CN101051184A - 大面积微纳结构软压印方法 - Google Patents

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大面积微纳结构软压印方法：首先采用光刻方法在硬质基底表面加工需要微纳图形结构，在加工完成的硬质模板表面涂预聚的有机材料PDMS，完成软质模板的制作；将软质模板的非图形面黏附于经过双面抛平的基片表面，并滴加有机材料抗蚀剂进行旋涂，旋涂后从基片表面取下，并将软质模板的结构面与基片的抛光面进行紧密接触；将软质模板从基片表面掀掉，有机材料抗蚀剂材质的微纳结构将被遗留在基片表面，进行热烘焙固化处理，并通过干法刻蚀工艺即可去除底胶或将微纳图形转移至基底表面。本发明不仅解决了大面积范围内微纳图形的高保真度、高一致性压印复制问题，减小了压印微纳图形性的留膜量，可以实现特征尺寸从几十微米到几十纳米范围内微纳结构的高精度复制。

Description

大面积微纳结构软压印方法
技术领域
本发明涉及一种利用软模压印方法实现大面积微纳结构成形的新方法。
背景技术
近年来，随着微纳加工技术和纳米材料的迅速发展，微纳结构的成形和图形转移正受到越来越多的关注。2003年2月，Technology Review报导指出：将改变世界的十大新兴技术中，其中一项便是纳米转印微影技术(Nanoimprint Lithography)。这样一个纳米转印技术概念，可说是源自于日常生活中盖印章的行为：也就是将刻好印模的印章，沾上印泥用力压印在平坦的物体表面上。此动作可将原来在印章上的图案转印到另外一件物体表面上。
纳米转印技术(Nanoimprint technology)是由美国普林斯顿大学S.Y.Chou教授在1996年所提出的一种想法，主要是针对发展100nm以下线宽的微影技术。此技术概念出发点为利用一在表面具有sub-100nm以下之纳米结构精密模板(mold)(可利用电子束直写、X光或离子光刻技术等方式制作)，在一涂布热塑性高分子材料(如PMMA)之基板上，将温度提高至Tg点以上进行此精密模板压印(imprint)，使得此热塑性高分子材料会随着模板表面结构而成形。待温度冷却之后高分子材料固化，移开模板，并以干蚀刻清除残余抗蚀剂，进而将模板上之图案转印至基板上。
上述技术通过硬的模板对高分子材料施压实现纳米级结构的压印成形，因此通常将该技术成为“硬压印”技术。硬压印技术通常需要对高分子有机物在加热或者光照环境下进行施压，因此不需要构建相应的大型设备，但同时工艺参数的微小偏差都会导致大面积上结构的不均匀。
为了克服上述问题，哈佛大学化学与生化系的George M.Whitesides教授发展了以软膜为基础的“软压印”纳米转印技术，该技术利用一种高分子材质当作模板，并将一种具有自我组装功能的高分子材料(SAM，Self-Assembly Monomer)涂布在模板上，并涂满SAM的模板与镀金薄膜基板接触微压，而将模板之凸版处的SAM如墨水般印在基板的金薄膜上不需加温。此SAM材料极易与金属薄膜形成强键结合，故可在金属薄膜上形成纳米图案。此技术结合Top-down的图案定义及Bottom-up的自我组合成形，为两种趋近纳米尺寸技术的最佳结合。此外，由于PDMS模板具有可变形性，可适用于具曲率非平面的基板，在制作光学透镜有较大弹性；
然而上述方法的关键处在于SAM这层自组装高分子材料，该材料在将SAM印在金属薄膜上时，其SAM会如同墨水般之散开，而影响转印的分辨率和线宽大小。目前国外可以实现的最小线宽约为50～100nm，远小于硬压印技术可制备的结构尺度，此外该技术对工艺的一致性要求很高，工艺操作过程中细微的偏差，如不同区域SAM膜的组装时间、金膜与基底的黏结一致性等都将影响图形的质量的大面积范围内的一致性，因此无法快速和批量复制压印。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种大面积微纳结构软压印方法，该方法可在大面积范围内(可大于100mm)实现任意线条图形结构、特征尺寸从几纳米到几微米甚至毫米的图形结构的快速、批量复制压印，且大面积范围内具有高均匀性和一致性的特点。
本发明的技术解决方案：大面积微纳结构软压印方法，其特点在于步骤如下：
(1)首先采用光刻方法在硬质基底表面加工需要微纳图形结构，作为硬质模板；
(2)在加工完成的硬质模板表面涂预聚的有机材料PDMS，完成软质模板的制作；
(3)将软质模板的非图形面黏附于经过双面抛平的基片表面；
(4)将黏附有软质模板的基片放置在旋转设备的吸盘上，并在软质模板的结构面滴加有机材料抗蚀剂进行旋涂，通过调节旋涂速度实现后续工艺中压印有机材料抗蚀剂底胶厚度的控制以及底胶一致性的控制；
(5)准备经过抛光的基片作为微纳图形承载片，将旋涂完后被有机材料抗蚀剂填充的软质模板从基片表面取下，并将软质模板的结构面与基片的抛光面进行紧密接触；
(6)将软质模板从基片表面掀掉，有机材料抗蚀剂材质的微纳结构将被遗留在基片表面；
(7)对有机材料抗蚀剂结构进行热烘焙固化处理，并通过干法刻蚀工艺即可去除底胶或将微纳图形转移至基底表面；
(8)利用软质模板重复步骤(3)-(7)，即可实现快速批量微纳结构的制备。
所述的有机抗蚀剂为AZ系列光刻胶，如AZ3100等。
所述的有机材料抗蚀剂还可以采用传统微电子工艺中的光致抗蚀剂代替。光致抗蚀剂为AZ系列光刻胶、或S系列光刻胶等如：AZ3100、S1805等。
所述步骤(1)中的光刻方法为：激光直写、或电子束直写、或聚焦离子束直写。
所述步骤(4)中的旋涂速度为500转/分钟到8000转/分钟，旋涂厚度通常为50纳米-2微米，与压印有机材料的粘度有关。
所述的旋转设备为甩胶机或可用于液体和胶体甩涂的设备，旋转速度通常大于1500转/每分钟。
所述步骤(7)的中的热烘焙温度为60°～150°，烘焙设备通常为热板和烘箱，热烘焙固化时间为1分钟-8个小时，热烘焙温度以及时间主要取决于有机抗蚀剂材料的工艺条件。
本发明与现有压印技术相比具有以下优点：
(1)解决了大面积范围内高均匀性、一致性微纳结构的制备。
本发明将软质模具黏附在基片表面，通过旋涂有机材料抗蚀剂可以在软模具表面获得均匀性和一致性高度一致的膜层，将旋涂后的有机物结构转移至其它基片表面即可得到高度一致微纳结构，保证了大面积微纳结构的一致性；
(2)解决了不同区域底胶厚度(留膜量)差异的问题。
旋涂是微电子工艺的关键步骤，通过控制旋涂速度可以有效控制微纳结构表面的胶层的厚度，进而实现压印完成后，结构底胶(留膜量)的减小和控制；在微加工工艺中，只有留膜量一致的抗蚀剂微纳结构才可以进行后续处理。因此，尽量减少留膜量以及保证一致的留膜量对压印技术实用化具有非常重要的意义；
(3)解决了大尺度结构(例如：大于20微米)与小尺寸结构(例如：小于50nm)同时压印复制的问题。
无论在软压印技术中还是在硬压印技术中，不同尺度结构的同时压印都存在严重问题。本发明采用在软膜表面旋涂有机材料抗蚀剂的方法不仅不存在硬模压印中模板对压印胶挤压涂布的过程，同时也避免了软压印中大特征尺寸区域软质模板与基底的直接接触，因此可同时实现微结构和纳结构的同时复制。
(4)压印过程不需要大型设备，本发明的压印复制工艺与传统微光刻工艺完全兼容。
从材料角度讲：本发明完全可采用传统微电子工艺中的抗蚀剂作为压印材料；从设备角度讲：本发明只涉及到传统光刻工艺中的光刻甩涂设备不需要任何其它设备；从工艺角度讲：只需将传统微电子工艺中的光刻替换为本发明方法即可实现大面积纳米级微纳结构的制备。由于具有以上优点，所以可用于各种微电子、微光学、亚波长表面等离子体结构的压印，为纳米级结构的批量制备和应用提供了途径。
附图说明
图1为本发明的实施例1中制作的硬质模板的剖面图，图中包括100纳米，20微米两种不同特征尺寸的微纳结构。图中1代表硬质模板的材料硅。
图2为发明的实施例1中制作的软质模板的剖面图，图中包括100纳米，20微米两种不同特征尺寸的微纳结构。图中2代表软质模板的材料PDMS。
图3为本发明在软质模板表面旋涂抗蚀剂AZ3100后的剖面图，图中2代表软质模板的材料PDMS，3代表用于黏附软质模板的平板基片，材料为K9玻璃，4为涂布的抗蚀剂AZ3100。
图4为本发明将从平板基片表面掀起的PDMS软模紧密压制在石英基片表面。图中2代表软质模板的材料PDMS，4为涂布的抗蚀剂AZ3100，5代表石英基片。
图5为本发明去掉PDMS膜后，在石英表面得到的微纳图形，其中4为涂布的抗蚀剂AZ3100，5代表石英基片。
具体实施方式
实施例1，通过本发明方法复制的线条特征尺寸100纳米以及20微米的线条结构，如图1、2、3、4、5所示，其制作过程如下：
(1)首先采用现有电子束直写制作微纳结构硬质模板，线条特征尺寸分别为100nm和20微米，图1为硬质模板结构剖面图，1代表硬质模板的材料硅；
(2)将预聚的PDMS材料浇铸于硬质模板表面，形成软质的PDMS模板，剖面如图2所示，2代表软质模板的材料PDMS；
(3)将软质模板的非图形面黏附于经过双面抛平的基片表面3；
(4)将黏附有软质模板的基片3放置于甩胶机吸盘上，滴加光刻胶AZ3100以4500转/分钟旋涂2分钟，旋涂后的膜层结构如图3所示。3代表用于黏附软质模板的平板基片，材料为K9玻璃，4为涂布的抗蚀剂AZ3100；
(5)从平板基片3表面取下软质模板2，并将其紧密压制在抛光后的石英基片5表面，剖面结构如图4所示，2代表软质模板的材料PDMS，4为涂布的抗蚀剂AZ3100，5代表石英基片；
(6)掀掉软质模板2后即可在石英基片表面5得到大面积均匀的微纳结构，如图5所示。其中4为涂布的抗蚀剂AZ3100，5代表石英基片；
(7)对压制后的微纳结构采用热板105°进行热烘焙固化3分钟。并采用传统的干法刻蚀工艺进行刻蚀传递，将压印复制并固化处理后的抗蚀剂材质微纳结构转化为基底材质的微纳结构；
(8)重复步骤(3)-(7)，即可实现大量的所需结构的压印制备。

Claims (8)

1、大面积微纳结构软压印方法，其特征在于步骤如下：
(1)首先采用光刻方法在硬质基底表面加工需要微纳图形结构，作为硬质模板；
(2)在加工完成的硬质模板表面涂预聚的有机材料PDMS，完成软质模板的制作；
(3)将软质模板的非图形面黏附于经过双面抛平的基片表面；
(4)将黏附有软质模板的基片放置在旋转设备的吸盘上，并在软质模板的结构面滴加有机材料抗蚀剂进行旋涂，通过调节旋涂速度实现后续工艺中压印有机材料抗蚀剂底胶厚度的控制以及底胶一致性的控制；
(5)准备经过抛光的基片作为微纳图形承载片，将旋涂完后被有机材料抗蚀剂填充的软质模板从基片表面取下，并将软质模板的结构面与基片的抛光面进行紧密接触；
(6)将软质模板从基片表面掀掉，有机材料抗蚀剂材质的微纳结构将被遗留在基片表面；
(7)对有机材料抗蚀剂结构进行热烘焙固化处理，并通过干法刻蚀工艺即可去除底胶或将微纳图形转移至基底表面；
(8)利用软质模板重复步骤(3)-(7)，即可实现快速批量微纳结构的制备。
2、根据权利要求1所述的大面积微纳结构软压印方法，其特征在于：所述的有机材料抗蚀剂采用传统微电子工艺中的光致抗蚀剂代替。
3、根据权利要求1所述的大面积微纳结构软压印方法，其特征在于：所述步骤(1)中的光刻方法为：激光直写、或电子束直写、或聚焦离子束直写。
4、根据权利要求1所述的大面积微纳结构软压印方法，其特征在于：所述的有机抗蚀剂为AZ系列光刻胶。
5、根据权利要求1所述的大面积微纳结构软压印方法，其特征在于：所述步骤(4)中的旋涂速度为500转/分钟-8000转/分钟，旋涂厚度取决于压印有机材料的粘度，为50纳米-2微米。
6、根据权利要求2所述的大面积微纳结构软压印方法，其特征在于：所述的光致抗蚀剂为AZ系列光刻胶、或S系列光刻胶。
7、根据权利要求1或2所述的大面积微纳结构软压印方法，其特征在于：所述的旋转设备为甩胶机或可用于液体和胶体甩涂的设备，旋转速度通常大于1500转/每分钟。
8、根据权利要求1或2所述的大面积微纳结构软压印方法，其特征在于：所述步骤(7)的中的热烘焙温度为60°～150°，热烘焙固化时间为1分钟-8个小时。
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