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纳米复制：资讯的浓缩 |
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作者：德国Kunststoffe plast europe杂志 |
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要提高CD等光学媒体的储存密度，如果没有表面结构的微型化，也就是所谓的“凹坑”就是不可能的。在探寻新的注塑化合物与评估新型母碟时，以纳米级来精密复制这些凹坑在一定程度上就变得必不可少了。
作为德国拜耳材料科技研究项目的一部分，不同的成型化合物与各种类型的母碟（晶片与压模）被检测它们复制纳米结构的潜力。在较早期的试验中已被使用的直径80mm、厚度1.2mm的塑料碟片被选作模制品。这些塑料碟片的表面含有不同的结构，能根据已使用的母碟进行变化。母碟是一个碟型的注塑模具嵌件，已经具有了表面结构。母碟的表面结构主要由V型凹坑或凹槽构成。结构是微米/次微米级和纳米级的。除了这些V型凹坑，U型凹坑和∧型凸起也被用作塑料复制的母碟结构。常用到的母碟包括了带V型微槽的硅晶片、带V型微槽的镍压模（由硅晶片直接加工而来）带CD-R凹槽的镍压模。
母片的生产与构成
一块硅晶片是由各有异性湿式蚀刻做出来的。这包括了硅单晶，并对具有一定形状的V型凹坑进行蚀刻。依靠特定的蚀刻方案，材料在不同的速度之下被去除，根据晶体取向而变化。表面<100>和<111>的垂直蚀刻移取率约为400：1。对于表面拉伸达<100>的硅单晶，各个原子层据此原则被连续地去除。这引起硅表面上的V型凹坑，其纵横比由这种晶格结构所控制。纵横比a描述的是结构高度H与结构宽度B之间的比值（图1）。对于这里所用表面<100>晶格结构的晶片，这会产生0.707的纵横比。
图1：由具有<100>晶格结构表面开始的V型凹坑的形成
结构式样与不同结构区域的排列相对应（图2）。为了备制晶片，硅被氧化（SiO2层，厚度120±1nm），并最终被加工。在显露之前，晶片被赋予了防御层，也就是为人所知的上漆。可作为选择的，一个防影像层可以被用作光学平版印刷（厚度约400nm）或电子束平版印刷（厚度约60nm）用PMMA的有效防御层。
图2：结构的排列
在接下来的步骤中，所谓的蚀刻窗在这一层被创造出来。为了这个目的，利用掩模对准器，晶片就显现出来。在随后的变化中显露的防御层被溶解开来。
为了传送这个结构，被蚀刻窗的结构被活性离子蚀刻传送至氧化层。通过用氢氧化钾的湿式蚀刻，最终结构被刻到硅中。最后，SiO2层被氢氟酸所去除掉。为了在注射模具中的使用，防粘涂层也必须被施加，以防止塑料与晶片的粘着。
从硅晶片到镍压模
初始金层被涂覆到结构化的硅晶片上。随后是镀镍，也就是从一块带V型凹坑的硅晶片上，我们获得了带∧型凸起的镍质碟片。如果这被直接放到成型工具中，我们就在聚合物中获得了V型凹坑。这些负结构难于进行轮廓测量。只有随后通过不断地重复起始的电镀过程，才会做出与母碟一样的镍质碟片。在复制时，这会产生∧型凸起，因为它们的隆起形态，所以易被测量。镀镍有着高保真度。即使是通过AFM测量法也不可能真正地探测出尺寸偏差。
对于宽度达2mm的结构，可以使用具有商用掩模对准器的照相平版印刷法。它们的优点是，依靠工业用电子束平版印刷机或光学式样产生器，蒙片只须被做一次，然后就能被用于曝光多次。
对于宽度小于100nm的较狭窄结构，一般只能利用特殊的曝光工艺，它利用了固有激光束的干扰效果，或者是利用连续记录过程，以微粒或电子作为探测器，例如电子束平版印刷。余下的过程就如已经所描述的步骤了。
实用的试验
注塑试验是在尽可能接近实际的条件下被完成的，也就是始终只在全自动操作和自动碟片移取。根据材料类型、母碟和专门的注塑条件的变化，周期时间在6-12秒之间，在比较中，今天制造音频CD的周期时间还不到3秒。所有的试验都是在Disjet600型注塑机（制造商：耐驰特）上完成的。为这些试验所用上的成型化合物是各种类型的聚碳酸酯，以及具有不同熔体粘度和不同添加剂含量（例如有与没有脱模剂）的聚碳酸酯共聚物。
表面结构根据结构性质与宽度、与流动方向所成角度、与浇口点的距离而有不同。
为了质量控制与测量所产生的结构，使用了原子力显微镜方法。有了这种方法，一个极尖的顶，通常是硅材的，对表面进行扫描。顶压到表面上的力极低，约为1-100nN。激光反射测量出顶的偏转，最终产生出表面的地形图。原子力显微镜方法能实现小至几个纳米的分辨率，这取决于显微镜顶和测量方法。
结论：为了对具有不同结构宽度的V型凹坑的复制进行比较，给定了纵横比，而不是结构高度。所以纵横比为0.707的结构高度意味着对结构100%的复制（图3）。
图3：不完全复制（左）与完全复制（右）的示意图
有V型凹坑的试验的纵横比在0.25至0.5之间。也有可能在复制准确度与各种成型化合物的熔体粘度之间建立起大体的联系。粘度越低，复制准确度越好。依靠特殊材料，这种依赖性不明显。在这种情况下，粘度对复制准确度的影响被其它材料性能所遮蔽了。
向成型化合物中添加脱模剂产生了反面的效果。脱模剂是被用来促进塑件从模具中的移取过程，并防止塑料粘在模具上。它们也不得不遵守大量的其它要求。例如，它们一定不能影响基础聚合物的性能，必须有良好的相容性，还一定不在模具表面留下沉积物。对于这里所讨论的成型化合物，也不可能在脱模剂含量与复制准确度之间确立任何清晰的关系。
纵横比作为结构方向与流动方向之间角度的函数，随着角度增大而减小。
对于研究过程中所测试的成型化合物，在所达到的纵横比与模具温度之间发现了近似线性的关系。同时，除了模温以外，其它工艺参数（如变化保压压力）的重要性是次一等的。
正面的母碟结构在塑料中被完全复制。对将复制与正面、负面母碟结构区别开来的简单解释是塑料的皱缩性能。这与在利用正模与负模的热成型中所观察到的情况是相似的。
展望：结构的进一步微型化将仍是光学储存媒体的开发中的关键点。有关理论上最小可能的复制，不可避免地就会出现问题。这里所介绍结果，包括最主要的是在母碟生产领域中收集到的经验，可以被看作在这个领域进一步工作的有用的起始基础。
当研究深入到更小结构时，与时间有关系的纳米结构稳定性的问题也是重要的，温度、湿度、表面涂层等影响因素需要进行重新评价。就成型化合物而言，前期所测性能如玻璃转化温度Tg和熔体粘度，可能尚未针对纳米级而进行足够的精确确定。可能有必要把玻璃转化温度规定为层厚的函数。而且，必须采取深入的步骤实现由聚合物熔体的宏观流变学向纳米流变学转变。(end)
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(投稿)
(11/29/2005) |
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