CN101613076B - 三维微纳结构印章的制备及批量复制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UV-LIGA工艺和FIB刻蚀技术的三维微纳结构印章的制备及批量复制方法，首先用UV-LIGA工艺制备微米印章，然后用FIB设备对微米印章进行刻蚀制备微纳米图案，使离子束能量为1～60kV，刻蚀电流为1～100pA，点刻蚀时间为0.01～1ms，将所得三维微纳结构印章通过热压印或软刻蚀方法对聚合物实施纳米压印，热压印方法中的加热温度高于聚合物的玻璃转化温度10～100℃，所加压力为100～30kN，软刻蚀方法中的聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂的比例为9∶1～11∶1。本发明既能快速加工微米尺度图案，又能在其中继续加工纳米图案，从而在同一块印章上按需要制备不同长、宽、高的三维复杂微纳米图案，可批量制备耐受压力的金属印章，延长了印章的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种印章的制备方法，具体是一种利用UV-LIGA(紫外光刻电铸塑铸，下同)工艺和FIB(聚焦离子束，下同)刻蚀技术加工三维复杂微纳结构印章，然后再利用纳米压印技术进行批量复制三维复杂微纳结构印章的方法，属于纳米压印、微纳米图形转移以及微电子机械系统领域。
背景技术
微电子机械系统是将微电子、精密机械、生化和信息处理等高技术有机整合。微电子机械系统技术在生物医疗、精密仪器、环境保护、航空航天、军事通讯等领域都有广泛的应用，例如利用微电子机械技术制成突破通信瓶颈的全光交换机、准确检测病变的基因芯片、比手掌还小的飞行器、重量仅有几十克的微小卫星等。在过去的二十几年里，微电子机械系统技术得到了很大的发展并且少部分产品已成功地得到了商业化，如气体传感器、喷墨打印机头、汽车安全气囊等。
微电子机械系统技术能加工三维复杂微纳结构。三维微纳米结构在微电子机械系统、生物芯片和微流体器件及纳米电子器件技术中得到广泛应用，因此是微电子机械系统技术中一种常用的技术。
纳米压印技术由于只需制备一块模板，就可快速、廉价、方便地加工出许多复制品，即可以大批量、重复性地在大面积衬底上制备微纳米图形结构，并且所制出的高分辨率图案具有相当好的均匀性和重复性。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。这样就可以廉价高效地复制印章上的图案结构。
传统印章材料是硅或石英，其缺陷是材料本身具有脆性，加上热压印时需要加温加压，因此多次压印后印章很容易损伤。
经文献检索发现，Mohamed K.，Alkaisi M.M.，Blaikie R.J.等在《J.Vac.Sci.Technol.B》2007，25(6)pp2357-2360撰文”Fabrication of three dimensionalstructures for an UV curable nanoimprint lithography mold using variable dosecontrol with critical-energy electron beam exposure”(“使用电子束曝光可变剂量的变化来加工适于紫外纳米压印的三维结构模板的加工”，《真空科学技术B》)，其原理是通过调整电子束曝光时电子束的剂量来形成三维结构图案，这种模板适合于紫外压印技术，需要精确地调整电子束的曝光剂量，而且电子束刻蚀比较慢，因此这种方法难以适合加工既有微米尺度、又有纳米尺度的复杂图案。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供了一种基于UV-LIGA工艺和FIB刻蚀技术加工三维复杂微纳结构印章的新方法，然后通过纳米压印技术进行复制三维复杂微纳结构印章，达到批量、廉价加工三维复杂微纳结构印章的目的。
