一种集成有纳米凸起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，具体涉及到一种集成有纳米凸起阵列的跨尺度微纳结构加工方法，以及通过此方法制造得到的微纳结构。

背景技术

随着微纳米加工技术的发展，例如电化学传感器、生物医学传感器、速度传感器等各种类型的传感器都向着微纳米尺度发展，而这些微纳传感器在环境保护、临床医学、工农业生产等领域得到了广泛的应用。这些微纳传感器件，其功能结构特点在于其特征尺寸是微米或者几百纳米。在这些微纳传感器件的功能结构表面构建大量纳米尺度的凸起结构，能够在实现传感器要求的功能的基础上，增加器件表面积，增加抗体等功能分子的固着位点、提高传感器件的灵敏度。

传统的跨尺度微纳结构通常是采用分别制造的思路，首先通过光刻、刻蚀等常规加工工艺得到微米尺度的功能结构，再在此基础上，通过化学修饰/物理吸附纳米粒子、飞秒激光直写、纳米压印等工艺在功能结构表面构建纳米尺度结构。但是这些方法往往需要在得到微米尺度结构后附加复杂的制造工艺过程，并需要昂贵的设备以完成加工过程。

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集成有纳米凸起阵列的跨尺度微纳结构加工方法。

本发明的技术方案：

一种集成有纳米凸起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，形成悬浊液；

步骤S20：在基底表面制备含有纳米颗粒的光刻胶层；

步骤S30：光刻胶层图形化；

步骤S40：刻蚀基底材料；刻蚀基底材料采用包括湿法腐蚀、干法刻蚀；

采用湿法腐蚀刻蚀基底材料时，先以光刻胶层为掩蔽层，腐蚀形成微米结构；再去除纳米颗粒周围的光刻胶，以纳米颗粒为掩模再次进行短时间腐蚀，在结构表面得到纳米尺度的凸起结构；

采用干法刻蚀刻蚀基底材料时，采用一次干法刻蚀，光刻胶层刻蚀速度低于基底刻蚀速度，刻蚀初始阶段以光刻胶层为掩蔽层，刻蚀基底得到微米结构，在光刻胶层被完全刻蚀后，以纳米颗粒为掩蔽层继续进行短时间刻蚀，在结构表面形成纳米尺度的凸起结构；

当以纳米颗粒为掩蔽层继续刻蚀基底材料时，对于各向同性基底，腐蚀深度不大于颗粒半径r，对于各向异性基底，其腐蚀深度不大于rk，其中k为纵向腐蚀速度与横向腐蚀速度之比，避免作为掩蔽层的纳米颗粒在腐蚀过程中脱落；

步骤S50：去除结构表面的纳米颗粒。

其中步骤S10中，所述的纳米颗粒特征尺寸是几十～几百纳米级别，其中纳米颗粒材质不易被氢氟酸、氯金酸、浓氢氧化钾溶液等基底腐蚀液腐蚀或不易被干法刻蚀，材质包括金、银、铂、金属氧化物、水凝胶，且纳米颗粒能够满足后续的步骤S40的需要。所采用的光刻胶是AZ系列胶、BN系列胶、SU-8胶或其他为本领域技术人员所熟知的光刻胶。纳米颗粒要均匀分散于光刻胶，尽量避免大块团聚的纳米颗粒集团的存在，采取化学基团修饰、超声水浴等本领域技术人员所熟知的方法以减少光刻胶中的纳米颗粒团聚。

本发明所采用的基底材料为硅、二氧化硅、金属或金属氧化物。

其中步骤S20中，要求制备的含有纳米颗粒的光刻胶层厚度与纳米颗粒特征尺寸相近，为几十～几百纳米级别，为得到与纳米颗粒特征尺寸相近的光刻胶层，在配置的光刻胶中添加适当稀释溶液。光刻胶层通过旋涂光刻胶、干膜光刻胶贴附或其他本领域技术人员所熟知的工艺得到。

其中步骤S30中，将光刻胶层图形化，采用光刻、激光直写或纳米压印方法。

去除纳米颗粒周围的光刻胶，采用等离子去胶工艺过程。去除结构表面的纳米颗粒采用化学腐蚀等方法。

本发明的有益效果：本发明提出了一种集成有纳米凸起阵列的跨尺度微纳结构加工方法，该加工方法能够在图形化形成微米尺度结构之后，采用相似的工艺过程在结构表面形成纳米尺度的凸起结构，无需格外进行复杂的表面粗化工艺，加工过程简单，所需设备在一般实验室均能够达成，可以降低加工跨尺度微纳结构的成本。

附图说明

图1是本发明一种集成有纳米凸起阵列的跨尺度微纳结构加工方法的工艺流程图。

图2是根据本发明一种集成有纳米凸起阵列的跨尺度微纳结构加工方法的其中一个具体实施例的加工跨尺度微纳结构的过程示意图。

图3是根据本发明一种集成有纳米凸起阵列的跨尺度微纳结构加工方法的另一个具体实施例的加工跨尺度微纳结构的过程示意图。

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，绝不作为对本发明及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是本发明一种集成有纳米凸起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。

如图1所示，步骤S10是将纳米颗粒分散于光刻胶，制成有纳米颗粒均匀分散的光刻胶。

本发明采用的纳米颗粒的特征尺寸是几十～几百纳米级别，材质包括金、银、铂、金属氧化物、水凝胶，且纳米颗粒需要满足后续的步骤S40的要求，不易被氢氟酸、氯金酸、浓氢氧化钾溶液等基底腐蚀液腐蚀或不易被干法刻蚀。

