熱壓印方法構(gòu)筑聚對羥基苯乙烯微米線條

蔡晨光，吳 坤

(淮北師范大學，安徽 淮北 235000)

隨著半導體、生物醫(yī)學、微機械等領(lǐng)域?qū)酆衔锊牧咸岢龅母咝阅?、更多功能化要求，聚合物納米材料及其微納加工技術(shù)逐漸成為納米科學領(lǐng)域的研究熱點。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。但納米壓印的組合工藝復雜且所需控制因素較多，各種因素都會影響壓印的結(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)的難點之一。

Zhengdong Liu[3]等報道了在室溫條件下，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)薄膜的晶圓級圖案化方法。羅哲等[4]針對曲面微光學結(jié)構(gòu)的制備，通過深入分析硅的各向異性濕法腐蝕機理，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，實現(xiàn)了脫模過程的均勻用力。并利用仿真軟件Ansys進行仿真，通過仿真實驗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)對圖案化的聚合物薄膜進行表征，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 驗

1.1 儀器與試劑

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

實驗所用試劑：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恒溫電熱臺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轉(zhuǎn)盤中心，調(diào)節(jié)勻膠機轉(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)皿并放在恒溫熱臺以一定溫度(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。其次把它放在自動恒溫熱臺上以一定溫度(230 ℃)熔融一定時間(15 min)。退火短暫時間(3 min)后迅速轉(zhuǎn)移到室溫(25 ℃)的另一自動恒溫電熱臺上，在穩(wěn)定的壓力下恒溫一定時間(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，此時需要選擇合適的熔融溫度，實驗采用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間后熱退火并在恒溫條件下維持一定時間后，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，對于微納米加工具有指導意義。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，此技術(shù)可以廣泛應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圖案化后材料性能的變化也是今后需要重點研究的內(nèi)容。