專利名稱：一種高深寬比微柱陣列的電場誘導壓印方法
技術領域：
本發明屬于微納制造技術領域，具體涉及一種高深寬比微柱陣列的電場誘導壓印方法。
背景技術：
具有大深寬比的微結構在微電子機械系統，微光學器件以及生物微流體等領域內有著廣泛的應用，目前通常的制作大深寬比微結構的方法主要包括LIGA和ICP等。其中，LIGA即光刻、電鑄和注塑的縮寫，是一種基于X射線光刻技術的MEMS加工技術，其可以制造深寬比達100:1的大深寬比結構，但是卻需要昂貴設備；而ICP即等離子體刻蝕工藝則在成型材料上有很大的限制，且同時設備昂貴。除此之外還有物理拉伸的辦法將原有的微結構拉伸為更高的結構，這種方法雖然簡便但是需要精確的工藝參數，以免在拉伸過程中對微結構造成損壞。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種高深寬比微柱陣列的電場誘導壓印方法，能夠制作大面積高深寬比聚合物微柱狀陣列，高效經濟。為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為:一種高深寬比微柱陣列的電場誘導壓印方法，包括以下步驟:I)壓印模具的制備及處理:在晶圓表面利用光刻和刻蝕工藝加工出所需的圓孔陣列圖形結構，并對其進行低表面能處理，即在壓印模具正面制作一層厚度為20-100nm的抗粘層C4F8 ；2)基材、電極和聚合物材料的選擇:基材和電極都采用導電平板，即ITO導電玻璃或高參雜導電硅片，聚合物材料采用熱塑性聚合物PMMA ；3)壓印及脫模:利用勻膠機在基材上旋涂一層熱塑性聚合物PMMA，其厚度為10um-50um,以IOMpa的壓力P將低表面能處理后的壓印模具壓在基材上，使壓印模具與基材緊密結合，并保證環境溫度在熱塑性聚合物PMMA的玻璃態轉換溫度以上，10-30分鐘后，冷卻至室溫，脫模，在基材上留下聚合物柱狀陣列，聚合物柱狀陣列的深寬比小于5 ；4)施加外電場:利用另一塊ITO導電玻璃或高參雜導電硅片作為上電極，與基材組合形成一對平板電極，兩平板電極之間有一層空氣間隙，空氣間隙是柱狀陣列高度的2-4倍，采用直流電源，電壓調節范圍在300-500V，正極連上電極，負極連基材，對形成的PMMA微柱陣列施加外電場；5)電場誘導再成型:再將環境溫度升至PMMA玻璃態轉化溫度以上，150-200°c，調節電壓大小，使電場力大于PMMA表面張力，持續2-10小時，直至成型過程結束；6)聚合物的固化:在保持施加電壓不變的情況下，將環境溫度降低到室溫，PMMA固化，最終得到深寬比達到20— 30的高深寬比微柱陣列。本發明突破了常規壓印工藝不能大面積制造大深寬比柱狀陣列結構的限制，由于脫模過程對高深寬比結構的損傷，壓印工藝一般都只能制造深寬比小于5的陣列結構，通過本發明最終得到的高深寬比柱狀陣列，可以廣泛的用于微機電系統以及生物微流體領域。同時由于本發明不需要復雜的工藝控制，大大降低了加工成本，提高了加工效率。
:圖1-1為壓印模具主視圖。圖1-2為壓印模具的仰視圖。圖2為旋涂有聚合物材料基材示意圖。圖3為將壓印模具壓在聚合物材料上的示意圖。圖4為脫模后形成的聚合物柱狀陣列示意圖。圖5為在加熱狀態下施加外電場進行電誘導再拉高成型示意圖。圖6為電場誘導再成型過程中聚合物局部流變原理示意圖。圖7為固化成型后的高深寬比聚合物微柱陣列示意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作詳細描述。一種高深寬比微柱陣列電場誘導壓印方法，包括以下步驟:I)壓印模具的制備及處理:參照圖1，壓印模具I采用光刻和刻蝕的傳統工藝，在晶圓表面上制作微孔陣列2，完成后進行低表面能處理，即在壓印模具I正面制作一層厚度為20-100nm的抗粘層3，防止脫模時損傷微柱陣列結構，抗粘層為C4F8涂層；2)基材、電極和聚合物材料的選擇:參照圖2和圖5，選擇ITO導電玻璃或高參雜導電硅片作為基材4和上電極5，二者組成一對平面平板電極，聚合物6采用具有熱塑性聚合物PMMA ；3)壓印及脫模:參照圖2、圖3和圖4，在基材4上用勻膠機旋涂一層厚度為10-50um的聚合物6，以恒定的壓力P=IOMPa將低表面能處理后的壓印模具I壓在基材4上，使壓印模具I和基材4緊密結合，并用熱板7加熱基材4至PMMA的玻璃態轉換溫度以上，10-30分鐘后，冷卻至室溫，脫模，在基材4上留下了 PMMA微柱陣列8，聚合物柱狀陣列的深寬比小于5 ;4)施加外加電場:參照圖5,用另一塊ITO玻璃作為上電極5,在一對平板電極之間施加恒定的電壓，兩平板電極之間有一層空氣間隙，空氣間隙是柱狀陣列高度的2-4倍，采用直流電壓9，電壓300-500V連續可調，基材4接電源的負極，上電極5接電源的正極，對形成的PMMA微柱陣列8施加外電場；5)電場誘導再成型:參照圖6，通過熱板7對基材4再次進行加熱，使溫度升至PMMA的玻璃態轉換溫度以上，150-200°C，調節直流電壓9的大小，使電場力增大至足以克服PMMA的表面張力，從而驅動PMMA微柱陣列8的再成型，以得到大深寬比的微結構，處于上下平板電極之間的PMMA微柱陣列8受到一個向上的電場力F的作用，電場力F可以使此處的PMMA克服表面張力和粘滯阻力向上流動，在這些力的共同作用下，PMMA微柱結構不斷被拉伸，深寬比逐漸增大，直到最終接觸到上電極5，形成具有高深寬比的微柱陣列10 ；6)聚合物的固化:參照圖7，使PMMA在不變的電壓下，電壓大小為300-500V的某值均可，保持2-10小時，此時PMMA已經完全被拉高到接觸到上電極5，降低溫度到室溫，PMMA固化，撤離上電極，最終的深寬比可達20-30的微柱陣列10便留在了基材4上。上述方法，可以實現的高深寬比微柱陣列尺寸為:壓印模具凸起部分尺寸Wl以及凹陷部分尺寸W2均為10微米至100微米級，平板電極之間的距離d為50微米至100微米級，壓印高度和柱子高度hl，h2為10微米至100微米級，壓印留膜和最終成型留膜厚度h3，h4為I微米至10微米級，最終的高深寬比微柱陣列尺寸W3為10微米至100微米級，間隙W4為10微米至100微米級。壓印光刻與電場誘導拉高成型的高深寬比PMMA微柱陣列，是利用壓印光刻事先在導電基材上制作大面積具有一定深寬比的微柱陣列，由于壓印光刻本身工藝的特性，這些微柱陣列一般具有不超過5的深寬比，此步驟簡單經濟，出產率高，體現了壓印光刻在制作小深寬比微結構的優勢。令一方面，形成的微柱陣列在后續的電場誘導再成型的過程中，進一步流變被拉高，最終形成了深寬比可達20-30的微柱陣列。
權利要求
1.一種高深寬比微柱陣列的電場誘導壓印方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)壓印模具的制備及處理:在晶圓表面利用光刻和刻蝕工藝加工出所需的圓孔陣列圖形結構，并對其進行低表面能處理，即在壓印模具正面制作一層厚度為20-100nm的抗粘層C4F8; 2)基材、電極和聚合物材料的選擇:基材和電極都需要采用導電平板，即ITO導電玻璃或高參雜導電硅片，聚合物材料采用熱塑性聚合物PMMA ； 3)壓印及脫模:利用勻膠機在基材上旋涂一層熱塑性聚合物PMMA，其厚度為10um-50um,以IOMpa的壓力P將低表面能處理后的壓印模具壓在基材上，使壓印模具與基材緊密結合，并保證環境溫度在熱塑性聚合物PMMA的玻璃態轉換溫度以上，10-30分鐘后，冷卻至室溫，脫模，在基材上留下聚合物柱狀陣列，聚合物柱狀陣列的深寬比小于5 ； 4)施加外電場:利用另一塊ITO導電玻璃或高參雜導電娃片作為上電極,與基材組合形成一對平板電極，兩平板電極之間有一層空氣間隙，空氣間隙是柱狀陣列高度的2-4倍，采用直流電源，電壓調節范圍在300-500V，正極連上電極，負極連基材，對形成的PMMA微柱陣列施加外電場； 5)電場誘導再成型:再將環境溫度升至PMMA玻璃態轉化溫度以上，150-200°C，調節電壓大小，使電場力大于PMMA表面張力，持續2-10小時,直至成型過程結束； 6)聚合物的固化:在保持施加電壓不變的情況下，將環境溫度降低到室溫，PMMA固化，最終得到深寬比達到20— 30的高深寬比微柱陣列。
全文摘要
一種高深寬比微柱陣列的電場誘導壓印方法，先進行壓印模具的制備及處理，然后進行基材、電極和聚合物材料的選擇再壓印及脫模，然后施加外電場，電場誘導再成型最后進行聚合物的固化，本發明最終得到的高深寬比柱狀陣列，廣泛的用于微機電系統以及生物微流體領域，同時由于本發明不需要復雜的工藝控制，大大降低了加工成本，提高了加工效率。
文檔編號B81C1/00GK103159164SQ20131006656
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月1日 優先權日2013年3月1日
發明者丁玉成, 邵金友, 胡鴻, 田洪淼, 李祥明, 姜承寶 申請人:西安交通大學