[发明专利]一种基于摩擦诱导选择性刻蚀的玻璃表面纳米加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及玻璃的微纳米加工方法。

背景技术

随着科技的进步，微纳米器件被广泛应用于生物技术、航空航天、汽车、军事、计算机与通信等领域。玻璃具有高透光性、绝缘性、生物适应性、低成本等优良特性，是制造微纳米器件的重要材料，常被用来加工光学元件、微纳米器件绝缘衬底、生物芯片、微流控芯片等。

根据不同的原理，目前应用于玻璃表面的微纳米加工方法主要有：(1)掩膜曝光技术：一般在玻璃表面镀Cr/Au作为掩膜，再涂光刻胶，烘干后利用光刻技术将图形传导至玻璃表面。此方法过程复杂，效率较低，每个步骤都影响最终的精度。而且光刻胶在长时间腐蚀过程中容易被HF溶液破坏，进而影响加工质量。(2)飞秒激光微加工技术：利用高数值孔径的聚焦物镜，将飞秒激光脉冲的能量准确地沉积在玻璃内部，使玻璃局部发生改性，可在玻璃内部加工光栅、微通道等结构。然而由于飞秒激光峰值功率极高，受自聚焦、色散等因素的影响，能量在空间上分布不均匀，使焦点处产生的改性区域不对称。并且随着加工速度增大，改性区域的均匀性也会越来越差。所以该方法加工效率和加工精度较低。(3)热压印技术：通过加热使玻璃软化以提高流动性，通过施加一定的外力，将模版压入基体，玻璃受挤压流动填充空腔，冷却后形成与模版对应的反向微结构。该方法受材料特性和压印参数等多种因素的影响，操作复杂。同时该方法严重依赖于模版的分辨率、热稳定性、抗粘着性、重复使用性，而模版的加工是一项低效率、高消耗的过程。总之，目前常用的玻璃加工方法均面临着低分辨率、低效率、操作复杂等挑战。伴随着微纳米器件微小化的发展趋势，当前的技术很难满足未来微纳米加工的要求。

近年来，包括原子力显微镜在内的扫描探针显微镜被逐渐应用到纳米加工领域。常见的扫描探针显微镜加工方法依赖于阳极氧化或摩擦化学氧化，很难应用于玻璃等绝缘体和氧化物表面的纳米加工。尽管如此，由于原子力显微镜具有多功能、高精度等优势，非常适用于纳米加工领域。因此，针对玻璃微纳米器件的需求，有必要开发一种基于原子力显微镜的简单、高效、精确的微纳米加工方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于摩擦诱导选择性刻蚀的玻璃表面纳米加工方法，该方法能在玻璃表面加工出台阶、斜面等纳米级三维结构，且其操作简单、成本低、效率高、加工精度高。

本发明为实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种基于摩擦诱导选择性刻蚀的玻璃表面纳米加工方法，其具体操作方法是：

A、将尖端为球状的扫描探针安装在原子力显微镜上，将清洗过的玻璃固定在样品台上，启动原子力显微镜，给探针施加定载荷F，或者变载荷F′，并使探针按照设定的扫描轨迹、扫描循环次数N和扫描速率v在玻璃表面进行扫描；所述的变载荷F′的最大值和定载荷F均不高于临界载荷F_c；

B、将扫描后的玻璃置于质量浓度为10-20％的HF溶液中，腐蚀5-15秒，即可。

本发明的机理和过程是：探针在扫描、施压过程中，玻璃表层受到低于或等于临界载荷F_c的压力。此种情形下，其垂直方向的正应力和水平方向的切应力诱导玻璃表层发生大量畸变。在后续的HF溶液腐蚀中，HF溶液优先扩散到畸变区域内部，玻璃所含的金属阳离子(如Al³⁺，Ca²⁺等)和HF溶液产生化学作用，在刻划区域生成难溶于HF溶液的产物(如AlF₃，CaF₂等)，从而阻止了HF溶液对刻划区域的进一步腐蚀。而未扫描区域在腐蚀过程中不存在优先扩散，不能生成难溶物充当掩膜，而是均匀地和HF溶液迅速发生反应被刻蚀掉，从而在扫描过的区域形成对应的凸结构。而施加的载荷F大于临界载荷F_c时，扫描刻划区域腐蚀后产生的凸结构不会明显增加。

本发明在实施中，需要首先确定加工的临界载荷F_c，高于F_c的载荷对加工不再产生有益的影响。临界载荷F_c可经过试验确定：即随着载荷F的增加，加工出的凸结构高度相应增加；当载荷F增加，而凸结构高度的增幅明显减少或不再增加时，对应的载荷F值即为临界载荷F_c。通常当载荷增加40％以上，而凸结构高度增加在2％以内时，可判定该载荷值即为临界载荷F_c。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：