本发明三维微纳结构印章的制备方法为：首先制备UV-LIGA掩膜版，然后利用紫外曝光在硅片的光刻胶上形成微米图案，接着以胶为掩膜对硅进行RIE刻蚀，并去胶，形成硅的微米印章，然后通过溅射在硅上沉积一薄层金属，并通过电镀在硅上形成金属，湿法刻蚀去除硅材料得到金属微米印章；将微纳米图案导入FIB设备中，然后调节FIB的刻蚀参数在微米印章指定处刻蚀，使离子束能量为1～60kV，刻蚀电流为1～100pA，点刻蚀时间为0.01～1ms，最后在微米印章上形成预先设定的图案，即得三维微纳结构印章。
本发明三维微纳结构印章的批量复制方法为：将三维微纳结构印章和涂聚合物的衬底一起放入纳米压印设备中加温加压，加热温度高于该聚合物的玻璃转化温度10～100℃，所加压力为100～30kN，然后降温减压，将印章和衬底聚合物分离，接着用RIE刻蚀去除残留的聚合物，以聚合物为掩膜通过RIE刻蚀将聚合物的图案转移到衬底上即可。
将聚二甲基硅氧烷预聚体和由含氢聚硅氧烷或多元胺组成的固化剂混合，聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂的比例为9∶1～11∶1，将该混合物搅拌均匀、脱气后浇铸或旋涂于三维微纳结构印章上，固化后从印章上揭开即可。
本发明的有益效果是：
1、综合了UV-LIGA工艺和FIB刻蚀技术的优点，既能快速加工微米尺度图案，又能在其中继续加工纳米图案，从而在同一块印章上可以按需要制备不同长、宽、高的三维复杂微纳米图案。
2、由于UV-LIGA工艺和FIB离子束刻蚀工艺都可以加工高深宽比结构，因此本发明可制备高深宽比的复杂微纳米图案的印章。
3、可以批量制备耐受压力的金属印章，金属印章一方面可以延长印章的使用寿命，另一方面又便于通过施加更大的压力从而使聚合物更好地填充印章腔体，达到完美复制的目的。
4、本发明通过UV-LIGA工艺和FIB刻蚀技术加工三维复杂微纳结构印章并进行纳米压印，可批量、廉价地复制三维复杂微纳结构，包含硬质结构和柔性结构。可满足微电子机械技术对大量三维微纳米结构的各种需求，可推动微电子机械技术的发展，还可以为生物医学领域研究生物芯片和微流体器件等提供具有三维复杂形貌的研究衬底。因此该发明为微纳米极端制造领域提高了一种新的加工方法，对带动相应领域的研究具有重要意义。
具体实施方式
本发明首先采用UV-LIGA工艺中的紫外光刻工艺制备微米尺度印章并通过电镀形成金属印章，然后在微米印章上用FIB对微米印章进行刻蚀制备出纳米图案。从而形成微纳米三维复杂图案印章，最后用印章对聚合物实施纳米压印，批量得到三维复杂微纳结构。如果只用紫外光刻，虽然制备图案批量化、效率高，但只能得到微米尺度的图案；如果只用深紫外光刻或者FIB虽然也可以制备微米图案，但深紫外光刻成本太高、FIB刻蚀图案效率相对较慢，因此只能用于制备纳米图案。
以下对本发明作进一步的说明：三维微纳结构印章的制备方法具体分两步骤：
1、UV-LIGA工艺制备微米印章
首先制备UV-LIGA掩膜版，然后利用紫外曝光在硅片的光刻胶上形成微米图案，紫外光波波长有436nm、405nm、365nm、248nm、193nm、157nm。接着以胶为掩膜对硅进行RIE(反应离子刻蚀，下同)刻蚀，并去胶，形成硅的微米印章。然后通过溅射在硅上沉积一薄层金属，并通过电镀在硅上形成金属，最后通过湿法刻蚀去除硅材料，得到金属微米印章。
2、FIB对微米印章进行刻蚀制备微纳米图案
首先将微纳米图案导入FIB设备中，然后调节FIB的刻蚀参数，离子源为镓离子，离子束能量设定为1kV至60kV之间，刻蚀电流在1pA到100pA之间，点刻蚀时间为0.01ms至1ms之间。使FIB设备在微米印章指定处进行直接刻蚀，最后在微米印章上形成预先设定的图案，便可得到三维微纳结构印章。
对上述已制备好的三维微纳结构印章，用聚合物实施纳米压印，实现三维微纳结构印章的批量复制。用三维微纳结构印章对聚合物实施纳米压印可分为两种工艺，一种是热压印；另一种是软刻蚀方法。前一种热压印的工艺过程是：将具有三维复杂微纳米结构的印章和涂聚合物的衬底一起放入纳米压印设备中，进行升温加压，加热的温度应该高于该聚合物的玻璃转化温度10摄氏度至100摄氏度之间，施加的压力在100N至30kN之间。实施纳米压印，然后将聚合物的温度降低至室温，并去除加载在印章上的压力，将印章和衬底聚合物分离，接着用RIE设备去除残留的聚合物，并可进一步以聚合物为掩膜通过RIE刻蚀将聚合物的图案转移到衬底上。后一种软刻蚀的工艺过程是：将聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂的混合物搅拌均匀、脱气后浇铸或旋涂于三维印章上，固化后从印章上揭开聚二甲基硅氧烷，最终得到柔性的聚二甲基硅氧烷三维复杂微纳结构图案。上述固化剂由含氢聚硅氧烷或者多元胺组成，聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂的比例在9∶1至11∶1之间。
