CN105242493A

CN105242493A - 一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法

Info

Publication number: CN105242493A
Application number: CN201510637694.4A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Nanjing Pengpai New Material Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Ting Ting Photoelectric Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2016-01-13

Abstract

本发明涉及一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法，该光刻胶包括：环氧丙烯酸酯5％-20％、紫外光引发剂1％-5％、乙二醇单异丙基醚30％-70％、活性稀释剂10％-15％、表面活性剂10％-20％、有机硅杂化材料5％-10％、其他微量助剂0.5％-2％。在无紫外光的条件下，先往反应釜中加入乙二醇单异丙基醚，在80转/分钟的搅拌下加入活性稀释剂、环氧丙烯酸酯，3分钟后加入紫外光引发剂，待完全溶解后加入表面活性剂、有机硅杂化材料和微量助剂。5分钟后用2000目滤网过滤得成品。该成品透明均一、有良好的储存性能，且粘度较低，硅杂化材料有效保证了其抗刻蚀性能，能得到高分辨率的纳米图案。

Description

一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法。

背景技术

纳米压印技术(Nano-imprintlithography,NIL)是在一定的工艺条件下将模板上具有纳米结构的特征图案等比例地转移到基板上的一种图形转移技术。纳米压印技术具有高分辨率、超低成本和高生产率，具有强大的竞争力和广阔的发展前景，被认为是当今最具前景的纳米制造技术之一。纳米压印技术主要包括热压印(HEL)、紫外压印(UV-NIL)以及微接触印刷(HCP)压印。工艺基本原理基本相同，即先通过电子束曝光和干法刻蚀等常规微电子工艺制作出具有纳米图形结构的模板，压印时，首先在基片(硅、石英玻璃等)表面涂一层光致抗蚀剂，当光致抗蚀剂具备合适的流动性时，模板与基片表面物理接触并使抗蚀剂充满模板的凹凸图形(即为压印)：然后通过紫外曝光或加热固化光刻胶，脱模后模板上的图形就被复制到抗蚀剂上，最后通过刻蚀工艺，将抗蚀剂上的图形转移到基片上，在基片上形成所需要的纳米图形结构，这样即完成整个的纳米压印过程。紫外纳米压印技术是一种在室温、低压环境下利用紫外光固化高分子的压印光刻技术，由于紫外纳米压印技术是利用紫外光进行曝光固化，所以UV-NIL的模版材料要具有紫外光可穿透性，基本上用石英材料作为压印模板，然后在硅基板涂上一层较低黏度、对UV感光的液态光刻胶组分，将模版压入光刻胶层并且在紫外光下进行曝光，使光刻胶发生光固化反应，然后再进行脱模处理，然后利用等离子刻蚀等刻蚀方式，将过多残留在基板上的光刻胶去除，这样即完成整个的紫外纳米压印光刻过程。

在紫外纳米压印光刻工艺流程中，压印的目的是进行纳米级结构的复制和转移，这个过程是在刚性或柔性结构的表面进行的。得到的光刻胶膜的厚度为纳米级，基本是几十到几百纳米。所以，为了得到高质量、高分辨率的转移图案，必须要有高质量的光刻胶膜，就必然要求具有优异性能的光刻胶。紫外纳米压印过程多采用旋涂制膜的方式，对光刻胶性能的要求自然更高，比如光刻胶对底材的润湿性要好，旋涂后，得到的膜的厚度均匀且没有气泡气孔等缺陷，这样成膜性能才优良。所以光刻胶体系要具有对底材润湿性好，而且要具有能够易成膜的特点，即具有低的表面张力。

