專利名稱：大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用軟模壓印方法實現(xiàn)大面積微納結(jié)構(gòu)成形的新方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微納加工技術(shù)和納米材料的迅速發(fā)展，微納結(jié)構(gòu)的成形和圖形轉(zhuǎn)移正受到越來越多的關(guān)注。2003年2月，Technology Review報導(dǎo)指出將改變世界的十大新興技術(shù)中，其中一項便是納米轉(zhuǎn)印微影技術(shù)(Nanoimprint Lithography)。這樣一個納米轉(zhuǎn)印技術(shù)概念，可說是源自于日常生活中蓋印章的行為也就是將刻好印模的印章，沾上印泥用力壓印在平坦的物體表面上。此動作可將原來在印章上的圖案轉(zhuǎn)印到另外一件物體表面上。
納米轉(zhuǎn)印技術(shù)(Nanoimprint technology)是由美國普林斯頓大學(xué)S.Y.Chou教授在1996年所提出的一種想法，主要是針對發(fā)展100nm以下線寬的微影技術(shù)。此技術(shù)概念出發(fā)點為利用一在表面具有sub-100nm以下之納米結(jié)構(gòu)精密模板(mold)(可利用電子束直寫、X光或離子光刻技術(shù)等方式制作)，在一涂布熱塑性高分子材料(如PMMA)之基板上，將溫度提高至Tg點以上進(jìn)行此精密模板壓印(imprint)，使得此熱塑性高分子材料會隨著模板表面結(jié)構(gòu)而成形。待溫度冷卻之后高分子材料固化，移開模板，并以干蝕刻清除殘余抗蝕劑，進(jìn)而將模板上之圖案轉(zhuǎn)印至基板上。
上述技術(shù)通過硬的模板對高分子材料施壓實現(xiàn)納米級結(jié)構(gòu)的壓印成形，因此通常將該技術(shù)成為“硬壓印”技術(shù)。硬壓印技術(shù)通常需要對高分子有機(jī)物在加熱或者光照環(huán)境下進(jìn)行施壓，因此不需要構(gòu)建相應(yīng)的大型設(shè)備，但同時工藝參數(shù)的微小偏差都會導(dǎo)致大面積上結(jié)構(gòu)的不均勻。
為了克服上述問題，哈佛大學(xué)化學(xué)與生化系的George M.Whitesides教授發(fā)展了以軟膜為基礎(chǔ)的“軟壓印”納米轉(zhuǎn)印技術(shù)，該技術(shù)利用一種高分子材質(zhì)當(dāng)作模板，并將一種具有自我組裝功能的高分子材料(SAM，Self-Assembly Monomer)涂布在模板上，并涂滿SAM的模板與鍍金薄膜基板接觸微壓，而將模板之凸版處的SAM如墨水般印在基板的金薄膜上不需加溫。此SAM材料極易與金屬薄膜形成強(qiáng)鍵結(jié)合，故可在金屬薄膜上形成納米圖案。此技術(shù)結(jié)合Top-down的圖案定義及Bottom-up的自我組合成形，為兩種趨近納米尺寸技術(shù)的最佳結(jié)合。此外，由于PDMS模板具有可變形性，可適用于具曲率非平面的基板，在制作光學(xué)透鏡有較大彈性；然而上述方法的關(guān)鍵處在于SAM這層自組裝高分子材料，該材料在將SAM印在金屬薄膜上時，其SAM會如同墨水般之散開，而影響轉(zhuǎn)印的分辨率和線寬大小。目前國外可以實現(xiàn)的最小線寬約為50～100nm，遠(yuǎn)小于硬壓印技術(shù)可制備的結(jié)構(gòu)尺度，此外該技術(shù)對工藝的一致性要求很高，工藝操作過程中細(xì)微的偏差，如不同區(qū)域SAM膜的組裝時間、金膜與基底的黏結(jié)一致性等都將影響圖形的質(zhì)量的大面積范圍內(nèi)的一致性，因此無法快速和批量復(fù)制壓印。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法，該方法可在大面積范圍內(nèi)(可大于100mm)實現(xiàn)任意線條圖形結(jié)構(gòu)、特征尺寸從幾納米到幾微米甚至毫米的圖形結(jié)構(gòu)的快速、批量復(fù)制壓印，且大面積范圍內(nèi)具有高均勻性和一致性的特點。