CN102135728B - 基于一维软模板纳米压印制作三维纳米网格结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微纳制造技术领域，具体为基于一维软模板纳米压印技术制作大面积三维纳米网格结构的方法。其步骤包括：利用软模板进行第一次纳米压印，然后采用氧RIE刻蚀去除压印胶残留层。利用制作的压印胶图形为掩膜刻蚀基底材料，去胶后得到一维纳米光栅结构。利用与前一次压印和刻蚀工艺相同的参数，进行第二次压印和刻蚀工艺。在第二次压印中，调整模板方向与第一次压印时模板方向呈0°-90°夹角。最终得到具有亚25nm纳米点的三维纳米网格结构。本发明使用的软模板可以有效避免硬模板与硬性基底接触造成的永久性损伤，同时避免了三维模板的使用。制作的纳米结构的尺寸和形状可控。本发明的方法成本低，效率高、可控性好和分辨率高。
Description
技术领域
本发明属于微纳米制造技术领域，涉及基于一维软模板纳米压印技术制作三维纳米网格结构的方法。
背景技术
三维纳米结构在MEMS/NEMS、微/纳米流体器件、光子晶体、显示技术、衍射光学等领域具有广阔的应用前景。在三维纳米结构制作技术方面，研究者们探索了多种光刻技术，包括电子束直写技术、聚焦离子束光刻技术X射线光刻技术以及纳米压印技术。瑞士保罗谢勒研究所的Schleunitz等人采用控制不同曝光区域电子束曝光剂量的工艺，结合热回流技术制作了一种三维结构的纳米压印模板(Schleunitz A，Schift H，“Fabrication of 3D nanoimprint stamps with continuousreliefs using dose-modulated electron beam lithography and thermal reflow”，J.Micromech.Mecroeng.Vol.20，2010，pp.0950021-095002-6)，但此方法工艺复杂、效率低、并且需要昂贵的电子束曝光设备。因此，此方法不适合大面积三维纳米结构的制作。Morita等采用聚焦离子束技术在硬质基底上直接制作出三维纳米结构(Morita T，Watanabe K，“Three-dimensional nanoimprint mold fabrication byfocused-ion-beam chemical vapor deposition”，Jpn.J.Appli.Phys.2003，pp.3874-3876)，但这种技术同样有效率低和费用高的缺点。Cuisin等采用多角度重复曝光的X射线曝光技术，制作出具有复杂面形结构的三维纳米结构(Cuisin C，Chelnokov A and Lourtioz J-M，“Submicrometer resolution Yablonovitetemplates fabricated by x-ray lithography”，Appl.Phys.Lett.，Vol.77，2000，pp.770-772)，但是X射线曝光的工艺复杂，高分辨率的曝光掩模板制作困难，并且需要高亮度的X射线光源。纳米压印是一种全新的纳米图形复制方法，其具有超高分辨率、高产量和低成本的特点。目前，纳米压印技术已经被用于制作各种三维纳米结构(Li M T，Chen L，Chou S Y，“Direct three-dimensional patteringusing nanoimprint lithpgraphy”，Appl.Phys.Lett.，Vol.78，2001，pp.3322-3324；Mohamed K，Alkaisi M M and Blaikie R j 20008“The replication of threedimensional structures using UV curable nanoimprint lithography”，J.Vac.Sci.Technol.B 2008，pp.2500-2503；Han K S，Hong S H，Jeong J H and Lee H，“Frbrication of sub-micro 3-D structure using duo-mold UV-RILprocess”，Microelectron Eng.2010，pp.610-613)。他们都是采用硬模板进行压印，这就可能使硬模板受到永久性的损伤，缩短模板的使用寿命，提高纳米结构的制作成本。
发明内容
本发明提供了一种基于一维软模板纳米压印技术制作三维纳米网格结构的方法，克服了上述制作三维纳米结构工艺存在的不足。
本发明的技术方案包括以下步骤：
(1)第一次纳米压印工艺：在基底上旋涂压印胶，利用一维软模板进行纳米压印，得出一维纳米光栅结构的压印胶图形，然后采用氧反应离子刻蚀技术去除压印残胶层。
(2)第一次刻蚀工艺：以步骤(1)中去除残胶层的压印胶图形为掩膜刻蚀基底材料，刻蚀工艺可以为湿法刻蚀或者干法刻蚀工艺。去除残留压印胶掩模后得到基底材料的一维纳米光栅结构。
(3)第二次纳米压印：利用与步骤(1)相同的工艺参数得到去除残胶层的一维纳米光栅结构压印胶图形，但软模板上的光栅线条方向和基底材料的一维纳米光栅结构上的光栅呈0°-90°间的任意角度。
(4)第二次干法刻蚀：以去除残胶层的压印胶图形为刻蚀掩模，利用与步骤(2)相同的刻蚀工艺步骤得到具有亚25纳米尺寸纳米点的三维纳米网格结构。
步骤(1)中的基底材料可以是硅、二氧化硅等非金属材料，也可以是铝等金属材料。
步骤(1)中的软模板可以是PDMS、ETFE等材料制作的软模板。
步骤(1)和步骤(3)中的压印胶为热固化压印胶、光固化压印胶或者热塑性紫外光固化压印胶。对于氧反应离子刻蚀技术，通过控制时间、气体压力等刻蚀参数得到不同线宽的压印胶图形。
本发明的有益效果是使用一维的软模板即可制作出具有亚-25nm纳米点的三维纳米网格结构，而且通过改变第二次压印中软模板光栅方向和基底材料的光栅方向可以获得不同形状的纳米网格结构和纳米点。此发明利用一维软模板进行压印，避免了三维纳米压印模板的制作，降低了模板的制作难度和制作成本。软模板的使用避免了硬模板与硬性基底的接触而造成的硬模板的永久性损伤，延长了母模板的使用寿命，进一步降低了加工成本。同时，软模板的复制过程还能够去除硬模板表面的污染物，起到清洁硬模板的功能，进一步提高了硬模板的使用寿命，降低了制作成本。因此，与其它的三维纳米结构的制作方法相比，本发明提出的制作工艺具有成本低，加工效率高和分辨率高的优点。
附图说明
附图1是本发明的工艺流程图。
图中：1基底；2压印胶；3软模板；4第一次压印的压印胶图形；
5第一次压印的压印胶残胶层；
6去除残胶层的第一次压印的压印胶图形；
7第一次刻蚀结束后残余的压印胶掩膜层；
8基底上的一维硅纳米光栅结构；
9第二次压印的压印胶图形；10第二次压印的压印胶残胶层；
11去除残胶层的第二次压印的压印胶图形；
12第二次刻蚀结束后残余的压印胶掩膜层；
13基底材料的三维网格结构。
图2(a)为制作的一维光栅结构母模板的SEM照片。
图2(b)为复制的一维光栅结构子模板的SEM照片。
图3(a)是一维压印胶光栅结构的SEM照片。
图3(b)是一维硅光栅结构的SEM照片。
图4(a)是制作的三维纳米网格结构的SEM照片俯视图。
图4(b)是制作的三维纳米网格结构的SEM照片倾斜视图。
具体实施实例
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施实例，但本发明不仅限于实例。凡是对实例中的工艺参数和材料进行简单的改变，都属于本专利保护范围之内。
实施例1：制作具有Sub-25nm矩形纳米点的三维纳米网格结构
先准备好软模板3，其上面具有一维的纳米光栅结构，图形面积为6mm×10mm，光栅周期为70nm，线宽40nm，高50nm。图2是母模板和复制的软模板的SEM照片，软模板材料是含氟聚合物。取2英寸硅片作为基底1，对其进行清洗，然后旋涂热塑型紫外固化纳米压印胶2。压印胶2厚度在30-50nm之间。如附图1(b)所示，利用软模板在旋涂有压印胶的基底上进行压印，其压印压力为20bar，压印温度为65℃，压印时间180s，随后紫外光曝光30s。如附图1(c)所示，在65℃把软模板和基底分离，得到含有残留层5的一维纳米光栅结构的压印胶图形4，如附图3(a)所示，其中线宽为30nm，周期为70nm。如附图1(d)所示，用氧反应离子刻蚀的方法去除残胶层5，其工艺参数如下：O2流量25SCCM；气压150mTorr；RF功率75W；时间20s。