專利名稱：微納加工方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，是涉及一種基于控制靜電場分布的微納加工方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
針對在微納光電子、半導(dǎo)體、微機械、生物芯片、微納生物探測等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的微納結(jié)構(gòu)，主流的微納加工技術(shù)主要有傳統(tǒng)的光刻技術(shù)、各種束寫技術(shù)以及納米壓印技術(shù)等。 采用光刻技術(shù)進(jìn)行微納加工，可高效率地實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)圖形的批量化制備。但是，在制備高面型精度的3D圖形方面，該光刻技術(shù)卻無能為力。同時，為防止光的衍射作用造成的圖形虛邊等不良影響，需掩膜板與圖形緊密壓合。由于，掩模板為平面的硬質(zhì)材料，因此只能在平面襯底上制備微納圖形，而在曲面襯底上制備微納結(jié)構(gòu)的則有較大難度。針對上述問題，各種束寫技術(shù)雖然可實現(xiàn)3D微納加工和曲面襯底微納加工,但是，與光刻技術(shù)相同，兩者均采用逐點寫入方式，加工效率較低。且，由于基于各種束寫技術(shù)的設(shè)備較為昂貴而復(fù)雜，因此該技術(shù)僅適合用于研究目的，難以應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。針對3D圖形微加工和曲面襯底微加工方面的問題，近幾年來剛興起一新型微納加工技術(shù)-納米壓印技術(shù)，其可實現(xiàn)平面圖形以及圓柱形襯底上的微納加工，具有效率高、加工成本低等優(yōu)點。但是，采用該納米壓印技術(shù)難以去除殘余的底膠，同時在球形以及表面有起伏的襯底上難以實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的加工制備。從而無法達(dá)到精確的實現(xiàn)微納加工，尤其是在3D圖形微加工和曲面襯底微加工方面。由此可知，如何低成本、高效率，高精確度的實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的加工，特別是3D微納結(jié)構(gòu)和曲面襯底微納結(jié)構(gòu)的加工，是目前急需解決的課題之一。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種微納加工方法和設(shè)備，以克服現(xiàn)有技術(shù)中無法實現(xiàn)在執(zhí)行微納加工過程中同時兼顧低成本、高效率、高清度的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案一種微納加工方法，包括獲取待微納加工的襯底的各項參數(shù)，并依據(jù)導(dǎo)體表面電場分布方式= ，
/ Citi
確定電極板的結(jié)構(gòu)；其中，各項參數(shù)包括所述襯底的襯底形狀、尺寸、導(dǎo)電性、預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)和襯底表面各位置處靜電場的電場強度E, η為靜電場的法向分量或徑向分量，H為電極板各位置處的平均曲率半徑；依據(jù)所述電極板的結(jié)構(gòu)和所述襯底的預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)，確定預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式對應(yīng)的電化學(xué)溶液的配置比例，并獲取所述電化學(xué)溶液；
依據(jù)預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式將所述電極板和襯底分別連接電流源的陽極或陰極，并將所述電極板和襯底的部分或全部依據(jù)相對方式放置于所述電化學(xué)溶液中；上電，在預(yù)設(shè)時間內(nèi)攪拌所述電化學(xué)溶液，使所述電化學(xué)溶液中的載流子向所述襯底上運動，獲得位于所述襯底上符合所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)的微納結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式包括電鍍沉積或電解刻蝕；當(dāng)所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式為電鍍沉積時，所述電極板與所述電流源的陽極連接，所述襯底與所述電流源的陰極連接；當(dāng)所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式為 電解刻蝕時，所述電極板與所述電流源的陰極連接，所述襯底與所述電流源的陽極連接。優(yōu)選的，所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式包括電鍍沉積或電解刻蝕；所述電化學(xué)溶液中的陽離子與對應(yīng)電鍍沉積或電解刻蝕的所述襯底的材料為同