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法，其特點在于步驟如下(1)首先采用光刻方法在硬質(zhì)基底表面加工需要微納圖形結(jié)構(gòu)，作為硬質(zhì)模板；(2)在加工完成的硬質(zhì)模板表面涂預(yù)聚的有機(jī)材料PDMS，完成軟質(zhì)模板的制作；(3)將軟質(zhì)模板的非圖形面黏附于經(jīng)過雙面拋平的基片表面；(4)將黏附有軟質(zhì)模板的基片放置在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的吸盤上，并在軟質(zhì)模板的結(jié)構(gòu)面滴加有機(jī)材料抗蝕劑進(jìn)行旋涂，通過調(diào)節(jié)旋涂速度實現(xiàn)后續(xù)工藝中壓印有機(jī)材料抗蝕劑底膠厚度的控制以及底膠一致性的控制；(5)準(zhǔn)備經(jīng)過拋光的基片作為微納圖形承載片，將旋涂完后被有機(jī)材料抗蝕劑填充的軟質(zhì)模板從基片表面取下，并將軟質(zhì)模板的結(jié)構(gòu)面與基片的拋光面進(jìn)行緊密接觸；(6)將軟質(zhì)模板從基片表面掀掉，有機(jī)材料抗蝕劑材質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)將被遺留在基片表面；(7)對有機(jī)材料抗蝕劑結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱烘焙固化處理，并通過干法刻蝕工藝即可去除底膠或?qū)⑽⒓{圖形轉(zhuǎn)移至基底表面；(8)利用軟質(zhì)模板重復(fù)步驟(3)-(7)，即可實現(xiàn)快速批量微納結(jié)構(gòu)的制備。
所述的有機(jī)抗蝕劑為AZ系列光刻膠，如AZ3100等。
所述的有機(jī)材料抗蝕劑還可以采用傳統(tǒng)微電子工藝中的光致抗蝕劑代替。光致抗蝕劑為AZ系列光刻膠、或S系列光刻膠等如AZ3100、S1805等。
所述步驟(1)中的光刻方法為激光直寫、或電子束直寫、或聚焦離子束直寫。
所述步驟(4)中的旋涂速度為500轉(zhuǎn)/分鐘到8000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂厚度通常為50納米-2微米，與壓印有機(jī)材料的粘度有關(guān)。
所述的旋轉(zhuǎn)設(shè)備為甩膠機(jī)或可用于液體和膠體甩涂的設(shè)備，旋轉(zhuǎn)速度通常大于1500轉(zhuǎn)/每分鐘。
所述步驟(7)的中的熱烘焙溫度為60°～150°，烘焙設(shè)備通常為熱板和烘箱，熱烘焙固化時間為1分鐘-8個小時，熱烘焙溫度以及時間主要取決于有機(jī)抗蝕劑材料的工藝條件。
本發(fā)明與現(xiàn)有壓印技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(1)解決了大面積范圍內(nèi)高均勻性、一致性微納結(jié)構(gòu)的制備。
本發(fā)明將軟質(zhì)模具黏附在基片表面，通過旋涂有機(jī)材料抗蝕劑可以在軟模具表面獲得均勻性和一致性高度一致的膜層，將旋涂后的有機(jī)物結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至其它基片表面即可得到高度一致微納結(jié)構(gòu)，保證了大面積微納結(jié)構(gòu)的一致性；(2)解決了不同區(qū)域底膠厚度(留膜量)差異的問題。
旋涂是微電子工藝的關(guān)鍵步驟，通過控制旋涂速度可以有效控制微納結(jié)構(gòu)表面的膠層的厚度，進(jìn)而實現(xiàn)壓印完成后，結(jié)構(gòu)底膠(留膜量)的減小和控制；在微加工工藝中，只有留膜量一致的抗蝕劑微納結(jié)構(gòu)才可以進(jìn)行后續(xù)處理。因此，盡量減少留膜量以及保證一致的留膜量對壓印技術(shù)實用化具有非常重要的意義；(3)解決了大尺度結(jié)構(gòu)(例如大于20微米)與小尺寸結(jié)構(gòu)(例如小于50nm)同時壓印復(fù)制的問題。
無論在軟壓印技術(shù)中還是在硬壓印技術(shù)中，不同尺度結(jié)構(gòu)的同時壓印都存在嚴(yán)重問題。本發(fā)明采用在軟膜表面旋涂有機(jī)材料抗蝕劑的方法不僅不存在硬模壓印中模板對壓印膠擠壓涂布的過程，同時也避免了軟壓印中大特征尺寸區(qū)域軟質(zhì)模板與基底的直接接觸，因此可同時實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)和納結(jié)構(gòu)的同時復(fù)制。
