纳米印刷工艺原理
纳米印刷的工艺
1.热压印纳米图像印刷工艺
热压印纳米图像印刷工艺，简称热压印工艺。它是在微纳米尺度获得并行复制结构的一种成本低而速度快的方法，仅需一个模具，完全相同的结构可以按需复制到大的表面上。在基板上涂布热可塑性树脂（如聚甲基丙烯酸甲酯等），当基板温度升高至105℃（聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化温度）以上时，树脂就变得柔软而富于可塑性。这时，把模具压印在基板的树脂膜上，树脂被挤压并完全填满模具与基板间的所有缝隙。当温度冷却并重新返回其玻璃化温度（105℃）以下时，被挤压成型的树脂膜就固化定型。取出模具，纳米凹凸图像就被转印到基板的树脂膜上了。我们把这种热压印、冷定型的图像转印工艺称为热压印纳米图像印刷工艺。热压印法的工艺过程分三步：压模制备、压印过程、图案转移。
（1）压模制备。通常采用高分辨电子束刻印术（EBL）完成。将Si，SiO2，氮化硅、金刚石等硬质材料做成平整的片状毛坯，在毛胚上旋涂一层电子束曝光抗蚀剂，用电子束刻印术刻制出纳米图案，然后用刻蚀、剥离等常规的图形转移技术，把毛坯上的图案转换成硬质材料的图案。
（2）热压印。加热可塑性树脂，使之达到玻璃化温度以上，把有图案的模具压印在基板的树脂膜上，使树脂完全填充到模具的空腔中。模压过程结束后，冷却至可塑性树脂玻璃化温度以下，使图案固化。通过各向异性反应离子刻蚀除去残留的聚合物层，露出下面的基片表面。
（3）图案转移。图案转移主要有两种方法，一是刻蚀技术，另一种是剥离技术。刻蚀技术以聚合物为掩模，对聚合物下面层进行选择性刻蚀，从而得到图案。剥离工艺一般先采用镀金工艺在表面形成一层金，然后用有机溶剂进行溶解，有聚合物的地方要被溶解，于是连同它上面的金层一起剥离。这样就在衬底表面形成了金的图案层，接下来还可以以金为掩模，进一步对金的下层进行刻蚀加工。
热压印纳米图像印刷工艺特点有：工艺简单，可大批量加工产品；在大面积基板（如300 mm直径的硅片）上能制作出各部位都均匀的纳米凹凸图像；模具与基板在压印中的定位精度不够高，另外，在图像转印过程中，由于热膨胀、冷收缩的原因，图形的转印精度也不很理想，因此，常常在图像精度没有太高要求的领域而获得应用；因在图像热压转印中，加热与冷却的时间较长，高效率地转印图像较困难；在基板上，既可制作单层，也可制作多层纳米结构图形。
2.光纳米图像印刷工艺
光纳米图像印刷工艺，也称UV纳米图像印刷工艺，此工艺属室温图像印刷工艺中的一种类型，其模具为石英玻璃压模（硬模）或PDMS压模（软模），而基板上的聚合物为紫外线固化树脂。该工艺的流程如下：被单体涂覆的衬底和透明压模装载到对准机中，通过真空被固定在各自的卡盘中，当衬底和压模的光学对准完成后，开始接触。透过压模的紫外光促使压印区域的聚合物发生聚合反应，固化成型。接下来的工艺类似于热压印工艺。
