CN101823685A - 一种仿生微纳结构制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自顶向下与自底向上相结合的仿生微纳结构制备方法，具体通过以下步骤实现：首先采用自顶向下的方法制备出微尺度结构作为基底，主要包括镀膜生长、光刻、干法刻蚀等，然后在微尺度基底结构的顶部或者侧壁有选择地蒸发镀覆纳米结构生长的种子，再由种子自底向上生长出方向可控的纳米结构，最终制备得到具有优异特性的分级层次周期或准周期仿生微纳结构，如仿壁虎脚微纳结构或仿闪蝶磷翅微纳结构等。本发明提供的方法是结合了自顶向下与自底向上制备工艺的集成制造方法，具有高效率、低成本特点，适宜大批量、大面积生产，从而为仿生微纳结构的批量化制备和应用提供了一种有效的新途径。
Description
技术领域：
本发明属于微纳加工领域，具体涉及一种自顶向下与自底向上相结合的仿生微纳结构制备方法，适用于高效率、低成本的大批量制备仿生微纳结构如仿蝴蝶磷翅、仿壁虎脚微纳结构，促进仿生微纳结构的制备和应用。
背景技术：
自然界生物体表经过了“适者生存”的自然选择和亿万年的进化，表现出了功能的多样性，形成了许多独特结构和优异特性。已有研究发现，生物体所特有的功能很大程度上与其表面尤其是表面微观结构有着密切的关系，而且表面的微观结构呈现出一定的规律，都是由微纳米的基本结构体按照一定的规律排列组成，并具有分级层次特征。如壁虎脚鞭毛可以简化成微尺度基底上布满纳米绒毛，闪蝶鳞翅为树枝形分级结构，微尺度基底上周期或准周期排列纳米结构。
随着微型化趋势和微纳制造技术的发展，具有优异功能的仿生微纳结构日益受到重视，在微电子、国防、生物材料、汽车、先进农业机械等高技术领域的应用也越来越广泛，其制备方法已成为当前的研究热点。仿生功能结构的设计和制造对其他领域具有巨大的影响和渗透作用，也是制造高性能设备和产品的关键技术之一。借鉴仿生结构而合理构建表面微观结构形态，研究人员已开发了一些简单几何形状层次结构的制造工艺，取得了许多重要成果。
然而，针对典型的微纳米相结合的复杂仿生结构(尺度变化从数十纳米到数百微米)，常规工艺很难制备出完整结构。目前的研究，或直接采用生物做模板再结合原子层沉积(ALD，Atomic LayerDeposition)，或者采用FIB(Focused Ion Beam)加工等等，设备昂贵、加工速度慢、效率低、成本太高。
发明内容：
本发明的目的在于，针对典型的微纳米相结合的仿生结构的制备问题，提供一种高效率、低成本、大批量的自顶向下与自底向上相结合的制备方法，具体步骤如下：
(1)在Si基底表面热生长一层SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜表面旋涂光刻胶，曝光、显影，将光刻掩膜板上的微尺度图形转移到光刻胶表面；
(3)以光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀(RIE，Reactive Ion Etch)方法，刻蚀暴露出的SiO2，将光刻胶上的图形转移到SiO2薄膜；
(4)以SiO2薄膜为掩膜，采用感应耦合等离子(ICP，InductiveCoupled Plasma)干法深刻蚀硅，得到周期或准周期分布的微尺度结构，作为纳米结构生长的基底；
(5)将生长纳米结构的种子种植在步骤4)得到的微尺度基底上，然后定向生长纳米结构，即可得到最终的仿生微纳结构。
本发明所述的仿生微纳结构为仿蝴蝶磷翅结构，微尺度结构基底的侧壁保留有一定深度的波纹，所述生长纳米结构的种子种植在该波纹中。
本发明所述的仿生微纳结构为壁虎脚结构，所述生长纳米结构的种子种植在微尺度结构基底的顶部。
本发明所述的种子通过电子束蒸发方式种植。
本发明为控制纳米结构生长的区域，在微尺度结构基底上不需要生长纳米结构的表面覆盖蒸发Cr。
本发明集成了自顶向下与自底向上工艺，其中步骤(1)、(2)、(3)、(4)所述的SiO2生长、光刻、RIE刻蚀、ICP刻蚀涉及自顶向下的工艺，用于制备周期或准周期分布的微尺度结构作为基底；步骤(5)、(6)所述的种子镀覆、纳米结构生长涉及自底向上的工艺，用于在微尺度基底上生长纳米结构。
本发明与现有技术相比具有的效果是：本发明是自顶向下和自底向上相结合的仿生微纳结构制备方法，具有高效率、低成本特点，可以大批量、大面积制备仿生微纳结构如仿蝴蝶磷翅、仿壁虎脚微纳结构，促进仿生微纳结构的制备和应用。
附图说明：
图1是仿蝴蝶磷翅微纳结构制备工艺流程。图中1为Si，2为SiO2，3为光刻胶，4为纳米结构生长的种子，5为由种子生长出的纳米结构。
