技术的发展，使制备微纳米尺度的生物医学传感器、电化学传感器、声学传感器等器件成为可能，而这些微纳尺度的传感器在医学临床诊断、环境监测、气体检测等领域展现了不可替代的优势。而这些微纳传感器件，其结构特点在于，其功能结构的特征尺寸通常为微米或几百纳米级别。在传感器件的功能结构表面构建大量纳米尺寸的凹坑结构，这种跨尺度微纳结构进一步提高了传感器件灵敏度、增加抗体等功能分子的固着位点、增大表面积等特性。
这种跨尺度微纳结构的加工制造，通常采用分别制造的思路。通过光刻、刻蚀等常规微加工工艺得到微米尺度的结构；通过飞秒激光直写、纳米压印、化学修饰、物理吸附纳米粒子等工艺构建纳米尺度结构。制造工艺流程繁杂，加工效率低，不利于批量化制造。
鉴于上述的各种原因，需要一种工艺简单、成本较低的跨尺度微纳结构加工方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的跨尺度微纳结构加工方法。
本发明的技术方案：
一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法，包括以下步骤：
步骤S10：将纳米颗粒分散于光刻胶中；
步骤S20：在基底材料表面制备含有纳米颗粒的光刻胶层；
步骤S30：光刻胶层的图形化；
步骤S40：去除少部分光刻胶使胶层厚度小于纳米颗粒直径，使纳米颗粒顶端暴露出来；
步骤S50：刻蚀基底材料，得到表面具有纳米尺寸凹坑结构的微米级别结构；
步骤S60：去除光刻胶。
步骤S50中得到表面具有纳米尺寸凹坑结构的微米级别结构的工艺对基底材料、纳米颗粒和光刻胶的材质具有选择性，防止在去除裸露基底材料与纳米颗粒的同时将光刻胶一并去除；形成表面具有纳米尺寸凹坑结构的微米级别结构方法采取干法刻蚀、湿法腐蚀或激光刻蚀。
纳米颗粒特征尺寸与含有纳米颗粒的光刻胶层厚度均为几十～几百纳米级别，其中纳米颗粒材质具有后续步骤S50中能够被刻蚀液腐蚀或溶解掉的属性，选择金、银、铂、金属氧化物或水凝胶。
基底材料为硅、二氧化硅、金属、金属氧化物或其他为本领域技术人员所熟知的材料；所述的光刻胶为AZ系列胶、BN系列胶、SU-8胶或其它为本领域技术人员所熟悉的光刻胶材料。
步骤S40中去除少部分光刻胶采用等离子体轰击方法；所述的步骤S60中去除光刻胶采用丙酮腐蚀方法。
在步骤S10中，纳米颗粒要均匀分散于光刻胶，不能以大量纳米颗粒聚成集团的形式在光刻胶内存在，为了减少纳米粒子团聚，采用超声水浴、化学基团修饰或高温消磁方法。
其中步骤S20中，制备的含有纳米颗粒的光刻胶层的厚度为纳米级别，且与所采用的纳米颗粒特征尺寸相近，为了降低光刻胶层的厚度，采用在步骤S10配置的光刻胶时添加适当稀释溶液方法。
其中，光刻胶层采用旋涂光刻胶、干膜光刻胶贴附或者其他本领域技术人员所熟悉的其他工艺得到。
在步骤S30中，将光刻胶图形化胶层图形化，采用光刻、激光直写或纳米压印方法。
其中步骤S50中，采用一次加工工艺，在得到微米尺度功能结构的基础上，同时在结构表面形成纳米级别的凹坑结构。
步骤S50是在光刻胶层的掩蔽下，对基底材料进行腐蚀，形成特征尺寸为微米或几百纳米结构，腐蚀基底材料的同时，光刻胶层中的纳米颗粒材料也同时被腐蚀/溶解并形成纳米孔穴，腐蚀液进入纳米孔穴对光刻胶层下的基底进行局部腐蚀。
本发明的有益效果：
本发明提出的一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法，一次加工工艺能够在形成微米尺寸功能结构的基础上，在结构表面形成纳米尺度的凹坑结构，增加了结构表面有效面积。加工过程简单，并附加表面修饰工艺，所需设备普遍，所需设备在一般实验室均可以达成，可以有效降低加工跨尺度微纳结构的成本。
附图说明
