软平板印刷技术制作二维聚合物光子晶体的方法

摘要

本发明涉及采用软平板印刷技术制作二维聚合物光子晶体的方法。包括三角空腔结构的基板的制作、PDMS模板的制作和图案转移。所得二维聚合物光子晶体是三角晶系结构，其空气空腔直径为300nm，晶格常数为600nm，空气空腔的平均深度为375nm，纵横比1.25(375/300)，基板与铸模图案的深度只有3％的差异，背景聚合物在1550nm处的折射率为1.475。本发明的制作方法所制作获得的产品微结构具有很高的保真度，具有高效、低耗、高生产能力的特点，可广泛应用于制作基于光子晶体的纳米微结构产品。

说明书

技术领域

本发明涉及二维光子晶体的制作方法，具体涉及采用软平板印刷技术制造纵横比大于1且形体尺寸小于500nm的三角晶系结构的二维聚合物光子晶体。

背景技术

纳米光子学对光子学技术的前景有着革命性的影响。基于纳米结构的光子晶体在下一代光子器件的制作过程中起着重要的作用。光子晶体是一种人工周期性介电结构。用它们制作的功能器件不但尺寸大为减小并且有着优良的特性，例如高的波长及角度灵敏性、大的群速度色散。最近，基于二维光子晶体薄板的器件引起了人们广泛的关注，如二维平板光子结构能够与传统的微电子和光子器件相比拟。无数的光学部件，如：波导、谐振腔、多路信号分离器和调制器都已经能用二维光子晶体几何结构设计和制作。

作为一种能够与所有的衬底材料结合的材料，聚合物被认为是一种最有前途的能用以制作光子晶体的材料。由于聚合物材料的低折射率差，聚合物光子晶体薄板一般不能表现出完全的光子带隙。

为了制作聚合物光子晶体，人们的经历往往集中在传统的处理技术上，如：电子束纳米平板印刷术以及反冲离子刻蚀(RIE)技术，这些技术一般相对复杂、费时费力。由于其低耗高产出的特点，Imprint平板印刷术是用于制作微结构和纳米结构的最有前途的方法之一。这些方法中最卓越的是热压花、分步速印平板印刷技术(SFIL)和软平板印刷术。热压平板印刷术是利用硅模板或者镍模板，采用高压，在一定温度下(高于光刻胶的玻璃态变温度)在光刻胶上印制图案。但热循环过程会延长处理过程，由于高温高压，图案会产生扭曲，并且衬底表面的起伏也会限制印压区域。SFIL法通过分布重复可以在一个较大的区域印制高分辨率的图案。然而利用PDMS(Polydimethylsiloxane聚二甲基硅氧烷)模板仅需要一步即可在一个100mm尺寸的晶片上实现印压成型。参见Plachetka，U.Bender，M.Fuchs，A Wafer scale patterning by soft UV-Nanoimprint Lithography[J]Microelectronic Engineering 2004，73-74：167-171。软平板印刷术通过浮雕图案利用PDMS复制微米和纳米结构。PDMS模板一般是通过在传统的平板印刷技术制作的基板上浇铸预聚合物而完成的。尽管模板表面已经利用一种低表面能的表面活化剂进行预处理，印制的聚合物仍然会粘在模板上，在印制高密度或高纵横比图案时会产生缺陷。参见L Jay Guo，Recent progress in nanoimprint technologyand its applications[J]J.Journal of Physics D：Applied Physics 2004，27(11)：R123-R141。

近年来，利用软平板印刷术制作的纵横比小于1的纳米量级线孔结构已经被证明是可行的。但是，复制纵横比大于1且形体尺寸小于500nm的结构仍然是一个挑战，其部分原因是PDMS模板较低的模数。在很多软平板印刷技术的应用如光子晶体制作中，这些特性是很重要的。当形体尺寸缩小到亚微米或纳米量级，纵横比和图案密度在PDMS形变中起着重要的作用。对于高纵横比结构，在亚微米结构的图案传输过程中，由于毛细作用以及其它力的作用，很容易产生横向的崩溃。因此采用软平板印刷技术制作纵横比大于1且形体尺寸在100-500nm范围精细结构，是本领域研究人员正在努力研究的课题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种采用软平板印刷技术制作二维聚合物光子晶体的方法。

本发明制作的二维聚合物光子晶体是三角晶系结构，其空气空腔直径为300nm，晶格常数为600nm，空气空腔的平均深度为375nm，纵横比1.25(375/300)，基板与铸模图案的深度只有3％的差异，背景聚合物在1550nm处的折射率为1.475。

本发明的制作方法中使用的聚合物是紫外丙烯酸聚合物，其他简写说明如下：

ER：电子刻蚀胶(High Resolution Positive Electron Beam Resist，简写ER)。

PDMS：聚二甲基硅氧烷。本发明使用的PDMS材料型号Sylgard 184(比重为1.11，粘性为5000cSt)，Dow Corning公司产售。

本发明利用软平板印刷技术制作二维聚合物光子晶体的方法，包括步骤如下：

(1)三角空腔结构的基板制作

利用JEOL JBX6000电子束平板印刷(EBL)设备，将一层电子刻蚀胶(ER)涂在硅衬底上，图案由EBL确定并印制，曝光的电子刻蚀胶在显影溶剂中进行显影，显影后，在90-100℃的烤盘上烘烤10-15分钟，在电子刻蚀胶上得到一个二维的空洞三角形阵列，空腔直径为300nm，周期为600nm，即得到三角空腔结构的基板。

