CN108467008B - 一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，主要步骤如下：首先在高真空的条件下，将绷紧的柔性薄膜无间隙紧密地贴合在高平面度的硬质材料基底表面，实现柔性薄膜“硬质化”的目的，并且由于薄膜上下表面气压差以及薄膜与基底之间摩擦力的存在，柔性薄膜受力不易产生形变；然后利用微纳米加工技术在硬质化的柔性薄膜上制备微纳米结构；最后将表面具有高精度微纳米结构的柔性薄膜从硬质基底上取下。与现有加工方法相比，该方法解决了微纳米加工过程中柔性薄膜易受力发生形变、与掩模版贴合不紧密等问题，使得微纳米结构的线宽精度、位置精度大幅度提高，实现了柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备。

Description

一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法
技术领域
本发明属于微纳米加工技术领域，具体涉及一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法。
背景技术
柔性薄膜材料如聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯、三醋酸纤维素、聚乙烯醇、聚醚砜、聚醚醚酮、聚酰胺酰亚胺、改性环状聚烯烃等，具有重量轻、可弯折、化学惰性高、光学性能良好、成本较低等优点，因此作为基底材料被广泛地应用到微纳米加工技术领域中。
但是，由于柔性薄膜在微纳米加工过程中易受力发生形变、与掩模版贴合不紧密等问题的存在，以现有技术方法制备的柔性薄膜基底微纳米结构均具有较大的线宽误差和位置误差，无法满足在科研、工业等方面对微纳米器件的高精度要求。因此，发展一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法是迫切需要的。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，主要步骤如下：首先在高真空的条件下，将绷紧的柔性薄膜无间隙紧密地贴合在高平面度的硬质材料基底表面，实现柔性薄膜“硬质化”的目的，并且由于薄膜上下表面气压差以及薄膜与基底之间摩擦力的存在，柔性薄膜受力不易产生形变；然后利用微纳米加工技术在硬质化的柔性薄膜上制备微纳米结构；最后将表面具有高精度微纳米结构的柔性薄膜从硬质基底上取下。与现有加工方法相比，该方法解决了微纳米加工过程中柔性薄膜易受力发生形变、与掩模版贴合不紧密等问题，使得微纳米结构的线宽精度、位置精度大幅度提高，实现了柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备。
本发明通过以下技术方案进行实施：一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)、将一块高平面度硬质材料基底的上表面边缘位置减薄一定厚度，形成一个相较中心位置高度有所降低的环带；
步骤(2)、将胶黏剂均匀地涂覆在减薄环带的内侧，且与硬质材料基底凸台之间留有一定间隙；
步骤(3)、将一个环形弹性密封圈放置在胶黏剂外侧，环形密封圈的外边缘不得超出硬质材料基底范围；
步骤(4)、利用上下两个夹具将柔性薄膜固定，并与硬质材料基底共同放置在一密封腔体内，对密封腔体抽高真空；
步骤(5)、在高真空条件下，对上下两个夹具施加向下的压力(或利用自身重力)将柔性薄膜紧密地贴附在硬质材料基底表面，然后释放真空，由于环形弹性密封圈的存在，薄膜与硬质材料基底之间的真空被锁住，并且在薄膜上下表面气压差的作用下，柔性薄膜被压紧在硬质材料基底表面，等待胶黏剂固化后沿胶黏剂外侧将薄膜划开，获得紧密贴合在硬质材料基底上的柔性薄膜，即实现柔性薄膜“硬质化”；
步骤(6)、利用微纳米加工技术在柔性薄膜上制作微纳米结构；
步骤(7)、沿硬质材料基底凸台外侧将薄膜划开，获得表面具有高精度微纳米结构的柔性薄膜。
