基于硫醇-烯的连续浮雕微光学元件高精度紫外压印方法

技术领域

本发明属于微光学元件制造方法，涉及一种基于硫醇-烯类高聚物的紫外压印用抗蚀剂材料的使用方法。 

背景技术

微光学的发展使光学系统产生深刻的变革。超精细结构衍射光学元件是实现光学系统微型化、阵列化、集成化的重要组成部分。此类衍射光学元件的加工技术是微光学的关键技术之一。 

现有的微结构光学元件加工技术主要有多层套刻技术、灰度掩模技术、电子束直写技术、激光直写技术、复制技术等。其中，纳米压印技术是一种高分辨力、低成本、高效率的微结构光学元件加工复制技术。 

纳米压印技术主要分为热压印技术与紫外压印技术两种，相比而言，紫外压印技术具有设备简单、可快速批量复制等优点具有更广阔的应用前景。 

紫外压印抗蚀剂在固化过程中的体积收缩对连续浮雕结构微光学元件的复制精度将产生很大的影响，且主要表现为Z方向的收缩，Z方向较大的收缩对于微光学元件的衍射效率将产生很大的影响。传统的紫外压印工艺主要采用丙烯酸酯类光引发高分子材料作为抗蚀剂使用(US 2005/0160934 A1)，此类材料在固化过程中的体积收缩率可高达15％。使用乙烯基醚类材料做抗蚀剂可使固化收缩得到很大的降低(E.K.Kim，M.D.Stewart，K.Wu，et al.Vinyl ether formulations for step and flash imprint lithography.Journal of Vacuum Science & Technology B.2005.23(6)：2967-2971.)，但该类胶存在较大脱模力与较高单体蒸汽压等问题，因而应用受到很大的限制。在抗蚀剂中引入环氧类开环聚合单体可以对收缩进行有效地补偿(J.J.Hao，M.W.Lin，F.Palmieri，et al.Photocurable silicon-based materials for imprint lithography-art.no.651729.in Emerging Lithographic Technologies XI，Pts 1 and 2.M.J.Lercel.Editor.2007.Spie-Int Soc Optical Engineering：Bellingham.51729-51729)，但仍然不能彻底的解决固化收缩对紫外压印复制精度的影响。 

硫醇-烯类材料是近年受到广泛关注与应用的新型高分子材料，该类材料具有凝胶点滞后、收缩应力、极低的氧阻抑作用、固化快、机械性能好等优点，广泛应用于齿形修补材料、柔性显示器、LED等领域。 

美国IBM公司奥尔马登研究中心的Erik C.Hagberg等人于2007年提出了基于硫醇-烯材料的紫外压印工艺。(Hagberg，E.C.，et al.，Effects of modulus and surface chemistry of thiol-ene photopolymers in nanoimprinting.Nano Letters，2007.7(2)：p.233-237.)，该工艺可实现纳米级线条型图形结构，该工艺的氧阻抑作用很小，但该工艺未对收缩性能做进一步探讨，且未将该工艺用于连续浮雕结构的加工复制，且没有对抗蚀剂抗刻蚀性能进行研究。 

美国科罗拉多大学的Khire等人于2008年提出了应用硫醇-烯材料与紫外压印工艺的表面处理及纳米结构加工工艺。(V.S.Khire，Y.Yi，N.A.Clark and C.N.Bowman.Formation and surface modification of nanopatterned thiol-ene substrates using Step and Flash Imprint Lithography.Advanced Materials.2008.20(17)：3308-+.)，该工艺应用硫醇的可表面接枝特性实现了纳米结构的进一步细化，但未对其抗收缩特性做进一步探讨。 

发明内容

本发明的目的在于克服紫外压印微光学元件工艺中抗蚀剂收缩产生的影响，本发明在传统微光学元件紫外压印工艺中引入一种可弛豫收缩的抗蚀剂材料，降低收缩带来的影响，提高压印微光学元件加工精度，增大微光学元件的衍射效率。 

本发明的具体解决方案是，一种基于硫醇-烯的连续浮雕微光学元件高精度紫外压印方法，在传统连续浮雕结构微光学元件紫外压印工艺中，使用硫醇-烯类紫外光引发高分子材料作为抗蚀剂使用，通过调节压印压力、控制残胶层厚度的方法使抗蚀剂固化产生的收缩应力通过流体流动的方式得以弛豫，使连续浮雕结构微光学元件的收缩误差降低至3％以下，残胶层厚度为500-1000nm。 

所用的硫醇-烯类紫外光引发高分子材料具有小于15％的体积收缩率。 

所用硫醇-烯类紫外光引发高分子材料可用于混合气体的反应离子刻蚀工艺，实现连续浮雕结构的图形传递。 

本发明的创新之处在于，在紫外压印工艺中应用一种硫醇-烯类材料作为抗蚀剂。硫醇-烯类材料的聚合方式是逐步增长聚合，具有固化凝胶点滞后的特性，使抗蚀剂在凝胶点之前产生的收缩应力通过流体流动的方式弛豫。通过调节压印压力，可以对残胶层厚度进行控制，适当的残胶层厚度可以对收缩产生的体积减少进行补偿，因而可以使收缩产生的误差优于3％。同时，该类材料还具有较好的抗刻蚀性能，可以实现连续浮雕结构的图形传递工艺。 

附图说明

图1为紫外压印工艺中通过流体流动方式弛豫内应力的原理图 

图2为应用本发明提出的硫醇-烯类材料进行压印得到的压印结果的显微镜照片 

图3为用实施例一所述的硫醇-烯材料进行连续浮雕结构微光学元件紫外压印得到的压印结果、再经过反应离子刻蚀工艺后的结果以及所用压模的轮廓曲线。 

图4为实施例二、三所述的硫醇-烯材料进行连续浮雕结构微光学元件紫外压印得到的压 印结果与所用压模的轮廓曲线。 

图5为实施例一、四所述的硫醇-烯材料进行连续浮雕结构微光学元件紫外压印得到的压印结果与所用压模的轮廓曲线。