CN103159164A - 一种高深宽比微柱阵列的电场诱导压印方法 - Google Patents

Abstract

一种高深宽比微柱阵列的电场诱导压印方法，先进行压印模具的制备及处理，然后进行基材、电极和聚合物材料的选择再压印及脱模，然后施加外电场，电场诱导再成型最后进行聚合物的固化，本发明最终得到的高深宽比柱状阵列，广泛的用于微机电系统以及生物微流体领域，同时由于本发明不需要复杂的工艺控制，大大降低了加工成本，提高了加工效率。

Description

一种高深宽比微柱阵列的电场诱导压印方法

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种高深宽比微柱阵列的电场诱导压印方法。

背景技术

具有大深宽比的微结构在微电子机械系统，微光学器件以及生物微流体等领域内有着广泛的应用，目前通常的制作大深宽比微结构的方法主要包括LIGA和ICP等。其中，LIGA即光刻、电铸和注塑的缩写，是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，其可以制造深宽比达100:1的大深宽比结构，但是却需要昂贵设备；而ICP即等离子体刻蚀工艺则在成型材料上有很大的限制，且同时设备昂贵。除此之外还有物理拉伸的办法将原有的微结构拉伸为更高的结构，这种方法虽然简便但是需要精确的工艺参数，以免在拉伸过程中对微结构造成损坏。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高深宽比微柱阵列的电场诱导压印方法，能够制作大面积高深宽比聚合物微柱状阵列，高效经济。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高深宽比微柱阵列的电场诱导压印方法，包括以下步骤：

1）压印模具的制备及处理：在晶圆表面利用光刻和刻蚀工艺加工出所需的圆孔阵列图形结构，并对其进行低表面能处理，即在压印模具正面制作一层厚度为20-100nm的抗粘层C₄F₈；

2）基材、电极和聚合物材料的选择：基材和电极都采用导电平板，即ITO导电玻璃或高参杂导电硅片，聚合物材料采用热塑性聚合物PMMA；

3）压印及脱模：利用匀胶机在基材上旋涂一层热塑性聚合物PMMA，其厚度为10um-50um，以10Mpa的压力P将低表面能处理后的压印模具压在基材上，使压印模具与基材紧密结合，并保证环境温度在热塑性聚合物PMMA的玻璃态转换温度以上，10-30分钟后，冷却至室温，脱模，在基材上留下聚合物柱状阵列，聚合物柱状阵列的深宽比小于5；

4）施加外电场：利用另一块ITO导电玻璃或高参杂导电硅片作为上电极，与基材组合形成一对平板电极，两平板电极之间有一层空气间隙，空气间隙是柱状阵列高度的2-4倍，采用直流电源，电压调节范围在300-500V，正极连上电极，负极连基材，对形成的PMMA微柱阵列施加外电场；

5）电场诱导再成型：再将环境温度升至PMMA玻璃态转化温度以上，150-200℃，调节电压大小，使电场力大于PMMA表面张力，持续2-10小时，直至成型过程结束；

6）聚合物的固化：在保持施加电压不变的情况下，将环境温度降低到室温，PMMA固化，最终得到深宽比达到20—30的高深宽比微柱阵列。

本发明突破了常规压印工艺不能大面积制造大深宽比柱状阵列结构的限制，由于脱模过程对高深宽比结构的损伤，压印工艺一般都只能制造深宽比小于5的阵列结构，通过本发明最终得到的高深宽比柱状阵列，可以广泛的用于微机电系统以及生物微流体领域。同时由于本发明不需要复杂的工艺控制，大大降低了加工成本，提高了加工效率。

附图说明：

图1-1为压印模具主视图。

图1-2为压印模具的仰视图。

图2为旋涂有聚合物材料基材示意图。

图3为将压印模具压在聚合物材料上的示意图。

图4为脱模后形成的聚合物柱状阵列示意图。

图5为在加热状态下施加外电场进行电诱导再拉高成型示意图。

图6为电场诱导再成型过程中聚合物局部流变原理示意图。

图7为固化成型后的高深宽比聚合物微柱阵列示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细描述。

一种高深宽比微柱阵列电场诱导压印方法，包括以下步骤：

1）压印模具的制备及处理：参照图1，压印模具1采用光刻和刻蚀的传统工艺，在晶圆表面上制作微孔阵列2，完成后进行低表面能处理，即在压印模具1正面制作一层厚度为20-100nm的抗粘层3，防止脱模时损伤微柱阵列结构，抗粘层为C₄F₈涂层；

2）基材、电极和聚合物材料的选择：参照图2和图5，选择ITO导电玻璃或高参杂导电硅片作为基材4和上电极5，二者组成一对平面平板电极，聚合物6采用具有热塑性聚合物PMMA；

