專利名稱：基于硫醇-烯的連續(xù)浮雕微光學(xué)元件高精度紫外壓印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光學(xué)元件制造方法，涉及一種基于硫醇-烯類高聚物的紫外壓印用 抗蝕劑材料的使用方法。
背景技術(shù)：
微光學(xué)的發(fā)展使光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生深刻的變革。超精細(xì)結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件是實(shí)現(xiàn)光學(xué) 系統(tǒng)微型化、陣列化、集成化的重要組成部分。此類衍射光學(xué)元件的加工技術(shù)是微光學(xué)的關(guān) 鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)有的微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件加工技術(shù)主要有多層套刻技術(shù)、灰度掩模技術(shù)、電子束直 寫技術(shù)、激光直寫技術(shù)、復(fù)制技術(shù)等。其中，納米壓印技術(shù)是一種高分辨力、低成本、高效率 的微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件加工復(fù)制技術(shù)。納米壓印技術(shù)主要分為熱壓印技術(shù)與紫外壓印技術(shù)兩種，相比而言，紫外壓印技 術(shù)具有設(shè)備簡單、可快速批量復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)具有更廣闊的應(yīng)用前景。紫外壓印抗蝕劑在固化過程中的體積收縮對(duì)連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件的復(fù)制 精度將產(chǎn)生很大的影響，且主要表現(xiàn)為Z方向的收縮，Z方向較大的收縮對(duì)于微光學(xué)元 件的衍射效率將產(chǎn)生很大的影響。傳統(tǒng)的紫外壓印工藝主要采用丙烯酸酯類光引發(fā)高 分子材料作為抗蝕劑使用(us 2005/0160934 Al)，此類材料在固化過程中的體積收縮率 可高達(dá)15%。使用乙烯基醚類材料做抗蝕劑可使固化收縮得到很大的降低(E.K.Kim， Μ. D. Stewart, K. Wu, et al. Vinyl ether formulations for step and flash imprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B.2005. 23 (6) :2967-2971.)，但 該類膠存在較大脫模力與較高單體蒸汽壓等問題，因而應(yīng)用受到很大的限制。在抗蝕劑中 引入環(huán)氧類開環(huán)聚合單體可以對(duì)收縮進(jìn)行有效地補(bǔ)償(J. J. Hao, M. W. Lin, F. Palmieri, et al. Photocurable silicon-based materials for imprint lithography-art. no. 651729. in Emerging Lithographic Technologies XI, Pts 1 and 2. M. J. Lercel. Editor. 2007. Spie-Int Soc Optical Engineering :Bellingham. 517^-517 )，但仍然不能徹底的解決 固化收縮對(duì)紫外壓印復(fù)制精度的影響。硫醇-烯類材料是近年受到廣泛關(guān)注與應(yīng)用的新型高分子材料，該類材料具有凝 膠點(diǎn)滯后、收縮應(yīng)力、極低的氧阻抑作用、固化快、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于齒形修補(bǔ) 材料、柔性顯示器、LED等領(lǐng)域。美國IBM公司奧爾馬登研究中心的Erik C. Hagberg等人于2007年提出了基于硫 醇-烯材料的紫夕卜壓 工藝。(Hagberg, E. C. , et al. ,Effects of modulus and surface chemistry of thiol-ene photopolymers in nanoimprinting. Nano Letters,2007. 7 (2) p. 233-237.)，該工藝可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)線條型圖形結(jié)構(gòu)，該工藝的氧阻抑作用很小，但該工藝 未對(duì)收縮性能做進(jìn)一步探討，且未將該工藝用于連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的加工復(fù)制，且沒有對(duì)抗蝕 劑抗刻蝕性能進(jìn)行研究。美國科羅拉多大學(xué)的Khire等人于2008年提出了應(yīng)用硫醇-烯材料與紫外壓印工藝的表面處理及納米結(jié)構(gòu)加工工藝。