熱壓印法的工藝過程分三步:壓模製備、壓印過程、圖形轉移。其基本概念是用電子束刻印術或其他先進技術,把堅硬的壓模毛坯加工成一個壓模;然後在用來繪製納米圖案的基片上旋塗一層聚合物薄膜,將其放人壓印機加熱並且把壓模壓在基片上的聚合物薄膜上,再把溫度降低到聚合物凝固點附近並且把壓模與聚合物層相分離,就在基片上做出了凸起的聚合物圖案(還要稍作腐蝕除去凹處殘留的聚合物);圖形轉移是對上一步做成的壓印件,用常規的圖形轉移技術,把基片上的聚合物圖案轉換成所需材質的圖案。
首先是壓模製備,壓模通常用Si,SiO2,氮化矽、金剛石等材料製成[7,8]。這些材料具有很多優良的性質:高Knoop硬度、大壓縮強度、大抗拉強度可以減少壓模的變形和磨損;高熱導率和低熱膨脹係數,使得在加熱過程中壓模的熱變形很小。另外,重複的壓印製作會污染壓模,需要用強酸和有機溶劑來清潔壓模,這就要求製作壓模的材料是抗腐蝕的惰性材料。
壓模的製作通常用高分辨電子束刻印術(EBL),其過程是:先將做壓模的硬質材料製作成平整的片狀毛坯,再在毛坯上旋塗一層電子束曝光抗蝕劑,並用電子束刻印術刻制出納米圖案,然後用刻蝕、剝離等常規的圖形轉移技術,把毛坯上的圖案轉換成硬質材料的圖案。
然後壓印,用納米壓印術製作納米器件所用的基片,例如Si片、SiO2/Si片、鍍有金屬底膜的Si片等,與通常光刻工藝所用的沒什麼不同。熱壓主要步驟如下:
1)聚合物被加熱到它的玻璃化溫度以上 這樣可減少在模壓過程中聚合物粘性,增加流動性。只有當溫度到達其玻璃化溫度以上,聚合物中大分子鏈段運動才能充分開展,使其相應處於高彈態,在一定壓力下,就能迅速發生形變。但溫度太高也沒必要,因為這樣會增加模壓周期,而對模壓結構卻沒有明顯改善,甚至會使聚合物彎曲而導致模具受損;
2)施加壓力 聚合物被圖案化的模具所壓。在模具和聚合物間加大的壓力可以填充模具中的空腔。壓力不能太小,否則,不能完全填充腔體;
3) 模壓過程結束後,整個疊層被冷卻到聚合物玻璃化溫度以下,以使圖案固化,提供足夠大的機械強度;
4)脫模。
壓印後,原聚合物薄膜被壓得凹下去的那些部分便成了極薄的殘留聚合物層,為了露出它下面的基片表面,必須除去這些殘留層,除去的方法是各向異性反應離子刻蝕。
接下來進行的是圖案轉移。圖案轉移有兩種主要方法,一是刻蝕技術,另一種是剝離技術。刻蝕技術以聚合物為掩模,對聚合物下面層進行選擇性刻蝕,從而得到圖案。剝離工藝一般先採用鍍金工藝在表面形成一層金層,然後用有機溶劑進行溶解,有聚合物的地方要被溶解,於是連同它上面的金一起剝離.這樣就在襯底表面形成了金的圖案層,接下來還可以以金為掩模,進一步對金的下層進行刻蝕加工。
熱壓印相對於傳統的納米加工方法,具有方法靈活、成本低廉和生物相容的特點,並且可以得到高解析度、高深寬比結構。熱壓印的缺點是需要高溫、高壓,且即使在高溫、高壓下很長時間,對於有的圖案,仍然只能導致聚合物的不完全位移,即不能完全填充印章的腔體。
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