一种通过全水基电子束曝光技术制备聚合物发光微纳结构的方法技术

本发明专利技术公开通过全水基电子束曝光技术制备聚合物发光微纳结构的方法。在等离子体处理过的衬底上，旋涂出厚度均匀的聚苯乙烯磺酸薄膜；对薄膜进行不同的电子束剂量曝光，可以实现薄膜发光强度和水溶性的调控；将电子束曝光后的薄膜在超纯水中进行一定时间的显影后，曝光区域的薄膜保留在衬底上，形成具有一定形状和高度的图案，从而实现发光微纳结构的制备。得益于电子束曝光技术的高精度和灵活可控性，本发明专利技术可以制备横向极限尺寸1μm，纵向尺寸1

【技术实现步骤摘要】
一种通过全水基电子束曝光技术制备聚合物发光微纳结构的方法


[0001]本专利技术涉及聚合物微纳图案化制备领域，尤其是涉及“绿色”环保的电子束曝光技术，以及功能集成微纳结构的制备。

技术介绍

[0002]微纳器件是现代信息体系发展的基础。通过减小器件的尺寸，可以将更多的晶体管封装到单个集成芯片中，以提高性能并降低成本。此外，在单个器件上实现的更多功能也可以提高器件性能并促进高度集成。然而，由于短通道效应导致的器件性能下降，微纳器件的微缩化正日益接近其极限。近年来，多功能微纳器件的构建已成为一个热门话题。电子束曝光是一种无掩模微纳加工技术，具有超高分辨率和图案灵活性，应用于众多微纳制造领域。因此，多功能材料与电子束曝光技术的结合对于进一步促进微纳器件的微缩化和多功能化具有重要意义。
[0003]电子束曝光技术的发展不仅与设备有关，还与抗蚀剂有关。聚合物抗蚀剂由于其在电子束曝光后易于裁剪的形态和结构，已广泛应用于集成电路的制造。通过精确控制组成、结构、形态和尺寸，可以制备各种类型的聚合物纳米结构，这对于有效调节其物理、化学性能和结果的重复性也非常有益。然而，传统的电子束曝光工艺通常伴随着有毒溶剂的使用和过量碳的遗留，这会导致严重的环境和碳污染。因此，开发“绿色”抗蚀剂是非常必要的。
[0004]聚合物发光微纳结构是一种重要的功能集成结构，在光学和生物纳米器件中有广泛的应用。非发射材料或弱发射聚合物可用于通过引入荧光添加剂(例如，激光染料、量子点和荧光抗体)来制备发光微纳结构，这种方式需要至少两个制备步骤。与这些制造方法不同，Barrios等人报道了一种使用电子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯一步制备其发光纳米结构的方法(Fabrication of luminescent nanostructures by electron
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beam direct writing of PMMA resist,2012,83:93
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96)。Lee等人还报道了一种通过电子束照射将非发光聚苯乙烯膜转化为发光材料的一步法(Fabrication of Luminescent Nanoarchitectures by Electron Irradiation of Polystyrene,2008,20:2094
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2098)。尽管在一步制备聚合物微纳结构上已经取得了重要进展，但迄今为止，通过全水基工艺一步构建聚合物发光微纳结构仍然很少。据此，开发“绿色”环保的全水基电子束曝光工艺制备发光微纳结构是非常有必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有电子束曝光技术使用有毒有害化学溶剂的问题，以及集成产业对功能集成材料的需求，通过全水基绿色的电子束曝光技术，提供一种聚合物发光微纳结构的制备方法。。利用聚合物交联特性、发光特性与电子束曝光剂量呈正相关的特点，通过电子束曝光、显影，可以实现横向极限尺寸1μm，厚度可控(1
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42nm)、发光强度可调的聚合物发
光微纳结构。整个制备过程只使用了简单的水溶剂，实现了“绿色”环保的全水基电子束曝光技术。在微纳信息加密，光学显示等领域具有一定积极作用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案如下：
[0007]通过配置浓度为10
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60mg/mL的聚苯乙烯磺酸水溶液、设置旋涂转速为2000
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5000rpm，旋涂时间为60
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300s，控制电子束曝光工作距离为6
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9mm，工作电压为10
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30kV，电子束曝光剂量为15
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1000μC/cm2，从而制备形状尺寸、发光强度可调的聚合物发光微纳结构。制备方法具体包括：
[0008]1)将聚苯乙烯磺酸与超纯水按照一定比例混合，室温下充分搅拌，得到浓度均匀的水溶液；
[0009]2)将二氧化硅/硅晶圆衬底进行切割并清洗干净，然后放置于等离子体清洗仪中进行亲水处理；
[0010]3)将经过亲水处理的二氧化硅/硅衬底，放置在旋涂仪的承片台上，再将聚苯乙烯磺酸水溶液滴在该衬底上，设置好旋涂转速、时间进行旋涂，制备得到具有均匀厚度的聚苯乙烯磺酸薄膜；
[0011]4)将制备的聚苯乙烯磺酸薄膜送入电子束曝光系统的真空腔室内，利用图形软件设计好曝光图形，设置好曝光的工作距离、工作电压、电子束剂量，然后在薄膜上进行电子束曝光；可利用400
