電場(chǎng)誘導(dǎo)壓印模具的套刻制備及其實(shí)驗(yàn)

黎相孟，田洪淼，祝錫晶

（ 1. 中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051；2. 西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049 ）

電場(chǎng)誘導(dǎo)納米壓印技術(shù)是新一代納米壓印光刻技術(shù)[1-4]。 納米壓印技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)之一就是模具的制備，其關(guān)鍵在于模具能順利實(shí)現(xiàn)壓印光刻膠填充且易脫模，以實(shí)現(xiàn)壓印光刻微納米結(jié)構(gòu)的完整復(fù)制。 西安交通大學(xué)丁玉成、邵金友課題組開發(fā)了一種電場(chǎng)誘導(dǎo)納米壓印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大面積模板調(diào)制的功能化聚合物微納米結(jié)構(gòu)的成形制備[5-10]。 目前，制備壓印光刻模具的方法主要是基于光刻和刻蝕。

1 電場(chǎng)誘導(dǎo)壓印技術(shù)原理

電場(chǎng)誘導(dǎo)壓印技術(shù)的原理見圖1。 電場(chǎng)誘導(dǎo)壓印所采用的模具相對(duì)于圖2 所示的傳統(tǒng)納米壓印技術(shù)而言，其最大的區(qū)別在于微結(jié)構(gòu)與光刻膠之間存在一定的間隙， 該間隙需特定的支撐架來保證。本文將進(jìn)一步探討在光刻、刻蝕的基礎(chǔ)上，利用具有一定機(jī)械強(qiáng)度的聚合物微結(jié)構(gòu)作為支撐架，制備出電場(chǎng)誘導(dǎo)模具。

光刻工藝是半導(dǎo)體工藝的基礎(chǔ)，集成電路制造過程離不開光刻[11-12]。 光刻可形成用于刻蝕的掩膜窗口，便于圖形轉(zhuǎn)移。 在傳統(tǒng)光刻工藝中，光刻膠用于刻蝕二氧化硅層，該層結(jié)構(gòu)作為刻蝕下層功能結(jié)構(gòu)的掩膜如多晶硅層，便于后續(xù)的PN 結(jié)擴(kuò)散摻雜；另外還作為掩蔽層用于發(fā)光二極管（LED）生產(chǎn)工藝中，可刻蝕GaN 層形成光子晶體結(jié)構(gòu)。 在光刻技術(shù)中，尤其是紫外光刻主要包括投影式、接近式和接觸式三種曝光方式。 本文采用接觸式掩膜曝光方式， 利用波長(zhǎng)365 nm 的近紫外汞燈光來實(shí)現(xiàn)光刻膠圖形化。

光刻的主要原理是利用紫外光對(duì)光刻膠（即一種對(duì)紫外光敏感的樹脂材料） 進(jìn)行紫外曝光時(shí)，其分子發(fā)生降解而形成酸性成分或發(fā)生進(jìn)一步的交聯(lián)聚合，前者會(huì)在堿性稀溶液中發(fā)生溶解，不曝光部分被保留， 這類光刻被稱為正性光刻膠，如EPG533A、AZ4620 等； 后者交聯(lián)的部分被保留，未交聯(lián)部分被顯影液溶解，如SU-8[13]，被稱為負(fù)性光刻膠。 光刻顯影后獲得的光刻膠結(jié)構(gòu)，一般作為轉(zhuǎn)移到下層的掩蔽層以刻蝕硅模具。 本文主要采用的光刻膠包括EPG533A 及SU-8 2025，前者可作為光刻膠刻蝕掩蔽層，后者可在制備的硅模具基礎(chǔ)上作為電誘導(dǎo)模具的支架結(jié)構(gòu)（圖3）。

套刻工藝在光刻工藝中較常用，一般用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)圖層的嵌套制備。 套刻需采用第二套掩膜板，與第一套掩膜有對(duì)應(yīng)的十字對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，在雙面對(duì)準(zhǔn)曝光系統(tǒng)中則需借助可視化設(shè)備等實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)曝光。為了制備適用于電場(chǎng)輔助誘導(dǎo)壓印的模具，本文采用SU-8 負(fù)性光刻膠的紫外光刻和套刻工藝， 實(shí)現(xiàn)了不同尺度的光柵、孔槽等微米量級(jí)的結(jié)構(gòu)，獲得了幾何尺寸結(jié)構(gòu)均勻且性能良好的電場(chǎng)誘導(dǎo)模具微結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用的主要材料包括P 型高摻雜硅基材和ITO 透明導(dǎo)電玻璃基材、 正性光刻膠EPG533和負(fù)性光刻膠SU-8 2025，輔助材料為去離子水、氮?dú)?、丙酮、無水乙醇及SU-8 膠顯影劑等。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置包括：旋涂機(jī)、烘膠臺(tái)（用于制備光刻膠薄膜）、紫外光刻機(jī)（用于光刻曝光）、顯影池（用于顯影光刻膠圖形化）、ICP 刻蝕機(jī)（用于刻蝕硅模具微結(jié)構(gòu)）、 去膠機(jī) （用于去除不需要的光刻膠）和磁控濺射鍍膜機(jī)（用于制備鉻薄膜掩蔽層）。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

