CN101139082A - 利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法 - Google Patents
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Abstract
一种纳米技术领域的利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，首先加工原始宽尺度的印章，然后用热塑性聚合物的预聚体旋涂或者沉积到原始印章表面，固化后将热塑性聚合物从原始印章的表面揭开，得到复制的热塑性聚合物图案，最后加热聚合物，利用热塑性聚合物加热收缩的特性，减小聚合物上图案的线宽，冷却后变形得以保持，得到最终需要的小线宽的聚合物图案。本发明可以在一块原始印章上通过旋涂或者沉积工艺非常方便地得到线宽缩小的纳米尺度图案，使得制备纳米图案的效率得到大幅度提高、成本也显著降低。同时由于可以通过此方法缩小印章线宽，因此减少了对原始印章制备精度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米技术领域的方法，具体是一种利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，用于纳米压印。
背景技术
在微电子工艺中，通常采用光学光刻的方法来形成图案，但其成本高，而且出现了许多重要的技术难题，如分辨率及材料的选择，同时光学光刻不适合加工非平整表面、不能在表面形成特定的化学功能基团和难以形成三维结构。电子束光刻生产效率太低；X线光刻的工具相当昂贵。纳米压印采用高分辨率电子束或离子束等方法将纳米结构图案制在印章上，然后用图案化的印章使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图案。具体过程是首先将聚合物旋涂到衬底材料上，然后将印章和衬底一起加热到聚合物的玻璃化温度以上，通过施加压力使聚合物变形，保持高温高压一段时间后降温减压，使聚合物冷却到其玻璃化温度以下，聚合物图案被固化成型。这样就可以高效地复制印章上的图案结构。
经对现有技术文献的检索发现，M.Konijn等在《MicroelectronicEngineering 78-79(2005)pp653-658撰文“Nanoimprint lithography ofsub-100nm 3D structures”(《微电子工程》，“纳米压印亚100nm三维结构”)，该文中提及的方法原理是用电子束加工纳米压印印章，然后通过加温加压的方式使聚合物物理变形，聚合物在高温高压下开始流动从而填充印章中的空腔，最终印章上的纳米图案被复制到聚合物中。这样得到的纳米压印印章由于采用电子束制备，制备纳米图案的成本较高而且非常耗时。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足和缺陷，提供一种利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，使其通过在较宽尺度的印章上复制热塑性聚合物，然后通过加热聚合物缩小线宽的方式制备纳米压印图案，具有提供效率及降低成本的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先采用现有技术加工原始宽尺度的印章，然后用热塑性聚合物的预聚体旋涂或者沉积到原始印章表面，固化后将热塑性聚合物从原始印章的表面揭开，得到复制的热塑性聚合物图案，最后加热聚合物，利用热塑性聚合物加热收缩的特性，减小聚合物上图案的线宽，冷却后变形得以保持，得到最终需要的小线宽的聚合物图案。
所述加工宽尺度的印章，是指：采用光学光刻、微机械加工、电子束光刻、干法或湿法刻蚀、全息曝光或聚焦离子束刻蚀加工母板。母板材料为硅/二氧化硅或金属。
所述母板材料为硅/二氧化硅母板时，其表面必须进行硅烷化工艺处理，以方便脱模。
所述的硅烷化工艺，是指：将(1，1，2，2H过氟癸基)-三氯硅烷，(1，1，2，2H过氟辛基)-三氯硅烷与印章表面反应，在表面形成自组装分子层，这是一层表面自由能较低的单分子层，从而使脱模容易。
所述母板材料为金属母板时，通过溅射将含氟聚合物薄膜沉积在金属如镍母板上，从而也起到抗粘的作用，使脱模方便。
所述含氟聚合物为CF4/H2或CHF3离子体源。
所述的揭开，是指：用手或镊子将热塑性聚合物薄膜从印章表面分离，要求所施加的拉力均匀。
所述的加热聚合物，其方法为热板加热或烘箱加热，其温度范围是大于热塑性聚合物玻璃化温度10℃至100℃之间。
所述的冷却是指停止加热过程让其自然冷却。
所述的热塑性聚合物，为聚对二甲苯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
与现有技术对比，本发明利用加热热塑性聚合物来减少图案线宽，通过加热热塑性聚合物工艺来廉价快速地进行纳米图案的制备，由于这种方法可以在一块原始印章上通过旋涂或者沉积工艺非常方便地得到线宽缩小的纳米图案，使得制备纳米图案的效率得到大幅度的提高、成本也显著降低。例如同样制备50nm的图案，采用传统的的电子束加工纳米压印印章然后压印得到纳米图案的成本大概在3000万美元，而用聚焦离子束刻蚀较宽图案压印后加热热塑性聚合物的方法成本约为30万美元，成本只有原来的1％。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明适用的热塑性聚合物，包括聚对二甲苯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等，复制的方法包括旋涂或者沉积方法，旋涂的方法采用甩胶机进行，沉积方法采用化学气相沉积或者物理气相沉积。以下通过三个具体实施例对技术方案作进一步描述，其他的热塑性聚合物根据相同的原理可以实现。
实施例一：Parylene(聚对二甲苯)
(1)加工原始较宽尺度的印章
采用全息曝光结合感应耦合等离子体干法刻蚀的方法在石英衬底上制备原始纳米压印印章，制备的印章线条尺寸为560nm。然后用(1，1，2，2H过氟癸基)-三氯硅烷进行硅烷化处理。
