熱壓印方法構(gòu)筑聚對(duì)羥基苯乙烯微米線條

蔡晨光，吳 坤

(淮北師范大學(xué)，安徽 淮北 235000)

隨著半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)、微機(jī)械等領(lǐng)域?qū)酆衔锊牧咸岢龅母咝阅堋⒏喙δ芑螅酆衔锛{米材料及其微納加工技術(shù)逐漸成為納米科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。納米壓印是一種可以制造微納結(jié)構(gòu)的并行技術(shù)，具有成本低、生產(chǎn)效率高和設(shè)備簡易的特點(diǎn)。但納米壓印的組合工藝復(fù)雜且所需控制因素較多，各種因素都會(huì)影響壓印的結(jié)果[1-2]。所以如何有效地構(gòu)筑微納米結(jié)構(gòu)薄膜的圖案化成為目前納米壓印技術(shù)的難點(diǎn)之一。

Zhengdong Liu[3]等報(bào)道了在室溫條件下，通過光掩模輔助固態(tài)光聚合作用制備二維共軛微孔聚合物(CMPs)薄膜的晶圓級(jí)圖案化方法。羅哲等[4]針對(duì)曲面微光學(xué)結(jié)構(gòu)的制備，通過深入分析硅的各向異性濕法腐蝕機(jī)理，綜合采用光刻工藝、濕法腐蝕工藝、納米壓印工藝，提出了一種高精度、低成本、高產(chǎn)出、大尺寸、微結(jié)構(gòu)制作曲面衍射光柵的方法。段智勇等[5]利用靜電輔助壓印技術(shù)和氣壓輔助納米壓印技術(shù)相結(jié)合，展示了一種新型納米壓印方法，此方法利用氣體均勻施壓來代替機(jī)械施壓，解決了壓力不均勻的問題，利用靜電輔助施壓的方式脫模，實(shí)現(xiàn)了脫模過程的均勻用力。并利用仿真軟件Ansys進(jìn)行仿真，通過仿真實(shí)驗(yàn)和理論研究來證明納米壓印過程是可行的，誤差也在可以接受的范圍內(nèi)。

本文主要運(yùn)用熱壓印的方法來構(gòu)筑聚合物PVPh薄膜的微米線條圖案，隨后采用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)圖案化的聚合物薄膜進(jìn)行表征，通過掃描在微米線條結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的受限條件下的表面形貌，驗(yàn)證熱壓印方法構(gòu)筑微米線條結(jié)構(gòu)PVPh薄膜的可行性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)所用儀器：Vecco Nanoscope Multimode 8.0原子力顯微鏡(AFM)，德國布魯克公司；KW-4A臺(tái)式勻膠機(jī)，鑫有研電子科技公司；ZHF自動(dòng)恒溫電熱臺(tái)，北京科儀電光儀器公司；DZK-K30B真空干燥箱，合肥華德利科學(xué)器材有限公司；超聲波清洗器，合肥金尼克機(jī)械制造有限公司；RJ-TGL-16G臺(tái)式高速離心機(jī)，無錫市瑞江分析儀器有限公司；FA2004分析電子天平，常州市幸運(yùn)電子設(shè)備有限公司。

實(shí)驗(yàn)所用試劑：無水乙醇；異丙醇；四氫呋喃；聚二甲基硅氧烷(PDMS)；聚對(duì)羥基苯乙烯(PVPh)。

1.2 樣品制備

(1)PVPh溶液配制：首先用移液管量取2 mL四氫呋喃溶液，再用分析電子天平稱取54 mg PVPh固體放入至量取好的四氫呋喃溶液中將之完全溶解。把溶解完全的溶液移入離心管中再將離心管置于離心機(jī)以8000 r/min的轉(zhuǎn)速維持10 min后取出，取離心管中的上清液移入樣品瓶中完成純化得到一定濃度(27 mg/mL)的PVPh溶液。

(2)PVPh薄膜的制備：①玻璃片的制備：首先將玻璃片先后置于去離子水、 無水乙醇、異丙醇溶劑中在數(shù)控超聲波清洗器超聲清洗一定時(shí)間(10 min)完成清洗過程，再將清洗完全玻璃片在已用無水乙醇擦拭的自動(dòng)恒溫電熱臺(tái)上烘干完成干燥過程后待用。②薄膜的制備：把制備好的玻璃片放在已用無水乙醇擦拭的勻膠機(jī)轉(zhuǎn)盤中心，調(diào)節(jié)勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速(5000 rpm)等參數(shù)，采用移液槍移取20 μL上述已制備好的PVPh溶液滴在玻璃片中心，旋涂3 min后取出旋片，在真空干燥箱干燥一定時(shí)間(24 h)后得到完全干燥以玻璃片為基底的PVPh原始薄膜。

