靜電誘導光刻技術(shù)是一種新穎和實用的圖案化方法,其通過利用流體聚合物薄膜在靜電場的作用下的電流體不穩(wěn)定性實現(xiàn)周期性或者多級結(jié)構(gòu)的制備,因此懂得如何利用和控制聚合物薄膜的形貌對基礎(chǔ)理論研究和實際應用都有著重要的意義。本文主要研究空間調(diào)制電場驅(qū)動下薄膜失穩(wěn)而形成有序形貌的問題。聚合物薄膜在許多不同外力(比如長程吸引范德華力或者外界施加的作用力:溫度梯度、電場)的驅(qū)動下會發(fā)生表面失穩(wěn)。本文采用有限元方法,針對電場誘導聚合物薄膜的失穩(wěn)及圖案化的過程進行了理論分析和數(shù)值模擬。另外,通過實驗研究的方法,驗證了利用電場誘導聚合物薄膜的失穩(wěn)過程實現(xiàn)平面基底或者曲面基底上微結(jié)構(gòu)的復制。通過理論與實驗的結(jié)合,加強了對這種失穩(wěn)現(xiàn)象的物理機理的了解。首先,本文研究了在周期性圖案化電極產(chǎn)生的空間調(diào)制電場的作用下,靜電誘導光刻技術(shù)的加工極限的問題。我們使用數(shù)值仿真軟件COMSOL Multiphysics,建立了電場誘導成型過程的瞬態(tài)仿真分析模型,用于觀察在靜電場力及表面張力的作用下微結(jié)構(gòu)的演化過程。利用水平集方法追蹤了不能互溶氣液兩相的界面,得到了失穩(wěn)的特征形貌。在電極的表面圖案轉(zhuǎn)移到聚合物薄膜表面的過程中,依據(jù)誘導得到的結(jié)構(gòu)從無序到有序的漸變,本文探究了如何去定義加工極限Lp,即利用有限元分析的方法確定了周期性納米結(jié)構(gòu)的加工極限。利用有限元仿真分析結(jié)果,討論了薄膜厚度、電場強度、電極間距、模板結(jié)構(gòu)的填充比對加工極限的影響。然后,通過工藝參數(shù)的優(yōu)化,驗證了利用靜電誘導技術(shù)實現(xiàn)一步制備多級微結(jié)構(gòu)及多級微通道的可能性。詳細討論了多級結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與極板間距、膜厚、極板凸起高度、結(jié)構(gòu)化模板凸起寬度等的定性關(guān)系。提出了一種利用電場誘導技術(shù)實現(xiàn)多級結(jié)構(gòu)或者多級微通道的方法。隨后,借助于毛細力光刻技術(shù),我們提出了一種簡單、低成本及高效地制備多級結(jié)構(gòu)的方法。在整個過程中,依據(jù)的實驗原理是:如果模板的接觸角不同或者模板凹槽的寬度不同,則會造成填充模板凹槽所需的時間上的不同。根據(jù)這個原理,提出了兩種利用毛細力光刻技術(shù)制備多級結(jié)構(gòu)的方法。其一是利用紫外光照或者氧等離子體對PDMS模板局部改性;其二是通過在PDMS模板上制備不同橫向尺寸的結(jié)構(gòu)。利用局部改性或者模板結(jié)構(gòu)異樣化的PDMS模板,成功制備了兼有凸凹面形的微透鏡陣列或者凸凹面形的條紋的多級結(jié)構(gòu)。同時我們提出了曲面電場誘導的理論模型,用于分析曲面基底上薄膜的穩(wěn)定性。通過數(shù)值模擬,研究了在圓柱基底表面上利用電場誘導失穩(wěn)圖案化的過程一步實現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的完美復制。利用嚴格的數(shù)學分析,得到了實現(xiàn)模板圖案完整復制的條件。研究表明,無論是平板電極還是圖案化電極,當起不穩(wěn)定作用的電場力占主導作用時,在決定液膜圖案最終形貌過程中圓柱的曲率半徑扮演重要的角色。除此之外,通過數(shù)值模擬和實驗研究,驗證了在曲面上可以利用小高寬比的結(jié)構(gòu)模板制備出大高寬比的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果對曲面基底上利用靜電誘導技術(shù)實現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的完整復制具有很好的指導意義。最后,基于潤滑近似理論,建立了電誘導失穩(wěn)及圖案化的理論模型,并對聚合物薄膜的受限生長實現(xiàn)光柵模板的復制形成大高寬比的結(jié)構(gòu)進行了理論分析、數(shù)值模擬以及實驗觀察�？疾炝吮砻鎻埩Α⒁耗ず穸�、電壓、介電常數(shù)、粘度對實現(xiàn)條紋復制的影響。一系列的3D模擬用來研究電場誘導失穩(wěn)的過程。模擬結(jié)果表明,既可以得到?jīng)]有缺陷的理想的光柵條紋,又獲得了條紋出現(xiàn)斷裂或者臨近條紋發(fā)生融合的光柵結(jié)構(gòu),這一模擬結(jié)果與實驗相吻合。
【學位單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TN305.7
【部分圖文】：

第 1 章 緒論技術(shù)奠定了微電子技術(shù)的發(fā)展，是迄今為止精至納米量級的工藝技術(shù)，涉及到微觀領(lǐng)域術(shù)。微納米加工技術(shù)可以搭建人類進入微世界的工具[1]。本文主要研究靜電誘導光導圖案化技術(shù)和微結(jié)構(gòu)模板的靜電誘導圖陳述。電誘導圖案化技術(shù)

中國科學院大學博士學位論文：曲面微納結(jié)構(gòu)的靜電誘導成形原理與工藝研究1999 年，美國普林斯頓大學的 Stephon. Chou 報道了一種新型的納米加工技，即光刻誘導自組裝 LISA (Lithographically induced self-assembly)[2]。其實驗藝流程如圖 1.1 所示：通過旋涂的方法在硅基基片上涂覆一層約 95nm 厚的熱性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜，然后將另一硅基模板放在聚合物膜的上方，為了控制二者之間的間距，需要在硅基模板上沉積厚度為 260nm氧化硅沉積層作為間隔器。將該系統(tǒng)置于 150 度（高于 PMMA 的玻璃化轉(zhuǎn)變度）的高溫環(huán)境下進行淬火處理，然后自然冷卻到室溫使聚合物固化成形。這聚合物薄膜會自組裝形成了周期性六邊形排列的微柱狀結(jié)構(gòu)，如圖 1.2 所示，個柱狀結(jié)構(gòu)的直徑為 2.7μm，周期為 3.4μm。

與 Chou 等人的實驗不同之處在于，他們在基底和模板之間提供了外電壓。圖 1.3(a)為膜厚為 93nm 的 PS 薄膜在較大的空氣間隙下，利用靜電誘導光刻技術(shù)得到的微小起伏的微結(jié)構(gòu)；圖1.3(b)為膜厚93nm的PS薄膜在較小的空氣間隙下，利用靜電誘導光刻技術(shù)得到的不規(guī)則排列的微柱狀結(jié)構(gòu)；圖 1.3(c)為膜厚為193nm 的 PS 薄膜利用靜電誘導光刻技術(shù)獲得的六角密排的周期性柱狀微結(jié)構(gòu)圖；圖 1.3(d)為 193nm 厚的 PS 薄膜，利用靜電誘導光刻技術(shù)獲得的中心成核，邊緣環(huán)狀分布的柱狀微結(jié)構(gòu)。

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本文編號：2821865