（高分子化学与物理专业论文）用软刻蚀技术制造聚合物微结构.pdf

塑茎 主旦型堂丝查查兰苎主堂丝笙苎 由能呈图案化分布，以此对无机盐类的结晶和高分子的生长聚合进行了诱导成形，并尝试了 直接用聚合物溶液作为“印墨”进行微接触印刷制造聚合物微结构。 ( 1 ) 用盖印基片对无机盐c u s 0 4 5 h 2 0 进行诱导结晶，得到其晶体微点阵；诱导银 镜反应，得到银的微条纹：对有机高分子溶液进行诱导分布，得到了聚合物微条纹。 ( 2 ) 在盖有o t s 的基片上进行聚苯胺的诱导聚合反应，得到图案化的聚苯胺条纹。 随反应时间增加，聚苯胺不断沉积膜层变厚，但时间过长( 2 m i n ) 将会使图形变 得模糊。 ( 3 ) 用聚合物溶液作为“印墨”直接进行微接触印刷制造聚合物微结构，得到了聚 苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯及两者混合物的微条纹，并用双炔酸酯进行了微条纹的 同态聚合。通过多次重复盖印得到了复层立体微结构。对聚合物微接触印刷的过程 进行了观察分析，发现以氯仿为溶剂的聚合物溶液的最佳溶剂挥发时间为1 5 2 0 s 。 3 使用热微模塑的方法直接在可塑性聚合物的表面复制了各种微图形，有效地减小了使 _ i j 聚合物溶液或预聚体时因聚合反应或溶剂挥发带来的较大的收缩率，从而减小图形复制的 失真率。 ( 1 ) 用热微模塑的方法在聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、低密度聚乙烯、聚丙烯等 多种聚合物表面复制了微结构。通过多次重复热模塑得到交叉复层微结构。 ( 2 ) 用微模塑方法在曲面及细小物体上进行了聚合物微结构的复制，并尝试了在 s 0 1 g e l 材料上进行微模塑。 ( 3 ) 对微模塑过程中的温度等影响因素进行了研究讨论。发现温度在微模塑过程中 起着至关重要的作用，过高或过低的温度都不能得到清晰的微结构，合适的温度应 比聚合物的熔化温度稍低，使聚合物处于融化的临界点，既完全软化而又不会沾粘。 同时发现，在进行微模塑时应选用收缩率较小和结晶性较低的聚合物，因为收缩率 较人的材料和结晶性倾向高豹聚合物等在冷却时表面会迅速收缩起皱，破坏所复制 的微结构。 ( 4 ) 在聚合物溶液上进行了微模塑使那些熔点较高的聚合物和聚台物共混物都可 能被用来进行微模塑，可扩大微模塑的材料适用范围。 4 _ l j 毛细微模塑法制作了无机盐类、聚合物溶液等材料的微结构，并尝试了在毛细微通 道中的化学反应，对毛细微模塑的原理进行了初步分析。 ( 1 ) 用多种无机盐类进行了毛细微模塑，发现盐类在微通道中生长的晶体由于受毛 细通道壁的空间限制，晶体只能沿着通道的轴向方向取向生长，有着非常高的纵横 v 1 塑要 主璺型堂垫查查兰堕主堂垡堡苎! 比：通过两种溶液在毛细微通道中的反应，可得到难以溶解的沉淀物质的微结构。 ( 2 1 用多种聚合物溶液进行了毛细微模塑，发现聚合物溶液的毛细微模塑受其分子 量及粘度的影响较大，为此必须选择合适的溶液浓度。浓度越低，溶液进入微通道 的长度也越长。但溶液浓度过稀时，由于大量溶剂的挥发，所制备的条纹会有较大 的收缩率，这会给精确复制微结构带来困难。 5 我们曾用沉积在s i 片上的聚酰亚胺l b 膜经真空热解制成s i c 膜，在论文的第二部分， 我们进一步用x 射线光电子能谱对聚酰亚胺l b 膜的热解过程进行了原位跟踪，并用扫瞄隧 道显微镜( s t m ) 对聚酰亚胺l b 膜及由其热解得到的s i c 薄膜的表面形貌结构进行了观察 分析。结果表明： ( i ) 在有机聚酰亚胺l b 膜真空热解制备无机s i c 薄膜的过程中，约在3 5 0 c 聚酰亚 胺开始分解，至5 0 0 。c 左右分解完全形成无定形c 骨架，在约6 7 0 ( 2 与衬底s i 开始 反应生成s i c 。其后随反应时间延长，膜厚增加直至反应完全。 ( 2 ) s t m 照片显示，热解后的s i c 膜保持了聚酰亚胺l b 膜的规整结构，但分子链的 周期间隔由聚酰亚胺l b 膜的o 4 5n m 缩小为对应于s i c 晶体的0 3n m 。进一步说明 了聚酰亚胺l b 膜与s i 基片的反应，而且反应是在聚酰亚胺分予的格点基础 上进行 、 的，基本保持了聚酰亚胺l b 膜的原始晶格特征。1 关键词：软刻蚀，弹性印章，微接触印刷，微模塑，毛细微模塑，微结构，聚酰亚胺，l b 膜 皇! ! ! ! 竺 ! 里型兰茎查查堂壁主堂焦堡苎 a b s t r a c t s o f tl i t h o g r a p h yi san e w l yd e v e l o p e dn o n p h o t o l i t h o g r a p h i cm i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c h ，w i t hh e l p o ft h em e d i u mp a t t e r n - t r a n s f e re l e m e n t - e l a s t o m e r i cs t a m p ，c a l ld u p l i c a t e m i c r o p a t t e r n se a s i l y a n da c c u r a t e l yf r o mm a s t e r sg e n e r a t e dw i t hc o s t l yc o m p l e xe q u i p m e n t s c o m p a r i n g w i t ht r a d i t i o n a lp h o t o l i t h o g r a p h y , s o f tl i t h o g r a p h yh a sm a n yr e m a r k a b l ea d v a n t a g e s ：t h e p r o c e s