一種元素。優(yōu)選的，包括在所述電化學(xué)溶液中相對平行正對放置、傾斜放置、垂直放置或偏移放置所述電極板與所述襯底；所述電極板與所述襯底的距離范圍為O IOm米。優(yōu)選的，依據(jù)所述待微納加工的襯底的各項參數(shù)，并依據(jù)導(dǎo)體表面電場分布方式確定的電極板的結(jié)構(gòu)具體為按照所述導(dǎo)體表面電場分布方式設(shè)置所述電極板表面上的微結(jié)構(gòu)圖形；以圓形、方形、多邊形，橢圓形，球形、橢球形、或各類不規(guī)則曲面中的任意一種形狀或任意組合形狀作為所述電極板的整體形狀；以帶通孔、通縫，孔或縫的輪廓作為所述電極板的閉合曲線；以導(dǎo)電材料；或者附有導(dǎo)電材料圖形的絕緣材料；或者附有導(dǎo)電材料的半導(dǎo)體材料構(gòu)成所述電極板；其中，所述電極板所占空間尺寸為Imm毫米X Imm毫米X O. Imm毫米到IOm米X IOm米X IOm米；所述電極板至少包括一個。優(yōu)選的，所述襯底由硅、鍺、砷化鎵、IT0、石墨烯、金屬、塑料、PMMA、PDMS，碳化硅、氮化硅或陶瓷材料構(gòu)成；所述襯底的形狀包括圓盤狀、直邊輪廓平板、曲線輪廓平板、橢球形、球形、拋物面狀、雙曲面狀、馬鞍面狀、圓柱面狀、指數(shù)面狀，三角函數(shù)面狀、鋸齒面狀、帶通孔或無通孔的平面形狀或曲面形狀；所述襯底所占空間尺寸為Imm毫米X Imm毫米X0. Imm毫米到IOm米X IOm米X IOm米。優(yōu)選的，所述電流源的電流范圍包括0mA毫安到1000A安；所述預(yù)設(shè)時間包括0 99999秒；其中，在所述預(yù)設(shè)時間內(nèi)，所述電流源的電流隨所述預(yù)設(shè)時間按直線、梳妝函數(shù)、周期門函數(shù)、三角函數(shù)、鋸齒波函數(shù)或指數(shù)函數(shù)的波形變化。優(yōu)選的，攪拌所述電化學(xué)溶液時的攪拌幅度低于所述電化學(xué)溶液的液面高度。優(yōu)選的，當(dāng)所述待微納加工的襯底為多個時，單次采用所述微納加工方法對一個所述待微納加工的襯底進(jìn)行微納加工；或者，單次同時對多個所述待微納加工的襯底進(jìn)行微納加工。—種微納加工設(shè)備,包括待微納加工的襯底；電極板，所述電極板依據(jù)待微納加工的襯底的各項參數(shù)，以及導(dǎo)體表面電場分布
方式= _2//確定結(jié)構(gòu)；
/ η
其中，各項參數(shù)包括所述襯底的襯底形狀、尺寸、導(dǎo)電性、預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)和襯底表面各部分靜電場的電場強度Ε, η為靜電場的法向分量或徑向分量，H為電極板個位置處的平均曲率半徑；溶液槽，所述溶液槽用于承載依據(jù)所述電極板的結(jié)構(gòu)和所述襯底的預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)，確定預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式對應(yīng)的配置比例的電化學(xué)溶液，以及部分或全部設(shè)置于所述電化學(xué)溶液中的所述電極板和襯底；電流源，所述電流源的陽極或陰極依據(jù)預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式將所述電極板和襯底分別連接；探入所述溶液槽內(nèi)的攪拌裝置，所述攪拌裝置探入所述電化學(xué)溶液的部分為絕緣體，當(dāng)所述電流源上電時，所述攪拌裝置在預(yù)設(shè)時間內(nèi)攪拌所述電化學(xué)溶液，使所述電化學(xué)溶液中的載流子在所述襯底上運動，獲得位于所述襯底上符合所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)的微納結(jié)構(gòu)。經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開了一種微納加工方法和設(shè)備。