压印技术PPT课件.ppt

纳米压印技术 纳米压印的基本原理纳米压印的基本工艺流程纳米压印的分类 纳米压印技术基本原理 纳米压印技术基本原理通过外加机械力 使具有微纳结构的模板与压印胶紧密贴合 处于黏流态或液态下的压印胶逐渐填充模板上的微纳结构 然后将压印胶固化 分离模板与压印胶 就等比例地将模板结构图形复制到了压印胶上 最后可以通过刻饰等图形转移技术将压印胶上的结构转移至衬底上 实质上就是将传统的模具复型技术直接应用于微纳加工领域 纳米压印技术基本原理 纳米压印技术主要特点 分辨率高效率高成本低 纳米压印的基本工艺流程 纳米压印的基本工艺流程1 模板的制备和表面处理2 压印胶的种类和涂胶方式3 压印及脱模4 图形转移 纳米压印的基本工艺流程 1 模板的制备和表面处理模板制备至关重要 模板的质量很大程度上决定了纳米压印的质量 没有模板压印技术也就无从谈起 模板材料一般有 石英 镍板 Si衬底 PDMS 聚二甲基硅氧烷 IPS等 制备纳米压印模板的方法有 电子束曝光技术 聚焦离子束曝光技术 LIGA技术 极紫外光刻等技术主要为图形制备和图形转移两个过程 如下图 纳米压印的基本工艺流程 电子束曝光技术制备纳米压印模板示意图 a 直接刻蚀 b 沉积再刻蚀 c 电镀法 纳米压印的基本工艺流程 2 压印胶的种类和涂胶方式1 压印胶的种类压印胶通常是高分子聚合物 压印胶选择考量因素 1 在温度和压力变化下尺寸伸缩足够小2 固话后有足够的机械强度3 在压印温度下黏度低4 固化速度要求越快越好5 压印胶要有好的抗刻蚀性能压印胶按成型方式不同可分为 热压印胶和紫外压印胶 热压印胶主要有热塑性压印胶和热固性压印胶 纳米压印的基本工艺流程 2 涂胶方式涂胶方式通常可分为 旋涂 滴胶 滚涂 喷雾 提拉等方法 其中旋涂最为常见 3 压印及脱模纳米压印原理 在制备好的压印模板并将衬底涂好胶后 将两者相对放置 根据使用压印胶的性质不同 调整外加机械压力的大小 温度和时间等条件 使处于黏流态或液态下的压印胶逐渐填充模板上的微纳结构 然后将压印胶固化 脱模 分离模板与压印胶的过程 该过程主要是通过外力破坏固化后的压印胶与模板之间的粘附力的过程 根据纳米压印过程中使用模板不同 脱模方式也不同 主要有两种 1 平行脱模 该方法主要用于模板和衬底都是硬质材料的情况 2 揭开式脱模 主要是用于模板和衬底有至少一个为软材料或薄膜的情况 纳米压印的基本工艺流程 4 图形转移图形转移工艺是通过刻蚀等技术将压印胶上的结构转移到衬底上 纳米压印图形的转移与光学曝光和电子束曝光后的图形转移相同 可以使用化学 物理 或者两者结合的方法 将掩模板上的结构复制到衬底上 湿法刻蚀技术是利用溶液与压印衬底材料之间的化学反应 来去除没有胶保护区域的方法 湿法刻蚀底切现象比较严重 不易在刻蚀过程中保持与原有压印结构的一致性 尤其是具有较小特征尺寸的纳米级图形 容易造成比较严重的结构破坏 湿法刻蚀技术在纳米压印图形转移过程中使用相对较少 干法刻蚀进行图形转移是比较通行的方法 通常有两种方式 一种是将聚合物图形作为模板直接刻蚀 另一种是先沉积金属 然后通过溶脱技术将图形转移至衬底上再刻蚀 直接刻蚀得到的衬底图形结构与模板互为反版结构 沉积后刻蚀得到的衬底图形结构与模板一致 纳米压印的分类 纳米压印的分类 1 热压印2 紫外固化压印3 步进 闪光压印4 基于模板保护的纳米压印5 激光辅助直接压印6 紫外压印和光刻联合技术 纳米压印的分类 1 热压印技术纳米压印技术最基本的工艺是Stephenchou最初提出的热压印技术 是一种热塑性压印胶工艺 首先在衬底上涂上一层薄层热塑形高分子材料 如PMMA 