專利名稱：三維微納結構印章的制備及批量復制方法
技術領域：
本發明涉及一種印章的制備方法，具體是一種利用UV-LIGA (紫外光刻電鑄塑鑄，下 同)工藝和FIB (聚焦離子束，下同)刻蝕技術加工三維復雜微納結構印章，然后再利用 納米壓印技術進行批量復制三維復雜微納結構印章的方法，屬于納米壓印、微納米圖形轉 移以及微電子機械系統領域。
背景技術：
微電子機械系統是將微電子、精密機械、生化和信息處理等高技術有機整合。微電子 機械系統技術在生物醫療、精密儀器、環境保護、航空航天、軍事通訊等領域都有廣泛的 應用，例如利用微電子機械技術制成突破通信瓶頸的全光交換機、準確檢測病變的基因芯 片、比手掌還小的飛行器、重量僅有幾十克的微小衛星等。在過去的二十幾年里，微電子 機械系統技術得到了很大的發展并且少部分產品已成功地得到了商業化，如氣體傳感器、 噴墨打印機頭、汽車安全氣囊等。
微電子機械系統技術能加工三維復雜微納結構。三維微納米結構在微電子機械系統、 生物芯片和微流體器件及納米電子器件技術中得到廣泛應用，因此是微電子機械系統技術 中一種常用的技術。
納米壓印技術由于只需制備一塊模板，就可快速、廉價、方便地加工出許多復制品， 即可以大批量、重復性地在大面積襯底上制備微納米圖形結構，并且所制出的高分辨率圖 案具有相當好的均勻性和重復性。納米壓印采用高分辨率電子束或離子束等方法將納米結 構圖案制在印章上，然后用圖案化的印章使聚合物材料變形而在聚合物上形成結構圖案。 具體過程是首先將聚合物旋涂到襯底材料上，然后將印章和襯底一起加熱到聚合物的玻璃 化溫度以上，通過施加壓力使聚合物變形，保持高溫高壓一段時間后降溫減壓，使聚合物 冷卻到其玻璃化溫度以下，聚合物圖案被固化成型。這樣就可以廉價高效地復制印章上的 圖案結構。
傳統印章材料是硅或石英,其缺陷是材料本身具有脆性,加上熱壓印時需要加溫加壓, 因此多次壓印后印章很容易損傷。
經文獻檢索發現，Mohamed K., Alkaisi M. M. ， Blaikie R. J.等在《J. Vac. Sci. Technol. B》2007， 25(6)pp2357-2360撰文"Fabrication of three dimensional structures for an UV curable nanoimprint lithography mold using variable dosecontrol with critical-energy electron beam exposure"("使用電子束曝光可變劑 量的變化來加工適于紫外納米壓印的三維結構模板的加工"，《真空科學技術B》)，其 原理是通過調整電子束曝光時電子束的劑量來形成三維結構圖案，這種模板適合于紫外壓 印技術，需要精確地調整電子束的曝光劑量，而且電子束刻蝕比較慢，因此這種方法難以 適合加工既有微米尺度、又有納米尺度的復雜圖案。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的缺陷，提供了一種基于UV-LIGA工藝和FIB刻蝕技 術加工三維復雜微納結構印章的新方法，然后通過納米壓印技術進行復制三維復雜微納結 構印章，達到批量、廉價加工三維復雜微納結構印章的目的。
本發明三維微納結構印章的制備方法為首先制備UV-LIGA掩膜版，然后利用紫外曝 光在硅片的光刻膠上形成微米圖案，接著以膠為掩膜對硅進行RIE刻蝕，并去膠，形成硅 的微米印章，然后通過濺射在硅上沉積一薄層金屬，并通過電鍍在硅上形成金屬，濕法刻 蝕去除硅材料得到金屬微米印章；將微納米圖案導入FIB設備中，然后調節FIB的刻蝕參 數在微米印章指定處刻蝕，使離子束能量為1 60kV，刻蝕電流為1 100pA，點刻蝕時間 為0.01 lms，最后在微米印章上形成預先設定的圖案，即得三維微納結構印章。
本發明三維微納結構印章的批量復制方法為將三維微納結構印章和涂聚合物的襯底 一起放入納米壓印設備中加溫加壓，加熱溫度高于該聚合物的玻璃轉化溫度10 100'C， 所加壓力為100~30kN，然后降溫減壓，將印章和襯底聚合物分離，接著用RIE刻蝕去除 殘留的聚合物，以聚合物為掩膜通過RIE刻蝕將聚合物的圖案轉移到襯底上即可。
