CN105502281A - 一种金属图形化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种金属图形化方法，包括步骤：A)提供一具有预设微纳图形结构的压印版；B)在所述压印版上依次形成抗粘附层及金属膜层；C)提供一基片，并使所述基片与完成步骤B)的压印版在预定压力和预定温度下进行接触；D)将步骤A)中的压印版与所述基片分开，以使所述金属膜层转移到所述基片上，从而在所述基片上形成纳米金属结构。本发明的金属图形化方法利用具有侧壁内凹的结构体的压印版，能够有效地减小转移到基片上的纳米金属结构的边缘粗糙度，且可以实现真空环境下的金属图形化。而且，本发明的金属图形化方法精度高、工艺简单，大大降低了金属图形化特别是金属纳米结构图形化的成本，同时还能够提高加工效率。

Description

一种金属图形化方法
技术领域
本发明属于微纳加工技术领域，具体地讲，涉及一种金属图形化的方法。
背景技术
图形化是微纳加工技术领域中最为重要的技术之一，其中，金属图形化对于制备电极、实现光互联以及形成刻蚀掩模都极为重要。现有技术的金属图形化技术一般采用光学曝光和显影的技术来定义图形，并通过刻蚀来形成图形。这种技术大量用到有机试剂，对于有机电子器件而言难以应用。此外，这种液相的工艺技术也无法适应真空环境下对图形化技术的需求。考虑到纳米结构的高效率制备，普通光学曝光技术还受到精确度的制约。
微接触图形转移技术是一类通过物理接触来实现微结构图形从一个样品表面向另一个样品表面转移的工艺技术。这种技术类似于压印技术，但不需要将带有图形的模板压入被压印材料中，而是通过表面粘附性的差异，实现图形尤其是金属材料的转移。然而，现有技术的微接触图形转移技术多采用有机化学分子单层涂覆被压印样品来提高金属薄膜的粘附性或者有机化学分子单层涂覆压印版上的金属膜来形成刻蚀掩模，但这样都破坏了金属与被压印样品的直接接触，增加了接触电阻，而且后者还存在有机化学分子单层的表面扩散问题，影响图形精度。此外，这些技术采用的压印版上的图形是正台面结构，虽然适合三维图形的转移，但极大增加了压印图形的边缘粗糙度。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种金属图形化方法，包括步骤：A)提供一具有预设微纳图形结构的压印版；B)在所述压印版上依次形成抗粘附层及金属膜层；C)提供一基片，并使所述基片与完成步骤B)的压印版在预定压力和预定温度下进行接触；D)将步骤A)中的压印版与所述基片分开，以使所述金属膜层转移到所述基片上，从而在所述基片上形成纳米金属结构。
进一步地，所述压印版采用的材料为硅或石英或聚二甲基硅氧烷。
进一步地，所述抗粘附层采用的材料为硅烷基的化学单层，其中，所述硅烷基的化学单层通过浸泡或旋涂的方法形成在所述压印版上。
进一步地，所述抗粘附层采用的材料为碳氟化合物，其中，所述碳氟化合物通过干法沉积的方法形成在所述压印版上。
进一步地，所述金属膜层采用的材料为金、银、钛、铜、铝、镍、铬中的一种或多种。
进一步地，所述预定压力的范围为5标准大气压至15标准大气压。
进一步地，所述预定温度的范围为70摄氏度至120摄氏度。
进一步地，所述基片采用的材料为硅或二氧化硅或石英或聚对苯二甲酸乙二酯。
进一步地，所述预设微纳图形结构包括阵列排布的若干结构体，其中，每个结构体的侧壁具有内凹的形状。
进一步地，所述具有预设微纳图形结构的压印版通过倒模的方式形成。
本发明的金属图形化方法利用具有侧壁内凹的结构体的压印版，易于将结构体顶端的金属膜层与结构体之间的金属膜层分离，且能够有效地减小转移到基片上的纳米金属结构的边缘粗糙度。此外，本发明的金属图形化方法无需涂胶和显影等湿法工艺，可以实现真空环境下的金属图形化，且可以实现在有机材料基片上的金属图形化。而且，本发明的金属图形化方法精度高、工艺简单，大大降低了金属图形化特别是金属纳米结构图形化的成本，同时还能够提高加工效率。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的金属图形化方法的流程图；
图2是根据本发明的制备纳米金属结构的过程示意图；
