專利名稱：軟平板印刷技術(shù)制作二維聚合物光子晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二維光子晶體的制作方法，具體涉及采用軟平板印刷技術(shù)制造縱橫比大于 1且形體尺寸小于500nrn的三角晶系結(jié)構(gòu)的二維聚合物光子晶體。
技術(shù)背景納米光子學(xué)對(duì)光子學(xué)技術(shù)的前景有著革命性的影響?；诩{米結(jié)構(gòu)的光子晶體在下一 代光子器件的制作過(guò)程中起著重要的作用。光子晶體是一種人工周期性介電結(jié)構(gòu)。用它們 制作的功能器件不但尺寸大為減小并且有著優(yōu)良的特性，例如高的波長(zhǎng)及角度靈敏性、大 的群速度色散。最近，基于二維光子晶體薄板的器件引起了人們廣泛的關(guān)注，如二維平板光子結(jié)構(gòu)能夠與傳統(tǒng)的微電子和光子器件相比擬。無(wú)數(shù)的光學(xué)部件，如波導(dǎo)、諧振腔、 多路信號(hào)分離器和調(diào)制器都已經(jīng)能用二維光子晶體幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作。作為一種能夠與所有的襯底材料結(jié)合的材料，聚合物被認(rèn)為是一種最有前途的能用以 制作光子晶體的材料。由于聚合物材料的低折射率差，聚合物光子晶體薄板一般不能表現(xiàn) 出完全的光子帶隙。為了制作聚合物光子晶體，人們的經(jīng)歷往往集中在傳統(tǒng)的處理技術(shù)上，如電子束納 米平板印刷術(shù)以及反沖離子刻蝕(RIE)技術(shù)，這些技術(shù)一般相對(duì)復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。由于 其低耗高產(chǎn)出的特點(diǎn)，Imprint平板印刷術(shù)是用于制作微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的最有前途的方 法之一。這些方法中最卓越的是熱壓花、分步速印平板印刷技術(shù)(SFIL)和軟平板印刷術(shù)。 熱壓平板印刷術(shù)是利用硅模板或者鎳模板，采用高壓，在一定溫度下(高于光刻膠的玻璃 態(tài)變溫度)在光刻膠上印制圖案。但熱循環(huán)過(guò)程會(huì)延長(zhǎng)處理過(guò)程，由于高溫高壓，圖案會(huì) 產(chǎn)生扭曲，并且襯底表面的起伏也會(huì)限制印壓區(qū)域。SFIL法通過(guò)分布重復(fù)可以在一個(gè)較 大的區(qū)域印制高分辨率的圖案。然而利用PDMS (Polydimethylsiloxane聚二甲基硅氧烷)模 板僅需要一步即可在一個(gè)100mm尺寸的晶片上實(shí)現(xiàn)印壓成型。參見Plachetka^ U. Bender, M. Fuchs， A Wafer scale patterning by soft UV-Nanoimprint Lithography [J] Microelectronic Engineering 2004, 73-74:167-171。軟平板印刷術(shù)通過(guò)浮雕圖案利用PDMS復(fù)制微米和納米結(jié)構(gòu)。PDMS模板 一般是通過(guò)在傳統(tǒng)的平板印刷技術(shù)制作的基板上澆鑄預(yù)聚合物而完成的。盡管模板表面已 經(jīng)利用一種低表面能的表面活化劑進(jìn)行預(yù)處理，印制的聚合物仍然會(huì)粘在模板上，在印制 高密度或高縱橫比圖案時(shí)會(huì)產(chǎn)生缺陷。參見L Jay Guo， Recent progress in nanoimprint technology and its applications [J] J. Journal of Physics D: Applied Physics 2004,27(11):R123-R141 。