專利名稱：基于一維軟模板納米壓印制作三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納米制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于一維軟模板納米壓印技術(shù)制作三維納 米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
三維納米結(jié)構(gòu)在MEMS/NEMS、微/納米流體器件、光子晶體、顯示技術(shù)、衍射光學(xué) 等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在三維納米結(jié)構(gòu)制作技術(shù)方面，研究者們探索了多種光刻技 術(shù)，包括電子束直寫技術(shù)、聚焦離子束光刻技術(shù)X射線光刻技術(shù)以及納米壓印技術(shù)。瑞士 保羅謝勒研究所的khleimitz等人采用控制不同曝光區(qū)域電子束曝光劑量的工藝，結(jié)合 熱回流技術(shù)制作了一種三維結(jié)構(gòu)的納米壓印模板(Schleunitz A5Schift H,"Fabrication of 3D nanoimprint stamps with continuousreliefs using dose-modulated electron beam lithography and thermal reflow", J. Micromech. Mecroeng. Vol. 20,2010, pp. 0950021-095002-6)，但此方法工藝復(fù)雜、效率低、并且需要昂貴的電子束曝光設(shè)備。因 此，此方法不適合大面積三維納米結(jié)構(gòu)的制作。Morita等采用聚焦離子束技術(shù)在硬質(zhì)基底 上直接制作出三維納米結(jié)構(gòu)(Morita T, Watanabe K, "Three-dimensional nanoimprint mold fabrication byfocused-ion-beam chemical vapor deposition", Jpn. J. Appli. Phys. 2003，pp. 3874-3876)，但這種技術(shù)同樣有效率低和費(fèi)用高的缺點(diǎn)。Cuisin等采用多 角度重復(fù)曝光的X射線曝光技術(shù)，制作出具有復(fù)雜面形結(jié)構(gòu)的三維納米結(jié)構(gòu)(Cuisin C， Chelnokov A and Lourtioz J-M, “Submicrometer resolution Yablonovitetemplates fabricated by χ-ray lithography，，，App 1. Phys. Lett.，Vol. 77，2000，pp. 770-772)， 但是X射線曝光的工藝復(fù)雜，高分辨率的曝光掩模板制作困難，并且需要高亮度的X射 線光源。納米壓印是一種全新的納米圖形復(fù)制方法，其具有超高分辨率、高產(chǎn)量和低成 本的特點(diǎn)。目前，納米壓印技術(shù)已經(jīng)被用于制作各種三維納米結(jié)構(gòu)(Li M Τ, Chen L， Chou S Y, "Direct three-dimensional patteringusing nanoimprint lithpgraphy，，， Appl.Phys. Lett. , Vol. 78,2001, pp.3322-3324 ；Mohamed K, Alkaisi M M and Blaikie R j 20008 “The replication of threedimensional structures using UV curable nanoimprint lithography",J. Vac. Sci. Techno1. B 2008, pp. 2500-2503 ；Han K S,Hong S H, Jeong J H and Lee H, "Frbrication of sub-micro 3-D structure using duo-mold UV-RILprocess",Microelectron Eng. 2010,pp. 610-613)。他們都是采用硬模板進(jìn)行壓印， 這就可能使硬模板受到永久性的損傷，縮短模板的使用壽命，提高納米結(jié)構(gòu)的制作成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于一維軟模板納米壓印技術(shù)制作三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法， 克服了上述制作三維納米結(jié)構(gòu)工藝存在的不足。本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟(1)第一次納米壓印工藝在基底上旋涂壓印膠，利用一維軟模板進(jìn)行納米壓印，得出一維納米光柵結(jié)構(gòu)的壓印膠圖形，然后采用氧反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)去除壓印殘膠層。(2)第一次刻蝕工藝以步驟(1)中去除殘膠層的壓印膠圖形為掩膜刻蝕基底材 料，刻蝕工藝可以為濕法刻蝕或者干法刻蝕工藝。去除殘留壓印膠掩模后得到基底材料的 一維納米光柵結(jié)構(gòu)。(3)第二次納米壓印利用與步驟⑴相同的工藝參數(shù)得到去除殘膠層的一維納 米光柵結(jié)構(gòu)壓印膠圖形，但軟模板上的光柵線條方向和基底材料的一維納米光柵結(jié)構(gòu)上的 光柵呈0° -90°間的任意角度。(4)第二次干法刻蝕以去除殘膠層的壓印膠圖形為刻蝕掩模，利用與步驟(2)相 同的刻蝕工藝步驟得到具有亞25納米尺寸納米點(diǎn)的三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。步驟(1)中的基底材料可以是硅、二氧化硅等非金屬材料，也可以是鋁等金屬材 料。