（1）光刻。 經(jīng)過大量正交試驗(yàn)獲得了相對(duì)優(yōu)化的光刻參數(shù)，比如光刻膠的旋涂速度與時(shí)間、前烘的時(shí)間和溫度、曝光劑量、中烘的時(shí)間和溫度、顯影的時(shí)間、后烘的時(shí)間和溫度等。 具體而言，采用紫外光刻法制備正性光刻膠圖案， 先用旋涂機(jī) （參數(shù)：300 r/min-10 s、1000 r/min-30 s）在高摻雜硅基材表面制備厚度約1 μm 的EPG533 光刻膠薄膜； 經(jīng)過前烘（90 ℃、3 min），將事先制備好的具有微結(jié)構(gòu)圖案的光刻掩膜板置于波長(zhǎng)365 nm 的雙面對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)上，通過調(diào)節(jié)設(shè)備與光刻膠薄膜接觸，曝光7 s；再將中烘（95 ℃、1 min）的樣片置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5‰的NaOH 水溶液中浸泡15 s 進(jìn)行顯影，獲得光刻膠圖案；最后經(jīng)過氮?dú)獯蹈?、后烘?10 ℃、30 min），獲得較堅(jiān)固的光刻膠掩膜圖案。

（2）干法刻蝕。 將基于步驟（1）獲得的EPG533圖案作為掩蔽， 采用等離子體刻蝕ICP/RIE 干法刻蝕的Bosch 工藝 （氣體流量為SF6∶C4F8=100 sccm∶100 sccm，時(shí)間步長(zhǎng)為7 s 和5 s 交替進(jìn)行，每步獲得約1 μm 刻蝕深度）， 最終制備了厚度10～50 μm的硅微結(jié)構(gòu)。 通過去除殘余光刻膠，獲得所需的硅微結(jié)構(gòu)。 若需實(shí)現(xiàn)較大程度的刻蝕，則需采用磁控濺射鍍膜及Lift-off 剝離光刻膠的方法事先制備好鉻層圖案，再以此為掩膜進(jìn)行深干法刻蝕，以制備更高的結(jié)構(gòu)（厚度50 μm 以上）。

（3）支架套刻。 采用SU-8 2025 負(fù)性光刻膠，在300 r/min-10 s、2000 r/min-30 s 的旋涂參數(shù)條件下獲得了厚度約為15 μm 的光刻膠層，還利用套刻掩膜板，經(jīng)過紫外光刻、烘烤及顯影等工藝步驟，在硅結(jié)構(gòu)樣片表面制備了電場(chǎng)誘導(dǎo)支架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而形成了電場(chǎng)誘導(dǎo)模具。

（4）形貌觀察。 采用白光干涉測(cè)量?jī)x和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)模具結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，并獲得了三維結(jié)構(gòu)及其輪廓。

（5）電場(chǎng)仿真分析。采用Comsol Multiphysics 多物理場(chǎng)耦合軟件對(duì)電場(chǎng)誘導(dǎo)裝置進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真分析，對(duì)比不同間隙高度情況下的電場(chǎng)分布。

3 結(jié)果與討論

圖4 和圖5 分別是基于EPG533 光刻膠掩蔽進(jìn)行刻蝕后獲得的不同高徑比微結(jié)構(gòu)的白光干涉測(cè)量照片。其中，圖4 所示為直徑30 μm、周期45 μm、刻蝕深度約為13 μm 的微米尺度圓柱陣列結(jié)構(gòu)；圖5 所示為直徑10 μm、周期30 μm 的方形柱子陣列，其高度同樣約為13 μm。 可見，刻蝕的硅結(jié)構(gòu)表面十分均勻，高度一致性好。 由于受刻蝕工藝的局限，所制備的微結(jié)構(gòu)并非陡直而是具有一定的傾斜度。