si sv e r ys i m p l e w i t hm u c hl o wc o s t ；i td o e s n tn e e dt h ec o m p l e xa n dc o s t l yp h o t o l i t h o g r a p h i c e q u i p m e n t s ，a n dc a nb ep r o c e s s e de a s i l yi nc o m m o nl a b o r a t o r i e s ；o n c et h ee l a s t o m e r i cs t a m pi s m o l d e d ，i tc a nb er e p e a t e d l yu s e dm a n yt i m e sb e f o r ei t sd i s c a r d e d ；i tc a nc o n v e n i e n t l yf a b r i c a t e m i c r o p a t t e m so nl a r g ea r e a sa n di nl a r g eq u a n t i t i e s ；i tc a no v e r c o m e t h e1 0 0 n mr e s o l u t i o nl i m i tt o p h o t o l i t h o g r a p h yr e s t r i c t e db y t h ed i f f r a c t i o no f l i g h t ；i tc a l lf a b r i c a t em i c r o s t r u c t u r e so n b o t hp l a n a r a n d n o n - p l a n a rs u r f a c e s ；i t c a n p r o d u c e n o t o n l y t w o - d i m e n s i o n a l m i c r o p a t t e m s ，b u t a l s o t h r e e d i m e n s i o n a lm i c r o s t r u c t u r e s ；i tc a na p p l yc o n t r o l so np r o p e r t i e so ft h es u r f a c e sb yc h e m i c a l m o d i f i c a t i o n ，e t c t h eo p e r a t i o no fs o f tl i t h o g r a p h yi ss i m p l ea n do ff l e x i b i l i t y , a n d i t c a n ，i f c o m b i n e dw i t ho t h e rm e t h o d ss u c ha ss e l e c t i v ec h e m i c a le t c h i n go rn u c l e a t i o ni n d u c e m e n t ， c o n v e n i e n t l yf a b r i c a t ev a r i o u sm i c r o - ，s u b m i c r o - ，o re v e nn a n o s t r u c t u r e s ，w h i c hm a y b eu s e da s f u n c t i o n a ld e v i c e s t h es t u d yo ns o f tl i t h o g r a p yh a sb o t ht h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n v a l u e i nt h ed i s s e r t a t i o n ，w ec o m b i n e dt h i sn e wm i c r o f a b r i c a t i o nm e t h o di n t ot h ep o l y m e rs t u d y , a i m i n g t of a b r i c a t ev a r i o u sp o l y m e r i cm i c r o s t r u c t u r e s f i r s tw eo p t i m i z e dt h er a t i oo f c o m p o n e n t si n t h es i l i c o nr u b b e ru s e da se l a s t o m e r i c - s t a m pm a t e r i a l s a n di m p r o v e dt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h e s t a m p sb ya d u l t e r a t i o no f m o n t m o r i l l o n i t e t h e nv a r i o u sp o l y m e r i cm i c r o s t r u c t u r a sw e r ef a b r i c a t e d w i t hm i c r o c o n t a c tp r i n t i n g ，m i c r o m o l d i n ga n dm i c r o m o l d i n gi nc a p i l l a r i e s ，a l s od e t a i l so f e a c hc a s e w e r ed i s c u s s e d t h ew h o l ew o r kw a s c o m p o s e do f f o l l o w i n gp a r