專利名稱：非接觸式模板約束下的電場誘導(dǎo)微復(fù)型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在電場的誘導(dǎo)下， 利用模板約束電場分布，制造微米級(jí)或者納米級(jí)結(jié)構(gòu)的微復(fù)型方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的光學(xué)投影光刻工藝采用x射線、紫外線等，透過具有一定
圖形結(jié)構(gòu)的掩模板進(jìn)行可控制曝光，將掩模板上的圖形轉(zhuǎn)移至預(yù)先涂 鋪在基材上并烘干的阻蝕膠層。最后通過化學(xué)藥劑顯影，得到圖形化 的阻蝕膠層。傳統(tǒng)的光學(xué)投影光刻技術(shù)由于已經(jīng)在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域得 到了成熟的發(fā)展，因此一直在微納制造領(lǐng)域占據(jù)著統(tǒng)治地位。但是由 于微納制造技術(shù)不斷向更小的尺寸發(fā)展，而傳統(tǒng)的光學(xué)投影光刻工藝 由于受其自身固有的衍射極限的限制，在加工深亞微米以下結(jié)構(gòu)時(shí)存 在很大的困難，且目前的光學(xué)投影光刻設(shè)備售價(jià)極高，十分昂貴。
為了適應(yīng)更小線寬的微納結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制作，微納米壓印光刻工 藝應(yīng)運(yùn)而生。該工藝采用機(jī)械微復(fù)型的原理，通過施加外力將具有一 定圖形結(jié)構(gòu)的圖形化模板壓入液態(tài)的阻蝕膠中，固化阻蝕膠，得到圖 形化的微納結(jié)構(gòu)。微納米壓印光刻工藝制作成本低、簡單易行、加工
效率高，并且可以加工低至6nm的尺寸結(jié)構(gòu)。但是微納米壓印光刻工 藝仍存在著一些缺陷。主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面 一是壓印復(fù)型過程中， 涉及外界的接觸壓力，可能造成模板變形，導(dǎo)致復(fù)型缺陷，不利于多 層套刻的進(jìn)行；第二，該機(jī)械微復(fù)型過程不可避免的存在一定的留膜 (厚度一般在幾十納米左右)，需要額外的工藝步驟去除該留膜。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有光刻技術(shù)中存在的模板變形，導(dǎo)致復(fù)型缺陷，不利于多 層套刻，存在一定的留膜等不足之處，本發(fā)明采用在外加電場的誘導(dǎo) 下，利用圖形化模板，在阻蝕膠層上加工出高精度、低缺陷的微納結(jié) 構(gòu)。
本發(fā)明工藝方法包括如下具體步驟
1) 模板的制備在Si02基材上沉積導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO 玻璃制備圖形化模板，模板的表面形狀按照所需微納結(jié)構(gòu)的圖形進(jìn)行 設(shè)計(jì)，用濺射沉積設(shè)備在Si02基材上濺射沉積導(dǎo)電納米銦錫金屬氧
化物ITO玻璃層，并在該層上用光刻工藝加工出圖形結(jié)構(gòu),最后用濺
射沉積設(shè)備在圖形結(jié)構(gòu)兩側(cè)加工出二氧化硅制的支撐部分，得到模
板；
2) 在Si02基材表面蒸鍍導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃，用 濺射沉積設(shè)備在Si02基材的底部蒸鍍導(dǎo)電ITO玻璃層；
3) 在Si02基材表面涂鋪?zhàn)栉g膠:用勻膠機(jī)在導(dǎo)電納米銦錫金屬 氧化物ITO玻璃層表面旋涂光固化阻蝕膠，阻蝕膠的厚度為納米級(jí)至 微米級(jí)；
4) 將制備好的模板壓在阻蝕膠層上以20MPa的壓力P將制備好 的模板壓在阻蝕膠上，使模板的支撐部分的底部緊貼在阻蝕膠上，以 保證模板和阻蝕膠之間的空隙尺寸相當(dāng)于支撐部分的高度；
