CN102243436A - 一种几何约束下的电场诱导微复型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种几何约束下电场诱导的微复型方法，该方法为：制备具有一定图形结构的模板，并进行相应的表面处理，在模板和涂覆有光固化胶的基材之间引入合适的电场，使光固化胶在电场力作用下完成微复型过程，然后用紫外线曝光固化，再采用干法氧气刻蚀进行后处理，从而制得与模板的图形结构互补的微纳结构。本发明可以广泛应用于各种微纳器件的加工，例如：芯片实验室、高电容解耦式电容器、太阳能电池、平板式显示器(OLED、SED、LCD)等。这种微复型工艺制备的图形结构与模板的图形结构相符，其特征结构尺寸为微米级至纳米级。

Description

一种几何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，涉及一种电场诱导微复型方法，尤其是一种在电场诱导光固化胶流变过程中，通过几何限制约束光固化胶的流变行为，实现微米级或是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利用光波，透过掩膜板来进行选择性曝光，从而把模板上的图形转移到预先涂覆有光固化胶的基板上，再通过显影液的浸泡，进而得到所需要的图形。光刻工艺是超大规模集成电路中的核心工艺，因此在现阶段的微纳制造技术领域得到了最为成熟的发展。但是，随着特征尺寸的不断减小，现有的光学投影光刻技术几乎达到了其衍射极限，要研发相应的光刻设备所付出的技术和资金代价都非常昂贵，因此业界人士纷纷将注意力转移到下一代光刻技术上。

德国Konstanz大学的Schaffer等人和Princeton大学的Chou等人使用高粘度热塑性材料进行无约束电场诱导技术的研究。他们提出了在高温情况下，聚合物处于流体状态，通过在模板和聚合物之间加电来实现对聚合物的诱导拉伸作用，从而实现微细结构的微复型。这种方法设备简单，操作简便，但是同样存在着不可忽视的缺陷。第一、在图形区域内通过融合进行复型，可能会出现融合过度或是融合不足，产生缺陷；第二、一旦聚合物接触到模板，不受约束的聚合物在毛细力的作用下会爬上模板图形结构的侧壁，影响复型的精确性；第三、高温环境下操作存在一定的技术困难，并且与现有半导体加工技术不兼容。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的电诱导流变成形存在的结构不均匀，容易出现缺陷，工作温度高的缺点，提供一种几何约束下的电场诱导微复型方法，该方法选用UV光固化胶作为阻蚀胶，采用几何约束下的电场诱导微复型，常温下在UV光固化胶上加工出高精度、低缺陷的微纳结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种几何约束下的电场诱导微复型方法，包括以下步骤：

1)模板的制备及处理

制备具有图形结构的模板，并进行表面处理；

2)基材的选择和匀胶

采用高掺杂的硅片作为基材，利用匀胶机在其表面旋涂UV光固化胶，UV光固化胶的厚度为纳米级至微米级；

3)将处理过的模板压在UV光固化胶上

将处理过的模具压在UV光固化胶上，只要保证模板与UV光固化胶接触即可；

4)外加直流电源

采用直流电源，作为模板的ITO导电层接电源的正极，作为基材的高掺硅接电源负极，调节电压大小，使UV光固化胶所受的电场力足以克服表面张力，驱动光固化胶的流变行为；

5)几何约束下的电诱导复型

使UV光固化胶在稳定的电压下保持0.25小时到4小时，直至复型过程结束；

6)UV光固化胶的固化

在保持电压不变的情况下利用紫外光通过透明模板照射已完成复型的液态UV光固化胶，固化电诱导复型所得的微纳结构；

7)脱模后处理

利用氧气进行干法刻蚀，去除非图形区残余的UV光固化胶。

进一步，步骤1)模板的制备及处理方法为：在导电纳米铟锡金属化合物玻璃表面沉积上一层二氧化硅，然后在二氧化硅层上用光刻工艺加工出所需要的图形结构，得到所需模板，或是采用光刻工艺首先在导电纳米铟锡金属化合物玻璃表面上加工出所需图形结构，然后采用套刻工艺在适当位置淀积SiO2，得到所需模板。

进一步，在步骤3)中，以10Mpa的压力将处理过的模具压在UV光固化胶上。

进一步，在步骤4)中，电压调节范围在0-300V连续可调。

本发明具备以下有益效果：

采用本发明的几何约束下的电场诱导微复型方法得到的微纳结构具有精度高、缺陷少的特点，此种方法既可以避免传统光刻的衍射极限的限制，又极大改善了无约束电诱导流变成形技术中存在的缺陷多、温度高的问题。由于本发明不需要昂贵的光刻设备与温度的精确控制，因此本方案大大降低了加工成本，提高了加工效率。本技术方案可以广泛的应用在微传感器、芯片实验室、高电容解耦式电容器、太阳能电池、平板式显示器(OLED、SED、LCD)等方面。

