CN103235482A

CN103235482A - 基于pdms的功能性高分子图案化方法

Info

Publication number: CN103235482A
Application number: CN2013101524052A
Authority: CN
Inventors: 翁雨燕; 胡志军
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2013-04-28
Filing date: 2013-04-28
Publication date: 2013-08-07

Abstract

本发明涉及一种基于PDMS的功能性高分子图案化方法，首先采用光刻方法在光刻胶表面获得所需的微纳尺寸的图形，在图案化的光刻胶表面涂未交联的有机材料PDMS，待交联后揭下，完成软模板的制作，将软模板有结构的一面压在璇涂有功能性高分子的衬底上，通过热压印或者紫外压印，即可实现不同功能性高分子的图案化。无需硬质模板作为初始结构定义，只需光刻胶图案化即可。同时，初始定义所用的PMMA模板无需防粘处理，即可对PDMS的图形转移，减少实验步骤，降低转移成本，提高图案的保真度。并且，对PDMS软模板无需防粘处理。同时，对最终衬底B平整度要求低，可以实现大范围特征结构的压印。

Description

基于PDMS的功能性高分子图案化方法

技术领域

本发明涉及一种高分子图案化方法，尤其涉及一种基于PDMS的功能性高分子图案化方法。

背景技术

近年来随着对功能性高分子研究的日益深化，功能性有机高分子薄膜的微纳结构化在其相应领域的应用中越来越多的被关注。比如，发光高分子在发光材料上的广泛应用，导电高分子在半导体领域的日新月异，铁电高分子在存储领域的异军突起，等等。这些都和不同功能高分子的图案化有着密不可分的关系。

在图案化功能性高分子的制备过程中，主要有自上而下和自下而上两种手段。自下而上主要利用高分子的自组装，此法虽可获得大面积的样品，但是结构的涨落较大，不可控因素也比较多，在应用器件的性能上会存在较大的损耗。自上而下是目前高分子图案化比较主流的方法，主要通过各种刻蚀和压印的方法，获得图案化高分子，此间纳米压印的方法因其在制备过程中的物理化学稳定性和高分辨率，得到了最广泛的关注。自1997年美国普林斯顿大学的S.Y.Chou教授提出了纳米压印这一方法以后，该技术得到了广泛的使用，但是纳米压印过程中的模板就成为了整个流程中的关键步骤，硬模板价格昂贵，制备工艺复杂，而且整个工艺中的微小偏差都会对硬模板造成不可逆的破坏，因此软模板转印技术应运而生，最早由哈佛大学化学与生化系的George M.Whitesides教授提出。虽然经历了多年的发展，软模板转印技术得到了长足的进步，但是其根源仍然是硬质模板，需要硬质模板为各类压印过程提供初始结构的定义。

硅基、玻璃基底或者宝石基底的硬模板机械韧性差，获取步骤繁琐，且价格相当昂贵，这一直是限制纳米压印技术平民化的关键制约。如何实现初始结构的定义在成本和难度上的突破，是纳米压印技术大范围推广的关键。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于PDMS的功能性高分子图案化方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

基于PDMS的功能性高分子图案化方法，其包括以下步骤：步骤①，采用光刻方法在涂有光刻胶的硬质基底A表面加工出需要的微纳结构图形，获取带有图案化光刻胶的硬质基底A，作为压印转移过程中的结构定义的原始基板。步骤②，在带有图案化光刻胶的硬质基底A表面璇涂或是滴涂有机材料PDMS，并置于真空干燥箱内，可以在65℃，干燥1小时。步骤③，待充分交联后，将PDMS软模板从上述硬质基底A上揭下来，待用。步骤④，选取对应的硬质基底B，用于承载最后的图案化功能性高分子，在硬质基底B表面璇涂功能性高分子薄膜，将从硬质基底A上撕下的PDMS软模板有结构的面覆盖在璇涂有高分子的基底B上，放入压印机，选择合适的压印条件，实现功能性高分子薄膜的图案化。步骤⑤，通过干法刻蚀工艺，去除底胶。步骤⑥，重复步骤④、步骤⑤，实现快速批量微纳结构的高保真压印。

上述的基于PDMS的功能性高分子图案化方法，其中：步骤①所述的光刻胶为PMMA系列电子束曝光光刻胶。

进一步地，上述的基于PDMS的功能性高分子图案化方法，其中：所述的有机材料PDMS配比为10∶1。具体来说，可以在65℃，干燥1小时。

更进一步地，上述的基于PDMS的功能性高分子图案化方法，其中：步骤④所述的璇涂速度为500rpm至8000rpm，璇涂厚度为50nm至2um。

再进一步地，上述的基于PDMS的功能性高分子图案化方法，其中：步骤④所述的合适的压印条件包括温度、压强、固化条件，所述的压强为0-70bar，所述的温度为室温-300摄氏度，所述的固化条件为紫外压印。

