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发布时间:2021-09-15 01:27:56 阅读: 来源:木托盘厂家

纳米图像印刷技术综述

概述

近年来,不同学科、不同技术间的相互交叉、相互渗透、相互融合的现象十分明显,一大批新学科、新技术由此浮出水面。被人们称为“软印刷技术”之一的纳米图像印刷技术(NanoimprintTechnology)就是一门刚刚冒头的新技术。它一登台亮相,便十分引人注目,并纷纷跟进,投入研究和开发之中。

该技术吸纳了纳米技术、精细加工技术、接触印刷技术、界面科学及新材料等众多科学技术之精华,并深入研究才开发出来的。初看起来,这项技术与CD、DVD制作中的热压印技术十分相似。然而,经仔细比较后,人们又不难看出,两者有明显的不同。前者仅仅是微米级的加工技术,而后者在许多方面显现出的却是通过原子、分子级别的转移(移位)而形成图像的;前者属一般意义的精细加工,而后者是运用纳米制造学原理,获取超精细图形的加工技术。如果我们把前者称为20世纪的技术的话,那么,后者无疑是21世纪的新兴技术了。

纳米图像印刷技术之所以引人注目,是因为该技术与传统精细加工(如光刻蚀技术、真空蒸镀技术、电子束加工技术和化学蚀刻技术等)不同,它既无需苛刻的加工环境要求(如超净车间、防震技术指标等),又无需严格的条件控制(如恒温、恒湿、高真空度等),就能高精度地加工出各种纳米凹凸图形来。并且还可大批量、低成本地制作此类产品。对此,日本的宫内等人,在发表的相关文章中,特别对包括纳米图像印刷技术在内的软印刷技术与传统工艺之间,制图作了比较。

纳米图像印刷技术作为一门实用性很强的应用技术,它在纳米电子器件、纳米光学元件、纳米生物传感器及其他具有纳米结构的功能图形制作方面,将显现出其独特的技术优势。

今天,人们也毫不怀疑纳米图像印刷技术,将为IT与微电子产业、生物与生命科学、环境与新能源技术等领域的加(输入电源必须为3火)按点动键速发展带来重大的影响。纳米图像印刷技术的研究与开发,始于20世纪90年代中后期,它是由美国普林士顿大学的Chou教授首先开创的,经过近10年的研究、深化和技术配套,目前,该技术正进入初步的实用化阶段。与此同时,Chou教授又亲自出马组织策划,并相继(或计划)召开一系列相关国际会议(InternotionalConferenceonNanoimprintNanoprintTechnol同时ogy),以促使该技术提升并向全球拓展开来。第1届、第2届国际会议分别于2002年12月和2003年12月在美国本土的波士顿等地召开。只过了1年,即2004年12月,又在奥地利的维也纳召开了第3届国际会议。紧接着,计划中的第4届大会将于2005年10月在日本的奈良召开。总之,纳米图像印刷技术,由此从理论到实践、从研发到初步实用化,都已迈出了坚实的步伐,其影响也已波及世界各地。

一、什么是纳米图像印刷技术

所谓纳米图像印刷技术,说到底是一种新型的压印转印技术,它将被广泛用于高新聘请纳米凹凸图形的加工制作。其原理见图2所示。为了便于理解,现用文字说明如下。纳米图像印刷技术就是将具有纳米凹凸图像的模具作“印版”,用预先涂有聚合物涂层的硅片或玻璃片等作基板(被印物),在相应的设备和器具配合下,通过精确压印并定型以后,再把模具与基板分离开来。这时,人们会发现,存在于模具表面的纳米凹凸图像便准确无误地被转印到基板表面的聚合物膜上了。这个被转印出的图像与模具表面的凹凸图形大小相等,深浅一致。但形状正好相反(阴转阳的图像),即前者的凸起处恰是后者凹下去的地方,反之亦然。我们把这种利用印刷压模的原理转印出具有纳米凹凸图形的技术,叫做纳米图像印刷技术。关于纳米图像印刷的工艺过程,我们可以将Chou教授早期的实验以文字归纳并表述如下。

1.模具的加工制作模具是实施纳米图像印刷的重要部件,也是图像的“给体”。模具加工的精细程度如何,在某种意义上说,它将决定凹凸图像转印质量的高低。因此,模具的制作显得尤为重要。首先,Chou教授在模板片材(如金属、玻璃、硅、二氧化硅/硅等)上,涂布一种被称为电子抗蚀剂的树脂(聚甲基丙烯酸甲酯)膜,然后,按预先设计好的图形,通过电子束,在该膜上直接扫描出掩膜,再以此掩膜为基础,用干刻蚀的方法,在模板表面刻蚀出相应的凹凸图像,这样,我们所需要的模具便告制成。实验表明,用此模具可以转印出10nm以下精度的凹凸图像。Chou教授认为,从转印技术本身来说,其晰像度的高低并无任何限制,但转印图像质量的优劣,在很大程度上是由模具的加工制作精度所决定的。