附图说明

图1-1和图1-2为模板的主视示意图；

图2为涂覆有UV光固化胶的基材的示意图；

图3为将模板压在UV光固化胶上的示意图；

图4为电诱导过程中光固化胶局部电场辅助原理示意图；

图5为施加电场进行辅助诱导示意图；

图6为UV光线固化示意图；

图7为光固化胶固化后脱去模板得到的初始微纳结构示意图；

图8为采用干法刻蚀处理初始微纳结构的示意图；

图9为干法刻蚀后得到的微纳结构示意图；

图10为最终得到的微纳结构的仰视示意图。

具体实施方式

下面，将结合附图相信说明几何约束下的电场诱导微复型工艺过程：

如图所示，在ITO玻璃1表面淀积上一层二氧化硅2，并进行光刻、刻蚀及表面处理的工艺，如附图1-1所示，或是在ITO玻璃上进行光刻、刻蚀等工艺，然后采用套刻工艺淀积SiO2，最后进行表面处理工艺，如图1-2所示，在高掺硅基材5上旋涂UV光固化胶4的工艺，如附图2所示，将制备好的模板以10MPa的压力压在UV光固化胶4上的工艺，如图3所示，在模板和高掺硅基材之间接直流电源6进行几何约束下的电场诱导微复型工艺，如图5所示，在保持电压的情况下，通过紫外光8进行固化的工艺，如图6所示，图7为脱去模板之后得到的初始微纳结构的示意图，对脱去模板之后的初始微纳结构进行去除留膜的工艺9，如图8所示，图9为去除留膜后得到的最终微纳结构的主视示意图，图10为最终制得的微纳结构仰视示意图。

上述方法，可以实现的微纳结构尺寸为：模具凸起的部分尺寸w1为纳米级至微米级，模具凹陷部分尺寸w2为纳米级至微米级，高掺硅基材上旋涂的UV光固化胶尺寸h1为纳米级至微米级，得到的初始微纳结构凸起部分尺寸w3为纳米级至微米级，初始微纳结构凹陷部分尺寸w4为纳米级至微米级，得到的最终微纳结构高度h4为纳米级至微米级，最终微纳结构宽度w3为纳米级至微米级。

本发明摆脱了常规光刻工艺中衍射极限的限制，也解决了无约束电场诱导流变成形中的高温、缺陷多的问题，相较这两者，本发明在电场诱导成型的过程中加入了几何约束，同时采用UV固化胶，既限制了光固化胶的流动任意性，使之更符合所期望的方向，可以得到更为精确，更为均匀的微纳结构，也实现了工艺的常温化，使其可以与其他成熟的半导体工艺兼容，减低了操作难度。

这种采用几何约束下的电场诱导微复型工艺的具体实施过程为：

1)模板的制备与处理：模板采用导电纳米铟锡金属氧化物(ITO)玻璃1作为制作模板的基材，在其上沉积一层SiO₂，并在该层上采用传统光刻的方法加工出图形结构，然后将残留的SiO₂刻蚀去除，从而得到最终的SiO₂的图形结构3，或是在ITO层2上采用传统光刻工艺加工出图形结构，然后采用套刻工艺淀积一层SiO₂，最后将制得的模板进行表面处理，降低表面能，防止脱模时损伤复型所得的微纳结构。模板制备的目标就是得到凹陷部分2为导电层，凸起部分3为绝缘层的结构；

2)基材的选择和匀胶：选择高掺硅片5作为基材，用匀胶机在其上旋涂UV光固化胶4，UV光固化胶的厚度h1为纳米级到微米级。

3)将处理过的模板压在UV光固化胶上。以10MP的压力P将处理过的模板压在UV光固化胶4上，以保证两者可以刚刚接触。

4)外加直流电源：采用实验室直流电源6(电压0-300V连续可调)，模板上的导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层2接直流电源的正极，作为基材的高掺硅片5接电源的负极。调节直流电源6的大小，使电场力增大至可以克服UV光固化胶的表面张力，从而驱动UV光固化胶4的流变。

5)进行几何约束下的电场诱导微复型：使UV光固化胶在稳定的电压下保持0.25小时到4小时，直至复型过程结束。如图4所示，处于两凸起结构3之间的UV光固化胶受到一个向上的电场力Pe，电场力Pe可以使此处的UV光固化胶克服表面张力和大气压强向上流动，当UV光固化胶向上开始流动后，由于UV光固化胶与模板的接触角小于90度，所以此时表面张力跟电场力共同作为光固化胶向上流动的动力，最终在微复型过程中形成了与模板互补的图形结构7.