图3是根据本发明的具有预设微纳图形结构的压印版的另一实施方式；
图4是形成本发明的具有预设微纳图形结构的压印版的模板的实施方式；
图5是根据本发明的实施例1的对比实验结果的扫描电子显微镜图；
图6是根据本发明的实施例1的实验结果的扫描电子显微镜图；
图7是根据本发明的实施例2的实验结果的示意图；
图8是根据本发明的实施例3的转移到基片上的一维金属光栅结构的消光比光谱图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
图1是根据本发明的金属图形化方法的流程图。图2是根据本发明的制备纳米金属结构的过程示意图；其中，(a)图为本发明的金属图形化方法的步骤110的示意图；(b)图为本发明的金属图形化方法的步骤120的示意图；(c)图为本发明的金属图形化方法的步骤130的示意图；(d)图为本发明的金属图形化方法的步骤140的示意图。
参照图1和图2，在步骤110中，提供一具有预设微纳图形结构的压印版10。这里，所述预设微纳图形结构包括阵列排布的若干结构体11，其中，每个结构体11具有其侧壁内凹的形状。在本发明中，可利用各向同性刻蚀的方法直接在平整、光滑的压印版的表面形成具有侧壁内凹的形状的若干结构体11的压印版10。
在本发明中，压印版10采用的材料为硅或石英或聚二甲基硅氧烷，但本发明并不局限于此。
在步骤120中，在压印版10上依次形成抗粘附层20及金属膜层30。这里，抗粘附层20可采用的材料为硅烷基的化学单层或碳氟化合物；其中，当抗粘附层20采用的材料为硅烷基的化学单层时，可通过浸泡或旋涂的方法将硅烷基的化学单层形成在压印版10上；当抗粘附层20采用的材料为碳氟化合物时，可通过干法沉积的方法将碳氟化合物形成在压印版10上。
在抗粘附层20上沉积形成金属膜层30。在本发明中，金属膜层30为一层金属膜，但本发明并不限制于此，金属膜层30可包括多层金属膜。此外，在本发明中，可通过热蒸发或电子束蒸发或溅射的方法制备金属膜层30。金属膜层30采用的材料为金、银、钛、铜、铝、镍、铬中的一种或多种。
在步骤130中，提供一基片40，并使该基片40与完成步骤120的压印版10在预定压力和预定温度下进行接触。这里，所述预定压力的范围可在5标准大气压至15标准大气压之间，但本发明并不限制于此。所述预定温度的范围可在70摄氏度至120摄氏度之间，但本发明并不限制于此。基片40采用的材料可为硅等无机半导体材料、二氧化硅或石英、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)等有机材料。
在步骤140中，将步骤110中的压印版10与基片40分开，以使金属膜层30转移到基片40上，从而在基片40上形成纳米金属结构(或称金属图案)。这里，该纳米金属结构可作为电极或刻蚀掩模或光学功能器件(例如滤波器、光束调控器、偏振器等)。
此外，还可通过其他的方式形成本发明的具有预设微纳图形结构的压印版10。图3是根据本发明的具有预设微纳图形结构的压印版的另一实施方式。
参照图3，在压印版10上设置掩膜层50；对掩膜层50及压印版10进行刻蚀，由于掩膜层50的刻蚀速率小于压印版10的刻蚀速率，所以通过控制刻蚀过程，可使压印版10上形成由若干支撑体12与若干掩膜体51组合成的预设微纳图形结构。优选的，若干支撑体12等间隔排列，且若干掩膜体51等间隔排列。并且，每个支撑体12的宽度小于其对应的掩膜体51的宽度，这样，每个支撑体12与其对应的掩膜体51之间形成内凹结构。
此外，作为另一种实施方式，也可通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒模的方法(即将PDMS注入到若干支撑体12与若干掩膜体51组合成的预设微纳图形结构之间，凝固之后取出)形成软模板，即具有预设微纳图形结构的压印版。
图4是形成本发明的具有预设微纳图形结构的压印版的模板的实施方式。
参照图4，在压印版10上设置掩膜层50；对掩膜层50及压印版10进行刻蚀，由于掩膜层50的刻蚀速率小于压印版10的刻蚀速率，所以通过控制刻蚀过程，可使压印版10上形成由若干支撑体12与若干掩膜体51组合成的预设微纳图形结构。优选的，若干支撑体12等间隔排列，且若干掩膜体51等间隔排列。并且，每个支撑体12的宽度小于其对应的掩膜体51的宽度，这样，每个支撑体12与其对应的掩膜体51之间形成内凹结构。
