1 引言

      自1995年纳米压印技术提出以来，人们希望通过该技术实现低成本、高分辨率、高效率、大面积的批量制备纳米结构。但是，传统的热压印技术需要加热、高压环节，从而造成压印环节复杂、难于控制。1999年，美国得克萨斯州大学的研究小组提出一种在室温、低压环境下利用紫外光固化聚合物的紫外纳米压印技术，业已成为纳米压印技术研究的主要方向[l-2]。通过对该技术的研究，我们筛选了一种较为适合紫外压印技术的紫外固化胶，同时利用传统紫外光刻机实现了套刻对准功能。在实验中，制备了具有100 nm特征尺寸的5 cm×5 cm面积石英玻璃透明模板，并且成功转移复制了模板上的微细结构。

      2 紫外压印原理

      图1为紫外压印技术原理，将具有紫外固化功能的聚合物材料通过滴管滴在基片上，再用模板将其展开，其压力控制小于1×106Pa。然后通过紫外光照射，固化聚合物，从而实现模板上图形的转移，其中模板材料通常为石英玻璃等透光材料。脱模分离后，通常还会通过反应离子刻蚀将残留层去除，在无紫外固化胶凸起图形的地方暴露出基片。

      在紫外压印过程中，聚合物是图形转移的中间媒介。聚合物的黏度系数、收缩率和弹性系数以及光固化时间等参数直接决定着压印后聚合物薄膜的残留厚度、压印速度和最终压印质量。所以选用的聚合物可以为高分子光敏固化树脂，在性能上应具有高感光速度、低黏度系数以及尽可能小的弹性形变和固化收缩率[3-4]。由于聚合物具有流动性，根据NaVier-stokes方程，留膜厚度的计算方程为：

      其中，hr为压印后残留聚合物的厚度，F为施加的压力，η为聚合物粘度，υ为压印速度。

      从式中可以看出，要使聚合物残留厚度越小，施加的压力要越大，且聚合物的黏度要越小越好。

      模板和基片对准加压后，采用紫外光固化聚合物，紫外光固化聚合物的基本原理如下[5]：

      在UV的辐射下，液态聚合物中的光引发剂受激发变为自由基或阳离子，从而引发聚合物中含不饱和双键物质问的化学反应，形成了固化的体系结构，使聚合物固化。

      3 透明模板制备

      首先，采用电子束直写刻蚀技术在镀有Cr的5 cm×5 cm面积的石英玻璃上刻蚀具有100 nm特征尺寸的模板，即在石英玻璃表面形成具有高度140 nm、最小线宽为100 nm的凸起物为Cr的微细图形。然后，将该模板放置在反应离子刻蚀机中刻蚀二氧化硅，其表面的cr作为保护层，最后使用湿法腐蚀法去除二氧化硅表面的Cr，形成表面具有100 nm特征尺寸，高度50 nm的透明二氧化硅模板。图2为用光学显微镜观察的二氧化硅透明模板，图案主要有深孔阵列和环形波带图形。

      4 压印设备

      本实验采用的是传统紫外光刻机自带的紫外光源，波长为365 nm，主要因为该光刻机使用超高压球形汞灯发光，谱能量在可见和紫外区，主要集中在几个狭窄的谱带，如313．2 nm、334．1 nm、365/366．3 nm、404．7 nm、434．8/435．8 nm、540．1 nm、577 nm等；其中在波长为365~366.3 nm的能量辐射最强，是一种很好的紫外光源，其能量分布如图3所示。

      利用紫外光刻设备的对准系统，可进行紫外压印的套刻对准，图4为传统的紫外光刻机的对准系统。首先使用该设备的球形找平平台使待压基片和透明模板平行，再通过x、y轴平移台、双目双视显微镜对准。将紫外固化胶滴到基片表面，再通过对准系统自身的升降台挤压基片和透明模板。完成以上步骤后，即可使用紫外压印系统的自身的紫外光源照射模板，聚合物完全固化后卸载模板、基片。该系统自身产生的力范围为0．1～40 N，因而压印的残留层较厚，如需较薄的残留层则不适合在该系统压印。

      5 压印实验

      紫外固化胶为EP0-TEK公司牛产的型号为OGl54的紫外固化胶[6],该胶为单一组分，固化前为白色透明液体，固化后颜色为白色透明，但当紫外固化时间过长时，胶体颜色会泛微黄色。该紫外固化胶的固化紫外功率100 mW/cm2，当固化胶体的厚度在300～400 nm时所需的固化时间为l～2 min。实验发现，该聚合物具有良好的抗粘性，与玻璃、硅片等表面洁净光滑的基片材料不会发生粘连，非常容易剥离。由于该聚合物很难附着在硅片上，通常将其附着在纸张上实验，或者压印后该聚合物独立形成一层具有微结构的薄片。图5为用0G154聚合物紫外压印的在扫描探针显微镜下的局部图形，结果表明基本完成对石英模板微结构的复制。

      6 结论

      随着紫外光固化技术的发展，紫外固化聚合物的性质主要关注附着力、热稳定性、机械性能等[7]。然而，紫外纳米压印技术还要达到必要的图形分辨率、精度、均匀性，还需考虑紫外固化聚合物的特性、紫外光能量、固化速度、固化环境等因素。

      大面积高精度图形的套刻对准是影响纳米压印技术发展的障碍，采用通常光学对准最高只能达到水平对准精度100 nm量级，受温度、压力、图形面积造成的材料变形、机械精度等因素影响，实际4英寸模版对准精度只能达到l μm量级。由于紫外纳米压印技术方法是在常温常压下进行的，因而具有传统紫外光刻机对准系统的紫外纳米压印方法已越来越受到重视。本文中，我们使用了传统紫外光刻机进行紫外压印实验，结果表明当选用合适的紫外固化聚合物，且所需压印力小于40 N的情况下，完全可以利用该设备进行紫外压印实验，同时可利用光刻机设备自身的对准系统，进行压印套刻对准功能。但是受该设备自身压印力和紫外光源波长的限制，导致压印样片的残留层的厚度较厚，且只能选择与该设备紫外波长相匹配的紫外固化聚合物。当然，如果条件允许也可购买其它类型的紫外光源结合紫外光刻机对准系统使用，例如如果紫外固化聚合物仅需要普通紫外光源照射即可固化，便可利用光刻机对准系统对准再使用普通紫外光源照射。总之，紫外光源的选择与所用的紫外固化聚合物特性应该相互匹配。