6)UV光固化胶的固化：在保持稳定电压的前提下，采用商用UV固化设备产生紫外线8，利用紫外光通过透明模板照射已完成复型的液态UV固化光固化胶，固化电诱导复型所得的微纳结构，脱去模板，即可得到初步的微纳结构7。

7)脱模后处理：采用干法刻蚀的方法处理初步的微纳结构7，去除掉残留的UV光固化胶，从而得到最终的微纳结构10。

几何约束下的电场诱导微复型，是使液态UV固化光固化胶在电场驱动下在几何约束内产生定向定区域的流变，从而将模板上的图型转移到UV光固化胶上。该复型过程，充分利用了UV光固化胶其自身的流变特性及几何约束，大大减小了无几何约束下电场诱导可能出现各种缺陷的机会。该种方法具有简单易行，成本低的特点，只需要一个合适的外加电场，即可实现UV光固化胶的自主流动成型，得到所需要的复型结构。

本发明的基本工作原理：施加一定的压力，使模板接触光固化胶即可，固化之前UV光固化胶具有流动性，施加合适的电场，在几何条件约束下，约束区域内的UV光固化胶一个向上的电场，一般情况下，初始状态，电场力需要克服液膜的表面张力，然而一旦光固化胶流动至模板凹陷内，由于模板对于UV光固化胶是润湿的，因此，表面张力和电场力共同作用克服模板凹陷内的残留气体的气压压力对UV光固化胶产生向上拉升的作用力，维持一段时间后，待UV光固化胶完成复型，对其采用紫外使其固化，光固化胶就不再具有流动性，最后脱去模板，在进行氧气干法刻蚀去除非图形区的留膜，即可得到所需要的微纳结构。用这种方法得到的微纳结构比传统光刻工艺得到的微纳结构尺寸更小，缺陷更少，加工效率更高。同时，由于几何约束的存在，限制了无约束条件下固化胶的流动任意性，得到的微纳结构更加均匀，精确度更高。

综上所述，本发明克服了传统光刻工艺中存在的衍射极限的问题，同时也克服了无约束电场诱导中容易出现缺陷、工作温度高的不足。本发明采用几何约束下的电场诱导，使约束区域内光固化胶受力流变，得到更为精确的微细结构。

Claims (4)

1.一种几何约束下的电场诱导微复型方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)模板的制备及处理

制备具有图形结构的模板，并进行表面处理；

2)基材的选择和匀胶

采用硅片作为基材，利用匀胶机在其表面旋涂UV光固化胶，UV光固化胶的厚度为纳米级至微米级；

3)将处理过的模板压在UV光固化胶上

将处理过的模具压在UV光固化胶上，只要保证模板与UV光固化胶接触即可；

4)外加直流电源

采用直流电源，作为模板的ITO导电层接电源的正极，作为基材的高掺硅接电源负极，调节电压大小，使UV光固化胶所受的电场力足以克服表面张力，驱动光固化胶的流变行为；

5)几何约束下的电诱导复型

使UV光固化胶在稳定的电压下保持0.25小时到4小时，直至复型过程结束；

6)UV光固化胶的固化

在保持电压不变的情况下利用紫外光通过透明模板照射已完成复型的液态UV光固化胶，固化电诱导复型所得的微纳结构；

7)脱模后处理

利用氧气进行干法刻蚀，去除非图形区残余的UV光固化胶。

2.根据权利要求1所述的几何约束下的电场诱导微复型方法，其特征在于，在步骤1)模板的制备及处理方法为：在导电纳米铟锡金属化合物玻璃表面沉积上一层二氧化硅，然后在二氧化硅层上用光刻工艺加工出所需要的图形结构，得到所需模板，或是采用光刻工艺首先在导电纳米铟锡金属化合物玻璃表面上加工出所需图形结构，然后采用套刻工艺在适当位置淀积SiO2，得到所需模板。

3.根据权利要求1所述的几何约束下的电场诱导微复型方法，其特征在于，在步骤3)中，以10Mpa的压力将处理过的模具压在UV光固化胶上。

4.根据权利要求1所述的几何约束下的电场诱导微复型方法，其特征在于，在步骤4)中，电压调节范围在0-300V连续可调。

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