(3)圖案化PDMS模板的處理：將圖案化的PDMS模板放入盛有四氫呋喃溶液的燒杯中，再將燒杯放入數(shù)控超聲波清洗器超聲清洗15 min，清洗完成后將PDMS模板取出至培養(yǎng)皿并放在恒溫?zé)崤_(tái)以一定溫度(70 ℃)烘干后待用。

(4)PVPh薄膜圖案化構(gòu)筑：首先將已處理好的圖案化PDMS模板倒扣在上述已經(jīng)制備好的PVPh薄膜表面上，再在模板上方加上一塊玻璃片與部分銅塊。其次把它放在自動(dòng)恒溫?zé)崤_(tái)上以一定溫度(230 ℃)熔融一定時(shí)間(15 min)。退火短暫時(shí)間(3 min)后迅速轉(zhuǎn)移到室溫(25 ℃)的另一自動(dòng)恒溫電熱臺(tái)上，在穩(wěn)定的壓力下恒溫一定時(shí)間(15 h)。最后在熱壓印結(jié)束后釋放壓力移走PDMS模板，得到圖案化的PVPh薄膜。

2 結(jié)果與討論

圖1 熱壓印法構(gòu)筑圖案化PVPh薄膜工藝流程

圖1是聚合物PVPh薄膜圖案化過程操作流程示意圖。第一步薄膜的制備是在玻璃片基底上滴加聚合物PVPh溶液選擇合適的轉(zhuǎn)速旋涂成膜。第二步是將PDMS模板倒扣于升溫處于熔融態(tài)的原始薄膜上并施加一定壓力，此時(shí)需要選擇合適的熔融溫度，實(shí)驗(yàn)采用230 ℃，使原始薄膜完全處于熔融態(tài)且不至于過高損害模板，完全處于熔融態(tài)的聚合物能充分進(jìn)入模板里的微米線條中，這樣有利于聚合物PVPh微米線條薄膜圖案化的構(gòu)筑。最后一步熔融一定時(shí)間后熱退火并在恒溫條件下維持一定時(shí)間后，釋放壓力，移走PDMS模板，得到圖案化聚合物PVPh薄膜。接下來是使用原子力顯微鏡對(duì)聚合物PVPh薄膜表面圖案化結(jié)果的表征。

圖2是原子力顯微鏡表征圖，(A)是聚合物PVPh薄膜熱壓印之前的原子力顯微鏡高度圖，(B)是聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板的原子力顯微鏡高度圖，(C)是聚合物PVPh薄膜熱壓印之后的原子力顯微鏡高度圖。如圖(A)所示未經(jīng)過熱壓印處理的聚合物PVPh薄膜呈現(xiàn)一定粗糙度且沒有周期性與規(guī)整度。圖(B)中PDMS模板的高度為85 nm，周期為850 nm。而圖(C)中熱壓印后的聚合物PVPh薄膜的線條高度為78 nm，周期為879 nm，根據(jù)圖2可以明顯看出經(jīng)過熱壓印后的薄膜相較于熱壓印之前表面更加均勻，且具有很好規(guī)整性與周期性的圖案。經(jīng)過原子力顯微鏡的表征可以發(fā)現(xiàn)聚合物微米線條尺寸在周期，高度等參數(shù)方面與所使用的PDMS模板尺寸基本一致。這就表明本論文中所介紹的熱壓印方法可以成功構(gòu)筑聚合物PVPh微米線條結(jié)構(gòu)薄膜。

圖2 圖案化前后PVPh薄膜(A)、(C)和PDMS模板(B)的原子力高度圖

3 結(jié) 論

經(jīng)過熱壓印圖案化過程的聚合物聚對(duì)羥基苯乙烯(PVPh)薄膜與原始薄膜形貌有著明顯的區(qū)別。經(jīng)過熱壓印圖案化的薄膜表面分布均勻，微米線條規(guī)整且具有很好的周期性，這說明熱壓印是構(gòu)筑聚合物PVPh微米線條結(jié)構(gòu)薄膜的有效方法，對(duì)于微納米加工具有指導(dǎo)意義。由于聚合物材料本身所具有豐富且優(yōu)良的性能，配合壓印技術(shù)方便快捷、成本低、可量產(chǎn)等特點(diǎn)，此技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于各種功能器件的制備。然而如何提高壓印的分辨率以及對(duì)圖案化后材料性能的變化也是今后需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。