(2)PDMS模板的制作

将PDMS聚合物涂在步骤(1)制得的基板上，在55-65℃温度的烤盘上烘烤10-12小时，将烤干的PDMS聚合物从基板上取下，得2.5-3mm厚的PDMS模板，该模板一面有柱孔。

由于烤干的PDMS不会粘在刻蚀胶图案上，它能很容易的从基板上取下。这样，二维光子晶体结构就从基板转移到了PDMS模板上。基板上的孔产生了PDMS模板上的柱。

(3)图案转移

软平板印刷技术制作二维聚合物光子晶体的处理过程由图1所示。

把紫外丙烯酸聚合物均匀地涂在另一硅衬底上，涂层厚度2.5-4mm，然后将步骤(2)所得PDMS模板带柱孔的一面扣合到硅衬底上的聚合物层上，不加外力，聚合物通过毛细作用力充满PDMS模板的孔柱空隙，在PDMS模板一面上形成图案。将PDMS模板去掉，紫外丙烯酸聚合物上形成三角空洞晶格，得二维聚合物光子晶体。

步骤(3)中在将PDMS模板去掉前，用紫外光照射紫外丙烯酸聚合物0.5-1小时，去除聚合物中的溶剂。

将步骤(3)所得二维聚合物光子晶体烘烤0.5-1.2小时进一步去除聚合物中的溶剂。

聚合物WIR30-470的低粘度(0.2Pa-s)使得PDMS的凹陷部分在微秒量级的时间内被迅速填满，这个过程是由表面张力和聚合物的粘度决定的。保持PDMS模板与衬底的接触直到模板的空隙被填满，用紫外辐射穿过透明的PDMS模板对聚合物进行曝光。由Cary5000型紫外-可见光-红外光谱仪测得3mm厚的PDMS块状物对365nm紫外光的透过率为91％。再进一步将PDMS模板去掉，这样就在WIR30-470聚合物上留下了一个三角空洞晶格。通过上述步骤，就实现了光子晶体图案的转移。

本发明的优点如下：

1.采用PDMS而不是粗糙不平的模板，它可以在一个很大的区域内使聚合物跟衬底紧密接合而不需要外力。

2.可以很容易的从模具上将预聚合物取下。对于热压以及分步速印平板印刷术，制作过程都需要在模板上涂一层脱模剂，以便能将预聚合物完整地取下。

3.本发明的制作方法所制作获得的微结构具有很高的保真度，这种高效、低耗、高生产能力的软平板印刷技术能广泛应用于制作基于光子晶体的纳米微结构产品。

附图说明

图1是软平板印刷技术制作二维聚合物光子晶体的示意图，其中，(a)衬底上紫外丙烯酸聚合物涂层的扩散，(b)衬底上PDMS模板的置放，(c)毛细作用力使紫外丙烯酸聚合物充满模板空隙，(d)在紫外光照射下紫外丙烯酸聚合物发生变化，(e)去除PDMS模板后。1、硅衬底，2、紫外丙烯酸聚合物层，3、PDMS模板，4、柱孔，5、紫外辐射线，6、二维聚合物光子晶体。

图2是空气空腔直径为300nm的二维三角光子晶体结构SEM图像。

图3是二维三角光子晶体的空气空腔的平均深度为375nm示意图。

图4为AFM测量的二维三角光子晶体的空气空腔的平均深度谱线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：二维紫外丙烯酸聚合物光子晶体的的制作。

实施例中所用材料如下：

紫外丙烯酸聚合物型号WIR30-470，由韩国ChemOptics公司产售。

电子刻蚀胶是ZEP520A，日本ZEON公司产售。

ZED-N50溶剂：电子刻蚀胶ZEP520A用显影液，日本ZEON公司产售。

PDMS型号Sylgard 184，比重为1.11，粘性为5000cSt，Dow Coming公司产售。

步骤如下：

(1)三角空腔结构的基板制作

利用JEOL JBX6000电子束平板印刷(EBL)设备，将一层电子刻蚀胶(ER)ZEP520A涂在硅衬底上，图案由EBL确定并印制，曝光的电子刻蚀胶在ZED-N50溶剂中进行显影，显影后，在100℃的烤盘上烘烤10分钟，在电子刻蚀胶上得到一个二维的空洞三角形阵列，空腔直径为300nm，周期为600nm。得三角空腔结构的基板。

(2)PDMS模板的制作

将PDMS聚合物涂在步骤(1)制得的基板上，在60℃温度下热盘上烘烤12小时，所得PDMS聚合物的杨氏模量是2MPa。将烤干的PDMS聚合物从基板上取下，得3mm厚的PDMS模板。

(3)图案转移，软平板印刷技术的处理过程由图1所示。

把紫外丙烯酸聚合物WIR30-470均匀地涂在另一硅衬底上，然后将PDMS模板带孔柱的一面扣合到衬底上的聚合物层上，不加外力，使聚合物通过毛细作用力填满PDMS模板的孔柱空隙，图案形成。然后，用紫外辐射穿过透明的PDMS模板对聚合物进行曝光，由Cary 5000型紫外-可见光-红外光谱仪测得3mm厚的PDMS块状物对365nm紫外光的透过率为91％。再进一步将PDMS模板去掉，在聚合物上得到三角空洞晶格，烘烤1.0小时进一步去除聚合物中的溶剂。得二维聚合物光子晶体。