一种利用糖作掩模的微纳加工方法与流程

文档序号:14886497发布日期:2018-07-07 13:00

本发明涉及微纳制造技术领域,具体涉及一种利用糖作掩模的微纳加工方法。



背景技术:

掩模作为微纳加工中常用的一种工艺步骤,是样品进行刻蚀、沉积、改性等工艺之前的重要工艺,但在完成刻蚀、沉积、改性等工艺之后,需要去除掩模材料。目前,常用的掩模材料包括金属材料(如Au、Ni、Al等),金属化合物(如SiO2、Si3N4、TiN等)和光刻胶等,这些常用的掩模材料不仅成本较高,而且大多需要使用专门的化学试剂才能去除,而这些化学试剂存在污染环境、微毒、对人体有害等问题。此外,在选择化学试剂时还要考虑对样品材料是否有影响,进一步增加了掩模材料去除的难度。

为此,如果能寻找到一种新的易于去除,成本低的掩模材料,特别是去除过程对环境、人体都无害的掩模材料,则对于掩模工艺本身乃至对于微纳加工领域都将具有重要意义。



技术实现要素:

基于上述现状,本发明的主要目的在于提供一种利用糖作掩模的微纳加工方法,其所采用的掩模材料为糖,去除过程容易且无害,并且成本很低。

上述目的通过以下技术方案实现:

一种利用糖作掩模的微纳加工方法,其包括步骤:

S10、提供熔融状态的糖或糖溶液;

S20、将熔融状态的糖或糖溶液施加到待加工的样品表面,形成掩模图案;

S30、对形成掩模图案后的样品进行微纳加工;

S40、将微纳加工后的样品放入糖溶性液体中,以去除样品表面的糖。

优选地,所述糖包括单一种类的糖、糖的混合物或含糖物质。

优选地,步骤S10中,提供熔融状态的糖包括将糖加热至温度超过所述糖的熔点,并保持温度恒定;提供糖溶液包括将糖与糖溶性液体混合后配置成糖溶液。

优选地,步骤S20中,将熔融状态的糖或糖溶液施加到样品表面的方式包括打印、滴、甩、喷、涂、点、射、压、写、粘和/或沉积。

优选地,步骤S20中,当采用熔融状态的糖时,将待加工的样品加热至温度接近或等于或高于所述糖的熔点并保持温度恒定,然后再施加糖,施加完毕后,将待加工的样品冷却至室温,得到掩模图案。

优选地,步骤S20中,当采用糖溶液时,将糖溶液施加到待加工的样品表面,然后蒸发掉样品表面上的糖溶液中的溶剂,得到掩模图案。

优选地,所述微纳加工包括刻蚀、沉积、和/或改性。

优选地,步骤S40中,所述糖溶性液体为水、乙醇、甲醇或乙酸,或者为乙醇、甲醇或乙酸的水溶液。

优选地,步骤S40之后,还包括步骤:

S50、将样品从糖溶性液体中取出,进行干燥。

优选地,步骤S50中,进行干燥的方式包括将样品放置在加热装置上进行烘干。

本发明的微纳加工方法采用的掩模材料为糖,一方面,糖在熔融状态下或在溶液状态下有粘性,能够很好地粘附样品表面,而在常温下固化或者在溶剂挥发后则变成固态,能够保证掩模图案的完整性,另一方面,糖很容易得到,成本非常低且糖特别容易去除,只需要放入水中或者其他对环境无害的溶液中即可,因而以糖作为掩模降低了成本,明显提高了效率,且环境友好。另外,在糖溶液蒸发掉溶剂的过程中,糖溶液形成的掩模图案会收缩,直到溶剂全部蒸发才停止收缩,得到仅剩下糖的掩模图案。这种收缩的现象可以进一步提高掩模图案的精度,从而提高微纳加工的精度。

本发明的微纳加工方法能够提高微纳加工的精度和效率,同时大大减轻对环境和操作人员人身健康的不利影响。

附图说明

以下将参照附图对根据本发明的微纳加工方法进行描述。图中:

图1为本发明的一种优选实施方式的微纳加工方法的流程图。

图2为本发明的微纳加工方法中所涉及的待加工样品上放置糖掩模后的截面示意图。

图3A为图2所示的样品被刻蚀后的截面示意图。

图3B为图3A所示的样品在去除糖掩模后的截面示意图。

图4A为图2所示的样品被沉积后的截面示意图。

图4B为图4A所示的样品在去除糖掩模后的截面示意图。

图5A为图2所示的样品被改性后的截面示意图。

图5B为图5A所示的样品在去除糖掩模后的截面示意图。

图中标号:1-糖,2-待加工样品,3、5、7-加工后的样品,4-沉积材料层,6-改性材料层。

具体实施方式

基于背景技术部分中所提出的问题,本发明为了更方便地实现刻蚀、沉积、改性等微纳加工工艺,特别是为了提高微纳加工的精度和提高掩模材料的去除效率,提出了一种利用了糖作掩模的微加工方法。

由于糖的熔点较低,大部分糖的熔点在200℃以下,例如,蔗糖的熔点为186℃,麦芽糖的熔点为110℃,果糖的熔点为103~105℃,葡萄糖的熔点为146℃,等等,在加热至熔点以上(例如加热到200℃)的时候,糖是液体状(熔融状态),而液体能够较容易地通过打印、滴、甩、喷、涂、点、射等多种方式覆盖到待加工样品上形成需要的图案,并且糖有粘性,能和待加工样品很好地粘附。当冷却至室温后,糖又能很好地固化成固体状,所以能够保证图案完整地覆盖在待加工样品表面上。

另一方面,糖属于易溶性物质,可与水等糖溶性液体配置成任意浓度的溶液,同样有利于打印、滴、甩、喷、涂、点、射等工艺的实现,并且糖溶液同样具有粘性,能够和待加工样品很好地粘附,当糖溶液中的溶剂蒸发或挥发掉后,糖成分便会留着样品表面上,所以同样能够保证图案完整地覆盖待加工样品表面上。特别地,在糖溶液蒸发掉溶剂的过程中,糖溶液形成的掩模图案会收缩,直到溶剂全部蒸发才停止收缩,得到仅剩下糖的掩模图案。这种收缩的现象可以提高掩模图案的精度,从而提高微纳加工的精度。

同时,糖作掩模的最大优势就是在样品加工后的去除比较简单,只需将样品放入水等能溶解糖的液体中一段时间,就可以将糖溶解到液体里,之后将样品从液体中取出,干燥后即可得到没有糖的样品。

正是由于糖具有上述的各项特性,本发明首次提出采用糖作掩模材料,以替代现有技术中被广泛采用的金属、金属化合物、光刻胶等常规掩模材料,既丰富和改善了掩模工艺乃至微纳加工工艺,同时也为糖这种司空见惯的物质开辟了全新的应用领域。

如图1所示,本发明的优选实施方式的利用糖作掩模的微纳加工方法,其包括步骤:

S10、提供熔融状态的糖或者糖溶液;

S20、将熔融状态的糖或糖溶液施加到待加工的样品表面,形成掩模图案;

S30、对形成掩模图案后的样品进行微纳加工;

S40、将微纳加工后的样品放入糖溶性液体中,以去除样品表面的糖。

可见,采用糖作掩模的微纳加工方法,掩模的形成和去除过程都十分简单,且全程无害。

优选地,所述糖包括但不限于单一种类的糖(如蔗糖、麦芽糖、果糖、乳糖、半乳糖、葡萄糖、核糖或任何其他合适的单一种类的糖),糖(如前述各种单一种类的糖)与其它物质(例如糊精)的混合物或其他含有糖的物质(例如蜂蜜)也都是可行的。可以说,本发明中利用的是糖的低熔点、无毒性、液体高粘性、易溶于水的共性。

优选地,步骤S10中,提供熔融状态的糖包括将糖加热至温度等于或超过所述糖的熔点,并保持温度恒定。例如,可以控制加热温度达到200℃,从而适用于各种糖,也可以根据具体使用的糖的熔点,精细控制加热温度,例如达到超过熔点10℃以上,只要能保证糖稳定地处于熔融状态即可。提供糖溶液则包括将糖与例如水等糖溶性液体混合后配置成任何合适浓度的糖溶液,具体浓度以能够保持合适的粘度为准。

优选地,步骤S20中,将熔融状态的糖或糖溶液施加到样品表面并形成掩模图案的方式包括打印、滴、甩、喷、涂、点、射、压、写、粘、或者沉积等等,也可以是前述方式中两种以上的组合。

其中,“打印”的具体实施方式是用例如注射器吸取熔融状态的糖或糖溶液注射到打印设备的原料盒(类似于喷墨打印的墨盒)中,之后用打印喷头将糖打印到样品表面形成所需的图案。

“滴”的具体实施方式是用例如带加热功能的针筒挤出熔融状态的糖液,并滴到样品表面,或用例如任意针筒挤出糖溶液,并滴到样品表面。滴的过程中同时移动针筒从而在样品表面形成所需的图案。

“甩”的具体实施方式是用甩胶机将熔融状态的糖或糖溶液均匀地甩到样品表面。之后用针尖,小刀等工具在样品表面划去部分糖,从而在样品表面形成所需的图案。

“喷”的具体实施方式是将糖放置到带加热功能的雾化器或喷雾器中,在加热状态下将糖雾化成液态小颗粒喷到样品表面形成所需的图案;或者将糖溶液装到雾化器或喷雾器中,在常温下将糖溶液雾化成液态小颗粒喷到样品表面形成所需的图案。

“涂”或“点”的具体实施方式是用针尖状工具蘸取熔融状态的糖或糖溶液,然后用针尖状工具在样品表面上涂或点各种图案。或用针尖状工具搅取熔融状态的糖以拉丝的形式拉取尖细的糖针尖,室温下针尖就会固化,再将糖针尖接触到处于加热状态的样品表面涂或点各种图案。

“射”的具体实施方式是用针筒快速挤出熔融状态的糖液滴(可以采用带加热功能的针筒),或用针筒快速挤出糖溶液,并射到样品表面。射的过程中同时移动针筒从而在样品表面形成所需的图案。

“压”的具体实施方式是以加工后的PDMS(polydimethylsiloxane,即,聚二甲基硅氧烷)或硅等带有各种凹凸图案的物质作为中间转移物,将中间转移物按压到糖表面粘取糖,之后用粘有糖的中间转移物按压到样品表面,形成各种掩模图案。

“写”的具体实施方式是用例如钢笔或类似工具蘸取糖溶液或熔融状态的糖,并迅速在样品表面写上各种图案。

“粘”的具体实施方式是直接取待加工样品粘到熔融状态的糖表面或糖溶液表面并迅速分开,将糖粘到样品表面。可分多次粘取,得到各种所需图案。

“沉积”的具体实施方式是将糖放置到沉积的设备中气化后沉积到样品表面。可在沉积前在样品表面图形化掩模材料,待沉积后去掉掩模材料得到仅剩下糖形成的图案。

以上所述的打印、滴、甩、喷、涂、点、射、压、写、粘、或者沉积等具体实施方式仅仅是对施加糖到样品表面形成所需图案过程中实现形式的一些列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于这些实施方式所陈述的具体形式,本发明的保护范围也应包含其他合适形式的打印、滴、甩、喷、涂、点、射、压、写、粘、或者沉积。

优选地,步骤S20中,当采用熔融状态的糖时,将待加工的样品加热至温度接近或等于或高于糖的熔点并保持温度恒定,然后再施加糖。这样容易保证糖与样品表面的粘合度,防止热的糖液施加到冷的样品表面时出现裂纹、脱落等现象,影响掩模图案的完整性。在施加完毕后,将待加工的样品例如自然冷却至室温,即得到掩模图案。自然冷却的过程中,熔融状态的糖可以逐渐固化,并牢固地附着在样品表面,保证掩模图案的完整性。

优选地,步骤S20中,当采用糖溶液时,将糖溶液施加到待加工的样品表面,然后蒸发掉样品表面上的糖溶液中的溶剂(例如水),仅剩下糖,即得到掩模图案。在糖溶液蒸发掉溶剂的过程中,糖溶液形成的掩模图案会收缩,直到溶剂全部蒸发才停止收缩,得到仅剩下糖的掩模图案。这种收缩的现象可以提高掩模图案的精度,从而提高微纳加工的精度。蒸发时,例如可以采用加热蒸发或者自然蒸发的方式,其中加热蒸发的具体实施方式是将样品放置在加热台上,加热台温度加热至100℃以上,当糖溶液施加到待加工的样品表面形成点或线等图案的过程中,糖溶液中的溶剂(例如水)蒸发后仅剩下糖作为掩模。

本发明发现,通过控制糖溶液的浓度、并控制蒸发速度(如加热速度、加热温度等),可以实现掩模图案的收缩率可控,从而保证掩模图案的精度,进而保证微纳加工的精度。

优选地,本发明中所述的微纳加工包括但不限于刻蚀、沉积、和/或改性。

优选地,步骤S40中,所述糖溶性液体为水、乙醇、甲醇或乙酸等,或者为乙醇、甲醇或乙酸等的水溶液。这些液体无论是对环境还是对于人体都是无害的,因此能够改善操作人员的操作环境。当然,任何其他合适的糖溶性液体都能实现本发明的主要目的。

优选地,如图1所示,步骤S40之后,还可以包括步骤:

S50、将样品从糖溶性液体中取出,进行干燥,以去除样品上的水分等。

优选地,步骤S50中,进行干燥的方式包括将样品放置在加热装置上进行烘干。例如,可以放置在加热台上或烘干机中,例如加热至100℃,使水蒸发,或者使其它组分挥发。

以下再结合附图和具体实例详细说明本发明的方法的操作过程。

如图2所示,待加工样品2的表面上施加有糖1,形成掩模图案,在掩模图案的保护下,可以进一步对待加工样品2进行刻蚀(图3A、图3B)、沉积(图4A、图4B)、或者改性(图5A、图5B)等微纳加工,随后将加工后的样品放入水等糖溶性液体中,经过一段时间后,糖1就会溶解到液体中,最终可分别得到相应的加工后的样品3、5、7。

实施例1:以麦芽糖在硅片上作掩模进行反应离子刻蚀,参见图3A、图3B。

首先将硅片和少量固态麦芽糖放在加热台上,加热台加热后的温度恒定在150℃,此时麦芽糖完全液化,用钨丝针尖蘸取麦芽糖后放到硅片表面,以涂、写、点等形式在硅片表面绘制各种掩模图案,之后用镊子将硅片从加热台上取下放入玻璃器皿内,在室温下冷却固化麦芽糖得到稳定的掩模图案。此后,掩模后的硅片再通过反应离子刻蚀各种图案(如图3A所示),最后将刻蚀后的硅片放入到盛满水的玻璃器皿中,一段时间后糖就会溶到水里,当硅片从水中拿出来后,再在加热台上加热至100℃以上烘干水分,即可得到没有糖的刻有各种图案的硅片,即加工后的样品3,如图3B所示。

实施例2:以蔗糖在柔性塑料纸上作掩模进行物理气相沉积,参见图4A、图4B。

首先用蔗糖和水配置成合适浓度的糖溶液,然后用注射器吸取糖溶液注射到打印设备的原料盒中,之后用打印设备将糖打印到事先准备好的柔性塑料纸上,形成掩模图案。此后,将打印掩模后的塑料纸在烘干机中烘干,烘干后的塑料纸再通过物理气相沉积金,得到沉积材料层4(如图4A所示),最后将沉积金的塑料纸放入到盛满水的玻璃器皿中,一段时间后糖就会溶到水里,当塑料纸从水中拿出来后再在烘干机中烘干水分,即可得到没有糖并且沉积有金的塑料纸,即加工后的样品5,如图4B所示。

实施例3:以果糖在铜片作掩模进行离子注入改性。

首先用镊子将铜片夹取放在加热台上,加热台加热后的温度恒定在200℃,将果糖放入到带加热功能的针筒里,加热温度200℃,使果糖液化,通过匀速挤压针筒将液态糖以滴、喷、射、写等各种方式在铜片表面绘制厚度均匀的各种掩模图案,之后用镊子将铜片从加热台上取下,在室温下冷却固化果糖得到稳定的掩模图案。此后,掩模后的铜片再通过离子注入镍,得到改性材料层6(如图5A所示),最后放入到盛满水的玻璃器皿中,一段时间后糖就会溶到水里,当铜片从水中拿出来后再在加热台上加热100℃以上烘干水分,即可得到没有糖并且被镍改性后的铜片,即加工后的样品7,如图5B所示。

综上,本发明的微纳加工方法采用的掩模材料为糖,一方面,糖在熔融状态下有粘性,能够很好地粘附样品表面,而在常温下则固化成固态,能够保证掩模图案的完整性,另一方面,糖很容易得到,成本非常低且糖特别容易去除,只需要放入水中或者其他对环境无害的溶液中即可,因而以糖作为掩模降低了成本,效率明显提高,且环境友好。另外,在糖溶液蒸发掉溶剂的过程中,糖溶液形成的掩模图案会收缩,直到溶剂全部蒸发才停止收缩,得到仅剩下糖的掩模图案。这种收缩的现象可以提高掩模图案的精度,从而提高微纳加工的精度。

本发明的微纳加工方法能够提高微纳加工的精度和效率,降低成本,同时大大减轻对环境和操作人员的不利影响。

本领域的技术人员容易理解的是,在不冲突的前提下,上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解,上述的实施方式仅是示例性的,而非限制性的,在不偏离本发明的基本原理的情况下,本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换,都将包含于本发明的权利要求范围内。

再多了解一些
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