一種控制微納結(jié)構(gòu)倒伏的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種控制微納結(jié)構(gòu)倒伏的方法，通過添加輔助結(jié)構(gòu)使得加工的大高寬比微納結(jié)構(gòu)在干燥過程中受控倒伏，利用微納結(jié)構(gòu)有規(guī)律的倒伏來實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的加工。微納結(jié)構(gòu)受表面張力的作用是相互靠近的，在其周圍添加輔助結(jié)構(gòu)來限制他們在某些方向上的運(yùn)動，可以控制微納結(jié)構(gòu)朝著所需的方向倒伏，本發(fā)明基于現(xiàn)有工藝，通過將干燥過程帶來的微納結(jié)構(gòu)不可控的無規(guī)倒伏變?yōu)榭煽氐挠幸?guī)律倒伏來滿足加工的需求。
【專利說明】一種控制微納結(jié)構(gòu)倒伏的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微納加工的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種控制微納結(jié)構(gòu)倒伏的方法，該 方法為一種大高寬比微納結(jié)構(gòu)的倒伏控制工藝。

【背景技術(shù)】
[0002] 微納加工過程中，通常是利用曝光、顯影工藝來獲得微納結(jié)構(gòu)的。顯影完成后的干 燥過程中，隨著結(jié)構(gòu)間液體的揮發(fā)，加工的微納結(jié)構(gòu)會受到液體的表面張力的作用。隨著微 納結(jié)構(gòu)尺寸的減小，其結(jié)構(gòu)的高寬比逐漸增大，在顯影干燥過程中所受的液體的表面張力 也逐漸增大，這往往會帶來微納結(jié)構(gòu)的無規(guī)倒伏，造成加工的失敗。所以，在大高寬比微納 結(jié)構(gòu)的制作過程中，受液體表面張力的影響通常會發(fā)生微納結(jié)構(gòu)的倒伏，難以完成微納結(jié) 構(gòu)的制作。為了獲得所需結(jié)構(gòu)，需要通過其他工藝來防止結(jié)構(gòu)倒伏，目前已有不少這方面的 研究，但還沒有比較有效的防倒伏工藝。
[0003] 由于微納結(jié)構(gòu)在干燥過程中總會遇到由液體表面張力帶來的倒伏問題，研究人員 認(rèn)識到可以利用微納結(jié)構(gòu)有規(guī)律的倒伏來實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的加工。只要能夠?qū)⒏稍镞^程帶來 的微納結(jié)構(gòu)不可控的無規(guī)倒伏變?yōu)榭煽氐挠幸?guī)律倒伏，就有可能滿足加工的需求。目前已 有一些相關(guān)的研究，主要都是通過對微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計來實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的受控倒伏。S. Choi 等利用納米結(jié)構(gòu)的相互倒伏來制作納米管道（Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 163113) ;H. Duan 等通過改變納米結(jié)構(gòu)的形狀來實現(xiàn)有規(guī)律的倒伏（Small 2011，7, 2661)。目前的工藝雖然 能夠?qū)崿F(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的受控倒伏，但它是基于對微納結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計，通過改變微納結(jié)構(gòu)的 相互位置關(guān)系、或者是改變微納結(jié)構(gòu)的形狀來控制其倒伏，破壞了微納結(jié)構(gòu)本身的功能性， 不能滿足微納結(jié)構(gòu)加工的通用性，實用性差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對微納結(jié)構(gòu)在干燥過程中所遇到的難以避免的倒伏問題，提出 一種控制微納結(jié)構(gòu)倒伏的方法，通過添加輔助結(jié)構(gòu)使得加工的大高寬比微納結(jié)構(gòu)在干燥過 程中受控倒伏，利用微納結(jié)構(gòu)有規(guī)律的倒伏來實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的加工。本發(fā)明基于現(xiàn)有工藝， 通過將干燥過程帶來的微納結(jié)構(gòu)不可控的無規(guī)倒伏變?yōu)榭煽氐挠幸?guī)律倒伏來滿足加工的 需求。