大连理工大学研究生试卷系别：机械工程学院课程名称：微制造与微机械电子系统学号：姓名：考试时间：2015年1 月15日PDMS软光刻技术的研究现状摘要：软光刻技术作为一种新型的微图形复制技术，和传统的光刻技术相比，软光刻技术更加灵活，而且有许多技术方面的优势。
软光刻技术已经广泛应用于光学、生物技术、微电子、传感器以及微全分析系统的加工诸领域，并且取得了一定的进展。
本文，从软光刻技术的原理、分类、国内外以及我们实验室的应用上来说明软光刻技术的研究现状，是一种很有发展的重要光刻技术。
关键词：软光刻技术研究现状应用Research Status of PDMS Soft LithographyAbstract：Soft lithography technology as a new type of micro-replication technology graphics, and compared to conventional lithographic techniques, soft lithography technology is more flexible and has many technical advantages. Soft lithography technology has been widely used in optical processing areas such as biotechnology, microelectronics, sensors and micro total analysis system, and has made some progress. In this paper, the principle soft lithography techniques, classification, abroad and in our lab up on the status of the application of soft lithography, photolithography technique is a very important development.Keywords：Soft lithography technologyResearch StatusApplication1. 软光刻技术概况20世纪90年代末，一种新的微图形复制技术脱颖而出。
该技术用弹性模（大多为PDMS 材料制作）替代传统光刻技术中使用的硬模来产生微结构或者微模具，被称作软光刻技术[1]。
软光刻技术作为一种新型的微图形复制技术，和传统的光刻技术相比，软光刻技术更加灵活，而且有许多技术方面的优势，主要有：能制造复杂的多层结构或者三维结构，甚至能在不规则曲面上来制作模具，而且不受材料和化学表面的限制；能突破光刻技术100nm 的限制，实现更为精细的微加工等。
此外，它所需设备比较简单，进而在制作成本上也比以前的光刻技术更经济使用。
在普通的实验室环境下就能应用，因此软光刻是一种便宜、方便、适于实验室使用的技术。
目前，软光刻技术已经广泛应用于光学、生物技术、微电子、传感器以及微全分析系统的加工诸领域，并且取得了一定的进展。
1.1 软光刻技术的分类软光刻的核心技术是制作弹性模印章（elastomeric stamp）。
通过光刻蚀和模塑的方法，可以快速、高效的获得这种印章。
PDMS，即聚二甲基硅氧烷，是软光刻中最常用的弹性模印章制作材料，在设计过程中应该注意防止在PDMS弹性模上产生缺陷，此外，由于PDMS 材料的弹性，过大的深宽比也会导致弹性模结构的倒塌。
软光刻的关键技术包括：毛细管成模（micromolding in capillaries，MIMIC）、再铸模（replica molding，REM）、微接触印刷（microcontact printing，uCP）、溶剂辅助成模（solventassistedmicromolding，SAMIM）、微传递成模（microtransfermolding，uTM）等等[2]。
毛细管成模（micromolding in capillaries，MIMIC）是将PDMS 模放置于基底上，在保证其与基底表面良好接触的情况下，会形成一个中空的网络通道。
在这个时候将液态的预聚合物液体倒入网络通道的端口处，在毛细作用下，液体会自发的逐渐的流入整个毛细管网络。
加热干燥后取下PDMS母模，就得到了想要的聚合物微结构，这项技术被称作是MIMIC 技术。
这项技术要求印模与基底表面良好的接触形成空腔。
如果弹性模上的微沟道较长的话，液体流速会减慢，这样充满整个沟道会需要较长的时间。
这是因为毛细管径大小对液体充盈速度影响很大；毛细管的充盈速度与液体的粘度、表面张力、已充盈部分的长度和毛细管的半径所共同决定。
充盈速率与毛细管横截面成正比，与液体本身的粘度和已充盈的毛细管长度成反比，其速率随着充盈部分的增大而逐渐降低。
毛细管的末端，可能会因为压力不够或过大液体无法充盈从而留下缺陷。
软光刻再铸模（replica molding，REM）通常是指用弹性模来重新铸模，而不是刚性模。
PDMS模为弹性模，这样剥离过程很容易，这也是再铸模技术的一大优势。