t s 1 i no r d e rt oh e i g h t e nt h ep r o p e r t i e so ft h ee l a s t o m e r i cs t a m pa n di m p r o v et h ea c c u r a c yo f d u p l i c a t e dm i c r o p a r e m s ，w eo p t i m i z e d t h er a t i oo f c o m p o n e n t s i nt h es i l i c o nr u b b e r ( p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ) w i t hh l x - 1r e s i nc u r e m e t e r , a n dm o d i f i e dt h ep r o p e r t i e so ft h es i l i c o n r u b b e rb ya d u l t e r a t i o no f m o n t m o r i l l o n i t e ，w i t hr e s u l t ss h o w e dt h a t ： ( 1 ) t h eo p t i m u mr a t i oo fh a r d e n e ri ns i l i c o nr u b b e rw a sb e t w e e n2 5 a n d3 o w h e n t h ec o n t e n to fh a r d e n e ri ns i l i c o nr u b b e rw a sm o 心t h a n3 5 t h ec o m p o u n dc u r e d v e r y 塑型 生里型兰塑型型坠兰垡笙苎 f a s t ，a n dm a d e i td i f f i c u l tt od e g a sa n dc a s ti nt h eo p e r a t i o no f s t a m p - m a k i n g w h i l ew h e n t h ec o n t e n to fh a r d e n e rw a sl e s st h a n2 0 i tt o o k t o ol o n gt i m ef o rt h es i l i c o nr u b b e rt o c u r e ，a l s ot h em o d u l u so f t h er u b b e rw a s t o ol o wt ob es u i t a b l ef o rs t a m p m a k i n g ( 2 ) b ya d u l t e r a t i o no fm o n t m o r i l l o n i t e ，t h ec u r es p e e do f s i l i c o nr u b b e rw a sa c c e l e r a t e d a n dt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fs i l i c o nr u b b e rw e r ei m p r o v e d x r dr e s u l t ss h o w e dt h a t m o n t m o r i l l o n i t ed i s t r i b u t e de v e n l yi ns i l i c o nr u b b e r , t h ec o m p o s i t ew s so fe x f o l i a t e d s t a t u s e l a s t o m e r i cs t a m p sm a d ew i t ht h i sk i n do fa d u l t e r a t e dc o m p o s i t eh a do b v i o u s l y e n h a n c e dm o d u l u sa n dl e s ss u r f a c ef l a w sa l s ot h es t a m ph a db e t t e rr e s i s t a n c et os o l v e n t s w e l l i n g t ob eu s e da se l a s t o m e r i c - s t a m pm a t e r i a l s ，t h ea p p r o p r i a t el o a d i n go f m o n t m o r i l l o n i t ei ns i l i c o nr u b b e rw a sb e t w e e n5 a n d1 0 w i t ht h eb e s te f f e c ta ta b o u t1 0 w h e nt h el o a d i n gw a sl e s st h a n5 t h em o d i f i c a t i o ne f f e c tw a sn o te v i d e n t ；w h e nt h e l o a d i n gw a s m o r et h a n1 0 ，t h ec u r es p e e dw a st o of a s ta n dm a d ei td i f f i c u l tt oo p e r a t e 2 m i c r o c o n t a c tp r i n t i n gw a sp r o c e s s e do ng l a s ss l i d e sa n ds i l i c o nw a f e r sw i t ho c t a d e c y l - t r i c b l o r o s i l i c a n