本发明技术方案的优点主要体现在：无需硬质模板作为初始结构定义，只需光刻胶图案化即可。同时，初始定义所用的PMMA模板无需防粘处理，即可对PDMS的图形转移，减少实验步骤，降低转移成本，提高图案的保真度。并且，对PDMS软模板无需防粘处理，还可以减少对表层功能性高分子的表面势产生扰动，不会改变其物理化学性质。同时，对最终衬底B平整度要求低，可以实现大范围特征结构的压印。

附图说明

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。这些附图当中，

图1是覆盖有图案化光刻胶的硬质基底A示意图；

图2是滴涂或者璇涂预配的PDMS膜示意图；

图3是待预配的PDMS软模充分交联后揭下得到的PDMS软模板示意图；

图4是将PDMS软模板有图案的面朝下，压印功能性高分子的示意图；

图5是图案化的功能性高分子薄膜示意图；

图6是根据应用要求，去除功能性高分子的残余层示意图。

具体实施方式

基于PDMS的功能性高分子图案化方法，其与众不同之处在于包括以下步骤：步骤①，采用光刻方法在涂有光刻胶的硬质基底A表面加工出需要的微纳结构图形，获取带有图案化光刻胶的硬质基底A，作为压印转移过程中的结构定义的原始基板。步骤②，在带有图案化光刻胶的硬质基底A表面璇涂或是滴涂有机材料PDMS，并置于真空干燥箱内。具体来说，可以在65℃，干燥1小时。步骤③，待充分交联后，将PDMS软模板从上述硬质基底A上揭下来，待用。步骤④，选取对应的硬质基底B，用于承载最后的图案化功能性高分子，在硬质基底B表面璇涂功能性高分子薄膜，将从硬质基底A上撕下的PDMS软模板有结构的面覆盖在璇涂有高分子的基底B上，放入压印机，选择合适的压印条件，实现功能性高分子薄膜的图案化。步骤⑤，通过干法刻蚀工艺，去除底胶。步骤⑥，重复步骤④、步骤⑤，实现快速批量微纳结构的高保真压印。

就本发明一较佳的实施方式来看，步骤①所述的光刻胶为PMMA系列电子束曝光光刻胶。考虑到可以提高光刻胶的效果，采用传统的光刻技术或是电子束曝光均可。同时，有机材料PDMS配比为10∶1。并且，为了实施的便利，PDMS和交联剂均可从市场购买。

进一步来看，步骤④璇涂速度为500rpm至8000rpm，璇涂厚度为50nm至2um。璇涂设备为甩胶机或可用于液体和胶体甩涂的设备，旋转速度通常大于1000rpm。

同时，为了能够提高制造的便利性，合适的压印条件包括温度、压强、固化条件，压强为0-70bar，温度为室温-300摄氏度，固化条件为紫外压印。并且，固化条件为冷却固化或者紫外压印。硬质基底B可以是平整度较高的硬质衬底，如硅基衬底、石英衬底或者宝石衬底。也可以是粗糙度较大的利用气象沉积或者外延法生长的衬底如氮化镓、砷化镓等衬底。

结合本发明的实际使用情况来看，如图1-6所示，其制作过程如下：

(1)首先利用现有的电子束曝光技术在电子束光刻胶表面，使其图案化，线条的特征尺寸为200nm，图1为覆有图案化光刻胶的硬质基底A，1代表光刻胶，如PMMA950K。

(2)将PDMS材料滴涂在图案化光刻胶表面，图2为滴涂PDMS以后的剖面图，2为PDMS。

(3)带PDMS材料充分交联后，揭下PDMS软膜，获得PDMS软模板，如图3所示。

(4)将PDMS软模板有图案的一面朝下，贴合在涂有功能性高分子层的硬质基底B上，3是功能性高分子层，4是硬质基底B，此例中选择PFO。

(5)在纳米压印机中，对PFO进行压印，即可获得大面积均匀的图案化PFO薄膜。

(6)利用干刻技术，如氧等离子体刻蚀，即可实现对残余层的去除。

重复步骤4-6，即可实现大量的所需结构的压印制备。

通过上述的文字表述可以看出，采用本发明后，有如下优点：

(1)无需硬质模板作为初始结构定义，只需光刻胶图案化即可，免除掩膜和刻蚀过程中带入的缺陷，同时降低了初始定义的成本；

传统硬质模板的制作工艺复杂，其制作过程包括光刻胶图案化、图案金属化和刻蚀，三个重要步骤，每一步的微小失误都会导致最终结构的失败，因此实验条件苛刻，制作难度大，但是从外部购买又相当昂贵，这就大大增加了实验探索的成本。本发明直接用覆盖图案化光刻胶的硬质模板A代替传统的图案化的硬质模板，缩短了初始结构定义用硬质模板A的制作时间，降低了制作成本和制作难度，提高了实验的灵活度。