图1是本发明一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法的工艺流程图。
图2是根据本发明加工方法其中一个具体实施例的一种跨尺度微纳结构过程示意图。
具体实施方式
现将结合参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应该注意：除非另外具体说明，否则在这些具体的实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述事实上仅仅是说明性的，绝不作为对本发明极其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细叙述，但在适当情况下，所述的技术、方法和设备应当被视为本发明说明书的一部分。
在这里展示和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制的。因此，示例性实施例的其他例子可以具有不同的值。
下面将结合参考附图来描述本发明的实施例和例子。
图1是本发明一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法的一个示意性实施例的工艺流程图。
步骤S10是将纳米级别尺寸的颗粒分散于光刻胶。
本发明所采用的纳米颗粒其特征尺寸应是几十～几百纳米级别，材质是金、银、铂、金属氧化物、水凝胶等本领域技术人员说熟知的材料，且纳米颗粒在后续的步骤S50中能够被腐蚀或溶解掉。
本发明所采用的光刻胶是AZ系列胶、BN系列胶、SU-8胶或者其他为本领域技术人员所熟知的光刻胶。
为了实现本发明，需将纳米颗粒较为均匀的分散到光刻胶中，为实现这一目的采用超声水浴、化学基团修饰等其他为本领域技术人员所熟知的工艺方法。
步骤S20是在基底材料表面制备含有纳米颗粒的光刻胶层。
本发明所用于做基底材料的材料是硅、二氧化硅、金属、金属氧化物或者其他为本领域技术人员所熟知的材料。
本发明中涉及的光刻胶层采用旋涂光刻胶、干膜光刻胶贴附等本领域技术人员所熟悉的工艺得到。
制备的含有纳米颗粒的光刻胶层的厚度应为纳米级别，且与所采用的纳米颗粒特征尺寸相近，为了控制光刻胶层厚度，在步骤S10采用提高匀胶转速、加入稀释剂降低光刻胶粘度方法。
步骤S30是通过光刻等方式实现光刻胶层的图形化。
步骤S40是去除少部分光刻胶，使胶层厚度稍小于纳米颗粒直径，使纳米颗粒顶端暴露出来。
去除纳米颗粒表层光刻胶采用等离子轰击去胶等其他为本领域工艺人员所熟知的方法。
步骤S50是刻蚀基底材料，得到表面具有纳米尺寸凹坑结构的微米级别结构。
步骤S50的目的是采用一次加工工艺，在得到微米尺度功能结构的基础上，同时在结构表面形成纳米级别的凹坑结构，其具体过程为，在光刻胶层的掩蔽下，对基底材料进行腐蚀，形成特征尺寸为微米或几百纳米结构，腐蚀基底材料的同时，光刻胶层中的纳米颗粒材料也同时被腐蚀/溶解并形成纳米孔穴，刻蚀液进入纳米孔穴对光刻胶层下的基底进行局部腐蚀。
步骤S50中为形成跨尺度微纳结构，采用湿法腐蚀或其他本领域技术人员所熟知的工艺。
其中值得注意的是，步骤S50所采用工艺使纳米颗粒与基底材料能够同时被加工去除，但对光刻胶应具有选择性，防止将光刻胶一并完全去除。
步骤S60是去除光刻胶。
在步骤S60中，去除结构表面光刻胶，采用丙酮腐蚀或者其他为本领域技术人员所熟知的工艺方法。
接下来参照图2描述根据本发明一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法的一个具体例子。
图2(a)中，选择合适的基底材料，保持表面清洁。根据基底材料的材料性质，选择本领域技术人员常用的去离子水、乙醇、丙酮等手段清洗基底材料。
准备纳米颗粒。对于所选择的纳米颗粒要求其可以满足后续要求。例如本示例中所选择四氧化三铁颗粒，其形状近似圆球，直径约为200nm。
