一種仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)及其制造工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)的制造工藝，包括：S1、使用LPCVD設(shè)備在潔凈的硅片上熱生長一層SiO2薄膜；S2、在有SiO2層的硅片表面旋涂光刻膠并進(jìn)行光刻，制備出圓孔陣列圖形；S3、使用緩沖氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進(jìn)行刻蝕，將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到SiO2層；S4、在樣品表面鍍一層Cu膜；S5、在丙酮或乙醇中進(jìn)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，以上述工藝制備的Cu為催化劑，以SiCl4為硅源，以H2為載氣，生長Si微米線陣列；S7、在硅線表面鍍一層Cu膜；S8、利用CVD-VLS生長工藝，以S7制備的Cu膜為催化劑，以SiCl4為硅源，以H2為載氣，在Si微米線表面生長Si納米線。本發(fā)明提供的微納分級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，為干性黏附材料的設(shè)計與制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(jié)構(gòu)及其制造工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納制造領(lǐng)域，具體涉及一種仿生微納分級結(jié)構(gòu)的制造工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]自然界中壁虎能在光滑的墻壁上行走自如，甚至能貼在天花板上快速爬行，這種現(xiàn)象早在公元前四世紀(jì)就已經(jīng)被亞里士多德觀察到。壁虎腳的這種特異的黏附特性引起了許多學(xué)者的關(guān)注，針對其黏附機(jī)理的研究也在持續(xù)進(jìn)行。2000年，美國路易斯-克拉克學(xué)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范德華力而黏附在物體表面，揭示了壁虎輕松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(jié)構(gòu)保證了足夠大的黏附力，并且能夠瞬間形成和消失。壁虎腳的粘附機(jī)理極富啟發(fā)性，為全范德華力干性粘合劑的仿生探索設(shè)計、制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(jié)構(gòu)的制備工藝被開發(fā)了出來:2003年，英國曼徹斯特大學(xué)Geim等人研制出了仿壁虎腳剛毛的干性粘合劑“壁虎膠帶”，其主要基于電子束光刻和等離子體干法刻蝕(ICP)工藝；2008年，韓國首爾大學(xué)的Hoon Eui Jeong等人提出了一種基于有機(jī)復(fù)制模具的多級仿壁虎腳毛的制造工藝。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(jié)構(gòu)。但是，這些制造方法主要基于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(jié)構(gòu)，而且上述方法通常需要使用干法刻蝕設(shè)備、電子束光刻設(shè)備等傳統(tǒng)的IC設(shè)備，工藝成本高，加工難度大，不宜大規(guī)模生產(chǎn)和實(shí)用化推廣。
[0004]目前，也有在微米線上生長納米線的分級結(jié)構(gòu)，這種分級結(jié)構(gòu)包括有水熱法制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(如硅、二氧化硅等)。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，制備方便。
[0005]由于硅本身具有疏水性，集成的微納米分級結(jié)構(gòu)的疏水效果比硅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，硅納米線表面有氧化層，耐酸堿，無毒，與傳統(tǒng)電子材料兼容，穩(wěn)定因此，采用硅作為納米線的材料已經(jīng)越來越成為研究的熱點(diǎn)。
[0006]但是，硅納米線的生長需要均勻地鍍一層貴金屬膜，如銅、金等，而現(xiàn)有的金屬鍍膜方法，如電子束蒸發(fā)鍍膜、磁控濺射鍍膜等，在搞深寬比的硅微米線上很難制備均勻的膜，從而導(dǎo)致目前的硅納米線的分級結(jié)構(gòu)性能不理想，工藝成本和實(shí)用性都存在問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的在于提供一種仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)及制造工藝，其基于從下到上的CVD-VLS納米生長工藝，通過采用以蘸涂金屬納米顆粒膠體溶液然后退火的方法，比較均勻的在硅為米線陣列上制備金屬膜，因而能用于種子層的制備。該方法具備工藝成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)仿生干性黏附材料的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化。
[0008]按照本發(fā)明的一個方面，提供一種仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)的制造工藝，該方法具體步驟包括:
[0009]S1、在潔凈的硅片上熱生長一層SiO2薄膜；
[0010]S2、在有SiO2薄膜層的硅片表面旋涂光刻膠并進(jìn)行光刻，制備出圓孔陣列圖形；
[0011]S3、使用緩沖氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進(jìn)行刻蝕，將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)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(jìn)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、以上述工藝制備的Cu為催化劑，以SiCl4為硅源，以H2為載氣，生長Si微米線陣列；
[0015]S7、在所述Si微米線陣列表面蘸涂Cu納米顆粒膠體溶液后退火的方法，均勻地在硅微米線的側(cè)面和 頂面上都制備Cu膜；
