非接触式模板约束下的电场诱导微复型方法

专利名称：非接触式模板约束下的电场诱导微复型方法
技术领域：
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种在电场的诱导下， 利用模板约束电场分布，制造微米级或者纳米级结构的微复型方法。
背景技术：
传统的光学投影光刻工艺采用x射线、紫外线等，透过具有一定
图形结构的掩模板进行可控制曝光，将掩模板上的图形转移至预先涂 铺在基材上并烘干的阻蚀胶层。最后通过化学药剂显影，得到图形化 的阻蚀胶层。传统的光学投影光刻技术由于已经在半导体制造领域得 到了成熟的发展，因此一直在微纳制造领域占据着统治地位。但是由 于微纳制造技术不断向更小的尺寸发展，而传统的光学投影光刻工艺 由于受其自身固有的衍射极限的限制，在加工深亚微米以下结构时存 在很大的困难，且目前的光学投影光刻设备售价极高，十分昂贵。
为了适应更小线宽的微纳结构的大规模制作，微纳米压印光刻工 艺应运而生。该工艺采用机械微复型的原理，通过施加外力将具有一 定图形结构的图形化模板压入液态的阻蚀胶中，固化阻蚀胶，得到图 形化的微纳结构。微纳米压印光刻工艺制作成本低、简单易行、加工
效率高，并且可以加工低至6nm的尺寸结构。但是微纳米压印光刻工 艺仍存在着一些缺陷。主要体现在两个方面 一是压印复型过程中， 涉及外界的接触压力，可能造成模板变形，导致复型缺陷，不利于多 层套刻的进行；第二，该机械微复型过程不可避免的存在一定的留膜 (厚度一般在几十纳米左右)，需要额外的工艺步骤去除该留膜。

发明内容
针对现有光刻技术中存在的模板变形，导致复型缺陷，不利于多 层套刻，存在一定的留膜等不足之处，本发明采用在外加电场的诱导 下，利用图形化模板，在阻蚀胶层上加工出高精度、低缺陷的微纳结 构。
本发明工艺方法包括如下具体步骤
1) 模板的制备在Si02基材上沉积导电纳米铟锡金属氧化物ITO 玻璃制备图形化模板，模板的表面形状按照所需微纳结构的图形进行 设计，用溅射沉积设备在Si02基材上溅射沉积导电纳米铟锡金属氧
化物ITO玻璃层，并在该层上用光刻工艺加工出图形结构,最后用溅
射沉积设备在图形结构两侧加工出二氧化硅制的支撑部分，得到模
板；
2) 在Si02基材表面蒸镀导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃，用 溅射沉积设备在Si02基材的底部蒸镀导电ITO玻璃层；
3) 在Si02基材表面涂铺阻蚀胶:用匀胶机在导电纳米铟锡金属 氧化物ITO玻璃层表面旋涂光固化阻蚀胶，阻蚀胶的厚度为纳米级至 微米级；
4) 将制备好的模板压在阻蚀胶层上以20MPa的压力P将制备好 的模板压在阻蚀胶上，使模板的支撑部分的底部紧贴在阻蚀胶上，以 保证模板和阻蚀胶之间的空隙尺寸相当于支撑部分的高度；
5) 外接直流电源:采用直流电源，电压调节范围O-IOOV，在模板 的导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层处接直流电源的阳极，在涂铺 有阻蚀胶的导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层处接直流电源的阴 极，调整电压大小，使静电场产生的静电力增大至克服液态阻蚀胶的表面张力使阻蚀胶产生流变；
6) 进行电场诱导微复型使液态阻蚀胶在稳定电压值的电场下 保持0.25小时至24小时，直至微复型过程结束；
7) 紫外线曝光固化阻蚀胶，采用紫外固化设备产生紫外线对得 到的微复型的进行曝光处理，使阻蚀胶固化，脱去模板，即可得到所 需的微纳结构。
上述微复型方法制得的微纳结构具有高精度、低缺陷的优点，由 于不使用光学投影的加工方式，因此不受光学投影光刻工艺固有的衍 射极限的限制，可以加工深亚微米至纳米级的结构。通过改变模板的 图形，可以改变外电场的分布情况，复制出符合模板图形的微纳结构。 由于采用非接触式的外电场诱导技术进行加工，解决了在外界的接触 压力下引起模板变形，导致复型缺陷的问题。
由于本发明所述的工艺不需要特殊的加工条件和复杂的设备，可 以降低加工成本。而电场诱导技术使微复型过程所需时间縮短，提高 了生产效率。本发明的技术方案，可应用于各种MEMS/NEMS (微米级 机电系统/纳米级机电系统)器件的加工，如微流控器件、微传感器、 微致动器件、光栅、微型生物芯片、光电子器件、太阳能电池等。


图l为模板的主视示意图2为涂铺有光固化阻蚀胶层的基材的示意图3为将模板压在阻蚀胶层上的示意图4为微复型过程中阻蚀胶局部的受力情况示意图5为施加电场进行微复型过程的示意图6为紫外线照射固化阻蚀胶的示意图；图7为脱去模板获得所需微纳结构的示意图； 图8为制得的微纳结构主视示意图； 图9为制得的微纳结构仰视示意图。