e n - h e x a n es o l u t i o n “i n k ”t om a k et h es u r f a c ef r e ee n e r g yo ft h es u b s t r a t e s d i s t r i b u t ea st h em i c r o p a t t e r n se m b o s s e di nt h es t a m p t h e nt h ep a t t e r n e ds u b s t r a t e sw e r eu s e da s t e m p l a t e s t oc o n t r o lt h en u c l e a t i o no fi n o r g a n i cs a l t sa n dp o l y m e r i z a t i o no fp o l y m e r s a l s o p o l y m e r i c m i c r o s t r u c t u r e sw e r ef a b r i c a t e db ym i c r o c o n t a c tp r i n t i n gw i t hp o l y m e rs o l u t i o n sd i r e c t l y u s e da s “i n k ” ( 1 ) m i c r o - a r r a y so f c u s 0 4 5 h 2 0c r y s t a l sa n dm i c r o l i n e so f a g w e r eo b t a i n e db y u s i n g p a t t e r n e d s u b s t r a t e sa st e m p l a t e st oi n d u c et h ec r y s t a l l i z a t i o na n dt h es i l v e rm i r r o r r e a c t i o n ，r e s p e c t i v e l y a l s ot h ep a t t e r n e ds u b s t r a t e sw e r e u s e dt oi n d u c et h ed i s t r i b u t i o no f p o l y m e r s o l u t i o n so nt h es u b s t r a t e s ( 2 ) t h eo t s - p a t t e r n e ds u b s t r a t e s w e r eu s e dt oc o n t r o lt h es o l u t i o np o l y m e r i z a t i o no f p o l y a n i l i n et oo b t a i np a r a l l e la n dc r o s sm i c r o l i n e so fp o l y a n i l i n e t h et h i c k n e s so ft h e p o l y a n i l i n ep a t t e r n si n c r e a s e dw i t ht h ep r o l o n g a t i o no ft i m e ，b u tt o ol o n g e rr e a c t i o nt i m e ( 2 m i n ) w o u l dc a u s et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep a t t e r n e da n dn o n - p a t t e r n e da r e a st ob l u r ( 3 ) m i c r o p a t t e m so fp o l y m e r s l i k e p o l y s t y r e n e ，p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e ，e t c w e r e f a b r i c a t e dw i t hm i c r o c o n t a c tp r i n t i n gb yd i r e c t l yu s i n gp o l y m e rs o l u t i o na s “i n k ”，a l s o m u l t i l a y e rm i c r o s t r u c t u r e so f t h e s ep o l y m e r sw e r eo b t a i n e db yr e p e a t e ds t a m p i n g f u r t h e r o b s e r v a t i o nr e v e a l e dt h a tt h eb e s tv o l a t i l i z a t i o nt i m eo f s o l v e n tw a s1 5 - 2 0 s i x 垒! ! ! ! 竺! 主里登兰垫查查兰堕主兰竺! ! 