步驟(1)中的軟模板可以是PDMS、ETFE等材料制作的軟模板。步驟(1)和步驟(3)中的壓印膠為熱固化壓印膠、光固化壓印膠或者熱塑性紫外 光固化壓印膠。對于氧反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，通過控制時(shí)間、氣體壓力等刻蝕參數(shù)得到不同線 寬的壓印膠圖形。本發(fā)明的有益效果是使用一維的軟模板即可制作出具有亞-25nm納米點(diǎn)的三維 納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而且通過改變第二次壓印中軟模板光柵方向和基底材料的光柵方向可以獲 得不同形狀的納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和納米點(diǎn)。此發(fā)明利用一維軟模板進(jìn)行壓印，避免了三維納米 壓印模板的制作，降低了模板的制作難度和制作成本。軟模板的使用避免了硬模板與硬性 基底的接觸而造成的硬模板的永久性損傷，延長了母模板的使用壽命，進(jìn)一步降低了加工 成本。同時(shí)，軟模板的復(fù)制過程還能夠去除硬模板表面的污染物，起到清潔硬模板的功能， 進(jìn)一步提高了硬模板的使用壽命，降低了制作成本。因此，與其它的三維納米結(jié)構(gòu)的制作方 法相比，本發(fā)明提出的制作工藝具有成本低，加工效率高和分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。


附圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。圖中1基底；2壓印膠；3軟模板；4第一次壓印的壓印膠圖形；5第一次壓印的壓印膠殘膠層；6去除殘膠層的第一次壓印的壓印膠圖形；7第一次刻蝕結(jié)束后殘余的壓印膠掩膜層；8基底上的一維硅納米光柵結(jié)構(gòu)；9第二次壓印的壓印膠圖形；10第二次壓印的壓印膠殘膠層；11去除殘膠層的第二次壓印的壓印膠圖形；12第二次刻蝕結(jié)束后殘余的壓印膠掩膜層；13基底材料的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。圖2(a)為制作的一維光柵結(jié)構(gòu)母模板的SEM照片。圖2(b)為復(fù)制的一維光柵結(jié)構(gòu)子模板的SEM照片。圖3(a)是一維壓印膠光柵結(jié)構(gòu)的SEM照片。圖3 (b)是一維硅光柵結(jié)構(gòu)的SEM照片。
圖4(a)是制作的三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的SEM照片俯視圖。圖4 (b)是制作的三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的SEM照片傾斜視圖。具體實(shí)施實(shí)例以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施實(shí)例，但本發(fā)明不僅限于實(shí) 例。凡是對實(shí)例中的工藝參數(shù)和材料進(jìn)行簡單的改變，都屬于本專利保護(hù)范圍之內(nèi)。實(shí)施例1 制作具有Sub-25nm矩形納米點(diǎn)的三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)先準(zhǔn)備好軟模板3，其上面具有一維的納米光柵結(jié)構(gòu)，圖形面積為6mmX 10mm,光 柵周期為70nm，線寬40nm，高50nm。圖2是母模板和復(fù)制的軟模板的SEM照片，軟模板材料 是含氟聚合物。取2英寸硅片作為基底1，對其進(jìn)行清洗，然后旋涂熱塑型紫外固化納米壓 印膠2。壓印膠2厚度在30-50nm之間。如附圖1 (b)所示，利用軟模板在旋涂有壓印膠的 基底上進(jìn)行壓印，其壓印壓力為20bar，壓印溫度為65°C，壓印時(shí)間180s，隨后紫外光曝光 30s。如附圖1(c)所示，在65°C把軟模板和基底分離，得到含有殘留層5的一維納米光柵結(jié) 構(gòu)的壓印膠圖形4，如附圖3 (a)所示，其中線寬為30nm，周期為70nm。如附圖1(d)所示，用 氧反應(yīng)離子刻蝕的方法去除殘膠層5，其工藝參數(shù)如下02流量25SCCM ；氣壓150mTorr ；RF 功率75W;時(shí)間20s。如附圖1(e)所示，以壓印膠圖形6為掩膜干法刻蝕硅基底1，得到一 維硅光柵結(jié)構(gòu)，其工藝參數(shù)如下=CF4流量40 SCCM ;H2流量5 SCCM ；氣壓IOmTorr ；RF功率 40W;ICP功率1200W;時(shí)間10s。如附圖1(f)所示，用氧反應(yīng)離子刻蝕的方法去除殘余壓印 膠掩模層7，從而得到一維硅納米光柵結(jié)構(gòu)8，刻蝕出的硅光柵的線寬為25nm，周期為70nm， 如附圖3(b)所示。如附圖1(g)所示，旋涂熱塑型紫外固化納米壓印膠2，參數(shù)與附圖1(a) 中參數(shù)相同。如附圖1(h)所示，進(jìn)行納米壓印，參數(shù)與附圖1(b)中參數(shù)相同，但軟模板3 上的光柵線條方向和壓印基底8上的光柵線條方向相互垂直。如附圖l(i)所示，脫模，得 到含有殘留層10的一維納米光柵結(jié)構(gòu)的壓印膠圖形9，參數(shù)與附圖1(c)中參數(shù)相同。如附 圖l(j)所示，用氧反應(yīng)離子刻蝕的方法去除殘膠層10，參數(shù)與附圖1(d)中參數(shù)相同。如附 圖l(k)所示，以壓印膠圖形11為掩膜干法刻蝕工藝，參數(shù)與附圖1(e)中參數(shù)相同。如附 圖1(1)所示，用氧反應(yīng)離子去除殘留壓印膠掩模層12，參數(shù)與附圖1(f)中參數(shù)相同，得到 高密度三維硅納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)13，如附圖4所示，其中得到的三維硅納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的線寬為 25nm，周期為70nm，兩垂直光柵交叉處頂端的納米點(diǎn)尺寸為亞25nm。如圖1所示，工藝流程步驟如下(a)在基底1上旋涂壓印膠2 ；(b)利用軟模板3進(jìn)行納米壓印工藝；(c)脫模工藝，得到壓印圖形4 ；(d)利用氧反應(yīng)離子刻蝕工藝去除殘膠層5，得到去除殘膠的壓印膠圖形6 ；(e)利用去除殘膠層的壓印膠圖形6為掩模，刻蝕基底材料1 ；(f)利用氧反應(yīng)離子刻蝕工藝去除殘余的掩膜層7，得到基底材料的一維光柵結(jié) 構(gòu)8 ；(g)在具有一維光柵結(jié)構(gòu)8的基底1上旋涂壓印膠2 ；(h)利用軟模板3進(jìn)行納米壓印工藝；(i)脫模工藝，得到壓印圖形9 ；(j)利用氧反應(yīng)離子刻蝕工藝去除殘膠層10，得到去除殘膠的壓印膠圖形11 ；
