一種柔性超疏水超疏油結(jié)構(gòu)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，涉及一種柔性超疏水超疏油結(jié)構(gòu)制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]超疏水材料是近年來研宄的熱點(diǎn)之一，制備超疏水表面的結(jié)構(gòu)和材料層出不窮。超疏水材料疏水的原理主要是使液體在微結(jié)構(gòu)表面處于Cassie-Baxter狀態(tài)，即液面會(huì)被表面微結(jié)構(gòu)和空氣托住而不完全接觸到固體表面，如圖1所示，液滴在固體表面微結(jié)構(gòu)上懸浮起來。處于Cassie-Baxter狀態(tài)下的表面具有超疏水特性，并且滾動(dòng)角很小，液滴很容易從表面滾落，因而具有自清潔效果。現(xiàn)有的超疏水表面主要是圖1(a)和圖1(b)中所示的結(jié)構(gòu)，Θ為液體在固體表面的本征疏水角。圖1 (a)中的柱狀結(jié)構(gòu)要求θ>90°，即材料本身具有疏水特性，制備出這種結(jié)構(gòu)后的表面才具有超疏水性能。圖1(b)中的結(jié)構(gòu)可以允許較小的Θ值，但也必須滿足θ>30°。制備以上兩種結(jié)構(gòu)的表面，對(duì)液滴本征接觸角有一定的允許范圍，而超疏水超疏油的“超雙疏”表面，要求材料對(duì)水和油同時(shí)具有較大的接觸角，現(xiàn)有的材料中很少有這種特性。而圖1(c)所示的結(jié)構(gòu)，在Θ = O的時(shí)候依然具備超疏水超疏油特性，這種結(jié)構(gòu)表面的疏水疏油特性跟材料無關(guān)，適用于任何材料，而且理論上所有液體(包括水和油)在其表面都會(huì)很容易滾落，因而具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]而制備圖1(c)所示的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有技術(shù)中存在的工藝過程非常復(fù)雜，需使用光刻、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕、濕法硅刻蝕、熱氧化硅鍍膜等工藝，使用的設(shè)備非常昂貴，成本很高，工藝難度大，且用上述方式制備出的結(jié)構(gòu)不具有柔性，由此給該結(jié)構(gòu)的普遍利用帶來瓶頸，因此，急需開發(fā)一種成本低廉、工藝簡(jiǎn)單的柔性超疏水超疏油結(jié)構(gòu)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)明提供了一種超疏水超疏油結(jié)構(gòu)的制備工藝，其目的在于提供工藝簡(jiǎn)單和成本低廉的超疏水超疏油結(jié)構(gòu)的制備方法。
[0005]本發(fā)明提供了一種柔性超疏水超疏油結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該制備方法包括如下步驟:
[0006](I)制作柔性超疏水超疏油結(jié)構(gòu)底層:在基底上旋涂一層負(fù)性光刻膠，不用掩模直接曝光使之成為光化學(xué)反應(yīng)區(qū)域保留成為底層；
[0007](2)結(jié)構(gòu)層光刻膠第一次曝光:在所述步驟(I)中曝光后的負(fù)性光刻膠上再旋涂一層負(fù)性光刻膠作為于結(jié)構(gòu)層，利用陣列圖形掩膜進(jìn)行曝光，所述陣列圖形掩膜中的單元圖形中對(duì)應(yīng)的光化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域?yàn)?內(nèi)部為透光圓形，外部為透光環(huán)形；
[0008](3)結(jié)構(gòu)層光刻膠第二次曝光:采用跟所述步驟(2)中相對(duì)應(yīng)的透光圓形陣列掩模進(jìn)行套刻曝光，即所述掩膜的單元圖形中對(duì)應(yīng)的光化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域?yàn)?內(nèi)部圓形與外部環(huán)形之間的區(qū)域，且使用較小曝光劑量使產(chǎn)生的光化學(xué)反應(yīng)的深度低于環(huán)形區(qū)域光化學(xué)反應(yīng)深度；
[0009](4)顯影:將上述步驟中曝光后得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯影；
[0010](5)鍍保護(hù)層膜:在所述步驟(4)中得到的結(jié)構(gòu)表面形成一層保護(hù)膜；
[0011](6)剝離:將經(jīng)過所述步驟(5)處理后得到的帶有保護(hù)層膜的光刻膠結(jié)構(gòu)從基底上剝離，得到所述柔性超疏水超疏油結(jié)構(gòu)。
[0012]進(jìn)一步地，所述步驟⑴中的底層光刻膠的厚度為5?100 μ m。
[0013]進(jìn)一步地，所述步驟⑵中旋涂的光刻膠的厚度為10?50 μπι。