其中，所述步骤(1)中的硬质材料基底为金属材料、无机非金属或有机高分子材料，具体为铬、铝、二氧化硅、硅、碳纤维等，且硬质材料上表面的表面粗糙度小于200um。
其中，所述步骤(1)中的硬质材料基底的上表面边缘位置被减薄一定厚度，形成一个相较中心位置高度有所降低的环带。
其中，所述步骤(2)中的胶黏剂为室温固化型、热固化型、紫外线固化型、热熔型或压敏型胶黏剂，具体为聚氨酯、丙烯酸酯等。
其中，所述步骤(3)中的环形弹性密封圈材料为橡胶，具体为硅橡胶、氟硅橡胶、丁腈橡胶等。
其中，所述步骤(4)中的柔性薄膜材料为聚酰亚胺、环氧树脂、聚氨基甲酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、三醋酸纤维素、聚乙烯醇、聚醚砜、聚醚醚酮、聚酰胺酰亚胺、改性环状聚烯烃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯等。
其中，所述步骤(4)中上下两个夹具的内径需大于硬质材料基底的外径，且当上下两个夹具利用螺钉、销钉或卡扣等固定在一起时，具有夹持、绷紧薄膜的作用。
其中，所述步骤(4)中密封腔体的真空度可以达到100Pa以下。
其中，所述步骤(5)中将柔性薄膜紧密地贴附在硬质材料基底表面时，柔性薄膜需处于一定的拉伸状态(伸长率大于0.1％)，目的是使柔性薄膜与硬质材料基底贴合更紧密，并且柔性薄膜可以接触到胶黏剂和环形弹性垫圈。
其中，所述步骤(6)中的微纳米加工技术包括光学曝光技术、激光直写技术、电子束直写技术、离子束直写技术、机械刻划技术和纳米压印技术等。
其中，该方法将绷紧的柔性薄膜无间隙紧密地贴合在高平面度的硬质材料基底表面，实现柔性薄膜“硬质化”的目的，并且由于薄膜上下表面气压差以及薄膜与基底之间摩擦力的存在，柔性薄膜受力不易产生形变，解决了微纳米加工过程中柔性薄膜易受力发生形变、与掩模版贴合不紧密的问题，使得微纳米结构的线宽精度、位置精度大幅度提高，实现了柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备。
本发明的优点在于：
(1)本发明将柔性薄膜无间隙地紧密贴合在硬质材料基底上，实现了柔性薄膜“硬质化”的目的，解决了微纳米加工过程中柔性薄膜难以操作、易受力发生形变、与掩模版贴合不紧密等问题，使得微纳米结构的线宽精度、位置精度大幅度提高，实现了柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备。
(2)本发明通过将柔性薄膜“硬质化”，使针对于硬质材料基底的微纳米加工设备和技术得以完美地应用于柔性薄膜基底上微纳米结构的制备，降低了制作成本和加工难度，可实现柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度、批量化生产。
综上所述，本发明解决了柔性薄膜基底上微纳米结构难以高精度制备的问题，为高精度薄膜基底微纳米结构在科研和生产中的应用提供了技术支撑。
附图说明
图1是第一实施实例：基于光学曝光技术的柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法流程图，其中：1-石英基底，2-胶黏剂聚氨酯，3-环形硅橡胶密封圈，4-上夹具，5-聚酰亚胺薄膜，6-下夹具，7-光刻胶，8-掩模版，9-紫外光。
图2是第二实施实例：基于纳米压印技术的柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法流程图，其中：11-碳纤维基底，2-胶黏剂聚氨酯，3-环形硅橡胶密封圈，4-上夹具，5-聚酰亚胺薄膜，6-下夹具，71-紫外固化压印胶，81-纳米压印母版，9-紫外光。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容。通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实例一：
如图1中1-1所示，将一块具有较高平面度(PV＝200nm，RMS＝50nm)的石英基底1(尺寸φ500mm*5mm)的上表面边缘φ440mm到φ500mm范围减薄0.5mm，形成一个相较中心位置高度有所降低的环带；