在PDMS 上再铸模时，由于PDMS为弹性体，可以通过机械压紧、绑缚、拉紧或以上几种方法的叠加，可以获得比原来的模具更小的尺寸。
基于再铸模的万法可以制作30nm 的有机聚合物结构，其垂直精度达±3nm，故其在生物、化学、MEMS上的应用更加广泛。
微接触印刷（microcontact printing，uCP）也致力于图形的转移，但它并不是一种光刻技术。
只有印模和基底良好的接触才能使该技术成功的得到运用。
它可以用来在基底上形成不同的化学功能集团的自组织单层（SAMs）图形。
其过程非常简单，初学者也能很容易的学会并简单的应用。
用一种弹性体PDMS印模通过接触来传递溶液上的分子到底物表面。
印刷之后，通过含有第二种分子的稀释液来冲洗基底，从而在该图形的非衍生区生成不同的SAMs。
所谓SAMs就是指分子通过非共价键作用而自发形成稳定的、确定的结构，由于最终的结构接近热力学平衡，所以能自发的形成并阻止缺陷的产生。
以金表面自组织链烷硫的SAMs为例：十二烷硫醇乙醇溶液被用于做接触印刷，其浓度小于10mM，且研究表明当作用时间大于0.3s就足以在金表面形成高度一致的SAMs图像。
金和银是最常用的电极材料，是热和电的优良导体，因此金和银蒸镀表面的uCP技术是研究重点。
成形的SAMs可以在选择性湿法腐蚀中作为超薄超薄抗蚀剂，或者作为模板控制结晶、去湿、湿润、生长或者沉积其他的材料。
基底的表面粗糙、表面吸收、弹性模的材料特性，尤其是变形特性和扭曲特性，会影响uCP图案的尺寸。
溶剂辅助成模（solventassistedmicromolding，SAMIM）是在聚合物基底上制作准三维结构的一种软光刻方法。
这种方法不仅有再铸模的特点，而且也兼备了压模的优点．使用这种方法时，一定要选择一种能溶解聚合物基底却不会对PDMS 印模产生影响的溶剂，防止PDMS膨胀，如丙酮作为溶剂，聚苯乙烯作为聚合物基底[3]。
另外也要求这种这种溶剂要有较高的表面张力和蒸汽压，这样的话，溶剂可以比较快地蒸发多余的水分，使PDMS 模的膨胀比变小（如甲醇、乙醇和丙酮）。
SAMIM 过程：先用适当的溶剂使用蒸发的方法沾湿PDMS模的表面，还需将印模紧密地压在基底上，溶剂会溶解一层聚合物，之后被填充于印模空隙中，这样拔模之后会形成与印模图形互补的微结构。
微传递成模（microtransfermolding，uTM）是把预聚合物液体滴入在PDMS 模具表面，过多的液体可以这样去除：用扁平的弹性块刮走，或用气体吹去，如氮气。
盛满液体的PDMS 模在高温条件下与底物相接触，当注入内部的液体在高温时干燥成固体，小心的将弹性模拔去，这样就在底物表面留下一个聚合物微结构。
微传递成模能够同时产生多个单独或者相互联系的微结构，即使在不平滑地表面上也能生成微结构，另外，既可以一层层地建立三维结构，也可以在较大面积的基地上生成想要的微结构。
但是这种方法也有缺陷，主要是在基底上制作微结构后，难免会在基底上残存一层聚合物膜，约100µm厚。
这层膜将阻碍基底和化学蚀刻剂接触，从而使得这个微结构不能在蚀刻中作为掩模[4]。
当然,软光刻技术在微加工中的应用中存在一些缺陷也是在所难免的,PDMS固化后有收缩变形，而且在甲苯和乙烷的作用下，深宽比也会出现一定的改变；PDMS这种材料，本身就具有弹性和热膨胀性，使其很难获得很高的精确性，这使得这种材料在软光刻技术的应用中受到限制；由于弹性模太软，无法获得大的深宽比，太大或太小的宽深比都可能导致微结构的变形或扭曲，甚至这些微结构会倒塌。
但是这些都不足以阻止PDMS这种材料在软光刻技术中的广泛应用。
相信随着研究的进一步深入，将会找到各种办法来弥补上述的不足。
2. 软光刻原理2.1 聚二甲基硅氧烷(PDMS)介绍Polydimethylsiloxane简称为PDMS，中文名为聚二甲基硅氧烷。
它是软光刻技术中最常用的弹性模材料，相对于其他弹性材料如聚酰亚胺、树脂和聚氨酯等等，PDMS 具有下面的特点：①适用于底物表面大面积成模，并与底物可以有良好的接触，广泛用于非平面的表面微图案的转移复制。
②PDMS具有化学惰性，而且成模界面自由能较低,制模过程中PDMS吸附底物过程是可逆的，而且处理后很容易取下；这个化学惰性对于图形转移复制来说是非常重要的。
③PDMS具有各向同性，且透射能力可深达300µm，而且光学特性良好，广泛应用于多种光学检测系统中。
④这种材料有良好的绝缘性和热学稳定性，在连续的时间段内可重复使用上百次而无明显变形和性质改变现象，价格便宜，可大规模生产。
⑤PDMS和固化剂添加比例一般为10:1，由于加热能使交联过程加速，所以我们实验室一般都是在真空烘箱内80摄氏度烘1个小时来完成固化过程（或者也有文献中使用70摄氏度烘2个小时），当然，固化之前也要进行抽真空来排除溶于材料中的气体气泡。
固化剂增多会使交联的结构增多，从而使形成固化后的弹性体硬度增大，固化剂减少则恰恰相反。
通过加热可以使其固化，形成所需的含有微结构的弹性体块。
图1示出了PDMS含有的两种成分，图2从分子层面显示了PDMS的交联反应过程[5]。
图1 PDMS的两种成分1）为硅氧烷低聚体，2）为硅氧烷交联体图2 PDMS形成的交联反应过程鉴于PDMS 的化学及物理性状，这也是PDMS这种材料特别适应于作为软光刻技术中的弹性模，来完成图形的转移和复制。