曲面微纳结构的静电诱导成形原理与工艺研究

发布时间：2020-09-18 16:01

　　静电诱导光刻技术是一种新颖和实用的图案化方法,其通过利用流体聚合物薄膜在静电场的作用下的电流体不稳定性实现周期性或者多级结构的制备,因此懂得如何利用和控制聚合物薄膜的形貌对基础理论研究和实际应用都有着重要的意义。本文主要研究空间调制电场驱动下薄膜失稳而形成有序形貌的问题。聚合物薄膜在许多不同外力(比如长程吸引范德华力或者外界施加的作用力:温度梯度、电场)的驱动下会发生表面失稳。本文采用有限元方法,针对电场诱导聚合物薄膜的失稳及图案化的过程进行了理论分析和数值模拟。另外,通过实验研究的方法,验证了利用电场诱导聚合物薄膜的失稳过程实现平面基底或者曲面基底上微结构的复制。通过理论与实验的结合,加强了对这种失稳现象的物理机理的了解。首先,本文研究了在周期性图案化电极产生的空间调制电场的作用下,静电诱导光刻技术的加工极限的问题。我们使用数值仿真软件COMSOL Multiphysics,建立了电场诱导成型过程的瞬态仿真分析模型,用于观察在静电场力及表面张力的作用下微结构的演化过程。利用水平集方法追踪了不能互溶气液两相的界面,得到了失稳的特征形貌。在电极的表面图案转移到聚合物薄膜表面的过程中,依据诱导得到的结构从无序到有序的渐变,本文探究了如何去定义加工极限Lp,即利用有限元分析的方法确定了周期性纳米结构的加工极限。利用有限元仿真分析结果,讨论了薄膜厚度、电场强度、电极间距、模板结构的填充比对加工极限的影响。然后,通过工艺参数的优化,验证了利用静电诱导技术实现一步制备多级微结构及多级微通道的可能性。详细讨论了多级结构的出现与极板间距、膜厚、极板凸起高度、结构化模板凸起宽度等的定性关系。提出了一种利用电场诱导技术实现多级结构或者多级微通道的方法。随后,借助于毛细力光刻技术,我们提出了一种简单、低成本及高效地制备多级结构的方法。在整个过程中,依据的实验原理是:如果模板的接触角不同或者模板凹槽的宽度不同,则会造成填充模板凹槽所需的时间上的不同。根据这个原理,提出了两种利用毛细力光刻技术制备多级结构的方法。其一是利用紫外光照或者氧等离子体对PDMS模板局部改性;其二是通过在PDMS模板上制备不同横向尺寸的结构。利用局部改性或者模板结构异样化的PDMS模板,成功制备了兼有凸凹面形的微透镜阵列或者凸凹面形的条纹的多级结构。同时我们提出了曲面电场诱导的理论模型,用于分析曲面基底上薄膜的稳定性。通过数值模拟,研究了在圆柱基底表面上利用电场诱导失稳图案化的过程一步实现微纳米结构的完美复制。利用严格的数学分析,得到了实现模板图案完整复制的条件。研究表明,无论是平板电极还是图案化电极,当起不稳定作用的电场力占主导作用时,在决定液膜图案最终形貌过程中圆柱的曲率半径扮演重要的角色。除此之外,通过数值模拟和实验研究,验证了在曲面上可以利用小高宽比的结构模板制备出大高宽比的结构。这些结果对曲面基底上利用静电诱导技术实现微纳米结构的完整复制具有很好的指导意义。最后,基于润滑近似理论,建立了电诱导失稳及图案化的理论模型,并对聚合物薄膜的受限生长实现光栅模板的复制形成大高宽比的结构进行了理论分析、数值模拟以及实验观察。考察了表面张力、液膜厚度、电压、介电常数、粘度对实现条纹复制的影响。一系列的3D模拟用来研究电场诱导失稳的过程。模拟结果表明,既可以得到没有缺陷的理想的光栅条纹,又获得了条纹出现断裂或者临近条纹发生融合的光栅结构,这一模拟结果与实验相吻合。
【学位单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN305.7
【部分图文】：

示意图,实验过程,示意图,图案化

第 1 章绪论技术奠定了微电子技术的发展，是迄今为止精至纳米量级的工艺技术，涉及到微观领域术。微纳米加工技术可以搭建人类进入微世界的工具[1]。本文主要研究静电诱导光导图案化技术和微结构模板的静电诱导图陈述。电诱导图案化技术

典型实验,过程,硅基

中国科学院大学博士学位论文：曲面微纳结构的静电诱导成形原理与工艺研究1999 年，美国普林斯顿大学的 Stephon. Chou 报道了一种新型的纳米加工技，即光刻诱导自组装 LISA (Lithographically induced self-assembly)[2]。其实验艺流程如图 1.1 所示：通过旋涂的方法在硅基基片上涂覆一层约 95nm 厚的热性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜，然后将另一硅基模板放在聚合物膜的上方，为了控制二者之间的间距，需要在硅基模板上沉积厚度为 260nm氧化硅沉积层作为间隔器。将该系统置于 150 度（高于 PMMA 的玻璃化转变度）的高温环境下进行淬火处理，然后自然冷却到室温使聚合物固化成形。这聚合物薄膜会自组装形成了周期性六边形排列的微柱状结构，如图 1.2 所示，个柱状结构的直径为 2.7μm，周期为 3.4μm。

诱导光,典型实验,静电,技术

与 Chou 等人的实验不同之处在于，他们在基底和模板之间提供了外电压。图 1.3(a)为膜厚为 93nm 的 PS 薄膜在较大的空气间隙下，利用静电诱导光刻技术得到的微小起伏的微结构；图1.3(b)为膜厚93nm的PS薄膜在较小的空气间隙下，利用静电诱导光刻技术得到的不规则排列的微柱状结构；图 1.3(c)为膜厚为193nm 的 PS 薄膜利用静电诱导光刻技术获得的六角密排的周期性柱状微结构图；图 1.3(d)为 193nm 厚的 PS 薄膜，利用静电诱导光刻技术获得的中心成核，边缘环状分布的柱状微结构。

【相似文献】