(2)用热塑性聚合物进行图案复制
将热塑性聚合物Paralene的沉积到石英印章的表面，将热塑性聚合物从原始印章的表面揭开，得到复制的Parylene图案。
(3)加热热塑性聚合物减小图案线宽
加热聚合物Parylene图案，烘箱加热120℃维持1小时，利用Parylene加热收缩的特性，其中的特征线宽变小，冷却后图案尺寸得以保持。
原印章上Parylene线条的尺寸为560nm，经过本方法后得到线宽为400nm的Parylene图案，缩小率为28％。
实施例二：PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)
(1)加工原始较宽尺度的印章
采用聚焦离子束在硅衬底上制备原始纳米压印印章，制备的印章线条尺寸为60nm。然后用(1，1，2，2H过氟癸基)-三氯硅烷进行硅烷化处理。
(2)用热塑性聚合物进行图案复制
将热塑性聚合物PMMA的旋涂到硅印章的表面，将热塑性聚合物从原始印章的表面揭开，得到复制的PMMA图案。
(3)加热热塑性聚合物减小图案线宽
加热聚合物PMMA图案，烘箱加热130℃维持0.5小时，利用PMMA加热收缩的特性，其中的特征线宽变小，冷却后图案尺寸得以保持。
原印章上PMMA线条的尺寸为60nm，经过本方法后得到线宽为50nm的PMMA图案，缩小率为17％。
实施例三：PETG(乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯)
(1)加工原始较宽尺度的印章
采用极紫外曝光的方法在硅衬底上制备原始纳米压印印章，制备的印章线条尺寸为160nm。然后用(1，1，2，2H过氟辛基)-三氯硅烷进行硅烷化处理。
(2)用热塑性聚合物进行图案复制
将热塑性聚合物PETG沉积到硅印章的表面，将热塑性聚合物从原始印章的表面揭开，得到复制的PETG图案。
(3)加热热塑性聚合物减小图案线宽
加热聚合物PETG图案，热板加热120℃维持0.2小时，利用PETG加热收缩的特性，其中的特征线宽变小，冷却后图案尺寸得以保持。
原印章上PETG线条图案为160nm，经过本发明后最后得到线宽为140nm的PETG图案，缩小率为12％。
这些实施例通过加热热塑性聚合物制备纳米压印图案。由于可以通过此方法缩小图案线宽，缩小率在12％至28％之间。因此减少了对原始印章制备精度的要求。这有效地降低了工艺的复杂度和成本，并提高了效率。
Claims (10)
1.一种利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，其特征在于：首先加工原始宽尺度的印章，然后用热塑性聚合物的预聚体旋涂或者沉积到原始印章表面，固化后将热塑性聚合物从原始印章的表面揭开，得到复制的热塑性聚合物图案，最后加热聚合物，利用热塑性聚合物加热收缩的特性，减小聚合物上图案的线宽，冷却后变形得以保持，得到最终需要的小线宽的聚合物图案。
2.根据权利要求1所述的利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，其特征是，所述加工宽尺度的印章，是指：采用光学光刻、微机械加工、电子束光刻、干法或湿法刻蚀、全息曝光或聚焦离子束刻蚀加工母板，母板材料为硅/二氧化硅或金属。
3.根据权利要求2所述的利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，其特征是，所述母板材料为硅/二氧化硅母板，其表面必须进行硅烷化工艺处理。
4.根据权利要求3所述的利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，其特征是，所述的硅烷化工艺，是指：将(1，1，2，2 H过氟癸基)-三氯硅烷，(1，1，2，2 H过氟辛基)-三氯硅烷与印章表面反应，在表面形成自组装分子层。
5.根据权利要求2所述的利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，其特征是，所述母板材料为金属母板，通过溅射将含氟聚合物薄膜沉积在金属母板上。
6.根据权利要求5所述的利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，其特征是，所述含氟聚合物为CF4/H2或CHF3离子体源。
7.根据权利要求1所述的利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，其特征是，所述的揭开，是指：用手或镊子将热塑性聚合物薄膜从印章表面分离，所施加的拉力均匀。
8.根据权利要求1所述的利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，其特征是，所述的加热聚合物，其方法为热板加热或烘箱加热。
9.根据权利要求1或8所述的利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，其特征是，所述的加热聚合物，其温度范围是大于热塑性聚合物玻璃化温度10℃至100℃之间。
10.根据权利要求1所述的利用加热热塑型聚合物制备纳米图案的方法，其特征是，所述的热塑性聚合物为聚对二甲苯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
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|---|---|---|---|---|
| CN102491257A (zh) * | 2011-12-28 | 2012-06-13 | 大连理工大学 | 一种热塑性聚合物纳米通道的制作方法 |
| CN105399048A (zh) * | 2015-11-23 | 2016-03-16 | 西安交通大学 | 一种盘状机械结构的三维自组装制造方法 |
| CN105668510A (zh) * | 2016-03-01 | 2016-06-15 | 南开大学 | 一种面向生物单细胞检测应用的两步压印方法 |
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