5) 外接直流電源:采用直流電源，電壓調(diào)節(jié)范圍O-IOOV，在模板 的導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃層處接直流電源的陽極，在涂鋪 有阻蝕膠的導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃層處接直流電源的陰 極，調(diào)整電壓大小，使靜電場產(chǎn)生的靜電力增大至克服液態(tài)阻蝕膠的表面張力使阻蝕膠產(chǎn)生流變；
6) 進(jìn)行電場誘導(dǎo)微復(fù)型使液態(tài)阻蝕膠在穩(wěn)定電壓值的電場下 保持0.25小時(shí)至24小時(shí)，直至微復(fù)型過程結(jié)束；
7) 紫外線曝光固化阻蝕膠，采用紫外固化設(shè)備產(chǎn)生紫外線對(duì)得 到的微復(fù)型的進(jìn)行曝光處理，使阻蝕膠固化，脫去模板，即可得到所 需的微納結(jié)構(gòu)。
上述微復(fù)型方法制得的微納結(jié)構(gòu)具有高精度、低缺陷的優(yōu)點(diǎn)，由 于不使用光學(xué)投影的加工方式，因此不受光學(xué)投影光刻工藝固有的衍 射極限的限制，可以加工深亞微米至納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。通過改變模板的 圖形，可以改變外電場的分布情況，復(fù)制出符合模板圖形的微納結(jié)構(gòu)。 由于采用非接觸式的外電場誘導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行加工，解決了在外界的接觸 壓力下引起模板變形，導(dǎo)致復(fù)型缺陷的問題。
由于本發(fā)明所述的工藝不需要特殊的加工條件和復(fù)雜的設(shè)備，可 以降低加工成本。而電場誘導(dǎo)技術(shù)使微復(fù)型過程所需時(shí)間縮短，提高 了生產(chǎn)效率。本發(fā)明的技術(shù)方案，可應(yīng)用于各種MEMS/NEMS (微米級(jí) 機(jī)電系統(tǒng)/納米級(jí)機(jī)電系統(tǒng))器件的加工，如微流控器件、微傳感器、 微致動(dòng)器件、光柵、微型生物芯片、光電子器件、太陽能電池等。


圖l為模板的主視示意圖2為涂鋪有光固化阻蝕膠層的基材的示意圖3為將模板壓在阻蝕膠層上的示意圖4為微復(fù)型過程中阻蝕膠局部的受力情況示意圖5為施加電場進(jìn)行微復(fù)型過程的示意圖6為紫外線照射固化阻蝕膠的示意圖；圖7為脫去模板獲得所需微納結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖8為制得的微納結(jié)構(gòu)主視示意圖； 圖9為制得的微納結(jié)構(gòu)仰視示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，結(jié)合附圖詳細(xì)說明非接觸式模板約束下的電場誘導(dǎo)微復(fù)型 方法的工藝過程
如圖所示，在Si02基材1表面蒸鍍導(dǎo)納米銦錫金屬氧化物ITO ' 玻璃層2，并進(jìn)行圖形化和加工支撐部分3的工藝，如附圖1所示， 在Si02基材6表面導(dǎo)電銦錫金屬氧化物ITO玻璃層5，并在導(dǎo)電銦錫 金屬氧化物ITO玻璃層5表面旋涂阻蝕膠層4的工藝,如附圖2所示， 將制備好的模板以20MPa壓力壓在阻蝕膠層4上的工藝，如附圖3所 示，在模板和Si02基材之間接直流電源7進(jìn)行外電場誘導(dǎo)微復(fù)型的 工藝，如附圖5所示，通過紫外光9曝光固化阻蝕膠4之后得到微納 結(jié)構(gòu)8的工藝，如附圖6所示；圖7為脫去模板獲得所需微納結(jié)構(gòu)的， 示意圖；圖8為制得的微納結(jié)構(gòu)主視示意圖；圖9為制得的微納結(jié)構(gòu) 仰視示意圖。