圖6 是基于金屬鋁濺射薄膜剝離結(jié)構(gòu)薄層為掩蔽所制備的刻蝕深度較大的異形硅結(jié)構(gòu)，包括直徑30 μm、高度50 μm 的圓柱和長(zhǎng)、寬、高分別為150、30、50 μm 的方形柱子。由于光刻膠EPG533 所能達(dá)到的刻蝕比約為1∶10，難以獲得1∶50 以上的刻蝕比， 若采用鋁的剝離圖形為掩蔽和Bosch 刻蝕工藝能獲得較大的刻蝕深度，從理論上說能將硅結(jié)構(gòu)完全刻透。 但是，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)深度僅需50 μm即可滿足要求。

圖7 是套刻成功的電場(chǎng)誘導(dǎo)模具微結(jié)構(gòu)形貌，為SU-8 2025 光刻膠套刻做電場(chǎng)誘導(dǎo)模具支架結(jié)構(gòu)。 利用掩膜板對(duì)準(zhǔn)套刻在已制備模具結(jié)構(gòu)的4 英寸硅基材表面低洼區(qū)域制備一層相比模具特征結(jié)構(gòu)高出5～10 μm 的支架結(jié)構(gòu)，SU-8 長(zhǎng)方形柱子的長(zhǎng)、寬尺寸為20 μm×10 μm，高度約20～25 μm，套刻精度達(dá)到2 μm。 除了作為支架，制作的SU-8 結(jié)構(gòu)能起到絕緣作用，防止模具電極與導(dǎo)電基材發(fā)生短路而無法施加電壓。 支架頂部與模具凸起結(jié)構(gòu)的高度差便于采用電場(chǎng)誘導(dǎo)壓印工藝生長(zhǎng)微米級(jí)復(fù)型結(jié)構(gòu)，如柱面透鏡等[7]。

本文基于所制備的電場(chǎng)誘導(dǎo)壓印模具，搭建了電場(chǎng)誘導(dǎo)壓印膠成形實(shí)驗(yàn)裝置。 采用導(dǎo)電膠將帶有支架的硅模具結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電玻璃進(jìn)行鍵合，并置于上方作為蓋板，在透明導(dǎo)電基材表面旋涂一層厚度約為5 μm 的壓印光刻膠，使蓋板與基材相互貼合，并利用結(jié)構(gòu)表面的支架形成間隙；在導(dǎo)電層表面連接100 V 的直流電壓，進(jìn)行電場(chǎng)誘導(dǎo)生長(zhǎng)；采用紫外燈對(duì)電場(chǎng)誘導(dǎo)成形結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻照固化。 電場(chǎng)作用克服了壓印光刻膠的表面張力和粘滯阻力，誘導(dǎo)其按照電場(chǎng)強(qiáng)度的大小作用形成了與微結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)復(fù)制的正向結(jié)構(gòu)[8]。 靜電場(chǎng)分析結(jié)果見圖8。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在電場(chǎng)誘導(dǎo)壓印膠微結(jié)構(gòu)成形過程中，隨著間隙高度增大5 μm（相對(duì)值下降14%），電場(chǎng)強(qiáng)度急劇下降（相對(duì)值下降約50%），說明電場(chǎng)強(qiáng)度受微結(jié)構(gòu)的影響很大。

圖9 是制備的電場(chǎng)誘導(dǎo)成形結(jié)構(gòu)的SEM 照片。可見，所制備的壓印光刻膠圖案與電場(chǎng)誘導(dǎo)模具的微結(jié)構(gòu)形狀相似，由此進(jìn)一步驗(yàn)證了采用本方法制備的強(qiáng)調(diào)制電場(chǎng)誘導(dǎo)模板具有較好的調(diào)制聚合物生長(zhǎng)能力的可行性[8]。

4 結(jié)束語

本文研究了電場(chǎng)誘導(dǎo)壓印模具的制備工藝，主要通過紫外光刻工藝和等離子體刻蝕工藝，在硅基材表面制備不同高寬比或高徑比的模具微結(jié)構(gòu)，通過套刻工藝獲得了SU-8 膠的支撐架結(jié)構(gòu)； 利用所制備的電場(chǎng)誘導(dǎo)壓印模具搭建了電場(chǎng)誘導(dǎo)成形實(shí)驗(yàn)裝置，成功誘導(dǎo)了壓印膠結(jié)構(gòu)成形，結(jié)果表明所制備的壓印膠誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)與模具微結(jié)構(gòu)基本吻合。 根據(jù)Comsol 仿真分析發(fā)現(xiàn)，模具結(jié)構(gòu)與壓印膠表面的間隙高度對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響較大， 即間隙越大，電場(chǎng)強(qiáng)度越?。环粗?，間隙越小，電場(chǎng)強(qiáng)度越大。