在紫外纳米压印光刻过程中，光刻胶都是要参与紫外光聚合固化过程。由于其压印式的工艺，光刻胶表面图形的形成是由具有凸凹表面结构的模板形成的。而图形复制的精度的影响因素主要有光刻胶体系的硬度和粘度，其生产效率主要是受固化速率影响。为了得到高质量的图案，减少因压印脱胶而带来的图形缺陷等缺点，必须要保证光刻胶对基底有良好附着力。为了能够高质量、精准的得到复制图形，必须保证光刻胶具有很好的流变性以及可塑性。在固化前后，光刻胶硬度变化要非常明显，由液态时的硬度小变成固化后的强度较大。低硬度的液态光刻胶利于低压力下完成压印，而高硬度的固化后光刻胶能够有效防止图形的精细结构在脱模时发生脆断等现象。高效的固化必然带来高效率的生产效益。所以提高固化速率对光刻胶性能也比较重要。紫外纳米压印发展至今，尤其是步进式技术和紫外纳米压印技术结合形成的步进快闪式紫外纳米压印很好的解决了光刻胶的固化速率的问题。对于紫外纳米压印过程的机械式的接触，要避免光刻胶和底材产生脱胶现象，就必然需要其间强的结合力。而为了保证压印结束后，能够顺利脱模，光刻胶和模板有较低的结合力是必要的。在常用的光刻胶体系中，使用高表面能的具有碳氧主链的纯有机材料可以达到和底材有强结合力的目的，但是其对模板的较强粘合力会导致压印图形产生缺陷，甚至会损坏模板。使用具有低表面能含硅、含氟材料，可以达到顺利脱模的目的，但是其和底材的低结合力会导致脱胶现象的发生。结合这两类材料的特点，在光刻胶体系中，加入含有碳氧基团和硅氧或氟碳基团的材料，可以解决光刻胶的这些缺陷和不足。抗刻蚀能力在通常的压印过程中，光刻胶主要是作为一种图形转移介质，光刻胶图形转移到基板上是通过离子刻蚀达到的，所以，要保证转移图形的质量，自然要求光刻胶具有一定的抗刻蚀能力以及刻蚀选择性。通常来说，含硅有机材料因硅氧键的高键能其抗刻蚀能力比较强。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述不易旋涂、抗刻蚀性低等缺陷而提供一种透明均一、稳定性好、有良好的储存性能的液体，该发明与其他光刻胶相比具有较低的粘度，同时硅杂化材料的加入大大提高了光刻胶的抗刻蚀性能，该光刻胶在光聚合过程中具有碳碳双键转化高和氧阻聚率低的性能，能得到高分辨率的纳米图案。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法，包括：环氧丙烯酸酯5%-20%、紫外光引发剂1%-5%、乙二醇单异丙基醚30%-70%、活性稀释剂10%-15%、表面活性剂10%-20%、有机硅杂化材料5%-10%、其他微量助剂0.5%-2%。

该配方中选用一款低粘度、弹性好和高活性的环氧丙烯酸酯，粘度在600-1200mPa.s，它可以用HDDA、TMPTA、TPGDA等单体或酯、酮和芳香烃稀释，可以与很多活性丙烯酸树脂混溶。

现在功能性的有机硅材料目前已经被广泛的应用于紫外纳米压印光刻技术中。相较于纯的有机材料，有机硅体系的光刻胶具有以下优点：高稳定性；低表面能和低表面张力。本发明选择的笼状倍半硅氧烷具有规则立体结构的有机无机杂化分子，其纳米级的笼状结构对于改善物理机械性能有较为显著的效果。

本发明中选择含氟活性剂来降低体系的表面张力，在聚合过程中表面活性剂会向模板-光刻胶的界面迁移，并与模板表面的Si—OH通过水解作用进行化学键的连接，相当于是强化了对模板的脱模处理，大大降低了表面能，通过多次的压印实验，压印100次后其模板几乎无明显的缺陷，表面接触角也未见明显的变化，而不含添加剂的组分在多次压印后表面出现了由于脱模不完全引起的缺陷，这表明含氟活性剂对于降低表面能具有良好的效果，同时也能够有效延长模板的使用寿命，这对于量产化的纳米级精细加工具有重要的意义。

本发明中采用反应性溶剂和非反应性溶剂混合使用，非反应性溶剂在旋涂和软烘过程中全部挥发，而反应性溶剂有部分在聚合过程中参与反应，两种溶剂的混合使用不仅有效地降低体系的表面能，而且使成膜具有低的收缩率，对光刻胶固化后的粘接强度、硬度、柔韧性、光学性能和耐老化性能也有重要影响。

紫外光固化通常分为自由基固化型和阳离子固化型。由于阳离子反应的实现条件较为苛刻，不利于实行量产化生产，因此我们选用自由基型固化体系。在此配方体系中我们选用一种高效不黄变的紫外光引发剂IRGACURE369，其特有的高吸收性使其特别适用于该发明体系。

一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法，包括以下工艺步骤：在完全过滤掉紫外光的生产条件下，先往反应釜中加入乙二醇单异丙基醚，打开搅拌器，以80转/分钟的转速搅拌，在搅拌状态下加入活性稀释剂己二醇二丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯，3分钟后加入紫外光引发剂，直至光引发剂完全溶解后加入表面活性剂、有机硅杂化材料和其他微量助剂，5分钟后用2000目滤网过滤得成品。