本发明所采用的光刻胶为AZ系列胶、BN系列胶或SU-8胶，一切为本领域技术人员所熟知的光刻胶。

将纳米颗粒分散于光刻胶采用化学基团修饰、超声水浴、高温消磁等本领域技术人员所熟知的方法，以减少光刻胶中的纳米颗粒团聚。

步骤S20是在基材表面制备的含有纳米颗粒的光刻胶层。

本发明所采用的基底材料为硅、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。

步骤S20中要求制备的含有纳米颗粒的光刻胶层厚度与纳米颗粒特征尺寸相近，为几十～几百纳米级别，为得到与纳米颗粒特征尺寸相近的光刻胶层，在配置的光刻胶中添加适当稀释溶液。

步骤S20中的光刻胶层通过旋涂光刻胶、干膜光刻胶贴附或其他本领域技术人员所熟知的工艺得到。

步骤S30是光刻胶层图形化。

本发明中对光刻胶的图形化采用光刻、激光直写、纳米压印等其他为本领域技术人员所熟知的工艺方法。

步骤S40是刻蚀基底材料。采用方法包括湿法腐蚀、干法刻蚀。

当在步骤S40中采用湿法腐蚀刻蚀基底材料时，要先以光刻胶为掩蔽层，腐蚀形成微米结构；再去除纳米颗粒周围的光刻胶，以纳米结构表面的纳米颗粒为掩蔽层再次进行短时间的腐蚀，在结构表面得到纳米尺度的凸起结构。

其中采用湿法腐蚀时，要根据基底材料、纳米颗粒材料以及光刻胶材料的性质，选择合适的腐蚀液，腐蚀液选择酸性腐蚀剂、碱性腐蚀剂、有机腐蚀剂或者其他本领域技术人员所熟知的腐蚀液。

去除纳米颗粒周围的光刻胶，采取等离子去胶或者其他本领域技术人员所熟知的工艺过程。

当在步骤S40中采用干法刻蚀基底材料时，由于光刻胶层会以低于基底的刻蚀速度被刻蚀，采用一次干法刻蚀即得到跨尺度微纳结构。刻蚀起初，以光刻胶层为掩蔽层，刻蚀基底得到微米结构；在光刻胶层被刻蚀完毕后，以纳米颗粒为掩蔽层，继续进行短时间刻蚀，在结构表面形成纳米凸起。

其中步骤S40中以纳米颗粒为掩蔽层继续刻蚀基底材料时，对于各向同性基底，腐蚀深度不大于颗粒半径r，对于各向异性基底，其腐蚀深度不大于rk，其中k为纵向腐蚀速度与横向腐蚀速度之比，避免作为掩蔽层的纳米颗粒在腐蚀过程中脱落；

步骤S60是去除结构表面的纳米颗粒。

去除结构表面的纳米颗粒采用化学腐蚀等达到去除纳米颗粒的目的、为本领域技术人员所知晓的工艺方法。

接下来参照图2和图3描述根据本发明一种集成有纳米凸起阵列的跨尺度微纳结构加工方法的两个具体例子。

其中图2是步骤S40中采用湿法腐蚀加工工艺。

图2(a)中，准备用于基底材料，清洗干净。清洗过程根据基材材料性质，选择本领域技术人员常用的乙醇、丙酮、去离子水等手段。

准备好基材同时，要制备含有均匀、分散的纳米颗粒的光刻胶。在此示例中，采用的是正性光刻胶，在其他例子中，根据具体要求选择合适的负性光刻胶。

对于所选择的纳米颗粒要求其满足后续要求。例如本示例中所选择的直径200nm、形状近似圆球的纳米四氧化三铁颗粒。

为使保证在后续的过程中制备出与纳米颗粒特征尺寸相近的光刻胶层，在制备光刻胶时采取有效工艺措施。例如添加乙醇作为稀释剂。

图2(b)中，制备含有纳米颗粒的光刻胶膜。例如采用为本领域技术人员所熟知的旋涂光刻胶、烘干等工艺制备光刻胶薄膜。

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、光刻工艺制备光刻胶薄膜。

图2(e)中，采用湿法腐蚀工艺刻蚀基底材料，得到微米尺度结构。

图2(f)中，去除纳米颗粒间的光刻胶。例如本示例中采用本领域技术人员所熟知的等离子体去胶工艺去除没有纳米颗粒覆盖部分的光刻胶。

图2(g)中，在结构表面形成纳米尺度的凸起结构。以纳米颗粒为掩蔽层，通过刻蚀或本领域技术人员所熟知的其他方式，在已得到的微米尺度结构表面形成纳米尺度的凸起结构。

图2(h)中，去除结构表面的纳米颗粒。例如采用化学腐蚀的方式将结构表面的纳米四氧化三铁颗粒去除。

图3是步骤S40中采用干法刻蚀加工工艺。

图3(a)～(d)与图2相同，准备基底、制备分散有纳米颗粒的光刻胶悬浊液；制备含有纳米颗粒的光刻胶膜；光刻胶薄膜图形化。

图3(e)和(f)是采用干法刻蚀基底材料。图3(e)是干法刻蚀的某一个中间状态，随着基底材料的被刻蚀，光刻胶也以一定速率被刻蚀掉，而纳米颗粒难以被刻蚀，当光刻胶被刻蚀完全后，以纳米颗粒为掩蔽层继续进行短时间刻蚀，在结构表面形成纳米凸起。

图3(g)去除结构表面的纳米颗粒。例如采用化学腐蚀的方式将结构表面的四氧化三铁颗粒去除。

根据本发明一种集成有纳米凸起阵列的跨尺度微纳结构加工方法所制备的结构，增加了结构表面有效面积，且无需格外进行复杂的表面修饰工艺，加工过程简单，所需设备在一般实验室均能够达成，可以降低加工跨尺度微纳结构的成本。