米用待微納加工的襯底的各項參數(shù)，并依據(jù)導(dǎo)體表面電場分布方式確定電極板的表面形貌和面積，及確定電極板的結(jié)構(gòu)；然后根據(jù)該電極板的結(jié)構(gòu)和待微納加工的襯底的預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)確定電化學(xué)溶液；再將分別連接電流源的陽極或陰極的電極板與襯底部分或全部按照相對方式放置于電化學(xué)溶液中，在通電后，在預(yù)設(shè)時間內(nèi)攪拌所述電化學(xué)溶液，利用該電化學(xué)溶液中的載流子制備位于所述襯底上符合所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)的微納結(jié)構(gòu)。上述本發(fā)明通過控制待微納加工的襯底表面靜電場分布來控制電化學(xué)溶液中的反應(yīng)離子，或者載流子向襯底各部位運動的速率，從而控制各個襯底相應(yīng)位置處按照預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式的速率，最終在該襯底上制備出具有一定面形分布的微納結(jié)構(gòu)。從而實現(xiàn)利用靜電場操控三維及曲面襯底微納結(jié)構(gòu)低成本、高效率、高清度成形的目的。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明實施例公開的控制靜電場分布的微納結(jié)構(gòu)電化學(xué)加工方法的原理示意圖；圖2為本發(fā)明實施例一公開的一種微納加工方法的流程圖；圖3為本發(fā)明實施例公開的在各種襯底上制作微納結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實施例公開的電極板結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明該實施例二公開的一種微納加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明實施例三公開的一種微納加工方法的流程圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。 本發(fā)明采用控制靜電場分布的電化學(xué)加工方法，根據(jù)襯底上待加工微納結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，結(jié)合靜電場在導(dǎo)體表面分布的微分方程，設(shè)計電極板結(jié)構(gòu)，并根據(jù)電極板和待微納加工結(jié)構(gòu)的性質(zhì)配置電化學(xué)溶液。并將電極板與襯底分別連接電流源的陽極和陰極，以正對方式置入電化學(xué)溶液中。在通電后使得電化學(xué)溶液中的載流子以不同速率向襯底的各個位置運動，并在襯底上被還原為金屬微納結(jié)構(gòu)。最后通過攪拌溶液，使得襯底表面附近的載流子得到及時補充。實現(xiàn)在任意面形的襯底上獲得任意二維或三維微納尺度圖形，以便于解決目前較流行的光刻技術(shù)與各種復(fù)制印刷技術(shù)，以及3D微納結(jié)構(gòu)難以加工的難題，同時解決了目前難以在曲面襯底上制備微納圖形的問題。具體過程通過以下實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例一如圖I所示，為控制靜電場分布的微納結(jié)構(gòu)電化學(xué)加工方法的原理示意圖，其中I為電極板，2為待加工襯底，3為要制備的微納結(jié)構(gòu)，4為虛擬靜電場在襯底附近強度分布，5為電場強度的顏色標(biāo)度尺，顏色越深代表場強越強，6為待加工襯底表面附近一平面(虛線位置處)上場強的輪廓曲線，7為電化學(xué)溶液中的載流子?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，為本發(fā)明實施例公開的一種微納加工方法的流程圖，主要包括以下步驟步驟S101，獲取待微納加工的襯底的各項參數(shù)，并依據(jù)導(dǎo)體表面電場分布方式 - _2//，確定電極板的結(jié)構(gòu)。
I: an在步驟SlOl中，各項參數(shù)包括所述襯底的襯底形狀、尺寸、導(dǎo)電性、預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)和襯底表面各部分靜電場的電場強度。在了^ = 中，E為襯底表面各部分靜電場的電場強度，η為靜電場的法向分量
/ OH