(4)壓印過程不需要大型設(shè)備，本發(fā)明的壓印復(fù)制工藝與傳統(tǒng)微光刻工藝完全兼容。
從材料角度講本發(fā)明完全可采用傳統(tǒng)微電子工藝中的抗蝕劑作為壓印材料；從設(shè)備角度講本發(fā)明只涉及到傳統(tǒng)光刻工藝中的光刻甩涂設(shè)備不需要任何其它設(shè)備；從工藝角度講只需將傳統(tǒng)微電子工藝中的光刻替換為本發(fā)明方法即可實現(xiàn)大面積納米級微納結(jié)構(gòu)的制備。由于具有以上優(yōu)點，所以可用于各種微電子、微光學(xué)、亞波長表面等離子體結(jié)構(gòu)的壓印，為納米級結(jié)構(gòu)的批量制備和應(yīng)用提供了途徑。


圖1為本發(fā)明的實施例1中制作的硬質(zhì)模板的剖面圖，圖中包括100納米，20微米兩種不同特征尺寸的微納結(jié)構(gòu)。圖中1代表硬質(zhì)模板的材料硅。
圖2為發(fā)明的實施例1中制作的軟質(zhì)模板的剖面圖，圖中包括100納米，20微米兩種不同特征尺寸的微納結(jié)構(gòu)。圖中2代表軟質(zhì)模板的材料PDMS。
圖3為本發(fā)明在軟質(zhì)模板表面旋涂抗蝕劑AZ3100后的剖面圖，圖中2代表軟質(zhì)模板的材料PDMS，3代表用于黏附軟質(zhì)模板的平板基片，材料為K9玻璃，4為涂布的抗蝕劑AZ3100。
圖4為本發(fā)明將從平板基片表面掀起的PDMS軟模緊密壓制在石英基片表面。圖中2代表軟質(zhì)模板的材料PDMS，4為涂布的抗蝕劑AZ3100，5代表石英基片。
圖5為本發(fā)明去掉PDMS膜后，在石英表面得到的微納圖形，其中4為涂布的抗蝕劑AZ3100，5代表石英基片。
具體實施例方式
實施例1，通過本發(fā)明方法復(fù)制的線條特征尺寸100納米以及20微米的線條結(jié)構(gòu)，如圖1、2、3、4、5所示，其制作過程如下(1)首先采用現(xiàn)有電子束直寫制作微納結(jié)構(gòu)硬質(zhì)模板，線條特征尺寸分別為100nm和20微米，圖1為硬質(zhì)模板結(jié)構(gòu)剖面圖，1代表硬質(zhì)模板的材料硅；(2)將預(yù)聚的PDMS材料澆鑄于硬質(zhì)模板表面，形成軟質(zhì)的PDMS模板，剖面如圖2所示，2代表軟質(zhì)模板的材料PDMS；(3)將軟質(zhì)模板的非圖形面黏附于經(jīng)過雙面拋平的基片表面3；
(4)將黏附有軟質(zhì)模板的基片3放置于甩膠機(jī)吸盤上，滴加光刻膠AZ3100以4500轉(zhuǎn)/分鐘旋涂2分鐘，旋涂后的膜層結(jié)構(gòu)如圖3所示。3代表用于黏附軟質(zhì)模板的平板基片，材料為K9玻璃，4為涂布的抗蝕劑AZ3100；(5)從平板基片3表面取下軟質(zhì)模板2，并將其緊密壓制在拋光后的石英基片5表面，剖面結(jié)構(gòu)如圖4所示，2代表軟質(zhì)模板的材料PDMS，4為涂布的抗蝕劑AZ3100，5代表石英基片；(6)掀掉軟質(zhì)模板2后即可在石英基片表面5得到大面積均勻的微納結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其中4為涂布的抗蝕劑AZ3100，5代表石英基片；(7)對壓制后的微納結(jié)構(gòu)采用熱板105°進(jìn)行熱烘焙固化3分鐘。并采用傳統(tǒng)的干法刻蝕工藝進(jìn)行刻蝕傳遞，將壓印復(fù)制并固化處理后的抗蝕劑材質(zhì)微納結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為基底材質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)；(8)重復(fù)步驟(3)-(7)，即可實現(xiàn)大量的所需結(jié)構(gòu)的壓印制備。
權(quán)利要求