(V. S. Khire，Y. Yi，N. A. Clark and C. N. Bowman. Formation and surface modification of nanopatterned thiol—ene substrates using Step and Flash Imprint Lithography. Advanced Materials. 2008. 20(17) :3308-+.),該 工藝應(yīng)用硫醇的可表面接枝特性實(shí)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步細(xì)化，但未對(duì)其抗收縮特性做進(jìn) 一步探討。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服紫外壓印微光學(xué)元件工藝中抗蝕劑收縮產(chǎn)生的影響，本發(fā) 明在傳統(tǒng)微光學(xué)元件紫外壓印工藝中引入一種可弛豫收縮的抗蝕劑材料，降低收縮帶來的 影響，提高壓印微光學(xué)元件加工精度，增大微光學(xué)元件的衍射效率。本發(fā)明的具體解決方案是，一種基于硫醇-烯的連續(xù)浮雕微光學(xué)元件高精度紫外 壓印方法，在傳統(tǒng)連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件紫外壓印工藝中，使用硫醇-烯類紫外光引發(fā) 高分子材料作為抗蝕劑使用，通過調(diào)節(jié)壓印壓力、控制殘膠層厚度的方法使抗蝕劑固化產(chǎn) 生的收縮應(yīng)力通過流體流動(dòng)的方式得以弛豫，使連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件的收縮誤差降低 至3%以下，殘膠層厚度為500-1000nm。所用的硫醇-烯類紫外光引發(fā)高分子材料具有小于15%的體積收縮率。所用硫醇-烯類紫外光引發(fā)高分子材料可用于混合氣體的反應(yīng)離子刻蝕工藝，實(shí) 現(xiàn)連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的圖形傳遞。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于，在紫外壓印工藝中應(yīng)用一種硫醇-烯類材料作為抗蝕 劑。硫醇-烯類材料的聚合方式是逐步增長聚合，具有固化凝膠點(diǎn)滯后的特性，使抗蝕劑在 凝膠點(diǎn)之前產(chǎn)生的收縮應(yīng)力通過流體流動(dòng)的方式弛豫。通過調(diào)節(jié)壓印壓力，可以對(duì)殘膠層 厚度進(jìn)行控制，適當(dāng)?shù)臍埬z層厚度可以對(duì)收縮產(chǎn)生的體積減少進(jìn)行補(bǔ)償，因而可以使收縮 產(chǎn)生的誤差優(yōu)于3%。同時(shí)，該類材料還具有較好的抗刻蝕性能，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的 圖形傳遞工藝。


圖1為紫外壓印工藝中通過流體流動(dòng)方式弛豫內(nèi)應(yīng)力的原理2為應(yīng)用本發(fā)明提出的硫醇-烯類材料進(jìn)行壓印得到的壓印結(jié)果的顯微鏡照片圖3為用實(shí)施例一所述的硫醇-烯材料進(jìn)行連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件紫外壓印得 到的壓印結(jié)果、再經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕工藝后的結(jié)果以及所用壓模的輪廓曲線。圖4為實(shí)施例二、三所述的硫醇-烯材料進(jìn)行連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件紫外壓印 得到的壓印結(jié)果與所用壓模的輪廓曲線。圖5為實(shí)施例一、四所述的硫醇-烯材料進(jìn)行連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件紫外壓印 得到的壓印結(jié)果與所用壓模的輪廓曲線。具體實(shí)施方法實(shí)施例1應(yīng)用三烯丙基異氰脲酸酯(TATATO)、四(3-巰基丙酸)季戊四醇酯(PETMP)、光引 發(fā)劑Darocur 1173配制的硫醇-烯類紫外光引發(fā)高分子材料作為抗蝕劑進(jìn)行紫外壓印工 藝，制作連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件，基底材料為石英玻璃。其具體步驟為
