基于多次曝光的跨尺度微結(jié)構(gòu)制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微制造方法，尤其是涉及一種基于光敏印章的跨尺度微結(jié)構(gòu)制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]跨尺寸結(jié)構(gòu)是指在較大一級(jí)尺寸結(jié)構(gòu)的表面還分布著較小一級(jí)尺寸的結(jié)構(gòu)，以荷葉表面為例，其表面分布有尺寸約為幾十微米的凸起柱狀結(jié)構(gòu)，在這些柱狀結(jié)構(gòu)表面，又分布著微米級(jí)的微小結(jié)構(gòu)?？绯叽缃Y(jié)構(gòu)的微制造是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，自然界中，跨尺寸結(jié)構(gòu)屢見不鮮，樹葉表面的微納結(jié)構(gòu)，壁虎腳的多層結(jié)構(gòu)即為典型代表。目前，制作跨尺寸結(jié)構(gòu)的方法常見的有以下幾種。
[0003]基于娃材料的制造技術(shù)從微電子技術(shù)發(fā)展過來，以娃材料為制造對(duì)象，主要以光刻技術(shù)為核心，通過光刻機(jī)及掩膜在光刻膠上選擇性的刻蝕出需要的圖案，然后進(jìn)行顯影，后續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步的干法或濕法刻蝕，最終獲得所需要的微結(jié)構(gòu)?；诠璧奈⒅圃旒夹g(shù)主要特點(diǎn)是制造精度高，費(fèi)用大，需要專業(yè)的整套設(shè)備，技術(shù)成熟穩(wěn)定，目前仍然是批量微制造的首選方法。
[0004]層層自組裝法，一般通過靜電力將聚陰離子和聚陽離子的不同層組裝在一起。組裝過程中引入納米粒子來形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。例如在ITO玻璃表面先修飾聚電解質(zhì)多層膜，然后利用電化學(xué)方法在上面沉積得到金納米簇得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)。層層自組裝法被廣泛用于制備微米-納米結(jié)構(gòu)。
[0005]模板法是先通過光學(xué)或電子束光刻得到模板，壓模材料的化學(xué)前體在模板中固化，聚合成型后從模板中脫離。或者直接復(fù)制生物的表面結(jié)構(gòu)，常用材料是PDMSdf^n:將液態(tài)PDMS澆注在荷葉上，固化后小心翼翼的揭下PDMS，獲得與荷葉表面結(jié)構(gòu)反向的PDMS印章。再以該P(yáng)DMS印章為模板，在高分子聚合物上利用微接觸印刷的方法再次壓印，就可以得到與荷葉形貌完全相同的復(fù)合微結(jié)構(gòu)。目前該工藝的缺點(diǎn)主要是無法保證兩次印章間的一致性，PDMS印章的撕下來易導(dǎo)致PDMS上微結(jié)構(gòu)的變形及損壞。這使得該項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)多以單件生產(chǎn)為主，難以實(shí)現(xiàn)小批量加工，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種基于多次曝光的跨尺度微結(jié)構(gòu)制造方法，使用目前非常成熟的光敏印章作為微制造的核心模版，通過掩膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和多次曝光，可簡(jiǎn)單快速的完成跨尺度微結(jié)構(gòu)的制作，適于批量生產(chǎn)。
[0007]—種基于多次曝光的跨尺度微結(jié)構(gòu)制造方法，包括如下步驟:
[0008](I)按照尺寸大小，對(duì)待加工跨尺寸微結(jié)構(gòu)分類，小尺寸的結(jié)構(gòu)為一級(jí)結(jié)構(gòu)，大尺寸的結(jié)構(gòu)為二級(jí)結(jié)構(gòu)，分別制作與一級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的一級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜和與一級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的二級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜；