图2是仿壁虎脚表面微纳结构制备工艺流程。图中1为Si，2为SiO2，3为光刻胶，4为纳米结构生长的种子，5为由种子生长出的纳米结构。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1.仿蝴蝶磷翅表面微纳结构的制备。
本发明的实施例1用于制备仿蝴蝶磷翅表面的微纳结构，工艺流程见图1。Si基表面热生长一层SiO2，利用光刻技术将掩膜板上的微尺度图形转移到旋涂的光刻胶表面，将曝光后的片子放入显影液中溶解掉不需要的光刻胶，以获得刻蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的图形，进一步采用RIE干法刻蚀，将图形转移到SiO2。采用ICP深刻蚀，得到周期或准周期分布的微尺度结构，其中ICP刻蚀时侧壁必须保留足够的波纹深度。然后用电子束蒸发工艺，倾斜蒸发纳米结构生长种子，再定向生长纳米结构，得到仿蝴蝶磷翅表面微纳结构。具体工艺步骤说明如下：
(1)准备洁净的Si片；
(2)在Si表面热生长SiO2层；
(3)在SiO2表面旋涂光刻胶；
(4)利用光刻技术将掩膜板图形转移到旋涂的光刻胶表面；
(5)采用RIE将光刻胶图形转移到SiO2表面；
(6)ICP深刻蚀，得到周期或准周期分布的微尺度结构，其侧壁必须保留足够深度的波纹；
(7)采用电子束倾斜蒸发，在侧壁波纹处种植纳米结构生长的种子；
(8)定向生长纳米结构，得到仿闪蝶翅表面微纳结构。
实施例2.仿壁虎脚表面微纳结构的制备。
本发明的实施例2用于制备仿壁虎脚表面微纳结构，工艺流程见图2。Si基表面热生长一层SiO2，利用光刻技术将掩膜板上的微尺度图形转移到旋涂的光刻胶表面，将曝光后的片子放入显影液中溶解掉不需要的光刻胶，以获得刻蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的图形，进一步采用RIE干法刻蚀，将图形转移到SiO2。采用ICP深刻蚀，得到周期/准周期分布的微尺度结构。然后用电子束蒸发工艺，在微尺度结构顶部蒸发纳米结构生长种子，接着定向生长纳米结构，得到仿壁虎脚表面微纳结构。具体工艺步骤说明如下：
1)准备洁净的Si片；
2)在Si基底表面热生长SiO2层；
3)在SiO2表面旋涂光刻胶；
4)利用光刻技术将光刻掩膜板图形转移到旋涂的光刻胶表面；
5)采用RIE将光刻胶上的图形进一步转移到SiO2表面；
6)ICP深刻蚀，得到周期或准周期分布的微尺度柱形结构；
7)采用电子束蒸发，在微尺度结构顶部镀覆生长纳米结构的种子；
8)定向生长纳米结构，得到仿壁虎脚表面微纳结构。
Claims (5)
1.一种自顶向下与自底向上相结合的仿生微纳结构制备方法，集成了自顶向下的微尺度结构制备与自底向上的纳米结构生长工艺，具体包括以下步骤：
(1)在Si基底表面热生长一层SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜表面旋涂光刻胶，利用光刻技术将光刻掩膜板上的微尺度图形转移到光刻胶表面；
(3)以所述光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀方法，刻蚀暴露出的SiO2，将光刻胶上的图形转移到所述SiO2薄膜；
(4)以所述SiO2薄膜为掩膜，采用感应耦合等离子干法深刻蚀硅，得到周期或准周期分布的微尺度结构，作为纳米结构生长的基底；
(5)将生长纳米结构的种子种植在上述微尺度结构的基底上，然后定向生长纳米结构，即可得到所述的仿生微纳结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的仿生微纳结构为仿蝴蝶磷翅结构，微尺度结构基底的侧壁保留有一定深度的波纹，所述生长纳米结构的种子种植在该波纹中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的仿生微纳结构为壁虎脚结构，所述生长纳米结构的种子种植在微尺度结构基底的顶部。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述的种子通过电子束蒸发方式种植。
5.根据权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，为控制纳米结构生长的区域，在微尺度结构基底上不需要生长纳米结构的表面覆盖蒸发Cr。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120328 Termination date: 20140430 |