a)將所配制的抗蝕劑材料填充于壓模與基底之間，施加壓力將基底與壓模壓緊， 調(diào)節(jié)壓力，使殘膠層厚度約為500-1000nm。b)使用UV-LED光源將填充好的抗蝕劑曝光，然后實(shí)施脫模，得到的結(jié)構(gòu)如圖2所 示，壓模結(jié)構(gòu)輪廓如圖2所示，連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件的收縮誤差低于3%。c)應(yīng)用反應(yīng)離子刻蝕工藝將壓印得到的結(jié)構(gòu)傳遞到石英玻璃基底上，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。實(shí)施例2應(yīng)用乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、PETMP、光引發(fā)劑Darocur 1173配制的硫 醇-烯類紫外光引發(fā)高分子材料進(jìn)行紫外壓印工藝，制作連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件，基底 材料為石英玻璃。其具體步驟為a)將所配制的抗蝕劑材料填充于壓模與基底之間，施加壓力將基底與壓模壓緊， 調(diào)節(jié)壓力，使殘膠層厚度約為500-1000nm ；b)使用UV-LED光源將填充好的抗蝕劑曝光，然后實(shí)施脫模，得到的結(jié)構(gòu)如圖4所 示，壓模結(jié)構(gòu)如圖4所示，連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件的收縮誤差低于3%實(shí)施例3應(yīng)用三聚氰酸三烯丙基酯(TTT)、PETMP、光引發(fā)劑Darocur 1173配制的硫醇-烯 類紫外光引發(fā)高分子材料進(jìn)行紫外壓印工藝，制作連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件，基底材料為 石英玻璃。其具體步驟為a)將所配制的抗蝕劑材料填充于壓模與基底之間，施加壓力將基底與壓模壓緊， 調(diào)節(jié)壓力，使殘膠層厚度約為500-1000nm ；b)使用UV-LED光源將填充好的抗蝕劑曝光，然后實(shí)施脫模，得到的結(jié)構(gòu)如圖4所 示，壓模結(jié)構(gòu)如圖4所示，連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件的收縮誤差低于3%實(shí)施例4應(yīng)用TATATO、PETMP, EGDMA、光引發(fā)劑Darocur 1173配制的硫醇-烯類紫外光引 發(fā)高分子材料進(jìn)行紫外壓印工藝，制作連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件，基底材料為石英玻璃。其 具體步驟為a)將所配制的抗蝕劑材料填充于壓模與基底之間，施加壓力將基底與壓模壓緊， 調(diào)節(jié)壓力，使殘膠層厚度約為500-1000nm ；b)使用UV-LED光源將填充好的抗蝕劑曝光，然后實(shí)施脫模，得到的結(jié)構(gòu)如圖5所 示，壓模結(jié)構(gòu)如圖5所示，連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件的收縮誤差低于3%。
權(quán)利要求
1.一種基于硫醇-烯的連續(xù)浮雕微光學(xué)元件高精度紫外壓印方法，在傳統(tǒng)連續(xù)浮雕結(jié) 構(gòu)微光學(xué)元件紫外壓印工藝中，使用硫醇-烯類紫外光引發(fā)高分子材料作為抗蝕劑使用， 其特征在于通過調(diào)節(jié)壓印壓力、控制殘膠層厚度的方法使抗蝕劑固化產(chǎn)生的收縮應(yīng)力通過 流體流動(dòng)的方式得以弛豫，使連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件的收縮誤差降低至3%以下，殘膠層 厚度為 500-1000nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硫醇-烯的連續(xù)浮雕微光學(xué)元件高精度紫外壓印方法， 其特征在于所用的硫醇-烯類紫外光引發(fā)高分子材料具有小于15%的體積收縮率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硫醇-烯的連續(xù)浮雕微光學(xué)元件高精度紫外壓印方法， 其特征在于所用硫醇-烯類紫外光引發(fā)高分子材料可用于混合氣體的反應(yīng)離子刻蝕工藝， 實(shí)現(xiàn)連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的圖形傳遞。
全文摘要
基于硫醇-烯的連續(xù)浮雕微光學(xué)元件高精度紫外壓印方法屬于微光學(xué)元件制造領(lǐng)域。在傳統(tǒng)連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件紫外壓印工藝中，使用硫醇-烯類紫外光引發(fā)高分子材料作為抗蝕劑使用，通過調(diào)節(jié)壓印壓力、控制殘膠層厚度的方法使抗蝕劑固化產(chǎn)生的收縮應(yīng)力通過流體流動(dòng)的方式得以弛豫，使連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件的收縮誤差降低至3％以下，殘膠層厚度為500-1000nm。該方法具有復(fù)制收縮誤差小、刻蝕選擇性優(yōu)良等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件向石英玻璃基底的圖形傳遞。
文檔編號(hào)G03F7/00GK102053489SQ201010533159
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月5日
發(fā)明者劉楠, 王冠雄, 譚久彬, 金鵬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)