如图1中1-2所示，将胶黏剂聚氨酯2用毛刷均匀地涂敷在减薄环带的内侧(范围φ450mm到φ470mm)，与石英凸台之间留有5mm的间隙，避免胶黏剂受挤压到达凸台上表面；
如图1中1-3所示，将一个尺寸为φ(480～490)mm*0.5mm的环形硅橡胶密封圈3放置在胶黏剂聚氨酯外侧，密封圈的外边缘不要超出石英基底1的范围；
如图1中1-4所示，利用上夹具4和下夹具6两个铝制夹具将柔性聚酰亚胺薄膜5固定，并与石英基底共同放置在一密封腔体内，对密封腔体抽真空；
如图1中1-5所示，在真空条件下(密封腔体内气体压强小于1*10-3Pa)，将聚酰亚胺薄膜5紧密地贴附在石英基底1表面，等待胶黏剂聚氨酯2固化并将聚酰亚胺薄膜5和石英基底1粘结在一起；
如图1中1-6所示，沿胶黏剂聚氨酯2外侧将聚酰亚胺薄膜5划开，获得紧密贴合在石英基底1上的聚酰亚胺薄膜5，即实现柔性薄膜“硬质化”；
如图1中1-7所示，将厚度为600nm的AZ1500光刻胶7均匀地涂覆在“硬质化”的聚酰亚胺薄膜5的上表面，并于100℃的热板上烘烤60秒；
如图1中1-8所示，取一块传统硬质掩模版8，利用接触式曝光技术在紫外光9的照射下进行光学曝光将掩模板图形传递到光刻胶7上；
如图1中1-9所示，将曝光后的基片放入AZ300MIF显影液中显影，获得所需的光刻胶图案7，超纯水冲洗后使用氮气吹干基片表面，于120℃的烘箱中坚膜20分钟；
如图1中1-10所示，利用反应离子刻蚀技术将光刻胶图案传递到聚酰亚胺薄膜5上；
如图1中1-11所示，沿胶黏剂聚氨酯2内侧将聚酰亚胺薄膜5划开，获得表面具有高精度微纳米结构的柔性聚酰亚胺薄膜。
实例二：
如图2中2-1所示，将一块具有较高平面度(PV＝4um，RMS＝1um)的圆形碳纤维基底11(尺寸φ500mm*10mm)的上表面边缘φ440mm到φ500mm范围减薄1mm，形成一个相较中心位置高度有所降低的环带；
如图2中2-2所示，将胶黏剂聚氨酯2用毛刷均匀地涂敷在减薄环带的内侧(范围φ450mm到φ470mm)，与碳纤维基底的凸台之间留有5mm的间隙，避免胶黏剂受挤压到达凸台上表面；
如图2中2-3所示，将一个尺寸为φ(480～490)mm*0.5mm的环形硅橡胶密封圈3放置在胶黏剂聚氨酯外侧，密封圈的外边缘不要超出碳纤维基底1的范围；
如图2中2-4所示，利用上夹具4和下夹具6两个铝制夹具将柔性聚酰亚胺薄膜5固定，并与碳纤维基底共同放置在一密封腔体内，对密封腔体抽真空；
如图2中2-5所示，在真空条件下(密封腔体内气体压强小于1*10-3Pa)，将聚酰亚胺薄膜5紧密地贴附在碳纤维基底11的表面，等待胶黏剂聚氨酯2固化并将聚酰亚胺薄膜和碳纤维基底粘结在一起；
如图2中2-6所示，沿胶黏剂聚氨酯2外侧将聚酰亚胺薄膜5划开，获得紧密贴合在碳纤维基底11上的聚酰亚胺薄膜，即实现柔性薄膜“硬质化”；
如图2中2-7所示，将厚度为5um的紫外固化压印胶71均匀地涂覆在“硬质化”的聚酰亚胺薄膜5的上表面；
如图2中2-8所示，取一块表面具有微纳米结构的纳米压印母版81对准压印在紫外固化压印胶71上，利用纳米压印机施加大小为40KPa的压力，使得母版与紫外固化压印胶充分保形接触，并利用波长365nm、光功率密度20mw/cm2的紫外光9对紫外压印胶照射10min使其固化；
如图2中2-9所示，顺利脱模后，获得紫外固化压印胶上的微纳米结构；
如图2中2-10所示，沿胶黏剂聚氨酯2内侧将聚酰亚胺薄膜5划开，获得表面具有高精度微纳米结构的柔性聚酰亚胺薄膜。
本发明中，硬质材料可以是金属材料、无机非金属材料或有机高分子材料，具体为铬、铝、二氧化硅、硅、碳纤维等；柔性薄膜材料可以是聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等；微纳米加工技术包括光学曝光技术、激光直写技术、电子束直写技术、离子束直写技术、机械刻划技术和纳米压印技术等。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)、将一块上表面的表面粗糙度小于200μm的硬质材料基底(1，11)的上表面边缘位置减薄一定厚度，形成一个相较中心位置高度有所降低的环带；