上述方法，可實(shí)現(xiàn)的微納結(jié)構(gòu)的尺寸組合為基材上旋涂的阻蝕 膠的厚度hl為納米級(jí)至微米級(jí)，模板圖形層凸起部分尺寸wl為納米 級(jí)至微米級(jí)，模板圖形層凹陷部分尺寸w2為納米級(jí)至微米級(jí)，模板 支撐部分的高度H為納米級(jí)至微米級(jí)，制得的微納結(jié)構(gòu)的高度h2為 納米級(jí)至微米級(jí)，制得的微納結(jié)構(gòu)的寬度w3為納米級(jí)至微米級(jí)。
與傳統(tǒng)光學(xué)投影光刻工藝和微納米壓印光刻工藝相比，制得的微. 納結(jié)構(gòu)缺陷少、加工所需時(shí)間短。本發(fā)明所采用的工藝組合具有設(shè)備 簡單、步驟少的優(yōu)點(diǎn)，由于采用電場誘導(dǎo)的方式進(jìn)行微復(fù)型，不需要考慮光波的衍射極限，因此可以加工出低至納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。非接觸式 的加工方式不需要將模板直接壓入阻蝕膠中，沒有直接接觸式壓印過 程中必然會(huì)產(chǎn)生的接觸壓力。因此脫模過程不會(huì)破壞復(fù)型得到的圖形 層，制得的微納結(jié)構(gòu)缺陷更少。
這種以非接觸式模板約束下的電場誘導(dǎo)微復(fù)型工藝的具體實(shí)施
過程如下
1) 模板的制備。模板的表面圖形層按照所需的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè) 計(jì)。其中需要微納結(jié)構(gòu)中凸起的部分對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物 IT0玻璃層2上未進(jìn)行刻蝕的凸起部分，需要微納結(jié)構(gòu)中凹陷的部分 對(duì)應(yīng)于導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物IT0玻璃層2上需要進(jìn)行刻蝕的凹陷 部分。采用濺射沉積設(shè)備、光刻系統(tǒng)或者刻蝕機(jī)制備模板在Si02基 材1上濺射沉積導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物IT0玻璃層2，并在該層上 用傳統(tǒng)光刻工藝加工出圖形結(jié)構(gòu)。之后用濺射沉積設(shè)備在模板圖形層 兩側(cè)沉積出Si02制的高度為H支撐部分3，用來保證模板和阻蝕膠之 間的間隙尺寸；
2) 在Si02基材表面蒸鍍導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物IT0玻璃。用 濺射沉積設(shè)備在Si02基材6的底部蒸鍍導(dǎo)電ITO玻璃層5;
3) 在Si02基材表面涂鋪?zhàn)栉g膠用勻膠機(jī)在導(dǎo)電納米銦錫金屬 氧化物ITO玻璃層5表面旋涂光固化阻蝕膠4，阻蝕膠4的厚度hl 為納米級(jí)至微米級(jí)；
4) 將模板壓在阻蝕膠層上。以20MPa的壓力P將制備好的模板 壓在阻蝕膠4上，使模板的支撐部分3的底部緊貼在阻蝕膠4上，以 保證模板和阻蝕膠4之間的空隙尺寸相當(dāng)于支撐部分3的高度H;
5) 外接直流電源采用實(shí)驗(yàn)室用直流電源7 (電壓調(diào)節(jié)范圍0-100V)，在模板的導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物IT0玻璃層2處接直流 電源的陽極，在涂鋪有阻蝕膠4的導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃 層5處接直流電源的陰極。調(diào)整直流電源7的電壓大小，使靜電場產(chǎn) 生的靜電力增大至可以克服液態(tài)阻蝕膠的表面張力，使阻蝕膠4產(chǎn)生 流變；
