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刻技术种类及光刻胶的分类

热压印技术及热压印光刻胶热压印顾名思义在整个过程具有加热的处理,于是要求用于压印的基材、模板等具有高的耐热性能,同时使用的光刻胶也需要具有所需要的热性能。热压印过程中使用的光刻胶可以分为热固性和热塑性光刻胶。

热塑型光刻胶的压印过程:首先,需要将光刻胶加热到其玻璃转化温度以上,增加其流动性;然后,将模板在合适的压力下压到光刻胶中;接着,将其冷却固化;最后,就是脱模过程,得到了和模板相反的图案。

1  热塑性光刻胶

热塑性光刻胶的固化过程是非化学反应过程,只是物理状态的变化。即需要对其加热软化,温度在其玻璃转变温度豫附近,由固态变成粘流态增加流动性和加工性,待压印完成后需要降温回到固态(即脱模过程)。适用于热塑性的材料范围广,但是生产周期长。此外由于其模量和黏度较高,需要较高的温度和压印力,热稳定性较差,干法刻蚀时易造成结构塌陷。热塑性光刻胶通常由低玻璃化温度聚合物和低沸点溶剂以及一些助剂组成。较常见的热塑性光 刻胶聚合物有聚甲基丙烯酸酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)和有机硅材料等。

2  热固性光刻胶

热固性光刻胶的固化过程是热化学反应。固化前的光刻胶体系是由黏度低的预聚物、催化剂和交联剂组成,具有良好的流动性。此外反应速度快,无需降温即可脱模,缩短了生产周期。

关于热固性光刻胶的研究有很多,其性能也越来越优异,例如郭凌杰等人研制出了固化速度很快的聚二甲基硅氧烷(PDMS)体系,其主要成分是乙烯封端的聚二甲基硅氧烷、硅烷基聚二甲基硅氧烷交联剂、铂催化剂以及催化剂活性抑制剂。其特点是固化前其黏度很低,能够快速对模板的纳米凹槽结构进行填充,在120℃固化时间仅几秒钟。

热塑性光刻胶相较于热固性光刻胶还具有更好清洗性能,粘附在模板上的光刻胶只需要经过溶剂溶解就可以清除,从而增加了模板的使用寿命,降低了生产成本。

3  紫外光刻技术及相应的光刻胶

紫外光刻技术作为复制微型图形的一种图形转移技术,是制备超大规模集成电路芯片的核心技术。其基本原理为:光透过掩膜版(要加工的图形),选择性的对光刻胶进行曝光,利用光刻胶的感光性和抗蚀性,经过化学显影,制作出与掩膜版图形一致(负胶的情况)或者是相反(正胶情况)的光刻胶图形。

紫外光刻技术使用的光刻胶是一种对某些波长光敏感的记录材料,经过曝光后进行的光化学反应得到固化后的光刻胶的浮雕图。因此,按光源波长的不同可以将光敏性光刻胶分为紫外光刻胶、x射线光刻胶和电子束光刻胶等。若按照最终得到的图形与掩膜版对比,可以分为正性和负性光刻胶。

负性光刻胶是一种光致固化的光刻胶,在特定波长的紫外光照射下光刻胶体系会发生聚合或交联,从而得到固化后的图形,且图形与掩膜版的相反。正性光刻胶则是一种光致分解的光刻胶,在特定波长的紫外光照射下,曝光的部分发生了分解反应,从而溶解性增加,显影后得到与掩膜版相同的图形。

紫外光刻技术所使用的光刻胶体系不同于纳米压印过程中使用的光刻胶,因为掩膜版在整个过程中与光刻胶没有接触,则无需考虑脱模时对掩膜版的损害问题,但是,在其他方面具有更高的要求。

4  紫外纳米压印技术及其光刻胶

紫外固化光刻胶属于光引发的固化反应,由低聚物体、活性单体、引发剂和交联剂组成,同样具有较低黏度和较好的流动性,于是成膜性和加工性好。同时反应速度快,则生产周期短。按反应的原理可将其分为自由基和阳离子聚合两大体系,它们具有各自的优缺点:自由基体系反应速度快、性能可调性高、技术成熟,但是其主要的缺点就是在空气中氧阻效应严重;阳离子聚合体系的固化体积收缩率低、不被氧阻聚及在空气氛围中可获得完全的聚合,但是反应速度慢,生产周期相较于自由基聚合长。自由基体系最常见的是丙烯酸酯体系,产品种类很多,研究者可以用不同型号的丙烯酸酯调配出综合性能较好的光刻胶。阳离子聚合的体系主要是环氧和乙烯基醚体系,商品化产品较少,需要自己合成,而且其具有较高的表面能使结合力较大,不利于脱模。紫外纳米压印根据光刻胶的处理方式不同,可以分为旋涂式、步进式及滚动式。

 光刻胶.jpg

由于光刻胶的处理方式不同,则光刻胶的组成和性能也有所不同,例如黏度。旋涂式的光刻胶含有溶剂,且不参加聚合反应,在聚合过程中挥发。步进式及滚涂式的光刻胶不含有不参加反应的溶剂。

纳米压印所使用的光刻胶与紫外光刻使用的光刻胶有所不同,后者在图形转移过程中使用的是掩膜版,无需与光刻胶接触,则无需考虑光刻胶与掩膜版之间的相互作用。相反,纳米压印使用的光刻胶在压印过程当中与模板相互接触,且在光刻胶固化后需要脱模,在脱模过程中需要考虑到光刻胶与模板之间的粘附作用,如果粘附力太大则会影响到所成图形的完整性。同时,如果模板与光刻胶的粘附作用强于光刻胶与基板之间时,在脱模时可能使光刻胶从基板上面脱落。除此以外,残余在模板上的光刻胶也会降低模板的使用寿命,带来更加高的加工成本。



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