本發(fā)明涉及一種基于自組裝掩膜的高深寬比微納米針尖陣列及其制備方法，屬于微納加工。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有技術(shù)中的微納加工主要是利用光刻、濕法腐蝕、干法刻蝕、電解沉積等技術(shù)，對(duì)微米尺度、納米尺度的材料進(jìn)行加工和制造。現(xiàn)有技術(shù)的微納米針尖陣列的制備往往存在工藝流程繁瑣、成本較高等問題。

2、cn115793414b公開了一種可調(diào)控高度比例的高深寬比微結(jié)構(gòu)的制備方法。該方法包括以下步驟：首先對(duì)襯底低轉(zhuǎn)速旋涂一層光刻膠，通過激光直寫設(shè)備進(jìn)行非均勻劑量的灰度曝光并進(jìn)行顯影；隨后對(duì)多級(jí)高度的光刻膠柱進(jìn)行第一次刻蝕，刻蝕時(shí)間和刻蝕深度根據(jù)多級(jí)結(jié)構(gòu)的比例進(jìn)行選擇；然后使用氧等離子體對(duì)第一級(jí)結(jié)構(gòu)的刻蝕后殘留的光刻膠去除干凈；然后對(duì)第二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕；隨后對(duì)第二級(jí)結(jié)構(gòu)上層殘膠進(jìn)行去除；以此類推，循環(huán)刻蝕和去膠的過程，直至最后一級(jí)結(jié)構(gòu)頂層光刻膠去除完成。該方法采用了光刻工藝，對(duì)制備環(huán)境要求高，而且采用了bosch-tapering兩步工藝，存在技術(shù)繁瑣、加工效果不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

3、cn116119604a公開了一種高密度硅微針陣列的制備方法及器件。該方法包括以下步驟：提供硅襯底，并在硅襯底上制備負(fù)性光刻膠層；對(duì)負(fù)性光刻膠層進(jìn)行圖形化；在圖形化后的負(fù)性光刻膠層上制備正對(duì)應(yīng)的正性光刻膠層；對(duì)制備的正性光刻膠層進(jìn)行加熱回流，以得到正性回流光刻膠層；利用正性回流光刻膠層以及圖形化后的負(fù)性光刻膠層對(duì)硅襯底進(jìn)行干法刻蝕，以在刻蝕后形成所需的硅微針陣列，其中，硅微針陣列包括分布于硅襯底上的微針體，微針體包括分布于硅襯底上的針體部以及位于針體部上的針頭部；去除上述正性回流光刻膠層以及圖形化后的負(fù)性光刻膠層。該方法需要首先使用圖案化負(fù)光刻膠作為初步掩膜，再用回流工藝正光刻膠生成弧形掩膜，在刻蝕結(jié)束后仍需要對(duì)光刻膠進(jìn)行后續(xù)去除，工藝流程繁瑣，工藝穩(wěn)定性不易控制。

4、cn109173039b公開了一種倒漏斗形硅基實(shí)心微針陣列的制備方法。該方法包括以下步驟：1)在單晶硅片上沉積正面氮化硅保護(hù)膜和反面氮化硅保護(hù)膜；2)在正面氮化硅保護(hù)膜上旋涂光刻膠進(jìn)行光刻，光刻后的光刻膠形成陣列狀的圓形遮擋膠膜；3)干法刻蝕掉暴露在遮擋膠膜外的正面氮化硅保護(hù)膜，露出單晶硅片；4)利用電感耦合等離子體刻蝕系統(tǒng)，采用深硅刻蝕bosch工藝，對(duì)單晶硅片進(jìn)行各向異性刻蝕，在單晶硅片上刻蝕出陣列狀的圓柱體；5)去除單晶硅片上遮擋膠膜；6)利用酸性腐蝕液對(duì)單晶硅片進(jìn)行各向同性濕法腐蝕，得到微針陣列。該方法需要首先使用圖案化光刻膠做為掩膜，通過bosch工藝生成微柱陣列，最后由濕法刻蝕形成針尖陣列，工藝流程繁瑣，工藝穩(wěn)定性不易控制。

