一种纳米压印模板、其制备方法及纳米压印方法与流程

本发明属于纳米压印技术领域，具体尤其涉及一种纳米压印模板、其制备方法及纳米压印方法。

背景技术：

纳米压印技术自从上世纪末发明以来，被认为是最具前景的微纳制造技术之一，最有可能成为未来微纳光子学和电子学行业的主要技术，可应用于微纳结构功能器件的低成本、大规模生产，尤其是在光学器件的制备中更具有独特的技术优势，光学器件的制备也是目前纳米压印技术应用最广泛的领域。

纳米压印技术的基本过程包括图形压印和图形转移两大部分，根据图形转移的方式，主要有热压印以及紫外压印两种方式，无论采用何种压印方式，压印工艺是完全将模板上的微纳米图案忠实地复制到衬底之上，所以纳米压印压印模板的制备是压印工艺中的关键技术。纳米压印压印模板的制作方法主要有机械刻划法、电子束直写曝光、激光直写曝光、激光干涉曝光、光刻曝光等方式，所以模板加工时间长、成本高，价格昂贵。常用的模板材料主要有硅、石英、聚合物和镍，其中聚合物模板和镍模板可以通过硅模板或石英模板多次翻模得到，所以作为母板的硅模板和石英模板的使用寿命以及压印质量尤为重要。

纳米压印是将模板置于匀胶的衬底上，施加机械压力，将图形复制的过程，所以模板必须承受一定的压力。纳米压印模板分为凸模板和凹模板，其中凸模板的图形直接暴露在外，极易因接触衬底而损坏；凹模板(如图2所示，包括功能区和非功能区)图形(功能区)四周的非功能区更高，可以避免图形接触衬底，使用寿命相对更长，因此更多情况下使用凹模板进行压印。但是，凹模板的非功能区会分担较多的压印压力，且妨碍压印胶的流动和对模板图案的填充，为了保证压印转移图案的精度，凹模板需要在较大的压力下进行压印。而压力越大，模板上的图形因接触衬底上残留的灰尘等颗粒而损坏的风险越大，又会缩短模板寿命。因此，在不影响复制图案效果的前提下，尽量减少压印力是延长模板寿命的关键。

cn101702077a公开了一种凹模热压印中应用光刻胶整形改善填充和减少残胶的方法，采用了光刻胶整形的工艺，使得整形后的压印胶尺寸与模板功能区(图案区)相匹配，这样既可以减少压强，又可以保证压印胶具有良好的流动性，易于填充于模板图案之中，利于图案的填充和转移。但是这种工艺需要每次压印时都对压印胶进行整形，且需要图形与压印胶在压印之前对准，其操作繁琐，且只适合于透明的衬底或者透明的模板，无法满足非透明模板和衬底的压印。

因此，如何保证图案转移质量的同时，减小压印压力，延长模板寿命，是本领域期望解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种纳米压印模板、其制备方法及纳米压印方法。相较于现有的纳米压印凹模板，本发明提供的纳米压印模板在保证模板强度的同时，能够降低压印压力，提高图案转移质量，提高压印良率，延长模板寿命。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种纳米压印模板，包括功能区和非功能区；

所述非功能区分为第一非功能区和第二非功能区，所述第一非功能区围绕所述功能区并与所述功能区相邻，所述非功能区上除去第一非功能区的区域为第二非功能区；

所述第一非功能区的高度高于所述功能区和所述第二非功能区的高度。

需要说明的是，本发明中所述“功能区”是指纳米压印模板的图案区，所述“非功能区”则是指纳米压印模板的非图案区。

相较于现有的纳米压印凹模板，本发明提供的纳米压印模板的非功能区分为高度不同的第一非功能区和第二非功能区，其中，第一非功能区高度更高，可以保证模板的强度，防止功能区的图案接触到衬底而损坏；第二非功能区的高度较低，可以有效减小纳米压印时模板的非功能区与压印胶的接触面积，有利于压印胶的流动和对模板上图案的填充，从而提高图案转移质量，提高压印良率，降低纳米压印所需的压力，延长模板寿命。

作为本发明的优选技术方案，所述第一非功能区的宽度为50-500μm；例如可以是50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、110μm、120μm、130μm、150μm、160μm、180μm、200μm、220μm、250μm、280μm、300μm、320μm、350μm、380μm、400μm、420μm、450μm、480μm或500μm等。

需要说明的是，本发明中所述“第一非功能区的宽度”是指第一非功能区的内侧(靠近功能区的一侧)与外侧(远离功能区的一侧)之间的距离。本发明中，若第一非功能区的宽度过小，则容易在纳米压印过程中损坏，将功能区暴露出来；若第一非功能区的宽度过大，则对于降低压印压力，提高图案转移质量，延长模板寿命的效果不明显，甚至起不到作用。

作为本发明的优选技术方案，所述第一非功能区与第二非功能区之间的高度差大于等于所述第一非功能区与所述功能区的底部之间的高度差。

优选地，所述第一非功能区与第二非功能区之间的高度差为30-50μm；例如可以是30μm、31μm、32μm、33μm、34μm、35μm、36μm、37μm、38μm、39μm、40μm、41μm、42μm、43μm、44μm、45μm、46μm、47μm、48μm、49μm或50μm等。

本发明中，若第一非功能区与第二非功能区之间的高度差过低，则在纳米压印时，第二非功能区仍然会与压印胶接触，分担压印压力，影响压印胶的流动和对模板上图案的填充，从而使纳米压印模板降低压印压力、提高图案转移质量、延长模板寿命的效果下降；若第一非功能区与第二非功能区之间的高度差过大，则容易导致模板在纳米压印时损伤破裂。

第二方面，本发明提供一种上述纳米压印模板的制备方法，是在现有的纳米压印凹模板的基础上进行整形，具体包括如下步骤：

(1)提供纳米压印凹模板，包括功能区和非功能区，在所述凹模板表面涂布光刻胶；

(2)在掩膜板的保护下对所述凹模板上的光刻胶进行曝光，使所述功能区和与所述功能区相邻的一部分非功能区上的光刻胶固化，除去未固化的光刻胶；

(3)对所述凹模板上除去了未固化的光刻胶的非功能区部分进行刻蚀，刻蚀完成后，除去固化的光刻胶，得到所述纳米压印模板。

作为本发明的优选技术方案，步骤(2)中表面的光刻胶发生固化的非功能区部分的宽度为50-500μm；例如可以是50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、110μm、120μm、130μm、150μm、160μm、180μm、200μm、220μm、250μm、280μm、300μm、320μm、350μm、380μm、400μm、420μm、450μm、480μm或500μm等。该宽度等于本发明提供的纳米压印模板中第一非功能区的宽度。

作为本发明的优选技术方案，步骤(3)中所述刻蚀的深度大于等于所述纳米压印凹模板的非功能区与功能区的底部之间的高度差。

作为本发明的优选技术方案，步骤(3)中所述刻蚀的深度为30-50μm；例如可以是30μm、31μm、32μm、33μm、34μm、35μm、36μm、37μm、38μm、39μm、40μm、41μm、42μm、43μm、44μm、45μm、46μm、47μm、48μm、49μm或50μm等。刻蚀的深度等于本发明提供的纳米压印模板中第一非功能区与第二非功能区之间的高度差。

作为本发明的优选技术方案，步骤(3)中所述刻蚀的方法为干法刻蚀。

优选地，所述干法刻蚀为感应耦合等离子体刻蚀(icp)。

第三方面，本发明提供一种纳米压印方法，所述纳米压印方法为：

将本发明第一方面提供的纳米压印模板置于涂布有压印胶的衬底上，施加压力进行压合，然后经热固化或光固化，使所述压印胶固化，将所述纳米压印模板上的图案复制到固化的压印胶上。

作为本发明的优选技术方案，所述压力的大小为0.2-2mpa；例如可以是0.2mpa、0.22mpa、0.25mpa、0.28mpa、0.3mpa、0.35mpa、0.4mpa、0.45mpa、0.5mpa、0.55mpa、0.6mpa、0.65mpa、0.7mpa、0.75mpa、0.8mpa、0.85mpa、0.9mpa、0.95mpa、1mpa、1.1mpa、1.2mpa、1.3mpa、1.4mpa、1.5mpa、1.6mpa、1.7mpa、1.8mpa、1.9mpa或2mpa等。

对于光固化的压印胶，采用本发明提供的纳米压印模板进行压印时，压印压力为0.2-0.3mpa，即可很好地实现图案的转移；对于热固化的压印胶，所需压印压力为1-2mpa。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的纳米压印模板的非功能区分为高度不同的第一非功能区和第二非功能区，其中，第一非功能区高度更高，可以保证模板的强度，防止功能区的图案接触到衬底而损坏；第二非功能区的高度较低，可以有效减小纳米压印时模板的非功能区与压印胶的接触面积，有利于压印胶的流动和对模板上图案的填充，从而提高图案转移质量，提高压印良率，降低纳米压印所需的压力，延长模板寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的纳米压印模板的结构示意图；

其中，w为第一非功能区的宽度，δh1为第一非功能区与第二非功能区之间的高度差，δh2为第一非功能区与功能区的底部之间的高度差；

图2为现有的纳米压印凹模板的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的纳米压印模板的制备方法的步骤示意图；

图4为本发明实施例中进行纳米压印的步骤示意图；

图5a为硅凹模板在1.7mpa下的压印图案中心区域的扫描电子显微照片；

图5b为硅凹模板在1.7mpa下的压印图案边缘区域的扫描电子显微照片；

图6a为硅凹模板在4mpa下的压印图案中心区域的扫描电子显微照片；

图6b为硅凹模板在4mpa下的压印图案边缘区域的扫描电子显微照片；

图7a为本发明实施例1提供的纳米压印模板在0.2mpa下的压印图案中心区域的扫描电子显微照片；

图7b为本发明实施例1提供的纳米压印模板在0.2mpa下的压印图案边缘区域的扫描电子显微照片；

图8a为本发明实施例2提供的纳米压印模板在0.2mpa下的压印图案中心区域的扫描电子显微照片；

图8b为本发明实施例2提供的纳米压印模板在0.2mpa下的压印图案边缘区域的扫描电子显微照片；

图9a为本发明实施例3提供的纳米压印模板在0.2mpa下的压印图案中心区域的扫描电子显微照片；

图9b为本发明实施例3提供的纳米压印模板在0.2mpa下的压印图案边缘区域的扫描电子显微照片；

图10a为本发明实施例4提供的纳米压印模板在0.2mpa下的压印图案中心区域的扫描电子显微照片；

图10b为本发明实施例4提供的纳米压印模板在0.2mpa下的压印图案边缘区域的扫描电子显微照片；

图11a为本发明实施例5提供的纳米压印模板在0.2mpa下的压印图案中心区域的扫描电子显微照片；

图11b为本发明实施例5提供的纳米压印模板在0.2mpa下的压印图案边缘区域的扫描电子显微照片。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述具体实施方式仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

本实施例提供一种纳米压印模板，如图1所示，包括功能区和非功能区；

其中，非功能区分为第一非功能区和第二非功能区，第一非功能区围绕功能区并与功能区相邻，非功能区上除去第一非功能区的区域为第二非功能区；

第一非功能区的宽度w＝50μm；

第一非功能区的高度高于功能区和第二非功能区的高度，第一非功能区与第二非功能区之间的高度差δh1＝30μm，第一非功能区与功能区的底部之间的高度差δh2为3μm。

图2为本实施例提供的纳米压印模板的制备方法的步骤示意图，如图2所示，所述制备方法包括如下步骤：

(1)选择纳米压印用的硅凹模板(包括功能区和非功能区，非功能区的高度高于功能区)，在该凹模板表面涂布az4620光刻胶；

(2)紫外光刻：在掩膜板的保护下对凹模板上的光刻胶进行曝光，使功能区和与功能区相邻的一部分非功能区(宽度50μm)上的光刻胶固化，除去未固化的光刻胶；

(3)干法刻蚀：采用icp法，对凹模板上除去了未固化的光刻胶的非功能区部分进行刻蚀，刻蚀深度30μm，刻蚀完成后，除去固化的光刻胶，得到本实施例的纳米压印模板。

实施例2

本实施例提供一种纳米压印模板，与实施例1的区别在于，第一非功能区的宽度w＝100μm；第一非功能区与第二非功能区之间的高度差δh1＝40μm。

实施例3

本实施例提供一种纳米压印模板，与实施例1的区别在于，第一非功能区的宽度w＝500μm；第一非功能区与第二非功能区之间的高度差δh1＝50μm。

实施例4

提供一种纳米压印模板，与实施例1的区别在于，第一非功能区与第二非功能区之间的高度差δh1＝2μm。

实施例5

提供一种纳米压印模板，与实施例1的区别在于，第一非功能区的宽度w＝800μm。

使用上述实施例提供的纳米压印模板进行纳米压印。图3为进行纳米压印的步骤示意图，如图3所示，将纳米压印模板置于涂布有压印胶的衬底上，施加0.2mpa压力进行压合，uv照射30s，使压印胶固化，分离模板和压印胶，将纳米压印模板上的图案转移到固化的压印胶上。采用扫描电子显微镜和光学显微镜观察纳米压印形成的图案形貌，以硅凹模板的纳米压印结果(压印压力1.7mpa和4mpa)作为对照，结果如图5a-图11b所示。

图5a为硅凹模板在1.7mpa下的压印图案中心区域的扫描电子显微照片，图5b为硅凹模板在1.7mpa下的压印图案边缘区域的扫描电子显微照片。由图5a和图5b可以看出，采用硅凹模板进行纳米压印时，中心部分和边缘区域的图案没有完全复制转移至压印胶上，纳米压印的效果较差。

图6a为硅凹模板在4mpa下的压印图案中心区域的扫描电子显微照片，图6b为硅凹模板在4mpa下的压印图案边缘区域的扫描电子显微照片。由图6a和图6b可以看出，提高压印压力后，模板图案的中心部分被较好地转移复制，但由于压力太高，导致无法正常脱模，图案边缘处的压印胶被模板带走。

图7a-图11b分别为本发明实施例1-5提供的纳米压印模板在0.2mpa下的压印图案中心区域和边缘区域的扫描电子显微照片。由图7a-图11b可以看出，采用本发明提供的纳米压印模板进行纳米压印，在较低的压力下，即可实现对模板图案的复制转移，且图案质量明显高于硅凹模板在更高压力下的压印效果。与现有的凹模板相比，本发明提供的纳米压印模板的压印压力更低，图案转移质量更好，寿命也更长。

其中，从图10a-图11b可以看出，由于实施例4提供的纳米压印模板的第一非功能区与第二非功能区之间的高度差较低，实施例5提供的纳米压印模板的第一非功能区的宽度较大，不利于压印胶的流动和对模板图案的填充，因此，中心和边缘区域仍有部分图案未完全复制转移到压印胶上，压印效果相较于实施例1有所下降。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。