[0016]S8、以所述Si微米線陣列表面的Cu膜為催化劑，以SiCl4為硅源，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(jié)構(gòu)的制作。
[0017]更進(jìn)一步地,步驟SI中所述SiO2薄膜的厚度優(yōu)選為300_600nm。
[0018]更進(jìn)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(jìn)一步的，步驟S3中提到的刻蝕時間為2_5min。
[0020]更進(jìn)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(fā)。
[0021]更進(jìn)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%，硅微米線的長度為10-500 μ m。
[0022]更進(jìn)一步的，步驟S7中提到的Cu膜，厚度為20_100nm，鍍膜方法為蘸涂Cu納米顆粒膠體溶液然后退火的方法。
[0023]更進(jìn)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(cè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)。
[0025]本發(fā)明還公開了一種利用上述工藝所制備的仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)。
[0026]另外，本發(fā)明還公開了一種仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)，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(fā)明的微納分級結(jié)構(gòu)的制造工藝相比于現(xiàn)有技術(shù)，具體如下技術(shù)效果:
[0028](I)對于硅微米線的制備，目前的主流的是由上到下刻蝕的方法制備的。而本發(fā)明是由下到上生長的方法制備的，可以在非硅基底上生長，節(jié)省材料降低成本，同時也方便規(guī)模制造。
[0029](2)硅材料本身是疏水材料，硅微米線生長硅納米線，構(gòu)成微納尺度的分級結(jié)構(gòu)，具有疏水性，且疏水效果比硅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，硅納米線表面有氧化層，耐酸堿，無毒，與傳統(tǒng)電子材料兼容，穩(wěn)定，并且是由下到上生長的方法制備，使用CVD生長的硅納米線周期短，成本低。
[0030](3)納米線種子的均勻制備是微納集成工藝的關(guān)鍵，要求薄膜厚度均勻、厚度可控等，傳統(tǒng)制備種子的工藝方法如磁控濺射、蒸發(fā)等難以實(shí)現(xiàn)在高深款比結(jié)構(gòu)上的均勻制備，本發(fā)明以蘸涂金屬納米顆粒膠體溶液的方法解決了這個關(guān)鍵問題，可以比較均勻的在硅為米線陣列上制備金屬膜，因而能用于種子層的制備。
[0031](4)本發(fā)明的這種微納結(jié)構(gòu)具備類似壁虎腳生物微納結(jié)構(gòu)的黏附特性，可用于仿生干性黏附、超疏水、自清潔材料的設(shè)計與制造。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為按照本發(fā)明實(shí)施例的仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)的制備工藝的流程圖；
[0033]圖2為按照本發(fā)明實(shí)施例的仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)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(shí)施方式】
[0034]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0035]本發(fā)明的一種仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)的制造工藝，該方法具體步驟包括:
[0036]S1、在潔凈的硅片上熱生長一層SiO2薄膜；
[0037]S2、在有SiO2薄膜層的硅片表面旋涂光刻膠并進(jìn)行光刻，制備出圓孔陣列圖形；
[0038]S3、使用緩沖氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進(jìn)行刻蝕，將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)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(jìn)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、以上述工藝制備的Cu為催化劑，以SiCl4為硅源，以H2為載氣，生長Si微米線陣列；
[0042]S7、在所述Si微米線陣列表面蘸涂Cu納米顆粒膠體溶液后退火的方法，均勻地在硅微米線的側(cè)面和頂面上都制備Cu膜；
[0043]S8、以所述Si微米線陣列表面的Cu膜為催化劑，以SiCl4為硅源，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(jié)構(gòu)的制作。
[0044]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說明。
[0045]實(shí)施例1:
[0046]本實(shí)施例中的一種仿壁虎腳的微納分級結(jié)構(gòu)的制造工藝，具體可以包括步驟:
[0047]S1、使用LPCVD設(shè)備在潔凈的硅片上熱生長一層300nm SiO2薄膜；
[0048]S2、在有SiO2層的硅片表面旋涂光刻膠并進(jìn)行光刻，制備出圓孔陣列圖形，圓孔直徑為3微米，圓心間距為7微米，為直角分布；
[0049]S3、使用緩沖氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進(jìn)行刻蝕2min，將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)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(jìn)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，以上述工藝制備的Cu為催化劑，以SiCl4為硅源，以H2為載氣，濃度為1%，生長Si微米線陣列IOmin ；
[0053]S7、在硅微米線表面使用蘸涂Cu納米顆粒膠體溶液后退火的方法制備一層Cu膜；
