CN111522206B - 一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法 - Google Patents

一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法，包括：1)在基片表面沉积一层低损耗的反射层；2)将高分辨力的流体聚合物材料旋涂在反射层表面；3)在微纳米掩模版表面制作一层抗粘接层；4)通过机械装置将在反射层表面旋涂有高分辨力流体聚合物材料的基片与微纳米掩模版图形面调平并接触；5)通过精密压力传递方法将高分辨力的流体聚合物材料表面浅层挤压进入掩模版图形透光区；6)曝光，在反射层的作用下使穿过掩模版图形的光场局域在透光区，使挤压进入掩模版图形透光区及到反射层之间的局部流体聚合物材料感光及固化；7)脱模后将基片放入显影液中显影，去掉未感光及固化的聚合物材料，得到复制后的图形。适用于高深宽比结构加工。

Description

一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法
技术领域
本发明涉及微纳米制造技术领域，具体涉及一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法，特别是用于精细结构图形的加工。
背景技术
近年来，大量的研究报道表明具有微纳米特征尺度的人工结构可以极大的增强微纳光子器件、微纳电子器件、微纳机电系统、微纳米能源及显示器件的性能。而作为这些微纳米尺度结构和器件制造的基础，低成本、高分辨力、高产出、大面积的新型纳米加工技术/方法的需求极为迫切。
传统微纳制造技术主要分为三类：直写类、光刻类和压印类。直写类微纳制造技术虽然具有高的分辨力，但加工效率较低，不适用于大规模批量生产。光刻类微纳制造技术在效率、材料和工艺的兼容性等方面具有较强的技术优势，但受瑞利准则的理论限制，要提高曝光分辨力，需要采用更短的曝光波长和更高数值孔径的物镜，但是不断的缩小曝光波长及提高物镜数值孔径伴随着的是成本的不断激增。压印类微纳制造技术是近年来发展到一种低成本的加工技术，由于不涉及曝光过程，图形形状和质量直接由压模决定，因此加工分辨力没有物理极限及邻近效应；但由于高分辨力的压模制造成本高昂，且复制图形存在缺陷多，对准和套刻精度不高，不能加工多层微纳结构图形，制约了其大规模推广应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服上述现有技术的不足，提出一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法。
本发明的技术解决方案：一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法，步骤如下：
步骤(1)、在基片表面沉积一层低损耗的反射层；
步骤(2)、将高分辨力的流体聚合物材料旋涂在反射层表面；
步骤(3)、在微纳米掩模版表面制作一层抗粘接层；
步骤(4)、通过机械装置将在反射层表面旋涂有高分辨力流体聚合物材料的基片与微纳米掩模版图形面调平并接触；
步骤(5)、通过精密压力传递方法将高分辨力的流体聚合物材料表面浅层挤压进入掩模版图形透光区；
步骤(6)、曝光，在反射层的作用下使穿过掩模版图形的光场局域在透光区，使挤压进入掩模版图形透光区及到反射层之间的局部流体聚合物材料感光及固化；
步骤(7)、脱模后将基片放入显影液中显影，去掉未感光及固化的聚合物材料，得到复制后的图形。
进一步地，所述步骤(1)中低损耗的反射层制备方法为分子束外延结合低温退火、共溅射、高温溅射法。
进一步地，所述步骤(2)中高分辨力的流体聚合物材料为氟掺杂硅基共聚物或衍生物、乙烯醚基共聚物、丙烯酸基共聚物、杯芳烃基分子玻璃、高酸解活性缩醛聚合物、聚对羟基苯乙烯基共聚物等。
进一步地，所述步骤(3)中抗粘接层为类金刚石薄膜、掺氟硅烷等。
进一步地，所述步骤(5)中精密压力传递方法为活塞类机械传递、压电执行机构传递、气膜传递、气压传递等。
进一步地，所述步骤(5)中压力传递方法为活塞类机械传递、压电执行机构传递、气膜传递、气压传递等。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)相比于传统直写类微纳制造技术，虽然本方法也需采用直写方法制作掩模，但通过该掩模可以低成本批量复制微纳结构，加工效率远远高于传统直写类微纳制造技术。
(2)相比于传统光刻类微纳制造技术，本方法解决了衍射受限的问题，通过反射式光场增强降低倏逝波的传输损耗，提高了加工分辨力，不需要缩短曝光波长和提高物镜的数值孔径。
(3)相比于传统的压印类微纳制造技术，压印过程中是将压印胶挤压进入模板中，再通过热固化或紫外固化形成图形，图形的深度由压模决定，因而压模的制造难度及成本较高；而本方法是采用浅压结合曝光的方法，图形的深度主要由曝光的深度决定，降低了掩模加工难度及成本。其次由于压印图形需要保证一定的深宽比，在脱模的过程中图形结构不可避免的由于受力原因，未中压模上分离，造成图形缺陷；而本方法挤压进入掩模的图形深度较浅，主要通过曝光提高图形的深度，因而极大程度的降低了图形缺陷。
附图说明
图1为基于反射式光场增强的微纳光印制造方法示意图。图中：1表示紫外照明光源，2表示掩模基底，3表示微纳米掩模图形，4表示抗粘接层，5表示局域光场，6表示高分辨力的流体聚合物材料，7表示低损耗的反射层，8表示基片。
图2为在基片表面沉积低损耗的反射层并旋涂高分辨力的流体聚合物材料后的剖面结构示意图。
图3为在在微纳米掩模版表面制作抗粘接层后的剖面结构示意图。
图4为通过机械装置将在反射层表面旋涂有高分辨力流体聚合物材料的基片与微纳米掩模版图形面调平并接触后的剖面结构示意图。
图5为将高分辨力的流体聚合物材料表面浅层挤压进入掩模版图形透光区后的剖面结构示意图。
图6为曝光完成后脱模的剖面结构示意图。
图7为显影后得到复制后的图形剖面结构示意图。
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。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1：制作200nm线宽分辨力、300nm深度的光印图形，其具体的制作过程如下：
(1)选择厚度为0.35mm厚度的石英基片作为衬底；采用分子束外延结合低温退火镀膜方式在基片表面沉积一层50nm厚度的低损耗银反射层。
(2)在银反射层表面旋涂一层300nm厚度的高分辨力流体聚合物材料。
(3)通过加热蒸发的方式在200nm线宽分辨力的铬掩模版表面形成一层均匀的单分子抗粘剂层。
(4)采用被动调平机械结构将旋涂有高分辨力流体聚合物材料的基片与在200nm线宽分辨力的铬掩模版图形面调平并接触。
(5)通过在基片背面施加0.2MPa的气压方式，将厚度为100nm的高分辨力流体聚合物材料表面挤压进入掩模版图形透光区。
(6)打开中心波长为365nm的紫外曝光光源，在功率为0.2mW/cm2的条件下，曝光20s；在反射层的作用下使穿过掩模版图形的光场局域在透光区，使挤压进入掩模版图形透光区及到反射层之间的局部流体聚合物材料感光及固化。
(7)曝光完成后，将基片与掩模分离，实现脱模；并将基片放入显影液中在22℃温度条件下显影20s，以去掉未感光及固化的聚合物材料，得到200nm分辨力、300nm深度的光印图形。
实施例2：制作30nm线宽分辨力、50nm深度的光印图形，其具体的制作过程如下：
(1)选择厚度为0.21mm厚度的硅片作为衬底；采用铝和铜共溅射的镀膜方式在基片表面沉积一层60nm厚度的低损耗铝反射层。
(2)在铝反射层表面旋涂一层50nm厚度的高分辨力流体聚合物材料。
(3)通过加热蒸发的方式在30nm线宽分辨力的钼掩模版表面形成一层均匀的单分子抗粘剂层。
(4)采用三点主动调平系统将旋涂有高分辨力流体聚合物材料的基片与在30nm线宽分辨力的钼掩模版图形面调平并接触。调平过程实时监测并调整三点的间隙值。
(5)通过压电执行机构在基片背面施加200N的压力，将厚度为20nm的高分辨力流体聚合物材料表面挤压进入掩模版图形透光区。
(6)打开中心波长为365nm的紫外曝光光源，在功率为0.2mW/cm2的条件下，曝光10s；在反射层的作用下使穿过掩模版图形的光场局域在透光区，使挤压进入掩模版图形透光区及到反射层之间的局部流体聚合物材料感光及固化。
(7)曝光完成后，将基片与掩模分离，实现脱模；并将基片放入显影液中在0℃温度条件下显影40s，以去掉未感光及固化的聚合物材料，得到30nm分辨力、50nm深度的光印图形。

