專利名稱：圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米 結(jié)構(gòu)的裝置。
背景技術(shù)：
納米結(jié)構(gòu)或者圖形的微細(xì)加工是納電子和納器件制作的基礎(chǔ)，目前納米結(jié)構(gòu)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 刻、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(shù) 通常工藝復(fù)雜、效率較低、設(shè)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(chǎn) 效率非常低。納米壓印光刻N(yùn)IL雖然具有高分辨率、低成本和高生產(chǎn)率等特點(diǎn)，但由于NIL 是一種接觸式制作工藝，目前納米壓印面臨模具壽命低、缺陷多、難以對(duì)準(zhǔn)等問(wèn)題。因此，迫 切需要開(kāi)發(fā)新的微細(xì)加工方法滿足低成本高分辨率納米結(jié)構(gòu)制作需求。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中納米壓印模具壽命低、缺陷多與難以對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，本實(shí)用新型公 開(kāi)了一種采用圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化在熱固性環(huán)氧樹(shù)脂材料上制作納米結(jié)構(gòu)的裝置。一種圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)的裝置，包括成形系統(tǒng)；成形材 料；基底；納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)系統(tǒng)；微波固化系統(tǒng)，所述成形系統(tǒng)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(shù)的液態(tài)熱固性環(huán)氧樹(shù)脂材料；基底是P型硅片；納米結(jié) 構(gòu)誘導(dǎo)系統(tǒng)以圖型化電極為直流電場(chǎng)的陽(yáng)極，基底為直流電場(chǎng)的陰極，圖型化電極位于基 底的上方，其陽(yáng)極與圖型化電極相連，陰極與基底相連。所述直流電場(chǎng)的電壓為20V-60V。所述微波固化系統(tǒng)的工作頻率2. 45 GHz，輸出功率100W-1000W，功率輸出方式為 連續(xù)式或脈沖式，固化時(shí)間20-100S，固化溫度60-130°C。本實(shí)用新型的具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、生產(chǎn)率高、電極壽命長(zhǎng)、圖形精度高等優(yōu)點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)了 100納米以下納米結(jié)構(gòu)高效、低成本制作。

圖Ia是本實(shí)用新型制作裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ib是本實(shí)用新型制作裝置結(jié)構(gòu)完成后的示意圖。圖2是本實(shí)用新型納米結(jié)構(gòu)制作技術(shù)路線圖。圖3a是本實(shí)用新型圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)示意圖。圖3b是本實(shí)用新型圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)示意圖。圖3c是本實(shí)用新型圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)示意圖。圖3d是本實(shí)用新型圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)示意圖。圖3e是本實(shí)用新型圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)示意圖。
3[0016]圖4a為本實(shí)用新型的以導(dǎo)電性電子束抗蝕劑為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖4b為本實(shí)用新型的以導(dǎo)電性電子束抗蝕劑為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖4c為本實(shí)用新型的以導(dǎo)電性電子束抗蝕劑為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖4d為本實(shí)用新型的以導(dǎo)電性電子束抗蝕劑為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖4e為本實(shí)用新型的以導(dǎo)電性電子束抗蝕劑為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖4f為本實(shí)用新型的以導(dǎo)電性電子束抗蝕劑為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖5 a為本實(shí)用新型的以ITO為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖5b為本實(shí)用新型的以ITO為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖5c為本實(shí)用新型的以ITO為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖5d為本實(shí)用新型的以ITO為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖5e為本實(shí)用新型的以ITO為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖5f為本實(shí)用新型的以ITO為基體材料制作圖型化電極示意圖。