苎 3 v a r i o u sm i c r o p a t t e m sw e r em a d ed i r e c t l yo nt h es u r f a c e so ft h e r m o p l a s t i c sw i t ht h e r m a l m i c r o m o l d i n g t h es h r i n k a g eo fm i c r o p a t t e m sc a u s e db yt h ep o l y m e r i z a t i o no rv o l a t i l i z a t i o no f s o i v e n tc o u l db er e d u c e di nt h i sw a y , a n d t h ea c c u r a c yo f t h ef a b r i c a t e dp a t t e m sw a sh e i g h t e n e d ( 1 ) m i c r o p a r e m s w e r e p r o d u c e dd i r e c t l y o nt h es u r f a c e so ft h e r m o p l a s t i c s l i k e p o l y s t y r e n e ，p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e ，l o w - d e n s i t yp o l y e t h y l e n e ，p o l y p r o p y l e n e ，e t cw i t h m i c r o m o l d i n g b yr e p e a t e dm i c r o m o l d i n g ，c r o s s e d d o u b l e l a y e r m i c r o s t r u c t u r e sw e r e a l s oo b t a i n e d ( 2 ) m i c r o s t r u c t u r e s o nc u r v e ds u r f a c e so fg l a s sb u r e r e sa n dm i n i - p r o t r u s i o n so f c a p i l l a r i e s w e r ef a b r i c a t e dw i t ht h i sm e t h o d s i 0 2d o t - a r r a y sw e r ea l s o o b t a i n e db y p r o c e s s i n gm i c r o m o l d i n g o ns i 0 2s o l g e l ( 3 ) t w oi m p o r t a n tf a c t o r s i nt h e r m a lm i c r o m o l d i n g ，t e m p e r a t u r ea n dm a t e r i a l s ，w e r e s t u d i e da n dd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt e m p e r a t u r ew a sc r u c i a li nt h ep r o c e s so f m i c r o m o l d i n g ，w h i c hd e t e r m i n e dt h eq u a l i t yo f t h ed u p l i c a t e dm i c r o p a t t e m s a tn e i t h e r t o o h i g h n o rt o ol o wt e m p e r a t u r ec o u l dc l e a r p a t t e r n s b eo b t a i n e dt h es u i t a b l e t e m p e r a t u r ew a ss l i g h t l y l o w e rt h a nt h em e l t i n gp o i n to ft h ep o l y m e r s ，a tw h i c ht h e p o l y m e rw a s a tt h ec r i t i c a ls t a t u so f m e l t i n g - i tw a ss o f t e n e dc o m p l e t e l yb u tn o ts t i c k y i tw a sa l s od i s c o v e r e dt h a tp o l y m e r sw i t hh i g hr a t eo fs h r i n k a g eo rh i g hc r y s t a l l i n i t yw e r e n o ts u i t a b l ei nm i c r o m o l d i n g ，b e c a u s et h eb i gs h r i n k a g ed u r i n gc o o l i n gw o u l dd e f o r mt h e d u p l i c a t e dm i c r o s t r u c t u r e s ( 4 ) m i c r o m o l d i n gw a sa l s op r o c e s s e do nt h i c kp o l y m e rs o l u t i o n s i tm a ye x p a n dt h e a p p l i c a t i o no fm i c r o m o l d i n g t ot h ep o l y m e r sw i t hh i g hm e l t i n gp o i n t so rp o l y m e rb l e n d s a n do t h e rm a t e r i a l s 4 “m i c r o m o l d i n gi nc a p i l l a r i e s ( m i m i c ) ”w a sc a r r i e do u tw i t hv a r i o u sm a t e r i a l s i n c l u d i n g i n o r g a n i cs o l u t i o n sa n do r g a n i cp o l y m e rs o l u t i o n s r e a c t i