或徑向分量，H為電極板各位置處的平均曲率半徑。在該步驟SlOl中確定電極板的結(jié)構(gòu)時，根據(jù)電極板結(jié)構(gòu)表面為等勢面，并且電場線垂直于電極板表面的原理，結(jié)合上述給出的導(dǎo)體表面電場分布方式能夠得到具體的電極板，或者根據(jù)上述需要可以設(shè)計出對應(yīng)的電極板，從而使得在待微納加工的襯底表面得到預(yù)期的電場分布。步驟S102，依據(jù)所述電極板的結(jié)構(gòu)和所述襯底的預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)，確定預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式對應(yīng)的電化學(xué)溶液的配置比例，并獲取所述電化學(xué)溶液。在步驟S102中，預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式包括電鍍沉積和電解刻蝕。在確定電化學(xué)溶液的過程中，根據(jù)當(dāng)前的預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式，電鍍沉積或電解刻蝕確定對應(yīng)的電鍍化學(xué)溶液或電解化學(xué)溶液的配置比例，以及確定電鍍化學(xué)溶液或電解化學(xué)溶液中的陽離子，或者載流子與進(jìn)行電鍍沉積或電解刻蝕的所述襯底的材料為同一種元素。另外，配置而成的電化學(xué)溶液同時需要滿足其對溶液槽、電極極板、待加工襯底無腐蝕作用的要求。步驟S103，依據(jù)預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式將所述電極板和襯底分別連接電流源的陽極或陰極，并將所述電極板和襯底的部分或全部依據(jù)相對方式放置于所述電化學(xué)溶液
中。 在步驟S103中，所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式包括電鍍沉積或電解刻蝕；當(dāng)所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式為電鍍沉積時，所述電極板與所述電流源的陽極連接，所述襯底與所述電流源的陰極連接。當(dāng)所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式為電解刻蝕時，所述電極板與所述電流源的陰極連接，所述襯底與所述電流源的陽極連接。通過上述步驟S103將電極板與待微納加工的襯底部分或全部放于盛有電化學(xué)溶液的溶液槽內(nèi)，并通過不同的預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式是使電極板和待微納加工的襯底分別接電流源的正負(fù)兩極，從而在待微納加工的襯底表面形成穩(wěn)恒靜電場。另外，在步驟S103中所述電化學(xué)溶液中可采用相對平行正對放置、傾斜放置、垂直放置或偏移放置所述電極板與所述襯底，也就是說，電極板與襯底可平行正對放置、傾斜放置、垂直放置或偏移放置的方式放置于電化學(xué)溶液中；其中，電化學(xué)溶液可浸沒電極板和襯底，也可部分浸沒電極板和襯底；電極板與襯底距離可調(diào)，調(diào)整范圍為(TlOm米。在執(zhí)行步驟S103后，還進(jìn)一步的可以包括對電極板與襯底的相對位置進(jìn)行調(diào)整，以及對電流源的電流大小和上電方式進(jìn)行調(diào)整。步驟S104，上電，在預(yù)設(shè)時間內(nèi)攪拌所述電化學(xué)溶液，使所述電化學(xué)溶液中的載流子在所述襯底上運動，獲得位于所述襯底上符合所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)的微納結(jié)構(gòu)。在步驟S104中，通過上電后在預(yù)設(shè)時間內(nèi)攪拌電化學(xué)溶液，使所述電化學(xué)溶液中的載流子在所述襯底上運動，進(jìn)而通過構(gòu)成的電場在襯底不同位置處的強弱分布獲得相應(yīng)的電流密度分布，從而在襯底表面獲得不同的金屬沉積或刻蝕速度，最終得到位于所述襯底上符合所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)的微納結(jié)構(gòu)。其中，預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)的微納結(jié)構(gòu)既為預(yù)期面形的二維或三維微納圖形結(jié)構(gòu)。另外，在執(zhí)行步驟S104的過程中，通過攪拌電化學(xué)溶液，能夠使得襯底表面附近的載流子得到及時補充，以便于更充分的對襯底完成微納加工。在執(zhí)行步驟S104中，上電的電流源的電流范圍包括0mA毫安到100A安，且可調(diào)節(jié)。該電流源可以具體為穩(wěn)流源。該預(yù)設(shè)時間的范圍包括(T9999s秒；其中，在所述預(yù)設(shè)時間內(nèi)，所述電流源的電流隨所述預(yù)設(shè)時間按直線、梳妝函數(shù)、周期門函數(shù)、三角函數(shù)、鋸齒波函數(shù)或指數(shù)函數(shù)的波形變化。另外，在執(zhí)行步驟S104中的攪拌時，浸沒于電化學(xué)溶液部分的攪拌裝置為絕緣體，在其攪拌所述電化學(xué)溶液時的攪拌幅度低于所述電化學(xué)溶液的液面高度。通過執(zhí)行上述步驟S104，通過攪拌電化學(xué)溶液，使得載流子濃度均勻分布。然后再可控制的預(yù)設(shè)時間內(nèi)通電加工，最后，待加工的微納圖形滿足預(yù)期指標(biāo)時，斷電取出附有微納結(jié)構(gòu)的襯底。