圖5g為本實(shí)用新型的以ITO為基體材料制作圖型化電極示意圖。其中，1.成形系統(tǒng)，11.背板，12.支撐，13.圖型化電極，131.納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)凸起 (需要轉(zhuǎn)移的特征圖形)，14.石英玻璃基片，15.粘附控制層，16. ITO導(dǎo)電膜，17.導(dǎo)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(chǎng)， 5.微波固化系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型公開(kāi)的圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)裝置示意圖如圖la， 圖Ib所示。它由五部分組成成形系統(tǒng)1，成形材料2，基底3，直流電場(chǎng)4，微波固化系統(tǒng)5。 其中成形系統(tǒng)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(guò)背板1 1將支撐1 2和圖型化電極1 3組裝成一個(gè)完整的成形系統(tǒng)，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(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)凸起131(需要轉(zhuǎn)移的特征圖形)的高度差決定了所制作納米結(jié)構(gòu) 的高度。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)支撐1 2的高度，可以得到不同高度值的納米結(jié)構(gòu)。其高度值介于 lOOnm-eOOnm之間。圖型化電極1 3包含要制作的納米結(jié)構(gòu)平面特征，即圖型化電極1 3突 出部分為納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)凸起131。為了便于固化后的脫模，減少電極與成形材料的粘連，需要對(duì)圖型化電極 1 3進(jìn)行表面修飾以降低其表面能，采用沉積抗粘附層工藝(涂脫模劑)，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 是粘度低于0.8Pa.s /25°C和介電常數(shù)高于5數(shù)液態(tài)熱固性環(huán)氧樹(shù)脂材料。以P型硅片為 基底3，采用硅烷(Silane)對(duì)硅片基底進(jìn)行分子自組裝而成。直流電場(chǎng)4采用20V-60V直 流電壓，其陽(yáng)極與圖型化電極13相連，陰極基底3相連。微波固化系統(tǒng)5的工作頻率2. 45 GHz,輸出功率100W-1000W，功率輸出方式為連續(xù)式或脈沖式。本實(shí)用新型是基于以下原理置于兩導(dǎo)電平行板間的介電流體，在外加電場(chǎng)的作 用下，具有電流體動(dòng)力不穩(wěn)定特性，以及自組裝生成周期性納米柱結(jié)構(gòu)的能力。將低粘度和 高介電常數(shù)的液態(tài)熱固性環(huán)氧樹(shù)脂材料均勻涂鋪在基底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(gè)電壓，其陽(yáng)極與圖型化電極13相連，陰極與基底3相連。在外加電場(chǎng)產(chǎn)生靜電力的作用下成形材料2表面薄膜被“向上拉高”，導(dǎo)致薄膜會(huì)慢慢 的呈現(xiàn)波浪狀，且隨著時(shí)間的變化，會(huì)將波谷的薄膜一直往波峰推擠，呈現(xiàn)出波浪形的薄膜 越來(lái)越高，最終波峰尖端頂?shù)綀D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(dǎo)致成形材料薄膜界面的不穩(wěn)定，而表面張力、 分子內(nèi)聚力、大氣壓力和成形材料薄膜自身重力起到穩(wěn)定成形材料界面的作用，表面張力 是薄膜穩(wěn)定性的主要作用力。通過(guò)改變電壓、圖型化電極的特征、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(shù)，可以制作出不同特征的納米結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型基于圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)采取如下的技術(shù)解決 方案首先將成形材料2均勻旋涂在基底3上；然后進(jìn)行成形系統(tǒng)1與基底3的定位，成形 系統(tǒng)1與基底3對(duì)準(zhǔn)后下壓，直至成形系統(tǒng)1的支撐12與基底3完全接觸，并且保證背板 11與基底3的平行；隨后開(kāi)啟納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)系統(tǒng)，基于成形材料薄膜在圖型化電極13和直 流電場(chǎng)4誘導(dǎo)下的自組裝特性，實(shí)現(xiàn)電極特征圖形到成形材料的圖形轉(zhuǎn)移；成形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 后，采用微波固化系統(tǒng)5固化成形材料2 ；最后，成形系統(tǒng)2與制備的納米結(jié)構(gòu)以及基底3分 離，在成形材料2上制作出納米結(jié)構(gòu)?