方法文章

用于在聚合物基底上生成微米及亚微米级图案的微孔冲压光刻技术

DOI：

10.3791/3725

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2012年7月2日

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1Mechanical and Aerospace Engineering, University of Texas at Arlington

本文内容

摘要

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开发了一种微冲压光刻技术，用于在聚合物基底的顶面、侧壁和底面生成微米及亚微米级图案。该方法克服了导电聚合物图案化以及侧壁图案制备的难题，可实现多种结构的快速制造，且无需使用强腐蚀性化学试剂。

摘要

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自1977年发现掺杂聚乙炔具有高导电性以来，导电聚合物引起了广泛关注1。这类材料具有质量轻、性能易于调控以及应用范围广泛等优势2,3。由于导电聚合物对环境条件（如空气、氧气、湿气、高温和化学溶液）敏感，因此在处理这些材料时，光刻技术面临显著的技术挑战4。例如，现有的光刻方法（如紫外光刻）因涉及湿法和/或干法刻蚀工艺，不适用于导电聚合物的图形化。此外，目前的微/纳系统主要采用平面结构5,6，即在已制备的下层结构表面逐层构建上层结构，通过多层堆叠在同一个基底上形成多种器件。微结构的侧壁表面尚未被用于器件构建。然而，侧壁图形可被用于例如构建三维电路、修饰微流道以及引导纳米线和纳米管的横向生长。

宏冲压技术在制造业中已应用百余年，用于在金属板材上制造宏观图案。受此方法启发，我们开发了一种微冲压光刻技术（MPL），以克服导电聚合物图案化及侧壁图案生成中的障碍。与宏冲压方法类似，MPL也包含两个操作步骤（图1）：（i）切割；（ii）拉伸成形。“切割”操作已用于对三种导电聚合物4——聚吡咯（PPy）、聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（4-苯乙烯磺酸盐）（PEDOT）和聚苯胺（PANI）——进行图案化，同时也用于制备铝微结构7。所制备的导电聚合物微结构已被用作湿度8、化学8和葡萄糖传感器9。铝与导电聚合物的复合微结构已被用于制造电容器及多种异质结9,10,11。“切割”操作还被用于生成亚微米级图案，例如100 nm和500 nm宽的PPy线以及100 nm宽的金线。“拉伸成形”操作则用于两个方面：（i）在高密度聚乙烯（HDPE）通道上制备金侧壁图案，可用于构建三维微系统12,13,14；（ii）在HDPE基底上制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）微柱，以增大通道的接触角15。

方案

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A. MPL 示意图

宏冲压方法包括“切割”和“拉伸”两个操作。“切割”操作采用具有锐边凸起结构的模具，包含三个基本步骤（图1(a1-a3)）。首先，将一块金属薄板放置在刚性基底上（图1(a1)）。其次，通过施加高压力，使硅模具与基底紧密接触。在此第二步中，位于凸起模具结构正下方的金属部分首先被凸起结构从周围金属中切断，随后被压入基底中凹陷图案的底部（图1(a2)）。最后，将模具与基底分离，完成金属薄板的图案化（图1(a3)）。“拉伸”操作采用类似的制备流程，但使用具有圆边凸起结构的模具（图1(b1)）。此外，所施加的压入力和速度均显著小于“切割”操作中的对应参数。这些差异降低了金属薄板在凸起结构下方区域所受的应力，因此在“拉伸”操作中，该部分金属仅被下压而不会被切断（图1(b2-b3)）。

在MPL的“切割”操作中（图1(c1-c3)），(i) 将涂覆有一层中间聚合物和一层待打印材料的Si基底加热至中间聚合物的玻璃化转变温度（Tg：软化温度）以上，同时低于目标材料的Tm（熔点）或Tg（图1(c1)

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讨论

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故障排除信息： 使用“切割”工艺制备导电聚合物和金属单层及多层微图案的关键要点：（1）压印温度需确保中间PMMA层具有足够的流动性，以获得最佳效果。建议从温度范围的下限开始，若未达到理想结果，再逐步升高温度。过高的温度可能导致导电聚合物层的化学和/或电学性质发生变化。（2）若压印力过大，可能导致硅模具在压印过程中开裂；而压印力过低则可能导致模具填充不充分，聚合物层无法被完全切断。（3）压印设备应设置为仅在基底达到设定温度后才开始压印操作。（4）压印图案的轮廓取决于特征尺寸、压印力、温度及模具压入时间，其形貌可能从边缘锐利变为较为圆润。随着聚合物层数的增加，边缘轮廓趋于圆化。（5）应优先选用具有锐利边缘的硅模具，以确保导电聚合物/金属层按预期被切断。不建议使用侧壁倾斜的硅模具。（6）使用过深的硅模具可能导致模具与聚合物层之间发生粘连；若模具过浅，则可能无法实现对顶层（或若干层）的有效“切割”。（7）建议使用防粘连薄膜（例如，聚四氟乙烯）应涂覆在硅模具上，以便在脱模过程中易于将其与基底分离。（8）较短的压模时间可能导致无法实现“切割”效果，且模具轮廓可能变得圆滑。如果特征尺寸较小，则需要更.......

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致谢

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本工作部分得到了以下资助：NSFDMI-0508454、NSF/LEQSF(2006)-Pfund-53、NSF-CMMI-0811888 和 NSF-CMMI-0900595 项目。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
PMMA Sigma-Aldrich495C9溶剂为氯苯。应在通风良好的通风橱中操作PMMA溶液。避免吸入蒸气。请参考材料安全数据表（MSDS）以获取安全操作说明。
PPy Sigma-Aldrich--水中质量分数5%。直接使用，无需处理。
PEDOT-PSSH. C. Starck Co.Baytron P HC V4专用溶剂。直接使用，无需处理。
SPANISigma-Aldrich--水溶性形式。直接使用，无需处理。
热压印机 JenoptikMikrotechnik Co.HEX 01/LT
溅射仪Cressington Co.208HR
聚焦离子束（FIB）系统 Carl Zeiss, Inc.FIB Crossbeam 1540 XB
旋涂仪Headway Research Inc.PWM32-PS-R790 Spinner System
反应离子刻蚀（RIE）系统Technics MicroRIE Co.--
光刻胶 Shipley Co.S1813
PDMSDow CorningSylgard 184 硅橡胶弹性体套件
高密度聚乙烯（HDPE）片材 US Plastic Corp.--
PMMA 片材Cyro Co.--
双面胶带 Scotch Co.--
单面胶带Delphon Co.Ultratape # 1310
玻璃微电极FHC, Inc.30-30-1
夹子Office Depot长尾夹
加湿器Vicks Co.无滤网加湿器

参考文献

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  1. Menon, R. Conducting polymers: Nobel Prize in Chemistry, 2000. Current Science. 79, 1632(2000).
  2. Inzelt, G., Pineri, M., Schultze, J. W., Vorotyntsev, M. A. Electron and proton conducting polymers: recent developments and prospects. Electrochimica Acta. 45....

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