一种在非平整衬底表面制备纳米结构基质的方法技术

本发明专利技术公开一种在非平整衬底表面制备纳米结构基质的方法。该方法，包括如下步骤：１）在衬底上涂覆光刻胶的有机溶液并烘干，得到烘干后的光刻胶；２）将所述烘干后的光刻胶依次进行曝光、显影和定影，得到掩膜板；３）在ｐＨ值为１１－１４的条件下，将所述掩膜板水解，得到悬浮的掩膜板，洗净；４）用具有非平整表面的衬底捞起所述悬浮的掩膜板，烘干，沉积目标材料；５）去掉所述掩膜板，在所述具有非平整表面的衬底得到所述纳米结构基质。本发明专利技术利用ＰＭＭＡ薄膜的柔韧性将其作为软掩膜板和目标非平整表面的衬底紧密结合，在通过沉积指定的纳米材料，即可以在非平整表面得衬底上得到预先设计的指定材质的纳米结构，且此ＰＭＭＡ软掩膜板仍然可以重复使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米科技领域，涉及一种在非平整衬底表面制备纳米结构基质的方 法。
技术介绍
为了精确的控制制备得到的纳米结构的尺寸和形状，人们专利技术了众多由上而下的制备纳米结构的方法，例如紫外深紫外曝光系统，X射线曝光系统，电子束曝光系统，离子束 直写系统等。但是传统的曝光系统，由于光刻胶勻胶平整度的需求或者是曝光所用射线聚 焦的需求，一般都要求衬底为光滑平整的表面，而无法在诸如柱面，正三角柱面等非平整衬 底上进行微纳加工。而在诸多的光学器件和一些电子器件中，弯曲表面的微纳加工是一个很重要的步 骤。为了解决普通曝光系统无法在非平整表面进行微纳加工的缺陷，一些研究组专利技术了一 些其他的替代方法，例如通过在硬质薄膜上刻蚀纳米图形再进行金属沉积，或者是通过软 印章的方式进行压印等。但这些方法本身也存在着一些缺点，比如硬质薄膜掩膜板加工困 难，极易破碎且由于非紧密接触带来的衍射效应十分明显；而软印章的方式能够加工的纳 米结构的时候所适用的材料有限且无法精确进行位置和力量控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供。本专利技术提供的在非平整衬底表面制备纳米结构基质的方法，包括如下步骤1)在衬底上涂覆光刻胶的有机溶液并烘干，得到烘干后的光刻胶；2)将所述烘干后的光刻胶依次进行曝光、显影和定影，得到掩膜板；3)在pH值为11-14的条件下，将所述掩膜板水解，得到悬浮的掩膜板，洗净；4)用具有非平整表面的衬底捞起所述悬浮的掩膜板，烘干，沉积目标材料；5)去掉所述掩膜板，在所述具有非平整表面的衬底得到所述纳米结构基质。该方法的步骤1)中，所述构成衬底的材料为二氧化硅，所述衬底的厚度为 IOOnm lum，优选300nm ；所述光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯，所述聚甲基丙烯酸甲酯的重 均分子量为50，000 950，000,优选495，000或950，000,所述聚甲基丙烯酸甲酯的有机 溶液中，溶剂为氯仿和甲醚中的至少一种，所述聚甲基丙烯酸甲酯的有机溶液的质量百分 浓度为1_9%，优选或6%。涂覆步骤中，涂覆的方法为旋涂法；所述旋涂法中，转速为 2000 6000转/秒，优选2000转/秒或4000转/秒；烘干步骤中，温度为170_220°C，优 选180°C，时间为1 5分钟，优选2分钟或4分钟。不同厚度的光刻胶，其对应的烘胶、显 影和曝光步骤的工艺参数均有所不同，而厚度的不同则决定了掩膜板的开孔尺寸的分辨率 的不同，光刻胶分子量越小，越稀，则甩胶得到的PMMA厚度越薄，分辨率越高，但越容易损 坏，因此需要根据不同的需求选择不同的光刻胶。所述步骤2)曝光步骤中，曝光方法为电子束曝光，所述电子束的加速电压为IOKeV 20KeV，曝光剂量为70 210uAS/cm2 ；所述显影步骤中，显影时间为30秒 2分钟；所述定影步骤中，时间为30s 2分钟，优选1分钟。所述步骤3)中，所述pH值为11-14的条件为氢氧化钾水溶液，所述氢氧化钾水溶 液的浓度为0. 5-1. 5Mol/L，优选IMol/L，所述洗净步骤中，洗涤溶剂为去离子水。所述步骤4)烘干步骤中，温度为20-90°C，优选40°C。沉积步骤中，根据实验目的 的不同，可以选择不同的沉积方式和沉积材料，沉积的方法为氩离子溅射沉积法、激光溅射 沉积法、热蒸发沉积法或电子束热蒸发沉积法，优选热蒸发沉积法，所述目标材料选自金、 银、铜、钛和二氧化硅中的至少一种。