6) 進(jìn)行電場誘導(dǎo)微復(fù)型使液態(tài)阻蝕膠4在穩(wěn)定電壓值產(chǎn)生的 電場分布情況下保持0. 25小時(shí)至24小時(shí)，直至微復(fù)型過程結(jié)束。舉 例說明，使用CER-170的脂環(huán)族環(huán)氧樹脂，分子量為2000的聚合物 在90V的電壓下經(jīng)過0. 25小時(shí)即可得到微復(fù)型結(jié)構(gòu)，分子量為96000 的聚合物在90V的電壓下經(jīng)過24小時(shí)得到微復(fù)型結(jié)構(gòu)。如圖4所示， 阻蝕膠上的A、 B兩點(diǎn)所受的表面張力f (A)和f (B)大小相等。A 點(diǎn)由于位于圖形化模板的凸起部分之下，電場強(qiáng)度較強(qiáng)。因此A點(diǎn)所 受的靜電力pe (A)大B點(diǎn)所受的靜電力pe (B)。 A點(diǎn)處的靜電力pe
(A)大于表面張力f (A)，阻蝕膠即在A點(diǎn)處向上生長，在微復(fù)型 過程中形成了與模板圖形結(jié)構(gòu)相符合的微納結(jié)構(gòu)8;
7) 紫外線曝光固化阻蝕膠采用商用紫外固化設(shè)備產(chǎn)生紫外線 9，對(duì)得到的微復(fù)型曝光處理，使阻蝕膠4固化，脫去模板，即可f導(dǎo) 到所需的微納結(jié)構(gòu)8。
非接觸式模板約束下的外電場誘導(dǎo)微復(fù)型工藝，是采用非接觸式 的外加電場，使阻蝕膠在約束外電場作用下產(chǎn)生自然流變，從而將模 板上的圖形轉(zhuǎn)移到阻蝕膠上。該復(fù)型過程，是基于阻蝕膠特定的物理 特性，通過非接觸式的外界場作用，實(shí)現(xiàn)阻蝕膠的圖形化，具有簡單 易行、無需特殊裝置，只需產(chǎn)生外電場、可以進(jìn)行分子級(jí)控制等優(yōu)點(diǎn)。 在外電場及圖形化模板的約束下，阻蝕膠薄膜分子排列成有序的圖形
9或復(fù)雜的功能體系，實(shí)現(xiàn)阻蝕膠的圖形化。模板本身既有定型作用， 又有穩(wěn)定作用，改變模板的外形和尺寸即可實(shí)現(xiàn)對(duì)微納結(jié)構(gòu)的外形和 尺寸的控制。而在該過程中施加外電場提供了阻蝕膠圖形化過程所需 的驅(qū)動(dòng)力。
本發(fā)明的基本工作原理為施加一定的壓力，將圖形化模板置于 阻蝕膠層上，使模板和阻蝕膠層之間的空隙尺寸保持在納米級(jí)至微米 級(jí)。曝光之前的光固化阻蝕膠具有流動(dòng)性。曝光之后在基材和模板之 間引入外電場，由于模板凸起處比起凹陷處與基材之間的距離更近， 因此模板凸起部分所在區(qū)域的電場強(qiáng)度大于模板凹陷部分所在區(qū)域 的電場強(qiáng)度。而液態(tài)阻蝕膠表面各點(diǎn)的表面張力是相同的。模板凸起 處的電場強(qiáng)度較強(qiáng)，產(chǎn)生的靜電力足以驅(qū)動(dòng)阻蝕膠克服表面張力，向 上生長，最終復(fù)制出與模板表面凸起部分尺寸相同的微納結(jié)構(gòu)。最后 通過紫外線照射固化阻蝕膠，復(fù)制出所需的微納結(jié)構(gòu)。用這種方法得 到的微納結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)光刻工藝加工得到的微納結(jié)構(gòu)尺寸更小、缺陷更 少、加工時(shí)間也較短。
本發(fā)明克服了傳統(tǒng)光學(xué)投影光刻工藝中存在的光波衍射極限問 題，并且克服了微納米壓印光刻工藝在脫模過程中經(jīng)常對(duì)成型結(jié)構(gòu)產(chǎn) 生破壞，制得高精度、低缺陷的微納結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用模板約束下的 外電場誘導(dǎo)的微復(fù)型工藝使阻蝕膠產(chǎn)生流變，聚集在由于模板誘導(dǎo)造 成的電場強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域。因此可以通過改變模板的圖形結(jié)構(gòu)精確控 制最終制得的微納結(jié)構(gòu)的圖形和尺寸，加工出具有多種結(jié)構(gòu)和更高精 度的微納器件，開拓了外場誘導(dǎo)技術(shù)在微納制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1. 