CN113805433A - 一种三维纳米通孔的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维纳米通孔的制造方法,属于光刻技术领域,通过激光直写结合可调控空间结构光,能够直接制造直径<100nm的三维纳米通孔,实现了一种纳米孔直径可控的三维纳米通孔制造方法。本发明制造方法过程简单,成本低廉,制造周期短,能实现纳米通孔的可控制造,可以为微纳流控、生物医学、仿生功能材料等领域的研究提供有效解决方案。

Description

一种三维纳米通孔的制造方法
技术领域
本发明涉及光刻技术应用领域,更具体的说是涉及一种三维纳米通孔的制造方法。
背景技术
人工纳米通孔是一种功能性结构,在微纳流控、生物医学、仿生功能材料等领域中都有着广泛应用。人工纳米孔主要分为生物类纳米孔(可再生离子通道、孔蛋白通道等)以及固态纳米孔。天然的纳米通道,结构精细、灵敏度高,但是对外界环境(PH值、温度、盐浓度等)刺激过于敏感,因此稳定性差、使用寿命短;固态纳米孔克服了生物类纳米通道稳定性差的缺点,为设计开发人工仿生纳米通道体系以及在体外对生命过程进行模拟提供了很好的研究平台。
目前,传统的纳米孔制造方法主要有聚焦离子束刻蚀(FIB)、电子束刻蚀(EB)、重粒子轰击、纳米压印。如,2001年Li等人利用聚焦Ar离子束在SiNx膜中制造1.8nm的纳米孔;2003年Dekker等人利用电子束制造出直径为2nm的SiO2纳米孔;2012年Eugenia等人用重离子轰击技术,加工出直径<10nm的纳米孔通道;2019年Choi等人利用纳米压印工艺制造了孔径<200nm的纳米孔等。
但是,FIB、EB技术都依赖于昂贵的大型仪器,纳米孔制造成本高,制造速度慢(如,EB技术处理一个纳米孔耗时可达12小时以上);重粒子轰击技术同样依赖大型仪器,且由于重离子轨迹分布随机分布在样品中,因此难以主动地调节纳米通道的位置及通道参数;纳米压印技术制造纳米孔的难点在于模板制作昂贵且费时,并且纳米压印对材料基底可能会造成污染。
因此,如何提供一种空间结构光与激光直写制造直径可控纳米通孔的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种三维纳米通孔的制造方法,基于空间结构光与激光直写制造直径可控纳米通孔,利用激光直写技术结合可调控的空间结构光,能够直接制造直径<100nm的三维纳米通孔,实现了一种纳米孔直径可控的三维纳米通孔制造方法。本发明制造方法过程简单,成本低廉,制造周期短,能实现纳米通孔的可控制造,为微纳流控、生物医学、仿生功能材料等领域的研究提供有效解决方案。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种三维纳米通孔的制造方法,基于激光直写***,其特征在于,包括以下步骤:
制备基片:制备具有微米孔的基片并在所述基片的一面涂敷负性光刻胶薄膜;
进行激光直写:在所述基片的微米孔位置进行多次曝光;
进行光刻胶显影:对所述负性光刻胶进行显影,得到三维纳米通孔。
优选的,所述进行激光直写过程包括:
调制激光直写***中的光场参数,获得环形空间结构光;
校准激光焦点到微米孔中心位置,使激光焦点位于负性光刻胶薄膜中进行多次曝光。
优选的,获得环形空间结构光后的具体过程包括:
将所述环形空间结构光外径调节至大于所述基片上的微米孔直径,随后逐次减小空间结构光拓扑数,直至控制环形空间结构光尺寸至拓扑数为1,每对应一个不同的拓扑数时进行一次曝光。
优选的,所述三维纳米通孔的制造过程还包括:通过控制所述环形空间结构光的曝光剂量来控制三维纳米通孔的直径。
优选的,所述环形空间结构光的中心区域的光强为零。
优选的,校准激光焦点到微米孔中心位置,使激光焦点位于负性光刻胶薄膜中进行多次曝光的具体过程包括:处于***环形空间结构光的曝光剂量高于内侧环形空间结构光的曝光剂量。
优选的,所述进行显影包括:显影液对所述负性光刻胶进行显影,移除零光强区域对应的光刻胶,生成纳米通孔。