將聚二甲基硅氧垸預聚體和由含氫聚硅氧烷或多元胺組成的固化劑混合，聚二甲基硅 氧垸預聚體和固化劑的比例為9: 1 11: 1，將該混合物攪拌均勻、脫氣后澆鑄或旋涂于 三維微納結構印章上，固化后從印章上揭開即可。
本發明的有益效果是
1、 綜合了 UV-LIGA工藝和FIB刻蝕技術的優點，既能快速加工微米尺度圖案，又能 在其中繼續加工納米圖案，從而在同一塊印章上可以按需要制備不同長、寬、髙的三維復 雜微納米圖案。
2、 由于UV-LIGA工藝和FIB離子束刻蝕工藝都可以加工高深寬比結構，因此本發明 可制備高深寬比的復雜微納米圖案的印章。
3、 可以批量制備耐受壓力的金屬印章，金屬印章一方面可以延長印章的使用壽命， 另一方面又便于通過施加更大的壓力從而使聚合物更好地填充印章腔體，達到完美復制的目的。
4、本發明通過UV-LIGA工藝和FIB刻蝕技術加工三維復雜微納結構印章并進行納米 壓印，可批量、廉價地復制三維復雜微納結構，包含硬質結構和柔性結構。可滿足微電子 機械技術對大量三維微納米結構的各種需求，可推動微電子機械技術的發展，還可以為生 物醫學領域研究生物芯片和微流體器件等提供具有三維復雜形貌的研究襯底。因此該發明 為微納米極端制造領域提高了一種新的加工方法，對帶動相應領域的研究具有重要意義。
具體實施例方式
本發明首先采用UV-LIGA工藝中的紫外光刻工藝制備微米尺度印章并通過電鍍形成 金屬印章，然后在微米印章上用FIB對微米印章進行刻蝕制備出納米圖案。從而形成微納 米三維復雜圖案印章，最后用印章對聚合物實施納米壓印，批量得到三維復雜微納結構。 如果只用紫外光刻，雖然制備圖案批量化、效率高，但只能得到微米尺度的圖案；如果只 用深紫外光刻或者FIB雖然也可以制備微米圖案，但深紫外光刻成本太高、FIB刻蝕圖案 效率相對較慢，因此只能用于制備納米圖案。
以下對本發明作進一步的說明三維微納結構印章的制備方法具體分兩步驟
1、 UV-LIGA工藝制備微米印章
首先制備UV-LIGA掩膜版，然后利用紫外曝光在硅片的光刻膠上形成微米圖案，紫外 光波波長有436nm、 405nm、 365nm、 248nm、 193nm、 157nra。接著以膠為掩膜對硅進行RIE (反應離子刻蝕，下同)刻蝕，并去膠，形成硅的微米印章。然后通過濺射在硅上沉積一 薄層金屬，并通過電鍍在硅上形成金屬，最后通過濕法刻蝕去除硅材料，得到金屬微米印 章。
2、 FIB對微米印章進行刻蝕制備微納米圖案
首先將微納米圖案導入FIB設備中，然后調節FIB的刻蝕參數，離子源為鎵離子，離 子束能量設定為lkV至60kV之間，刻蝕電流在lpA到100pA之間，點刻蝕時間為0.01ms 至lms之間。使FIB設備在微米印章指定處進行直接刻蝕，最后在微米印章上形成預先設 定的圖案，便可得到三維微納結構印章。
對上述己制備好的三維微納結構印章，用聚合物實施納米壓印，實現三維微納結構印 章的批量復制。用三維微納結構印章對聚合物實施納米壓印可分為兩種工藝， 一種是熱壓 印；另一種是軟刻蝕方法。前一種熱壓印的工藝過程是將具有三維復雜微納米結構的印 章和涂聚合物的襯底一起放入納米壓印設備中，進行升溫加壓，加熱的溫度應該高于該聚 合物的玻璃轉化溫度10攝氏度至100攝氏度之間，施加的壓力在100N至30kN之間。實施納米壓印，然后將聚合物的溫度降低至室溫，并去除加載在印章上的壓力，將印章和襯
底聚合物分離，接著用RIE設備去除殘留的聚合物，并可進一步以聚合物為掩膜通過RIE 刻蝕將聚合物的圖案轉移到襯底上。后一種軟刻蝕的工藝過程是將聚二甲基硅氧垸預聚 體和固化劑的混合物攪拌均勻、脫氣后澆鑄或旋涂于三維印章上，固化后從印章上揭開聚 二甲基硅氧烷，最終得到柔性的聚二甲基硅氧垸三維復雜微納結構圖案。上述固化劑由含
氫聚硅氧烷或者多元胺組成，聚二甲基硅氧垸預聚體和固化劑的比例在9: l至ll: l之 間。
以下通過兩個具體實施例對本發明的技術方案作進一步描述 實施例l
首先制備UV-LIGA掩膜版，然后利用波長為365nm的紫外光進行曝光，在硅片的光 刻膠上形成微米圖案，接著以膠為掩膜對硅進行RIE刻蝕，并去膠，形成硅的微米印章。 將微納米圖案導入FIB設備中，然后調節FIB的刻蝕參數，在微米印章指定處進行直接刻 蝕，離子源為鎵離子，離子束能量為lkV，刻蝕電流在10pA，點刻蝕時間為0.05ms。最 后在微米印章上形成預先設定的圖案。
