[發(fā)明專利]一種基于摩擦誘導(dǎo)選擇性刻蝕的玻璃表面納米加工方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110392803.2
• 申請(qǐng)日: 2011-12-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102503155B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 錢林茂;宋晨飛;周仲榮;余丙軍;陳磊;郭劍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南交通大學(xué)
• 主分類號(hào): C03C15/00
• 分類號(hào): C03C15/00;B81C1/00;B82Y40/00
• 代理公司: 成都博通專利事務(wù)所51208
• 代理人: 陳樹(shù)明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及玻璃的微納米加工方法。

背景技術(shù)

隨著科技的進(jìn)步，微納米器件被廣泛應(yīng)用于生物技術(shù)、航空航天、汽車、軍事、計(jì)算機(jī)與通信等領(lǐng)域。玻璃具有高透光性、絕緣性、生物適應(yīng)性、低成本等優(yōu)良特性，是制造微納米器件的重要材料，常被用來(lái)加工光學(xué)元件、微納米器件絕緣襯底、生物芯片、微流控芯片等。

根據(jù)不同的原理，目前應(yīng)用于玻璃表面的微納米加工方法主要有：(1)掩膜曝光技術(shù)：一般在玻璃表面鍍Cr/Au作為掩膜，再涂光刻膠，烘干后利用光刻技術(shù)將圖形傳導(dǎo)至玻璃表面。此方法過(guò)程復(fù)雜，效率較低，每個(gè)步驟都影響最終的精度。而且光刻膠在長(zhǎng)時(shí)間腐蝕過(guò)程中容易被HF溶液破壞，進(jìn)而影響加工質(zhì)量。(2)飛秒激光微加工技術(shù)：利用高數(shù)值孔徑的聚焦物鏡，將飛秒激光脈沖的能量準(zhǔn)確地沉積在玻璃內(nèi)部，使玻璃局部發(fā)生改性，可在玻璃內(nèi)部加工光柵、微通道等結(jié)構(gòu)。然而由于飛秒激光峰值功率極高，受自聚焦、色散等因素的影響，能量在空間上分布不均勻，使焦點(diǎn)處產(chǎn)生的改性區(qū)域不對(duì)稱。并且隨著加工速度增大，改性區(qū)域的均勻性也會(huì)越來(lái)越差。所以該方法加工效率和加工精度較低。(3)熱壓印技術(shù)：通過(guò)加熱使玻璃軟化以提高流動(dòng)性，通過(guò)施加一定的外力，將模版壓入基體，玻璃受擠壓流動(dòng)填充空腔，冷卻后形成與模版對(duì)應(yīng)的反向微結(jié)構(gòu)。該方法受材料特性和壓印參數(shù)等多種因素的影響，操作復(fù)雜。同時(shí)該方法嚴(yán)重依賴于模版的分辨率、熱穩(wěn)定性、抗粘著性、重復(fù)使用性，而模版的加工是一項(xiàng)低效率、高消耗的過(guò)程。總之，目前常用的玻璃加工方法均面臨著低分辨率、低效率、操作復(fù)雜等挑戰(zhàn)。伴隨著微納米器件微小化的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)前的技術(shù)很難滿足未來(lái)微納米加工的要求。

近年來(lái)，包括原子力顯微鏡在內(nèi)的掃描探針顯微鏡被逐漸應(yīng)用到納米加工領(lǐng)域。常見(jiàn)的掃描探針顯微鏡加工方法依賴于陽(yáng)極氧化或摩擦化學(xué)氧化，很難應(yīng)用于玻璃等絕緣體和氧化物表面的納米加工。盡管如此，由于原子力顯微鏡具有多功能、高精度等優(yōu)勢(shì)，非常適用于納米加工領(lǐng)域。因此，針對(duì)玻璃微納米器件的需求，有必要開(kāi)發(fā)一種基于原子力顯微鏡的簡(jiǎn)單、高效、精確的微納米加工方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于摩擦誘導(dǎo)選擇性刻蝕的玻璃表面納米加工方法，該方法能在玻璃表面加工出臺(tái)階、斜面等納米級(jí)三維結(jié)構(gòu)，且其操作簡(jiǎn)單、成本低、效率高、加工精度高。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是：一種基于摩擦誘導(dǎo)選擇性刻蝕的玻璃表面納米加工方法，其具體操作方法是：

A、將尖端為球狀的掃描探針安裝在原子力顯微鏡上，將清洗過(guò)的玻璃固定在樣品臺(tái)上，啟動(dòng)原子力顯微鏡，給探針施加定載荷F，或者變載荷F′，并使探針按照設(shè)定的掃描軌跡、掃描循環(huán)次數(shù)N和掃描速率v在玻璃表面進(jìn)行掃描；所述的變載荷F′的最大值和定載荷F均不高于臨界載荷F_c；

B、將掃描后的玻璃置于質(zhì)量濃度為10-20％的HF溶液中，腐蝕5-15秒，即可。

本發(fā)明的機(jī)理和過(guò)程是：探針在掃描、施壓過(guò)程中，玻璃表層受到低于或等于臨界載荷F_c的壓力。此種情形下，其垂直方向的正應(yīng)力和水平方向的切應(yīng)力誘導(dǎo)玻璃表層發(fā)生大量畸變。在后續(xù)的HF溶液腐蝕中，HF溶液優(yōu)先擴(kuò)散到畸變區(qū)域內(nèi)部，玻璃所含的金屬陽(yáng)離子(如Al³⁺，Ca²⁺等)和HF溶液產(chǎn)生化學(xué)作用，在刻劃區(qū)域生成難溶于HF溶液的產(chǎn)物(如AlF₃，CaF₂等)，從而阻止了HF溶液對(duì)刻劃區(qū)域的進(jìn)一步腐蝕。而未掃描區(qū)域在腐蝕過(guò)程中不存在優(yōu)先擴(kuò)散，不能生成難溶物充當(dāng)掩膜，而是均勻地和HF溶液迅速發(fā)生反應(yīng)被刻蝕掉，從而在掃描過(guò)的區(qū)域形成對(duì)應(yīng)的凸結(jié)構(gòu)。而施加的載荷F大于臨界載荷F_c時(shí)，掃描刻劃區(qū)域腐蝕后產(chǎn)生的凸結(jié)構(gòu)不會(huì)明顯增加。

本發(fā)明在實(shí)施中，需要首先確定加工的臨界載荷F_c，高于F_c的載荷對(duì)加工不再產(chǎn)生有益的影響。臨界載荷F_c可經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定：即隨著載荷F的增加，加工出的凸結(jié)構(gòu)高度相應(yīng)增加；當(dāng)載荷F增加，而凸結(jié)構(gòu)高度的增幅明顯減少或不再增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的載荷F值即為臨界載荷F_c。通常當(dāng)載荷增加40％以上，而凸結(jié)構(gòu)高度增加在2％以內(nèi)時(shí)，可判定該載荷值即為臨界載荷F_c。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：