‑
440nm波段的激发光激发电子束曝光后的薄膜，曝光区域发光增强，从而获得发光微纳图案；
[0012]5)将经过电子束曝光后的薄膜，在室温条件下放置在超纯水中进行显影，然后取出用氮气吹干，曝光区域水溶性变差得以保留形成微纳图案，从而完成发光微纳结构的制备。
[0013]优选的，步骤1)所述的聚苯乙烯磺酸与超纯水所制备的水溶液浓度在10
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60mg/mL。进一步优选为30mg/mL。
[0014]优选的，步骤1)所述的聚苯乙烯磺酸与超纯水的混合物的搅拌转速为100
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400rpm，搅拌时间为10
‑
30min。
[0015]优选的，步骤2)所述的二氧化硅/硅衬底切割大小为1
×
1cm2，等离子体清洗通入的气体为氧气、氮气或空气，清洗时间为180
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600s。
[0016]优选的，步骤3)所述的聚苯乙烯磺酸水溶液浓度为10
‑
60mg/mL，用移液枪将聚苯乙烯磺酸水溶液滴在二氧化硅/硅衬底上的水溶液体积为10μL，二氧化硅/硅衬底尺寸为1
×
1cm2。
[0017]优选的，步骤4)所述的电子束曝光工作距离为6
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9mm，工作电压为10
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30kV，电子束剂量为15
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1000μC/cm2。
[0018]优选的，步骤5)所述显影时间为10
‑
30s。
[0019]优选的，1)将聚苯乙烯磺酸与超纯水按一定比例混合，室温下充分搅拌，得到浓度为30mg/mL的水溶液；
[0020]2)将二氧化硅/硅晶圆衬底进行切割并清洗干净，然后放置于等离子体清洗仪中进行亲水处理；
[0021]3)将经过亲水处理的二氧化硅/硅衬底，放置在旋涂仪的承片台上，再将聚苯乙烯磺酸水溶液滴在该衬底上，设置旋涂转速为3000rpm、旋涂时间为60s进行旋涂，制备具有均
匀厚度的聚苯乙烯磺酸薄膜；
[0022]4)将制备的聚苯乙烯磺酸薄膜进行电子束曝光，利用图形软件设计好曝光图形，设置好曝光的工作距离、工作电压、电子束剂量，然后对薄膜进行电子束曝光，所述的电子束曝光工作距离为9mm，工作电压为10kV，电子束剂量为15
‑
1000μC/cm2；
[0023]5)利用400
‑
440nm的蓝光波段的激发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过全水基电子束曝光技术制备聚合物发光微纳结构的方法，包括如下步骤：1)将聚苯乙烯磺酸与超纯水按一定比例混合，室温下充分搅拌，得到浓度为10
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60mg/mL的聚苯乙烯磺酸水溶液；2)将二氧化硅/硅晶圆衬底进行切割并清洗干净，然后放置于等离子体清洗仪中进行亲水处理；3)将经过亲水处理的二氧化硅/硅衬底，放置在旋涂仪的承片台上，再将聚苯乙烯磺酸水溶液滴在该衬底上，旋涂转速为2000
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5000rpm、旋涂时间为60
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300s进行旋涂，制备具有均匀厚度的聚苯乙烯磺酸薄膜；4)将制备的聚苯乙烯磺酸薄膜进行电子束曝光，利用图形软件设计好曝光图形，设置好曝光的工作距离、工作电压、电子束剂量，然后对薄膜进行电子束曝光，所述的电子束曝光工作距离为6
‑
9mm，工作电压为10
‑
30kV，电子束剂量为15
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1000μC/cm2；可利用400
‑
440nm波段的激发光激发电子束曝光后的薄膜，曝光区域发光增强，从而获得发光微纳图案；5)将经过电子束曝光后的薄膜，在室温条件下放置在超纯水中进行显影，然后取出用氮气吹干，曝光区域水溶性变差得以保留形成微纳图案，从而完成发光微纳结构的制备。2.根据权利要求1所述的通过全水基电子束曝光技术制备聚合物发光微纳结构的方法，其特征在于：实现制备聚苯乙烯磺酸水溶液的方法，步骤1)所述的聚苯乙烯磺酸质量为10
‑
60mg，超纯水的体积为1mL。3.根据权利要求1所述的通过全水基电子束曝光技术制备聚合物发光微纳结构的方法，其特征在于：实现制备聚苯乙烯磺酸水溶液的方法，步骤1)所述的聚苯乙烯磺酸与超纯水的混合物的搅拌转速为100
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400rpm，搅拌时间为10
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30min。4.根据权利要求1所述的通过全水基电子束曝光技术制备聚合物发光微纳结构的方法，其特征在于：实现二氧化硅/硅衬底的亲水处理的方法，步骤2)所述的二氧化硅/硅衬底切割大小为1
×
1cm2，等离子体清洗通入的气体为氧气、氮气或空气，清洗时间为180
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600s。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琳，谢红光，马惠芳，朱超，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：