CN108091552A - 一种在透光衬底上制备微纳米结构图案的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在透光衬底上制备微纳米结构图案的方法，先以遮光基材为原料，在透光的衬底材料的一表面上制备遮光基材层，在该遮光基材层上制备凹凸微纳米结构图案；在凹凸微纳米结构图案的凹槽中填充掩膜材料；再使用高能光束透过透光衬底，使凹槽中填充的掩膜材料固化，形成掩膜层；对遮光基材和衬底材料进行刻蚀；去除掩膜层，在衬底材料上获得微纳米结构图案。本发明的制作方法成本低，不需要使用蒸镀等高耗能方法制备掩膜层；可以简单、低能耗、高效率地制备厚度较大的掩膜层，大大降低高深宽比微纳米结构图案制备的困难度。

Description

一种在透光衬底上制备微纳米结构图案的方法
技术领域
本发明涉及一种在透光衬底上制备微纳米结构图案的方法。
背景技术
具有微纳米结构图案的产品应用领域广泛，特别是在半导体领域、光学器件、LED器件、MEMS器件、光电子器件、生物芯片、生物传感器等领域具有巨大的应用前景。现有技术中，制备微纳米结构图案的方法包括紫外压印、热压印、微接触印刷、电子束曝光等方法。通常采用电子束曝光工艺或者纳米压印工艺制作微纳米图案，但是直接采高分子材料（PMMA或者纳米压印胶）作为掩膜用ICP刻蚀衬底难以制作高深宽比的微纳米图案。一般都先在衬底表面电子束蒸镀2~3层不同金属层，在金属层上涂布PMMA电子束曝光，或者在金属层上采用纳米压印的方法制作微纳米图案，然后采用几组合适的RIE刻参数逐步刻蚀不同的金属层，最后以衬底最表面的金属层作为刻蚀掩膜对衬底刻蚀而得到微纳米图案。以PontusForsberg等在“High aspect ratio optical grating in diamond”的论文中提到的方法为例，先在衬底表面蒸镀AL、Si、AL，然后再涂布UV光刻胶，紫外纳米压印后，以UV光刻胶作为掩膜对最上层铝进行刻蚀，然后以AL作为掩膜层对Si层刻蚀，再以Si作为掩膜层对AL层刻蚀，最后以Al为掩膜对衬底刻蚀而得到高深宽比的微纳米图案。
另外一种制作微纳米图案比较普遍的方式是电子束曝光和lift-off结合的工艺方法，如Jun Taniguchi在”Diamond nanoimprint lithography”中提到的，先在衬底上涂布PMMA，电子束曝光后，蒸镀一层金属层，然后湿法去除PMMA而只在衬底表面留下金属掩膜层，再以此金属掩膜层用ICP-RIE刻蚀衬底而得到衬底微纳图形。
然而，电子束曝光方法制作微纳图形效率低下，而且采用LIFT-OFF工艺，很难制作比较厚的金属掩膜，否则难以LIFT-OFF成功，因而难以得到高深宽比的微纳米图案，如10:1或者数微米深的微纳米图案；采用不同金属层交替作为掩膜层的方法，虽然可以得到高深宽比的微纳米图案，但是刻蚀各金属层用的刻蚀参数复杂，难以得到合适刻蚀参数（不同掩膜不同基底的刻蚀选择比），而且各金属层的刻蚀界面（深度或时间）难以控制，容易出现过刻或刻蚀不够的现象。而且反复更换刻蚀参数去刻蚀不同基材（金属层或金刚石）效率低下，成本高。
发明内容
本发明针对现有技术中工艺复杂、成本高、效率低的技术问题，提供一种在透光衬底上制备微纳米结构图案的方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种在透光衬底上制备微纳米结构图案的方法，包括如下步骤：
（1）以遮光基材为原料，在透光的衬底材料的一表面上制备遮光基材层，在该遮光基材层上制备凹凸微纳米结构图案；
（2）在步骤（1）中凹凸微纳米结构图案的凹槽中填充掩膜材料；
（3）使用高能光束透过透光衬底，使凹槽中填充的掩膜材料固化，形成掩膜层；
（4）对遮光基材和衬底材料进行刻蚀；
（5）去除掩膜层，在衬底材料上获得微纳米结构图案。
步骤（1）中，可根据需要制备出凹槽深度较大的微纳米结构图案，结合步骤（2）、步骤（3），获得厚度较大的掩膜层，为获得具有高深宽比的微纳米结构图案的衬底产品做准备。
