一种具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及三维微纳米加工技术，特别是涉及一种具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法。
【背景技术】
[0002]润湿性是指液体与固体表面接触时，液体可以渐渐渗入或附着在固体表面上的现象，这种特征由固体表面的化学组成及微观结构共同决定，是表征固体表面的重要参数。接触角和滚动角是评价固体表面润湿性的重要参数，理论上憎水表面既要有较大的接触角，又要有较小的滚动角。超憎水性表面一般是指与水的接触角大于150°，而滚动角小于10°的表面。这样的表面具有脱附、防粘、自清洁功等功能，可防雪、防污染、抗氧化、防电流传导、流体减阻以及抑菌等，在自清洁表面、微流体系统和生物相容性等方面有着潜在应用，并引起了研究人员与产业界极大的关注。
[0003]随着科学与技术的发展，人们已经设计出各种憎水表面，并投入了应用。自然界里有很多动植物表面都具有超憎水性和自洁功能，例如荷叶和水稻叶表面，其表面水的接触角都高达160°以上，滚动角小于3°。近年来，超憎水性表面的研究已成为比较活跃的研究课题之一，这对制备新的高性能的功能材料表面有重要的作用。研究表明，具有较大接触角和较小滚动角的超憎水性表面结构为微米级及纳米级结构的双微观复合结构。超憎水结构的加工方法通常有两种。一是在憎水材料表面上构建微观结构，二是在粗糙表面上修饰低表面能物质。现有技术中有一种硅衬底上超憎水双凹悬空结构的加工方法，其制备过程如下:第一步，在硅衬底上生长I微米的S12;第二步，进行光刻工艺，制备刻蚀S12图形的掩模;第三步，通过光刻与反应离子刻蚀获得S12图形化结构;第四步，通过反应离子刻蚀，以S12图形为掩模，在娃衬底上刻蚀1.5微米凹槽;第五步，继续生长300纳米Si02 ；第六步，通过反应离子刻蚀将凹槽底部的S12刻蚀完整;第七步，进行深硅刻蚀;第八步，进行硅各向同性刻蚀，获得双凹结构。该方案能在Si衬底上进行大面积结构加工，所获得的结构对几乎所有液体均具有全超憎的特性。然而此种加工方法需要多种加工设备与复杂的工艺过程，使应用受到了限制。
[0004]因此，当前迫切需要一种制备工艺难度较低、耗时少、且具有高灵活性的液体全超憎功能的三维结构的制备方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是要提供一种制备工艺难度较低、耗时少、且具有高灵活性的具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法。
[0006]特别地，本发明提供了一种具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法，具体步骤如下:
[0007]步骤1、选取用于支撑所述三维结构的衬底；
[0008]步骤2、在所述衬底上敷涂光刻胶；
[0009]步骤3、使用激光直写设备对所述光刻胶的预先设计区域进行曝光，形成曝光区；
[0010]步骤4、对所述曝光区的光刻胶进行显影、定影，获得所述三维结构。
[0011]可选地，所述预先设计区域通过将预先设计图形进行切片处理后形成若干个相应的切片层并产生相应的曝光点，所述激光直写设备通过激光体像素对每一所述曝光点逐次进行曝光，相邻的曝光点相连从而形成连续的曝光区。
[0012]可选地，所述预先设计区域通过所述激光直写设备中的程序对预先设计图形进行数字化设计而形成。
[0013]可选地，所述预先设计区域采用Matlab软件设计形成。
[0014]可选地，所述光刻胶采用正性光刻胶。
[0015]可选地，所述光刻胶采用负性光刻胶，对所述曝光区的光刻胶进行显影、定影具体包括:将曝光后的所述光刻胶浸泡在丙二醇甲醚醋酸酯显影液中30分钟，再采用异丙醇定影5分钟，然后用氮气枪吹干，从而获得所述三维结构。
[0016]可选地，所述三维结构是由支撑柱形结构、顶部微盘以及垂耳部所形成的双凹环形，所述顶部微盘的中心与所述支撑柱形结构的中心在同一竖直方向上，所述垂耳部垂直布置在所述顶部微盘的边缘并朝向所述衬底。
[0017]可选地，所述顶部微盘为圆形、三角形或多边形。
[0018]可选地，还包括在所述三维结构表面制备功能层，所述制备功能层为在所述三维结构表面进行介质和/或金属的沉积。
