纳米压印微光学器件中形貌误差产生机理及控制方法研究

本项目以连续浮雕/多台阶结构微光学元件的纳米压印为技术应用背景，以提高器件衍射效率为目的，对工艺过程中的主要加工误差的产生机理及控制方法进行研究，以对工艺优化给与指导。具体研究内容围绕如下个方面进行：1）基于Cross-WLF方程和非等温热粘弹模型，对于成型过程的力学特性进行描述；基于辅助压模实施二次压印，改善封闭结构中聚合物的流动，降低残留应力积累，从而显著提高纳米压印技术的聚合物结构形貌稳定性；2）利用原子力显微镜的单分子表征及操纵能力，实现对微观尺度条件下，氟代烷基分子在压模表面分布的准确表征及定量控制，并以此为基础深入研究压模表面-CF3基团分布对于粘联缺陷发生的作用机理；3）基于HPEM模型，并结合实验验证手段，建立去除效率角度依赖性模型，通过进行等离子刻蚀过程产生的形貌蜕化误差预测，并在压模设计中予以补偿的方法，减小形貌蜕化缺陷。

本项目基于纳米压印技术，以实现连续浮雕/多台阶结构微光学元件的低成本高精度加工为目标，围绕项目计划书中的1）微光学器件压印过程中，形貌回复现象的产生机理及抑制手段; 2）等离子体图形传递过程中的形貌蜕化补偿技术;3) 抗粘联牺牲层技术；三个研究要点开展研究，取得如下研究成果.1．针对纳米压印技术中，聚合物成型过程中，热塑性材料内应力累积造成的形貌恢复缺陷，提出了一种基于抗蚀剂整形的连续浮雕阴模压印方法。基于对准压印，实现了在压印之前压模突起下方抗蚀剂薄层的清除，避免了其在非滑移边界制约下的长距离横向流动，及对压模图形区域填充的阻碍作用，获得了与阳模压印相同的填充效果。实验表明：该方法可在15分钟内实现直径10mm、深度795nm的连续浮雕微透镜图形区的完全填充，并将残留层厚度由传统压印的466nm降低至206nm。.2．系统的研究了反应离子刻蚀参数对样品的一般作用规律；通过调节反应气体流量分别获取刻蚀选择比1：1.01和1：1.08的刻蚀参数组合，其中后者用于补偿压模轮廓深度误差；同时通过间断刻蚀模式获得了2nm的样品表面粗糙度。最后使用极坐标的菲涅尔衍射公式分析了加工误差对微光学元件光学特性的影响，并通过实验测试了石英材料微光学元件的光学特性，其中实测光强分布偏离理想分布的均方根误差为35.8%，衍射效率81.3%。.3．提出一种基于温度控制的抗粘层生成优化工艺，深入研究表面自由能测试、薄膜厚度测试、化学成分及含量测定以及界面断裂能测试等实验探讨了不同沉积温度对抗粘层生成效果的影响，实验结果表明，低温条件更有利于获得低表面自由能、高质量以及良好脱模性能的抗粘层；最后，建立了温度对抗粘层生成工艺的影响模型，为进一步阐明温度对抗粘层影响的作用机理打下了基础。.在完成上述规定研究任务的前提下，针对紫外压印光刻胶的固化收缩问题，提出一种基于硫醇-烯类高分子材料的紫外压印工艺。根据硫醇-烯类高分子材料具有固化凝胶点滞后的特性，基于体积弛豫的原理，实现了连续浮雕结构微光学元件的高精度复制压印，实验表明应用该类材料可实现垂直方向上优于2%的加工误差。.上述研究成果，共发表文章9篇，其中包括发表在国际著名杂志Optics Letters等，高水平SCI检索文章7篇；申请及获得专利7项；培养博士研究生3人，硕士研究生4人。