微納米結(jié)構(gòu)的電驅(qū)動模塑成形工藝及其界面物理行為研究.pdf

1、以納米壓印為代表的模塑成形工藝，被認為是一種低成本、高效率、高分辨率的納米結(jié)構(gòu)成形技術(shù)，被許多重要的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域寄予了厚望，甚至被國際半導體技術(shù)路線圖（ITRS）列為未來最有可能代替光學光刻的一種圖形化技術(shù)。然而此類技術(shù)在填充和脫模過程中的缺陷控制和模板壽命方面的困難，一直是限制其深入走向產(chǎn)業(yè)應用的關(guān)鍵問題。因此，研究微納米結(jié)構(gòu)的模塑成形工藝在其流變過程和表界面行為中的缺陷形成機理，并提出行之有效的解決方案，是推動微納米結(jié)構(gòu)模塑成形技術(shù)走向

2、產(chǎn)業(yè)應用的重要課題。
　　本論文研究工作的出發(fā)點和主要內(nèi)容如下：
　　（1）常規(guī)納米壓印工藝原理上存在固有的技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)的機械壓力或自然毛細力在驅(qū)動流變材料填充模板型腔的過程中，過大的機械壓力往往會導致模板特征結(jié)構(gòu)變形；自然毛細力填充雖然降低了對機械壓力的需求，但是對于多尺度模板型腔內(nèi)難以均勻填充、對于大深寬比模板腔體難以完全填充，而且利用自然毛細力直接代替機械壓力還會面臨效率低的問題。
　　為此，本論文基于聚合物的

3、電潤濕原理，提出一種原創(chuàng)性的電驅(qū)動模塑成形方法。其本質(zhì)是采用電毛細力替代機械壓力驅(qū)動機制，實現(xiàn)近零壓力下的快速均勻填充，從而避免了機械壓力驅(qū)動流變所帶來的諸多問題，并能突破自然毛細力驅(qū)動填充在效率和精度上的局限。該方法的工藝實現(xiàn)途徑即是在導電模板和襯底之間施加適當?shù)姆讲妷?，使模板腔體內(nèi)的聚合物對模板側(cè)壁產(chǎn)生最佳效果的電潤濕，電潤濕效應會減小聚合物對模板型腔側(cè)壁的接觸角，從而增大毛細提升力，驅(qū)動聚合物快速填滿向模板腔體。
　　（2

4、）常規(guī)脫模方法存在可靠性和穩(wěn)定性的難題。常規(guī)的脫模通常依賴對模板進行低表面能的化學處理，形成一種抗粘層，但抗粘層本身容易在紫外光照射時與聚合物體系中的活性基團發(fā)生化學反應、并因界面滑移摩擦而被逐漸消耗，久之便容易引起各種形式的脫模缺陷，因此難以保證脫模的可靠性和穩(wěn)定性。
　　為此，本論文基于模板/聚合物界面電荷的庫倫效應，提出了一種原創(chuàng)性的電輔助脫模方法，即：在電毛細力驅(qū)動填充完成后，將方波電壓調(diào)制成適當?shù)闹绷麟妷海谀０褰殡妼优c

5、聚合物的界面處形成同性的電荷雙層，此時固化聚合物，則聚合物表面的電荷會因材料發(fā)生相變而失去自由遷移的能力，形成“凍結(jié)電荷”，介電層表面的電荷因駐極體效應而形成“受限電荷”，聚合物表面的“凍結(jié)電荷”與介電層中的“受限電荷”具有相同的電性；脫模時撤去外電壓，則聚合物中的凍結(jié)電荷與模板介電層中的受限電荷之間會發(fā)生靜電互斥作用，削弱模板與聚合物之間的范德華力，從而降低了界面的粘附力。這種純物理方式的脫模過程不再依賴化學反應處理的脫模層，因而可以

6、保障脫模過程的穩(wěn)定性和可靠性。
　?。?）本文提出的電驅(qū)動填充和電輔助脫模方法涉及多種界面物理現(xiàn)象，并且其在微納尺度條件下與宏觀狀態(tài)具有不同的特征。為此，本論文針對所提出的電驅(qū)動模塑成形工藝，揭示了聚合物電潤濕的基本規(guī)律，指出了聚合物發(fā)生電潤濕的條件及其影響因素，重點探討了電極表面的介電層參數(shù)、外加電壓的時序特征等對電潤濕的影響、電潤濕中的電荷受限現(xiàn)象。
　?。?）本論文依據(jù)對電場作用下聚合物流變和界面物理行為規(guī)律的認知，將

7、電驅(qū)動模塑成形工藝方法進行延伸和變異，嘗試了其在若干微納米器件制造中的應用。（a）非球面微透鏡陣列的制造：本研究提出將納米壓印技術(shù)與模板腔體內(nèi)的聚合物電潤濕原理相結(jié)合，利用外電場控制模板微孔陣列內(nèi)的聚合物形貌，從而實現(xiàn)曲率可控的非球面微透鏡陣列制造，這種非球面微透鏡陣列制造方法具有低成本、高效率、大面積的優(yōu)勢；（b）變深寬比微柱陣列的成形：本論文提出將刮涂工藝和電毛細力驅(qū)動填充原理相結(jié)合，隨空間位置調(diào)整電毛細力大小，控制刮涂過程中聚合物