o n si n c a p i l l a r i e sa n dc r y s t a l l i z a t i o n i n l i m i t e ds p a c e sw e r ea l s oa t t e m p t e d ，t h et h e o r i e so f m l m l cw a sf u n d a m e n t a l l yd i s c u s s e d ( 1 ) d o i n gm i m i c w i t hv a r i o u si n o r g a n i cs o l u t i o n s ，w i t hr e s u l t ss h o w e dt h a t ，d u et ot h e s p a t i a ll i m i t a t i o no f t h em i c r o t u n n e l s ，c r y s t a l sw o u l dg r o w e p i t a x i a l l ya l o n gt h et u n n e l s a n dh a d l a r g ea s p e c tr a t i o w i t ht h er e a c t i o no f t w o d i f f e r e n ts o l u t i o n s ，m i c r o s t r u c t u r e so f i n s o l u b l es a l t sc o u l db eo b t a i n e d ( 2 ) d o i n gm i m i cw i t hv a r i o u sp o l y m e rs o l u t i o n s ，w i t hr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o c e s s x 垒! ! ! ! ! 竺 ! 里型堂彗查查堂堕主兰堡垒堑 w a sh e a v i l yi n f l u e n c e db ym o l e c u l a rw e i g h t sa n dv i s c o s i t i e so fp o l y m e r s ，s om o d e r a t e c o n c e n t r a t i o n sm u s tb ec h o s e ni no r d e rt oo b t a i nd e s i r ep o l y m e rm i c r o s t r u c t u m s t h e l o w e rt h ec o n c e n f f a t i o nw a s ，t h el o n g e rt h es o l u t i o ne n t e r e dt h et u n n e l s b u tw h e nt h e c o n c e n t r a t i o n sw e r et o ol o w , m i c r o p a t t e r n sw o u l dh a v el a r g es b x i n k a g e d u et ot h e v o l a t i l i z a t i o no f s o l v e n t s 5 i np r e v i o u sw o r k ，w eh a v em a n u f a c t u r e ds i cu l t r a t h i nf i l m sb yp y r o l y s i so fp o l y i m i d el b f i l m sd e p o s i t e do ns iw a f e r s i nt h es e c o n dp a r to f t h ed i s s e r t a t i o n ，w ef u r t h e rt r a c e dt h ep y r o l y z i n g p r o c e s so fp o l y i m i d el bf i l m sw i t hx r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p yi ns i t u ，a n do b s e r v e dt h e s u r f a c em o r p h o l o g i e so f p o l y i m i d el bf i l m sa n dt h ep y r o l y z e ds i cf i l m s ，w i t hr e s u l t ss h o w e d t h a t ： ( 1 ) i nt h ep y r o l y s i sp r o c e s s ，p o l y i m i d eb e g a n t o d e c o m p o s e a ta b o u t3 5 0 0 ca n d d e c o m p o s e dc o m p l e t e l ya t a b o u t5 0 0 t ；t o g i v ea m o r p h o u sc a r b o n s k e l e t o na ta b o u t 6 7 0 d c t h ec a r b o ns k e l e t o nr e a c t e dw i t hs io f s u b s t r a t e st of o r ms i c t h et h i c k n e s so f s i c f i l mi n c r e a s e dw i t ht i m eu n t i lt h ee x h a u s to f s k e l e t o nc a r b o n ( 2 ) s t mp h o t o ss h o w e dt h a tt h es