此外，作为另一种实施方式，也可通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒模的方法(即将PDMS注入到若干支撑体12与若干掩膜体51组合成的预设微纳图形结构之间，凝固之后取出)形成软模板，即形成具有预设微纳图形结构的压印版。
图4是根据本发明的具有预设微纳图形结构的压印版的另一实施方式。
参照图4，在基板80上依次涂布第一光刻胶层60和第二光刻胶层70，其中，第一光刻胶层60的显影速率大于第二光刻胶层70的显影速率，因此在对第一光刻胶层60和第二光刻胶层70曝光、显影后，可在压印版10上形成由若干第一光刻胶体61与若干第二光刻胶体71形成的结构。优选的，若干第一光刻胶体61等间隔排列，且若干第二光刻胶体71等间隔排列。并且，每个第二光刻胶体71的宽度大于其对应的第一光刻胶体61。而后，通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)倒模的方法(即将PDMS注入到若干第一光刻胶体61与若干第二光刻胶体71形成的结构之间，凝固之后取出)形成软模板，即形成具有预设微纳图形结构的压印版。
下面结合具体的实施例对本发明的金属图形化方法进行详细地描述。
实施例1
基于图1和图2所示的工艺流程图，提供一具有预设微纳图形结构的硅压印版和一由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)形成的基片。首先，在感应耦合等离子体刻蚀设备中使用八氟环丁烷(C4F8)气体在300瓦功率和20毫托压力下在硅压印版上沉积一层由碳氟化合物形成的抗粘附层；其次，利用电子束蒸发工艺在抗粘附层上沉积厚度为100纳米的金膜层；接着，利用光学显微镜将硅压印版与基片对准，并施以5个标准大气压使二者压紧，并升温至100摄氏度且保持3分钟；最后，自然冷却到室温并撤去压力，使硅压印版与基片分离，从而在基片上形成纳米金属结构(或称金属图案)。
图5是根据本发明的实施例1的对比实验结果的扫描电子显微镜图；其中，(a)图、(b)图和(c)图示出硅压印版上的具有侧壁外凸形状的结构体的扫描电子显微镜图，(d)图、(e)图和(f)图示出利用具有侧壁外凸形状的结构体的硅压印版时，转移到基片上的金属结构图形的扫描电子显微镜图。
参照图5，当所用硅压印版具有侧壁外凸形状的结构体时，转移到基片上的金属结构具有非常粗糙的边缘，甚至没有成功的实现结构体顶端的金属膜层与结构体之间的底层金属膜层的完全分离。
图6是根据本发明的实施例1的实验结果的扫描电子显微镜图；其中，(a)图、(b)图和(c)图示出硅压印版上的具有侧壁内凹形状的结构体的扫描电子显微镜图，(d)图、(e)图和(f)图示出利用具有侧壁内凹形状的结构体的硅压印版时，转移到基片上的金属结构图形的扫描电子显微镜图。
参照图6，当所用硅压印版具有侧壁内凹形状的结构体时，沉积在硅压印版上的金属膜层实现了结构体顶端的金属膜层与结构体之间的金属膜层的完全分离，转移到基片上的金属结构具有光滑的边缘，进一步确认了仅有结构体顶端的金属膜层转移到了基片上。
实施例2
基于图1和图2所示的工艺流程图，提供一具有预设微纳图形结构的石英压印版和一由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)形成的基片。首先，在感应耦合等离子体刻蚀设备中使用八氟环丁烷(C4F8)气体在300瓦功率和20毫托压力下在石英压印版上沉积一层由碳氟化合物形成的抗粘附层；其次，利用电子束蒸发工艺在抗粘附层上沉积厚度为100纳米的铝膜层；接着，利用光学显微镜将石英压印版与基片对准，并施以10个标准大气压使二者压紧，并升温至110摄氏度且保持3分钟；最后，自然冷却到40摄氏度并撤去压力，使石英压印版与基片分离，从而在基片上形成纳米金属结构(或称金属图案)。
图7是根据本发明的实施例2的实验结果的示意图；其中，(a)图是转移到基片上的纳米金属结构在光学显微镜透射模式下拍摄的示意图；(b)图是转移到基片上的纳米金属结构的局部扫描电子显微镜图。
