一种控制微纳结构倒伏的方法
【专利摘要】本发明公开了一种控制微纳结构倒伏的方法，通过添加辅助结构使得加工的大高宽比微纳结构在干燥过程中受控倒伏，利用微纳结构有规律的倒伏来实现微纳结构的加工。微纳结构受表面张力的作用是相互靠近的，在其周围添加辅助结构来限制他们在某些方向上的运动，可以控制微纳结构朝着所需的方向倒伏，本发明基于现有工艺，通过将干燥过程带来的微纳结构不可控的无规倒伏变为可控的有规律倒伏来满足加工的需求。
【专利说明】一种控制微纳结构倒伏的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微纳加工的【技术领域】，特别是涉及一种控制微纳结构倒伏的方法，该 方法为一种大高宽比微纳结构的倒伏控制工艺。
【背景技术】
[0002] 微纳加工过程中，通常是利用曝光、显影工艺来获得微纳结构的。显影完成后的干 燥过程中，随着结构间液体的挥发，加工的微纳结构会受到液体的表面张力的作用。随着微 纳结构尺寸的减小，其结构的高宽比逐渐增大，在显影干燥过程中所受的液体的表面张力 也逐渐增大，这往往会带来微纳结构的无规倒伏，造成加工的失败。所以，在大高宽比微纳 结构的制作过程中，受液体表面张力的影响通常会发生微纳结构的倒伏，难以完成微纳结 构的制作。为了获得所需结构，需要通过其他工艺来防止结构倒伏，目前已有不少这方面的 研究，但还没有比较有效的防倒伏工艺。
[0003] 由于微纳结构在干燥过程中总会遇到由液体表面张力带来的倒伏问题，研究人员 认识到可以利用微纳结构有规律的倒伏来实现微纳结构的加工。只要能够将干燥过程带来 的微纳结构不可控的无规倒伏变为可控的有规律倒伏，就有可能满足加工的需求。目前已 有一些相关的研究，主要都是通过对微纳结构的设计来实现微纳结构的受控倒伏。S. Choi 等利用纳米结构的相互倒伏来制作纳米管道（Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 163113) ;H. Duan 等通过改变纳米结构的形状来实现有规律的倒伏（Small 2011，7, 2661)。目前的工艺虽然 能够实现微纳结构的受控倒伏，但它是基于对微纳结构的重新设计，通过改变微纳结构的 相互位置关系、或者是改变微纳结构的形状来控制其倒伏，破坏了微纳结构本身的功能性， 不能满足微纳结构加工的通用性，实用性差。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对微纳结构在干燥过程中所遇到的难以避免的倒伏问题，提出 一种控制微纳结构倒伏的方法，通过添加辅助结构使得加工的大高宽比微纳结构在干燥过 程中受控倒伏，利用微纳结构有规律的倒伏来实现微纳结构的加工。本发明基于现有工艺， 通过将干燥过程带来的微纳结构不可控的无规倒伏变为可控的有规律倒伏来满足加工的 需求。
[0005] 本发明采用的技术方案为：一种控制微纳结构倒伏的方法，该方法在所需的微纳 结构中添加辅助结构来控制其倒伏方向，微纳结构受表面张力的作用是相互靠近的，在其 周围添加辅助结构来限制他们在某些方向上的运动，可以控制微纳结构朝着所需的方向倒 伏，该辅助结构的设计要求为：根据所需图形的形状、尺寸来设计辅助结构的形状、尺寸，根 据微纳结构需要倒伏的方向设计辅助结构的位置。
[0006] 进一步的，其特征是微纳结构在干燥过程中受表面张力可以由下面公式计算： _ IyHLcosO
[0007] F= ^^ - Cl
[0008] 其中，结构的长度为L，高度为H，结构的间隙为d，液体与结构之间的表面张力为 Y，液体与结构之间夹角为Θ，知道微纳结构的尺寸、液体的种类，就可以计算出结构所受 的液体表面张力的大小；
[0009] 辅助结构的尺寸设计要保证其强度可以帮助微纳结构克服所受表面张力的作用， 为了便于计算和加工，通常设计为三角形或长方形；辅助结构的位置需要放置在微纳结构 倒伏方向的另一侧，同时要避免添加的辅助结构影响微纳结构的相互位置关系，不能妨碍 微纳结构倒伏时的相互接触、不能影响微纳结构的整体性能。
