[发明专利]一种紫外光辅助热固化纳米压印技术与材料

说明书

技术领域

本发明属于微纳加工领域，具体涉及一种紫外光辅助热固化纳米压印技术，以及在压印过程中使用的纳米压印材料。 

背景技术

纳米压印技术（已公开美国专利US6180239）是上世纪九十年代中期美国Princeton大学Nanostructure Lab的Stephen Y. Chou教授针对传统的光刻工艺受到曝光波长的限制，已经达到制备微小结构的极限（~30nm），无法进一步获得更小的尺寸，而提出了类似于高分子模压的一种技术，并且成功证明通过这一技术可以在半导体硅片上获得尺寸小于10nm的结构单元。纳米压印分为热压印与紫外光固化压印两种类型，纳米压印材料是以热塑型的高分子材料如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为基础，通过加温使高分子材料软化，熔融，并通过外加压力，把模板上的纳米结构印制在熔融的高分子膜上，冷却成型。由于进行纳米压印时需要采用较高的压力（数10大气压），容易破坏模板上的纳米结构，不利于模板的重复、多次使用。同时，印制过程需要加热使高分子材料软化、熔融，由于模板、高分子材料及基板的热膨胀系数不同，加热与冷却过程中产生的应力也会造成纳米结构的缺陷，并破坏模板上的纳米结构。美国专利US6334960公开了一种紫外光固化纳米压印技术，采用粘度低，流动性好的可紫外光固化预聚物体系作为纳米压印材料，并把可紫外光固化材料旋涂在基片上，当模板和可紫外光固化预聚物接触后，不需要外界压力，利用液体特有的毛细现象，就可使紫外光固化材料很容易地注入模板的纳米结构内，并通过紫外光使其快速固化，从而使纳米压印的加工过程可以在室温、很低的压力下迅速完成。但紫外光固化纳米压印需要压印模板或衬底至少有一种是透紫外光的材料，限制了紫外光固化纳米压印技术应用于不透光的材料。为了弥补紫外光固化的不足，也有采用可热固化的丙烯酸酯（Malaquin,L.; Carcenac,F., Vieu,C.; Mauzac, M. Microelectron. Eng.2002, 61–62, 379.）环氧（Liao, W.; Hsu S. L.Nanotechnology 2007, 18, 065303）预聚物，进行热固化纳米压印。但这些热固化材料的固化温度一般在150℃以上，而固化时间更需要几十分钟。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足，解决如当前热固化纳米压印需要固化温度高、固化时间问题和紫外光固化纳米压印需透明压印模板或衬底材料的限制，提供一种能够在温和温度下、快速热固化的纳米压印技术与热固化纳米压印胶材料。

为实现上述目的，本发明纳米压印技术采取的技术方案为：

一种紫外光辅助热固化纳米压印技术，其特征在于，首先在常温下利用紫外光对纳米压印胶材料进行曝光，然后进行纳米压印步骤与热固化步骤；所述热固化步骤的加热温度在80℃~130℃之间，优选90℃~110℃。

本发明所述的一种紫外光辅助热固化纳米压印技术中使用的纳米压印胶材料采取的技术方案为：纳米压印胶材料包括多官能度环氧树脂预聚物、阳离子型光引发剂和溶剂，还可以包括增塑剂、固化加速剂、光敏剂、流平剂、脱模剂等其它添加剂来优化性能。

一般的热固化材料，包括环氧树脂其固化或需要较高的温度如180度以上，或很长的固化时间，几十分钟以上。另一方面环氧树脂的光引发阳离子聚合反应有如下两个特点：1.阳离子光引发剂被紫外光引发后产生质子阳离子，这类阳离子对氧气不敏感，因此在有氧环境下也能长时间保持反应活性，即使在黑暗状态；2.环氧基团的阳离子引发开环聚合与聚合温度密切相关，在室温以下，环氧基团的聚合速度慢，而转化率更在10%以下，当温度高于60℃以上时，转化率显著增加，当温度高于100℃以后，可在1分钟内转化率达到80%以上，使环氧树脂完全固化。基于这两个特性，在本发明中采用了紫外光辅助热固化的压印方法，用紫外光在室温下使光引发剂分解，数秒中以内产生大量的质子阳离子，而传统的热引发，需在150℃，甚至180℃温度以上加热分解热引发剂。由于室温下环氧基团的反应速率慢，转化率低，因此紫外曝光后纳米压印胶几乎没有固化，但产生的质子阳离子仍然保持反应活性。接着再用压印模板进行压印，由于环氧树脂预聚物仍然处于液体状态，当模板和预聚物接触后，不需要外压，利用液体特有的毛细现象，就可使紫外光固化材料很容易地注入模板的纳米结构内，压印可在低压、甚至无压条件下完成。压印完成后在适中的温度进行加热，一分钟内可迅速完成固化。压印模板可以是由透明材料做成的模板，也是硅、金属等不透明材料做成的模板。