CN101446762B - 非接触式模板约束下的电场诱导微复型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种在电场的诱导下的微复型方法。包括如下步骤：1)模板的制备：在SiO₂基材上沉积导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃制备图形化模板；2)在SiO₂基材表面蒸镀导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃；3)在SiO₂基材表面涂铺阻蚀胶；4)将制备好的模板压在阻蚀胶层上；5)外接直流电源：使阻蚀胶产生流变；6)进行电场诱导微复型；7)紫外线曝光固化阻蚀胶，得到所需的微纳结构。由于本发明的方法加工成本低，所需时间短，提高了生产效率，可应用于各种MEMS/NEMS(微米级机电系统/纳米级机电系统)器件的加工，如微流控器件、微传感器、微致动器件、光栅、微型生物芯片、光电子器件、太阳能电池等。

Description

非接触式模板约束下的电场诱导微复型方法

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种在电场的诱导下，利用模板约束电场分布，制造微米级或者纳米级结构的微复型方法。

背景技术

传统的光学投影光刻工艺采用X射线、紫外线等，透过具有一定图形结构的掩模板进行可控制曝光，将掩模板上的图形转移至预先涂铺在基材上并烘干的阻蚀胶层。最后通过化学药剂显影，得到图形化的阻蚀胶层。传统的光学投影光刻技术由于已经在半导体制造领域得到了成熟的发展，因此一直在微纳制造领域占据着统治地位。但是由于微纳制造技术不断向更小的尺寸发展，而传统的光学投影光刻工艺由于受其自身固有的衍射极限的限制，在加工深亚微米以下结构时存在很大的困难，且目前的光学投影光刻设备售价极高，十分昂贵。

为了适应更小线宽的微纳结构的大规模制作，微纳米压印光刻工艺应运而生。该工艺采用机械微复型的原理，通过施加外力将具有一定图形结构的图形化模板压入液态的阻蚀胶中，固化阻蚀胶，得到图形化的微纳结构。微纳米压印光刻工艺制作成本低、简单易行、加工效率高，并且可以加工低至6nm的尺寸结构。但是微纳米压印光刻工艺仍存在着一些缺陷。主要体现在两个方面：一是压印复型过程中，涉及外界的接触压力，可能造成模板变形，导致复型缺陷，不利于多层套刻的进行；第二，该机械微复型过程不可避免的存在一定的留膜(厚度一般在几十纳米左右)，需要额外的工艺步骤去除该留膜。

发明内容

针对现有光刻技术中存在的模板变形，导致复型缺陷，不利于多层套刻，存在一定的留膜等不足之处，本发明采用在外加电场的诱导下，利用图形化模板，在阻蚀胶层上加工出高精度、低缺陷的微纳结构。

本发明工艺方法包括如下具体步骤：

1)模板的制备：在第一SiO₂基材上沉积第一导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃制备图形化模板，模板的表面形状按照所需微纳结构的图形进行设计，具体步骤为：用溅射沉积设备在第一SiO₂基材上溅射沉积第一导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层，并在该层上用光刻工艺加工出图形结构，最后用溅射沉积设备在图形结构两侧加工出二氧化硅制的支撑部分，得到模板；

2)在第二SiO₂基材表面蒸镀第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃：用溅射沉积设备在第二SiO₂基材表面蒸镀第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层；

3)在第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层表面涂铺阻蚀胶：用匀胶机在第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层表面旋涂光固化阻蚀胶，阻蚀胶的厚度为纳米级至微米级；

4)将制备好的模板压在阻蚀胶层上：以20MPa的压力P将制备好的模板压在阻蚀胶上，使模板的支撑部分的底部紧贴在阻蚀胶上，以保证模板和阻蚀胶之间的空隙尺寸相当于支撑部分的高度；

5)外接直流电源：采用直流电源，电压调节范围0-100V，在模板的第一导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层处接直流电源的阳极，在涂铺有阻蚀胶的第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层处接直流电源的阴极，调整电压大小，使静电场产生的静电力增大至克服液态阻蚀胶的表面张力使阻蚀胶产生流变；

6)进行电场诱导微复型：使液态阻蚀胶在稳定电压值的电场下保持0.25小时至24小时，直至微复型过程结束，形成微复型结构；

7)紫外线曝光固化阻蚀胶，采用紫外固化设备产生紫外线对得到的微复型结构进行曝光处理，使阻蚀胶固化，脱去模板，即可得到所需的微纳结构。

上述微复型方法制得的微纳结构具有高精度、低缺陷的优点，由于不使用光学投影的加工方式，因此不受光学投影光刻工艺固有的衍射极限的限制，可以加工深亚微米至纳米级的结构。通过改变模板的图形，可以改变外电场的分布情况，复制出符合模板图形的微纳结构。由于采用非接触式的外电场诱导技术进行加工，解决了在外界的接触压力下引起模板变形，导致复型缺陷的问题。