[0010] 进一步的，其特征是辅助结构的位置通常设计为靠近或接触微纳结构的边缘，以 尽量减小由于结构的添加对微纳结构的整体性能带来的影响。
[0011] 进一步的，其特征是该方法的具体工艺如下：
[0012] 1)将设计好的辅助结构添加到微纳结构中，制作在同一个图形中；
[0013] 2)基于设计好的图形、利用曝光工艺来制作微纳结构；
[0014] 3)显影、干燥，获得受控倒伏的微纳结构。
[0015] 与现有技术相比，本发明首次利用添加辅助结构的方法来实现微纳结构的受控倒 伏，基于微纳结构在干燥过程中不可避免受到的表面张力，通过对微纳结构的受控倒伏来 实现微纳加工。本发明工艺简单，由于辅助结构和微纳结构是一起加工的，容易实现；同时， 由于辅助结构是基于微纳结构来设计的，并不破坏微纳结构本身的功能性，可以适应不同 的微纳结构，具有较好的通用性，能够制作很多特殊的微纳结构，满足不同的应用需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为控制微纳结构倒伏原理示意图，图I (a)微纳结构在干燥过程中的受力；图 1(b)添加了辅助结构的微纳结构；图1(c)受控倒伏的微纳结构。
[0017] 图中附图标记说明：1为基片，2为微纳结构，3为表面张力，4为液面，5为辅助结 构。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合实例对微纳结构受控倒伏工艺的具体过程进一步加以说明：
[0019] 本发明的特征是在所需的微纳结构中添加辅助结构来控制其倒伏方向。微纳结 构受表面张力的作用是相互靠近的，在其周围添加辅助结构来限制他们在某些方向上的运 动，可以控制微纳结构朝着所需的方向倒伏，其原理如图1所示。
[0020] 辅助结构的设计如下：
[0021] 根据所需图形的形状、尺寸来设计辅助结构的形状、尺寸，根据微纳结构需要倒伏 的方向设计辅助结构的位置；
[0022] 微纳结构在干燥过程中受表面张力可以由公式计算： 「 ? _ 2γ HLcqsO
[0023] F 二-- d
[0024] 其中，结构的长度为L，高度为H，结构的间隙为d，液体与结构之间的表面张力为 Y，液体与结构之间夹角为Θ。知道微纳结构的尺寸、液体的种类，就可以计算出结构所受 的液体表面张力的大小。
[0025] 辅助结构的尺寸设计要保证其强度可以帮助微纳结构克服所受表面张力的作用， 为了便于计算和加工，通常设计为三角形或长方形；辅助结构的位置需要放置在微纳结构 倒伏方向的另一侧，同时要避免添加的辅助结构影响微纳结构的相互位置关系，比如不能 妨碍微纳结构倒伏时的相互接触、不能影响微纳结构的整体性能等。所以，辅助结构的位置 通常设计为靠近或接触微纳结构的边缘，以尽量减小由于结构的添加对微纳结构的整体性 能带来的影响。
[0026] 本发明的具体工艺如下：
[0027] 1)将设计好的辅助结构添加到微纳结构中，制作在同一个图形中；
[0028] 2)基于设计好的图形、利用曝光工艺来制作微纳结构；
[0029] 3)显影、干燥，获得受控倒伏的微纳结构。
[0030] 实例1、三角型微管道阵列的制作
[0031] 截面为三角型的微管道的制作，需要利用一对微结构的相互倒伏来实现；要制作 三角型微管道阵列，需要利用周期为其一半的光栅结构的相互倒伏来实现。
[0032] 以阵列周期为120微米为例，首先是辅助结构的设计：
[0033] 给出周期为60微米的光栅结构，占空比为1 :2,线条长度为1毫米；光栅高度为 200微米时，根据光栅尺寸以及后续需要使用的SU8负性光刻胶工艺，辅助结构设计为边长 为25微米的菱形，长轴方向与光栅线条方向平行，每隔两个光栅线条放置。每个需要放置 的线条之间，可根据需要放置多个辅助结构，通常放置3个，分别在光栅的两端与中间。
[0034] 具体制作如下：
[0035] 1)根据上述设计，加工出相应的光学掩模；
[0036] 2)清洗基片，旋涂SU8光刻胶，96度热台烘2小时，冷却后得到厚度为200微米的 SU8光刻胶层；
[0037] 3)利用设计好的光学掩模进行紫外曝光，i线，曝光剂量400mJ/cm2,96度后烘30 分钟，冷却；