参照图7中的(a)图，其是利用光学显微镜透射模式下对转移到基片上的纳米金属结构进行拍照后得到的彩色图案；参照图7中的(b)图，其是利用扫描电子显微镜对转移到基片上的纳米金属结构的局部区域进行拍摄后的示意图，可以看到转移到基片上的纳米金属结构形成了彩色滤波器，在光学显微镜透射模式下利用白光照明呈现彩色图案，证明了本实施例的工艺技术的有效性。
实施例3
基于图1和图2所示的工艺流程图，提供一具有预设微纳图形结构(例如一维光栅图形结构)的硅压印版和一由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)形成的基片。首先，在感应耦合等离子体刻蚀设备中使用八氟环丁烷(C4F8)气体在300瓦功率和20毫托压力下在硅压印版上沉积一层由碳氟化合物形成的抗粘附层；其次，利用电子束蒸发工艺在抗粘附层上沉积厚度为100纳米的铝膜层；接着，利用光学显微镜将硅压印版与基片对准，并施以10个标准大气压使二者压紧，并升温至110摄氏度且保持3分钟；最后，自然冷却到40摄氏度并撤去压力，使硅压印版与基片分离，从而在基片上形成纳米金属结构，即一维金属光栅结构。
图8是根据本发明的实施例3的转移到基片上的一维金属光栅结构的消光比光谱图。
参照图8，利用光谱仪对转移到基片上的一维金属光栅结构进行两个偏振透射光的消光比测试，可以看到形成的一维金属光栅结构实现了偏振片的功能。在可见光波段，消光比大于10dB，进一步证明了本实施例的工艺技术的有效性。
综上所述，根据本发明的金属图形化方法，利用具有侧壁内凹的结构体的压印版，易于将结构体顶端的金属膜层与结构体之间的金属膜层分离，且能够有效地减小转移到基片上的纳米金属结构的边缘粗糙度。此外，根据本发明的金属图形化方法，无需涂胶和显影等湿法工艺，可以实现真空环境下的金属图形化；且可以实现在有机材料基片上的金属图形化。而且，根据本发明的金属图形化方法，精度高、工艺简单，大大降低了金属图形化特别是金属纳米结构图形化的成本，同时还能够提高加工效率。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.一种金属图形化方法，其特征在于，包括步骤：
A)提供一具有预设微纳图形结构的压印版；
B)在所述压印版上依次形成抗粘附层及金属膜层；
C)提供一基片，并使所述基片与完成步骤B)的压印版在预定压力和预定温度下进行接触；
D)将步骤A)中的压印版与所述基片分开，以使所述金属膜层转移到所述基片上，从而在所述基片上形成纳米金属结构。
2.根据权利要求1所述的金属图形化方法，其特征在于，所述压印版采用的材料为硅或石英或聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的金属图形化方法，其特征在于，所述抗粘附层采用的材料为硅烷基的化学单层，其中，所述硅烷基的化学单层通过浸泡或旋涂的方法形成在所述压印版上。
4.根据权利要求1所述的金属图形化方法，其特征在于，所述抗粘附层采用的材料为碳氟化合物，其中，所述碳氟化合物通过干法沉积的方法形成在所述压印版上。
5.根据权利要求1所述的金属图形化方法，其特征在于，所述金属膜层采用的材料为金、银、钛、铜、铝、镍、铬中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的金属图形化方法，其特征在于，所述预定压力的范围为5标准大气压至15标准大气压。
7.根据权利要求1所述的金属图形化方法，其特征在于，所述预定温度的范围为70摄氏度至120摄氏度。
8.根据权利要求1所述的金属图形化方法，其特征在于，所述基片采用的材料为硅或二氧化硅或石英或聚对苯二甲酸乙二酯。
9.根据权利要求1所述的金属图形化方法，其特征在于，所述预设微纳图形结构包括阵列排布的若干结构体，其中，每个结构体的侧壁具有内凹的形状。
10.根据权利要求1所述的金属图形化方法，其特征在于，所述具有预设微纳图形结构的压印版通过倒模的方式形成。
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