由于本发明所述的工艺不需要特殊的加工条件和复杂的设备，可以降低加工成本。而电场诱导技术使微复型过程所需时间缩短，提高了生产效率。本发明的技术方案，可应用于各种MEMS/NEMS(微米级机电系统/纳米级机电系统)器件的加工，如微流控器件、微传感器、微致动器件、光栅、微型生物芯片、光电子器件、太阳能电池等。

附图说明

图1为模板的主视示意图；

图2为涂铺有光固化阻蚀胶层的基材的示意图；

图3为将模板压在阻蚀胶层上的示意图；

图4为微复型过程中阻蚀胶局部的受力情况示意图；

图5为施加电场进行微复型过程的示意图；

图6为紫外线照射固化阻蚀胶的示意图；

图7为脱去模板获得所需微纳结构的示意图；

图8为制得的微纳结构主视示意图；

图9为制得的微纳结构仰视示意图。

具体实施方式

下面，结合附图详细说明非接触式模板约束下的电场诱导微复型方法的工艺过程：

如图所示，在第一SiO₂基材1表面蒸镀第一导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层2，并进行图形化和加工支撑部分3的工艺，如附图1所示，在第二SiO₂基材6表面蒸镀第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层5，并在第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层5表面旋涂阻蚀胶层4的工艺，如附图2所示，将制备好的模板以20MPa压力压在阻蚀胶层4上的工艺，如附图3所示，在模板和第二SiO₂基材之间接直流电源7进行外电场诱导微复型的工艺，如附图5所示，通过紫外光9曝光固化阻蚀胶4之后得到微纳结构8的工艺，如附图6所示；图7为脱去模板获得所需微纳结构的示意图；图8为制得的微纳结构主视示意图；图9为制得的微纳结构仰视示意图。

上述方法，可实现的微纳结构的尺寸组合为：基材上旋涂的阻蚀胶的厚度h1为纳米级至微米级，模板图形层凸起部分尺寸w1为纳米级至微米级，模板图形层凹陷部分尺寸w2为纳米级至微米级，模板支撑部分的高度H为纳米级至微米级，制得的微纳结构的高度h2为纳米级至微米级，制得的微纳结构的宽度w3为纳米级至微米级。

与传统光学投影光刻工艺和微纳米压印光刻工艺相比，制得的微纳结构缺陷少、加工所需时间短。本发明所采用的工艺组合具有设备简单、步骤少的优点，由于采用电场诱导的方式进行微复型，不需要考虑光波的衍射极限，因此可以加工出低至纳米级的结构。非接触式的加工方式不需要将模板直接压入阻蚀胶中，没有直接接触式压印过程中必然会产生的接触压力。因此脱模过程不会破坏复型得到的图形层，制得的微纳结构缺陷更少。

这种以非接触式模板约束下的电场诱导微复型工艺的具体实施过程如下：

1)模板的制备。模板的表面图形层按照所需的微纳结构进行设计。其中需要微纳结构中凸起的部分对应于第一导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层2上未进行刻蚀的凸起部分，需要微纳结构中凹陷的部分对应于第一导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层2上需要进行刻蚀的凹陷部分。采用溅射沉积设备、光刻系统或者刻蚀机制备模板，即在第一SiO₂基材1上溅射沉积第一导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层2，并在该层上用传统光刻工艺加工出图形结构。之后用溅射沉积设备在模板图形层两侧沉积出SiO₂制的高度为H支撑部分3，用来保证模板和阻蚀胶之间的间隙尺寸；

2)在第二SiO₂基材表面蒸镀第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃。用溅射沉积设备在第二SiO₂基材6表面蒸镀第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层5；

3)在第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层5表面涂铺阻蚀胶：用匀胶机在第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层5表面旋涂光固化阻蚀胶4，阻蚀胶4的厚度h1为纳米级至微米级；

4)将模板压在阻蚀胶层上。以20MPa的压力P将制备好的模板压在阻蚀胶4上，使模板的支撑部分3的底部紧贴在阻蚀胶4上，以保证模板和阻蚀胶4之间的空隙尺寸相当于支撑部分3的高度H；

5)外接直流电源：采用实验室用直流电源7(电压调节范围0-100V)，在模板的第一导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层2处接直流电源的阳极，在涂铺有阻蚀胶4的第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层5处接直流电源的阴极。调整直流电源7的电压大小，使静电场产生的静电力增大至可以克服液态阻蚀胶的表面张力，使阻蚀胶4产生流变；