Claims (5)

1.一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法，其特征在于，步骤如下：
步骤(1)、在基片表面沉积一层低损耗的反射层；
步骤(2)、将高分辨力的流体聚合物材料旋涂在反射层表面；
步骤(3)、在微纳米掩模版表面制作一层抗粘接层；所述步骤(3)中抗粘接层为类金刚石薄膜、掺氟硅烷；
步骤(4)、通过机械装置将在反射层表面旋涂有高分辨力流体聚合物材料的基片与微纳米掩模版图形面调平并接触；
步骤(5)、通过精密压力传递方法将高分辨力的流体聚合物材料表面浅层挤压进入掩模版图形透光区；
步骤(6)、曝光，在反射层的作用下使穿过掩模版图形的光场局域在透光区，使挤压进入掩模版图形透光区及到反射层之间的局部流体聚合物材料感光及固化；所述浅层挤压进入掩模的图形深度较浅；
步骤(7)、脱模后将基片放入显影液中显影，去掉未感光及固化的聚合物材料，得到复制后的图形。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中低损耗的反射层制备方法为分子束外延结合低温退火、共溅射、高温溅射法。
3.根据权利要求1所述的一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中高分辨力的流体聚合物材料为氟掺杂硅基共聚物或衍生物、乙烯醚基共聚物、丙烯酸基共聚物、杯芳烃基分子玻璃、高酸解活性缩醛聚合物、聚对羟基苯乙烯基共聚物。
4.根据权利要求1所述的一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中精密压力传递方法为活塞类机械传递、压电执行机构传递、气膜传递、气压传递。
5.根据权利要求1所述的一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中压力传递方法为活塞类机械传递、压电执行机构传递、气膜传递、气压传递。
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