当所述纳米结构基质的最小尺寸大于500nm时，所述步骤1)为在所述衬底上旋 涂所述聚甲基丙烯酸甲酯的有机溶液并在180°C烘干4分钟后，得到所述烘干后的光刻胶； 其中，所述聚甲基丙烯酸甲酯的有机溶液的质量百分浓度为6%，所述聚甲基丙烯酸甲酯的 重均分子量为950，000 ；所述烘干步骤中，温度为180°C，时间为4分钟；所述旋涂步骤中， 转速为4000转/秒；所述步骤2)为将所述烘干后的光刻胶依次进行电子束曝光、显影 和定影，得到所述掩膜板；所述电子束曝光步骤中，加速电压为15KeV，曝光剂量为150uAS/ cm2，显影时间为60秒，定影时间为一分钟；当所述纳米结构基质的最小尺寸为50-500nm之间时，所述步骤1)为在所述衬 底上旋涂所述聚甲基丙烯酸甲酯的有机溶液并在180°C烘干4分钟后，得到所述烘干后的 光刻胶；其中，所述聚甲基丙烯酸甲酯的有机溶液的质量百分浓度为1%，所述聚甲基丙烯 酸甲酯的重均分子量为950，000 ；所述烘干步骤中，温度为180°C，时间为2分钟；所述旋涂 步骤中，转速为2000转/秒；所述步骤2)为将所述烘干后的光刻胶依次进行电子束曝 光、显影和定影，得到所述掩膜板；所述电子束曝光步骤中，加速电压为IOKeV,曝光剂量为 100uAS/cm2,显影时间为60秒，定影时间为一分钟。上述方法的每个步骤中，为保证样品的洁净度，所有实验操作始终保持在100洁 净度的超净间中完成；所有与样品接触的器材均通过丙酮、无水乙醇、去离子超净水的超声 清洗；在样品的制备和电子束光刻操作中，均保持在仪器相应的高真空中；在样品的表征 过程中，样品始终保存在隔绝静电的密闭空间中。本专利技术中使用PMMA薄膜作为软掩膜板，具有以下优点=(I)PMMA作为电子束曝光 正胶，可以方便的使用深紫外或者是电子束曝光机进行纳米加工，制备出预先设计的高分 辨率的纳米结构的开孔。(2)PMMA薄膜具有较好的酸碱稳定性和热稳定性，以及很好的机械 强度，不容易在微纳加工的过程中变性或者损坏，且PMMA在碱性溶液中有轻微水解，方便 软掩膜板的脱附和转移。(3)PMMA软掩膜板具有很好的柔韧性，能够在水蒸发的过程中和非 平整的衬底紧密的结合，从而实现了掩膜板和衬底的键和，避免了硬质掩膜板的衍射问题。 (4) PMMA软模板在水溶液中可以轻易的从彻底上揭下来，且其开孔不容易堵塞，从而实现掩 膜板的重复使用。(5)PMMA作为软掩膜板，可以很方便的实现定位标记的制备，从而实现掩 膜板的定位沉积技术。本专利技术利用PMMA作为高分辨率电子束光刻胶的特性，可以很方便的在其上制备 小尺度的纳米开孔，而PMMA本身的柔韧性使得作为掩膜板时可实现和衬底的紧密结合，从 而避免了沉积过程中的衍射效应。本专利技术提供的制备纳米结构基质的方法，也适用于在传 统的平整表面衬底上进行制备。当使用硬质开窗支架将PMMA软掩膜板吸附在其之上，并预先在PMMA软掩膜板和目标衬底上做好相应的对准标记之后，可以实现软模板的定位纳米材料的沉积。使用对准技术，通过多次定位的叠加制备得到的具有周期性纳米结构的PMMA 软掩膜板，可以实现三维光子晶体的制备。通过在PMMA软掩膜板上预先设计好电极和线路 连接的纳米开孔，使用对准技术，可以可见原位的在纳米样品上无胶的制备电极和连线。本专利技术提供的在非平整衬底表面制备纳米结构基质的方法，是一种简单、通用的 在非平整表面衬底上制备任意材料纳米结构的方法。利用这种方法，可以轻易的制备线宽 小至40纳米的纳米结构，且没有明显的衍射现象。通过不同的沉积技术，可以适用于绝大 部分纳米材料的沉积。而本方法中使用的PMMA掩膜板亦可以多次重复使用。附图说明图1为本专利技术提供的利用PMMA薄膜作为软掩膜板在非平整衬底上制备任意材料 纳米结构的原理示意图。其中，图a为在覆盖有二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在非平整衬底表面制备纳米结构基质的方法，包括如下步骤：１）在衬底上涂覆光刻胶的有机溶液并烘干，得到烘干后的光刻胶；２）将所述烘干后的光刻胶依次进行曝光、显影和定影，得到掩膜板；３）在ｐＨ值为１１－１４的条件下，将所述掩膜板水解，得到悬浮的掩膜板，洗净；４）用具有非平整表面的衬底捞起所述悬浮的掩膜板，烘干，沉积目标材料；５）去掉所述掩膜板，在所述具有非平整表面的衬底得到所述纳米结构基质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡洪冰，张琨，于欣欣，王晓平，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]