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種控制微納結(jié)構(gòu)倒伏的方法，該方法在所需的微納 結(jié)構(gòu)中添加輔助結(jié)構(gòu)來控制其倒伏方向，微納結(jié)構(gòu)受表面張力的作用是相互靠近的，在其 周圍添加輔助結(jié)構(gòu)來限制他們在某些方向上的運(yùn)動，可以控制微納結(jié)構(gòu)朝著所需的方向倒 伏，該輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求為：根據(jù)所需圖形的形狀、尺寸來設(shè)計輔助結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，根 據(jù)微納結(jié)構(gòu)需要倒伏的方向設(shè)計輔助結(jié)構(gòu)的位置。
[0006] 進(jìn)一步的，其特征是微納結(jié)構(gòu)在干燥過程中受表面張力可以由下面公式計算： _ IyHLcosO
[0007] F= ^^ - Cl
[0008] 其中，結(jié)構(gòu)的長度為L，高度為H，結(jié)構(gòu)的間隙為d，液體與結(jié)構(gòu)之間的表面張力為 Y，液體與結(jié)構(gòu)之間夾角為Θ，知道微納結(jié)構(gòu)的尺寸、液體的種類，就可以計算出結(jié)構(gòu)所受 的液體表面張力的大小；
[0009] 輔助結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計要保證其強(qiáng)度可以幫助微納結(jié)構(gòu)克服所受表面張力的作用， 為了便于計算和加工，通常設(shè)計為三角形或長方形；輔助結(jié)構(gòu)的位置需要放置在微納結(jié)構(gòu) 倒伏方向的另一側(cè)，同時要避免添加的輔助結(jié)構(gòu)影響微納結(jié)構(gòu)的相互位置關(guān)系，不能妨礙 微納結(jié)構(gòu)倒伏時的相互接觸、不能影響微納結(jié)構(gòu)的整體性能。
[0010] 進(jìn)一步的，其特征是輔助結(jié)構(gòu)的位置通常設(shè)計為靠近或接觸微納結(jié)構(gòu)的邊緣，以 盡量減小由于結(jié)構(gòu)的添加對微納結(jié)構(gòu)的整體性能帶來的影響。
[0011] 進(jìn)一步的，其特征是該方法的具體工藝如下：
[0012] 1)將設(shè)計好的輔助結(jié)構(gòu)添加到微納結(jié)構(gòu)中，制作在同一個圖形中；
[0013] 2)基于設(shè)計好的圖形、利用曝光工藝來制作微納結(jié)構(gòu)；
[0014] 3)顯影、干燥，獲得受控倒伏的微納結(jié)構(gòu)。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明首次利用添加輔助結(jié)構(gòu)的方法來實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的受控倒 伏，基于微納結(jié)構(gòu)在干燥過程中不可避免受到的表面張力，通過對微納結(jié)構(gòu)的受控倒伏來 實現(xiàn)微納加工。本發(fā)明工藝簡單，由于輔助結(jié)構(gòu)和微納結(jié)構(gòu)是一起加工的，容易實現(xiàn)；同時， 由于輔助結(jié)構(gòu)是基于微納結(jié)構(gòu)來設(shè)計的，并不破壞微納結(jié)構(gòu)本身的功能性，可以適應(yīng)不同 的微納結(jié)構(gòu)，具有較好的通用性，能夠制作很多特殊的微納結(jié)構(gòu)，滿足不同的應(yīng)用需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為控制微納結(jié)構(gòu)倒伏原理示意圖，圖I (a)微納結(jié)構(gòu)在干燥過程中的受力；圖 1(b)添加了輔助結(jié)構(gòu)的微納結(jié)構(gòu)；圖1(c)受控倒伏的微納結(jié)構(gòu)。
[0017] 圖中附圖標(biāo)記說明：1為基片，2為微納結(jié)構(gòu)，3為表面張力，4為液面，5為輔助結(jié) 構(gòu)。

【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合實例對微納結(jié)構(gòu)受控倒伏工藝的具體過程進(jìn)一步加以說明：
[0019] 本發(fā)明的特征是在所需的微納結(jié)構(gòu)中添加輔助結(jié)構(gòu)來控制其倒伏方向。微納結(jié) 構(gòu)受表面張力的作用是相互靠近的，在其周圍添加輔助結(jié)構(gòu)來限制他們在某些方向上的運(yùn) 動，可以控制微納結(jié)構(gòu)朝著所需的方向倒伏，其原理如圖1所示。
[0020] 輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計如下：