[0019]可选地，所述金属材料为金或银，所述介质材料包括Al203、Si3N4、Si02、Hf02中的一个或多个。
[0020]本发明的具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法，通过在衬底上敷涂一定量的光刻胶，并使用激光直写设备对预先设计区域的光刻胶进行曝光，从而形成特定形状的曝光区，再对曝光区的光刻胶进行显影、定影，从而获得具有液体全超憎功能的三维结构。本发明的三维结构的制备方法，相对于现有技术中的加工方法，减少了多次进行刻蚀的工艺，工艺难度比较低，耗时较少，并且制成的三维结构具有较高的灵活性。本发明的三维结构的制备方法可重复性尚，可以有助于提尚成品率。
[0021]根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
【附图说明】
[0022]后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中:
[0023]图1是根据本发明一个实施例的具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法的流程图；
[0024]图2是图1所示三维结构的结构示意图；
[0025]图3是图2所示三维结构的横截面侧视图；
[0026]图4是图3所示三维结构的主视图；
[0027]图5是图1所示三维结构的加工流程图；
[0028]图6是图1所示三维结构的激光直写设备的激光体像素的扫描路径的示意图。
【具体实施方式】
[0029]图1是根据本发明一个实施例的具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法的流程图。如图1所示，所述制备方法的具体步骤如下:
[0030]步骤S1、选取用于支撑所述三维结构的衬底I;
[0031 ]步骤S2、在所述衬底I上敷涂光刻胶2;
[0032]步骤S3、使用激光直写设备对所述光刻胶2的预先设计区域3进行曝光，形成曝光区；
[0033]步骤S4、对所述曝光区的光刻胶2进行显影、定影，获得所述三维结构。
[0034]本发明的具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法，通过在衬底I上敷涂一定量的光刻胶2，并使用激光直写设备对预先设计区域3的光刻胶2进行曝光，从而形成特定形状的曝光区，再对曝光区的光刻胶2进行显影、定影，从而获得具有液体全超憎功能的三维结构。本发明的三维结构的制备方法，相对于现有技术中的加工方法，减少了多次进行刻蚀的工艺，工艺难度比较低，耗时较少，并且制成的三维结构具有较高的灵活性。本发明的三维结构的制备方法可重复性高，可以有助于提高成品率。
[0035]图5是图1所示三维结构的加工流程图。参见图5a，在步骤SI中，所述衬底I在使用前需要进行清洗与处理，具体包括:首先依次采用丙酮、乙醇、去离子水对所述衬底I进行超声处理;再用氮气吹干;然后在烘箱或热板上进行去水汽干燥处理。在一个优选实施例中，可以将用氮气吹干的衬底I在热板上以120°c干燥20分钟。
[0036]参见图5b，在步骤S2中，可以使用胶头滴定管蘸取少量的光刻胶2，然后在衬底I上滴上一至三滴光刻胶2。所述光刻胶2可采用正性光刻胶或负性光刻胶。当采用正性光刻胶时，激光直写设备的扫描区域为除预先设计区域3外的其他光刻胶2所覆盖的区域。当采用负性光刻胶时，激光直写设备的扫描区域为预先设计区域3的光刻胶2。
[0037]在一个优选实施例中，采用负性光刻胶。负性光刻胶可以采用IP-L或IP-S负性光刻胶。本实施例中采用IP-S负性光刻胶。具体的敷涂光刻胶2的具体步骤如下:首先将一滴IP-S光刻胶滴涂到衬底I的一面，再在衬底I的另一面滴涂两滴油，使油完全覆盖衬底I的另一面，然后采用封片胶水将衬底I固定在激光直写设备的样品架上，并于常温下放置5分钟以使得胶水晾干，最后将样品架激光直写设备的样品台上。
[0038]参见图5c，在步骤S3中，激光直写设备是一种基于激光体像素曝光而制备三维结构的设备。本实施例中采用双光子三维纳米加工系统作为激光直写设备。所述预先设计区域3可以通过将预先设计图形进行切片处理后形成若干个相应的切片层并产生相应的曝光点。预先设计区域3还可以通过所述激光直写设备中
