一種仿壁虎腳微納分級結構及其製造工藝的製作方法
2023-08-10 00:42:41
一種仿壁虎腳微納分級結構及其製造工藝的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於仿壁虎腳微納分級結構的製造工藝，包括：S1、使用LPCVD設備在潔淨的矽片上熱生長一層SiO2薄膜；S2、在有SiO2層的矽片表面旋塗光刻膠並進行光刻，製備出圓孔陣列圖形；S3、使用緩衝氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進行刻蝕，將光刻膠上的圖形轉移到SiO2層；S4、在樣品表面鍍一層Cu膜；S5、在丙酮或乙醇中進行超聲，通過溶脫剝離工藝去除表面的光刻膠及光刻膠表面的Cu；S6、利用CVD-VLS生長工藝，以上述工藝製備的Cu為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，生長Si微米線陣列；S7、在矽線表面鍍一層Cu膜；S8、利用CVD-VLS生長工藝，以S7製備的Cu膜為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，在Si微米線表面生長Si納米線。本發明提供的微納分級結構中Si微米線的表面分布有Si納米線，即一種仿壁虎腳微納分級結構，為乾性黏附材料的設計與製造提供了一種解決方案。
【專利說明】一種仿壁虎腳微納分級結構及其製造工藝
【技術領域】
[0001]本發明屬於微納製造領域，具體涉及一種仿生微納分級結構的製造工藝。
【背景技術】
[0002]自然界中壁虎能在光滑的牆壁上行走自如，甚至能貼在天花板上快速爬行，這種現象早在公元前四世紀就已經被亞里斯多德觀察到。壁虎腳的這種特異的黏附特性引起了許多學者的關注，針對其黏附機理的研究也在持續進行。2000年，美國路易斯-克拉克學院的Autumn等人在Nature上撰文,他們精確測定了單根壁虎腳足剛毛的粘合力，指出壁虎依靠了腳足剛毛與物體表面間的範德華力而黏附在物體表面，揭示了壁虎輕鬆快速行走的秘密一壁虎腳足剛毛本身具有的微納分級層次結構保證了足夠大的黏附力，並且能夠瞬間形成和消失。壁虎腳的粘附機理極富啟發性，為全範德華力乾性粘合劑的仿生探索設計、製造提供了極好的參照。
[0003]目前已有大量仿壁虎腳微納分級結構的製備工藝被開發了出來:2003年，英國曼徹斯特大學Geim等人研製出了仿壁虎腳剛毛的乾性粘合劑「壁虎膠帶」，其主要基於電子束光刻和等離子體幹法刻蝕(ICP)工藝；2008年，韓國首爾大學的Hoon Eui Jeong等人提出了一種基於有機複製模具的多級仿壁虎腳毛的製造工藝。如此等等，還有很多工藝方法，得到了各種不同的仿壁虎腳的微納分級結構。但是，這些製造方法主要基於從上到下的微納加工工藝，通常也不是微米線和納米線的分級結構，而且上述方法通常需要使用幹法刻蝕設備、電子束光刻設備等傳統的IC設備，工藝成本高，加工難度大，不宜大規模生產和實用化推廣。
[0004]目前，也有在微米線上生長納米線的分級結構，這種分級結構包括有水熱法製備的金屬氧化物納米線(如氧化鋅、氧化錫、氧化鈦等)和CVD-VLS生長的納米線(如矽、二氧化矽等)。水熱法的生長速度通常比較慢，而且生長過程中可能需要更換溶液溶液。CVD-VLS生長的方法速度快，主要是通氣體，製備方便。
[0005]由於矽本身具有疏水性，集成的微納米分級結構的疏水效果比矽微米線上生長的其他納米線(如氧化鋅等)要好很多，具有自清潔特性。此外，矽納米線表面有氧化層，耐酸鹼，無毒，與傳統電子材料兼容，穩定因此，採用矽作為納米線的材料已經越來越成為研究的熱點。
[0006]但是，矽納米線的生長需要均勻地鍍一層貴金屬膜，如銅、金等，而現有的金屬鍍膜方法，如電子束蒸發鍍膜、磁控濺射鍍膜等，在搞深寬比的矽微米線上很難製備均勻的膜，從而導致目前的矽納米線的分級結構性能不理想，工藝成本和實用性都存在問題。
【發明內容】
[0007]本發明目的在於提供一種仿壁虎腳微納分級結構及製造工藝，其基於從下到上的CVD-VLS納米生長工藝，通過採用以蘸塗金屬納米顆粒膠體溶液然後退火的方法，比較均勻的在矽為米線陣列上製備金屬膜，因而能用於種子層的製備。該方法具備工藝成本低，便於大規模生產的特點，可實現仿生乾性黏附材料的實用化和產業化。