[0021] 根據(jù)所需圖形的形狀、尺寸來設(shè)計輔助結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，根據(jù)微納結(jié)構(gòu)需要倒伏 的方向設(shè)計輔助結(jié)構(gòu)的位置；
[0022] 微納結(jié)構(gòu)在干燥過程中受表面張力可以由公式計算： 「 ? _ 2γ HLcqsO
[0023] F 二-- d
[0024] 其中，結(jié)構(gòu)的長度為L，高度為H，結(jié)構(gòu)的間隙為d，液體與結(jié)構(gòu)之間的表面張力為 Y，液體與結(jié)構(gòu)之間夾角為Θ。知道微納結(jié)構(gòu)的尺寸、液體的種類，就可以計算出結(jié)構(gòu)所受 的液體表面張力的大小。
[0025] 輔助結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計要保證其強(qiáng)度可以幫助微納結(jié)構(gòu)克服所受表面張力的作用， 為了便于計算和加工，通常設(shè)計為三角形或長方形；輔助結(jié)構(gòu)的位置需要放置在微納結(jié)構(gòu) 倒伏方向的另一側(cè)，同時要避免添加的輔助結(jié)構(gòu)影響微納結(jié)構(gòu)的相互位置關(guān)系，比如不能 妨礙微納結(jié)構(gòu)倒伏時的相互接觸、不能影響微納結(jié)構(gòu)的整體性能等。所以，輔助結(jié)構(gòu)的位置 通常設(shè)計為靠近或接觸微納結(jié)構(gòu)的邊緣，以盡量減小由于結(jié)構(gòu)的添加對微納結(jié)構(gòu)的整體性 能帶來的影響。
[0026] 本發(fā)明的具體工藝如下：
[0027] 1)將設(shè)計好的輔助結(jié)構(gòu)添加到微納結(jié)構(gòu)中，制作在同一個圖形中；
[0028] 2)基于設(shè)計好的圖形、利用曝光工藝來制作微納結(jié)構(gòu)；
[0029] 3)顯影、干燥，獲得受控倒伏的微納結(jié)構(gòu)。
[0030] 實例1、三角型微管道陣列的制作
[0031] 截面為三角型的微管道的制作，需要利用一對微結(jié)構(gòu)的相互倒伏來實現(xiàn)；要制作 三角型微管道陣列，需要利用周期為其一半的光柵結(jié)構(gòu)的相互倒伏來實現(xiàn)。
[0032] 以陣列周期為120微米為例，首先是輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計：
[0033] 給出周期為60微米的光柵結(jié)構(gòu)，占空比為1 :2,線條長度為1毫米；光柵高度為 200微米時，根據(jù)光柵尺寸以及后續(xù)需要使用的SU8負(fù)性光刻膠工藝，輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計為邊長 為25微米的菱形，長軸方向與光柵線條方向平行，每隔兩個光柵線條放置。每個需要放置 的線條之間，可根據(jù)需要放置多個輔助結(jié)構(gòu)，通常放置3個，分別在光柵的兩端與中間。
[0034] 具體制作如下：
[0035] 1)根據(jù)上述設(shè)計，加工出相應(yīng)的光學(xué)掩模；
[0036] 2)清洗基片，旋涂SU8光刻膠，96度熱臺烘2小時，冷卻后得到厚度為200微米的 SU8光刻膠層；
[0037] 3)利用設(shè)計好的光學(xué)掩模進(jìn)行紫外曝光，i線，曝光劑量400mJ/cm2,96度后烘30 分鐘，冷卻；
[0038] 4)樣品放入顯影液中顯影20分鐘，異丙醇漂洗20秒，放入去離子水中；
[0039] 5)樣品從水中拿出，放置自然干燥，獲得周期為120微米的三角型微管道陣列。
[0040] 實例2、中階梯光柵的制作
[0041] 中階梯光柵的制作，需要利用光柵結(jié)構(gòu)的同一方向倒伏來實現(xiàn)。
[0042] 以周期為50微米為例，首先是輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計：
[0043] 給出周期為50微米的光柵結(jié)構(gòu)，占空比為1 :4,線條長度為2毫米；光柵高度為 200微米時，根據(jù)光柵尺寸以及后續(xù)需要使用的SU8負(fù)性光刻膠工藝，輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計為邊長 為40微米的正方形，放置在線條倒伏方向的另一側(cè)。為了防止線條倒伏時被輔助結(jié)構(gòu)遮 擋，設(shè)計沿著線條倒伏的方向每一個線條比上一個線條兩邊各增長20微米，輔助結(jié)構(gòu)放置 在靠近每個線條的兩端，沿線條方向輔助結(jié)構(gòu)與線條重疊10微米，沿線條倒伏方向輔助結(jié) 構(gòu)與線條間距10微米。
[0044] 具體制作如下：
