一种柔性超疏水超疏油结构制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳制造领域，更具体地，涉及一种柔性超疏水超疏油结构制备工艺。
【背景技术】
[0002]超疏水材料是近年来研宄的热点之一，制备超疏水表面的结构和材料层出不穷。超疏水材料疏水的原理主要是使液体在微结构表面处于Cassie-Baxter状态，即液面会被表面微结构和空气托住而不完全接触到固体表面，如图1所示，液滴在固体表面微结构上悬浮起来。处于Cassie-Baxter状态下的表面具有超疏水特性，并且滚动角很小，液滴很容易从表面滚落，因而具有自清洁效果。现有的超疏水表面主要是图1(a)和图1(b)中所示的结构，Θ为液体在固体表面的本征疏水角。图1 (a)中的柱状结构要求θ>90°，即材料本身具有疏水特性，制备出这种结构后的表面才具有超疏水性能。图1(b)中的结构可以允许较小的Θ值，但也必须满足θ>30°。制备以上两种结构的表面，对液滴本征接触角有一定的允许范围，而超疏水超疏油的“超双疏”表面，要求材料对水和油同时具有较大的接触角，现有的材料中很少有这种特性。而图1(c)所示的结构，在Θ = O的时候依然具备超疏水超疏油特性，这种结构表面的疏水疏油特性跟材料无关，适用于任何材料，而且理论上所有液体(包括水和油)在其表面都会很容易滚落，因而具有非常广泛的应用前景。
[0003]而制备图1(c)所示的结构，现有技术中存在的工艺过程非常复杂，需使用光刻、感应耦合等离子体刻蚀、湿法硅刻蚀、热氧化硅镀膜等工艺，使用的设备非常昂贵，成本很高，工艺难度大，且用上述方式制备出的结构不具有柔性，由此给该结构的普遍利用带来瓶颈，因此，急需开发一种成本低廉、工艺简单的柔性超疏水超疏油结构工艺方法。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超疏水超疏油结构的制备工艺，其目的在于提供工艺简单和成本低廉的超疏水超疏油结构的制备方法。
[0005]本发明提供了一种柔性超疏水超疏油结构的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤:
[0006](I)制作柔性超疏水超疏油结构底层:在基底上旋涂一层负性光刻胶，不用掩模直接曝光使之成为光化学反应区域保留成为底层；
[0007](2)结构层光刻胶第一次曝光:在所述步骤(I)中曝光后的负性光刻胶上再旋涂一层负性光刻胶作为于结构层，利用阵列图形掩膜进行曝光，所述阵列图形掩膜中的单元图形中对应的光化学反应的区域为:内部为透光圆形，外部为透光环形；
[0008](3)结构层光刻胶第二次曝光:采用跟所述步骤(2)中相对应的透光圆形阵列掩模进行套刻曝光，即所述掩膜的单元图形中对应的光化学反应的区域为:内部圆形与外部环形之间的区域，且使用较小曝光剂量使产生的光化学反应的深度低于环形区域光化学反应深度；
[0009](4)显影:将上述步骤中曝光后得到的结构进行显影；
[0010](5)镀保护层膜:在所述步骤(4)中得到的结构表面形成一层保护膜；
[0011](6)剥离:将经过所述步骤(5)处理后得到的带有保护层膜的光刻胶结构从基底上剥离，得到所述柔性超疏水超疏油结构。
[0012]进一步地，所述步骤⑴中的底层光刻胶的厚度为5?100 μ m。
[0013]进一步地，所述步骤⑵中旋涂的光刻胶的厚度为10?50 μπι。
[0014]进一步地，所述步骤(2)中的掩膜的阵列图形之间的中心距为15?100 μπι。
[0015]进一步地，所述步骤(2)中的阵列图形掩膜的内部圆形的直径为3?20 μπι，外部环形的最外圈的直径为10?50 μm，环形的宽度为0.5?2 μπι。
[0016]进一步地，所述步骤(3)的曝光剂量使得光化学反应的深度为I?5 μ m。
[0017]进一步地，所述步骤(2)和(3)的结构层光刻胶优选为SU8光刻胶
[0018]本发明还提出了一种超疏水超疏油材料的制备方法，其特征在于，将由所述步骤1-6中的制备方法所制备出的柔性超疏水超疏油结构贴装于材料表面，由此制成超疏水超疏油材料。
[0019]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明采用了新的材料和制备方法来制作出复杂的超疏水超疏油结构，能够取得下列有益效果:
[0020](I)本发明充分利用了负性光刻胶的特点和光刻过程中通过控制曝光剂量控制光化学反应深度，采用多次曝光一次显影的方法，工艺过程非常简单；
[0021](2)本发明充分利用了接触式曝光时窄圆环的衍射效应，通过窄圆环的宽度控制光刻胶中被曝光的区域范围(即光化学反应区域范围)来制备复杂的三维结构；
[0022](3)本发明的工艺成本低廉，而且通过该方式制作出的超疏水超疏油的结构为柔性的结构，并可方便得粘附在材料的表面，具有非常广泛的应用价值。
【附图说明】
[0023]图1是现有技术中的几种处于Cassie-Baxter状态的超疏水表面微结构的三种形态，(a)柱状，(b) “T”形，(C)超疏水超疏油结构；
[0024]图2(a)是按照本发明中的制备方法中的结构层光刻胶第一次曝光使用的掩膜图形；