5、cn115285931a公開了一種制備錐形硅基實(shí)心微針陣列的方法。該方法包括：(1)選取單拋單晶硅片，所述單拋單晶硅片包括彼此相反的拋光面和第二表面，在拋光面和第二表面上分別沉積氮化硅保護(hù)膜，利用磁控濺射在拋光面的氮化硅保護(hù)膜上鍍鋁保護(hù)膜；(2)利用光刻工藝將掩模板圖形轉(zhuǎn)移到拋光面的鋁保護(hù)膜上；(3)對(duì)鋁保護(hù)膜進(jìn)行刻蝕，對(duì)拋光面上的氮化硅保護(hù)膜進(jìn)行刻蝕；(4)對(duì)步驟(3)后硅片拋光面進(jìn)行各向異性刻蝕得到圓柱體陣列結(jié)構(gòu)；(5)對(duì)步驟(4)后的硅片進(jìn)行各向同性濕法腐蝕，刻蝕出徑向可控的錐形陣列結(jié)構(gòu)，腐蝕液置于冰水混合物槽中；(6)清洗步驟(5)后的硅片，去除硅片上殘余酸性腐蝕液。該方法采用了掩膜工藝和bosch-tapering兩步工藝，存在工藝流程繁瑣，工藝穩(wěn)定性不易控制等問題。

6、可以看出，現(xiàn)有技術(shù)制備微納米針尖陣列的工藝往往首先在生成圖案化掩膜技術(shù)上，采用正光刻膠或負(fù)光刻膠，通過光刻顯影方式生成圖案化掩膜；之后利用刻蝕技術(shù)生成微米級(jí)或者納米級(jí)圓柱陣列；隨后使用各向異性的濕法刻蝕方法形成針尖陣列?，F(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題：工藝步驟繁瑣，成本較高，參數(shù)控制困難，使用濕法刻蝕受界面組分和刻蝕液參數(shù)波動(dòng)較大，且環(huán)境條件要求高，安全風(fēng)險(xiǎn)較高；不易控制針尖陣列形貌，比較適用于加工數(shù)百微米級(jí)針尖陣列，但難以加工納米級(jí)至數(shù)微米級(jí)尺寸范圍的微針尖陣列；參數(shù)調(diào)整困難，制備不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸的針尖陣列需要大量參數(shù)優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)；難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模結(jié)構(gòu)的高效率快速制備，限制了微納米針尖陣列在實(shí)際器件的產(chǎn)業(yè)方向應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題中的至少之一，本發(fā)明的目的在于提供一種基于自組裝掩膜的高深寬比微納米針尖陣列及其制備方法。本發(fā)明能夠在高效率、低成本的情況下，制備得到大面積、靈活可調(diào)控的高深寬比微納米針尖陣列。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供了一種基于自組裝掩膜的高深寬比微納米針尖陣列的制備方法，其包括以下步驟：

3、s1：在硅晶圓表面形成緊密排列的自組裝微球，得到自組裝掩膜；

4、s2：采用icp刻蝕的方式對(duì)所述自組裝掩膜進(jìn)行刻蝕，得到圖案化掩膜；

5、s3：采用icp刻蝕的方式對(duì)所述圖案化掩膜進(jìn)行刻蝕，得到含有掩膜的微納米針尖陣列；

6、s4：去除所述含有掩膜的微納米針尖陣列中的掩膜，得到所述基于自組裝掩膜的高深寬比微納米針尖陣列。

7、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，優(yōu)選地，步驟s1包括：采用針管抽取微球的分散液；在容器中盛放超純水；將所述針管的一端連接注射泵、另一端連接軟管，將所述軟管搭接至所述容器中的超純水的液面，采用所述注射泵、針管和軟管將所述微球的分散液注射到所述容器中的超純水的液面；將含有十二烷基硫酸鈉的凝膠從一側(cè)液面邊緣浸入超純水1-60秒，使液面的微球形成緊密排列的結(jié)構(gòu)；將硅晶圓放置于液面的下方，再以與所述液面呈大于0°且在60°以下的角度的方向傾斜向上取出，緊密排列的自組裝微球轉(zhuǎn)移至硅晶圓的表面，干燥后，得到所述自組裝掩膜。

