软光刻技术的研究现状

大连理工大学研究生试卷系别：机械工程学院课程名称：微制造与微机械电子系统学号：姓名：考试时间：2015年1月15日类别标准分数实得分数平时成绩10作业成绩90总分100授课教师刘冲签字PDMS软光刻技术的研究现状摘要：软光刻技术作为一种新型的微图形复制技术，和传统的光刻技术相比，软光刻技术更加灵活，而且有许多技术方面的优势。软光刻技术已经广泛应用于光学、生物技术、微电子、传感器以及微全分析系统的加工诸领域，并且取得了一定的进展。本文，从软光刻技术的原理、分类、国内外以及我们实验室的应用上来说明软光刻技术的研究现状，是一种很有发展的重要光刻技术。关键词：软光刻技术研究现状应用ResearchStatusofPDMSSoftLithographyAbstract：Softlithographytechnologyasanewtypeofmicro-replicationtechnologygraphics,andcomparedtoconventionallithographictechniques,softlithographytechnologyismoreflexibleandhasmanytechnicaladvantages.Softlithographytechnologyhasbeenwidelyusedinopticalprocessingareassuchasbiotechnology,microelectronics,sensorsandmicrototalanalysissystem,andhasmadesomeprogress.Inthispaper,theprinciplesoftlithographytechniques,classification,abroadandinourlabuponthestatusoftheapplicationofsoftlithography,photolithographytechniqueisaveryimportantdevelopment.Keywords：SoftlithographytechnologyResearchStatusApplication1.软光刻技术概况20世纪90年代末，一种新的微图形复制技术脱颖而出。该技术用弹性模（大多为PDMS材料制作）替代传统光刻技术中使用的硬模来产生微结构或者微模具，被称作软光刻技术[1]。软光刻技术作为一种新型的微图形复制技术，和传统的光刻技术相比，软光刻技术更加灵活，而且有许多技术方面的优势，主要有：能制造复杂的多层结构或者三维结构，甚至能在不规则曲面上来制作模具，而且不受材料和化学表面的限制；能突破光刻技术100nm的限制，实现更为精细的微加工等。此外，它所需设备比较简单，进而在制作成本上也比以前的光刻技术更经济使用。在普通的实验室环境下就能应用，因此软光刻是一种便宜、方便、适于实验室使用的技术。目前，软光刻技术已经广泛应用于光学、生物技术、微电子、传感器以及微全分析系统的加工诸领域，并且取得了一定的进展。1.1软光刻技术的分类软光刻的核心技术是制作弹性模印章（elastomericstamp）。通过光刻蚀和模塑的方法，可以快速、高效的获得这种印章。PDMS，即聚二甲基硅氧烷，是软光刻中最常用的弹性模印章制作材料，在设计过程中应该注意防止在PDMS弹性模上产生缺陷，此外，由于PDMS材料的弹性，过大的深宽比也会导致弹性模结构的倒塌。软光刻的关键技术包括：毛细管成模（micromoldingincapillaries，MIMIC）、再铸模（replicamolding，REM）、微接触印刷（microcontactprinting，uCP）、溶剂辅助成模（solventassistedmicromolding，SAMIM）、微传递成模（microtransfermolding，uTM）等等[2]。