电场诱导压印模具的套刻制备及其实验

黎相孟，田洪淼，祝锡晶

（ 1. 中北大学机械工程学院，先进制造技术山西省重点实验室，山西太原030051；2. 西安交通大学机械工程学院，机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安710049 ）

电场诱导纳米压印技术是新一代纳米压印光刻技术[1-4]。 纳米压印技术最重要的环节之一就是模具的制备，其关键在于模具能顺利实现压印光刻胶填充且易脱模，以实现压印光刻微纳米结构的完整复制。 西安交通大学丁玉成、邵金友课题组开发了一种电场诱导纳米压印技术，实现了大面积模板调制的功能化聚合物微纳米结构的成形制备[5-10]。 目前，制备压印光刻模具的方法主要是基于光刻和刻蚀。

1 电场诱导压印技术原理

电场诱导压印技术的原理见图1。 电场诱导压印所采用的模具相对于图2 所示的传统纳米压印技术而言，其最大的区别在于微结构与光刻胶之间存在一定的间隙， 该间隙需特定的支撑架来保证。本文将进一步探讨在光刻、刻蚀的基础上，利用具有一定机械强度的聚合物微结构作为支撑架，制备出电场诱导模具。

光刻工艺是半导体工艺的基础，集成电路制造过程离不开光刻[11-12]。 光刻可形成用于刻蚀的掩膜窗口，便于图形转移。 在传统光刻工艺中，光刻胶用于刻蚀二氧化硅层，该层结构作为刻蚀下层功能结构的掩膜如多晶硅层，便于后续的PN 结扩散掺杂；另外还作为掩蔽层用于发光二极管（LED）生产工艺中，可刻蚀GaN 层形成光子晶体结构。 在光刻技术中，尤其是紫外光刻主要包括投影式、接近式和接触式三种曝光方式。 本文采用接触式掩膜曝光方式， 利用波长365 nm 的近紫外汞灯光来实现光刻胶图形化。

光刻的主要原理是利用紫外光对光刻胶（即一种对紫外光敏感的树脂材料） 进行紫外曝光时，其分子发生降解而形成酸性成分或发生进一步的交联聚合，前者会在碱性稀溶液中发生溶解，不曝光部分被保留， 这类光刻被称为正性光刻胶，如EPG533A、AZ4620 等； 后者交联的部分被保留，未交联部分被显影液溶解，如SU-8[13]，被称为负性光刻胶。 光刻显影后获得的光刻胶结构，一般作为转移到下层的掩蔽层以刻蚀硅模具。 本文主要采用的光刻胶包括EPG533A 及SU-8 2025，前者可作为光刻胶刻蚀掩蔽层，后者可在制备的硅模具基础上作为电诱导模具的支架结构（图3）。

套刻工艺在光刻工艺中较常用，一般用于实现多个图层的嵌套制备。 套刻需采用第二套掩膜板，与第一套掩膜有对应的十字对准标记，在双面对准曝光系统中则需借助可视化设备等实现对准曝光。为了制备适用于电场辅助诱导压印的模具，本文采用SU-8 负性光刻胶的紫外光刻和套刻工艺， 实现了不同尺度的光栅、孔槽等微米量级的结构，获得了几何尺寸结构均匀且性能良好的电场诱导模具微结构。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料及设备

本实验采用的主要材料包括P 型高掺杂硅基材和ITO 透明导电玻璃基材、 正性光刻胶EPG533和负性光刻胶SU-8 2025，辅助材料为去离子水、氮气、丙酮、无水乙醇及SU-8 胶显影剂等。

实验设备及装置包括：旋涂机、烘胶台（用于制备光刻胶薄膜）、紫外光刻机（用于光刻曝光）、显影池（用于显影光刻胶图形化）、ICP 刻蚀机（用于刻蚀硅模具微结构）、 去胶机 （用于去除不需要的光刻胶）和磁控溅射镀膜机（用于制备铬薄膜掩蔽层）。

2.2 实验过程

（1）光刻。 经过大量正交试验获得了相对优化的光刻参数，比如光刻胶的旋涂速度与时间、前烘的时间和温度、曝光剂量、中烘的时间和温度、显影的时间、后烘的时间和温度等。 具体而言，采用紫外光刻法制备正性光刻胶图案， 先用旋涂机 （参数：300 r/min-10 s、1000 r/min-30 s）在高掺杂硅基材表面制备厚度约1 μm 的EPG533 光刻胶薄膜； 经过前烘（90 ℃、3 min），将事先制备好的具有微结构图案的光刻掩膜板置于波长365 nm 的双面对准光刻机上，通过调节设备与光刻胶薄膜接触，曝光7 s；再将中烘（95 ℃、1 min）的样片置于质量分数为5‰的NaOH 水溶液中浸泡15 s 进行显影，获得光刻胶图案；最后经过氮气吹干、后烘（110 ℃、30 min），获得较坚固的光刻胶掩膜图案。