在上述本發(fā)明該實施例公開的步驟SlOf S104中的方法中，通過采用控制靜電場分布的電化學(xué)加工方法，可在任意面形的襯底上獲得任意二維或三維微納尺度圖形。同時，從原理上完全不同于目前較流行的光刻技術(shù)與各種復(fù)制印刷技術(shù)，其分辨率不受衍射極限和模具尺寸的限制，能夠解決了 3D微納結(jié)構(gòu)難以加工的難題，同時解決了目前難以在曲面襯底上制備微納圖形的問題。另外，本發(fā)明該實施例公開的方法其加工效率較高，無需復(fù)雜設(shè)備，成本也較低，進(jìn)一步的實現(xiàn)利用靜電場操控三維及曲面襯底微納結(jié)構(gòu)低成本、高效率、高清度成形的目的。在上述本發(fā)明公開的實施例的基 礎(chǔ)上，需要說明的是需要進(jìn)行微納加工的襯底由硅、鍺、砷化鎵、ΙΤ0、石墨烯、金屬、塑料、PMMA、PDMS,碳化硅、氮化硅或陶瓷材料構(gòu)成；所述襯底的形狀包括圓盤狀、直邊輪廓平板、曲線輪廓平板、橢球形、球形、拋物面狀、雙曲面狀、馬鞍面狀、圓柱面狀、指數(shù)面狀，三角函數(shù)面狀、鋸齒面狀、帶通孔或無通孔的平面形狀或曲面形狀；所述襯底所占空間尺寸為Imm毫米X Imm毫米X0. Imm毫米到IOm米X IOm米X IOm米。當(dāng)所述待微納加工的襯底為多個時，單次采用所述微納加工方法對一個所述待微納加工的襯底進(jìn)行微納加工；或者，單次同時對多個所述待微納加工的襯底進(jìn)行微納加工。如圖3所示，為在各種襯底上制作微納結(jié)構(gòu)示意圖；其中，15為平面襯底，16為加工成型的微納結(jié)構(gòu)；17為規(guī)則曲面襯底，18為在該襯底上加工成型的微納結(jié)構(gòu)；19為不規(guī)則曲面襯底，20為在該襯底上加工成形的微納結(jié)構(gòu)。此外，執(zhí)行步驟SlOl中依據(jù)所述待微納加工的襯底的各項參數(shù)，并依據(jù)導(dǎo)體表面電場分布方式確定的電極板的結(jié)構(gòu)至少包括一個，也可以為兩個或多個，其具體為按照所述導(dǎo)體表面電場分布方式設(shè)置所述電極板表面上的微結(jié)構(gòu)圖形；以圓形、方形、多邊形，橢圓形，球形、橢球形、或各類不規(guī)則曲面中的任意一種形狀或任意組合形狀作為所述電極板的整體形狀；以帶通孔、通縫，孔或縫的輪廓作為所述電極板的閉合曲線；以導(dǎo)電材料；或者附有導(dǎo)電材料圖形的絕緣材料；或者附有導(dǎo)電材料的半導(dǎo)體材料構(gòu)成所述電極板；其中，所述電極板所占空間尺寸為Imm毫米X Imm毫米X O. Imm毫米到IOm米X IOm米X IOm米。也就是說，所述電極板可以為金屬、ΙΤ0、石墨烯等導(dǎo)電材料，也可為附有導(dǎo)電材料圖形的石英、玻璃、塑料、氮化硅、碳化硅、陶瓷等絕緣材料，還可為附有導(dǎo)電材料的硅、鍺、砷化鎵等半導(dǎo)體材料。該電極極板整體形狀可為圓形、方形、多邊形，橢圓形，球形、橢球形、各種不規(guī)則曲面以及此類形狀的各種組合。該電極極板可帶通孔、通縫，孔或縫的輪廓為閉合曲線。其電極板表面帶有的微結(jié)構(gòu)圖形，圖形的材料、形狀、尺寸、周期或非周期等性質(zhì)根據(jù)預(yù)期加工的結(jié)果獲得，或進(jìn)行設(shè)計。如圖4所示，為電極板結(jié)構(gòu)示意圖；圖中12為電極板襯底，13為電極板表面結(jié)構(gòu)，14為電極板通孔；電極板襯底可為半導(dǎo)體、絕緣體、導(dǎo)體等各種材料,表面微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)體材料。電極板并非僅為示意圖一種形式，根據(jù)具體設(shè)計需要，可有任意變化。上述本發(fā)明公開的實施例中詳細(xì)描述了微納加工方法，對于本發(fā)明的方法可采用多種形式的設(shè)備實現(xiàn)，因此本發(fā)明還公開了一種微納加工設(shè)備，下面給出具體的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例二如圖5所示，為本發(fā)明該實施例公開的一種微納加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括電極板1，襯底2，電化學(xué)溶液8，溶液槽9，攪拌裝置10和電流源11。