；趫D型化電極誘導(dǎo)和微波固化在熱固性環(huán)氧樹(shù)脂材料上制作納米結(jié)構(gòu)的技術(shù) 路線參見(jiàn)圖2，其基本工序步驟如下①成形系統(tǒng)1制作；②基底3預(yù)處理；③涂鋪成形材 料2 ；④成形系統(tǒng)1定位；⑤誘導(dǎo)生成納米結(jié)構(gòu)；⑥納米結(jié)構(gòu)微波固化；⑦脫模。結(jié)合圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)過(guò)程示意圖(見(jiàn)圖3a-圖3e)，以下 對(duì)制作過(guò)程中的具體工藝步驟作詳細(xì)描述1)成形系統(tǒng)制作成形系統(tǒng)1包括背板1 1、支撐1 2、圖型化電極1 3。通過(guò)背板1 1將支撐1 2 和圖型化電極1 3組裝成一個(gè)完整的成形系統(tǒng)。背板和支撐以石英(quartz)為基體采用 常規(guī)微細(xì)加工工藝制作。支撐12需要做抗粘附處理。圖型化電極13以導(dǎo)電性電子束抗蝕 劑或ITO為基體材料，采用電子束直寫和刻蝕工藝。圖型化電極的具體制作方法如下。圖4a_圖4f是本實(shí)用新型以導(dǎo)電性電子束抗蝕劑為基體材料，采用電子束直寫工 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上涂鋪粘附控制層15。圖 4b為在粘附控制層15之上涂鋪ITO導(dǎo)電膜16。圖4c為在ITO導(dǎo)電膜16之上旋轉(zhuǎn)涂鋪 導(dǎo)電性電子束抗蝕劑17。圖4d電子束直寫、曝光、顯影、堅(jiān)膜后得到納米結(jié)構(gòu)圖形。圖4e 沉積抗粘附層(涂脫模劑)18，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。圖4f制作完成的圖型化電極與石英玻璃基片分離。圖5 a-圖5g是本實(shí)用新型以ITO為基體材料，采用電子束直寫和干法刻蝕工藝制 作圖型化電極的原理示意圖。圖5a為在石英玻璃基片14上涂鋪粘附控制層材料15。圖5 b為在粘附控制層之上涂鋪ITO材料16。圖5 c為在ITO材料16之上旋轉(zhuǎn)涂鋪電子束抗蝕 劑19。圖5d電子束直寫、曝光、顯影、堅(jiān)膜后在抗蝕劑上得到納米結(jié)構(gòu)圖形。圖5e以電子 束抗蝕劑19為掩模采用反應(yīng)離子刻蝕工藝將抗蝕劑上得到納米結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到ITO材料 16上。圖5 f沉積抗粘附層(涂脫模劑)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制作完成的圖型化電極與石英玻璃基片14 分離。
5[0040]采用鍵合工藝，以背板11為基礎(chǔ)將支撐12和圖型化電極13固定于背板11上，組 裝成一個(gè)完整的成形系統(tǒng)1。2)基底3預(yù)處理以P型硅片的硅片作為基底，采用Silane對(duì)硅片基底進(jìn)行分子自組裝(SAM， Self-assembled Monolayer)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(guò)程中發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞)3)涂鋪成形材料采用旋轉(zhuǎn)涂鋪工藝將低粘度和高介電常數(shù)液態(tài)熱固性環(huán)氧樹(shù)脂材料均勻涂鋪基 底3上，涂鋪厚度100nm-300nm (具體涂鋪厚度根據(jù)所制作的納結(jié)構(gòu)圖形特征確定)。4)成形系統(tǒng)1定位成形系統(tǒng)1與基底3對(duì)準(zhǔn)后下壓，使成形系統(tǒng)1的支撐12與基底3完全接觸，并 且保證背板11與基底3的平行。5)誘導(dǎo)生成納米結(jié)構(gòu)以圖型化電極13為陽(yáng)極，基底3為陰極，施加20V-60V直流電壓，構(gòu)成納米 結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)系統(tǒng)。誘導(dǎo)系統(tǒng)加上電壓后，在圖型化電極13和基底3間建立一個(gè)直流電場(chǎng)4，基 于成形材料薄膜在圖型化電極13和直流電場(chǎng)誘導(dǎo)下的自組裝特性，實(shí)現(xiàn)電極特征圖形到 成形材料的圖形轉(zhuǎn)移。在整個(gè)工藝過(guò)程中應(yīng)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(guò)成形系統(tǒng)的支撐來(lái)調(diào)節(jié)。實(shí)施例采用45 V直流電壓，電極與基底間距300nm，膜厚控制在100 nm -200 nm。6)納米結(jié)構(gòu)微波固化環(huán)氧樹(shù)脂的固化方式很多傳統(tǒng)的熱固化具有固化速率慢、周期長(zhǎng)、材料內(nèi)部存在 著溫度梯度、固化難以均勻和完全的問(wèn)題。與傳統(tǒng)的熱固化相比，微波因獨(dú)特的“分子內(nèi)”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(guò)程控 制容易等優(yōu)點(diǎn)；此外，在環(huán)氧樹(shù)脂中加入不同性能的填料，通過(guò)改變體系的介電性能來(lái)改 善環(huán)氧樹(shù)脂的微波吸收性能，能夠進(jìn)一步提高微波的加熱效率。