CN101549851A - 大面积亚微米有序结构图形的生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大面积亚微米有序结构图形的生成方法，涉及微纳米级制造领域，其特征在于包括：首先，在清洁的初制衬底表面化学键合或物理吸附一层符合大小与形状要求的单层粒子；然后，在所述衬底及单层粒子上沉积生成金属薄膜层；继而，采用适当的有机溶剂溶解该单层粒子，并将单层粒子连同沉积在其表面的金属薄膜一并剥离，在初制衬底表面形成金属掩膜图形；最后，采用适当的方法将金属掩膜图形转移到实需衬底，生成有序的亚微米结构图形，并将掩模金属层去除。实施本发明大面积亚微米有序结构图形的生成方法，其具有结构图形的生成灵活可控、衬底选择性广、大面积生成易于实现，及成本低廉和无需昂贵加工设备的有益效果。
Description
技术领域
本发明属于微米/纳米级制造领域，尤其涉及一种用于大面积低成本生成有序亚微米结构图形的生成方法。
背景技术
以光子晶体、表面等离子体、亚波长结构为代表的微纳光子学已经被理论证明可以突破许多传统光学极限(例如衍射极限)，并表现出许多超乎传统光学的性质(例如负折射效应、超棱镜效应和Purcell效应等)。这些与电磁波波长相比拟的有序结构所具有的优异特性无疑将极大地增强人类利用光和控制光的能力，因此能够高品质地制造出这些结构成为人类能够有效利用这些性质的关键。为此，与之相对应地发展了许多亚微米制造技术，比如电子束直写、相干光刻、纳米压印、金属自组装等。在这些亚微米制造技术中，电子束直写可以在二维平面内精确写出所需要的亚微米图形，但这种逐点扫描的方式不仅价格昂贵，而且速度慢，难以满足大面积低成本制造的要求；此外对于三维制造也无能为力。相干光刻、纳米压印和金属自组装都可以满足大面积亚微米图形生成的要求，但是相干光刻和纳米压印都不能在曲面等非规则立体结构上制备，且大面积制备对相干光刻的光源均匀性有极其苛刻的要求；纳米压印的模板非常昂贵，无疑增加了亚微米图形的制造成本；金属自组装尽管可以在任何衬底表面实现大面积低成本的亚微米图形制作，但该种方法制备的亚微米图形形状均匀性和分布均匀性的可控性差，不适合有序亚微米图形的生成。因此，研发一种能够在任何衬底上大面积、低成本且有序生成亚微米结构图形的技术，极大地提高了人类在微纳领域的制造能力，也成为微纳光子学真正能够实用化的关键。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于：提出一种大面积亚微米有序结构图形的生成方法，解决结构图形生成中成本高昂、衬底形状及面积受限，以及生成后的结构图形形状分布均匀性、有序性可控性差的问题，提高人类在微纳领域的制造能力。
本发明的上述目的，其实现的技术手段是：
大面积亚微米有序结构图形的生成方法，其特征在于包括：步骤一：在初制衬底表面预制备一层符合结构图形大小与形状要求的单层粒子，且相邻两粒子之间空隙为裸露的衬底表面；步骤二：在所述初制衬底及单层粒子上沉积生成金属薄膜层；步骤三：采用有机溶剂溶解所述单层粒子，并将沉积在其表面的金属薄膜剥离，在初制衬底表面形成金属掩膜图形；步骤四：将所述金属掩模图形转移至实需衬底，并通过适当转移制程在实需衬底上生成有序的亚微米结构图形；步骤五：去除金属掩膜层。
进一步地，步骤一中的初制衬底与步骤四中的实需衬底可以是同一衬底，也可以是相互独立的两个衬底，且相互独立的两个衬底形状为相同的平面、曲面或非规则立体结构；且该步骤一中所述单层粒子指的是DNA分子、有机小分子化合物、高分子化合物，以及微米、纳米球中的一种或多种搭配；此外该步骤一中所述预制备单层粒子的方法包括酰胺反应、酯化反应、点击化学、范德华作用等的化学键合或物理吸附制程。