[0014]進(jìn)一步地，所述步驟(2)中的掩膜的陣列圖形之間的中心距為15?100 μπι。
[0015]進(jìn)一步地，所述步驟(2)中的陣列圖形掩膜的內(nèi)部圓形的直徑為3?20 μπι，外部環(huán)形的最外圈的直徑為10?50 μm，環(huán)形的寬度為0.5?2 μπι。
[0016]進(jìn)一步地，所述步驟(3)的曝光劑量使得光化學(xué)反應(yīng)的深度為I?5 μ m。
[0017]進(jìn)一步地，所述步驟(2)和(3)的結(jié)構(gòu)層光刻膠優(yōu)選為SU8光刻膠
[0018]本發(fā)明還提出了一種超疏水超疏油材料的制備方法，其特征在于，將由所述步驟1-6中的制備方法所制備出的柔性超疏水超疏油結(jié)構(gòu)貼裝于材料表面，由此制成超疏水超疏油材料。
[0019]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于本發(fā)明采用了新的材料和制備方法來制作出復(fù)雜的超疏水超疏油結(jié)構(gòu)，能夠取得下列有益效果:
[0020](I)本發(fā)明充分利用了負(fù)性光刻膠的特點(diǎn)和光刻過程中通過控制曝光劑量控制光化學(xué)反應(yīng)深度，采用多次曝光一次顯影的方法，工藝過程非常簡(jiǎn)單；
[0021](2)本發(fā)明充分利用了接觸式曝光時(shí)窄圓環(huán)的衍射效應(yīng)，通過窄圓環(huán)的寬度控制光刻膠中被曝光的區(qū)域范圍(即光化學(xué)反應(yīng)區(qū)域范圍)來制備復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)；
[0022](3)本發(fā)明的工藝成本低廉，而且通過該方式制作出的超疏水超疏油的結(jié)構(gòu)為柔性的結(jié)構(gòu)，并可方便得粘附在材料的表面，具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0023]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的幾種處于Cassie-Baxter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)超疏水超疏油結(jié)構(gòu)；
[0024]圖2(a)是按照本發(fā)明中的制備方法中的結(jié)構(gòu)層光刻膠第一次曝光使用的掩膜圖形；
[0025]圖2(b)是按照本發(fā)明中的制備方法中的結(jié)構(gòu)層光刻膠第一次曝光使用的掩膜圖形下方的光場(chǎng)分布截面圖；
[0026]圖3是按照本發(fā)明的制備方法中的掩膜陣列排布示意圖；
[0027]圖4是按照本發(fā)明的制備方法的工藝流程示意圖。
[0028]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0029]1-底層光刻膠2-基底3-結(jié)構(gòu)層光刻膠4-外部環(huán)形對(duì)應(yīng)的曝光區(qū)域(光化學(xué)反應(yīng)區(qū)域)5-中心圓形對(duì)應(yīng)的曝光區(qū)域6-結(jié)構(gòu)層第二次曝光區(qū)域7-保護(hù)層膜
【具體實(shí)施方式】
[0030]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(duì)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。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0031]本發(fā)明是利用負(fù)性光刻膠的光刻性能，直接采用負(fù)性光刻膠的材料來形成超疏水超疏油的結(jié)構(gòu)，在以下的實(shí)施例中，主要采用了 SU8負(fù)性光刻膠，但是在原理上也可以采用其他負(fù)性光刻膠，并且在掩膜和顯影等步驟進(jìn)行類似的操作即可，在此不再贅述。
[0032]SU8光刻膠是半導(dǎo)體領(lǐng)域里常用的一種負(fù)性光刻膠，即曝光顯影后，曝光的區(qū)域發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)(光化學(xué)反應(yīng))，而未曝光的區(qū)域在顯影后會(huì)被顯影液去除。SU8光刻膠具有非常優(yōu)異的性能，可以制備深寬比很高(深寬比可達(dá)50:1)、側(cè)壁邊緣垂直的結(jié)構(gòu)，對(duì)工藝參數(shù)非常敏感。由于SU8光刻膠一般厚度較大，表層光刻膠的曝光強(qiáng)度比底部的光刻膠大，在曝光劑量不充足時(shí)，表層的光刻膠會(huì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)(即被曝光)，而底層的光刻膠達(dá)不到所需的曝光劑量會(huì)被顯影液去除掉，容易造成光刻膠結(jié)構(gòu)脫落。然而利用SU8光刻膠的這種特性，可以通過控制曝光的劑量來制備懸浮結(jié)構(gòu)。其他具有相同特性的負(fù)性光刻膠同樣適用于本發(fā)明中的工藝方法，例如還有NR26-25000P光刻膠。特別的，底層光刻膠只要是負(fù)性光刻膠即可，沒有特殊要求，工藝過程中只起到連接和支撐的作用，可以跟結(jié)構(gòu)層光刻膠相同也可以不同。