(k)利用去除殘膠層的壓印膠圖形11為掩模，刻蝕基底材料1 ；(1)利用氧反應(yīng)離子刻蝕工藝去除殘余的掩膜層12，得到具有SUb-25nm納米點(diǎn)的 三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)13 ；實(shí)施例2 制作具有Sub-25nm菱形納米點(diǎn)的三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)利用與實(shí)例1相同的軟模板、相同的壓印和刻蝕參數(shù)，通過調(diào)整第二次壓印工藝 中軟模板3上的光柵線條方向和壓印基底8上的光柵線條方向的夾角為45°，得到的三維 硅納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的線寬為25nm，周期為70nm，兩光柵交叉處頂端的納米點(diǎn)尺寸在亞25nm。 納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和納米點(diǎn)的形狀都是具有45°夾角的菱形。
權(quán)利要求
1.一種基于一維軟模板納米壓印技術(shù)制作三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法，其特征包括以下 步驟(1)第一次納米壓印工藝在基底上旋涂壓印膠，利用一維軟模板進(jìn)行納米壓印，得出 一維納米光柵結(jié)構(gòu)的壓印膠圖形，然后采用氧反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)去除壓印殘膠層；對于氧 反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，通過控制刻蝕參數(shù)得到不同線寬的壓印膠圖形；(2)第一次刻蝕工藝以步驟⑴中去除殘膠層的壓印膠圖形為掩膜刻蝕基底材料，刻 蝕工藝為濕法刻蝕或者干法刻蝕工藝；去除殘留壓印膠掩模后得到基底材料的一維納米光 柵結(jié)構(gòu)；(3)第二次納米壓印利用與步驟(1)相同的工藝參數(shù)得到去除殘膠層的一維納米光 柵結(jié)構(gòu)壓印膠圖形，但軟模板上的光柵線條方向和壓印基底材料的一維納米光柵結(jié)構(gòu)上的 光柵呈0° -90°間的任意角度；(4)第二次干法刻蝕以去除殘膠層的壓印膠圖形為刻蝕掩模，利用與步驟(2)相同的 刻蝕工藝步驟得到具有亞25納米尺寸納米點(diǎn)的三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于一維軟模板納米壓印技術(shù)制作三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的 方法，其特征在于，所述步驟(1)和(3)中的壓印膠為熱固化壓印膠、光固化壓印膠或者熱 塑性光固化壓印膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于一維軟模板納米壓印技術(shù)制作三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的 方法，其特征在于，所述步驟(1)中的基底材料是硅、二氧化硅或鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于一維軟模板納米壓印技術(shù)制作三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的 方法，其特征在于，步驟(1)中的軟模板是PDMS、ETFE材料制作的軟模板。
全文摘要
本發(fā)明屬于微納制造技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于一維軟模板納米壓印技術(shù)制作大面積三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方法。其步驟包括利用軟模板進(jìn)行第一次納米壓印，然后采用氧RIE刻蝕去除壓印膠殘留層。利用制作的壓印膠圖形為掩膜刻蝕基底材料，去膠后得到一維納米光柵結(jié)構(gòu)。利用與前一次壓印和刻蝕工藝相同的參數(shù)，進(jìn)行第二次壓印和刻蝕工藝。在第二次壓印中，調(diào)整模板方向與第一次壓印時(shí)模板方向呈0°-90°夾角。最終得到具有亞25nm納米點(diǎn)的三維納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。本發(fā)明使用的軟模板可以有效避免硬模板與硬性基底接觸造成的永久性損傷，同時(shí)避免了三維模板的使用。制作的納米結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀可控。本發(fā)明的方法成本低，效率高、可控性好和分辨率高。
文檔編號G03F7/00GK102135728SQ201110043750
公開日2011年7月27日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月23日
發(fā)明者孟凡濤, 王志文, 褚金奎, 韓志濤 申請人:大連理工大學(xué)