软光刻介绍

软光刻技术主要内容什么是PolyMEMS什么是软光刻为什么要使用软光刻?详细的软光刻工艺弹性模的制作材料的选取设备应用一、什么是PolyMEMSPolyMEMS是一种基于电活化聚合物材料的塑性MEMS技术PolyMEMS技术是一种典型的非硅制造技术主要的加工材料由半导体硅转变为聚合材料最典型的加工方法为软光刻光刻技术“光刻”就是利用某些特殊的材料（例如光敏性的光刻胶）在电磁波照射下发生的物理或化学性质的变化（例如材料溶解性的增加或降低）来进行微加工的技术。按电磁辐射源的种类来分，光刻技术可分为：以光子为辐射源：紫外光-UV（350～450nm）：0.35～0.25μm深紫外光-DUV（248nm和193nm）：O.25～0.18μm和0．18μm～90nm；90～65nm极紫外光-EUV（1～25nm）：13～16nmX-射线（O.8nm）：高能粒子为辐射源（电子和离子）光刻技术。二、什么是软光刻软光刻技术是1993年由美国Harvard大学的Whitesides研究小组首先发展的，涉及传统光刻、有机分子（例如硫醇和硅氧烷等）自组装、电化学、聚合物科学等领域的一类综合性技术的统称。G.M.Whitesides主要特征是采用PDMS制成的表面具有微观图案的印章或模具来进行微观结构的复制。与传统的光刻技术相比，PDMS模具的制备比较容易，而且成本低。难以突破100nm的微小尺寸需要特定的光敏材料才可进行光刻不适于在曲面上进行价格昂贵三、为什么要使用软光刻传统光刻的局限性三、为什么要使用软光刻能制造复杂的三维结构并且能在不规则曲面上应用;能够应用于不同化学性质表面,并且可以根据需要改变材料表面的化学性质;能够应用于多种材料,例如:生物材料聚合物、胶体材料、玻璃、陶瓷等;没有光散射带来的精度限制,能达到30nm～1μm级的微小尺寸需要设备较为简单,在普通的实验室环境下就能应用,是一种便宜的,方便的,适于实验室使用的技术。软光刻的优势四、详细的软光刻工艺自组织形成的单层有机膜(SAMs)；微接触印刷(μCP)；再铸模(REM)；微传递成模(μTM)；毛细管成模(MIMIC)；溶剂辅助成模(SAMIM)。软光刻的关键技术:自组织形成的单层有机膜(SAMs)所谓自组织就是指分子或物体通过非共价键作用而自发形成稳定的、确定的结构。由于最终的结构接近热动力学平衡，所以能自发形成并阻止缺陷的产生。自组织结构比非自组织结构更具有有序性，自组织是普遍的自然现象：如蛋白质和tRNA折叠和DNA的双螺旋结构，都显示了其在微制造中的潜力。自组织单层是非生物系统中，研究得最广泛、发展得最好得自组织系统。它通常是长链有机分子通过化学吸附和自组织，自发地在基底表面形成的（如有机硫酸和二硫化物在金、银表面及红铜和羧酸在铝表面）。制备方法主要是将一定的基底浸入到含有一定配体的溶液中或暴露在一定配体的蒸气中。这些配体就会吸附到基底表面并且自组装成有序结构。自组织形成的单层有机膜(SAMs)微接触印刷技术是一种灵活有效的构造图案化的自组装单层膜的方法。印章被置于自组装单层膜上部10-20s。弹性体模板被用来将一种“墨水”传递到固体基底表面，再将此基底用含有另一种“墨水”的溶液洗涤，在裸露的区域就会自组装上另一种分子。这种微接触印刷技术可以非常容易的应用到曲面上。微接触印刷(μCP)•用平面印章在平面基底上印刷•用滚动印章在平面基底上大面积印刷•用平面印章在非平面基底上印刷采用传统高精度光刻技术产生原始印模后，将印模的微细结构复制在聚合物上。用紫外照射或加热放射使不含溶剂的预聚物固化；预聚物浸注于印模上，然后固化；剥离聚合物；再铸模的优点是一步就可以制作出复杂的三维结构。再铸模(REM)•取一滴预聚物放在图案化的PDMS模板表面用另一块平的PDMS刮走多余的预聚物，或者用氮气直接吹走表面多余的预聚物•将此表面与一平整的基底紧密接触，加热或紫外线照射使预聚物固化•揭开PDMS模板，图案化的聚合物微结构就会留在基底表面•PDMS厚度应控制在２ｍｍ以下；以确保模的柔韧性。该过程只需要不到5分钟时间。微传递成模(μTM)微传递成模(μTM)优点•加工速度快•能加工出单独或相连的微结构•能在曲面上加工•能在大面积上加工三维结构•能应用于大量材料（玻璃、银、金、硅或二氧化硅材料）•使用一种热凝的环氧树脂(F109CLR)作为预聚物填充在PDMS模的凹槽结构中，通过在65度下加热25分钟，获得复制结构。•预聚物的的粘度增加，因此也减少了在凹槽中的预聚物下陷入前一层的缝隙中的可能性。•整个系统在25℃下静置24小时，然后将PDMS剥离，就得到了第二层微结构。