近年來(lái)，利用軟平板印刷術(shù)制作的縱橫比小于1的納米量級(jí)線孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證明是可 行的。但是，復(fù)制縱橫比大于1且形體尺寸小于500nm的結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，其部分 原因是PDMS模板較低的模數(shù)。在很多軟平板印刷技術(shù)的應(yīng)用如光子晶體制作中，這些特 性是很重要的。當(dāng)形體尺寸縮小到亞微米或納米量級(jí)，縱橫比和圖案密度在PDMS形變中 起著重要的作用。對(duì)于高縱橫比結(jié)構(gòu)，在亞微米結(jié)構(gòu)的圖案?jìng)鬏斶^(guò)程中，由于毛細(xì)作用以 及其它力的作用，很容易產(chǎn)生橫向的崩潰。因此采用軟平板印刷技術(shù)制作縱橫比大于1且 形體尺寸在100-500nm范圍精細(xì)結(jié)構(gòu)，是本領(lǐng)域研究人員正在努力研究的課題
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種采用軟平板印刷技術(shù)制作二維聚合物光子晶 體的方法。本發(fā)明制作的二維聚合物光子晶體是三角晶系結(jié)構(gòu)，其空氣空腔直徑為300nm，晶格 常數(shù)為600nm，空氣空腔的平均深度為375nm，縱橫比1.25 (375/300)，基板與鑄模圖案 的深度只有3%的差異，背景聚合物在1550nm處的折射率為1.475。本發(fā)明的制作方法中使用的聚合物是紫外丙烯酸聚合物，其他簡(jiǎn)寫說(shuō)明如下 ER:電子亥U蝕膠(High Resolution Positive Electron Beam Resist,簡(jiǎn)寫ER)。 PDMS:聚二甲基硅氧垸。本發(fā)明使用的PDMS材料型號(hào)Sylgard 184(比重為1.11,粘 性為5000 cSt)， Dow Corning公司產(chǎn)售。本發(fā)明利用軟平板印刷技術(shù)制作二維聚合物光子晶體的方法，包括步驟如下(1) 三角空腔結(jié)構(gòu)的基板制作利用JEOLJBX6000電子束平板印刷(EBL)設(shè)備，將一層電子刻蝕膠(ER)涂在硅 襯底上，圖案由EBL確定并印制，曝光的電子刻蝕膠在顯影溶劑中進(jìn)行顯影，顯影后， 在90-100'C的烤盤上烘烤10-15分鐘，在電子刻蝕膠上得到一個(gè)二維的空洞三角形陣列， 空腔直徑為300nm，周期為600nm，即得到三角空腔結(jié)構(gòu)的基板。(2) PDMS模板的制作將PDMS聚合物涂在步驟(1)制得的基板上，在55-65"C溫度的烤盤上烘烤10-12小 時(shí)，將烤干的PDMS聚合物從基板上取下，得2.5-3mm厚的PDMS模板，該模板一面有 柱孔。由于烤干的PDMS不會(huì)粘在刻蝕膠圖案上，它能很容易的從基板上取下。這樣，二維 光子晶體結(jié)構(gòu)就從基板轉(zhuǎn)移到了 PDMS模板上?；迳系目桩a(chǎn)生了 PDMS模板上的柱。(3) 圖案轉(zhuǎn)移軟平板印刷技術(shù)制作二維聚合物光子晶體的處理過(guò)程由圖1所示。 把紫外丙烯酸聚合物均勻地涂在另一硅襯底上，涂層厚度2.5-4mm，然后將步驟(2)所得PDMS模板帶柱孔的一面扣合到硅襯底上的聚合物層上，不加外力，聚合物通過(guò)毛細(xì)作用力充滿PDMS模板的孔柱空隙，在PDMS模板一面上形成圖案。將PDMS模板去掉，紫外丙烯酸聚合物上形成三角空洞晶格，得二維聚合物光子晶體。步驟(3)中在將PDMS模板去掉前，用紫外光照射紫外丙烯酸聚合物0.5-1小時(shí)，去除聚合物中的溶劑。