6)进行电场诱导微复型：使液态阻蚀胶4在稳定电压值产生的电场分布情况下保持0.25小时至24小时，直至微复型过程结束，形成微复型结构。举例说明，使用CER-170的脂环族环氧树脂，分子量为2000的聚合物在90V的电压下经过0.25小时即可得到微复型结构，分子量为96000的聚合物在90V的电压下经过24小时得到微复型结构。如图4所示，阻蚀胶上的A、B两点所受的表面张力f(A)和f(B)大小相等。A点由于位于图形化模板的凸起部分之下，电场强度较强。因此A点所受的静电力pe(A)大B点所受的静电力pe(B)。A点处的静电力pe(A)大于表面张力f(A)，阻蚀胶即在A点处向上生长，在微复型过程中形成了与模板图形结构相符合的微纳结构8；

7)紫外线曝光固化阻蚀胶：采用商用紫外固化设备产生紫外线9，对得到的微复型结构曝光处理，使阻蚀胶4固化，脱去模板，即可得到所需的微纳结构8。

非接触式模板约束下的外电场诱导微复型工艺，是采用非接触式的外加电场，使阻蚀胶在约束外电场作用下产生自然流变，从而将模板上的图形转移到阻蚀胶上。该复型过程，是基于阻蚀胶特定的物理特性，通过非接触式的外界场作用，实现阻蚀胶的图形化，具有简单易行、无需特殊装置，只需产生外电场、可以进行分子级控制等优点。在外电场及图形化模板的约束下，阻蚀胶薄膜分子排列成有序的图形或复杂的功能体系，实现阻蚀胶的图形化。模板本身既有定型作用，又有稳定作用，改变模板的外形和尺寸即可实现对微纳结构的外形和尺寸的控制。而在该过程中施加外电场提供了阻蚀胶图形化过程所需的驱动力。

本发明的基本工作原理为：施加一定的压力，将图形化模板置于阻蚀胶层上，使模板和阻蚀胶层之间的空隙尺寸保持在纳米级至微米级。曝光之前的光固化阻蚀胶具有流动性。曝光之后在基材和模板之间引入外电场，由于模板凸起处比起凹陷处与基材之间的距离更近，因此模板凸起部分所在区域的电场强度大于模板凹陷部分所在区域的电场强度。而液态阻蚀胶表面各点的表面张力是相同的。模板凸起处的电场强度较强，产生的静电力足以驱动阻蚀胶克服表面张力，向上生长，最终复制出与模板表面凸起部分尺寸相同的微纳结构。最后通过紫外线照射固化阻蚀胶，复制出所需的微纳结构。用这种方法得到的微纳结构比传统光刻工艺加工得到的微纳结构尺寸更小、缺陷更少、加工时间也较短。

本发明克服了传统光学投影光刻工艺中存在的光波衍射极限问题，并且克服了微纳米压印光刻工艺在脱模过程中经常对成型结构产生破坏，制得高精度、低缺陷的微纳结构。本发明采用模板约束下的外电场诱导的微复型工艺使阻蚀胶产生流变，聚集在由于模板诱导造成的电场强度较强的区域。因此可以通过改变模板的图形结构精确控制最终制得的微纳结构的图形和尺寸，加工出具有多种结构和更高精度的微纳器件，开拓了外场诱导技术在微纳制造领域的应用前景。

Claims (1)

1.一种非接触式模板约束下的电场诱导微复型方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)模板的制备：在第一SiO₂基材上沉积第一导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃制备图形化模板，模板的表面形状按照所需微纳结构的图形进行设计，具体步骤为：用溅射沉积设备在第一SiO₂基材上溅射沉积第一导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层，并在该层上用光刻工艺加工出图形结构，最后用溅射沉积设备在图形结构两侧加工出二氧化硅制的支撑部分，得到模板；

2)在第二SiO₂基材表面蒸镀第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃：用溅射沉积设备在第二SiO₂基材表面蒸镀第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层；

3)在第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层表面涂铺阻蚀胶：用匀胶机在第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层表面旋涂光固化阻蚀胶，阻蚀胶的厚度为纳米级至微米级；

4)将制备好的模板压在阻蚀胶层上：以20MPa的压力P将制备好的模板压在阻蚀胶上，使模板的支撑部分的底部紧贴在阻蚀胶上，以保证模板和阻蚀胶之间的空隙尺寸相当于支撑部分的高度；

5)外接直流电源：采用直流电源，电压调节范围0-100V，在模板的第一导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层处接直流电源的阳极，在涂铺有阻蚀胶的第二导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层处接直流电源的阴极，调整电压大小，使静电场产生的静电力增大至克服液态阻蚀胶的表面张力使阻蚀胶产生流变；

6)进行电场诱导微复型：使液态阻蚀胶在稳定电压值的电场下保持0.25小时至24小时，直至微复型过程结束，形成微复型结构；

7)紫外线曝光固化阻蚀胶：采用紫外固化设备产生紫外线对得到的微复型结构进行曝光处理，使阻蚀胶固化，脱去模板，即可得到所需的微纳结构。

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