[0008]按照本發明的一個方面，提供一種仿壁虎腳微納分級結構的製造工藝，該方法具體步驟包括:
[0009]S1、在潔淨的矽片上熱生長一層SiO2薄膜；
[0010]S2、在有SiO2薄膜層的矽片表面旋塗光刻膠並進行光刻，製備出圓孔陣列圖形；
[0011]S3、使用緩衝氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進行刻蝕，將光刻膠上的圖形轉移到SiO2 層；
[0012]S4、在樣品表面鍍Cu膜層；
[0013]S5、在丙酮或乙醇中進行超聲，通過溶脫剝離工藝去除表面的光刻膠及光刻膠表面的Cu膜層；
[0014]S6、以上述工藝製備的Cu為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，生長Si微米線陣列；
[0015]S7、在所述Si微米線陣列表面蘸塗Cu納米顆粒膠體溶液後退火的方法，均勻地在矽微米線的側面和 頂面上都製備Cu膜；
[0016]S8、以所述Si微米線陣列表面的Cu膜為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，在Si微米線表面生長Si納米線，從而完成仿壁虎腳微納分級結構的製作。
[0017]更進一步地,步驟SI中所述SiO2薄膜的厚度優選為300_600nm。
[0018]更進一步的，步驟S2中所述的圓孔直徑為3-10 μ m，圓心間距為7_50 μ m，為直角或六角形分布。
[0019]更進一步的，步驟S3中提到的刻蝕時間為2_5min。
[0020]更進一步的，步驟S4中提到的Cu膜厚度為300_800nm，鍍膜方法包括磁控濺射和電子束蒸發。
[0021]更進一步的，步驟S6中提到的生長，時間為5-601^11，51(:14在!12中的濃度為1_5%，矽微米線的長度為10-500 μ m。
[0022]更進一步的，步驟S7中提到的Cu膜，厚度為20_100nm，鍍膜方法為蘸塗Cu納米顆粒膠體溶液然後退火的方法。
[0023]更進一步的，步驟S8中提到的生長，時間為1-301^11^(:14在!12中的濃度為1_5%，娃微米線的頂面和側表面都生長有娃納米線，娃納米線的長度為100nm-30 μ m。
[0024]更進一步的，所述Si納米線和Si微米線的生長通過CVD-VLS生長工藝實現。
[0025]本發明還公開了一種利用上述工藝所製備的仿壁虎腳微納分級結構。
[0026]另外，本發明還公開了一種仿壁虎腳微納分級結構，其包括Si基底、在所述Si基底表面陣列分布的Si微米線，以及布滿所述Si微米線表面的Si納米線。
[0027]總體而言，本發明的微納分級結構的製造工藝相比於現有技術，具體如下技術效果:
[0028](I)對於矽微米線的製備，目前的主流的是由上到下刻蝕的方法製備的。而本發明是由下到上生長的方法製備的，可以在非矽基底上生長，節省材料降低成本，同時也方便規模製造。
[0029](2)矽材料本身是疏水材料，矽微米線生長矽納米線，構成微納尺度的分級結構，具有疏水性，且疏水效果比矽微米線上生長的其他納米線(如氧化鋅等)要好很多，具有自清潔特性。此外自然情況，矽納米線表面有氧化層，耐酸鹼，無毒，與傳統電子材料兼容，穩定，並且是由下到上生長的方法製備，使用CVD生長的矽納米線周期短，成本低。
[0030](3)納米線種子的均勻製備是微納集成工藝的關鍵，要求薄膜厚度均勻、厚度可控等，傳統製備種子的工藝方法如磁控濺射、蒸發等難以實現在高深款比結構上的均勻製備，本發明以蘸塗金屬納米顆粒膠體溶液的方法解決了這個關鍵問題，可以比較均勻的在矽為米線陣列上製備金屬膜，因而能用於種子層的製備。
[0031](4)本發明的這種微納結構具備類似壁虎腳生物微納結構的黏附特性，可用於仿生乾性黏附、超疏水、自清潔材料的設計與製造。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1為按照本發明實施例的仿壁虎腳微納分級結構的製備工藝的流程圖；
[0033]圖2為按照本發明實施例的仿壁虎腳微納分級結構的示意圖，其中，I為Si基底，2為Si微米線，3為Si納米線。