(2)初始定义所用的PMMA模板无需防粘处理，即可对PDMS的图形转移，减少实验步骤，降低转移成本，提高图案的保真度；

根据上述配比的PDMS在充分交联以后，在图案结构从光刻胶往PDMS转移的过程中并不会与PMMA发生粘连，因此很容易从图案化光刻胶表面揭下，并将光刻胶上的图案高保真的拓下来。此法并不需要像传统的压印工艺那样，对硬质模板进行防粘处理。在防粘处理的过程中精细结构的沟角处因为其表面能较低，极易导致防粘试剂的堆积，使得原来的尖锐结构发生钝化，这样在转移过程中很容易使图形走样。本发明中的PDMS材料在复制结构的过程中交联，这样可以高保真的对初始结构定义用的光刻胶图案化进行复制，这就保证了转移过程中结构的还原。

(3)对PDMS软模板无需防粘处理，还可以减少对表层功能性高分子的表面势产生扰动，不会改变其物理化学性质；

由于防粘处理后，硬质模板表层的防粘试剂在压印的过程中确实存在脱落的问题，因此在压印的过程中不可避免的沾污最终的目标功能性高分子，不但步骤繁琐，而且可能对表层功能性高分子的表面是产生扰动，在未来的应用中，不可避免的影响其物理化学性质。本发明在图案转移压印的全过程中并未引入任何有机试剂，而且合理避免了硬质模板A和软模板的防粘处理，屏蔽了对功能性高分子薄膜压印过程中有可能引入的污染，最大程度了保证功能性高分子的纯度，对未来的应用提供了有力保障。

(4)对最终衬底B平整度要求低，可以实现大范围特征结构的压印。(特征结构可以是几十纳米到几十微米，甚至几毫米)。

压印模板A和目标压印基底B的平整度一直是压印过程中直接影响图形转移成功率的关键步骤。基底轻微的不平整，就会严重影响图像转移的质量，甚至破坏模板或者目标压印基底。PDMS软模板因为具有机械韧性，所以目标压印基底B如果存在不平整或者突起，可以通过PDMS的柔韧性来弥补，并不会阻碍其他区域的结构复制。这样就使得PDMS模板既可用于表面平整的硅基或者宝石基底的硬质基底，又能应用于一些表面粗糙度较大的利用外延法生长的一些半导体基底，如砷化镓、氮化镓之类，这样就可以大大的拓展纳米压印技术的适用范围，使其获得更大的适用领域。

Claims

1.基于PDMS的功能性高分子图案化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤①，采用光刻方法在涂有光刻胶的硬质基底A表面加工出需要的微纳结构图形，获取带有图案化光刻胶的硬质基底A，作为压印转移过程中的结构定义的原始基板；

步骤②，在带有图案化光刻胶的硬质基底A表面璇涂或是滴涂有机材料PDMS，并置于真空干燥箱内；

步骤③，待充分交联后，将PDMS软模板从上述硬质基底A上揭下来，待用；

步骤④，选取对应的硬质基底B，用于承载最后的图案化功能性高分子，在硬质基底B表面璇涂功能性高分子薄膜，将从硬质基底A上撕下的PDMS软模板有结构的面覆盖在璇涂有高分子的基底B上，放入压印机，选择合适的压印条件，实现功能性高分子薄膜的图案化；

步骤⑤，通过干法刻蚀工艺，去除底胶；

步骤⑥，重复步骤④、步骤⑤，实现快速批量微纳结构的高保真压印。

2.根据权利要求1所述的基于PDMS的功能性高分子图案化方法，其特征在于：步骤①所述的光刻胶为PMMA系列电子束曝光光刻胶。

3.根据权利要求1所述的基于PDMS的功能性高分子图案化方法，其特征在于：步骤②所述的有机材料PDMS配比为10∶1。

4.根据权利要求1所述的基于PDMS的功能性高分子图案化方法，其特征在于：步骤④所述的璇涂速度为500rpm至8000rpm，璇涂厚度为50nm至2um。

5.根据权利要求1所述的基于PDMS的功能性高分子图案化方法，其特征在于：步骤④所述的合适的压印条件包括温度、压强、固化条件，所述的压强为0-70bar，所述的温度为室温-300摄氏度，所述的固化条件为紫外压印。