該襯底2為待微納加工的襯底。所述電極板I依據(jù)待微納加工的襯底2的各項參數(shù)，以及導(dǎo)體表面電場分布方式I 3/ι
= _2//確定結(jié)構(gòu)；
η其中，各項參數(shù)包括所述襯底2的襯底形狀、尺寸、導(dǎo)電性、預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)和襯底表面各部分靜電場的電場強度Ε, η為靜電場的法向分量或徑向分量，H為靜電場的平均曲率半徑。所述溶液槽9用于承載依據(jù)所述電極板I的結(jié)構(gòu)和所述襯底2的預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)，確定預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式對應(yīng)的配置比例的電化學(xué)溶液8，以及部分或全部設(shè)置于所述電化學(xué)溶液8中的所述電極板I和襯底2 ；所述電流源11的陽極或陰極依據(jù)預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式將所述電極板I和襯底2分別連接。探入所述溶液槽9內(nèi)的攪拌裝置10，所述攪拌裝置10探入所述電化學(xué)溶液8的部分為絕緣體，當(dāng)所述電流源11上電時，所述攪拌裝置10在預(yù)設(shè)時間內(nèi)攪拌所述電化學(xué)溶液8，使所述電化學(xué)溶液8中的載流子在所述襯底2上運動，獲得位于所述襯底2上符合所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)的微納結(jié)構(gòu)3。上述各個部件或裝置中的具體執(zhí)行過程，以及各個執(zhí)行部件之間的限定可參見上述對應(yīng)的方法實施例。這里不再贅述。上述本發(fā)明所公開的微納加工設(shè)備，其通過控制待微納加工的襯底表面靜電場分布來控制電化學(xué)溶液中的反應(yīng)離子，或者載流子向襯底各部位運動的速率，從而控制各個襯底相應(yīng)位置處按照預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式的速率，最終在該襯底上制備出具有一定面形分布的微納結(jié)構(gòu)。從而實現(xiàn)利用靜電場操控三維及曲面襯底微納結(jié)構(gòu)低成本、高效率、高清度成形的目的。實施例三基于上述實施例一中公開的微納加工方法和實施例二中公開的微納加工設(shè)備。由于所要加工的微納結(jié)構(gòu)材料種類很多，本實施例給出一具體實例。在本實施例僅以在平面金襯底上沉積銅微納結(jié)構(gòu)圖形為例，另外需要說明的是，其它材料微納結(jié)構(gòu)的制作，通過更換電化學(xué)溶液和電極板，按以下具體操作方式，同樣可以實現(xiàn)。本發(fā)明該實施例的所基于的微納加工如圖5所示，其中，要制備的微納結(jié)構(gòu)3為沉積銅微納結(jié)構(gòu)，電化學(xué)溶液8為鍍銅液，電極板1，襯底2，溶液槽9，攪拌裝置10和電流源11。
本發(fā)明該實施例的操作流程如圖6所示，主要包括以下步驟步驟S201，用表面附有圓環(huán)結(jié)構(gòu)的銅板作為電極板1，其中，銅板厚Imm毫米，直徑IOmm毫米，圓環(huán)外直徑400 μ m微米，內(nèi)直徑300 μ m微米，圓環(huán)中心,位于銅板邊緣2mm毫米處，圓環(huán)突出銅板表面O. 3mm毫米。步驟S202，依據(jù)步驟S201中的銅板作為電極板1，這里以沉積銅微納結(jié)構(gòu)3為例，由此執(zhí)行步驟S202配制鍍銅液的電化學(xué)溶液8。步驟S203，將電極板I接電流源11正極，襯底2接電流源11的負(fù)極，并將電極板I和襯底2同時置于鍍銅液8中。 步驟S204，調(diào)整電極板I與襯底性2處于平行正對位置。其中，使兩者相距O. 2mm毫米。步驟S205,上電,通電加工IOmin分鐘。其中，所述電流源的電流隨所述預(yù)設(shè)時間的變化為(Tlmin內(nèi)電流3A, l 2min內(nèi)電流2A, 2" Omin內(nèi)電流1A。該變化可具體通過通電
