圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構的裝置和方法

2023-10-18 19:39:24

專利名稱：圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構的裝置和方法
技術領域：
本發明屬微細加工技術領域，涉及一種圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構 的裝置和方法。
背景技術：
納米結構或者圖形的微細加工是納電子和納器件製作的基礎，目前納米結構的制 作方法有多種，主要包括極紫外光光刻EUVL、電子束直寫光刻、離子束投影光刻、X射線光 亥IJ、掃描探針顯微加工、分子自組裝、蘸筆光刻、微接觸印刷、納米壓印光刻等。但這些技術 通常工藝複雜、效率較低、設備昂貴。例如電子束直寫光刻雖然具有非常高的精度，但生產 效率非常低。納米壓印光刻NIL雖然具有高解析度、低成本和高生產率等特點，但由於NIL 是一種接觸式製作工藝，目前納米壓印面臨模具壽命低、缺陷多、難以對準等問題。因此，迫 切需要開發新的微細加工方法滿足低成本高解析度納米結構製作需求。

發明內容
針對現有技術中納米壓印模具壽命低、缺陷多與難以對準的問題，本發明公開了 一種採用圖型化電極誘導和微波固化在熱固性環氧樹脂材料上製作納米結構的裝置和方法。一種圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構的裝置，包括成形系統；成形材 料；基底；納米結構誘導系統；微波固化系統，所述成形系統由背板、支撐、圖型化電極組 成；成形材料是低粘度和高介電常數的液態熱固性環氧樹脂材料；基底是P型矽片；納米結 構誘導系統以圖型化電極為直流電場的陽極，基底為直流電場的陰極，圖型化電極位於基 底的上方，其陽極與圖型化電極相連，陰極與基底相連。所述直流電場的電壓為20V-60V。所述微波固化系統的工作頻率2. 45GHz，輸出功率100W-1000W，功率輸出方式為 連續式或脈衝式，固化時間20-100S，固化溫度60-130°C。—種圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構裝置的製作方法，包括如下步驟
1)製作成形系統
2)基底預處理
以P型矽片為基底，採用Silane對矽片基底進行分子自組裝表面處理，使其表面具有 疏水特性，降低表面親水吸附性能；
3)塗鋪成形材料
採用旋轉塗鋪工藝將粘度低於0. 8Pa. s/25°C和介電常數高於5液態熱固性環氧樹脂 材料均勻塗鋪基底上，塗鋪厚度IOOnnHBOOnm ；
4)成形系統定位
成形系統與基底對準後下壓，使成形系統的支撐與基底完全接觸，並且保證模具與基 底的平行；5)誘導生成納米結構
以圖型化電極為陽極，基底為陰極，施加20V-60V直流電壓，構成納米結構誘導系統， 誘導系統加上電壓後，在圖型化電極和基底間建立一個電場，成形材料在電場作用下產生 靜電作用力，靜電力克服表面張力、分子內聚力、大氣壓力和成形材料薄膜自身重力，部分 成形材料被向上吸引，形成納米柱，在電場力的作用下納米柱不斷生長，直到與圖型化電極 接觸，當靜電力與表面張力、分子內聚力、大氣壓力和成形材料薄膜自身重力靜電力達到平 衡狀態，在成形材料上複製出圖型化電極納米特徵結構，實現電極特徵圖形到成形材料特 徵結構的轉移；
6)納米結構微波固化
微波固化系統的工作頻率2. 45GHz,輸出功率100W-1000W，功率輸出方式為連續式或 者脈衝式；固化時間20-100S，固化溫度60-130°C，經微波固化系統充分固化後生成所需的 納米結構；
7)脫模
