一種超疏水凹角t狀微柱結(jié)構(gòu)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納制造領(lǐng)域，更具體地，涉及一種超疏水凹角T狀微柱結(jié)構(gòu)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超疏水表面(水滴在該表面的表觀接觸角大于150°，同時(shí)接觸角滯后小于10° )由于其獨(dú)特的抗?jié)?、低黏著特性以及自清潔特性，在微流體系統(tǒng)、無(wú)損液體傳輸、微納機(jī)電系統(tǒng)低黏著功能表面以及生物相容性領(lǐng)域存在很大應(yīng)用前景。目前超疏水表面一般通過(guò)對(duì)材料表面加工微觀粗糙結(jié)構(gòu)并涂覆疏水性材料獲取。在粗糙結(jié)構(gòu)表面，液滴與粗糙結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)決定表面的潤(rùn)濕能力。當(dāng)液滴處于Wenzel狀態(tài)時(shí)，液滴填滿(mǎn)粗糙結(jié)構(gòu)凹槽，固-液接觸面增加，表觀接觸角減小，表現(xiàn)出較大的粘滯現(xiàn)象；當(dāng)液滴處于Cassie狀態(tài)時(shí)，由于液滴尺度遠(yuǎn)大于固體表面的粗糙結(jié)構(gòu)尺度，液滴與粗糙結(jié)構(gòu)間易截留空氣，導(dǎo)致表觀上的固-液接觸變?yōu)楣?液及液-氣的復(fù)合接觸，此時(shí)液滴具有較大的表觀接觸角及較小的接觸角滯后，因此液滴處于Cassie狀態(tài)是固體表面具有超疏水性的必要條件。由Cassie-Baxter理論方程可知，減少固-液界面在水平投影面上的面積分?jǐn)?shù)(即減少固-液接觸而增加液-氣界面面積)，粗糙結(jié)構(gòu)間截留的空氣增多，表觀接觸角增大，接觸滯后角減小，有利于增強(qiáng)固體表面抗?jié)衲芰?。研宄表明，?dāng)疏水性材料表面存在本征接觸角大于90°液體如水或水溶液，加工與基底表面垂直的微柱粗糙結(jié)構(gòu)(圖1(a))，可以使液滴處于Cassie狀態(tài)；當(dāng)疏水性材料表面存在本征接觸角小于90°的液體如油或有機(jī)溶劑，或在親水性材料表面存在水溶液時(shí)，在微柱粗糙結(jié)構(gòu)上加工T狀結(jié)構(gòu)(圖1(b))可以增加液滴潤(rùn)濕微觀結(jié)構(gòu)的液-氣界面面積，從而幫助液滴達(dá)到Cassie狀態(tài)。理論上，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于本征接觸角接近0°的液滴也可達(dá)到Cassie狀態(tài)，然而，這種狀態(tài)并不穩(wěn)定，當(dāng)外界存在微小擾動(dòng)如聲或機(jī)械振動(dòng)時(shí)，液-氣界面將逐漸下沉直至接觸粗糙結(jié)構(gòu)凹槽底端而潤(rùn)濕基底表面。而圖1(c)所示的結(jié)構(gòu)，在原有T狀結(jié)構(gòu)上制備凹角結(jié)構(gòu)，當(dāng)液體本征接觸角接近0°時(shí)在這種結(jié)構(gòu)表面依然處于穩(wěn)定的Cassie狀態(tài)，具備超疏水特性，并且這種結(jié)構(gòu)表面的疏水特性與材料無(wú)關(guān)，適用于任何材料，因而具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]然而針對(duì)圖1(c)所示結(jié)構(gòu)的制備方法，現(xiàn)有技術(shù)中使用的工藝非常復(fù)雜，需多次使用熱氧化硅鍍膜、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕、濕法硅刻蝕等方式，涉及的設(shè)備非常昂貴，成本很高，同時(shí)工藝難度大，可控性差，因此急需開(kāi)發(fā)一種成本低廉且可控性高的工藝方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種超疏水凹角釘狀微柱結(jié)構(gòu)的制作方法，其中利用一次電鍍工藝生長(zhǎng)T狀微柱，通過(guò)對(duì)T狀結(jié)構(gòu)的濕法腐蝕得到凹角結(jié)構(gòu)，工藝窗口寬，可操控性強(qiáng)，得到的結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的超疏水性。
[0005]本發(fā)明提供了一種超疏水凹角T狀微柱結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該方法包括下列步驟:
[0006](a)在基片(I)的一個(gè)表面旋凃第一層光刻膠(2)，并執(zhí)行顯影操作得到第一圓孔陣列；
[0007](b)在所述步驟(a)得到的結(jié)構(gòu)中含光刻膠的表面依次沉積粘附層(3)和種子層
(4);
[0008](c)在所述步驟(a)中獲得的第一圓孔陣列的表面旋凃第二層光刻膠(5)，并執(zhí)行顯影操作得到第二圓孔陣列，由此得到T狀圓孔陣列；
[0009](d)對(duì)所述第一圓孔陣列和所述第二圓孔陣列進(jìn)行電鍍填充，得到金屬的T狀微柱結(jié)構(gòu)⑶;