加工程序?qū)崿F(xiàn)。步驟S206，在通電過程中，攪拌電化學(xué)溶液，使得載流子分布盡可能均勻，通電程序結(jié)束，斷電取出附有微納結(jié)構(gòu)的襯底。綜上所述通過上述本發(fā)明各個實施例公開的微納加工方法和設(shè)備，通過采用控制靜電場分布的電化學(xué)加工方法，可在任意面形的襯底上獲得任意二維或三維微納尺度圖形。同時，采用并非傳統(tǒng)的金屬平板，而是表面具有圖形的電極板；以及在實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)加工的過程中無掩膜制作；以及在襯底上無需事先制備光刻膠或其他聚合物圖形模板。最后通過控制靜電場分布來控制電流密度分布，進(jìn)而控制不同區(qū)域金屬沉積或刻蝕速度，最終獲得預(yù)期的任意形貌微結(jié)構(gòu)，從原理上完全不同于目前較流行的光刻技術(shù)與各種復(fù)制印刷技術(shù)，其分辨率不受衍射極限和模具尺寸的限制，能夠解決了 3D微納結(jié)構(gòu)難以加工的難題，同時解決了目前難以在曲面襯底上制備微納圖形的問題。另外，本發(fā)明該實施例公開的方法其加工效率較高，無需復(fù)雜設(shè)備，成本也較低，進(jìn)一步的實現(xiàn)利用靜電場操控三維及曲面襯底微納結(jié)構(gòu)低成本、高效率、高清度成形的目的。本說明書中各個實施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種微納加工方法，其特征在于，包括 獲取待微納加工的襯底的各項參數(shù)，并依據(jù)導(dǎo)體表面電場分布方式+ = -2//確定電極板的結(jié)構(gòu)； 其中，各項參數(shù)包括所述襯底的襯底形狀、尺寸、導(dǎo)電性、預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)和襯底表面各位置處靜電場的電場強度E，n為靜電場的法向分量或徑向分量，H為電極板各位置處的平均曲率半徑； 依據(jù)所述電極板的結(jié)構(gòu)和所述襯底的預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)，確定預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式對應(yīng)的電化學(xué)溶液的配置比例，并獲取所述電化學(xué)溶液； 依據(jù)預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式將所述電極板和襯底分別連接電流源的陽極或陰極，并將所述電極板和襯底的部分或全部依據(jù)相對方式放置于所述電化學(xué)溶液中； 上電，在預(yù)設(shè)時間內(nèi)攪拌所述電化學(xué)溶液，使所述電化學(xué)溶液中的載流子向所述襯底上運動，獲得位于所述襯底上符合所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)的微納結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式包括電鍍沉積或電解刻蝕； 當(dāng)所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式為電鍍沉積時，所述電極板與所述電流源的陽極連接，所述襯底與所述電流源的陰極連接； 當(dāng)所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式為電解刻蝕時，所述電極板與所述電流源的陰極連接，所述襯底與所述電流源的陽極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式包括電鍍沉積或電解刻蝕； 所述電化學(xué)溶液中的陽離子與對應(yīng)電鍍沉積或電解刻蝕的所述襯底的材料為同ー種元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，包括在所述電化學(xué)溶液中相對平行正對放置、傾斜放置、垂直放置或偏移放置所述電極板與所述襯底； 所述電極板與所述襯底的距離范圍為(TlOm米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，依據(jù)所述待微納加工的襯底的各項參數(shù)，并依據(jù)導(dǎo)體表面電場分布方式確定的電極板的結(jié)構(gòu)具體為 按照所述導(dǎo)體表面電場分布方式設(shè)置所述電極板表面上的微結(jié)構(gòu)圖形； 以圓形、方形、多邊形，橢圓形，球形、橢球形、或各類不規(guī)則曲面中的任意ー種形狀或任意組合形狀作為所述電極板的整體形狀； 以帶通孔、通縫，孔或縫的輪廓作為所述電極板的閉合曲線； 以導(dǎo)電材料；或者附有導(dǎo)電材料圖形的絕緣材料；或者附有導(dǎo)電材料的半導(dǎo)體材料構(gòu)成所述電極板； 其中，所述電極板所占空間尺寸為Imm毫米X Imm毫米X0. Imm毫米到IOm米XlOm米X IOm米；所述電極板至少包括ー個。