[0038] 4)样品放入显影液中显影20分钟，异丙醇漂洗20秒，放入去离子水中；
[0039] 5)样品从水中拿出，放置自然干燥，获得周期为120微米的三角型微管道阵列。
[0040] 实例2、中阶梯光栅的制作
[0041] 中阶梯光栅的制作，需要利用光栅结构的同一方向倒伏来实现。
[0042] 以周期为50微米为例，首先是辅助结构的设计：
[0043] 给出周期为50微米的光栅结构，占空比为1 :4,线条长度为2毫米；光栅高度为 200微米时，根据光栅尺寸以及后续需要使用的SU8负性光刻胶工艺，辅助结构设计为边长 为40微米的正方形，放置在线条倒伏方向的另一侧。为了防止线条倒伏时被辅助结构遮 挡，设计沿着线条倒伏的方向每一个线条比上一个线条两边各增长20微米，辅助结构放置 在靠近每个线条的两端，沿线条方向辅助结构与线条重叠10微米，沿线条倒伏方向辅助结 构与线条间距10微米。
[0044] 具体制作如下：
[0045] 1)根据上述设计，加工出相应的光学掩模；
[0046] 2)清洗基片，旋涂SU8光刻胶，96度热台烘2小时，冷却后得到厚度为200微米的 SU8光刻胶层；
[0047] 3)利用设计好的光学掩模进行紫外曝光，i线，曝光剂量400mJ/cm2,96度后烘30 分钟，冷却；
[0048] 4)样品放入显影液中显影20分钟，异丙醇漂洗10秒，放入去离子水中；
[0049] 5)样品从水中拿出，放置自然干燥，获得周期为50微米的中阶梯光栅。
[0050] 本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
[0051] 尽管上面对本发明说明性的【具体实施方式】进行了描述，以便于本【技术领域】的技术 人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于【具体实施方式】的范围，对本【技术领域】的普通技 术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些 变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
【权利要求】
1. 一种控制微纳结构倒伏的方法，其特征是：该方法在所需的微纳结构中添加辅助结 构来控制其倒伏方向；微纳结构受表面张力的作用是相互靠近的，在其周围添加辅助结构 来限制他们在某些方向上的运动，可以控制微纳结构朝着所需的方向倒伏，该辅助结构的 设计要求为：根据所需图形的形状、尺寸来设计辅助结构的形状、尺寸，根据微纳结构需要 倒伏的方向设计辅助结构的位置。
2. 根据权利要求1所述的一种控制微纳结构倒伏的方法，其特征是：微纳结构在干燥 过程中受表面张力可以由公式计算：
其中，结构的长度为L，高度为H，结构的间隙为d，液体与结构之间的表面张力为γ，液 体与结构之间夹角为Θ，知道微纳结构的尺寸、液体的种类，就可以计算出结构所受的液体 表面张力的大小；辅助结构的尺寸设计要保证其强度可以帮助微纳结构克服所受表面张力 的作用，为了便于计算和加工，通常设计为三角形或长方形；辅助结构的位置需要放置在微 纳结构倒伏方向的另一侧，同时要避免添加的辅助结构影响微纳结构的相互位置关系，不 能妨碍微纳结构倒伏时的相互接触、不能影响微纳结构的整体性能。
3. 根据权利要求1所述的一种控制微纳结构倒伏的方法，其特征是：辅助结构的位置 通常设计为靠近或接触微纳结构的边缘，以尽量减小由于结构的添加对微纳结构的整体性 能带来的影响。
4. 根据权利要求1所述的一种控制微纳结构倒伏的方法，其特征是：该方法的具体工 艺如下： 1) 将设计好的辅助结构添加到微纳结构中，制作在同一个图形中； 2) 基于设计好的图形、利用曝光工艺来制作微纳结构； 3) 显影、干燥，获得受控倒伏的微纳结构。
【文档编号】B81C1/00GK104386646SQ201410546257
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】刘刚, 熊瑛, 田扬超, 侯双月 申请人:中国科学技术大学