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《上海交通大学》 2007年
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微纳压印关键技术研究

孙洪文  
【摘要】: 传统微电子工业中所使用的紫外曝光光刻技术面临昂贵的光刻设备和复杂的技术难题,如避免光学衍射和透镜材料选择等。而微纳米压印技术只需制作一块印章就可以运用物理原理复制出许多图案化的微纳结构,具有简单易行、成本低廉、批量高效等优点。但是,现行压印技术存在诸多缺点,如制备印章需要较长时间,压印所需温度过高等。本文尝试采用加工印章的新方法对低玻璃化温度的聚合物实施低温压印和室温压印,并进行工艺优化。 压印技术具体可分为热压印、紫外压印和微接触印刷为代表的软刻蚀技术。热压印所用的印章通常为硬质材料,而紫外压印和软刻蚀可以使用柔软的PDMS印章来转移图案。目前PDMS印章制备主要是在母板上浇铸而成,需要长时间占用母板进行固化,本文开拓新的批量加工PDMS印章的方法,主要有旋涂法和热压法(MMS技术)大规模制备PDMS印章。旋涂法是在母板上旋涂而非浇铸然后固化,该技术固化时间短、复制品均匀、且与微电子工艺兼容。MMS技术先通过热压印的方法制备聚合物模板,以此作为中间媒介,旋涂或浇铸PDMS预聚体和固化剂的混合物至聚合物模板上,最后固化脱模即可以达到批量生产PDMS印章的目的。由于热压印所需时间较短,热压印一次后,母板可以继续用于热压印而不像传统方法中母板一直被占用,这样在短时间内即可压印出大量的聚合物模板,继而复制出大量的PDMS印章。 制备热压印印章通常使用效率低下的电子束逐行扫描,然后用反应离子刻蚀(RIE)进行刻蚀,本文提出采用聚焦离子束(FIB)的方法直接在衬底上刻蚀出所需的印章,且并不需要RIE过程,用该方法的另一个显著特点是可在同一块衬底上同时加工微米、纳米量级的复杂图案,结合微纳压印技术,可以达到同时复制微纳图案的目的。无论是硅基底还是金衬底,线条,曲线或者奥运、世博会徽等复杂图案,都可以得到比较均匀致密的微纳米图案印章。另外一种高效制备微纳米压印印章的方法是全息曝光结合感应耦合等离子体刻蚀(ICP)的方法。利用这种方法,成功制作了几种不同周期,不同深度的熔融石英深刻蚀光栅。 通常压印的材料PMMA、PC具有玻璃化温度高的缺点,本文尝试采用新的压印材料PETG、SU-8 2000.1、Hybrane胶等,它们的共同点是玻璃转化温度很低,可以在较低的温度下进行压印且复制精度高。不同点是PETG适用于微米压印,SU-8 2000.1和Hybrane适用于纳米压印,Hybrane还可在室温下进行压印。 从理论角度改善压印工艺:(a)根据FIB刻蚀形成U型槽的特点推导了聚合物填充印章所需的时间;(b)经过对压印过程的仔细分析,发现压印过程中起实质作用的是有效压强,可以采用梯度压力法来缓解对印章的压力损伤;(c)分子动力学模拟(MD)具有沟通宏观特性和微观结构的作用,利用MD方法,分析了含氟物质和二氧化硅衬底之间的相互作用能,发现CF2与SiO2衬底间的相互作用能较小。根据理论分析,采用RIE中CHF3和SF6进行干法抗粘,另外还采用了(1,1,2,2 H过氟辛基)-三氯硅烷湿法形成自组装分子层的方法进行湿法抗粘。实验中采用正交法来进行工艺参数的优化,分别使用不同的印章对玻璃化温度只有55℃的SU-8 2000.1和可以在室温下压印的Hybrane胶和抗RIE刻蚀能力好的mr-I 9020胶进行纳米压印研究。用SEM、AFM等进行表征,各种图案复制的精度都很高,能较精确地复制印章中的图案。 微纳米压印技术可用于批量、廉价加工聚合物光栅、柔性光栅等;还可以广泛用于生物领域,如转移蛋白图案和为细胞定向生长提供衬底。使用线宽550 nm沟槽和线条均匀组成的石英印章压印培养皿材料PS和PETG,在图案化的培养皿材料PS上生长SD大鼠成骨细胞和C6神经细胞;在图案化的PETG衬底上培养血管平滑肌细胞。这三种细胞在周期性线条图案上都沿着沟槽指定的方向拉长生长,表明压印后的微纳结构对细胞生长具有良好的导向作用。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN405

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