进一步地，步骤（1）中，制备凹凸结构图案的方法包括任何的形成凹凸结构图案的方法；优选地，步骤（1）中，凹凸微纳米结构图案的制备方法包括热压印法、紫外压印法、电子束曝光法、自组装法中的一种或多种。
步骤（1）之后，步骤（2）之前，还包括去除凹槽中残余遮光基材的步骤。
进一步地，步骤（2）中的填充掩膜材料的方法可为任何填充方法，优选地，步骤（2）中，在凹槽中填充掩膜材料的方式包括浸渍、涂覆、铺粉、接触式印刷中的一种或多种。在部分的填充方式中，如涂覆、接触式印刷，除了在凹槽内填满掩膜材料之外，在凸起表面也可能会形成一层很薄的掩膜层，但是该层掩膜厚度仅为纳米级厚度（<50nm），相对于沟槽里微米厚度的掩膜层，对衬底材料的刻蚀基本没有影响。
步骤（2）中，在凹槽中填充掩膜材料之后，还包括对凹凸微纳米结构图案的凸起表面进行清洁的步骤，以去除凸起表面的掩膜材料。其中，清洁方法可选为刮、擦、超声清洗等方法。
步骤（2）中，所述掩膜材料包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料的分散液、浆料和粉末中的一种或多种。
步骤（2）中，当掩膜材料为分散液或浆料时，在凹槽中填充掩膜材料之后，还包括预固化步骤，使得分散液或浆料中的溶剂挥发，掩膜材料聚集成块。
进一步地，所述高能光束为具有能使得掩膜材料固化能量的光束，优选地，步骤（3）中，所述高能光束包括二氧化碳激光、固体激光器激光、聚焦后的可见光光束中的一种或多种，优选的，采用功率为100w以上的激光束。
进一步地，在步骤（3）的固化步骤之后，还包括清洁步骤，去除未固化的掩膜材料以及凹凸图案凸起表面的掩膜材料。
步骤（4）中，可以直接选用合适的刻蚀剂刻蚀基材之后，继续刻蚀衬底材料；或者去除基材之后，再进行刻蚀衬底材料。
进一步地，所述遮光基材为可以阻挡/削弱高能光束的基材，使得高能光束不能透过该基材，或者透过该基材之后能量不足以使得基材表面的掩膜材料固化。
更进一步地，所述遮光基材为本征具有遮光性质的材料，或者是包含遮光物质的材料；优选地，所述本征具有遮光性质的材料包括深色的聚丙烯酸类化合物、聚酯、聚醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺、苯并噁嗪中的一种或多重；优选地，所述遮光物质包括碳纳米颗粒、金属颗粒、无机非金属材料纳米颗粒以及有机颜料中的一种或多种，如金属金、银、铜、铁、钨、二氧化硅、碳化硅、氮化铝、氮化硼、二氧化钛纳米颗粒；酞菁类、吡咯并吡咯二酮类、奎吖啶酮、苯并咪唑酮、偶氮类颜料等。优选为包含遮光物质的胶，如包含纳米碳纳米颗粒的热固化胶。
进一步地，所述衬底材料为能够让高能光束透过该衬底材料后仍然能使掩膜材料固化的材料，优选地，所述衬底材料包括金刚石、红宝石、氯化钾、砷化镓、硒化锌、玻璃、石英、硅、氧化锌材料中的一种或多种。
一种衬底产品，所述衬底产品的至少一表面具有由如上所述的方法制备的微纳米结构图案。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）成本低，不需要使用蒸镀等高耗能方法制备掩膜层；
（2）可以简单、低能耗、高效率地制备厚度较大的掩膜层，大大降低高深宽比微纳米结构图案制备的困难度。
附图说明
图1是本发明实施例1中纳米压印过程示意图。
图2是本发明实施例1中具有由遮光基材构成的凹凸微纳米结构图案的衬底材料的结构示意图。
图3是本发明实施例1中对遮光基材进行刻蚀去除残余层的示意图。
图4是本发明实施例1中步骤（3）中去除残余层后的示意图
图5是本发明实施例1中步骤（4）中在凹槽中填充金刚石刻蚀掩膜材料过程示意图。
图6是本发明实施例1中步骤（4）中烧结掩膜材料过程示意图。
图7是本发明实施例1中步骤（5）中刻蚀过程示意图。
图8是本发明实施例1中具有微纳米凹凸图案的衬底产品的结构示意图。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
本实施例中，采用的衬底材料为金刚石，遮光基材为热固化胶，其中，热固化胶中添加了5%重量分数的直径D50为20纳米的碳粉，模板为H-HDMS模板，掩膜材料为纳米银粉的乙醇分散液，银粉的粒度D50为20纳米。