關閉納米結構誘導系統和微波固化系統，成形系統與製備的納米結構以及基底相分罔。所述步驟1)為以導電性電子束抗蝕劑或氧化銦錫ITO為基體材料，採用電子束直 寫和刻蝕工藝製作圖型化電極，圖型化電極製作完成後，在工作外表面塗覆一層脫模劑，通 過背板將支撐和圖型化電極組裝在一起，圖型化電極與基底間隙的大小通過更換不同高度 的支撐來調整，其間隙介於100歷-600歷之間。所述步驟3)中，成形材料可根據需要加入陶瓷、金屬鋁粉末、銅粉末、羰基鐵或者 SiO2納米材料以改變成形材料的電阻抗。所述步驟4)中，模具與基底平行，模具與基底的間隙均勻一致。本發明的具有結構簡單、成本低、生產率高、電極壽命長、圖形精度高等優點，實現 了 100納米以下納米結構高效、低成本製作。


圖Ia是本發明製作裝置結構示意圖。圖Ib是本發明製作裝置結構完成後的示意圖。圖2是本發明納米結構製作技術路線圖。圖3a是本發明圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構示意圖。圖3b是本發明圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構示意圖。圖3c是本發明圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構示意圖。圖3d是本發明圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構示意圖。圖3e是本發明圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構示意圖。圖4a為本發明的以導電性電子束抗蝕劑為基體材料製作圖型化電極示意圖。圖4b為本發明的以導電性電子束抗蝕劑為基體材料製作圖型化電極示意圖。圖4c為本發明的以導電性電子束抗蝕劑為基體材料製作圖型化電極示意圖。圖4d為本發明的以導電性電子束抗蝕劑為基體材料製作圖型化電極示意圖。圖4e為本發明的以導電性電子束抗蝕劑為基體材料製作圖型化電極示意圖。
圖4f為本發明的以導電性電子束抗蝕劑為基體材料製作圖型化電極示意圖。圖5 a為本發明的以ITO為基體材料製作圖型化電極示意圖。圖5b為本發明的以ITO為基體材料製作圖型化電極示意圖。
圖5c為本發明的以ITO為基體材料製作圖型化電極示意圖。圖5d為本發明的以ITO為基體材料製作圖型化電極示意圖。圖5e為本發明的以ITO為基體材料製作圖型化電極示意圖。圖5f為本發明的以ITO為基體材料製作圖型化電極示意圖。圖5g為本發明的以ITO為基體材料製作圖型化電極示意圖。其中，1.成形系統，11.背板，12.支撐，13.圖型化電極，131.納米結構誘導凸起， 14.石英玻璃基片，15.粘附控制層，16. ITO導電膜，17.導電性電子束抗蝕劑，18.沉積抗粘 附層，19.電子束抗蝕劑，2.成形材料，3.基底，4.直流電場，5.微波固化系統。
具體實施例方式本發明公開的圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構裝置示意圖如圖la，圖 Ib所示。它由五部分組成成形系統1，成形材料2，基底3，直流電場4，微波固化系統5。 其中成形系統1由背板1 1、支撐1 2、圖型化電極1 3組成。背板1 1起到支撐和連接作 用，通過背板1 1將支撐1 2和圖型化電極1 3組裝成一個完整的成形系統，支撐1 2的 作用是使圖型化電極1 3和基底3保持均勻一致的間隙，支撐1 2與圖型化電極突出部分 構成的納米結構誘導凸起131(需要轉移的特徵圖形)的高度差決定了所製作納米結構 的高度。因此，通過調節支撐1 2的高度，可以得到不同高度值的納米結構。其高度值介於 lOOnm-eOOnm之間。圖型化電極1 3包含要製作的納米結構平面特徵，即圖型化電極1 3突 出部分為納米結構誘導凸起131。為了便於固化後的脫模，減少電極與成形材料的粘連，需要對圖型化電極 1 3進行表面修飾以降低其表面能，採用沉積抗粘附層工藝(塗脫模劑)，可以選用 CF3(CF2)5(CH2)2SiCL3、CF3CH2CH2SiCL3或聚四氟乙烯(PTFE)等材料作為脫模劑。成形材料是 粘度低於0. 8Pa. s/25°C和介電常數高於5數液態熱固性環氧樹脂材料。以P型矽片為基底 3，採用矽烷(Silane)對矽片基底進行分子自組裝而成。直流電場4採用20V-60V直流電 壓，其陽極與圖型化電極13相連，陰極基底3相連。微波固化系統5的工作頻率2. 45GHz, 輸出功率100W-1000W，功率輸出方式為連續式或脈衝式。本發明是基於以下原理置於兩導電平行板間的介電流體，在外加電場的作用下， 具有電流體動力不穩定特性，以及自組裝生成周期性納米柱結構的能力。將低粘度和高介 電常數的液態熱固性環氧樹脂材料均勻塗鋪在基底3上，其上方是圖型化電極13，在基底3 和圖型化電極13之間施加一個電壓，其陽極與圖型化電極13相連，陰極與基底3相連。在 外加電場產生靜電力的作用下成形材料2表面薄膜被「向上拉高」，導致薄膜會慢慢的呈現 波浪狀，且隨著時間的變化，會將波谷的薄膜一直往波峰推擠，呈現出波浪形的薄膜越來越 高，最終波峰尖端頂到圖型化電極13，直至薄膜完全貼合到圖型化電極13的上模為止。其 中靜電力「向上拉高」成形材料薄膜，導致成形材料薄膜界面的不穩定，而表面張力、分子內 聚力、大氣壓力和成形材料薄膜自身重力起到穩定成形材料界面的作用，表面張力是薄膜 穩定性的主要作用力。通過改變電壓、圖型化電極的特徵、成形材料初始薄膜厚度、電極與基底間距、間距膜厚比即電極與基底間距與成形材料初始薄膜厚度的比值、成形材料介電 常數，可以製作出不同特徵的納米結構。本發明基於圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構採取如下的技術解決方案 首先將成形材料2均勻旋塗在基底3上；然後進行成形系統1與基底3的定位，成形系統1 與基底3對準後下壓，直至成形系統1的支撐12與基底3完全接觸，並且保證背板11與基 底3的平行；隨後開啟納米結構誘導系統，基於成形材料薄膜在圖型化電極13和直流電場 4誘導下的自組裝特性，實現電極特徵圖形到成形材料的圖形轉移；成形結構穩定後，採用 微波固化系統5固化成形材料2 ；最後，成形系統2與製備的納米結構以及基底3分離，在 成形材料2上製作出納米結構。基於圖型化電極誘導和微波固化在熱固性環氧樹脂材料上製作納米結構的技術 路線參見圖2，其基本工序步驟如下::1:成形系統1製作；墓基底3預處理塗鋪成形材
料2 ;④成形系統1定位；⑤誘導生成納米結構；⑥納米結構微波固化；⑦脫模。結合圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構過程示意圖(見圖3a-圖3e)，以下 對製作過程中的具體工藝步驟作詳細描述
1)成形系統製作
成形系統1包括背板1 1、支撐1 2、圖型化電極1 3。通過背板1 1將支撐1 2和圖 型化電極1 3組裝成一個完整的成形系統。背板和支撐以石英(quartz)為基體採用常規 微細加工工藝製作。支撐12需要做抗粘附處理。圖型化電極13以導電性電子束抗蝕劑或 ITO為基體材料，採用電子束直寫和刻蝕工藝。圖型化電極的具體製作方法如下。圖4a_圖4f是本發明以導電性電子束抗蝕劑為基體材料，採用電子束直寫工藝制 作圖型化電極的原理示意圖。圖4a為在石英玻璃基片14上塗鋪粘附控制層15。圖4b為 在粘附控制層15之上塗鋪ITO導電膜16。圖4c為在ITO導電膜16之上旋轉塗鋪導電性 電子束抗蝕劑17。圖4d電子束直寫、曝光、顯影、堅膜後得到納米結構圖形。圖4e沉積抗 粘附層(塗脫模劑)18，可以選用CF3(CF2)5(CH2)2SiCL3XF3CH2CH2SiCL3或聚四氟乙烯(PTFE) 等材料作為脫模劑。圖4f製作完成的圖型化電極與石英玻璃基片分離。 圖5 a-圖5g是本發明以ITO為基體材料，採用電子束直寫和幹法刻蝕工藝製作圖 型化電極的原理示意圖。圖5 a為在石英玻璃基片14上塗鋪粘附控制層材料15。圖5b為 在粘附控制層之上塗鋪ITO材料16。圖5 c為在ITO材料16之上旋轉塗鋪電子束抗蝕劑 19。圖5d電子束直寫、曝光、顯影、堅膜後在抗蝕劑上得到納米結構圖形。圖5e以電子束 抗蝕劑19為掩模採用反應離子刻蝕工藝將抗蝕劑上得到納米結構圖形轉移到ITO材料16 上。圖5 f沉積抗粘附層(塗脫模劑)18，可以選用CF3 (CF2)5 (CH2)2SiCL3、CF3CH2CH2SiCL3、聚 四氟乙烯(PTFE)等材料作為脫模劑。圖5 g製作完成的圖型化電極與石英玻璃基片14分 罔。採用鍵合工藝，以背板11為基礎將支撐12和圖型化電極13固定於背板11上，組 裝成一個完整的成形系統1。2)基底3預處理
以P型矽片的矽片作為基底，採用Silane對矽片基底進行分子自組裝(SAM，Self-assembledMonolayer)表面處理，使其表面具有疏水特性，降低表面親水吸附性能。 (避免成形材料粘附在基底上，在取下過程中發生結構損壞) 3)塗鋪成形材料
採用旋轉塗鋪工藝將低粘度和高介電常數液態熱固性環氧樹脂材料均勻塗鋪基底3 上，塗鋪厚度100nm-300nm (具體塗鋪厚度根據所製作的納結構圖形特徵確定)。
4)成形系統1定位
成形系統1與基底3對準後下壓，使成形系統1的支撐12與基底3完全接觸，並且保 證背板11與基底3的平行。5)誘導生成納米結構
以圖型化電極13為陽極，基底3為陰極，施加20V-60V直流電壓，構成納米結構誘 導系統。誘導系統加上電壓後，在圖型化電極13和基底3間建立一個直流電場4，基於成形 材料薄膜在圖型化電極I3和直流電場誘導下的自組裝特性，實現電極特徵圖形到成形材 料的圖形轉移。在整個工藝過程中應保證電極與基底平行，電極與基底的間隙保持均勻一致。間 隙的高度可通過成形系統的支撐來調節。實施例採用45V直流電壓，電極與基底間距300nm，膜厚控制在100nm-200nm。6)納米結構微波固化
環氧樹脂的固化方式很多傳統的熱固化具有固化速率慢、周期長、材料內部存在著溫 度梯度、固化難以均勻和完全的問題。與傳統的熱固化相比，微波因獨特的「分子內」均勻加 熱方式，具有加熱效率高、傳熱均勻、固化速度快、固化物均一、熱能利用率高和過程控制容 易等優點；此外，在環氧樹脂中加入不同性能的填料，通過改變體系的介電性能來改善環 氧樹脂的微波吸收性能，能夠進一步提高微波的加熱效率。同時實驗結果表明，在同等條 件下微波加熱的凝膠時間和固化時間比熱固化快得多，並且隨著微波功率的增大而縮短； 微波固化物與熱固化物的結構基本相同、熱性能相當，力學性能略高於熱固化物。本發明使用的液態熱固性環氧樹脂成形材料應具有低粘度、高介電常數和優良的 微波固化性能。本實施例成形材料採用E51/DDM(二氨基二苯基甲烷)體系，環氧樹脂為E51 (雙酚A型)，固化劑為DDM。也可以選擇性能更好的新型液態環氧樹脂固化劑ZD-1090 (粘 度小、使用期長、溫度寬容度大)。市場中也有許多低粘度環氧樹脂產品可以直接使用，如 WHUT-RL系列、JY-257等。另外，與雙酚A型環氧樹脂性比，採用液態雙酚F型環氧樹脂、雙 酚F型與雙酚A型的共混體系具有更好的性能(粘度低)。另外，為了提高環氧固化體系的 微波吸收性能，可以在環氧固化體系中加入一種強吸波的介質，如陶瓷、金屬粉末(鋁粉、銅 粉等)、羰基鐵、SiO2或納米材料等改變體系的電阻抗，從而增強固化體系的微波加熱能力， 提高成形材料的微波固化性能。微波固化系統的工作頻率2. 45GHz,輸出功率350W，功率輸出方式為脈衝式。第一實施例中使用LC3600環氧樹脂，固化溫度在90°C，其充分固化時間是75s，塗 膜厚度lOOnm，電極與基底間距250nm。第二個實施例使用Epikate235液態雙酚F型環氧樹脂，固化溫度在110°C，其充 分固化時間是65s，塗膜厚度120nm，電極與基底間距300nm。為了減少固化時間和獲得優良固化性能，也可以採用變頻微波固化工藝。
7)脫模 生成的納米結構完全固化後，關閉納米結構誘導系統和微波固化系統，成形系統與制 備的納米結構以及基底分離。
權利要求
一種圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構的裝置，包括成形系統；成形材料；基底；納米結構誘導系統；微波固化系統，其特徵是，所述成形系統由背板、支撐、圖型化電極組成；成形材料是低粘度和高介電常數的液態熱固性環氧樹脂材料；基底是P型矽片；納米結構誘導系統以圖型化電極為直流電場的陽極，基底為直流電場的陰極，圖型化電極位於基底的上方，其陽極與圖型化電極相連，陰極與基底相連。