【具體實施方式】
[0034]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0035]本發明的一種仿壁虎腳微納分級結構的製造工藝，該方法具體步驟包括:
[0036]S1、在潔淨的矽片上熱生長一層SiO2薄膜；
[0037]S2、在有SiO2薄膜層的矽片表面旋塗光刻膠並進行光刻，製備出圓孔陣列圖形；
[0038]S3、使用緩衝氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進行刻蝕，將光刻膠上的圖形轉移到SiO2 層；
[0039]S4、在樣品表面鍍Cu膜層；
[0040]S5、在丙酮或乙醇中進行超聲，通過溶脫剝離工藝去除表面的光刻膠及光刻膠表面的Cu膜層；
[0041]S6、以上述工藝製備的Cu為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，生長Si微米線陣列；
[0042]S7、在所述Si微米線陣列表面蘸塗Cu納米顆粒膠體溶液後退火的方法，均勻地在矽微米線的側面和頂面上都製備Cu膜；
[0043]S8、以所述Si微米線陣列表面的Cu膜為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，在Si微米線表面生長Si納米線，從而完成仿壁虎腳微納分級結構的製作。
[0044]下面結合具體實施例對本發明的技術方案進行具體說明。
[0045]實施例1:
[0046]本實施例中的一種仿壁虎腳的微納分級結構的製造工藝，具體可以包括步驟:
[0047]S1、使用LPCVD設備在潔淨的矽片上熱生長一層300nm SiO2薄膜；
[0048]S2、在有SiO2層的矽片表面旋塗光刻膠並進行光刻，製備出圓孔陣列圖形，圓孔直徑為3微米，圓心間距為7微米，為直角分布；
[0049]S3、使用緩衝氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進行刻蝕2min，將光刻膠上的圖形轉移到SiO2層；
[0050]S4、在上述樣品的表面鍍一層300nm Cu膜；
[0051]S5、在丙酮或乙醇中進行超聲，通過溶脫剝離工藝去除表面的光刻膠及光刻膠表面的Cu ;
[0052]S6、利用CVD-VLS生長工藝，以上述工藝製備的Cu為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，濃度為1%，生長Si微米線陣列IOmin ；
[0053]S7、在矽微米線表面使用蘸塗Cu納米顆粒膠體溶液後退火的方法製備一層Cu膜；
[0054]S8、利用CVD-VLS生長工藝，以S7製備的Cu膜為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，濃度為1%，在Si微米線表面生長Si納米線(時間例如lmin)。
[0055]實施例2
[0056]本實施例中一種仿壁虎腳的微納分級結構的製造工藝，具體可以包括步驟:
[0057]S1、使用LPCVD設備在潔淨的矽片上熱生長一層600nm SiO2薄膜；
[0058]S2、在有SiO2層的矽片表面旋塗光刻膠並進行光刻，製備出圓孔陣列圖形，圓孔直徑為10微米，圓心間距為50微米，為六角形分布；
[0059]S3、使用緩衝氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進行刻蝕5min，將光刻膠上的圖形轉移到SiO2層；
[0060]S4、在上述樣品的表面鍍一層800nm Cu膜；
[0061]S5、在丙酮或乙醇中進行超聲，通過溶脫剝離工藝去除表面的光刻膠及光刻膠表面的Cu ;
[0062]S6、利用CVD-VLS生長工藝，以上述工藝製備的Cu為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，濃度為5%，生長Si微米線陣列60min ；
[0063]S7、在矽微米線表面使用蘸塗Cu納米顆粒膠體溶液後退火的方法製備一層Cu膜；