具体实施例方式
下面，结合附图详细说明非接触式模板约束下的电场诱导微复型 方法的工艺过程
如图所示，在Si02基材1表面蒸镀导纳米铟锡金属氧化物ITO ' 玻璃层2，并进行图形化和加工支撑部分3的工艺，如附图1所示， 在Si02基材6表面导电铟锡金属氧化物ITO玻璃层5，并在导电铟锡 金属氧化物ITO玻璃层5表面旋涂阻蚀胶层4的工艺,如附图2所示， 将制备好的模板以20MPa压力压在阻蚀胶层4上的工艺，如附图3所 示，在模板和Si02基材之间接直流电源7进行外电场诱导微复型的 工艺，如附图5所示，通过紫外光9曝光固化阻蚀胶4之后得到微纳 结构8的工艺，如附图6所示；图7为脱去模板获得所需微纳结构的， 示意图；图8为制得的微纳结构主视示意图；图9为制得的微纳结构 仰视示意图。
上述方法，可实现的微纳结构的尺寸组合为基材上旋涂的阻蚀 胶的厚度hl为纳米级至微米级，模板图形层凸起部分尺寸wl为纳米 级至微米级，模板图形层凹陷部分尺寸w2为纳米级至微米级，模板 支撑部分的高度H为纳米级至微米级，制得的微纳结构的高度h2为 纳米级至微米级，制得的微纳结构的宽度w3为纳米级至微米级。
与传统光学投影光刻工艺和微纳米压印光刻工艺相比，制得的微. 纳结构缺陷少、加工所需时间短。本发明所采用的工艺组合具有设备 简单、步骤少的优点，由于采用电场诱导的方式进行微复型，不需要考虑光波的衍射极限，因此可以加工出低至纳米级的结构。非接触式 的加工方式不需要将模板直接压入阻蚀胶中，没有直接接触式压印过 程中必然会产生的接触压力。因此脱模过程不会破坏复型得到的图形 层，制得的微纳结构缺陷更少。
这种以非接触式模板约束下的电场诱导微复型工艺的具体实施
过程如下
1) 模板的制备。模板的表面图形层按照所需的微纳结构进行设 计。其中需要微纳结构中凸起的部分对应于导电纳米铟锡金属氧化物 IT0玻璃层2上未进行刻蚀的凸起部分，需要微纳结构中凹陷的部分 对应于导电纳米铟锡金属氧化物IT0玻璃层2上需要进行刻蚀的凹陷 部分。采用溅射沉积设备、光刻系统或者刻蚀机制备模板在Si02基 材1上溅射沉积导电纳米铟锡金属氧化物IT0玻璃层2，并在该层上 用传统光刻工艺加工出图形结构。之后用溅射沉积设备在模板图形层 两侧沉积出Si02制的高度为H支撑部分3，用来保证模板和阻蚀胶之 间的间隙尺寸；
2) 在Si02基材表面蒸镀导电纳米铟锡金属氧化物IT0玻璃。用 溅射沉积设备在Si02基材6的底部蒸镀导电ITO玻璃层5;
3) 在Si02基材表面涂铺阻蚀胶用匀胶机在导电纳米铟锡金属 氧化物ITO玻璃层5表面旋涂光固化阻蚀胶4，阻蚀胶4的厚度hl 为纳米级至微米级；
4) 将模板压在阻蚀胶层上。以20MPa的压力P将制备好的模板 压在阻蚀胶4上，使模板的支撑部分3的底部紧贴在阻蚀胶4上，以 保证模板和阻蚀胶4之间的空隙尺寸相当于支撑部分3的高度H;
5) 外接直流电源采用实验室用直流电源7 (电压调节范围0-100V)，在模板的导电纳米铟锡金属氧化物IT0玻璃层2处接直流 电源的阳极，在涂铺有阻蚀胶4的导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃 层5处接直流电源的阴极。调整直流电源7的电压大小，使静电场产 生的静电力增大至可以克服液态阻蚀胶的表面张力，使阻蚀胶4产生 流变；
6) 进行电场诱导微复型使液态阻蚀胶4在稳定电压值产生的 电场分布情况下保持0. 25小时至24小时，直至微复型过程结束。举 例说明，使用CER-170的脂环族环氧树脂，分子量为2000的聚合物 在90V的电压下经过0. 25小时即可得到微复型结构，分子量为96000 的聚合物在90V的电压下经过24小时得到微复型结构。如图4所示， 阻蚀胶上的A、 B两点所受的表面张力f (A)和f (B)大小相等。A 点由于位于图形化模板的凸起部分之下，电场强度较强。因此A点所 受的静电力pe (A)大B点所受的静电力pe (B)。 A点处的静电力pe
(A)大于表面张力f (A)，阻蚀胶即在A点处向上生长，在微复型 过程中形成了与模板图形结构相符合的微纳结构8;
7) 紫外线曝光固化阻蚀胶采用商用紫外固化设备产生紫外线 9，对得到的微复型曝光处理，使阻蚀胶4固化，脱去模板，即可f导 到所需的微纳结构8。
非接触式模板约束下的外电场诱导微复型工艺，是采用非接触式 的外加电场，使阻蚀胶在约束外电场作用下产生自然流变，从而将模 板上的图形转移到阻蚀胶上。该复型过程，是基于阻蚀胶特定的物理 特性，通过非接触式的外界场作用，实现阻蚀胶的图形化，具有简单 易行、无需特殊装置，只需产生外电场、可以进行分子级控制等优点。 在外电场及图形化模板的约束下，阻蚀胶薄膜分子排列成有序的图形