[0033]接觸式光刻過程中，掩模圖形的尺度接近曝光光源波長(zhǎng)時(shí)，衍射現(xiàn)象會(huì)非常明顯，并且隨著離掩模圖形的距離增加，光場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)逐漸變?nèi)?。如圖2所示，圖2(a)是掩模圖形示意圖，陰影部分為透光區(qū)域，當(dāng)中心透光圓形區(qū)域直徑為10微米，周邊圓環(huán)形透光區(qū)域的寬度為I微米，光波長(zhǎng)為365nm時(shí)，掩模下方截面的光場(chǎng)分布如圖2(b)所不?？梢钥吹?，中心透光圓形區(qū)域下方的光場(chǎng)會(huì)保持較好的柱狀，而窄圓環(huán)透光區(qū)域下方光的衍射非常嚴(yán)重，光場(chǎng)分布隨著距離增加而逐漸減弱。利用窄圓環(huán)透光掩模圖形的這一特點(diǎn)，可以在較厚的負(fù)性光刻膠上制備復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。
[0034]本實(shí)施方式中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備方法即是基于上述負(fù)性光刻膠的特點(diǎn)和光刻過程中小尺度圖形的衍射現(xiàn)象，采用多次曝光一次顯影的方法，具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、超疏水超疏油的特性。
[0035]實(shí)施例一
[0036](I)曝光底層光刻膠:在基底上旋涂一層SU-82000光刻膠，厚度為5 μπι，不用掩膜進(jìn)行曝光；
[0037](2)結(jié)構(gòu)層光刻膠第一次曝光:在步驟(I)中曝光后的SU-82000光刻膠上旋涂一層SU-82000光刻膠，厚度為10 μ m，進(jìn)行曝光；曝光時(shí)采用如圖3所示的陣列圖形掩膜，其中內(nèi)部圓形直徑為3 μπι，外部環(huán)形最外圈的直徑為10 μπι，環(huán)形的寬度為0.5 μπι，陣列圖形之間的中心距為15 μ m ;
[0038](3)結(jié)構(gòu)層光刻膠第二次曝光:采用跟步驟(2)相對(duì)應(yīng)的透光圓形陣列的掩膜進(jìn)行套刻曝光，使用較小的曝光劑量，使得只有表層I μπι的光刻膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)不會(huì)被顯影掉；其中透光圓形跟步驟(2)所采用的掩膜圖形分布一致，直徑跟外部環(huán)形區(qū)域直徑相同，套刻曝光時(shí)掩膜圖形跟步驟(2)中已曝光的圖形對(duì)準(zhǔn)；
[0039](4)顯影:將步驟(3)曝光后的樣片進(jìn)行顯影，得到形如圖1 (C)所示的結(jié)構(gòu)陣列；
[0040](5)鍍保護(hù)層膜:采用鍍膜、浸涂、溶膠凝膠等方法在步驟(4)得到的結(jié)構(gòu)表面上產(chǎn)生一層保護(hù)膜；
[0041](6)剝離:將步驟(5)中得到的帶有保護(hù)層膜的光刻膠結(jié)構(gòu)剝離，得到所需的柔性超疏水超疏油結(jié)構(gòu)。
[0042]實(shí)施例二
[0043](I)曝光底層光刻膠:在基底上旋涂一層NR26-25000P，厚度為10 μ m，不用掩模進(jìn)行曝光；
[0044](2)結(jié)構(gòu)層光刻膠第一次曝光:在步驟(I)中曝光后的SU-8GM 1070上旋涂一層SU-8GM 1070，厚度為12 μ m，進(jìn)行曝光；曝光時(shí)采用如圖3所示的陣列圖形掩模，其中內(nèi)部圓形直徑為6 μ m，外部環(huán)形直徑為10 μ m，環(huán)形的寬度為0.8 μ m，陣列圖形之間的中心距為30 μ m ；
[0045](3)結(jié)構(gòu)層光刻膠第二次曝光:采用跟步驟(2)相對(duì)應(yīng)的透光圓形陣列的掩模進(jìn)行套刻曝光，使用較小的曝光劑量，使得只有表層1.5 μπι的光刻膠發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)不會(huì)被顯影掉；其中透光圓形跟步驟(2)所采用的掩模圖形分布一致，直徑跟外部環(huán)形區(qū)域直徑相同，套刻曝光時(shí)掩模圖形跟步驟(2)中已曝光的圖形對(duì)準(zhǔn)；
[0046](4)顯影:將步驟(3)曝光后的樣片進(jìn)行顯影，得到形如圖1 (C)所示的結(jié)構(gòu)陣列；
[0047](5)鍍保護(hù)層膜:采用濺射鍍金膜的方法在步驟(4)得到的結(jié)構(gòu)表面上產(chǎn)生一層保護(hù)層金膜；
[0048](6)剝離: