CN101126896B - 一种基于pdms模板和银板材料的超分辨光刻方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻方法：在基底表面蒸镀与基底黏结能力较弱的金属膜层，并在其表面制作目标微纳结构；将PDMS与固化剂进行混合，并浇铸于金属膜层表面；在25-95℃的环境中固化，形成弹性膜；掀起PDMS膜，去除黏附在PDMS膜表面的金属膜层，目标微纳结构将镶嵌与PDMS膜层内部，在PDMS表面分别旋涂厚度10～100nm的保护层，形成超分辨光刻掩模；在另一基片表面涂布光刻胶，并蒸镀厚度10～100nm的金属银；将形成的超分辨光刻掩模的图形面与光刻胶表面的金属银精密贴合，并进行曝光移除超分辨光刻掩模，去除银膜，并对光刻胶进行显影，显影后即可形成需要的目标图形。本发明不仅分辨率大大提高，降低了传统光刻的复杂程度，并且利用PDMS材料的弹性，还可以利用该材料在曲面表面实现微纳结构的成形。

Description

一种基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻方法
技术领域
本发明属于微纳结构加工技术领域，具体地说是一种基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻方法。
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，微纳金属结构的电磁学性质正受到越来越多的关注。光与表面微纳金属结构的相互作用产生了一系列新的奇异物理现象。例如，1998年法国科学家Ebbesen及其合作者发现通过亚波长金属孔列阵的光的异常增强现象(Extraordinary Optical Transmission)。H.J.Lezec等人的研究进一步表明：当光透过亚波长金属纳米孔时，其透过率不仅可以得到增强，而且光束的衍射角度非常小，传输方向不遵循通常电介质结构中的衍射规律。此外，与表面等离子体金属微纳结构有关新现象还有：光与特殊分布的金属微结构作用后，出现沿左手规则传播的特性，说明材料具有负折射率；光通过特定金属纳米孔结构后，光波出射具有极好的方向性等等。微纳金属结构表面等离子体波的研究已经形成一个新的领域。基于微纳金属结构的新型表面等离子体技术可以被广泛应用于军事、医疗、国家安全等多个领域。
光刻技术是一个国家经济、科技实力的综合体现，现有的浸没式193nm光刻技术已经可以使光刻分辨率达到100nm。然而进一步减小特征尺寸，提高分辨率不仅给光刻技术和设备提出了更加苛刻的要求，同时新型光刻系统的研制成本也在急剧增大，以至于这一领域的研究需要美国、日本以及欧盟乃至全世界来合作开发。2005年，美籍华人张翔等人进行了基于银板的超分辨成像报道，为采用简单装置实现高分辨率成像提供了途径。张翔的报道中采用三明治式的结构进行成像，物体和光刻结果处在同一基片表面，因此实验方案只能用于解释物理现象，而无法真正的用于纳结构。鉴于这种情况，本发明提出了一种基于软膜PDMS和银板透镜相结合的光刻方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有光刻技术很难实现批量纳米级结构光刻成形的问题，提供一种基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻方法，该方法实现了实际微纳结构的批量制作，适用于从十几纳米到毫米的各种不同尺度结构的制备，不仅分辨率大大提高，且降低了传统光刻的复杂程度。
本发明的技术方案：一种基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻方法，其特点在于步骤如下：
(1)在基底表面蒸镀与基底黏结能力较弱的金属膜层，并在金属膜层表面制备需要的目标微纳结构；
(2)将PDMS与固化剂进行混合，并浇铸于携带有目标微纳结构的金属膜层表面；
(3)在25-95℃的环境中固化1～5小时后，使PDMS材料固化交连，形成弹性膜；
(4)掀起PDMS膜，由于金属膜层与基底的黏结力很差，因此目标微纳结构及金属膜层均随PDMS膜被掀起；
(5)去除黏附在PDMS膜表面的金属膜层，目标微纳结构将镶嵌与PDMS膜层内部，在PDMS表面分别旋涂厚度10～100nm的保护层和间隔层，形成超分辨光刻掩模；
(6)在另一基片表面涂布光刻胶，并蒸镀厚度10～100nm的金属银；
(7)将步骤(5)形成的超分辨光刻掩模的图形面与步骤(6)中光刻胶表面的金属银紧密贴合，并进行曝光移除超分辨光刻掩模，去除银膜，并对光刻胶进行显影，显影后即可形成需要的目标图形。
所述步骤(1)中与基底黏结力较弱的金属膜层的材料为金、或银、或铝。
所述步骤(1)中的目标微纳结构材质为铬、或金、或银、或铜。
所述步骤(1)中目标微纳结构材质与金属膜层的材质不相同。
所述步骤(1)和步骤(6)中的基底可以为红外材料如：硅、锗等；也可以为可见光波段的材料，如：玻璃、石英等。
所述步骤(2)中的固化剂与PDMS的混合比例为1∶2到1∶20。
所述浇铸于携带有目标微纳结构的金属膜层表面的厚度为几微米到几毫米。
所述步骤(5)中PDMS表面的保护层和间隔层的材料为PDMS，或PMMA，或光刻胶。
所述步骤(6)中光刻胶表面为一层金属银，或金属银膜和其它介质膜层相互交叉形成的多层膜结构。
所述步骤(6)中光刻胶的厚度从几十纳米到几微米。
所述步骤(7)中的曝光时间为从几分钟到约1小时。
本发明与现有技术相比具有的有益效果在于：
(1)与张翔银板光刻成像结构相比：本发明光刻后的微纳结构与掩模结构位于不同的基底表面，因此可用于实际微纳结构的批量制作，同时采用镶嵌有金属微纳结构的PDMS膜作为掩模，还可以用于曲面表面光刻结构的制作。而张翔的成像结构只能用于物理原理的演示，而很难用于实际结构的批量制作。
(2)与纳米压印技术相比：本发明不需要对掩模结构施加很大的压力，由于不同尺度的结构在压印过程中排出的胶量不通，因此纳米压印存在大尺度结构和小尺度结构无法同时成形的问题，本发明从原则上讲，仍然属于光刻范畴，微纳结构成形过程中不需要对抗蚀剂进行挤压，因此可以实现从十几纳米到毫米的各种不同尺度结构的制备。
(3)本发明的方法提高了光刻分辨率，为简化了光刻设备的复杂程度提供了良好的途径。
附图说明
图1为本发明的实施例—在石英材料表面蒸镀10nm金属银，并采用传统光刻技术和lift-off工艺在银膜表面加工铬结构后的图形；
图2为本发明的实施例中将PDMS浇铸于金膜表面后获得的结构；
图3为本发明的实施例中掀起PDMS膜，并去掉金属金膜，然后再涂布20nmPMMA作为保护层和间隔层后得到的超分辨光刻掩膜结构；
图4为本发明在另一块玻璃基片表面涂布200nm厚的光刻胶，并蒸镀厚度50nm的金属银膜作为成像透镜后形成的结构；
图5为将超分辨掩模的保护层面与玻璃基片表面的银膜精密接触后的剖面结构在金属铬微纳沟槽结构表面添加连续面形抗蚀剂结构；
图6为显影后得到与金属铬掩模结构相对应的光刻图形。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下列实施例，应包括权利要求书中的全部内容。
本发明中的金属种类(如金属金、银、铝等)都具有相同的作用，其所述步骤中不同材质铬、或金、或银、或铜的目标微纳结构都具有相同的处理工艺，以及本发明中的基底材料选择红外材料以及可见光材料也都具有相同的工艺步骤，因此本发明只给出一个实施例，其它实施方式与该实施例完全相似。
本发明的具体步骤如下：
(1)首先选择石英材料1作为基底材料，在石英材料1表面蒸镀10nm金属金膜2，并采用现有电子术直写技术结合lift-off工艺在金属金膜2表面加工稍后制作掩模图形的金属铬微纳结构3，如图1所示；
(2)将PDMS材料4与PDMS固化剂进行混合，PDMS与固化剂的混合比例为10∶1，并浇铸于携带有金属铬微纳结构3的金属金膜2表面，如图2所示；
(3)在60℃的环境中固化2.5小时后，使PDMS材料固化交连，形成弹性膜；
(4)掀起PDMS膜，由于金属金膜与基底的黏结力很差，因此目标微纳结构以及金属金膜都将随PDMS膜被掀起；用去金液去除黏附在PDMS膜表面的金属金膜，铬结构由于不与去金液反应，因此目标微纳铬结构将镶嵌于PDMS膜层内部，最后在PDMS材料4表面旋涂厚度20nm的PMMA作为铬金属结构的保护层和间隔层5，形成超分辨光刻掩模，如图3所示；
(5)在另一块玻璃基片6表面涂布200nm厚的光刻胶7，型号：S1805，并蒸镀厚度50nm的金属银膜8作为成像透镜，如图4所示；
(6)将超分辨掩模的保护层面与玻璃基片表面的银膜精密接触，如图5所示；
(7)采用传统汞灯光源进行曝光10秒，移开超分辨光刻掩模，用硝酸去除银层，并对光刻胶进行显影，即可得到与金属铬掩模结构相对应的光刻图形，如图6所示。

Claims (8)

1.一种基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻方法，其特征在于步骤如下：
(1)在基底表面蒸镀与基底黏结能力较弱的金属膜层，并在金属膜层表面制备需要的目标微纳结构；
(2)将PDMS与固化剂进行混合，并浇铸于携带有目标微纳结构的金属膜层表面；
(3)在25-95℃的环境中固化1～5小时后，使PDMS材料固化交联，形成弹性膜；
(4)掀起PDMS膜，由于金属膜层与基底的黏结力很差，因此目标微纳结构及金属膜层均随PDMS膜被掀起；
(5)去除黏附在PDMS膜表面的金属膜层，目标微纳结构将镶嵌于PDMS膜层内部，在PDMS表面分别旋涂厚度10～100nm的保护层和间隔层，形成超分辨光刻掩模；
(6)另一块玻璃基片表面涂布光刻胶，并蒸镀厚度10～100nm的金属银；
(7)将步骤(5)形成的超分辨光刻掩模的图形面与步骤(6)中光刻胶表面的金属银精密贴合，并进行曝光移除超分辨光刻掩模，去除银膜，并对光刻胶进行显影，显影后即可形成需要的目标图形。
2.根据权利要求1所述的基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻成像方法，其特征在于：所述步骤(1)中与基底黏结力较弱的金属膜层的材料为金、或银、或铝。
3.根据权利要求1所述的基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻成像方法，其特征在于：所述步骤(1)中的目标微纳结构材质为铬、或金、或银、或铜。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻成像方法，其特征在于：所述步骤(1)中目标微纳结构材质与金属膜层的材质不相同。
5.根据权利要求1所述的基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻成像方法，其特征在于：所述步骤(1)中的基底为可见光波段的石英，或红外波段的硅、或锗材料。
6.根据权利要求1所述的基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻成像方法，其特征在于：所述步骤(2)中的固化剂与PDMS的混合比例为1∶2-1∶20。
7.根据权利要求1所述的基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻成像方法，其特征在于：所述步骤(5)中PDMS表面的保护层和间隔层的材料为PDMS，或PMMA，或光刻胶。
8.根据权利要求1所述的基于PDMS模板和银板材料的超分辨光刻成像方法，其特征在于：所述步骤(6)中光刻胶表面为一层金属银，或金属银膜和其它介质膜层相互交叉形成的多层膜结构。
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