[0064]S8、利用CVD-VLS生長工藝，以S7製備的Cu膜為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，濃度為5%，在Si微米線表面生長Si納米線60min。
[0065]當然，上述實施例僅是用於解釋本發明，本發明的技術方案並不受上述實施例的限制，例如，步驟SI中，在矽片上熱生長二氧化矽薄膜的工藝不限於LPCVD設備，薄膜厚度在300nm?600nm之間均可。步驟S2中的圓孔陣列的尺寸可根據實際需要確定，例如圓孔直徑可以為3-10微米，圓心間距可以優選為7-50微米，陣列可以為呈直角或六角形分布。步驟S3中的刻蝕時間並不限於上述值，例如在2-5min均可。步驟S4中的Cu膜厚度在300nm?SOOnm之間均可，鍍膜方法可以選用現有的成熟工藝，例如磁控濺射和電子束蒸發等。步驟S6中，Si微米線陣列的生長中，SiCl4在H2中的濃度優選為1_5%，生長時間可以根據實際情況確定，例如在5-60min內。步驟S7中，Cu膜厚度可根據需要確定，例如優選為20-100nm。步驟S8中，SiCl4在H2中的濃度優選為1_5%，生長時間可以根據實際情況確定，例如在l_60min內。另外，Si納米線和Si微米線的生長優選通過CVD-VLS生長工藝實現，當然也可以採用其他工藝。
[0066]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種仿壁虎腳微納分級結構的製備方法，用於製備具有壁虎腳性質的微納分級結構，其特徵在於，該方法包括如下步驟: 51、在娃片上熱生長一層SiO2薄膜； 52、在含有所述SiO2薄膜層的矽片表面旋塗光刻膠並進行光刻，製備出圓孔陣列圖形； 53、使用緩衝氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進行刻蝕，將光刻膠上的圖形轉移到SiO2層； 54、在經步驟S3處理後的樣品表面鍍一層Cu膜； 55、在丙酮或乙醇中進行超聲，通過溶脫剝離工藝去除表面的光刻膠及光刻膠表面的Cu膜； 56、以上述Cu膜為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，在經步驟S5處理後的樣品上生長Si微米線陣列； 57、在所述Si微米線陣列表面使用蘸塗Cu納米顆粒膠體溶液後退火的方法製備一層Cu膜； 58、以步驟S7製備的Cu膜為催化劑，以SiCl4為矽源，以H2為載氣，在Si微米線表面生長Si納米線，即可實現仿壁虎腳微納分級結構的製備。
2.如權利要求1所述的的製備方法，其特徵在於，步驟SI中所述SiO2薄膜的厚度為300_600nmo
3.如權利要求1或2所述的的製備方法，其特徵在於，步驟S2中所述的圓孔直徑優選為3-10微米，各圓孔圓心間距優選為7-50微米。
4.如權利要求1-3中任一項所述的的製備方法，其特徵在於，步驟S3中所述刻蝕時間為 2_5min0
5.如權利要求1-4中任一項所述的的製備方法，其特徵在於，步驟S4中所述的Cu膜厚度為 300-800nm。
6.如權利要求1-5中任一項所述的的製備方法，其特徵在於，步驟S6和S8中所述的生長，時間為5-60min，SiCl4在H2中的濃度為1_5%，矽微米線的長度為10-500 μ m。
7.如權利要求1-6中任一項所述的的製備方法，其特徵在於，步驟S7中所述的Cu膜厚度為 20_100nm。
8.如權利要求1-7中任一項所述的的製備方法，其特徵在於，步驟S8中提到的生長，時間為l-30min，SiCl4在H2中的濃度為1_5%，矽微米線的頂面和側表面都生長有矽納米線，娃納米線的長度為IOOnm-1O μ m。
9.一種採用權利要求1-8任一項所述的製備方法獲得的仿壁虎腳微納分級結構。
10.一種仿壁虎腳微納分級結構，其特徵在於，包括Si基底、在所述Si基底表面陣列分布的Si微米線，以及布滿所述Si微米線表面的Si納米線。
【文檔編號】B81B7/04GK103771335SQ201410017421
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月15日 優先權日:2014年1月15日
【發明者】廖廣蘭, 盛文軍, 孫博, 譚先華, 史鐵林, 江婷 申請人:華中科技大學