將步驟(3)所得二維聚合物光子晶體烘烤0.5-1.2小時(shí)進(jìn)一步去除聚合物中的溶劑。 聚合物WIR30-470的低粘度(0.2Pa-s)使得PDMS的凹陷部分在微秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi) 被迅速填滿，這個(gè)過(guò)程是由表面張力和聚合物的粘度決定的。保持PDMS模板與襯底的接 觸直到模板的空隙被填滿，用紫外輻射穿過(guò)透明的PDMS模板對(duì)聚合物進(jìn)行曝光。由Cary 5000型紫外-可見光-紅外光譜儀測(cè)得3mm厚的PDMS塊狀物對(duì)365nm紫外光的透過(guò)率為 91%。再進(jìn)一步將PDMS模板去掉，這樣就在WIR30-470聚合物上留下了一個(gè)三角空洞 晶格。通過(guò)上述步驟，就實(shí)現(xiàn)了光子晶體圖案的轉(zhuǎn)移。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下1.采用PDMS而不是粗糙不平的模板，它可以在一個(gè)很大的區(qū)域內(nèi)使聚合物跟襯底緊 密接合而不需要外力。2. 可以很容易的從模具上將預(yù)聚合物取下。對(duì)于熱壓以及分步速印平板印刷術(shù)，制作 過(guò)程都需要在模板上涂一層脫模劑，以便能將預(yù)聚合物完整地取下。3. 本發(fā)明的制作方法所制作獲得的微結(jié)構(gòu)具有很高的保真度,這種高效、低耗、高生 產(chǎn)能力的軟平板印刷技術(shù)能廣泛應(yīng)用于制作基于光子晶體的納米微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。


圖1是軟平板印刷技術(shù)制作二維聚合物光子晶體的示意圖，其中，(a)襯底上紫外丙烯 酸聚合物涂層的擴(kuò)散，(b)襯底上PDMS模板的置放，(c)毛細(xì)作用力使紫外丙烯酸聚合物 充滿模板空隙，(d)在紫外光照射下紫外丙烯酸聚合物發(fā)生變化，(e)去除PDMS模板后。 1、硅襯底，2、紫外丙烯酸聚合物層，3、 PDMS模板，4、柱？L， 5、紫外輻射線，6、 二維 聚合物光子晶體。圖2是空氣空腔直徑為300nm的二維三角光子晶體結(jié)構(gòu)SEM圖像。 圖3是二維三角光子晶體的空氣空腔的平均深度為375nm示意圖。 圖4為AFM測(cè)量的二維三角光子晶體的空氣空腔的平均深度譜線。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例l: 二維紫外丙烯酸聚合物光子晶體的的制作。 實(shí)施例中所用材料如下紫外丙烯酸聚合物型號(hào)WIR30-470，由韓國(guó)ChemOptics公司產(chǎn)售。 電子刻蝕膠是ZEP520A，日本ZEON公司產(chǎn)售。ZED-N50溶劑電子刻蝕膠ZEP520A用顯影液，日本ZEON公司產(chǎn)售。 PDMS型號(hào)Sylgard 184，比重為1.11，粘性為5000 cSt， Dow Coming公司產(chǎn)售。步驟如下(1) 三角空腔結(jié)構(gòu)的基板制作利用JEOL JBX6000電子束平板印刷(EBL)設(shè)備，將一層電子刻蝕膠(ER) ZEP520A 涂在硅襯底上，圖案由EBL確定并印制，曝光的電子刻蝕膠在ZED-N50溶劑中進(jìn)行顯影， 顯影后，在IO(TC的烤盤上烘烤10分鐘，在電子刻蝕膠上得到一個(gè)二維的空洞三角形陣 列，空腔直徑為300nm，周期為600nm。得三角空腔結(jié)構(gòu)的基板。(2) PDMS模板的制作將PDMS聚合物涂在步驟(1)制得的基板上，在60'C溫度下熱盤上烘烤12小時(shí)， 所得PDMS聚合物的楊氏模量是2MPa。