【《光刻法制备表面多级结构概述》2300字】

光刻法制备表面多级结构概述目录TOC\o"1-3"\h\u1336光刻法制备表面多级结构概述 113281.1.1两步光刻技术 143861.1.2纳米压印光刻技术 2294821.1.3毛细管力光刻技术 3当前，表面多级结构的制备通常是基于两种典型的“自下而上”和“自上而下”实验方法，所制备的表面多级结构可根据其结构特点、材料性质和应用进行分类，如图1-1所示[9]。利用“自下而上”的实验方法（如表面自组装[10]）制备的表面多级结构一般会自动随机聚集或分散，其主要特征是无需使用昂贵的样品、设备和繁琐的工艺即可能制备出具有特殊有序尺寸的表面多级结构。然而，自组装技术常局限于应用范围，无法使尺寸达到较高的精确度，往往会发生随机取向的表面多级结构（图1-1a-b）。对比之下，在光刻技术使用非传统的“自上而下”实验方法（共聚物光刻[11]、纳米转移印刷[12]等）可以获得边界明显的表面多级结构（图1-1c-e），但上述实验方法仍存在许多不足，使产品不能得到广泛应用。因此，后来大量的研究都是基于各种不同的光刻技术，而其他方法都是辅助条件来实现复杂化的表面多级结构的制备。图1-1不同种类的表面多级结构示意图两步光刻技术常规的光刻技术作为一种表面有序多级阵列结构的微纳米加工技术，其原理是通过复刻模板材料的图案来获得有序结构。两步光刻技术的工作机理是基于软刻蚀技术来制备表面多级阵列结构，其核心是利用柔性或弹性体材料（如聚二甲基硅氧烷）作为软模板图案来进行复刻结构。在上世纪九十年代初，由哈佛大学Kumar[13]教授课题组首次提出软刻蚀技术，该技术可以用常规或非常规光刻技术的方式来制备所需的图案化，在制备过程中如果图案化可用，则可直接通过十分简单的方法得到图案化的多个基底。该工艺过程的主要优点是易于制备所需表面形貌特征，并且只需要一个初始光刻步骤即可实现获得图案的多个基底。软刻蚀技术的关键因素是使用柔性或弹性体材料作为复刻模板，因聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有良好的化学稳定性、弹性和较低的表面自由能（21.6dynes/cm2），所以PDMS是此类弹性体材料的典型代表之一，使其能与基底较好分离和重复使用而降低成本，从而在软刻蚀技术中被广泛的应用。Arzt[14]等研究人员首次采用常规的光刻技术，实验的第一步是制备得到第一层有序结构，然后再进行二次实验曝光处理时，对首次处理未曝光区域进行曝光修饰后，再利用软刻蚀技术以PDMS作为弹性体模板材料复刻结构，从而获得表面有序多级结构，如图1-2所示。与传统的光刻技术相比，该实验方法只是在最后一步增加了软刻蚀处理，即达到了多级有序结构的制备，但究其本质而言，仍是由光刻技术来获得规则结构，该工艺过程具有高成本、过程繁琐和具有高度粘性的光致抗蚀剂等缺陷，使得在实际应用中极大降低了材料的可加工性。图1-2多级PDMS柱状结构制备图（左）；多级PDMS柱状结构SEM图（右）纳米压印光刻技术在1995年，纳米压印光刻技术（NIL）由普林斯顿大学华裔科学家周郁首次报道[15,16]。目前，该工艺过程具有高分辨率、低成本等优点，且最先进的程度已经达到5nm以下的水平[17]。纳米压印光刻技术是聚合物表面结构加工的常用方法，其利用高分辨率的电子束方式将复杂的纳米结构图案印在模板基底上，然后用上一步制备好的预图案化模板材料，通过外界施加一定压力使聚合物材料形变而进行图案复刻，待聚合物充分固化成型后将模板材料分离，而实现图案转移。该工艺过程根据压印方式的不同分类，主要包括紫外压印（UV-NIL）[18,19]、热压印（HEL）[20,21]、微接触压印（μCP）[22,23]三种类型。热压印（HEL）技术属于微纳米级尺度，是制备与复刻模板图案的一种低成本而又快速的工艺方法。该工艺过程只需要一个模具，制备特殊的结构则根据具体要求进行复制图案，使得该技术被广泛应用于微纳米加工。HEL工艺的机理是基于基底结构图案化转移，主要步骤是将聚合物加热到玻璃化温度以上使其侧链具有一定流动性，接着施加压力进行复刻图案化，然后迅速降温至玻璃化温度以下使聚合物充分冷却固化后即可实现图案转移，如图1-3所示。纳米压印光刻技术本质上与常规模具图案复制流程是基本是相同的，但与光刻技术相比，它的优点是制备流程快捷、简单和成本低。目前，即使大多数微纳米加工技术的应用还是处于不广泛阶段，但由于高分辨率、低成本、简单快捷等显著优良特性，使纳米压印技术有望在光电器件和射频元件[24,25]、超高密度磁储存器件[26]、生物医学和传感器[27,28]等领域被广泛应用。图1-3热压印示意图（左）；压印结构SEM横截面图（右）毛细管力光刻技术毛细管力光刻技术作为一种非常规的光刻技术已经发展了几十年，该工艺过程结合了软刻蚀技术和纳米压印光刻技术。若在聚合物微纳米成型加工过程中，如果唯一的驱动力是毛细管力，则该成型过程称为“毛细管力光刻”（CFL）。在本世纪初期，韩国科学家Lee[29]等人首次报道“毛细管力光刻”（CFL）技术这一基本工艺概念。然后又由Suh[30]教授提出对毛细管力光刻进行细划分，其依据是基于模具材料大致可将毛细管力光刻技术划分为以下三类：溶剂辅助CFL、温度辅助CFL和紫外辅助CFL，这三种CFL方法可以实现在较大范围内保持原有的模具结构，而不会引起变形或者产生缺陷。毛细管力光刻技术与常规光刻技术相比具有设备简单、分辨率高、周期短、低成本、可大面积大尺寸制备有序阵列结构等诸多显著优点。在研究初期，国内外关于CFL技术研究手段主要在平面上，很少有人将其拓宽到非平面上应用于微纳米加工；同时，该技术产品的应用还处于实验阶段，和实际应用有巨大差距。但经过科研人员的不断努力，在许多方面都得到了极大的改善，如Jeong[31]等采用紫外辅助CFL技术，通过控制部分固化的成型聚合物，在毛细管力的作用下聚合物进入模具的孔隙中，最后在真空辅助成型阶段，部分固化的聚合物