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及三维微纳米加工技术，特别是涉及一种具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法。
【背景技术】
[0002]润湿性是指液体与固体表面接触时，液体可以渐渐渗入或附着在固体表面上的现象，这种特征由固体表面的化学组成及微观结构共同决定，是表征固体表面的重要参数。接触角和滚动角是评价固体表面润湿性的重要参数，理论上憎水表面既要有较大的接触角，又要有较小的滚动角。超憎水性表面一般是指与水的接触角大于150°，而滚动角小于10°的表面。这样的表面具有脱附、防粘、自清洁功等功能，可防雪、防污染、抗氧化、防电流传导、流体减阻以及抑菌等，在自清洁表面、微流体系统和生物相容性等方面有着潜在应用，并引起了研究人员与产业界极大的关注。
[0003]随着科学与技术的发展，人们已经设计出各种憎水表面，并投入了应用。自然界里有很多动植物表面都具有超憎水性和自洁功能，例如荷叶和水稻叶表面，其表面水的接触角都高达160°以上，滚动角小于3°。近年来，超憎水性表面的研究已成为比较活跃的研究课题之一，这对制备新的高性能的功能材料表面有重要的作用。研究表明，具有较大接触角和较小滚动角的超憎水性表面结构为微米级及纳米级结构的双微观复合结构。超憎水结构的加工方法通常有两种。一是在憎水材料表面上构建微观结构，二是在粗糙表面上修饰低表面能物质。现有技术中有一种硅衬底上超憎水双凹悬空结构的加工方法，其制备过程如下:第一步，在硅衬底上生长I微米的S12;第二步，进行光刻工艺，制备刻蚀S12图形的掩模;第三步，通过光刻与反应离子刻蚀获得S12图形化结构;第四步，通过反应离子刻蚀，以S12图形为掩模，在娃衬底上刻蚀1.5微米凹槽;第五步，继续生长300纳米Si02 ；第六步，通过反应离子刻蚀将凹槽底部的S12刻蚀完整;第七步，进行深硅刻蚀;第八步，进行硅各向同性刻蚀，获得双凹结构。该方案能在Si衬底上进行大面积结构加工，所获得的结构对几乎所有液体均具有全超憎的特性。然而此种加工方法需要多种加工设备与复杂的工艺过程，使应用受到了限制。
[0004]因此，当前迫切需要一种制备工艺难度较低、耗时少、且具有高灵活性的液体全超憎功能的三维结构的制备方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是要提供一种制备工艺难度较低、耗时少、且具有高灵活性的具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法。
[0006]特别地，本发明提供了一种具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法，具体步骤如下:
[0007]步骤1、选取用于支撑所述三维结构的衬底；
[0008]步骤2、在所述衬底上敷涂光刻胶；
[0009]步骤3、使用激光直写设备对所述光刻胶的预先设计区域进行曝光，形成曝光区；
[0010]步骤4、对所述曝光区的光刻胶进行显影、定影，获得所述三维结构。
[0011]可选地，所述预先设计区域通过将预先设计图形进行切片处理后形成若干个相应的切片层并产生相应的曝光点，所述激光直写设备通过激光体像素对每一所述曝光点逐次进行曝光，相邻的曝光点相连从而形成连续的曝光区。
[0012]可选地，所述预先设计区域通过所述激光直写设备中的程序对预先设计图形进行数字化设计而形成。
[0013]可选地，所述预先设计区域采用Matlab软件设计形成。
[0014]可选地，所述光刻胶采用正性光刻胶。
[0015]可选地，所述光刻胶采用负性光刻胶，对所述曝光区的光刻胶进行显影、定影具体包括:将曝光后的所述光刻胶浸泡在丙二醇甲醚醋酸酯显影液中30分钟，再采用异丙醇定影5分钟，然后用氮气枪吹干，从而获得所述三维结构。
[0016]可选地，所述三维结构是由支撑柱形结构、顶部微盘以及垂耳部所形成的双凹环形，所述顶部微盘的中心与所述支撑柱形结构的中心在同一竖直方向上，所述垂耳部垂直布置在所述顶部微盘的边缘并朝向所述衬底。
[0017]可选地，所述顶部微盘为圆形、三角形或多边形。
[0018]可选地，还包括在所述三维结构表面制备功能层，所述制备功能层为在所述三维结构表面进行介质和/或金属的沉积。