进一步地，步骤二中所述生成金属薄膜层的方法为包括热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积之一的沉积制程；金属薄膜材料不限，可以是Au，Ag，Cu，Ti，Ni，Al等材料，只要满足剥离要求和能在以后的图形转移过程中充当选择比大的掩膜即可。
进一步地，步骤三中所述单层粒子溶解及其表面金属薄膜剥离的方法包括溶剂冲洗、超声波振荡或加热。
进一步地，步骤四中所述基于金属掩膜图形在实需衬底表面生成亚微米结构图形的方法为包括反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀、电子回旋共振刻蚀、纳米压印、铸模之一的转移制程；而步骤五中所述掩模金属层的去除方法可以是湿法腐蚀，也可以是干法刻蚀，以快速去除掩膜金属且不破坏实需衬底上已生成的亚微米结构图形为前提。。
实施本发明大面积亚微米有序结构图形的生成方法，其具有①结构图形的生成灵活可控、②衬底选择性广、③大面积生成易于实现，及④成本低廉，无需昂贵加工设备的有益效果。
附图说明
图1为本发明大面积亚微米有序结构图形生成方法的流程示意图；
图2a、2b为本发明生成方法步骤一的状态示意图及A-A线段剖视图；
图3a、3b为本发明生成方法步骤二的状态示意图及B-B线段剖视图；
图4a、4b为本发明生成方法步骤三的状态示意图及C-C线段剖视图；
图5a、5b为本发明生成方法步骤四的状态示意图及D-D线段剖视图。
具体实施方式
为使本发明大面积亚微米有序结构图形的生成方法的实质特征及有益效果更易于理解，以下结合实施例及其附图对其进行详细说明。
如图1所示，是本发明大面积亚微米有序结构图形的生成方法的流程示意图。由图可见，该结构图形生成方法的特征步骤包括：首先预制一清洁的初制衬底，并在该初制衬底表面预制备一层符合结构图形大小与形状要求的单层粒子；然后在所述初制衬底及单层粒子上沉积生成金属薄膜层；继而采用适当的有机溶剂溶解所述单层粒子，并将单层粒子表面的金属薄膜一并剥离，在初制衬底表面形成金属掩膜图形；最后基于所述金属掩膜图形采用适当的转移方法在实际需要的衬底表面生成有序的亚微米结构图形，并将金属掩膜层去除。
具体地，如图2a、2b所示的本发明生成方法步骤一的状态示意图及A-A线段剖视图，即在清洁的初制衬底1表面上化学键合或者物理吸附一层符合结构图形大小与形状要求的单层粒子2。针对不同材质的初制衬底1通过不同的表面处理，使其满足单层粒子2能够在其上形成稳定的物理吸附或者化学键合的要求即可，然后将整个初制衬底1浸没在化学溶液中，通过化学键合或物理吸附的方法在衬底表面生成规则排布的单粒子层2(包括DNA分子、有机小分子化合物、高分子化合物，以及微/纳米球等中的一种或多种搭配使用)，且所形成的单层粒子空隙为裸露的衬底表面。在实施过程中根据不同的设计要求，可以选择不同形状和大小的粒子形成所需的单粒子层模板；衬底形状可以是二维或三维的平面、曲面或非规则立体结构；而初制衬底材料可以是介质材料、半导体材料等。而其中预制备的化学键合或物理吸附包括酰胺反应、酯化反应、点击化学、范德华作用等制程方法。
如图3a、3b所示的本发明生成方法步骤二的状态示意图及B-B线段剖视图，即在初制衬底1表面及单层粒子2表面上完全沉积金属薄膜层3。在实施过程中沉积方法没有限制，可以是热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射和原子层沉积等金属薄膜沉积制程；而作为掩膜的金属材料没有限制，可以是Au，Ag，Cu，Ti，Ni，Al等材料，只要满足剥离要求和能在以后的图形转移过程中充当选择比大的掩膜即可。