[0009](2)將掩膜置于光敏印章機(jī)內(nèi)，對(duì)其內(nèi)的光敏印章墊進(jìn)行曝光處理，先使用一級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜，曝光轉(zhuǎn)印獲得含一級(jí)結(jié)構(gòu)的印章墊，然后基于該印章墊，使用二級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜曝光，最終獲得跨尺度結(jié)構(gòu)。光敏印章墊上曝光區(qū)和未曝光區(qū)有一定的高度差，得到具有微結(jié)構(gòu)的光敏印章墊；
[0010]下面對(duì)本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明:
[0011]作為優(yōu)選，步驟(I)中，采用激光或噴墨打印將待加工微結(jié)構(gòu)圖案打印到半透明的硫酸紙或菲林膜上，制作得到掩膜。使用激光或噴墨打印機(jī)打印要加工的黑白底稿，目前激光打印機(jī)的分辨率可達(dá)1200DPI，噴墨打印機(jī)可達(dá)2400DPI，因而打印出的圖案的分辨率可達(dá)到20μπι。打印紙可選用半透明的硫酸紙或印刷中專用的菲林紙。對(duì)于精度要求較高的掩膜(微結(jié)構(gòu)尺寸〈20 μ m)，也可使用光刻中常用的金屬掩膜，如鉻膜。通常而言，跨尺寸微結(jié)構(gòu)大的一級(jí)微結(jié)構(gòu)尺寸在百微米量級(jí)，而小的一級(jí)微結(jié)構(gòu)尺寸在10微米量級(jí)乃至亞微米量級(jí)。
[0012]步驟(2)中，掩膜曝光過程:需要依次將把掩膜放在光敏印章機(jī)的曝光區(qū)域正中間，以便均勻曝光。上面蓋著透明膠片，最上面放同樣大小的光敏印章墊，蓋上曝光機(jī)蓋子，進(jìn)行曝光。本步驟的關(guān)鍵在于先曝光一級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜，曝光后獲得的帶有小尺寸結(jié)構(gòu)的印章墊。基于該印章墊，使用二級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜再次曝光，使得大尺寸結(jié)構(gòu)也轉(zhuǎn)印到印章墊表面，從而獲得跨尺寸的復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于曝光次數(shù)對(duì)微結(jié)構(gòu)的深度有直接影響，為了保證獲得跨尺度的復(fù)合結(jié)構(gòu)質(zhì)量，轉(zhuǎn)印小尺寸結(jié)構(gòu)的時(shí)候，曝光次數(shù)要大于后續(xù)轉(zhuǎn)印大尺寸結(jié)構(gòu)的曝光次數(shù)。作為優(yōu)選，一級(jí)結(jié)構(gòu)曝光功率為85-87 ;曝光次數(shù)控制在為7-9次，二級(jí)結(jié)構(gòu)曝光功率在83-85 ;曝光次數(shù)控制在1-3次。
[0013]光敏印章墊的成型原理為:光敏印章墊是一種超微泡材料，其表面的微孔孔徑非常小，平均孔徑小于30 μ m。本身具有儲(chǔ)油滲油及光閃熔特性。光敏材料在受到強(qiáng)光照射的時(shí)候，可以吸收光能并轉(zhuǎn)換成熱能，顏色越暗吸收的能量越多。曝光時(shí)，光敏印章墊表面見光部分瞬間吸收大量的光能后，溫度迅速上升并達(dá)到熔點(diǎn)，閃光結(jié)束后，表面熔體的溫度迅速降低，表面同時(shí)向內(nèi)凹陷，形成一定厚度和強(qiáng)度的薄膜，這層薄膜同時(shí)起到封孔閉孔的作用，并隔絕印油的滲透。由于光敏印章墊上曝光區(qū)和未曝光區(qū)的高度差為10-90 μπι，依次曝光可實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)從小到大依次轉(zhuǎn)印到印章墊表面，從而實(shí)現(xiàn)印章墊表面幾種數(shù)量級(jí)微結(jié)構(gòu)的復(fù)合。
[0014]—級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜、二級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜上對(duì)應(yīng)一級(jí)結(jié)構(gòu)或者二級(jí)結(jié)構(gòu)的區(qū)域，可以是透明區(qū)域，也可以是不透明區(qū)域。對(duì)于需要加工的一級(jí)結(jié)構(gòu)，如果需要加工后的圖案是凹陷的結(jié)構(gòu)，則需要在一級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜上加工透明的一級(jí)結(jié)構(gòu)。