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明公开提供了一种三维纳米通孔的制造方法,通过激光直写结合可调控空间结构光,能够直接制造直径<100nm的三维纳米通孔,实现一种纳米孔直径可控的三维纳米通孔制造方法。本发明制造方法过程简单,成本低廉,制造周期短,能实现纳米通孔的可控制造,纳米孔深度能够达到亚微米至几个微米的三维纳米通孔,为微纳流控、生物医学、仿生功能材料等领域的研究提供有效解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本实施例1提供的制备方法示意图;
图2为本实施例2提供的微米孔扫描电镜(SEM)图。
图3(a)为本实施例2提供的空心结构扫描电镜(SEM)图;
图3(b)为本实施例2提供的拓扑数为1时纳米孔扫描电镜(SEM)图。
在图1中:1-微米孔基片;2-微米孔;3-负性光刻胶薄膜;4-环形空间结构光;5-光刻胶显影结构;6-三维纳米通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参见附图1所示,本发明实施例公开了一种三维纳米通孔的制造方法,技术方案如下:
一、准备基片
①制备直径<5μm的微米孔基片1;
②在准备好的基片的一面涂覆负性光刻胶,并做光刻胶曝光前相关处理。
二、基于双光子直写技术结合环形结构光,制备直径可控三维纳米通孔6
③调制直写***中的激光参数,获得环形空间结构光4;
④校准激光焦点到微米孔2中心位置,且激光焦点位于负性光刻胶薄膜3中;
⑤首先在空间光调制器上加载大拓扑数的涡旋相位图,产生外径大于微米孔2外径的中空光斑对光刻胶进行第一次曝光,制造大于基片微米孔2的中空结构;随后,样品保持原位不动,调制空间结构光尺寸,使激光光斑***尺寸小于第一次所使用的空间结构光***尺寸,同时大于第一次所使用的空间结构光的中空结构尺寸,进行第二次曝光;随后,以此类推,逐步缩小环形光尺寸,对光刻胶进行连续曝光,直至环形光中空结构尺寸达到最小,即完成最后一次曝光。
在一个具体实施例中,环形空间结构光的中心区域的光强为零,且所涉及的环形空间结构光中心区域能通过空间光调制实现零光强区域尺寸的调节。
在一个具体实施例中,激光直写过程中环形光斑中心位置处于基片微米通孔内,且环形激光焦斑位于光刻胶层中。
在一个具体实施例中,在激光曝光过程中,处于***的空间结构光曝光剂量高于内侧空间结构光曝光剂量。
在一个具体实施例中,获得环形空间结构光后的具体过程还包括:通过控制环形空间结构光的曝光剂量来控制三维纳米通孔的直径。
在一个具体实施例中,获得环形空间结构光后的具体过程包括:
将环形空间结构光外径调节至大于基片上的微米孔直径,进行多次曝光,直至控制环形空间结构光尺寸至拓扑数为1结束曝光。
三、基片后处理
⑥对制造后的基片进行显影并处理,得到光刻胶显影结构5,最终获得三维纳米通孔6。
本发明与现有技术相比,有益的技术效果是:
利用激光直写的方式直接制备出三维纳米通孔6,过程简单、易操作、不需要昂贵的大型仪器、制造成本低、制造周期短,纳米孔深度为亚微米至几个微米的三维纳米通孔6,为微纳流控、生物医学、仿生功能材料等领域的研究提供解决方案。
实施例2
具体应用实施例1提供的方法的详细过程如下:
一、准备基片
①制备直径<5μm的微米孔基片1:
首先,将基片(18mm×18mm×0.17mm,硼硅酸盖玻片)放在丙酮溶液中浸泡30分钟;然后,取出基片放在无水乙醇中进行超声清洗30分钟;随后,取出基片放置在去离子水中进行超声清洗30分钟,最后取出基片放置在锡箔纸上自然晾干。
利用中心波长为800nm,重复频率1千赫兹,脉宽35fs飞秒激光,直接加工基片,入瞳处单脉冲能量2.1μJ。聚焦物镜NA为0.7,在曝光次数200次、单点曝光时间50ms时,加工出微米通孔。
参见附图2所示,为本实施例2提供的微米孔扫描电镜(SEM)图,显示微米孔2为椭圆形,椭圆长轴为4.31μm,短轴约3.45μm、深度约为基片厚度(170μm)。
将加工好的基片放置在去离子水中进行超声清洗30分钟,最后取出基片放置在锡箔纸上自然晾干。
②在准备好的基片的一面涂覆负性光刻胶,并做光刻胶曝光前相关处理:
用移液枪吸取5μl DETC(7-diethylamino-3-thenoylcoumarin)负性光刻胶,并将光刻胶滴在玻璃基片微米孔2区域。
二、基于激光直写技术结合环形结构光,制备直径可控三维纳米通孔6
③校准激光直写***焦点到微米孔2中心位置,且激光焦点位于负性光刻胶薄膜3中。激光制造时,首先在空间光调制器上加载大拓扑数的涡旋相位图,产生外径大于微米通孔的中空光斑对光刻胶进行曝光,制备大于基片微米孔2的中空结构;随后,样品保持原位不动,将空间光调制器上加载涡旋相位图拓扑数降低1,以缩小中空光斑的尺寸,继续对光刻胶进行曝光,在最初制备出的中空结构基础上进一步缩小该结构的内径;重复上述中空光斑调制方法,直至涡旋相位图拓扑数降低至1。
④对制造后的基片进行显影、得到光刻胶显影结构5,通过清洗等处理,最终获得三维纳米通孔6。
将曝光后的样品放在显影液中显影30分钟,洗去中空光斑未曝光分的光刻胶,随后使用去离子水冲洗,去除基片上附着的显影液,最后将结构静置自然晾干,即可得到三维纳米通孔6。
在本实施例2中,所用激光为775nm波段皮秒激光,激光脉宽650ps,激光直写***物镜NA=1.4。初始时刻空间光调制器上加载的涡旋相位图拓扑数为9,采用的入瞳处激光功率为410mW,曝光时长为10s,进行第一次曝光;随后将涡旋相位图拓扑数依次减小至4,曝光时长为10s,进行多次曝光;随后将拓扑数降为3,曝光功率降致154mW,曝光时间10s;拓扑数为2时激光功率137mW,曝光时间10s;最终,将涡旋相位图拓扑数减小至1,激光功率为113mW,曝光时长为30s。当拓扑数为9时可以获得外径约为3.5μm的空心结构。当拓扑数逐级减小,得到的相应环形结构其外径始终小于上一次曝光所得环形结构的外径,且大于上次曝光所得环形结构的内径,可知,每次曝光所得的环形结构能够与上一级曝光所得环形光结构紧密结合。参见附图3(a)所示,为本实施例2提供的空心结构扫描电镜(SEM)图,其图3(a)空心结构的拓扑数取9、得到外径约为3.5μm。
在激光曝光过程中,可以通过控制拓扑数等于1的空间结构光的曝光剂量来控制最终三维纳米通孔6的直径。当激光功率为113mW,曝光时长为30s时,纳米孔的直径为82nm。参见附图3(b)所示,为本实施例2提供的拓扑数为1时纳米孔扫描电镜(SEM)图,其纳米孔直径82nm。
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明公开提供了一种三维纳米通孔的制造方法,通过激光直写结合可调控空间结构光,能够直接制造直径<100nm的三维纳米通孔,实现一种纳米孔直径可控的三维纳米通孔制造方法。本发明制造方法过程简单,成本低廉,制造周期短,能实现纳米通孔的可控制造,纳米孔深度能够达到亚微米至几个微米的三维纳米通孔,为微纳流控、生物医学、仿生功能材料等领域的研究提供有效解决方案。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种三维纳米通孔的制造方法,基于激光直写***,其特征在于,包括以下步骤:
制备基片:制备具有微米孔的基片并在所述基片的一面涂敷负性光刻胶薄膜;
进行激光直写:在所述基片的微米孔位置进行多次曝光;
进行光刻胶显影:对所述负性光刻胶进行显影,得到三维纳米通孔。
2.根据权利要求1所述的一种三维纳米通孔的制造方法,其特征在于,所述激光直写过程包括:
调制激光直写***中的光场参数,获得环形空间结构光;
校准激光焦点到微米孔中心位置,使激光焦点位于负性光刻胶薄膜中进行多次曝光。
3.根据权利要求2所述的一种三维纳米通孔的制造方法,其特征在于,获得环形空间结构光后的具体过程包括:
将所述环形空间结构光外径调节至大于所述基片上的微米孔直径,随后逐次减小空间结构光拓扑数,直至控制环形空间结构光尺寸至拓扑数为1,每对应一个不同的拓扑数时进行一次曝光。
4.根据权利要求3所述的一种三维纳米通孔的制造方法,其特征在于,三维纳米通孔的制造过程还包括:通过控制所述环形空间结构光的曝光剂量来控制三维纳米通孔的直径。
5.根据权利要求3所述的一种三维纳米通孔的制造方法,其特征在于,所述环形空间结构光的中心区域的光强为零。
6.根据权利要求2所述的一种三维纳米通孔的制造方法,其特征在于,校准激光焦点到微米孔中心位置,使激光焦点位于负性光刻胶薄膜中进行多次曝光的具体过程包括:处于***环形空间结构光的曝光剂量高于内侧环形空间结构光的曝光剂量。
7.根据权利要求1所述的一种三维纳米通孔的制造方法,其特征在于,所述进行显影包括:显影液对所述负性光刻胶进行显影,移除零光强区域对应的光刻胶,生成纳米通孔。
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