高密度、圖形規(guī)則的硅點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的光電性能具有廣泛的應(yīng)用前景。本文介紹了一種以低壓壓印結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕制備硅點(diǎn)陣的方法，即利用PDMS 模板通過壓印復(fù)制獲得PMMA 掩模結(jié)構(gòu)，用反應(yīng)離子刻蝕在硅片表面制得高度有序的硅納米點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)和有限元模擬結(jié)果表明，低壓壓印因?yàn)槊��?xì)作用下光刻膠在模板內(nèi)的充分填充可以獲得良好的圖形復(fù)制精度和較小的殘余膠厚度，因此適于大面積高密度光刻膠結(jié)構(gòu)的均勻復(fù)制。

　　硅納米點(diǎn)陣相對(duì)于平面硅有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，引起了人們廣泛的關(guān)注，目前已被運(yùn)用于光電子學(xué)、電子學(xué)、生物傳感器、太陽能電池等諸多領(lǐng)域，制備硅納米點(diǎn)陣的方法有很多，常見的如生長法，即采用化學(xué)氣相沉積、溶液生長、分子束外延生長等方法，這些方法可以通過改變催化劑的尺寸、生長時(shí)間、生長溫度制備出不同尺度的硅線或點(diǎn)陣，但如何實(shí)現(xiàn)大面積無缺陷的可控制備一直是難以解決的問題。通過光刻技術(shù)- 反應(yīng)離子刻蝕或者金屬輔助濕法刻蝕的方式則可以實(shí)現(xiàn)高度致密的硅點(diǎn)陣可控制備，而光刻膠點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的大面積簡單圖形復(fù)制工藝一直是研究人員面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題。納米壓印技術(shù)是光刻膠圖形簡單復(fù)制的常用方法，但在使用硬模板壓印時(shí)，必需高溫高壓工藝使壓印膠在玻璃化溫度以上融化和填充于模板中， 相反低壓壓印中，PDMS 具有較低楊氏模量可以在低壓下與膠層緊密接觸并依靠毛細(xì)作用力使光刻膠填充于模板內(nèi)。另一方面，硬壓印在脫模時(shí)，模板會(huì)整體脫離，在脫模的瞬間，過大的切向剪切力極容易破壞圖形結(jié)構(gòu)和模板，而低壓壓印因?yàn)镻DMS 低表面能和柔性，與光刻膠結(jié)構(gòu)的脫模是逐漸分離的過程，易于實(shí)現(xiàn)大面積圖形結(jié)構(gòu)均勻復(fù)制。本文介紹了一種以PDMS 模板低壓壓印結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕制備硅點(diǎn)陣圖形的方法， 即以壓印的SU-8 膠為母板通過澆鑄SU-8 膠得到PDMS 軟印章，以PDMS 印章軟壓印PMMA，最后以PMMA為掩模，用氧等離子體轟擊去除殘余膠后，用RIE 刻蝕，得到高密度的硅點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

1、實(shí)驗(yàn)

　　制作硅點(diǎn)陣圖形主要包括兩個(gè)步驟：PMMA 掩模結(jié)構(gòu)的制備和RIE 反應(yīng)離子刻蝕。具體實(shí)驗(yàn)操作流程如圖1：點(diǎn)陣玻璃模板經(jīng)清洗等預(yù)處理后，旋涂DC20(轉(zhuǎn)速為3000 r/min,時(shí)間為40 s)，后置于90℃的熱臺(tái)上加熱10 min，與此同時(shí)在清洗后的玻璃基底上旋涂SU-8 2025(轉(zhuǎn)速為3000 r/min，時(shí)間為60 s)，并在熱臺(tái)上以90℃前烘10 min，之后在納米壓印機(jī)上用玻璃模板硬壓印SU-8 膠(溫度為100℃，時(shí)間為30 min)。時(shí)間到后，讓其自然冷卻至室溫，取下雙層樣片后，透過玻璃模板用紫外曝光機(jī)曝光2 min，再置于90℃的熱臺(tái)上后烘10 min，即可揭下玻璃模板，得到SU-8 膠的圖形結(jié)構(gòu)(如圖1-a,b)。將配置后靜置、無氣泡的PDMS 溶液澆鑄在SU-8 膠上，待其浸潤完全后，一起放置在熱臺(tái)上以85℃加熱30 min，待PDMS 固化后，揭下PDMS 塊，這就是我們下一步壓印所需要的軟印章(如圖1-c,d)。對(duì)已經(jīng)清洗、烘烤的玻璃基底用氧等離子體轟擊，增加其表面能，旋涂PMMA 膠(轉(zhuǎn)速為2000 r/min，時(shí)間為60 s)，再將PMMA 放在熱臺(tái)上以180℃前烘10 min，以蒸發(fā)其中的溶劑，本實(shí)驗(yàn)中我們配置的PMMA 經(jīng)測試厚度為110 nm。將之前得到的PDMS 軟印章覆蓋在PMMA 膠上，用圓柱形圓棒沿同一方向在PDMS 上滾動(dòng)，將兩層膠之間的氣體排出，由于PDMS 具有很好的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度，能保證PDMS 和PMMA膠層的緊密接觸，然后在PDMS 上加一個(gè)0.5 kg 的重物，在180℃的熱臺(tái)上放置15 min，待自然冷卻至室溫后，揭下PDMS 印章，即可得到最終需要的PMMA 點(diǎn)陣圖案(如圖1-e)。用等離子去膠對(duì)其氧等離子體轟擊，去除殘余膠(如圖1-f)，最后用PMMA 為掩模，RIE 刻蝕硅片，制得最終的硅點(diǎn)陣圖形(如圖1-g)。

圖1 硅點(diǎn)陣圖形制作工藝流程圖

　　實(shí)驗(yàn)中用的玻璃模板由全息曝光技術(shù)，在正交方向分兩次曝光，制得具有點(diǎn)陣圖形的光刻膠掩模，再用反應(yīng)離子束刻蝕(RIBE)制作出點(diǎn)陣圖形。其中凸起部分可視為500 nm 的正方形，深度為300 nm;聚合物材料方面，選用Microchem公司的SU8-2025 光刻膠;PDMS 溶液是以Dow Corning Corp 生產(chǎn)的184 預(yù)聚體和固化劑按10:1配置而成的;PMMA 是RS-Aldrich 公司生產(chǎn)的熱塑性膠;等離子體系統(tǒng)是由德國普發(fā)拓普公司生產(chǎn)的IoN40 系列;反應(yīng)離子刻蝕機(jī)是由英國牛津儀器等離子技術(shù)公司提供的Plasmalab80Plus 系列。

結(jié)論

　　本文介紹了一種以低壓壓印制備的PMMA結(jié)構(gòu)為掩模，結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕，制備高密度硅點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的方法。文中以實(shí)際結(jié)果并參考有限元分析，闡述了低壓壓印相比硬壓印在大面積圖形復(fù)制精度方面的優(yōu)點(diǎn);結(jié)合模板的實(shí)際情況，演示了殘余膠厚度控制的原理;分析了RIE 中反應(yīng)氣體的不同作用，為下一步工藝改善指明了方向。利用PDMS 軟壓印，可以減少玻璃模板使用次數(shù)，重復(fù)利用還能提高制備效率。該方法相比于光刻技術(shù)做掩模，既減小了成本，而且提高了制備效率，更重要的在于將尺寸縮小到了納米級(jí)別，因此這種方法可以在光電子學(xué)、電子學(xué)、太陽能電池等諸多領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。