[0010](e)去除光刻膠及多余粘附層、種子層；
[0011](f)并在所述T狀微柱結(jié)構(gòu)(6)的表面沉積一層保護(hù)層(7);
[0012](g)去除所述T狀微柱結(jié)構(gòu)(6)的橫狀伸出部分并保留柱狀結(jié)構(gòu)和所述凹角狀的保護(hù)層(7)，由此得到凹角T狀微柱結(jié)構(gòu)。
[0013]進(jìn)一步地，所述步驟(b)中采用的粘附層(3)材料為鈦、鈦化鎢、鉭或氮化鉭中的一種，所述種子層(4)材料為銅、鎳或金的一種，且所述粘附層(3)和所述種子層(4)采用物理氣相淀積形成，所述粘附層(3)的厚度為10?200nm，所述種子層(4)的厚度為50?500nmo
[0014]進(jìn)一步地，所述步驟(d)中的填充材料選自銅、金、銀中的任意一種或其混合物，并且其填充方法選用電鍍法。
[0015]進(jìn)一步地，所述步驟(d)中電鍍填充法的電鍍液含加速劑、抑制劑和整平劑，并且加速所述T狀圓孔陣列的底部填充速率，抑制其開(kāi)口的填充速率。
[0016]進(jìn)一步地，所述步驟(g)中的去除所述T狀微柱結(jié)構(gòu)(6)的橫狀伸出部分選擇濕法腐蝕方式，并且依次腐蝕所述粘附層(3)、種子層(4)及T狀微柱結(jié)構(gòu)的橫狀伸出部分。
[0017]進(jìn)一步地，所述步驟(f)中的保護(hù)層(7)的材料為硅的氧化物或金屬中的一種，其厚度為0.2?2 μ m，并且選用物理氣相淀積形成。
[0018]進(jìn)一步地，所述步驟(g)中得到凹角T狀微柱結(jié)構(gòu)后可在微柱結(jié)構(gòu)表面沉積一層保護(hù)層。
[0019]進(jìn)一步地，保護(hù)層材料為鋅、鋅镲合金、絡(luò)、金或鉬中的一種，其厚度為I?5μηι，沉積方法為電鍍法。
[0020]進(jìn)一步地，所述第一圓孔陣列的圓孔直徑為10?50 μ m，所述第二圓孔陣列直徑為20?200 μπι，陣列之間的中心距為30?300 μπι。
[0021]進(jìn)一步地，所述第一層光刻膠(2)的厚度為20?200 μ m，所述第二層光刻膠(5)的厚度為1.5?10 μ m。
[0022]總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用了新的方法來(lái)制作復(fù)雜的凹角T狀微柱結(jié)構(gòu)，能夠取得下列有益效果:
[0023](I)利用一次填充工藝完成T狀微柱的形成，避免多次填充的同時(shí)也避免了種子層的多次濺射，簡(jiǎn)化了工藝步驟；
[0024](2)選用含加速劑、抑制劑和整平劑的電鍍液，充分利用電鍍液中各種添加劑的協(xié)同作用，加速圓孔底部填充速率，抑制圓孔開(kāi)口填充速率，防止微柱內(nèi)部產(chǎn)生空洞等缺陷；
[0025](3)在去除光刻膠的同時(shí)，利用lift-off工藝原理即可將多余粘附層和種子層去除，無(wú)需使用濕法或干法刻蝕的工藝去除，有利于簡(jiǎn)化工藝步驟；
[0026](4)得到的凹角T狀結(jié)構(gòu)表面可以繼續(xù)通過(guò)電鍍技術(shù)沉積一層保護(hù)層，提高結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，利用以上工藝能非?？煽氐刂苽洳煌叨鹊哪繕?biāo)結(jié)構(gòu)，具有工藝窗口寬，可重復(fù)性好的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)有的幾種處于Cassie狀態(tài)的超疏水表面微結(jié)構(gòu)的三種形態(tài)，(a)柱狀，(b) “T”形，(C)凹角T狀結(jié)構(gòu);
[0028]圖2是按照本發(fā)明的用于制作超疏水的凹角T狀微柱結(jié)構(gòu)的工藝流程示意圖；
[0029]圖3(a)是用于顯示在基片上制作第一圓孔陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3(b)是用于顯示在基片加工有第一圓孔陣列的表面上依次淀積粘附層和種子層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3(c)是用于顯示在基片淀積有種子層的表面上旋涂光刻膠，并執(zhí)行顯影操作得到第二圓孔陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3(d)是用于顯示利用一次保形電鍍工藝填充得到T狀微柱的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3(e)是用于顯示去除光刻膠及多余粘附層、種子層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖3(f)是用于顯示對(duì)T狀微柱表面沉積保護(hù)層以及用顯示濕法刻蝕去除微柱T狀結(jié)構(gòu)后的示意圖。
[0035]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0036]1-基片2-第一層光刻膠3-粘附層4-種子層5-第二層光刻膠6-填充材料7-保護(hù)層
【具體實(shí)施方式】
[0037]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