本实施例中，具有微纳米结构图案的衬底产品的制作方法，包括如下步骤：
（1）如图1所示，在衬底材料一表面涂覆一层遮光基材，采用纳米压印方法在遮光基材上制备微纳米图形，采用热固化的方式对遮光基材进行固化；
（2）脱模，将图形转移到遮光基材上，获得具有由遮光基材构成的凹凸微纳米结构图案的衬底材料（见图2）；
（3）刻蚀掉基材底部残余层（见图3、图4）；
（4）在步骤（2）中凹凸微纳米结构图案的凹槽中填充金刚石刻蚀掩膜材料，采用涂刷的方式，将纳米银分散液涂刷到基材的凹槽中，先在真空烘箱中于100℃下预烘烤，使得溶剂挥发，再使用激光，在真空环境下，从衬底材料底面射入，使得凹槽中的纳米银粉烧结，获得银掩膜层（见图5、图6）；
（5）如图7所示，选择适当的刻蚀参数对遮光基材进行刻蚀，然后采用反应离子刻蚀设备对金刚石进行刻蚀，此处主要采用氧离子刻蚀；对于纯有机固化胶层而言，在氧环境下刻蚀的速率非常快，不会对金刚石的刻蚀造成影响；
（6）采用硝酸溶液，去除剩余的银掩膜，得到具有微纳米凹凸图案的衬底产品（见图8）。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种在透光衬底上制备微纳米结构图案的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）以遮光基材为原料，在透光的衬底材料的一表面上制备遮光基材层，在该遮光基材层上制备凹凸微纳米结构图案；
（2）在步骤（1）中凹凸微纳米结构图案的凹槽中填充掩膜材料；
（3）使用高能光束透过透光衬底，使凹槽中填充的掩膜材料固化，形成掩膜层；
（4）对遮光基材和衬底材料进行刻蚀；
（5）去除掩膜层，在衬底材料上获得微纳米结构图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，凹凸微纳米结构图案的制备方法包括热压印法、紫外压印法、电子束曝光法、自组装法中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）之后，步骤（2）之前，还包括去除凹槽中残余遮光基材的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，在凹槽中填充掩膜材料的方式包括浸渍、涂覆、铺粉、接触式印刷中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，在凹槽中填充掩膜材料之后，还包括对凹凸微纳米结构图案的凸起表面进行清洁的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述掩膜材料包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料的分散液、浆料和粉末中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述高能光束包括二氧化碳激光、固体激光器激光、聚焦后的可见光光束中的一种或多种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述遮光基材为本征具有遮光性质的材料，或者是包含遮光物质的材料；优选地，所述本征具有遮光性质的材料包括深色的聚丙烯酸类化合物、聚酯、聚醚、聚醚醚酮、聚酰亚胺、苯并噁嗪中的一种或多重；优选地，所述遮光物质包括碳纳米颗粒、金属颗粒、无机非金属材料纳米颗粒以及有机颜料中的一种或多种。
9.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底材料包括金刚石、红宝石、氯化钾、砷化镓、硒化锌、玻璃、石英、硅、氧化锌材料中的一种或多种。
10.一种衬底产品，其特征在于，所述衬底产品的至少一表面具有由如权利要求1-9任一项所述的方法制备的微纳米结构图案。
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