將烤干的PDMS聚合物從基板上取下，得3mm 厚的PDMS模板。(3) 圖案轉(zhuǎn)移，軟平板印刷技術(shù)的處理過(guò)程由圖l所示。把紫外丙烯酸聚合物WIR30-470均勻地涂在另一硅襯底上，然后將PDMS模板帶孔 柱的一面扣合到襯底上的聚合物層上，不加外力，使聚合物通過(guò)毛細(xì)作用力填滿PDMS 模板的孔柱空隙，圖案形成。然后，用紫外輻射穿過(guò)透明的PDMS模板對(duì)聚合物進(jìn)行曝光， 由Cary 5000型紫外-可見光-紅外光譜儀測(cè)得3mm厚的PDMS塊狀物對(duì)365nm紫外光的 透過(guò)率為91%。再進(jìn)一步將PDMS模板去掉，在聚合物上得到三角空洞晶格，烘烤1.0 小時(shí)進(jìn)一步去除聚合物中的溶劑。得二維聚合物光子晶體。
權(quán)利要求
1、利用軟平板印刷技術(shù)制作二維聚合物光子晶體的方法，包括步驟如下(1)三角空腔結(jié)構(gòu)的基板制作將一層電子刻蝕膠涂在硅襯底上，圖案由電子束平板印刷(EBL)設(shè)備確定并印制，曝光的電子刻蝕膠在顯影溶劑中進(jìn)行顯影，顯影后，在90-100℃的烤盤上烘烤10-15分鐘，在電子刻蝕膠上得到一個(gè)二維的空洞三角形陣列，空腔直徑為300nm，周期為600nm，即得到三角空腔結(jié)構(gòu)的基板；(2)PDMS模板的制作將PDMS聚合物涂在步驟(1)制得的基板上，在55-65℃溫度的烤盤上烘烤10-12小時(shí)，將烤干的PDMS聚合物從基板上取下，得2.5-3mm厚的PDMS模板，所得模板一面有柱孔；(3)圖案轉(zhuǎn)移把紫外丙烯酸聚合物均勻地涂在另一硅襯底上，涂層厚度2.5-4mm，然后將步驟(2)所得的PDMS模板帶柱孔的一面扣合到硅襯底上的聚合物層上，聚合物通過(guò)毛細(xì)作用力充滿PDMS模板的孔柱空隙，將PDMS模板去掉，紫外丙烯酸聚合物上形成三角空洞晶格，得二維聚合物光子晶體。
2、 如權(quán)利要求1所述的利用軟平板印刷技術(shù)制作二維聚合物光子晶體的方法，其特 征在于步驟(3)中在將PDMS模板去掉前，用紫外光照射紫外丙烯酸聚合物0.5-1小時(shí)， 去除聚合物中的溶劑。
3、 如權(quán)利要求1所述的利用軟平板印刷技術(shù)制作二維聚合物光子晶體的方法，其特 征在于將步驟(3)所得二維聚合物光子晶體烘烤0.5-1.2小時(shí)進(jìn)一步去除聚合物中的溶劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及采用軟平板印刷技術(shù)制作二維聚合物光子晶體的方法。包括三角空腔結(jié)構(gòu)的基板的制作、PDMS模板的制作和圖案轉(zhuǎn)移。所得二維聚合物光子晶體是三角晶系結(jié)構(gòu)，其空氣空腔直徑為300nm，晶格常數(shù)為600nm，空氣空腔的平均深度為375nm，縱橫比1.25(375/300)，基板與鑄模圖案的深度只有3％的差異，背景聚合物在1550nm處的折射率為1.475。本發(fā)明的制作方法所制作獲得的產(chǎn)品微結(jié)構(gòu)具有很高的保真度，具有高效、低耗、高生產(chǎn)能力的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于制作基于光子晶體的納米微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
文檔編號(hào)G03F7/00GK101165591SQ20071011321
公開日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2007年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月29日
發(fā)明者張颯颯 申請(qǐng)人:山東大學(xué)