8、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，優(yōu)選地，在步驟s1中，所述微球包括聚苯乙烯微球、二氧化硅微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球和聚乙烯醇微球等中的一種或幾種的組合。

9、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，優(yōu)選地，在步驟s1中，所述微球的直徑為50nm-10μm。

10、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，優(yōu)選地，在步驟s1中，將所述微球的分散液注射到所述容器中的超純水的液面的注射速度為10-500μl/min。

11、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，優(yōu)選地，在步驟s1中，在硅晶圓表面形成緊密排列的自組裝微球?yàn)閱螌游⑶颉?/p>

12、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，優(yōu)選地，在步驟s2中，采用icp刻蝕的方式對(duì)所述自組裝掩膜進(jìn)行刻蝕的條件包括：上電極功率為30-500w，下電極功率為5-100w，壓強(qiáng)為1-50pa，刻蝕氣體為ar和/或o2，刻蝕氣體流量為10-150sccm，刻蝕時(shí)間為30-300s。

13、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，優(yōu)選地，在步驟s3中，采用icp刻蝕的方式對(duì)所述圖案化掩膜進(jìn)行刻蝕的條件包括：上電極功率為100-1500w，下電極功率為5-50w，壓強(qiáng)為1-50pa，以c4f8氣體作為鈍化氣體，以sf6氣體作為刻蝕氣體，二者交替進(jìn)行若干次循環(huán)。更優(yōu)選地，在單次循環(huán)中，c4f8氣體流量為10-200sccm，鈍化時(shí)間為5-50s，sf6氣體流量為10-200sccm，刻蝕時(shí)間為5-50s。更優(yōu)選地，所述若干次循環(huán)的次數(shù)為10-300次。

14、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，優(yōu)選地，步驟s4包括：將所述含有掩膜的微納米針尖陣列浸泡于超純水中進(jìn)行超聲清洗，以去除掩膜，得到所述的基于自組裝掩膜的高深寬比微納米針尖陣列。

15、本發(fā)明第二方面提供了一種基于自組裝掩膜的高深寬比微納米針尖陣列，其通過上述的制備方法制備得到的。

16、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，優(yōu)選地，所述基于自組裝掩膜的高深寬比微納米針尖陣列的深寬比為1:5至10:1。

17、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，優(yōu)選地，所述基于自組裝掩膜的高深寬比微納米針尖陣列中的針尖的頂端的直徑為10-30nm，針尖的底端的直徑為50nm-5μm。

18、根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式，優(yōu)選地，所述基于自組裝掩膜的高深寬比微納米針尖陣列中的相臨兩個(gè)針尖的底端之間的間距為100nm-10μm。

19、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案至少具有以下有益效果：

20、本發(fā)明研究了微球的自組裝技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大面積硅晶圓表面掩膜的快速制備，并可根據(jù)加工需求靈活調(diào)整掩膜尺寸，無(wú)需采用光刻工藝，對(duì)環(huán)境要求低，且成本低。本發(fā)明在此基礎(chǔ)上通過僅采用bosch工藝，通過調(diào)整icp工藝參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)向下刻蝕的同時(shí)形成傾斜角度，一步法實(shí)現(xiàn)高深寬比微納米針尖陣列的快速制備，并可根據(jù)需求靈活調(diào)整微針高度，加工工藝穩(wěn)定。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)所存在的工藝流程繁瑣，工藝步驟較多，制備成本較高等問題，避免了現(xiàn)有技術(shù)中的bosch-tapering兩步工藝方式，避免了制備圖案化光刻膠掩膜、干法刻蝕、濕法刻蝕的技術(shù)路徑，具有工藝成本低、參數(shù)易于調(diào)整、靈活性高、加工效率高、加工效果穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，本發(fā)明在高效率、快速、低成本的情況下，可制備得到大面積、靈活可調(diào)控的高深寬比微納米針尖陣列。本發(fā)明制備的高深寬比微納米針尖陣列可以廣泛應(yīng)用于光學(xué)器件、能源吸收與儲(chǔ)存器件、親疏水表面調(diào)控、液滴輸運(yùn)、生物傳感器、生物工程與生物制造等領(lǐng)域，具有關(guān)鍵的技術(shù)轉(zhuǎn)化價(jià)值。