以下通过两个具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例1
首先制备UV-LIGA掩膜版，然后利用波长为365nm的紫外光进行曝光，在硅片的光刻胶上形成微米图案，接着以胶为掩膜对硅进行RIE刻蚀，并去胶，形成硅的微米印章。将微纳米图案导入FIB设备中，然后调节FIB的刻蚀参数，在微米印章指定处进行直接刻蚀，离子源为镓离子，离子束能量为1kV，刻蚀电流在10pA，点刻蚀时间为0.05ms。最后在微米印章上形成预先设定的图案。
将聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂的混合物按10∶1的比例搅拌均匀、脱气后浇铸或旋涂于三维印章上，固化后从印章上揭开聚二甲基硅氧烷，最终得到柔性的聚二甲基硅氧烷三维复杂微纳结构图案。
实施例2
首先制备UV-LIGA掩膜版，然后利用波长为365nm的紫外曝光在硅片的光刻胶上形成微米图案，接着以胶为掩膜对硅进行RIE刻蚀，并去胶，形成硅的微米印章。然后通过溅射在硅上沉积一薄层金属镍，并通过电镀在硅上形成金属镍层，最后通过湿法刻蚀去除硅材料，得到金属镍微米印章。将微纳米图案导入FIB设备中，然后调节FIB的刻蚀参数，在微米印章指定处进行直接刻蚀，离子源为镓离子，离子束能量为20kV，刻蚀电流在30pA，点刻蚀时间为0.1ms。最后在微米印章上形成预先设定的图案。
用印章对热塑性聚合物聚甲基丙烯酸甲脂实施热压印。热压印的工艺过程是：将具有三维复杂微纳米结构的镍印章和涂聚合物的衬底一起放入纳米压印设备中，加温到120℃，加压500N，实施纳米压印，然后降温减压，将印章和衬底聚合物聚甲基丙烯酸甲脂分离，接着用RIE刻蚀去除残留的聚甲基丙烯酸甲脂，并可进一步以聚甲基丙烯酸甲脂为掩膜通过RIE刻蚀将聚甲基丙烯酸甲脂的图案转移到衬底上即可。
Claims (4)
1.一种三维微纳结构印章的制备方法，其特征是采用以下两步：
(1)用UV-LIGA工艺制备金属微米印章
首先制备UV-LIGA掩膜版，然后利用紫外曝光在硅片的光刻胶上形成微米图案，接着以胶为掩膜对硅进行RIE刻蚀，并去胶，形成硅的微米印章，然后通过溅射在硅上沉积一薄层金属，并通过电镀在硅上形成金属，湿法刻蚀去除硅材料得到金属微米印章；
(2)用FIB对金属微米印章进行刻蚀制备微纳米图案
将微纳米图案导入FIB设备中，然后调节FIB的刻蚀参数在金属微米印章指定处刻蚀，使离子束能量为1～60kV，刻蚀电流为1～100pA，点刻蚀时间为0.01～1ms，最后在金属微米印章上形成预先设定的图案，即得三维微纳结构印章。
2.根据权利要求1所述的三维微纳结构印章的制备方法，其特征是：所述的紫外曝光的紫外光波波长为436nm、405nm、365nm、248nm、193nm或157nm。
3.一种根据权利要求1所述方法制备的三维微纳结构印章的批量复制方法，其特征是：将根据权利要求1所述方法制备的三维微纳结构印章和涂聚合物的衬底一起放入纳米压印设备中加温加压，加热温度高于该聚合物的玻璃转化温度10～100℃，所加压力为100N～30kN，然后降温减压，将印章和衬底聚合物分离，接着用RIE刻蚀去除残留的聚合物，以聚合物为掩膜通过RIE刻蚀将聚合物的图案转移到衬底上即可。
4.一种根据权利要求1所述方法制备的三维微纳结构印章的批量复制方法，其特征是：将聚二甲基硅氧烷预聚体和由含氢聚硅氧烷或多元胺组成的固化剂混合，聚二甲基硅氧烷预聚体和固化剂的比例为9∶1～11∶1，将该混合物搅拌均匀、脱气后浇铸或旋涂于根据权利要求1所述方法制备的三维微纳结构印章上，固化后从印章上揭开即可。
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