如图4a、4b所示的本发明生成方法步骤三的状态示意图及C-C线段剖视图，即采用适当的有机溶剂溶解所述单层粒子2，并将单层粒子2连同沉积在其表面的金属薄膜3冲洗、剥离，在初制衬底1表面形成金属掩膜图形6。其中，有机溶剂必须能够快速溶解该单层粒子2，能够将其上的金属层有效地剥离，剥离方式没有限制，可以采用溶剂冲洗、超声振荡或者加热等。
如图5a、5b所示的本发明生成方法步骤四的状态示意图及D-D线段剖视图，即基于上一步形成的金属掩膜图形6采用适当地转移方法在实际需要的衬底4表面生成有序的亚微米结构图形5，并将原有的掩模金属层去除。其中，转移方法根据所要生成的图形和所选择的衬底材料，可以是反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀、电子回旋共振刻蚀、纳米压印、铸模等其中一种，只要将所形成的亚微米有序结构图形能够有效转移到需要的材料上即可；掩模金属的去除方法不受限制，可以是湿法腐蚀，也可以是干法刻蚀，以保持生成的亚微米有序结构图形不受破坏为基准。
综上可见，本发明提出的在衬底材料上以单粒子层为模板，大面积、低成本制备亚微米有序结构图形技术，相对于其他亚微米图形制备技术，具有结构图形的生成灵活可控、衬底选择性广、大面积生成易于实现，及成本低廉，无需昂贵加工设备的有益效果。
以上附图及其说明仅作为实施例提供，其实施方式具有多样性。故凡对以上实施例进行的简单修改或等效变换，能够实现本创作目的的设计方案，均应纳入本专利申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.大面积亚微米有序结构图形的生成方法，其特征在于包括步骤：
步骤一：在初制衬底表面预制备一层符合结构图形大小与形状要求的单层粒子，且相邻粒子之间空隙为裸露的衬底表面；
步骤二：在所述初制衬底及单层粒子上沉积生成金属薄膜层；
步骤三：采用有机溶剂溶解所述单层粒子，并将沉积在其表面的金属薄膜剥离，在初制衬底表面形成金属掩膜图形；
步骤四：将所述金属掩模图形转移至实需衬底，并通过转移制程在实需衬底上生成有序的亚微米结构图形。
步骤五：去除掩模金属层。
2.根据权利要求1所述的大面积亚微米有序结构图形的生成方法，其特征在于：步骤一中所述的初制衬底与步骤四中所述的实需衬底为同一衬底或相互独立的两个衬底，且相互独立的两个衬底形状为相同的平面、曲面或非规则立体结构。
3.根据权利要求1所述的大面积亚微米有序结构图形的生成方法，其特征在于：步骤一中所述单层粒子指的是DNA分子、有机小分子化合物、高分子化合物，以及微米、纳米球中的一种或多种搭配。
4.根据权利要求1所述的大面积亚微米有序结构图形的生成方法，其特征在于：步骤一中所述预制备单层粒子的方法包括酰胺反应、酯化反应、点击化学、范德华作用之一的化学键合或物理吸附制程。
5.根据权利要求1所述的大面积亚微米有序结构图形的生成方法，其特征在于：步骤二中所述生成金属薄膜层的方法包括热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积之一的沉积制程。
6.根据权利要求1所述的大面积亚微米有序结构图形的生成方法，其特征在于：步骤三中所述单层粒子溶解及其表面金属薄膜剥离的方法包括溶剂冲洗、超声波振荡或加热。
7.根据权利要求1所述的大面积亚微米有序结构图形的生成方法，其特征在于：步骤四中所述在实需衬底表面生成亚微米结构图形的方法包括反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀、电子回旋共振刻蚀、纳米压印、铸模之一的转移制程。
8.根据权利要求1所述的大面积亚微米有序结构图形的生成方法，其特征在于：步骤五中所述去除掩膜金属层的方法包括为湿法腐蚀或干法刻蚀之一的方法，以不破坏实需衬底上已生成的亚微米结构图形为前提。
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