•重复进行上面的步骤，可获得第三层微结构。多层结构工艺利用μTM在基底上形成的微结构会产生一层0.1微米厚的残留层。这层残留物由预聚物或模表面构成，该层在电子显微镜下可能不可见，但是当我们希望用μTM得到的微结构作为进一步蚀刻的掩膜的时候，残留层会阻止对基底作进一步蚀刻。通常可以用氧离子刻蚀(RIE)的方法来消除这层膜。局限性PDMS印模被放置于基底上，然后将预聚物置于毛细管的一端；由于毛细作用，预聚物会自发的逐渐充满毛细管印模；预聚物必须具有低粘度，且与印模紧密接触，以确保液态预聚物充满毛细管印模；预聚物充满毛细管印模后，进行固化；毛细管成模塑(MIMIC)溶剂辅助成模(SAMIM)用一种聚合物的良溶剂润湿PDMS表面，再将此PDMS模板与聚合物表面紧密接触；聚合物表面产生一薄层溶解或溶胀变软并和PDMS模板形成紧密接触；溶剂挥发完全后移走PDMS模板，就会得到表面带有图案化的聚合物。润湿溶剂需能够快速溶解或溶胀聚合物表面，而不能溶解和溶胀PDMS模板，且能够确保PDMS模板和聚合物表面形成紧密接触。各种软光刻工艺转印精度分布五、弹性印章的制作在软光刻中，通常浇铸铸模获得PDMS弹性印模和弹性模。目前已有快速廉价地制作特征尺寸大于或等于20μm的主模。具体步骤如下：先用ConventorWare、AutoCAD等专业设计软件设计出图案，再用高精度的激光打印机（3387dpi）将图案打印到透明的聚合物模上。该方法几小时内就可制得光掩膜。六、材料的选取考虑因素：①固化方式②阴模材料聚合收缩率③结构深宽比若制作最终光学元件的材料是紫外固化的，常用DOWCORING的SylgardTM184作为制作阴模的硅酮材料，因为该材料具有很好的光学透过率，且对紫外光也有较好的透过率。若采用热固化光学树脂作为零件的材料，亦可使用通用电气公司（GE）的多种热固化树脂（RTV）作为阴模材料。典型材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)Polydimethylsiloxane(PDMS)中文名为聚二甲基硅氧烷。它是软光刻技术中最常用的弹性模材料，相对于其他弹性材料如聚氨酯（Polyurethanes）、聚酰亚胺（Polyimldes）和Novolac树脂等等PDMS具有下面的特点：①它是一种弹性材料，能满足底物表面大面积成模的要求并与底物有良好接触一致性，能用于非平面的表面微图案复制。②其成模界面自由能较低且化学惰性，制模过程中的吸附底物表面过程可逆，处理后易于取下；底物与PDMS表面不发生化学反应，这个性质对于微流体沟道来说是非常重要的。③PDMS是各向同性的，且典型透射可深入约300μm，具有良好的光学特性，可应用于多种光学检测系统。④PDMS是一种耐久性材料，有良好的绝缘性和热学稳定性，在几个月内可重复使用100次而无明显退化现象，价格便宜，可大规模生产，制备容易。⑤PDMS具有很好的柔性，这样使得它可以与相对粗糙的表面很好的接触，这个特性使得PDMS成为一种很好的浇铸材料。缺点：坍塌重力引起的下垂收缩DowCorningSylgard184硅橡胶（PDMS）DowCorningSylgard184硅橡胶是液体组分套件产品，包括基本组分(base)与固化剂(curingagent)，基本组分与固化剂按一定比例混合后在25℃－150℃的温度范围内固化，无放热现象，无需二次固化。固化过程完成后，可立即在-55－220℃的温度范围内使用。Norland紫外固化光学胶NOA73NOA73的化学名称是聚亚胺脂（PolyUrethane），通过紫外光固化，对波长为350nm-380nm的紫外光具有最大吸收。NOA73粘结物可以用氯基溶液（如亚甲基氯）分离。NOA73内含粘结促进剂，对玻璃、玻璃填充、或陶瓷绑定提供最大粘结力并具有最好的湿气抵抗性。NOA73的粘合物开始时能承受-15℃到+60℃温度范围，老化后为-60℃到+90℃。七、加工设备弹性模的加工甩胶台、光刻机、去胶机、烘干炉、显影软光刻中通常由于图形尺寸较大，可以应用精细的打印机直接把版图打印在胶片上，再贴在一张玻璃板上当作光刻版使用，主要为了便宜和快速。当然，也可以用传统的光刻版。PDMA弹性模的生成一般是两步，先用传统光刻/光刻胶（包括SU-8)形成光刻胶的阳模，再到上PDMA，固化后再把PDMA揭下来七、加工设备软光刻工艺溅射台、钻孔机、紫外炉（紫外灯）、真空烘箱（200°C）、等离子清洗机、超净台、玻璃器皿等八、主要应用微光学微流体传感器光学谐振器谢谢！