一種非接觸式模板約束下的電場誘導(dǎo)微復(fù)型方法，其特征在于，包括如下步驟1)模板的制備在SiO2基材上沉積導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃制備圖形化模板，模板的表面形狀按照所需微納結(jié)構(gòu)的圖形進(jìn)行設(shè)計(jì)，用濺射沉積設(shè)備在SiO2基材上濺射沉積導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃層，并在該層上用光刻工藝加工出圖形結(jié)構(gòu)，最后用濺射沉積設(shè)備在圖形結(jié)構(gòu)兩側(cè)加工出二氧化硅制的支撐部分，得到模板；2)在SiO2基材表面蒸鍍導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃，用濺射沉積設(shè)備在SiO2基材的底部蒸鍍導(dǎo)電ITO玻璃層；3)在SiO2基材表面涂鋪?zhàn)栉g膠用勻膠機(jī)在導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃層表面旋涂光固化阻蝕膠，阻蝕膠的厚度為納米級(jí)至微米級(jí)；4)將制備好的模板壓在阻蝕膠層上以20MPa的壓力P將制備好的模板壓在阻蝕膠上，使模板的支撐部分的底部緊貼在阻蝕膠上，以保證模板和阻蝕膠之間的空隙尺寸相當(dāng)于支撐部分的高度；5)外接直流電源采用直流電源，電壓調(diào)節(jié)范圍0-100V，在模板的導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃層處接直流電源的陽極，在涂鋪有阻蝕膠的導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃層處接直流電源的陰極，調(diào)整電壓大小，使靜電場產(chǎn)生的靜電力增大至克服液態(tài)阻蝕膠的表面張力使阻蝕膠產(chǎn)生流變；6)進(jìn)行電場誘導(dǎo)微復(fù)型使液態(tài)阻蝕膠在穩(wěn)定電壓值的電場下保持0.25小時(shí)至24小時(shí)，直至微復(fù)型過程結(jié)束；7)紫外線曝光固化阻蝕膠采用紫外固化設(shè)備產(chǎn)生紫外線對(duì)得到的微復(fù)型的進(jìn)行曝光處理，使阻蝕膠固化，脫去模板，即可得到所需的微納結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明屬于微納制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在電場的誘導(dǎo)下的微復(fù)型方法。包括如下步驟1)模板的制備在SiO₂基材上沉積導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃制備圖形化模板；2)在SiO₂基材表面蒸鍍導(dǎo)電納米銦錫金屬氧化物ITO玻璃；3)在SiO₂基材表面涂鋪?zhàn)栉g膠；4)將制備好的模板壓在阻蝕膠層上；5)外接直流電源使阻蝕膠產(chǎn)生流變；6)進(jìn)行電場誘導(dǎo)微復(fù)型；7)紫外線曝光固化阻蝕膠，得到所需的微納結(jié)構(gòu)。由于本發(fā)明的方法加工成本低，所需時(shí)間短，提高了生產(chǎn)效率，可應(yīng)用于各種MEMS/NEMS(微米級(jí)機(jī)電系統(tǒng)/納米級(jí)機(jī)電系統(tǒng))器件的加工，如微流控器件、微傳感器、微致動(dòng)器件、光柵、微型生物芯片、光電子器件、太陽能電池等。
文檔編號(hào)G03F7/00GK101446762SQ20081023656
公開日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者丁玉成, 劉紅忠, 欣 李, 蔣維濤 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)