如附图1(e)所示，以压印胶图形6为掩膜干法刻蚀硅基底1，得到一维硅光栅结构，其工艺参数如下：CF4流量40 SCCM；H2流量5 SCCM；气压10mTorr；RF功率40W；ICP功率1200W；时间10s。如附图1(f)所示，用氧反应离子刻蚀的方法去除残余压印胶掩模层7，从而得到一维硅纳米光栅结构8，刻蚀出的硅光栅的线宽为25nm，周期为70nm，如附图3(b)所示。如附图1(g)所示，旋涂热塑型紫外固化纳米压印胶2，参数与附图1(a)中参数相同。如附图1(h)所示，进行纳米压印，参数与附图1(b)中参数相同，但软模板3上的光栅线条方向和压印基底8上的光栅线条方向相互垂直。如附图1(i)所示，脱模，得到含有残留层10的一维纳米光栅结构的压印胶图形9，参数与附图1(c)中参数相同。如附图1(j)所示，用氧反应离子刻蚀的方法去除残胶层10，参数与附图1(d)中参数相同。如附图1(k)所示，以压印胶图形11为掩膜干法刻蚀工艺，参数与附图1(e)中参数相同。如附图1(l)所示，用氧反应离子去除残留压印胶掩模层12，参数与附图1(f)中参数相同，得到高密度三维硅纳米网格结构13，如附图4所示，其中得到的三维硅纳米网格结构的线宽为25nm，周期为70nm，两垂直光栅交叉处顶端的纳米点尺寸为亚25nm。
如图1所示，工艺流程步骤如下：
(a)在基底1上旋涂压印胶2；
(b)利用软模板3进行纳米压印工艺；
(c)脱模工艺，得到压印图形4；
(d)利用氧反应离子刻蚀工艺去除残胶层5，得到去除残胶的压印胶图形6；
(e)利用去除残胶层的压印胶图形6为掩模，刻蚀基底材料1；
(f)利用氧反应离子刻蚀工艺去除残余的掩膜层7，得到基底材料的一维光栅结构8；
(g)在具有一维光栅结构8的基底1上旋涂压印胶2；
(h)利用软模板3进行纳米压印工艺；
(i)脱模工艺，得到压印图形9；
(j)利用氧反应离子刻蚀工艺去除残胶层10，得到去除残胶的压印胶图形11；
(k)利用去除残胶层的压印胶图形11为掩模，刻蚀基底材料1；
(l)利用氧反应离子刻蚀工艺去除残余的掩膜层12，得到具有sub-25nm纳米点的三维纳米网格结构13；
实施例2：制作具有Sub-25nm菱形纳米点的三维纳米网格结构
利用与实例1相同的软模板、相同的压印和刻蚀参数，通过调整第二次压印工艺中软模板3上的光栅线条方向和压印基底8上的光栅线条方向的夹角为45°，得到的三维硅纳米网格结构的线宽为25nm，周期为70nm，两光栅交叉处顶端的纳米点尺寸在亚25nm。纳米网格结构和纳米点的形状都是具有45°夹角的菱形。
Claims (4)
1.一种基于一维软模板纳米压印技术制作三维纳米网格结构的方法，其特征包括以下步骤：
(1)第一次纳米压印工艺：在基底上旋涂压印胶，利用一维软模板进行纳米压印，得出一维纳米光栅结构的压印胶图形，然后采用氧反应离子刻蚀技术去除压印残胶层；对于氧反应离子刻蚀技术，通过控制刻蚀参数得到不同线宽的压印胶图形；
(2)第一次干法刻蚀：以步骤(1)中去除残胶层的压印胶图形为掩膜刻蚀基底材料，刻蚀工艺为干法刻蚀；去除残留压印胶掩模后得到基底材料的一维纳米光栅结构；
(3)第二次纳米压印：利用与步骤(1)相同的工艺参数得到去除残胶层的一维纳米光栅结构压印胶图形，但软模板上的光栅线条方向和压印基底材料的一维纳米光栅结构上的光栅呈0°-90°间的任意角度；
(4)第二次干法刻蚀：以去除残胶层的压印胶图形为刻蚀掩模，利用与步骤(2)相同的刻蚀工艺步骤得到具有亚25纳米尺寸纳米点的三维纳米网格结构。
2.根据权利要求1中所述的基于一维软模板纳米压印技术制作三维纳米网格结构的方法，其特征在于，所述步骤(1)和(3)中的压印胶为热固化压印胶、光固化压印胶。
3.根据权利要求1中所述的基于一维软模板纳米压印技术制作三维纳米网格结构的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的基底材料是硅、二氧化硅或铝。
4.根据权利要求1中所述的基于一维软模板纳米压印技术制作三维纳米网格结构的方法，其特征在于，步骤(1)中的软模板是PDMS、ETFE材料制作的软模板。
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