將聚二甲基硅氧烷預聚體和固化劑的混合物按10:1的比例攪拌均勻、脫氣后澆鑄或旋 涂于三維印章上，固化后從印章上揭開聚二甲基硅氧烷，最終得到柔性的聚二甲基硅氧垸 三維復雜微納結構圖案。 實施例2
首先制備UV-LIGA掩膜版，然后利用波長為365nm的紫外曝光在硅片的光刻膠上形 成微米圖案，接著以膠為掩膜對硅進行RIE刻蝕，并去膠，形成硅的微米印章。然后通過 濺射在硅上沉積一薄層金屬鎳，并通過電鍍在硅上形成金屬鎳層，最后通過濕法刻蝕去除 硅材料，得到金屬鎳微米印章。將微納米圖案導入FIB設備中，然后調節FIB的刻蝕參數， 在微米印章指定處進行直接刻蝕，離子源為鎵離子，離子束能量為20kV，刻蝕電流在30pA, 點刻蝕時間為0. lms。最后在微米印章上形成預先設定的圖案。
用印章對熱塑性聚合物聚甲基丙烯酸甲脂實施熱壓印。熱壓印的工藝過程是將具 有三維復雜微納米結構的鎳印章和涂聚合物的襯底一起放入納米壓印設備中，加溫到120 'C，加壓500N,實施納米壓印，然后降溫減壓，將印章和襯底聚合物聚甲基丙烯酸甲脂 分離，接著用RIE刻蝕去除殘留的聚甲基丙烯酸甲脂，并可進一步以聚甲基丙烯酸甲脂為 掩膜通過RIE刻蝕將聚甲基丙烯酸甲脂的圖案轉移到襯底上即可。
權利要求
1、一種三維微納結構印章的制備方法，其特征是采用以下兩步(1)用UV-LIGA工藝制備微米印章首先制備UV-LIGA掩膜版，然后利用紫外曝光在硅片的光刻膠上形成微米圖案，接著以膠為掩膜對硅進行RIE刻蝕，并去膠，形成硅的微米印章，然后通過濺射在硅上沉積一薄層金屬，并通過電鍍在硅上形成金屬，濕法刻蝕去除硅材料得到金屬微米印章；(2)用FIB對微米印章進行刻蝕制備微納米圖案將微納米圖案導入FIB設備中，然后調節FIB的刻蝕參數在微米印章指定處刻蝕，使離子束能量為1～60kV，刻蝕電流為1～100pA，點刻蝕時間為0.01～1ms，最后在微米印章上形成預先設定的圖案，即得三維微納結構印章。
2、 根據權利要求1所述的三維微納結構印章的制備方法，其特征是所述的紫外曝 光的紫外光波波長為436nm、 405nm、 365nm、 248nm、 193nm、 157nm。
3、 一種三維微納結構印章的批量復制方法，其特征是將三維微納結構印章和涂聚 合物的襯底一起放入納米壓印設備中加溫加壓，加熱溫度高于該聚合物的玻璃轉化溫度 10 100'C，所加壓力為100 30kN，然后降溫減壓，將印章和襯底聚合物分離，接著用 RIE刻蝕去除殘留的聚合物，以聚合物為掩膜通過RIE刻蝕將聚合物的圖案轉移到襯底上 即可。
4、 一種三維微納結構印章的批量復制方法，其特征是將聚二甲基硅氧垸預聚體和 由含氫聚硅氧垸或多元胺組成的固化劑混合,聚二甲基硅氧垸預聚體和固化劑的比例為9: 1 11: 1,將該混合物攪拌均勻、脫氣后澆鑄或旋涂于三維微納結構印章上，固化后從印章上揭開即可。
全文摘要
本發明公開了一種基于UV-LIGA工藝和FIB刻蝕技術的三維微納結構印章的制備及批量復制方法，首先用UV-LIGA工藝制備微米印章，然后用FIB設備對微米印章進行刻蝕制備微納米圖案，使離子束能量為1～60kV，刻蝕電流為1～100pA，點刻蝕時間為0.01～1ms，將所得三維微納結構印章通過熱壓印或軟刻蝕方法對聚合物實施納米壓印，熱壓印方法中的加熱溫度高于聚合物的玻璃轉化溫度10～100℃，所加壓力為100～30kN，軟刻蝕方法中的聚二甲基硅氧烷預聚體和固化劑的比例為9∶1～11∶1。本發明既能快速加工微米尺度圖案，又能在其中繼續加工納米圖案，從而在同一塊印章上按需要制備不同長、寬、高的三維復雜微納米圖案，可批量制備耐受壓力的金屬印章，延長了印章的使用壽命。
文檔編號B81C1/00GK101613076SQ20091018153
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月20日 優先權日2009年7月20日
發明者孫洪文, 林善明 申請人:河海大學常州校區