毛细管成模（micromoldingincapillaries，MIMIC）是将PDMS模放置于基底上，在保证其与基底表面良好接触的情况下，会形成一个中空的网络通道。在这个时候将液态的预聚合物液体倒入网络通道的端口处，在毛细作用下，液体会自发的逐渐的流入整个毛细管网络。加热干燥后取下PDMS母模，就得到了想要的聚合物微结构，这项技术被称作是MIMIC技术。这项技术要求印模与基底表面良好的接触形成空腔。如果弹性模上的微沟道较长的话，液体流速会减慢，这样充满整个沟道会需要较长的时间。这是因为毛细管径大小对液体充盈速度影响很大；毛细管的充盈速度与液体的粘度、表面张力、已充盈部分的长度和毛细管的半径所共同决定。充盈速率与毛细管横截面成正比，与液体本身的粘度和已充盈的毛细管长度成反比，其速率随着充盈部分的增大而逐渐降低。毛细管的末端，可能会因为压力不够或过大液体无法充盈从而留下缺陷。软光刻再铸模（replicamolding，REM）通常是指用弹性模来重新铸模，而不是刚性模。PDMS模为弹性模，这样剥离过程很容易，这也是再铸模技术的一大优势。在PDMS上再铸模时，由于PDMS为弹性体，可以通过机械压紧、绑缚、拉紧或以上几种方法的叠加，可以获得比原来的模具更小的尺寸。基于再铸模的万法可以制作30nm的有机聚合物结构，其垂直精度达±3nm，故其在生物、化学、MEMS上的应用更加广泛。微接触印刷（microcontactprinting，uCP）也致力于图形的转移，但它并不是一种光刻技术。只有印模和基底良好的接触才能使该技术成功的得到运用。它可以用来在基底上形成不同的化学功能集团的自组织单层（SAMs）图形。其过程非常简单，初学者也能很容易的学会并简单的应用。用一种弹性体PDMS印模通过接触来传递溶液上的分子到底物表面。印刷之后，通过含有第二种分子的稀释液来冲洗基底，从而在该图形的非衍生区生成不同的SAMs。所谓SAMs就是指分子通过非共价键作用而自发形成稳定的、确定的结构，由于最终的结构接近热力学平衡，所以能自发的形成并阻止缺陷的产生。以金表面自组织链烷硫的SAMs为例：十二烷硫醇乙醇溶液被用于做接触印刷，其浓度小于10mM，且研究表明当作用时间大于0.3s就足以在金表面形成高度一致的SAMs图像。金和银是最常用的电极材料，是热和电的优良导体，因此金和银蒸镀表面的uCP技术是研究重点。成形的SAMs可以在选择性湿法腐蚀中作为超薄超薄抗蚀剂，或者作为模板控制结晶、去湿、湿润、生长或者沉积其他的材料。基底的表面粗糙、表面吸收、弹性模的材料特性，尤其是变形特性和扭曲特性，会影响uCP图案的尺寸。溶剂辅助成模（solventassistedmicromolding，SAMIM）是在聚合物基底上制作准三维结构的一种软光刻方法。这种方法不仅有再铸模的特点，而且也兼备了压模的优点．使用这种方法时，一定要选择一种能溶解聚合物基底却不会对PDMS印模产生影响的溶剂，防止PDMS膨胀，如丙酮作为溶剂，聚苯乙烯作为聚合物基底[3]。另外也要求这种这种溶剂要有较高的表面张力和蒸汽压，这样的话，溶剂可以比较快地蒸发多余的水分，使PDMS模的膨胀比变小（如甲醇、乙醇和丙酮）。SAMIM过程：先用适当的溶剂使用蒸发的方法沾湿PDMS模的表面，还需将印模紧密地压在基底上，溶剂会溶解一层聚合物，之后被填充于印模空隙中，这样拔模之后会形成与印模图形互补的微结构。微传递成模（microtransfermolding，uTM）是把预聚合物液体滴入在PDMS模具表面，过多的液体可以这样去除：用扁平的弹性块刮走，或用气体吹去，如氮气。盛满液体的PDMS模在高温条件下与底物相接触，当注入内部的液体在高温时干燥成固体，小心的将弹性模拔去，这样就在底物表面留下一个聚合物微结构。微传递成模能够同时产生多个单独或者相互联系的微结构，即使在不平滑地表面上也能生成微结构，另外，既可以一层层地建立三维结构，也可以在较大面积的基地上生成想要的微结构。但是这种方法也有缺陷，主要是在基底上制作微结构后，难免会在基底上残存一层聚合物膜，约100µm厚。