反之，如果需要得到凸起的一級(jí)結(jié)構(gòu)，則需要在一級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜上加工不透明的一級(jí)結(jié)構(gòu)。對(duì)于二級(jí)結(jié)構(gòu)，具有同樣的道理。上述不透明區(qū)域均可通過激光或噴墨打印機(jī)打?qū)崿F(xiàn)。但是，為了降低加工二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的影響，作為優(yōu)選，二級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜上二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)椴煌该鲄^(qū)域，在用二級(jí)結(jié)構(gòu)掩膜進(jìn)行曝光時(shí)，二級(jí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一級(jí)結(jié)構(gòu)不會(huì)被曝光，基本不受二次曝光的影響。
[0015]步驟(2)中，為保證光敏印章墊表面光滑，作為優(yōu)選，在利用掩膜對(duì)光敏印章墊曝光前，可先對(duì)光敏印章墊進(jìn)行無掩膜預(yù)曝光，預(yù)曝光功率為85-87 ;曝光次數(shù)為2-3次，目的是在印章墊表面形成光滑表面。
[0016]本應(yīng)用的創(chuàng)新之處在于發(fā)現(xiàn)了光敏墊能在多次曝光中仍保持較好的尺寸傳遞性。
[0017]作為優(yōu)選，可對(duì)本發(fā)明的跨尺度結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加工利用，比如可將光敏印章上的微結(jié)構(gòu)使用轉(zhuǎn)印材料轉(zhuǎn)印，常用的轉(zhuǎn)印材料可選擇PDMS (聚二甲基硅氧烷)，然后得到對(duì)應(yīng)的光敏印章負(fù)結(jié)構(gòu)，具體步驟包括:
[0018](i)將液態(tài)PDMS和固化劑按照一定質(zhì)量比例混合，通常為8-15:1，進(jìn)一步選擇10:1，攪拌均勻放入真空干燥箱中除泡，通常為半小時(shí)。接著將其澆注到(2)得到的光敏印章表面，待加熱固化后揭下，加熱溫度為60-80°C，加熱時(shí)間通常為1.5-3小時(shí)，即在PDMS印章上獲得(2)得到的光敏印章負(fù)結(jié)構(gòu)。
[0019]細(xì)胞在光滑的表面難以附著，不利于培養(yǎng)。將細(xì)胞接種于經(jīng)(i)所得的PDMS印章上，通入培養(yǎng)液。PDMS印章上復(fù)合結(jié)構(gòu)表面，大尺寸的結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞貼壁，小尺寸結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞附著。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0021]本發(fā)明提出的基于光敏印章的跨尺寸微制造方法，使用目前非常成熟的光敏印章作為微制造的核心模版。本發(fā)明不需要潔凈間的苛刻條件，不需要絕對(duì)平整的表面、不需要昂貴的光刻技術(shù)，具有操作靈活方便，加工精度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0022]本發(fā)明的核心之處是在于發(fā)現(xiàn)了光敏墊材料經(jīng)過多次曝光，仍然不丟失尺寸傳遞(掩膜轉(zhuǎn)印)的性能。因而可利用這個(gè)特性，通過依次對(duì)不同尺寸結(jié)構(gòu)掩膜進(jìn)行曝光，實(shí)現(xiàn)在同一印章墊表面轉(zhuǎn)印出兩級(jí)乃至多級(jí)結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0023]圖1為多級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為光敏印章兩級(jí)結(jié)構(gòu)制作示意圖；其中(a)所示為制作掩膜NI的結(jié)構(gòu)圖；(b)為利用掩膜NI在光敏印章機(jī)中進(jìn)行曝光的結(jié)構(gòu)示意圖；(C)為利用掩膜NI曝光后的光敏印章墊的結(jié)構(gòu)示意圖；(d)所示為制作掩膜N2的結(jié)構(gòu)圖；(e)為利用掩膜N2在光敏印章機(jī)中進(jìn)行曝光的結(jié)構(gòu)示意圖；(f)為利用掩膜N2曝光后的光敏印章墊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為實(shí)施例制作的光敏