[0025]图2(b)是按照本发明中的制备方法中的结构层光刻胶第一次曝光使用的掩膜图形下方的光场分布截面图；
[0026]图3是按照本发明的制备方法中的掩膜阵列排布示意图；
[0027]图4是按照本发明的制备方法的工艺流程示意图。
[0028]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:
[0029]1-底层光刻胶2-基底3-结构层光刻胶4-外部环形对应的曝光区域(光化学反应区域)5-中心圆形对应的曝光区域6-结构层第二次曝光区域7-保护层膜
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0031]本发明是利用负性光刻胶的光刻性能，直接采用负性光刻胶的材料来形成超疏水超疏油的结构，在以下的实施例中，主要采用了 SU8负性光刻胶，但是在原理上也可以采用其他负性光刻胶，并且在掩膜和显影等步骤进行类似的操作即可，在此不再赘述。
[0032]SU8光刻胶是半导体领域里常用的一种负性光刻胶，即曝光显影后，曝光的区域发生交联反应(光化学反应)，而未曝光的区域在显影后会被显影液去除。SU8光刻胶具有非常优异的性能，可以制备深宽比很高(深宽比可达50:1)、侧壁边缘垂直的结构，对工艺参数非常敏感。由于SU8光刻胶一般厚度较大，表层光刻胶的曝光强度比底部的光刻胶大，在曝光剂量不充足时，表层的光刻胶会发生交联反应(即被曝光)，而底层的光刻胶达不到所需的曝光剂量会被显影液去除掉，容易造成光刻胶结构脱落。然而利用SU8光刻胶的这种特性，可以通过控制曝光的剂量来制备悬浮结构。其他具有相同特性的负性光刻胶同样适用于本发明中的工艺方法，例如还有NR26-25000P光刻胶。特别的，底层光刻胶只要是负性光刻胶即可，没有特殊要求，工艺过程中只起到连接和支撑的作用，可以跟结构层光刻胶相同也可以不同。
[0033]接触式光刻过程中，掩模图形的尺度接近曝光光源波长时，衍射现象会非常明显，并且随着离掩模图形的距离增加，光场的强度会逐渐变弱。如图2所示，图2(a)是掩模图形示意图，阴影部分为透光区域，当中心透光圆形区域直径为10微米，周边圆环形透光区域的宽度为I微米，光波长为365nm时，掩模下方截面的光场分布如图2(b)所不。可以看到，中心透光圆形区域下方的光场会保持较好的柱状，而窄圆环透光区域下方光的衍射非常严重，光场分布随着距离增加而逐渐减弱。利用窄圆环透光掩模图形的这一特点，可以在较厚的负性光刻胶上制备复杂的三维结构。
[0034]本实施方式中复杂结构的制备方法即是基于上述负性光刻胶的特点和光刻过程中小尺度图形的衍射现象，采用多次曝光一次显影的方法，具有成本低廉、工艺简单、超疏水超疏油的特性。
[0035]实施例一
[0036](I)曝光底层光刻胶:在基底上旋涂一层SU-82000光刻胶，厚度为5 μπι，不用掩膜进行曝光；
[0037](2)结构层光刻胶第一次曝光:在步骤(I)中曝光后的SU-82000光刻胶上旋涂一层SU-82000光刻胶，厚度为10 μ m，进行曝光；曝光时采用如图3所示的阵列图形掩膜，其中内部圆形直径为3 μπι，外部环形最外圈的直径为10 μπι，环形的宽度为0.5 μπι，阵列图形之间的中心距为15 μ m ;
[0038](3)结构层光刻胶第二次曝光:采用跟步骤(2)相对应的透光圆形阵列的掩膜进行套刻曝光，使用较小的曝光剂量，使得只有表层I μπι的光刻胶发生交联反应不会被显影掉；其中透光圆形跟步骤(2)所采用的掩膜图形分布一致，直径跟外部环形区域直径相同，套刻曝光时掩膜图形跟步骤(2)中已曝光的图形对准；
[0039](4)显影:将步骤(3)曝光后的样片进行显影，得到形如图1 (C)所示的结构阵列；
[0040](5)镀保护层膜:采用镀膜、浸涂、溶胶凝胶等方法在步骤(4)得到的结构表面上产生一层保护膜；
[0041](6)剥离:将步骤(5)中得到的带有保护层膜的光刻胶结构剥离，得到所需的柔性超疏水超疏油结构。
[0042]实施例二
[0043](I)曝光底层光刻胶:在基底上旋涂一层NR26-25000P，厚度为10 μ m，不用掩模进行曝光；
[0044](2)结构层光刻胶第一次曝光:在步骤(I)中曝光后的SU-8GM 1070上旋涂一层SU-8GM 1070，厚度为12 μ m，进行曝光；曝光时采用如图3所示的阵列图形掩模，其中内部圆形直径为6 μ m，外部环形直径为10 μ m，环形的宽度为0.8 μ m，阵列图形之间的中心距为30 μ m ；
[0045](3)结构层光刻胶第二次曝光:采用跟步骤(2)相对应的透光圆形阵列的掩模进行套刻曝光，使用较小的曝光剂量，使得只有表层1.5 μπι的光刻胶发生交联反应不会被显影掉；其中透光圆形跟步骤(2)所采用的掩模图形分布一致，直径跟外部环形区域直径相同，套刻曝光时掩模图形跟步骤(2)中已曝光的图形对准；
[0046](4)显影:将步骤(3)曝光后的样片进行显影，得到形如图1 (C)所示的结构阵列；
[0047](5)镀保护层膜:采用溅射镀金膜的方法在步骤(4)得到的结构表面上产生一层保护层金膜；
[0048](6)剥离: