CN101837951B

CN101837951B - 图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构的装置和方法

Info

Publication number: CN101837951B
Application number: CN 201010179565
Authority: CN
Inventors: 兰红波; 丁玉成
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2030-05-24
Also published as: CN101837951A

Abstract

本发明是一种图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构的装置和方法。该装置包括：成形***，成形材料，基底，纳米结构诱导***，微波固化***。基于该装置制作纳米结构的方法包括如下步骤：1）成形***制作；2）基底预处理；3）涂铺成形材料；4）成形***定位；5）诱导生成纳米结构；6）纳米结构微波固化；7）脱模。本发明具有结构简单、成本低、生产率高、电极使用寿命长、图形精度高等特点，可实现100纳米以下纳米结构高效和低成本制作。

Description

图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构的装置和方法

技术领域

本发明属微细加工技术领域，涉及一种图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构的装置和方法。

背景技术

纳米结构或者图形的微细加工是纳电子和纳器件制作的基础，目前纳米结构的制作方法有多种，主要包括极紫外光光刻EUVL、电子束直写光刻、离子束投影光刻、X 射线光刻、扫描探针显微加工、分子自组装、蘸笔光刻、微接触印刷、纳米压印光刻等。但这些技术通常工艺复杂、效率较低、设备昂贵。例如电子束直写光刻虽然具有非常高的精度，但生产效率非常低。纳米压印光刻NIL虽然具有高分辨率、低成本和高生产率等特点，但由于NIL是一种接触式制作工艺，目前纳米压印面临模具寿命低、缺陷多、难以对准等问题。因此，迫切需要开发新的微细加工方法满足低成本高分辨率纳米结构制作需求。

发明内容

针对现有技术中纳米压印模具寿命低、缺陷多与难以对准的问题，本发明公开了一种采用图型化电极诱导和微波固化在热固性环氧树脂材料上制作纳米结构的装置和方法。

一种图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构的装置，包括：成形***；成形材料；基底；纳米结构诱导***；微波固化***，所述成形***由背板、支撑、图型化电极组成；成形材料是低粘度和高介电常数的液态热固性环氧树脂材料；基底是P型硅片；纳米结构诱导***以图型化电极为直流电场的阳极，基底为直流电场的阴极，图型化电极位于基底的上方，其阳极与图型化电极相连，阴极与基底相连。

所述直流电场的电压为20V-60V。

所述微波固化***的工作频率2.45GHz，输出功率100W-1000W，功率输出方式为连续式或脉冲式，固化时间20-100s，固化温度60-130℃。

一种图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构装置的制作方法，包括如下步骤：

1）制作成形***

2）基底预处理

以P型硅片为基底，采用Silane对硅片基底进行分子自组装表面处理，使其表面具有疏水特性，降低表面亲水吸附性能；

3）涂铺成形材料

采用旋转涂铺工艺将粘度低于0.8Pa.s /25℃和介电常数高于5液态热固性环氧树脂材料均匀涂铺基底上，涂铺厚度100nm -300nm；

4）成形***定位

成形***与基底对准后下压，使成形***的支撑与基底完全接触，并且保证模具与基底的平行；

5）诱导生成纳米结构

以图型化电极为阳极，基底为阴极，施加 20V-60V直流电压，构成纳米结构诱导***，诱导***加上电压后，在图型化电极和基底间建立一个电场，成形材料在电场作用下产生静电作用力，静电力克服表面张力、分子内聚力、大气压力和成形材料薄膜自身重力，部分成形材料被向上吸引，形成纳米柱，在电场力的作用下纳米柱不断生长，直到与图型化电极接触，当静电力与表面张力、分子内聚力、大气压力和成形材料薄膜自身重力静电力达到平衡状态，在成形材料上复制出图型化电极纳米特征结构，实现电极特征图形到成形材料特征结构的转移；

6）纳米结构微波固化

微波固化***的工作频率2. 45 GHz,输出功率100W-1000W，功率输出方式为连续式或者脉冲式；固化时间20-100s，固化温度60-130℃,经微波固化***充分固化后生成所需的纳米结构；

7）脱模

关闭纳米结构诱导***和微波固化***，成形***与制备的纳米结构以及基底相分离。

所述步骤1）为以导电性电子束抗蚀剂或氧化铟锡ITO为基体材料，采用电子束直写和刻蚀工艺制作图型化电极，图型化电极制作完成后，在工作外表面涂覆一层脱模剂，通过背板将支撑和图型化电极组装在一起，图型化电极与基底间隙的大小通过更换不同高度的支撑来调整，其间隙介于100nm-600nm之间。

所述步骤3）中，成形材料可根据需要加入陶瓷、金属铝粉末、铜粉末、羰基铁或者SiO₂纳米材料以改变成形材料的电阻抗。

所述步骤4）中，模具与基底平行，模具与基底的间隙均匀一致。

本发明的具有结构简单、成本低、生产率高、电极寿命长、图形精度高等优点，实现了100纳米以下纳米结构高效、低成本制作。

附图说明

图1a是本发明制作装置结构示意图。

图1b是本发明制作装置结构完成后的示意图。

图2是本发明纳米结构制作技术路线图。

图3a是本发明图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构示意图。

图3b是本发明图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构示意图。

图3c是本发明图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构示意图。

图3d是本发明图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构示意图。

图3e是本发明图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构示意图。

图4a 为本发明的以导电性电子束抗蚀剂为基体材料制作图型化电极示意图。

图4b 为本发明的以导电性电子束抗蚀剂为基体材料制作图型化电极示意图。

图4c 为本发明的以导电性电子束抗蚀剂为基体材料制作图型化电极示意图。

图4d 为本发明的以导电性电子束抗蚀剂为基体材料制作图型化电极示意图。

图4e 为本发明的以导电性电子束抗蚀剂为基体材料制作图型化电极示意图。

图4f为本发明的以导电性电子束抗蚀剂为基体材料制作图型化电极示意图。

图５a 为本发明的以ITO为基体材料制作图型化电极示意图。

图5b 为本发明的以ITO为基体材料制作图型化电极示意图。

图5c为本发明的以ITO为基体材料制作图型化电极示意图。

图5d为本发明的以ITO为基体材料制作图型化电极示意图。

图5e为本发明的以ITO为基体材料制作图型化电极示意图。

图5f 为本发明的以ITO为基体材料制作图型化电极示意图。

图5g为本发明的以ITO为基体材料制作图型化电极示意图。

其中，1.成形***，11.背板，12.支撑，13.图型化电极，131. 纳米结构诱导凸起，14. 石英玻璃基片，15.粘附控制层，16. ITO导电膜，17. 导电性电子束抗蚀剂，18. 沉积抗粘附层，19. 电子束抗蚀剂，2.成形材料，3.基底，4.直流电场，5.微波固化***。

具体实施方式

本发明公开的图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构装置示意图如图1a，图1b所示。它由五部分组成：成形***1，成形材料2，基底３，直流电场4，微波固化***5。其中成形***1由背板１１、支撑１２、图型化电极１３组成。背板１１起到支撑和连接作用，通过背板１１将支撑１２和图型化电极１３组装成一个完整的成形***，支撑１２的作用是使图型化电极１３和基底３保持均匀一致的间隙，支撑１２与图型化电极突出部分构成的纳米结构诱导凸起１３１(需要转移的特征图形)的高度差决定了所制作纳米结构的高度。因此，通过调节支撑１２的高度，可以得到不同高度值的纳米结构。其高度值介于100nm-600nm之间。图型化电极１３包含要制作的纳米结构平面特征，即图型化电极１３突出部分为纳米结构诱导凸起131。

为了便于固化后的脱模，减少电极与成形材料的粘连，需要对图型化电极１３进行表面修饰以降低其表面能，采用沉积抗粘附层工艺（涂脱模剂），可以选用CF₃(CF₂)₅(CH₂)₂SiCL₃、CF₃CH₂CH₂SiCL₃或聚四氟乙烯（PTFE）等材料作为脱模剂。成形材料是粘度低于0.8Pa.s /25℃和介电常数高于5数液态热固性环氧树脂材料。以P型硅片为基底3，采用硅烷（Silane）对硅片基底进行分子自组装而成。直流电场４采用20V-60V直流电压，其阳极与图型化电极13相连，阴极基底3相连。微波固化***５的工作频率2.45 GHz,输出功率100W-1000W，功率输出方式为连续式或脉冲式。

本发明是基于以下原理：置于两导电平行板间的介电流体，在外加电场的作用下，具有电流体动力不稳定特性，以及自组装生成周期性纳米柱结构的能力。将低粘度和高介电常数的液态热固性环氧树脂材料均匀涂铺在基底3上，其上方是图型化电极13，在基底3和图型化电极13之间施加一个电压，其阳极与图型化电极13相连，阴极与基底3相连。在外加电场产生静电力的作用下成形材料2表面薄膜被“向上拉高”，导致薄膜会慢慢的呈现波浪状，且随着时间的变化，会将波谷的薄膜一直往波峰推挤，呈现出波浪形的薄膜越来越高，最终波峰尖端顶到图型化电极13，直至薄膜完全贴合到图型化电极13的上模为止。其中静电力“向上拉高”成形材料薄膜，导致成形材料薄膜界面的不稳定，而表面张力、分子内聚力、大气压力和成形材料薄膜自身重力起到稳定成形材料界面的作用，表面张力是薄膜稳定性的主要作用力。通过改变电压、图型化电极的特征、成形材料初始薄膜厚度、电极与基底间距、间距膜厚比即电极与基底间距与成形材料初始薄膜厚度的比值、成形材料介电常数，可以制作出不同特征的纳米结构。

本发明基于图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构采取如下的技术解决方案：首先将成形材料2均匀旋涂在基底3上；然后进行成形***1与基底3的定位，成形***1与基底3对准后下压，直至成形***1的支撑12与基底3完全接触，并且保证背板11与基底3的平行；随后开启纳米结构诱导***，基于成形材料薄膜在图型化电极13和直流电场4诱导下的自组装特性，实现电极特征图形到成形材料的图形转移；成形结构稳定后，采用微波固化***5固化成形材料2；最后，成形***2与制备的纳米结构以及基底3分离，在成形材料2上制作出纳米结构。

基于图型化电极诱导和微波固化在热固性环氧树脂材料上制作纳米结构的技术路线参见图2，其基本工序步骤如下：

成形***1制作；

基底3预处理；

涂铺成形材料2；

成形***1定位；诱导生成纳米结构；

纳米结构微波固化；

脱模。

结合图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构过程示意图（见图3a-图3e），以下对制作过程中的具体工艺步骤作详细描述：

1）成形***制作

成形***1包括背板１１、支撑１２、图型化电极１３。通过背板１１将支撑１２和图型化电极１３组装成一个完整的成形***。背板和支撑以石英（quartz）为基体采用常规微细加工工艺制作。支撑12需要做抗粘附处理。图型化电极13以导电性电子束抗蚀剂或ITO为基体材料，采用电子束直写和刻蚀工艺。图型化电极的具体制作方法如下。

图4a-图4f是本发明以导电性电子束抗蚀剂为基体材料，采用电子束直写工艺制作图型化电极的原理示意图。图4a为在石英玻璃基片14上涂铺粘附控制层15。图4b为在粘附控制层15之上涂铺ITO导电膜16。图4c为在ITO导电膜16之上旋转涂铺导电性电子束抗蚀剂17。图4d电子束直写、曝光、显影、坚膜后得到纳米结构图形。图4e沉积抗粘附层（涂脱模剂）18，可以选用CF₃(CF₂)₅(CH₂)₂SiCL₃、CF₃CH₂CH₂SiCL₃或聚四氟乙烯（PTFE）等材料作为脱模剂。图4f制作完成的图型化电极与石英玻璃基片分离。

图５a-图5g是本发明以ITO为基体材料，采用电子束直写和干法刻蚀工艺制作图型化电极的原理示意图。图５a为在石英玻璃基片14上涂铺粘附控制层材料15。图５b为在粘附控制层之上涂铺ITO材料16。图５c为在ITO材料16之上旋转涂铺电子束抗蚀剂19。图５d电子束直写、曝光、显影、坚膜后在抗蚀剂上得到纳米结构图形。图５e以电子束抗蚀剂19为掩模采用反应离子刻蚀工艺将抗蚀剂上得到纳米结构图形转移到ITO材料16上。图５f沉积抗粘附层（涂脱模剂）18，可以选用CF₃(CF2)₅(CH₂)₂SiCL₃、CF₃CH₂CH₂SiCL₃、聚四氟乙烯（PTFE）等材料作为脱模剂。图５g制作完成的图型化电极与石英玻璃基片14分离。

采用键合工艺，以背板11为基础将支撑12和图型化电极13固定于背板11上，组装成一个完整的成形***1。

2）基底3预处理

以P型硅片的硅片作为基底，采用Silane对硅片基底进行分子自组装(SAM，Self-assembled Monolayer)表面处理，使其表面具有疏水特性，降低表面亲水吸附性能。（避免成形材料粘附在基底上，在取下过程中发生结构损坏）

3）涂铺成形材料

采用旋转涂铺工艺将低粘度和高介电常数液态热固性环氧树脂材料均匀涂铺基底3上，涂铺厚度100nm-300nm（具体涂铺厚度根据所制作的纳结构图形特征确定）。

4）成形***1定位

成形***1与基底3对准后下压，使成形***1的支撑12与基底3完全接触，并且保证背板11与基底3的平行。

5）诱导生成纳米结构

以图型化电极13为阳极，基底3为阴极，施加 20V-60V直流电压，构成纳米结构诱导***。诱导***加上电压后，在图型化电极13和基底3间建立一个直流电场4，基于成形材料薄膜在图型化电极13和直流电场诱导下的自组装特性，实现电极特征图形到成形材料的图形转移。