光纳米印刷的新发展是步进－闪光压印。步进－闪光压印法与热压印技术相比，主要在“压印过程”有所不同。它不是把加热后的聚合物层冷却，而是用紫外光照射室温下的聚合物层来实现固化。该方法旋涂在基片上的聚合物在室温下就有较好的流动性，压印时无需加热。所用压模对紫外光是透明的，通常用SiO2或金刚石制成，并且压模表面覆盖有反粘连层。其工艺过程如下：先在硅基片上旋涂很薄的一层有机过渡层，再把室温下流动性很好的聚合物－感光有机硅溶液旋涂在基片有机过渡层上作为压印层。在压印机中把敷涂层的基片与上面的压模对准，把压模下压使基片上感光溶液充满压模的凹图案花纹，用紫外光照射使感光溶液凝固，然后退模。压印后，还要用卤素刻蚀、反应离子刻蚀等除去凸图案以外那些被压低的压印层和转移层。此外再用刻蚀等图案转移技术进行后续加工。
光纳米印刷相对于热压印来说，不需要高温、高压的条件，加工精度高，清晰度好；图像转印速度快，生产效率高；模板等基板的印刷压力小，通常仅是热压印工艺的1/5～1/10；能够实现局部照射固化，可以用小压模在大面积基片上步步移动重复压印出多个纳米图案。但其缺点是需要在洁净环境下进行操作。
3.柔性纳米图像印刷工艺
柔性纳米图像印刷工艺，简称纳米柔性印刷工艺。它最突出的特点是采用柔性橡胶（一般用硅橡胶）作纳米图像印刷的印版（模具），通过接触印刷的方法，用于纳米结构图形的加工与制作。由于印版柔软而富有弹性，故可以将它安装在滚筒上，实施曲面印刷。
实现纳米图像的柔性印刷的第一步是具有纳米凹凸图像的硅橡胶印版的制作。其制作方法如下：首先，根据设计图形的要求，利用特定的光或电子束对带有电子抗蚀剂（聚甲基丙烯酸甲酯）的基板曝光，并刻蚀出相应的纳米凹凸图形，将它作为临时性的模具，并在其上面滴入聚二甲基硅氧烷（制备硅橡胶之原料）溶液，待其流平后，对其进行加热处理，使硅橡胶膜发生交联固化。待温度返回室温后，从临时模具的一端，用专用工具把已形成图像的硅橡胶膜剥离下来，一块完整的硅橡胶印版（模具）便制成。
柔性纳米印刷工艺有以下几种工艺方法
（1）微接触印刷技术（mCP）
所谓微接触印刷技术，那就是将有机高分子溶液作“油墨”，涂于硅橡胶印版的图像部分，通过微接触印刷的方法，将印版凸起处的有机高分子转移至被印基板表面。由于发明者的巧妙设计，有机高分子被牢牢地吸附在基板表面上，形成分子厚度的凹凸图像。人们把这种技术称为微接触印刷技术。
（2）毛细管微造型术（MIMIC）
所谓毛细管微造型术，是将具有纳米凹凸图像的印版置于基板表面，这时，印版图像凹凸处与基板表面形成极细的缝隙（毛细管）。然后，把液体聚合物滴在硅橡胶印版上。由于毛细管的作用，液体聚合物便自行进入这些缝隙中。如果我们将缝隙中的聚合物固化后并将两者分离开来，即可获得精细的纳米凹凸图像。该技术可在光学元件等的制造领域获得广泛的应用。
（3）微转印造型术（mTM）
所谓微转印造型术，就是将预聚物当做“油墨”，施涂于硅橡胶印版的凹陷处，通过转印方式，把预聚物转移到基板表面，再加热固化，便形成纳米凹凸图像。我们把这种印刷方法称为微转印造型术。
（4）近场相位转换印刷术（PSL）
所谓近场相位转换印刷术，就是在基板上涂布光致抗蚀剂涂层后，再用硅橡胶模具在抗蚀剂涂膜上转印图像，并把它作为接触曝光的掩膜，如用紫外光对其接触曝光。这时，由于硅橡胶模具转印的凹凸图形引发相位转换，从而有可能形成图像。不过，前提条件是图像凹凸部位的尺寸大小要比紫外光的波长还小时，近场光的作用才能使图像转印成为现实。最近有文献报道，用此种技术可在球面上形成纳米图像。
评论
收藏
打印