步骤(2)、将胶黏剂均匀地涂覆在减薄环带的内侧，且与硬质材料基底凸台之间留有一定间隙；
步骤(3)、将一个环形弹性密封圈放置在胶黏剂外侧，环形弹性密封圈的外边缘不得超出硬质材料基底范围；
步骤(4)、利用上夹具(4)和下夹具(6)将柔性薄膜固定，并与硬质材料基底(1，11)共同放置在一密封腔体内，对密封腔体抽高真空；
步骤(5)、在高真空条件下，对上夹具(4)和下夹具(6)施加向下的压力或利用夹具自身的重力将柔性薄膜紧密地贴附在硬质材料基底(1，11)的表面，然后释放真空，由于环形弹性密封圈的存在，柔性薄膜与硬质材料基底(1，11)之间的真空被锁住，并且柔性薄膜在上下表面气压差的作用下被压紧在硬质材料基底(1，11)的表面，等待胶黏剂固化后沿胶黏剂外侧将薄膜划开，获得紧密贴合在硬质材料基底(1，11)上的柔性薄膜，即实现柔性薄膜“硬质化”；
步骤(6)、利用微纳米加工技术在柔性薄膜上制作微纳米结构；
步骤(7)、沿硬质材料基底凸台外侧将薄膜划开，获得表面具有高精度微纳米结构的柔性薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，其特征在于：步骤(1)中的硬质材料基底为金属材料、无机非金属或有机高分子材料。
3.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，其特征在于：步骤(2)中的胶黏剂为室温固化型、热固化型、紫外线固化型、热熔型或压敏型胶黏剂。
4.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，其特征在于：步骤(3)中的环形弹性密封圈材料为橡胶。
5.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，其特征在于：步骤(4)中的柔性薄膜的材料为聚酰亚胺、环氧树脂、聚氨基甲酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、三醋酸纤维素、聚乙烯醇、聚醚砜、聚醚醚酮、聚酰胺酰亚胺、改性环状聚烯烃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
6.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，其特征在于：步骤(4)中上下两个夹具的内径需大于硬质材料基底的外径，且当上下两个夹具利用螺钉、销钉或卡扣固定在一起时，具有夹持、绷紧薄膜的作用。
7.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，其特征在于：步骤(5)中将柔性薄膜紧密地贴附在硬质材料基底的表面时，柔性薄膜需处于一定的拉伸状态，伸长率大于0.1％，目的是使柔性薄膜与硬质材料基底贴合更紧密，并且柔性薄膜可以接触到胶黏剂和环形弹性密封圈。
8.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，其特征在于：步骤(6)中的微纳米加工技术包括光学曝光技术、激光直写技术、电子束直写技术、离子束直写技术、机械刻划技术和纳米压印技术。
9.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备方法，其特征在于：该方法将绷紧的柔性薄膜无间隙紧密地贴合在高平面度的硬质材料基底表面，实现柔性薄膜“硬质化”的目的，并且由于薄膜上下表面气压差以及薄膜与基底之间摩擦力的存在，柔性薄膜受力不易产生形变，解决了微纳米加工过程中柔性薄膜易受力发生形变、与掩模版贴合不紧密的问题，使得微纳米结构的线宽精度、位置精度大幅度提高，实现了柔性薄膜基底上微纳米结构的高精度制备。
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