升温并达到此热塑性材料的玻璃化温度Tg Glasstransistiontemperature 之上 热塑性材料在高弹态下 黏度降低 流动性增强 随后将具有纳米尺度的模具压在上面 并施加适当的压力 热塑性材料会填充模具中的空腔 在此过程中 热塑性材料的厚度应较模具的空腔高度要大 从而避免模具与衬底的直接接触而造成损伤 模压过程结束后 温度降低使热塑性材料固化 因而能具有与模具的重合的图形 随后移去模具 并进行各相异性刻蚀去除残留的聚合物 接下来进行图形转移 图形转移可以采用刻蚀或者剥离的方法 刻蚀技术以热塑性材料为掩膜 对其下面的衬底进行各向异性刻蚀 从而得到相应的图形 剥离工艺先在表面镀一层金属 然后用有机溶剂溶解掉聚合物 随之热塑性材料上的金属也将被剥离 从而在衬底上有金属作为掩膜 随后再进行刻蚀得到图形 纳米压印的分类 纳米热压印过程示意图 压印过程温度压力变化曲线示意图 纳米压印的分类 2 紫外固化压印技术紫外固化压印 ultravioletnanoimprintlithography UV NIL 是1996年Haisma等提出 紫外压印整体过程与热压印过程类似 只是在压印过程中引入了紫外光辐照部分 紫外固化压印技术的主要优点 1 压印过程中的压力不像传统热压印中使用的压力那么大 可起到对模板的保护作用 2 不需大幅的升温过程 压印材料是通过紫外光辐照固化的 避免了温度升降导致的压印胶和衬底的变形 3 模板或衬底为透明材料 可以改善传统热压印中难以解决的对准问题 拓展了纳米压印的可能应用领域 4 使用紫外光进行曝光 但图形分辨率并不受曝光波长影响 也不需要复杂的光学成像系统 纳米压印的分类 3 步进 闪光压印1999年Willsion等基于紫外压印技术开发的步进 闪光压印 stepandflashimprintlithography SFIL 技术 步进 闪光压印原理 将透明的石英模板放置在硅衬底相应位置上 留有小量间隙 在间隙中滴入低黏度的紫外压印胶 在毛细管力的作用下 胶将快速填充整个间隙 然后压印 排挤多余的压印胶 经过紫外光辐照令压印胶固化 通常该技术选用的压印胶为含硅比例较高的材料 具有较高的抗刻蚀性 胶薄 紫外固化所需量小 脱模后移动衬底和模板的相对位置拼接对准 反复重复至整个区域完成压印 这样就实现了用一个小面积模板在衬底上实现大面积微纳米结构复制的工艺 模板制备的费用将大大降低 提高了纳米压印技术的应用范围 但该方法存在拼接误差的问题 纳米压印的分类 4 基于模板保护的纳米压印1 PDMS技术及微接触印刷技术微接触印刷技术优点 1 使用的模板通常是柔性模具PDMS材料 可以在不平整表面 或有些许颗粒的表面 或曲面上使模板与衬底接触良好 完成不同形状衬底的印刷2 微接触印刷过程中没有外加应力 只是印刷的过程 2 软模转印技术 IPS TU2 PDMS模板复制示意图 a 在模板上倾倒PDMS b 固化 c 剥离 纳米压印的分类 电微接触印刷技术示意图 a 压印前 b 衬底与模板接触并加电压 c 压印胶的电荷分布图形化 d 脱模 IPS TU2工艺过程示意图 a 压印IPS过程 b IPS转印TU2过程 a b 纳米压印的分类 5 激光辅助压印技术激光辅助直接压印技术是采用准分子激光脉冲将硅衬底表面瞬间加热到熔融状态 同时将具有比衬底熔点高的模板压入熔融的衬底表面 衬底冷却后就在衬底上达到直接复型的目的 然后脱模 该技术不仅可以在硅底上时间超快速直接压印 而且可以在Al Au Cu Ni等金属上进行图形复制 均可得到很好的结果 激光辅助直接压印法的最大特点是不需要加入压印介质 不会出现脱模工艺中已出现的压印胶与衬底剥离的现象 不需要其它