[0045] 1)根據(jù)上述設(shè)計，加工出相應(yīng)的光學(xué)掩模；
[0046] 2)清洗基片，旋涂SU8光刻膠，96度熱臺烘2小時，冷卻后得到厚度為200微米的 SU8光刻膠層；
[0047] 3)利用設(shè)計好的光學(xué)掩模進(jìn)行紫外曝光，i線，曝光劑量400mJ/cm2,96度后烘30 分鐘，冷卻；
[0048] 4)樣品放入顯影液中顯影20分鐘，異丙醇漂洗10秒，放入去離子水中；
[0049] 5)樣品從水中拿出，放置自然干燥，獲得周期為50微米的中階梯光柵。
[0050] 本發(fā)明未詳細(xì)公開的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
[0051] 盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實施方式】進(jìn)行了描述，以便于本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù) 人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實施方式】的范圍，對本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技 術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些 變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
【權(quán)利要求】
1. 一種控制微納結(jié)構(gòu)倒伏的方法，其特征是：該方法在所需的微納結(jié)構(gòu)中添加輔助結(jié) 構(gòu)來控制其倒伏方向；微納結(jié)構(gòu)受表面張力的作用是相互靠近的，在其周圍添加輔助結(jié)構(gòu) 來限制他們在某些方向上的運(yùn)動，可以控制微納結(jié)構(gòu)朝著所需的方向倒伏，該輔助結(jié)構(gòu)的 設(shè)計要求為：根據(jù)所需圖形的形狀、尺寸來設(shè)計輔助結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，根據(jù)微納結(jié)構(gòu)需要 倒伏的方向設(shè)計輔助結(jié)構(gòu)的位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制微納結(jié)構(gòu)倒伏的方法，其特征是：微納結(jié)構(gòu)在干燥 過程中受表面張力可以由公式計算：
其中，結(jié)構(gòu)的長度為L，高度為H，結(jié)構(gòu)的間隙為d，液體與結(jié)構(gòu)之間的表面張力為γ，液 體與結(jié)構(gòu)之間夾角為Θ，知道微納結(jié)構(gòu)的尺寸、液體的種類，就可以計算出結(jié)構(gòu)所受的液體 表面張力的大?。惠o助結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計要保證其強(qiáng)度可以幫助微納結(jié)構(gòu)克服所受表面張力 的作用，為了便于計算和加工，通常設(shè)計為三角形或長方形；輔助結(jié)構(gòu)的位置需要放置在微 納結(jié)構(gòu)倒伏方向的另一側(cè)，同時要避免添加的輔助結(jié)構(gòu)影響微納結(jié)構(gòu)的相互位置關(guān)系，不 能妨礙微納結(jié)構(gòu)倒伏時的相互接觸、不能影響微納結(jié)構(gòu)的整體性能。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制微納結(jié)構(gòu)倒伏的方法，其特征是：輔助結(jié)構(gòu)的位置 通常設(shè)計為靠近或接觸微納結(jié)構(gòu)的邊緣，以盡量減小由于結(jié)構(gòu)的添加對微納結(jié)構(gòu)的整體性 能帶來的影響。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制微納結(jié)構(gòu)倒伏的方法，其特征是：該方法的具體工 藝如下： 1) 將設(shè)計好的輔助結(jié)構(gòu)添加到微納結(jié)構(gòu)中，制作在同一個圖形中； 2) 基于設(shè)計好的圖形、利用曝光工藝來制作微納結(jié)構(gòu)； 3) 顯影、干燥，獲得受控倒伏的微納結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】B81C1/00GK104386646SQ201410546257
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】劉剛, 熊瑛, 田揚(yáng)超, 侯雙月 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)