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同 等條件下微波加熱的凝膠時(shí)間和固化時(shí)間比熱固化快得多，并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(jié)構(gòu)基本相同、熱性能相當(dāng)，力學(xué)性能略高于熱固化物。本實(shí)用新型使用的液態(tài)熱固性環(huán)氧樹(shù)脂成形材料應(yīng)具有低粘度、高介電常數(shù)和優(yōu) 良的微波固化性能。本實(shí)施例成形材料采用E51/DDM(二氨基二苯基甲烷)體系，環(huán)氧樹(shù)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(tài)環(huán)氧樹(shù)脂固化劑ZD-1090 (粘度小、使用期長(zhǎng)、溫度寬容度大)。市場(chǎng)中也有許多低粘度環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)品可以直接使用， 如WHUT-RL系列、JY-257等。另外，與雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂性比，采用液態(tài)雙酚F型環(huán)氧樹(shù)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(huán)氧固化體系的 微波吸收性能，可以在環(huán)氧固化體系中加入一種強(qiáng)吸波的介質(zhì)，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(qiáng)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(tǒng)的工作頻率2. 45 GHz，輸出功率350W，功率輸出方式為脈沖式。第一實(shí)施例中使用LC3600環(huán)氧樹(shù)脂，固化溫度在90°C，其充分固化時(shí)間是75s，涂膜厚度100 nm,電極與基底間距250nm。第二個(gè)實(shí)施例使用Epikate 235液態(tài)雙酚F型環(huán)氧樹(shù)脂，固化溫度在110°C，其 充分固化時(shí)間是65s，涂膜厚度120 nm,電極與基底間距300nm。為了減少固化時(shí)間和獲得優(yōu)良固化性能，也可以采用變頻微波固化工藝。7)脫模生成的納米結(jié)構(gòu)完全固化后，關(guān)閉納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)系統(tǒng)和微波固化系統(tǒng)，成形系統(tǒng) 與制備的納米結(jié)構(gòu)以及基底分離。
權(quán)利要求一種圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)的裝置，包括成形系統(tǒng)；成形材料；基底；納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)系統(tǒng)；微波固化系統(tǒng)，其特征是，所述成形系統(tǒng)由背板、支撐、圖型化電極組成；成形材料均勻旋涂在基底上；基底是P型硅片；納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)系統(tǒng)以圖型化電極為直流電場(chǎng)的陽(yáng)極，基底為直流電場(chǎng)的陰極，圖型化電極位于基底的上方，其陽(yáng)極與圖型化電極相連，陰極與基底相連。
2.如權(quán)利要求1所述的圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)的裝置，其特征是， 所述直流電場(chǎng)的電壓為20V-60V。
3.如權(quán)利要求1所述的圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)的裝置，其特征是， 所述微波固化系統(tǒng)的工作頻率2. 45 GHz，輸出功率100W-1000W，功率輸出方式為連續(xù)式或 脈沖式，固化時(shí)間20-100S，固化溫度60-130°C。
專利摘要本實(shí)用新型是一種圖型化電極誘導(dǎo)和微波固化制作納米結(jié)構(gòu)的裝置。該裝置包括成形系統(tǒng)；成形材料；基底；納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)系統(tǒng)；微波固化系統(tǒng)，所述成形系統(tǒng)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(shù)的液態(tài)熱固性環(huán)氧樹(shù)脂材料；基底是P型硅片；納米結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)系統(tǒng)以圖型化電極為直流電場(chǎng)的陽(yáng)極，基底為直流電場(chǎng)的陰極，圖型化電極位于基底的上方，其陽(yáng)極與圖型化電極相連，陰極與基底相連。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、生產(chǎn)率高、電極使用壽命長(zhǎng)、圖形精度高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)100納米以下納米結(jié)構(gòu)高效和低成本制作。
文檔編號(hào)B82B3/00GK201762092SQ20102019949
公開(kāi)日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者丁玉成, 蘭紅波 申請(qǐng)人:山東大學(xué)