在整个工艺过程中应保证电极与基底平行，电极与基底的间隙保持均匀一致。间隙的高度可通过成形***的支撑来调节。

实施例采用45 V直流电压，电极与基底间距300nm，膜厚控制在100 nm -200 nm。

6）纳米结构微波固化

环氧树脂的固化方式很多：传统的热固化具有固化速率慢、周期长、材料内部存在着温度梯度、固化难以均匀和完全的问题。与传统的热固化相比，微波因独特的“分子内”均匀加热方式，具有加热效率高、传热均匀、固化速度快、固化物均一、热能利用率高和过程控制容易等优点；此外，在环氧树脂中加入不同性能的填料, 通过改变体系的介电性能来改善环氧树脂的微波吸收性能,能够进一步提高微波的加热效率。同时实验结果表明，在同等条件下微波加热的凝胶时间和固化时间比热固化快得多, 并且随着微波功率的增大而缩短; 微波固化物与热固化物的结构基本相同、热性能相当, 力学性能略高于热固化物。

本发明使用的液态热固性环氧树脂成形材料应具有低粘度、高介电常数和优良的微波固化性能。本实施例成形材料采用E51/DDM（二氨基二苯基甲烷）体系，环氧树脂为E51（双酚A型），固化剂为DDM。也可以选择性能更好的新型液态环氧树脂固化剂ZD-1090（粘度小、使用期长、温度宽容度大）。市场中也有许多低粘度环氧树脂产品可以直接使用，如WHUT-RL系列、JY-257等。另外，与双酚A型环氧树脂性比，采用液态双酚F型环氧树脂、双酚F型与双酚A型的共混体系具有更好的性能（粘度低）。另外，为了提高环氧固化体系的微波吸收性能，可以在环氧固化体系中加入一种强吸波的介质，如陶瓷、金属粉末（铝粉、铜粉等）、羰基铁、SiO₂或纳米材料等改变体系的电阻抗，从而增强固化体系的微波加热能力，提高成形材料的微波固化性能。

微波固化***的工作频率2. 45 GHz,输出功率350W，功率输出方式为脉冲式。

第一实施例中使用LC3600环氧树脂，固化温度在90℃，其充分固化时间是75s，涂膜厚度100 nm，电极与基底间距250nm。

第二个实施例：使用Epikate 235液态双酚F 型环氧树脂，固化温度在110℃，其充分固化时间是65s，涂膜厚度120 nm，电极与基底间距300nm。

为了减少固化时间和获得优良固化性能，也可以采用变频微波固化工艺。

7）脱模

生成的纳米结构完全固化后，关闭纳米结构诱导***和微波固化***，成形***与制备的纳米结构以及基底分离。

Claims

1.一种图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构的装置，包括：成形***；成形材料；基底；纳米结构诱导***；微波固化***，其特征是，所述成形***由背板、支撑、图型化电极组成；成形材料是粘度低于0.8Pa.s /25℃和介电常数高于5的液态热固性环氧树脂材料；基底是P型硅片；纳米结构诱导***以图型化电极为直流电场的阳极，基底为直流电场的阴极，图型化电极位于基底的上方。

2.如权利要求1所述的图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构的装置，其特征是，所述直流电场的电压为20V-60V。

3.如权利要求1所述的图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构的装置，其特征是，所述微波固化***的工作频率2. 45 GHz，输出功率100W-1000W，功率输出方式为连续式或脉冲式，固化时间20-100s，固化温度60-130℃。

4.一种采用权利要求1所述的图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构装置的制作方法，其特征是，包括如下步骤：

1）制作成形***

以导电性电子束抗蚀剂或氧化铟锡ITO为基体材料，采用电子束直写和刻蚀工艺制作图型化电极，图型化电极制作完成后，在工作外表面涂覆一层脱模剂，通过背板将支撑和图型化电极组装在一起，图型化电极与基底间隙的大小通过更换不同高度的支撑来调整，其间隙介于100nm-600nm之间；

2）基底预处理

3）涂铺成形材料

采用旋转涂铺工艺将粘度低于0.8Pa.s /25℃和介电常数高于5液态热固性环氧树脂材料均匀涂铺基底上，涂铺厚度100 nm -300nm；

4）成形***定位

5）诱导生成纳米结构

6）纳米结构微波固化

7）脱模

5.如权利要求4所述的图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构装置的制作方法，其特征是，所述步骤3）中，成形材料加入陶瓷、金属铝粉末、铜粉末、羰基铁或者SiO₂纳米材料以改变成形材料的电阻抗。

6.如权利要求4所述图型化电极诱导和微波固化制作纳米结构装置的制作方法，其特征是，所述步骤4）中，模具与基底平行，模具与基底的间隙均匀一致。