9或复杂的功能体系，实现阻蚀胶的图形化。模板本身既有定型作用， 又有稳定作用，改变模板的外形和尺寸即可实现对微纳结构的外形和 尺寸的控制。而在该过程中施加外电场提供了阻蚀胶图形化过程所需 的驱动力。
本发明的基本工作原理为施加一定的压力，将图形化模板置于 阻蚀胶层上，使模板和阻蚀胶层之间的空隙尺寸保持在纳米级至微米 级。曝光之前的光固化阻蚀胶具有流动性。曝光之后在基材和模板之 间引入外电场，由于模板凸起处比起凹陷处与基材之间的距离更近， 因此模板凸起部分所在区域的电场强度大于模板凹陷部分所在区域 的电场强度。而液态阻蚀胶表面各点的表面张力是相同的。模板凸起 处的电场强度较强，产生的静电力足以驱动阻蚀胶克服表面张力，向 上生长，最终复制出与模板表面凸起部分尺寸相同的微纳结构。最后 通过紫外线照射固化阻蚀胶，复制出所需的微纳结构。用这种方法得 到的微纳结构比传统光刻工艺加工得到的微纳结构尺寸更小、缺陷更 少、加工时间也较短。
本发明克服了传统光学投影光刻工艺中存在的光波衍射极限问 题，并且克服了微纳米压印光刻工艺在脱模过程中经常对成型结构产 生破坏，制得高精度、低缺陷的微纳结构。本发明采用模板约束下的 外电场诱导的微复型工艺使阻蚀胶产生流变，聚集在由于模板诱导造 成的电场强度较强的区域。因此可以通过改变模板的图形结构精确控 制最终制得的微纳结构的图形和尺寸，加工出具有多种结构和更高精 度的微纳器件，开拓了外场诱导技术在微纳制造领域的应用前景。
权利要求
1. 一种非接触式模板约束下的电场诱导微复型方法，其特征在于，包括如下步骤1)模板的制备在SiO2基材上沉积导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃制备图形化模板，模板的表面形状按照所需微纳结构的图形进行设计，用溅射沉积设备在SiO2基材上溅射沉积导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层，并在该层上用光刻工艺加工出图形结构，最后用溅射沉积设备在图形结构两侧加工出二氧化硅制的支撑部分，得到模板；2)在SiO2基材表面蒸镀导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃，用溅射沉积设备在SiO2基材的底部蒸镀导电ITO玻璃层；3)在SiO2基材表面涂铺阻蚀胶用匀胶机在导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层表面旋涂光固化阻蚀胶，阻蚀胶的厚度为纳米级至微米级；4)将制备好的模板压在阻蚀胶层上以20MPa的压力P将制备好的模板压在阻蚀胶上，使模板的支撑部分的底部紧贴在阻蚀胶上，以保证模板和阻蚀胶之间的空隙尺寸相当于支撑部分的高度；5)外接直流电源采用直流电源，电压调节范围0-100V，在模板的导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层处接直流电源的阳极，在涂铺有阻蚀胶的导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃层处接直流电源的阴极，调整电压大小，使静电场产生的静电力增大至克服液态阻蚀胶的表面张力使阻蚀胶产生流变；6)进行电场诱导微复型使液态阻蚀胶在稳定电压值的电场下保持0.25小时至24小时，直至微复型过程结束；7)紫外线曝光固化阻蚀胶采用紫外固化设备产生紫外线对得到的微复型的进行曝光处理，使阻蚀胶固化，脱去模板，即可得到所需的微纳结构。
全文摘要
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种在电场的诱导下的微复型方法。包括如下步骤1)模板的制备在SiO₂基材上沉积导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃制备图形化模板；2)在SiO₂基材表面蒸镀导电纳米铟锡金属氧化物ITO玻璃；3)在SiO₂基材表面涂铺阻蚀胶；4)将制备好的模板压在阻蚀胶层上；5)外接直流电源使阻蚀胶产生流变；6)进行电场诱导微复型；7)紫外线曝光固化阻蚀胶，得到所需的微纳结构。由于本发明的方法加工成本低，所需时间短，提高了生产效率，可应用于各种MEMS/NEMS(微米级机电系统/纳米级机电系统)器件的加工，如微流控器件、微传感器、微致动器件、光栅、微型生物芯片、光电子器件、太阳能电池等。
文档编号G03F7/00GK101446762SQ20081023656
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者丁玉成, 刘红忠, 欣 李, 蒋维涛 申请人:西安交通大学