i cf i l m sk e p tt h es i m i l a rr e g u l a rs t r u c t u r e st ot h a to f p o l y i m i d el bf i l m s ，w i t ht h ep e r i o d i c a l d i s t a n c e so fm o l e c u l a rc h a i n sc h a n g e df r o m o 4 5 n m ( c o r r e s p o n d i n g t op o l y i m i d el bf i l m s ) t o0 3 r i m ( c o r r e s p o n d i n gt os i cl a t t i c e s ) ， c o n f i r m i n gt h er e a c t i o no fp o l y i m d el bf i l m sw i t hs is u b s t r a t e s ，s u g g e s t i n gt h a tt h es i c f o r m a t i o nr e a c t i o np r o c e e d e do nt h eb a s i so f t h el a t t i c eo f p o l y i m i d em o l e c u l e s k e yw o r k s ：s o f tl i t h o g r a p h y , e l a s t o m e r i cs t a m p ，m i c r o c o n t a c tp r i n t i n g ，m i c r o m o l d i n g ，m i c r o m o l d i n g i nc a p i l l a r i e s ，m i c r o s t r u c t u r e s ，p o l y i m i d e ，l bf i l m 兰二童竺型丝塑叟查墨垄垦塑堡 里型堂垫查查堂堕圭兰竺笙塞 第一章软刻蚀技术的由来及发展概况 1 1 微制造技术的发展历史 微制造技术是用于制造微米以下尺寸结构的技术方法的统称，它在人类文明史上扮演着 重要的角色。我们大家广为熟悉的一个例子是电子元件的日益微型化和计算机性能体积比的 日益提高。从1 9 5 0 年代庞大的电子管到1 9 7 0 年代小巧的晶体管再到今天高度集成的微电子 芯片，从最初占地几十平方米、速度缓慢的第一代计算机到8 0 8 6 ，8 0 2 8 6 再到今天我们广 为使用的p i i i ，p i v ，体积越来越小，但所包含的信息量却越来越大，性能也越来越好。 上世纪六十年代末，现代半导体工业的奠基人g o r d e nm o o r e 就曾预言每十八个月左右单元集 成电路中的晶体管数目将翻番。亦即著名的摩尔定律( m o o r e sl a w ) 。其后数十年半导体 工业的发展历史证实了这一预言( 图1 1 ) 。可以毫不夸张地说，微制造技术为现代科技产业 特别是制造业的发展带来意义深远的“革命”，这在信息产业、微电子和光电子工业等领域表 现得尤为明显。今天，制造更微小结构仍是现代科技工业努力的方向，在这里，“越小越好”。 真正意义上的微制造技术应该首属光刻技术( p h o t o l i t h o g r a p h y ) ，它是微制造领域迄今为 止最为成功的项技术。自1 9 5 9 年问世以来一直是半导体工业的支柱技术，事实上目前所有 的半导体集成电路都是用这种技术生产的。有数据表明单是在美国每秒钟用这种技术生产出 的晶体管就有3 0 亿之多【2 】。 光刻技术从原理上来说是摄影术的发展，是一种投影印刷技术，即利用光刻胶、掩摸板 和紫外光等进行微结构的制造。它可分为两个部分，首先是掩膜( m a s k ) 相当于摄影中 的“底片”的制作，然后是利用掩膜进行复制，相当于摄影中的“翻印”。图1 2 图解了 光刻技术的基本原理，先在常规的大尺度上设计出电路图案，利用激光等技术将此图案转换 为贴在一块透明底版( 通常为玻璃或硅氧) 上的不透明薄膜( 通常为铬膜) 图案，此即掩膜 ( m a s k ) ，其上面有制作微芯片所需要的图案，然后用与摄影暗室中所用的缩图法相似的方法， _ 紫外光透过掩膜、透镜使图案聚焦到硅片表面的聚合物光敏涂层上再将光照的部分去掉， 至此掩膜版上的图案便被复制到微芯片的金属和半导体a c t ”。 作为现行微制造领域的主导技术，光刻术的优点是复制的图形准确、精细，工艺成熟， 适宜大批量生产，是制造微米量级器件的最优秀的方法。但也应该认识到，由于其技术特点 的制约，光刻技术有着诸多的缺陷限制着其自身的发展：一、需要复杂昂贵的光刻设备及苛 刻的实验条件，操作过程繁琐；二、只能在平面上制造微图形无法在曲面上进行微结构的 兰二童竺型丝塑叟查墨垄垦塑堡 里型堂垫查查堂堕圭兰竺笙塞 第一章软刻蚀技术的由来及发展概况 1 1 微制造技术的发展历史 微制造技术是用于制造微米以下尺寸结构的技术方法的统称，它在人类文明史上扮演着 重要的角色。我们大家广为熟悉的一个例子是电子元件的日益微型化和计算机性能体积比的 日益提高。从1 9 5 0 年代庞大的电子管到1 9 7 0 年代小巧的晶体管再到今天高度集成的微电子 芯片，从最初占地几十平方米、速度缓慢的第一代计算机到8 0 8 6 ，8 0 2 8 6 再到今天我们广 为使用的p i i i ，p i v ，体积越来越小，但所包含的信息量却越来越大，性能也越来越好。 上世纪六十年代末，现代半导体工业的奠基人g o r d e nm o o r e 就曾预言每十八个月左右单元集 成电路中的晶体管数目将翻番。亦即著名的摩尔定律( m o o r e sl a w ) 。其后数十年半导体 工业的发展历史证实了这一预言( 图1 1 ) 。可以毫不夸张地说，微制造技术为现代科技产业 特别是制造业的发展带来意义深远的“革命”，这在信息产业、微