[0054]S8、利用CVD-VLS生長工藝，以S7制備的Cu膜為催化劑，以SiCl4為硅源，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(shí)施例2
[0056]本實(shí)施例中一種仿壁虎腳的微納分級結(jié)構(gòu)的制造工藝，具體可以包括步驟:
[0057]S1、使用LPCVD設(shè)備在潔凈的硅片上熱生長一層600nm SiO2薄膜；
[0058]S2、在有SiO2層的硅片表面旋涂光刻膠并進(jìn)行光刻，制備出圓孔陣列圖形，圓孔直徑為10微米，圓心間距為50微米，為六角形分布；
[0059]S3、使用緩沖氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進(jìn)行刻蝕5min，將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)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(jìn)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，以上述工藝制備的Cu為催化劑，以SiCl4為硅源，以H2為載氣，濃度為5%，生長Si微米線陣列60min ；
[0063]S7、在硅微米線表面使用蘸涂Cu納米顆粒膠體溶液后退火的方法制備一層Cu膜；
[0064]S8、利用CVD-VLS生長工藝，以S7制備的Cu膜為催化劑，以SiCl4為硅源，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(dāng)然，上述實(shí)施例僅是用于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的技術(shù)方案并不受上述實(shí)施例的限制，例如，步驟SI中，在硅片上熱生長二氧化硅薄膜的工藝不限于LPCVD設(shè)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(jù)實(shí)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(yōu)選為7-50微米，陣列可以為呈直角或六角形分布。步驟S3中的刻蝕時間并不限于上述值，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(xiàn)有的成熟工藝，例如磁控濺射和電子束蒸發(fā)等。步驟S6中，Si微米線陣列的生長中，SiCl4在H2中的濃度優(yōu)選為1_5%，生長時間可以根據(jù)實(shí)際情況確定，例如在5-60min內(nèi)。步驟S7中，Cu膜厚度可根據(jù)需要確定，例如優(yōu)選為20-100nm。步驟S8中，SiCl4在H2中的濃度優(yōu)選為1_5%，生長時間可以根據(jù)實(shí)際情況確定，例如在l_60min內(nèi)。另外，Si納米線和Si微米線的生長優(yōu)選通過CVD-VLS生長工藝實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以采用其他工藝。
[0066]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)的制備方法，用于制備具有壁虎腳性質(zhì)的微納分級結(jié)構(gòu)，其特征在于，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薄膜層的硅片表面旋涂光刻膠并進(jìn)行光刻，制備出圓孔陣列圖形； 53、使用緩沖氫氟酸溶液對暴露出的SiO2進(jìn)行刻蝕，將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到SiO2層； 54、在經(jīng)步驟S3處理后的樣品表面鍍一層Cu膜； 55、在丙酮或乙醇中進(jìn)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為硅源，以H2為載氣，在經(jīng)步驟S5處理后的樣品上生長Si微米線陣列； 57、在所述Si微米線陣列表面使用蘸涂Cu納米顆粒膠體溶液后退火的方法制備一層Cu膜； 58、以步驟S7制備的Cu膜為催化劑，以SiCl4為硅源，以H2為載氣，在Si微米線表面生長Si納米線，即可實(shí)現(xiàn)仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)的制備。
2.如權(quán)利要求1所述的的制備方法，其特征在于，步驟SI中所述SiO2薄膜的厚度為300_600nmo
3.如權(quán)利要求1或2所述的的制備方法，其特征在于，步驟S2中所述的圓孔直徑優(yōu)選為3-10微米，各圓孔圓心間距優(yōu)選為7-50微米。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的的制備方法，其特征在于，步驟S3中所述刻蝕時間為 2_5min0
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的的制備方法，其特征在于，步驟S4中所述的Cu膜厚度為 300-800nm。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的的制備方法，其特征在于，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%，硅微米線的長度為10-500 μ m。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的的制備方法，其特征在于，步驟S7中所述的Cu膜厚度為 20_100nm。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的的制備方法，其特征在于，步驟S8中提到的生長，時間為l-30min，SiCl4在H2中的濃度為1_5%，硅微米線的頂面和側(cè)表面都生長有硅納米線，娃納米線的長度為IOOnm-1O μ m。
9.一種采用權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的制備方法獲得的仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)。
10.一種仿壁虎腳微納分級結(jié)構(gòu)，其特征在于，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(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)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(xué)