低压压印制备硅点阵结构的工艺研究
高密度、图形规则的硅点阵结构由于其独特的光电性能具有广泛的应用前景。本文介绍了一种以低压压印结合反应离子刻蚀制备硅点阵的方法，即利用PDMS 模板通过压印复制获得PMMA 掩模结构，用反应离子刻蚀在硅片表面制得高度有序的硅纳米点阵结构。实验和有限元模拟结果表明，低压压印因为毛细作用下光刻胶在模板内的充分填充可以获得良好的图形复制精度和较小的残余胶厚度，因此适于大面积高密度光刻胶结构的均匀复制。
硅纳米点阵相对于平面硅有着独特的优点，引起了人们广泛的关注，目前已被运用于光电子学、电子学、生物传感器、太阳能电池等诸多领域，制备硅纳米点阵的方法有很多，常见的如生长法，即采用化学气相沉积、溶液生长、分子束外延生长等方法，这些方法可以通过改变催化剂的尺寸、生长时间、生长温度制备出不同尺度的硅线或点阵，但如何实现大面积无缺陷的可控制备一直是难以解决的问题。通过光刻技术- 反应离子刻蚀或者金属辅助湿法刻蚀的方式则可以实现高度致密的硅点阵可控制备，而光刻胶点阵结构的大面积简单图形复制工艺一直是研究人员面临的关键技术问题。纳米压印技术是光刻胶图形简单复制的常用方法，但在使用硬模板压印时，必需高温高压工艺使压印胶在玻璃化温度以上融化和填充于模板中， 相反低压压印中，PDMS 具有较低杨氏模量可以在低压下与胶层紧密接触并依靠毛细作用力使光刻胶填充于模板内。另一方面，硬压印在脱模时，模板会整体脱离，在脱模的瞬间，过大的切向剪切力极容易破坏图形结构和模板，而低压压印因为PDMS 低表面能和柔性，与光刻胶结构的脱模是逐渐分离的过程，易于实现大面积图形结构均匀复制。本文介绍了一种以PDMS 模板低压压印结合反应离子刻蚀制备硅点阵图形的方法， 即以压印的SU-8 胶为母板通过浇铸SU-8 胶得到PDMS 软印章，以PDMS 印章软压印PMMA，最后以PMMA为掩模，用氧等离子体轰击去除残余胶后，用RIE 刻蚀，得到高密度的硅点阵结构。
1、实验
制作硅点阵图形主要包括两个步骤：PMMA 掩模结构的制备和RIE 反应离子刻蚀。具体实验操作流程如图1：点阵玻璃模板经清洗等预处理后，旋涂DC20(转速为3000 r/min,时间为40 s)，后置于90℃的热台上加热10 min，与此同时在清洗后的玻璃基底上旋涂SU-8 2025(转速为3000 r/min，时间为60 s)，并在热台上以90℃前烘10 min，之后在纳米压印机上用玻璃模板硬压印SU-8 胶(温度为100℃，时间为30 min)。时间到后，让其自然冷却至室温，取下双层样片后，透过玻璃模板用紫外曝光机曝光2 min，再置于90℃的热台上后烘10 min，即可揭下玻璃模板，得到SU-8 胶的图形结构(如图1-a,b)。将配置后静置、无气泡的PDMS 溶液浇铸在SU-8 胶上，待其浸润完全后，一起放置在热台上以85℃加热30 min，待PDMS 固化后，揭下PDMS 块，这就是我们下一步压印所需要的软印章(如图1-c,d)。对已经清洗、烘烤的玻璃基底用氧等离子体轰击，增加其表面能，旋涂PMMA 胶(转速为2000 r/min，时间为60 s)，再将PMMA 放在热台上以180℃前烘10 min，以蒸发其中的溶剂，本实验中我们配置的PMMA 经测试厚度为110 nm。将之前得到的PDMS 软印章覆盖在PMMA 胶上，用圆柱形圆棒沿同一方向在PDMS 上滚动，将两层胶之间的气体排出，由于PDMS 具有很好的柔韧性和机械强度，能保证PDMS 和PMMA胶层的紧密接触，然后在PDMS 上加一个0.5 kg 的重物，在180℃的热台上放置15 min，待自然冷却至室温后，揭下PDMS 印章，即可得到最终需要的PMMA 点阵图案(如图1-e)。用等离子去胶对其氧等离子体轰击，去除残余胶(如图1-f)，最后用PMMA 为掩模，RIE 刻蚀硅片，制得最终的硅点阵图形(如图1-g)。
图1 硅点阵图形制作工艺流程图
实验中用的玻璃模板由全息曝光技术，在正交方向分两次曝光，制得具有点阵图形的光刻胶掩模，再用反应离子束刻蚀(RIBE)制作出点阵图形。其中凸起部分可视为500 nm 的正方形，深度为300 nm;聚合物材料方面，选用Microchem公司的SU8-2025 光刻胶;PDMS 溶液是以Dow Corning Corp 生产的184 预聚体和固化剂按10:1配置而成的;PMMA 是RS-Aldrich 公司生产的热塑性胶;等离子体系统是由德国普发拓普公司生产的IoN40 系列;反应离子刻蚀机是由英国牛津仪器等离子技术公司提供的Plasmalab80Plus 系列。
结论
本文介绍了一种以低压压印制备的PMMA结构为掩模，结合反应离子刻蚀，制备高密度硅点阵结构的方法。文中以实际结果并参考有限元分析，阐述了低压压印相比硬压印在大面积图形复制精度方面的优点;结合模板的实际情况，演示了残余胶厚度控制的原理;分析了RIE 中反应气体的不同作用，为下一步工艺改善指明了方向。利用PDMS 软压印，可以减少玻璃模板使用次数，重复利用还能提高制备效率。该方法相比于光刻技术做掩模，既减小了成本，而且提高了制备效率，更重要的在于将尺寸缩小到了纳米级别，因此这种方法可以在光电子学、电子学、太阳能电池等诸多领域得到广泛的运用。