制备含有纳米颗粒的光刻胶。在此示例中，采用的是AZ-703正性光刻胶，在其他例子中，根据具体要求选择其他合适的光刻胶。
为使制备的光刻胶在后续工艺步骤中可以制备出与纳米颗粒特征尺寸相近的光刻胶层，在制备光刻胶时添加适量乙醇作为稀释剂。
采用超声水浴的方法将纳米颗粒较为均匀的分散到光刻胶，在其他例子中，可以选择其他方式以分散纳米颗粒。
图2(b)中，制备含有纳米颗粒的光刻胶膜。例如采用旋涂光刻胶、烘干等这些为本领域技术人员所熟知的工艺制备光刻胶膜。
图2(c)和(d)中，光刻胶薄膜图形化。例如采用本领域技术人员所熟知的制备掩模版、光刻等工艺制备光刻胶薄膜。
图2(e)，去除少部分光刻胶。例如采用本领域技术人员所熟知的等离子去胶工艺。
图2(f)和(g)中，是通过一次加工得到跨尺度微纳结构。例如采用湿法腐蚀的加工方式，随着腐蚀的进行，未被光刻胶覆盖的基底材料以及上表面裸露的纳米颗粒被腐蚀掉，(f)是本道加工工序过程中的一个示意图，光刻胶层中的纳米颗粒材料被腐蚀并形成纳米孔穴，腐蚀液进入纳米孔穴对光刻胶层下的基底进行局部腐蚀，(g)是本道工序最终形成的跨尺度微纳结构示意图。
图2(h)中，去除光刻胶。为去除结构表面光刻胶，例如采用为本领域技术人员所熟知的等离子去胶工艺方法。
本发明所涉及的跨尺度微纳结构加工方法，一次加工工艺可以在形成微米尺寸的功能结构的基础上，在结构表面构建纳米尺度的凹坑结构，增加了结构表面有效面积。加工过程简单，并附加表面修饰工艺，所需设备普遍，所需设备在一般实验室均可以达成，可以有效降低加工跨尺度微纳结构的成本。

Claims (5)

1.一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10：将纳米颗粒分散于光刻胶中；
步骤S20：在基底材料表面制备含有纳米颗粒的光刻胶层；
步骤S30：光刻胶层的图形化；
步骤S40：去除少部分光刻胶使胶层厚度小于纳米颗粒直径，使纳米颗粒顶端暴露出来；
步骤S50：刻蚀基底材料，得到表面具有纳米尺寸凹坑结构的微米级别结构；
步骤S60：去除光刻胶；
所述的步骤S50中得到表面具有纳米尺寸凹坑结构的微米级别结构的工艺对基底材料、纳米颗粒和光刻胶的材质具有选择性，防止在去除裸露基底材料与纳米颗粒的同时将光刻胶一并去除；形成表面具有纳米尺寸凹坑结构的微米级别结构方法为干法刻蚀、湿法腐蚀或激光刻蚀。
2.根据权利要求1所述的一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法，其特征在于，所述的纳米颗粒特征尺寸与含有纳米颗粒的光刻胶层厚度均为几十～几百纳米级别，其中纳米颗粒材质具有后续步骤S50中能够被刻蚀液腐蚀或溶解掉的属性，为金、银、铂、金属氧化物或水凝胶。
3.根据权利要求1或2所述的一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法，其特征在于，所述的基底材料为硅、二氧化硅、金属或金属氧化物；所述的光刻胶为AZ系列胶、BN系列胶或SU-8胶。
4.根据权利要求1或2所述的一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法，其特征在于，所述的步骤S40中去除少部分光刻胶采用等离子体轰击方法；所述的步骤S60中去除光刻胶采用丙酮腐蚀方法。
5.根据权利要求3所述的一种同步制造纳米凹坑阵列的跨尺度微纳结构加工方法，其特征在于，所述的步骤S40中去除少部分光刻胶采用等离子体轰击方法；
所述的步骤S60中去除光刻胶采用丙酮腐蚀方法。
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