2.如權利要求1所述的圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構的裝置，其特徵是， 所述直流電場的電壓為20V-60V。
3.如權利要求1所述的圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構的裝置，其特徵是， 所述微波固化系統的工作頻率2. 45GHz，輸出功率100W-1000W，功率輸出方式為連續式或 脈衝式，固化時間20-100S，固化溫度60-130°C。
4.一種採用權利要求1所述的圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構的製作方法， 其特徵是，包括如下步驟1)製作成形系統；2)基底預處理以P型矽片為基底，採用Silane對矽片基底進行分子自組裝表面處理，使其表面具有 疏水特性，降低表面親水吸附性能；3)塗鋪成形材料採用旋轉塗鋪工藝將粘度低於0. 8Pa. s/25°C和介電常數高於5液態熱固性環氧樹脂 材料均勻塗鋪基底上，塗鋪厚度IOOnnHBOOnm ；4)成形系統定位成形系統與基底對準後下壓，使成形系統的支撐與基底完全接觸，並且保證模具與基 底的平行；5)誘導生成納米結構以圖型化電極為陽極，基底為陰極，施加20V-60V直流電壓，構成納米結構誘導系統， 誘導系統加上電壓後，在圖型化電極和基底間建立一個電場，成形材料在電場作用下產生 靜電作用力，靜電力克服表面張力、分子內聚力、大氣壓力和成形材料薄膜自身重力，部分 成形材料被向上吸引，形成納米柱，在電場力的作用下納米柱不斷生長，直到與圖型化電極 接觸，當靜電力與表面張力、分子內聚力、大氣壓力和成形材料薄膜自身重力靜電力達到平 衡狀態，在成形材料上複製出圖型化電極納米特徵結構，實現電極特徵圖形到成形材料特 徵結構的轉移；6)納米結構微波固化微波固化系統的工作頻率2. 45GHz,輸出功率100W-1000W，功率輸出方式為連續式或 者脈衝式；固化時間20-100S，固化溫度60-130°C，經微波固化系統充分固化後生成所需的 納米結構；7)脫模關閉納米結構誘導系統和微波固化系統，成形系統與製備的納米結構以及基底相分罔。
5.如權利要求4所述的圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構裝置的製作方法，其 特徵是，所述步驟1)為以導電性電子束抗蝕劑或氧化銦錫ITO為基體材料，採用電子束直寫和刻蝕工藝製作圖型化電極，圖型化電極製作完成後，在工作外表面塗覆一層脫模劑，通 過背板將支撐和圖型化電極組裝在一起，圖型化電極與基底間隙的大小通過更換不同高度 的支撐來調整，其間隙介於100歷-600歷之間。
6.如權利要求4所述圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構裝置的製作方法，其特 徵是，所述步驟4)中，模具與基底平行，模具與基底的間隙均勻一致。
全文摘要
本發明是一種圖型化電極誘導和微波固化製作納米結構的裝置和方法。該裝置包括成形系統，成形材料，基底，納米結構誘導系統，微波固化系統。基於該裝置製作納米結構的方法包括如下步驟1)成形系統製作；2)基底預處理；3)塗鋪成形材料；4)成形系統定位；5)誘導生成納米結構；6)納米結構微波固化；7)脫模。本發明具有結構簡單、成本低、生產率高、電極使用壽命長、圖形精度高等特點，可實現100納米以下納米結構高效和低成本製作。
文檔編號B82B3/00GK101837951SQ20101017956
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月24日 優先權日2010年5月24日
發明者丁玉成, 蘭紅波 申請人:山東大學