1.大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法，其特征在于步驟如下(1)首先采用光刻方法在硬質(zhì)基底表面加工需要微納圖形結(jié)構(gòu)，作為硬質(zhì)模板；(2)在加工完成的硬質(zhì)模板表面涂預(yù)聚的有機(jī)材料PDMS，完成軟質(zhì)模板的制作；(3)將軟質(zhì)模板的非圖形面黏附于經(jīng)過雙面拋平的基片表面；(4)將黏附有軟質(zhì)模板的基片放置在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的吸盤上，并在軟質(zhì)模板的結(jié)構(gòu)面滴加有機(jī)材料抗蝕劑進(jìn)行旋涂，通過調(diào)節(jié)旋涂速度實現(xiàn)后續(xù)工藝中壓印有機(jī)材料抗蝕劑底膠厚度的控制以及底膠一致性的控制；(5)準(zhǔn)備經(jīng)過拋光的基片作為微納圖形承載片，將旋涂完后被有機(jī)材料抗蝕劑填充的軟質(zhì)模板從基片表面取下，并將軟質(zhì)模板的結(jié)構(gòu)面與基片的拋光面進(jìn)行緊密接觸；(6)將軟質(zhì)模板從基片表面掀掉，有機(jī)材料抗蝕劑材質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)將被遺留在基片表面；(7)對有機(jī)材料抗蝕劑結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱烘焙固化處理，并通過干法刻蝕工藝即可去除底膠或?qū)⑽⒓{圖形轉(zhuǎn)移至基底表面；(8)利用軟質(zhì)模板重復(fù)步驟(3)-(7)，即可實現(xiàn)快速批量微納結(jié)構(gòu)的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法，其特征在于所述的有機(jī)材料抗蝕劑采用傳統(tǒng)微電子工藝中的光致抗蝕劑代替。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法，其特征在于所述步驟(1)中的光刻方法為激光直寫、或電子束直寫、或聚焦離子束直寫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法，其特征在于所述的有機(jī)抗蝕劑為AZ系列光刻膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法，其特征在于所述步驟(4)中的旋涂速度為500轉(zhuǎn)/分鐘-8000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂厚度取決于壓印有機(jī)材料的粘度，為50納米-2微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法，其特征在于所述的光致抗蝕劑為AZ系列光刻膠、或S系列光刻膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)設(shè)備為甩膠機(jī)或可用于液體和膠體甩涂的設(shè)備，旋轉(zhuǎn)速度通常大于1500轉(zhuǎn)/每分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法，其特征在于所述步驟(7)的中的熱烘焙溫度為60°～150°，熱烘焙固化時間為1分鐘-8個小時。
全文摘要
大面積微納結(jié)構(gòu)軟壓印方法首先采用光刻方法在硬質(zhì)基底表面加工需要微納圖形結(jié)構(gòu)，在加工完成的硬質(zhì)模板表面涂預(yù)聚的有機(jī)材料PDMS，完成軟質(zhì)模板的制作；將軟質(zhì)模板的非圖形面黏附于經(jīng)過雙面拋平的基片表面，并滴加有機(jī)材料抗蝕劑進(jìn)行旋涂，旋涂后從基片表面取下，并將軟質(zhì)模板的結(jié)構(gòu)面與基片的拋光面進(jìn)行緊密接觸；將軟質(zhì)模板從基片表面掀掉，有機(jī)材料抗蝕劑材質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)將被遺留在基片表面，進(jìn)行熱烘焙固化處理，并通過干法刻蝕工藝即可去除底膠或?qū)⑽⒓{圖形轉(zhuǎn)移至基底表面。本發(fā)明不僅解決了大面積范圍內(nèi)微納圖形的高保真度、高一致性壓印復(fù)制問題，減小了壓印微納圖形性的留膜量，可以實現(xiàn)特征尺寸從幾十微米到幾十納米范圍內(nèi)微納結(jié)構(gòu)的高精度復(fù)制。
文檔編號G03F7/00GK101051184SQ20071009910
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日
發(fā)明者董小春, 杜春雷, 史立芳, 羅先剛 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所