闪耀光栅制备工艺与结构保真性研究

    0　引言

    1995年,人们提出了纳米压印技术(NIL)^[1-2],由于这项技术具有生产效率高、成本低、工艺过程简单等优点,引起各国科学家和产业界的兴趣和重视。其中发展最早也最成熟的技术是热压印技术(HEL),该法可加工聚合物的图案,不仅可用于光刻,亦可进行微器件,如微流体、微光学器件的加工^[3-4]。

    闪耀光栅是重要的光学元件,可完成分光、滤光等功能,在光谱仪等场合得到广泛应用^[5]。通过微闪耀光栅色散原理进行分光,可达到特定波长分光作用,实现红外光谱型吸收法气体测试系统^[6]。该法能否实用,取决于两个方面:一是廉价精密微闪耀光栅的获取,二是微闪耀光栅在气体检测中分光性能的研究。即精度和价格两个方面因素对于微闪耀光栅实际应用有着重要意义。

    本文将HEL应用于闪耀光栅复制中,利用热压印工艺的分辨率高、高产量、低成本等特性,使采用闪耀光栅分光的气体检测系统成本大幅度降低,从而能满足分光型红外吸收法气体测试系统对闪耀光栅的要求。主要研究了热压印工艺加工复制闪耀光栅的整个工艺及其保真特性,工作包括聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)膜的制备、热压印工艺参数选择、制备的硅基PMMA闪耀光栅的结构保真性评价等工作。

    实验结果及讨论表明,基于HEL制备的硅基PMMA闪耀光栅具有良好的结构保真性,可满足气体检测中的分光应用要求。与传统机械加工或硅微加工闪耀光栅相比,该法具有更低的加工成本和更高的加工效率。

    1　闪耀光栅制备工艺

    基于硅基的闪耀光栅的基本工艺包含3个步骤:硅片上PMMA薄膜的制备、压印实验和后续工艺。PMMA薄膜制备主要通过溶胶、甩胶等工艺提供压印需要厚度适合的PMMA薄膜;热压印是把模具的图案复制到聚合物材料之上,并使复制后的结构具有良好的保真性;后续工艺主要是镀反射膜,使聚合物表面具有良好的反射性能,从而能完成闪耀光栅功能。

    1.1　PMMA薄膜制备

    PMMA是应用最多的热压印胶。它是一种常用的电子束抗蚀剂,能溶于很多极性和非极性有机溶剂,在涂膜过程中能获得很好的均匀性,这对于图形的无缺陷转移很重要。同时,它又是一种无定形聚合物,玻璃点转换温度为105℃,热膨胀系数为5×10-5K-1,压力收缩系数仅5.5×10-5MPa-1,且分子量分布较宽,PMMA的低分子量比高分子量显示出更好的流体性能,所以PMMA对于热压印过程是很好的选择。

    聚合物薄膜的制备是压印过程中关键的一步,必须将聚合物均匀地涂敷在硅片上。PMMA聚合物薄膜的制备主要工艺流程如图1所示。首先是基片清洗,将已生长好SiO2的0.076 2 m硅片浸泡在丙酮溶液中约30 min,将基片用镊子取出放入乙醇溶液中浸泡30 min,然后用去离子水清洗2~3次,清洗完毕,用高纯氮气吹干。