本发明以反应性溶剂和非反应性溶剂两类混合作为该体系的介质，引进特殊的笼状倍半硅氧烷具有规则立体结构的有机无机杂化分子和含氟的表面活性剂，能有效的降低体系的表面张力，大大增强膜的耐刻蚀性能。以粘度在600-1200mPa.s的一款低粘度、弹性好和高活性的环氧丙烯酸酯为主体树脂，以IRGACURE369作为光引发剂的配套体系获得一款透明均一、稳定性好、有良好的储存性能的光刻胶产品，该光刻胶具有较低的粘度，同时硅杂化材料的大大提高了光刻胶的抗刻蚀性能，该光刻胶在光聚合过程中具有碳碳双键转化高和氧阻聚率低的性能，能得到高分辨率的纳米图案。

本发明一种紫外光固化纳米压印光刻胶、粘度低：≤40mPa·S；自由基聚合；曝光能量：2J/cm2；特征尺寸：20nm。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，除非特别说明，实施例中所用的百分数和份数均以重量计。

实施例1：在完全过滤掉紫外光的生产条件下，先往反应釜中加入乙二醇单异丙基醚70份，打开搅拌器，以80转/分钟的转速搅拌，在搅拌状态下加入活性稀释剂己二醇二丙烯酸酯（HDDA）10份、环氧丙烯酸酯10份，3分钟后加入紫外光引发剂0.5份，直至光引发剂完全溶解后加入表面活性剂4份、有机硅杂化材料5份和其他微量助剂0.5份。5分钟后用2000目滤网过滤得成品。

实施例2：在完全过滤掉紫外光的生产条件下，先往反应釜中加入乙二醇单异丙基醚70份，打开搅拌器，以80转/分钟的转速搅拌，在搅拌状态下加入活性稀释剂HDDA8份、新戊二醇二丙烯酸酯（NPGDA）3份、环氧丙烯酸酯9份，3分钟后加入紫外光引发剂0.5份，直至光引发剂完全溶解后加入表面活性剂4份、有机硅杂化材料5份和其他微量助剂0.5份。5分钟后用2000目滤网过滤得成品。

实施例3：在完全过滤掉紫外光的生产条件下，先往反应釜中加入乙二醇单异丙基醚65份，打开搅拌器，以80转/分钟的转速搅拌，在搅拌状态下加入活性稀释剂HDDA12份、新戊二醇二丙烯酸酯（NPGDA）3份、环氧丙烯酸酯10份，3分钟后加入紫外光引发剂0.5份，直至光引发剂完全溶解后加入表面活性剂4份、有机硅杂化材料5份和其他微量助剂0.5份。5分钟后用2000目滤网过滤得成品。

Claims

1.一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法，其特征在于，该配方体系包括：环氧丙烯酸酯5%-20%、紫外光引发剂1%-5%、乙二醇单异丙基醚30%-70%、活性稀释剂10%-15%、表面活性剂10%-20%、有机硅杂化材料5%-10%、其他微量助剂0.5%-2%。

2.如权利要求1所述的一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法，其特征在于，配方中选用一款低粘度、弹性好和高活性的环氧丙烯酸酯，粘度600-1200mPa.s，它可以用HDDA、TMPTA、TPGDA等单体或酯、酮和芳香烃稀释，可以与很多活性丙烯酸树脂混溶。

3.如权利要求1所述的一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法，其特征在于，该配方选用乙二醇单异丙基醚做溶剂，该溶剂和本发明所选用的环氧丙稀释酯具有良好的配伍性。

4.如权利要求1所述的一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法，其特征在于，在体系中含氟表面活性剂和有机硅杂化材料的加入能有效的降低体系的表面张力和提高固化后膜的抗刻蚀性能。

5.如权利要求1所述的一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法，其特征在于，由于该光刻胶具有低的表面张力和高的抗刻蚀性能，该光刻胶在光聚合过程中具有碳碳双键转化高和氧阻聚率低的性能，能得到高分辨率的纳米图案。

6.如权利要求1所述的一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法，其特征在于，配方中选用反应性的非反应性的两种乙二醇单异丙基醚混合使用作为溶剂，有效改善光刻胶固化后的粘接强度、硬度、柔韧性、光学性能和耐老化性能。

7.如权利要求1所述的一种紫外光固化纳米压印光刻胶及其制备方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤：在完全过滤掉紫外光的生产条件下，先往反应釜中加入乙二醇单异丙基醚30%-70%，打开搅拌器，以80转/分钟的转速搅拌，在搅拌状态下加入活性稀释剂10%-15%、环氧丙烯酸酯5%-20%，3分钟后加入紫外光引发剂1%-5%，直至光引发剂完全溶解后加入表面活性剂10%-20%、有机硅杂化材料5%-10%和其他微量助剂0.5%-2%，5分钟后用2000目滤网过滤得成品。