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述襯底由硅、鍺、神化鎵、ITO、石墨烯、金屬、塑料、PMMA、PDMS，碳化硅、氮化硅或陶瓷材料構(gòu)成； 所述襯底的形狀包括圓盤狀、直邊輪廓平板、曲線輪廓平板、橢球形、球形、拋物面狀、雙曲面狀、馬鞍面狀、圓柱面狀、指數(shù)面狀，三角函數(shù)面狀、鋸齒面狀、帶通孔或無通孔的平面形狀或曲面形狀； 所述襯底所占空間尺寸為Imm毫米X Imm毫米XO. Imm毫米到IOm米X IOm米X IOm米。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述電流源的電流范圍包括0mA毫安到1000A 安； 所述預(yù)設(shè)時間包括0 99999秒； 其中，在所述預(yù)設(shè)時間內(nèi)，所述電流源的電流隨所述預(yù)設(shè)時間按直線、梳妝函數(shù)、周期門函數(shù)、三角函數(shù)、鋸齒波函數(shù)或指數(shù)函數(shù)的波形變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，攪拌所述電化學(xué)溶液時的攪拌幅度低于所述電化學(xué)溶液的液面高度。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述待微納加工的襯底為多個時，單次采用所述微納加工方法對一個所述待微納加工的襯底進(jìn)行微納加工；或者，單次同時對多個所述待微納加工的襯底進(jìn)行微納加工。
10.一種微納加工設(shè)備,其特征在于,包括 待微納加工的襯底； 電極板，所述電極板依據(jù)待微納加工的襯底的各項參數(shù)，以及導(dǎo)體表面電場分布方式 確定結(jié)構(gòu)；/: an 其中，各項參數(shù)包括所述襯底的襯底形狀、尺寸、導(dǎo)電性、預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)和襯底表面各部分靜電場的電場強度E, n為靜電場的法向分量或徑向分量，H為電極板個位置處的平均曲率半徑； 溶液槽，所述溶液槽用于承載依據(jù)所述電極板的結(jié)構(gòu)和所述襯底的預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)，確定預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式對應(yīng)的配置比例的電化學(xué)溶液，以及部分或全部設(shè)置于所述電化學(xué)溶液中的所述電極板和襯底； 電流源，所述電流源的陽極或陰極依據(jù)預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)的方式將所述電極板和襯底分別連接； 探入所述溶液槽內(nèi)的攪拌裝置，所述攪拌裝置探入所述電化學(xué)溶液的部分為絕緣體，當(dāng)所述電流源上電時，所述攪拌裝置在預(yù)設(shè)時間內(nèi)攪拌所述電化學(xué)溶液，使所述電化學(xué)溶液中的載流子在所述襯底上運動，獲得位于所述襯底上符合所述預(yù)設(shè)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)的微納結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微納加工方法和設(shè)備。采用待加工襯底的各項參數(shù)，并依據(jù)導(dǎo)體表面電場分布方式確定電極板的結(jié)構(gòu)；然后根據(jù)該電極板的結(jié)構(gòu)和待加工襯底上預(yù)加工微納結(jié)構(gòu)指標(biāo)確定電化學(xué)溶液；再將分別連接電流源的陽極或陰極的電極板與襯底按照相對方式放置于電化學(xué)溶液中，通電后，在預(yù)設(shè)時間內(nèi)攪拌所述電化學(xué)溶液，利用該電化學(xué)溶液中的載流子制備位于所述襯底上符合所述預(yù)設(shè)指標(biāo)的微納結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過控制待微納加工的襯底表面靜電場分布來控制電化學(xué)溶液中的反應(yīng)離子，最終在該襯底上制備出具有一定面形分布的微納結(jié)構(gòu)。從而實現(xiàn)利用靜電場操控三維及曲面襯底微納結(jié)構(gòu)低成本、高效率、高精度成形的目的。
文檔編號C25F3/00GK102766892SQ20121028472
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者史浩飛, 夏良平, 張為國, 杜春雷, 董小春 申請人:重慶綠色智能技術(shù)研究院