[0019]可选地，所述金属材料为金或银，所述介质材料包括Al203、Si3N4、Si02、Hf02中的一个或多个。
[0020]本发明的具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法，通过在衬底上敷涂一定量的光刻胶，并使用激光直写设备对预先设计区域的光刻胶进行曝光，从而形成特定形状的曝光区，再对曝光区的光刻胶进行显影、定影，从而获得具有液体全超憎功能的三维结构。本发明的三维结构的制备方法，相对于现有技术中的加工方法，减少了多次进行刻蚀的工艺，工艺难度比较低，耗时较少，并且制成的三维结构具有较高的灵活性。本发明的三维结构的制备方法可重复性尚，可以有助于提尚成品率。
[0021]根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
【附图说明】
[0022]后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中:
[0023]图1是根据本发明一个实施例的具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法的流程图；
[0024]图2是图1所示三维结构的结构示意图；
[0025]图3是图2所示三维结构的横截面侧视图；
[0026]图4是图3所示三维结构的主视图；
[0027]图5是图1所示三维结构的加工流程图；
[0028]图6是图1所示三维结构的激光直写设备的激光体像素的扫描路径的示意图。
【具体实施方式】
[0029]图1是根据本发明一个实施例的具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法的流程图。如图1所示，所述制备方法的具体步骤如下:
[0030]步骤S1、选取用于支撑所述三维结构的衬底I;
[0031 ]步骤S2、在所述衬底I上敷涂光刻胶2;
[0032]步骤S3、使用激光直写设备对所述光刻胶2的预先设计区域3进行曝光，形成曝光区；
[0033]步骤S4、对所述曝光区的光刻胶2进行显影、定影，获得所述三维结构。
[0034]本发明的具有液体全超憎功能的三维结构的制备方法，通过在衬底I上敷涂一定量的光刻胶2，并使用激光直写设备对预先设计区域3的光刻胶2进行曝光，从而形成特定形状的曝光区，再对曝光区的光刻胶2进行显影、定影，从而获得具有液体全超憎功能的三维结构。本发明的三维结构的制备方法，相对于现有技术中的加工方法，减少了多次进行刻蚀的工艺，工艺难度比较低，耗时较少，并且制成的三维结构具有较高的灵活性。本发明的三维结构的制备方法可重复性高，可以有助于提高成品率。
[0035]图5是图1所示三维结构的加工流程图。参见图5a，在步骤SI中，所述衬底I在使用前需要进行清洗与处理，具体包括:首先依次采用丙酮、乙醇、去离子水对所述衬底I进行超声处理;再用氮气吹干;然后在烘箱或热板上进行去水汽干燥处理。在一个优选实施例中，可以将用氮气吹干的衬底I在热板上以120°c干燥20分钟。
[0036]参见图5b，在步骤S2中，可以使用胶头滴定管蘸取少量的光刻胶2，然后在衬底I上滴上一至三滴光刻胶2。所述光刻胶2可采用正性光刻胶或负性光刻胶。当采用正性光刻胶时，激光直写设备的扫描区域为除预先设计区域3外的其他光刻胶2所覆盖的区域。当采用负性光刻胶时，激光直写设备的扫描区域为预先设计区域3的光刻胶2。
[0037]在一个优选实施例中，采用负性光刻胶。负性光刻胶可以采用IP-L或IP-S负性光刻胶。本实施例中采用IP-S负性光刻胶。具体的敷涂光刻胶2的具体步骤如下:首先将一滴IP-S光刻胶滴涂到衬底I的一面，再在衬底I的另一面滴涂两滴油，使油完全覆盖衬底I的另一面，然后采用封片胶水将衬底I固定在激光直写设备的样品架上，并于常温下放置5分钟以使得胶水晾干，最后将样品架激光直写设备的样品台上。
[0038]参见图5c，在步骤S3中，激光直写设备是一种基于激光体像素曝光而制备三维结构的设备。本实施例中采用双光子三维纳米加工系统作为激光直写设备。所述预先设计区域3可以通过将预先设计图形进行切片处理后形成若干个相应的切片层并产生相应的曝光点。预先设计区域3还可以通过所述激光直写设备中
再多了解一些
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