2.基板的涂布基板在纳米图像印刷中是图像的“受体”。它由两部分组成:一是基材(硅、二氧化硅/硅、玻璃等片材);二是聚合物薄膜。早期使用的聚合物是热可塑性树脂,如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。成膜时,人们采用离心方式或其他涂布方式,将树脂溶液均匀涂布在基材表面,而成为图像转印用的基板。3.图像的转印如上所述,图像的转印是通过模具压印在基板的涂膜上,定型后再把两者分离开来,这时,图像便被转印出来了。这里需要注意的是,每种热可塑性树脂都有自身的玻璃化温度(Tg),在此温度以新技术园地7丝印刷2005.7上,树脂变得柔软而富于可塑性,相反,在此温度以下,树脂则成为脆性的固体,因此,压印前,我们必须将模具与基板温度提高到该聚合物的玻璃化温度以上,才可以实施图像的压印工程。与此相反,当模具与基板分离时,为确保转印图像不发生形变,分离前,及时把温度降到该聚合物玻璃化温度以下,也是一个必不可少的条件。现将几种常用树脂的玻璃化温度列于表1中。再者,如果我们采用的模具是透明性非常好的石英玻璃,而基板表面涂布的聚合物是感光性树脂的话,两者的压印与分离,既无需加热,也不必降温冷却,只需对压印着的涂膜实施紫外光曝光,这时感光膜立即固化定型。取出模具,一块被转印好的凹凸图像便呈现在我们眼前了。此法与热压印工艺不同,它属一种常温压印的新工艺。总之,不管我们采用哪一种压印方式都能获得精度在几个纳米至几百个纳米级别的凹凸图像。

二、纳米图像印刷工艺及其特点

纳米图像印刷技术到目前为止,已开发出了多种压印转印工艺,现分别将各工艺的方法及其特点叙述如下。

1.热压印纳米图像印刷工艺所谓热压印纳米图像印刷工艺(简称热压印工艺)。由于基板上涂布的聚合物是热可塑性树脂(如聚甲基丙烯酸甲酯等),所以,当我们将基板温度升高至105℃(聚甲基丙烯酸甲酯的Tg)以上时,树脂则变成柔软而富于可塑性的东西。这时,若把模具压印在基板的树脂膜上,柔软而富于可塑性的树脂,即可轻而易举地被挤压并完全填满模具与基板间的所有缝隙。当温度冷却并重新返回其玻璃化温度(105℃)以下时,被挤压成型的树脂膜则固化定型。这时,取出模具,纳米凹凸图像就被转印到基板的树脂膜上了。我们把这种热压印,冷定型的图像转印工艺称为热压印纳米图像印刷工艺。当我们采用此工艺加工制作超精细图像时,模具与基板的精确定位必不可少。要确保定位准确,人们常常借助光学显微镜的威力。另外,模具与基板的固定也需采用专用器具。

总之,人们应用热压印工艺在基板的树脂膜上转印图像时,不仅可以加工制作单层凸点(柱状)、线条或栅格等各种纳米凹凸图形,而且,还可在同一块基板上,经多次涂布、反复压印而获得多层结构的纳米凹凸图像。

说到这里,我们还不能忘记作为热压印工艺的一种变形,即“滚筒纳米图像印刷”的新技术。该技术是在滚筒表面制作纳米凹凸图像,并将其作为模具来运用。此模具可在涂有热可塑性树脂的、任意长度的带状基板上实施压印,从而,可在基板上连续制得任意多个凹凸图像。据称,采用这种技术,能够实现纳米图像的自动化、高效率印刷。它特别适宜多层纳米结构图形的制作。

一般单层比多层图像的制作成本低,产品价格也较便宜,在高密度存储器磁盘及衍射光栅等的制作中应用前景诱汽车的保有量不断增长人。而多层纳米图像则在光刻痕器件等的应用方面将显现出更具吸引力的技术优势。

图5所示的是用热压印工艺在聚甲基丙烯酸甲酯膜上制作的纳米凹凸图像,如果我们在该图像表面再镀金属镍的话,即可制出高密度用的磁盘。在这里我们应特别着重指出的是,如果人们采用功能性(光功能、电功能、生物功能等)高分子取代基板上的普通聚合物来应用时,则可以发现,该高分子在热压转印中,原有的功能仍保持不变。人们利用这一特性,可以非常简便地加工制作出具有各种用途的功能器件来。如有机发光器件、宽频带用光导波路偏光元件等。

热压印纳米图像印刷工艺有以下几大特点:

(1)工艺简单,可大批量加工产品;

(2)在大面积基板(如300mm直径的硅片)上能制作出各部位都均匀的纳米凹凸图像;

(3)模具与基板在压印中的定位精度不够高,另外,在图像转印过程中,由于热膨胀,冷收缩之原因,图形的转印精度也不很理想,因此,常常在图像精度没有太高要求的领域而获得应用;

(4)因在图像热压转印中,加热与冷却的时间较长,高效率地转印图像较困难;

(5)在基板上,既可制作单层,也可制作多层纳米结构图形。

2.室温纳米图像印刷工艺

针对上述热压印工艺存在精度欠佳等弊病,后来又有人探索出了一条在室温条件下进行纳米图像

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