（2）干法刻蚀。 将基于步骤（1）获得的EPG533图案作为掩蔽， 采用等离子体刻蚀ICP/RIE 干法刻蚀的Bosch 工艺 （气体流量为SF6∶C4F8=100 sccm∶100 sccm，时间步长为7 s 和5 s 交替进行，每步获得约1 μm 刻蚀深度）， 最终制备了厚度10～50 μm的硅微结构。 通过去除残余光刻胶，获得所需的硅微结构。 若需实现较大程度的刻蚀，则需采用磁控溅射镀膜及Lift-off 剥离光刻胶的方法事先制备好铬层图案，再以此为掩膜进行深干法刻蚀，以制备更高的结构（厚度50 μm 以上）。

（3）支架套刻。 采用SU-8 2025 负性光刻胶，在300 r/min-10 s、2000 r/min-30 s 的旋涂参数条件下获得了厚度约为15 μm 的光刻胶层，还利用套刻掩膜板，经过紫外光刻、烘烤及显影等工艺步骤，在硅结构样片表面制备了电场诱导支架结构，进而形成了电场诱导模具。

（4）形貌观察。 采用白光干涉测量仪和场发射扫描电子显微镜对模具结构和电场诱导的结构进行观测，并获得了三维结构及其轮廓。

（5）电场仿真分析。采用Comsol Multiphysics 多物理场耦合软件对电场诱导装置进行静电场仿真分析，对比不同间隙高度情况下的电场分布。

3 结果与讨论

图4 和图5 分别是基于EPG533 光刻胶掩蔽进行刻蚀后获得的不同高径比微结构的白光干涉测量照片。其中，图4 所示为直径30 μm、周期45 μm、刻蚀深度约为13 μm 的微米尺度圆柱阵列结构；图5 所示为直径10 μm、周期30 μm 的方形柱子阵列，其高度同样约为13 μm。 可见，刻蚀的硅结构表面十分均匀，高度一致性好。 由于受刻蚀工艺的局限，所制备的微结构并非陡直而是具有一定的倾斜度。

图6 是基于金属铝溅射薄膜剥离结构薄层为掩蔽所制备的刻蚀深度较大的异形硅结构，包括直径30 μm、高度50 μm 的圆柱和长、宽、高分别为150、30、50 μm 的方形柱子。由于光刻胶EPG533 所能达到的刻蚀比约为1∶10，难以获得1∶50 以上的刻蚀比， 若采用铝的剥离图形为掩蔽和Bosch 刻蚀工艺能获得较大的刻蚀深度，从理论上说能将硅结构完全刻透。 但是，本文设计的结构深度仅需50 μm即可满足要求。

图7 是套刻成功的电场诱导模具微结构形貌，为SU-8 2025 光刻胶套刻做电场诱导模具支架结构。 利用掩膜板对准套刻在已制备模具结构的4 英寸硅基材表面低洼区域制备一层相比模具特征结构高出5～10 μm 的支架结构，SU-8 长方形柱子的长、宽尺寸为20 μm×10 μm，高度约20～25 μm，套刻精度达到2 μm。 除了作为支架，制作的SU-8 结构能起到绝缘作用，防止模具电极与导电基材发生短路而无法施加电压。 支架顶部与模具凸起结构的高度差便于采用电场诱导压印工艺生长微米级复型结构，如柱面透镜等[7]。

本文基于所制备的电场诱导压印模具，搭建了电场诱导压印胶成形实验装置。 采用导电胶将带有支架的硅模具结构与导电玻璃进行键合，并置于上方作为盖板，在透明导电基材表面旋涂一层厚度约为5 μm 的压印光刻胶，使盖板与基材相互贴合，并利用结构表面的支架形成间隙；在导电层表面连接100 V 的直流电压，进行电场诱导生长；采用紫外灯对电场诱导成形结构进行辐照固化。 电场作用克服了压印光刻胶的表面张力和粘滞阻力，诱导其按照电场强度的大小作用形成了与微结构相对应复制的正向结构[8]。 静电场分析结果见图8。 实验结果表明：在电场诱导压印胶微结构成形过程中，随着间隙高度增大5 μm（相对值下降14%），电场强度急剧下降（相对值下降约50%），说明电场强度受微结构的影响很大。

图9 是制备的电场诱导成形结构的SEM 照片。可见，所制备的压印光刻胶图案与电场诱导模具的微结构形状相似，由此进一步验证了采用本方法制备的强调制电场诱导模板具有较好的调制聚合物生长能力的可行性[8]。

4 结束语

本文研究了电场诱导压印模具的制备工艺，主要通过紫外光刻工艺和等离子体刻蚀工艺，在硅基材表面制备不同高宽比或高径比的模具微结构，通过套刻工艺获得了SU-8 胶的支撑架结构； 利用所制备的电场诱导压印模具搭建了电场诱导成形实验装置，成功诱导了压印胶结构成形，结果表明所制备的压印胶诱导结构与模具微结构基本吻合。 根据Comsol 仿真分析发现，模具结构与压印胶表面的间隙高度对电场强度分布的影响较大， 即间隙越大，电场强度越小；反之，间隙越小，电场强度越大。