这层膜将阻碍基底和化学蚀刻剂接触，从而使得这个微结构不能在蚀刻中作为掩模[4]。当然,软光刻技术在微加工中的应用中存在一些缺陷也是在所难免的,PDMS固化后有收缩变形，而且在甲苯和乙烷的作用下，深宽比也会出现一定的改变；PDMS这种材料，本身就具有弹性和热膨胀性，使其很难获得很高的精确性，这使得这种材料在软光刻技术的应用中受到限制；由于弹性模太软，无法获得大的深宽比，太大或太小的宽深比都可能导致微结构的变形或扭曲，甚至这些微结构会倒塌。但是这些都不足以阻止PDMS这种材料在软光刻技术中的广泛应用。相信随着研究的进一步深入，将会找到各种办法来弥补上述的不足。2.软光刻原理2.1聚二甲基硅氧烷(PDMS)介绍Polydimethylsiloxane简称为PDMS，中文名为聚二甲基硅氧烷。它是软光刻技术中最常用的弹性模材料，相对于其他弹性材料如聚酰亚胺、树脂和聚氨酯等等，PDMS具有下面的特点：①适用于底物表面大面积成模，并与底物可以有良好的接触，广泛用于非平面的表面微图案的转移复制。②PDMS具有化学惰性，而且成模界面自由能较低,制模过程中PDMS吸附底物过程是可逆的，而且处理后很容易取下；这个化学惰性对于图形转移复制来说是非常重要的。③PDMS具有各向同性，且透射能力可深达300µm，而且光学特性良好，广泛应用于多种光学检测系统中。④这种材料有良好的绝缘性和热学稳定性，在连续的时间段内可重复使用上百次而无明显变形和性质改变现象，价格便宜，可大规模生产。⑤PDMS和固化剂添加比例一般为10:1，由于加热能使交联过程加速，所以我们实验室一般都是在真空烘箱内80摄氏度烘1个小时来完成固化过程（或者也有文献中使用70摄氏度烘2个小时），当然，固化之前也要进行抽真空来排除溶于材料中的气体气泡。固化剂增多会使交联的结构增多，从而使形成固化后的弹性体硬度增大，固化剂减少则恰恰相反。通过加热可以使其固化，形成所需的含有微结构的弹性体块。图1示出了PDMS含有的两种成分，图2从分子层面显示了PDMS的交联反应过程[5]。图1PDMS的两种成分1）为硅氧烷低聚体，2）为硅氧烷交联体图2PDMS形成的交联反应过程鉴于PDMS的化学及物理性状，这也是PDMS这种材料特别适应于作为软光刻技术中的弹性模，来完成图形的转移和复制。PDMS作为弹性模复制微结构的工艺过程如图3所示。在该过程中应特别注意：PDMS这种材料的弹性和柔软性，防止产生缺陷[6]，如粘结、重力等有时可能使微结构倒塌，如图3D；过大的深宽比也会使微结构产生倒塌，Delamarche研究团队证明了深宽比在0.2至2的范围内可以得到没有缺陷的模具。另外，在发生倒塌的情况下，用化学药品，如月桂基磷酸钠和庚烷先后冲洗可以恢复部分倒塌的部分；通常PDMS在干燥后会有1％的收缩，一旦接触了非极性的溶剂，如甲苯、已烷等会发生膨胀变形。要想获得所需设计形状模，控制软光刻过程中弹性模的变形程度是关键的因素。当然，这种材料在微加工中的应用也还存在着一些不可避免的缺陷：①固化后的收缩变形，而且在非平面的组织溶剂，如甲苯和乙烷的作用下，高深宽比的部分将出现一定的膨胀；②PDMS本身的弹性和热膨胀性使其很难获得高的精确性，这也是软光刻技术在多层面的微加工中受到局限的一个原因；③由于PDMS具有柔软性，无法获得大的深宽比，太大或太小的宽深比都将导致微结构的变形或扭曲，如图3D所示。但是这些都不妨碍PDMS在软光刻技术中的广泛应用。相信随着研究的进一步深入，将会找到各种办法来弥补PDMS的不足[7]。图3PDMS弹性模的制作过程表1光刻技术与软光刻技术的比较图5为光刻技术与软光刻技术的工艺过程的比较图，前半部分的步骤基本与传统的光刻相同，它为下半部分提供了图形复制和转移的原始模板。软光刻技术可以利用这一原始的模板复制或者转移精确的图形，从而能够获得更小尺寸的微结构和三维结构。图6为软光刻技术工艺流程图。图5光刻技术与软光刻技术