3）压印及脱模：参照图2、图3和图4，在基材4上用匀胶机旋涂一层厚度为10-50um的聚合物6，以恒定的压力P=10MPa将低表面能处理后的压印模具1压在基材4上，使压印模具1和基材4紧密结合，并用热板7加热基材4至PMMA的玻璃态转换温度以上，10-30分钟后，冷却至室温，脱模，在基材4上留下了PMMA微柱阵列8，聚合物柱状阵列的深宽比小于5；

4）施加外加电场：参照图5，用另一块ITO玻璃作为上电极5，在一对平板电极之间施加恒定的电压，两平板电极之间有一层空气间隙，空气间隙是柱状阵列高度的2-4倍，采用直流电压9，电压300-500V连续可调，基材4接电源的负极，上电极5接电源的正极，对形成的PMMA微柱阵列8施加外电场；

5）电场诱导再成型：参照图6，通过热板7对基材4再次进行加热，使温度升至PMMA的玻璃态转换温度以上，150-200℃，调节直流电压9的大小，使电场力增大至足以克服PMMA的表面张力，从而驱动PMMA微柱阵列8的再成型，以得到大深宽比的微结构，处于上下平板电极之间的PMMA微柱阵列8受到一个向上的电场力F的作用，电场力F可以使此处的PMMA克服表面张力和粘滞阻力向上流动，在这些力的共同作用下，PMMA微柱结构不断被拉伸，深宽比逐渐增大，直到最终接触到上电极5，形成具有高深宽比的微柱阵列10；

6）聚合物的固化：参照图7，使PMMA在不变的电压下，电压大小为300-500V的某值均可，保持2-10小时，此时PMMA已经完全被拉高到接触到上电极5，降低温度到室温，PMMA固化，撤离上电极，最终的深宽比可达20-30的微柱阵列10便留在了基材4上。

上述方法，可以实现的高深宽比微柱阵列尺寸为：压印模具凸起部分尺寸W1以及凹陷部分尺寸W2均为10微米至100微米级，平板电极之间的距离d为50微米至100微米级，压印高度和柱子高度h1，h2为10微米至100微米级，压印留膜和最终成型留膜厚度h3，h4为1微米至10微米级，最终的高深宽比微柱阵列尺寸W3为10微米至100微米级，间隙W4为10微米至100微米级。

压印光刻与电场诱导拉高成型的高深宽比PMMA微柱阵列，是利用压印光刻事先在导电基材上制作大面积具有一定深宽比的微柱阵列，由于压印光刻本身工艺的特性，这些微柱阵列一般具有不超过5的深宽比，此步骤简单经济，出产率高，体现了压印光刻在制作小深宽比微结构的优势。令一方面，形成的微柱阵列在后续的电场诱导再成型的过程中，进一步流变被拉高，最终形成了深宽比可达20-30的微柱阵列。

Claims (1)

1.一种高深宽比微柱阵列的电场诱导压印方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）压印模具的制备及处理：在晶圆表面利用光刻和刻蚀工艺加工出所需的圆孔阵列图形结构，并对其进行低表面能处理，即在压印模具正面制作一层厚度为20-100nm的抗粘层C₄F₈；

2）基材、电极和聚合物材料的选择：基材和电极都需要采用导电平板，即ITO导电玻璃或高参杂导电硅片，聚合物材料采用热塑性聚合物PMMA；

3）压印及脱模：利用匀胶机在基材上旋涂一层热塑性聚合物PMMA，其厚度为10um-50um，以10Mpa的压力P将低表面能处理后的压印模具压在基材上，使压印模具与基材紧密结合，并保证环境温度在热塑性聚合物PMMA的玻璃态转换温度以上，10-30分钟后，冷却至室温，脱模，在基材上留下聚合物柱状阵列，聚合物柱状阵列的深宽比小于5；

4）施加外电场：利用另一块ITO导电玻璃或高参杂导电硅片作为上电极，与基材组合形成一对平板电极，两平板电极之间有一层空气间隙，空气间隙是柱状阵列高度的2-4倍，采用直流电源，电压调节范围在300-500V，正极连上电极，负极连基材，对形成的PMMA微柱阵列施加外电场；

5）电场诱导再成型：再将环境温度升至PMMA玻璃态转化温度以上，150-200℃，调节电压大小，使电场力大于PMMA表面张力，持续2-10小时，直至成型过程结束；

6）聚合物的固化：在保持施加电压不变的情况下，将环境温度降低到室温，PMMA固化，最终得到深宽比达到20—30的高深宽比微柱阵列。

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