模板法（Template method）

　　模板印刷技术是一个久已有之的印制图案的技术。最熟悉的如在T恤衫上印制各种图案。模板印刷可以有两种形式，一种是丝网模板印刷（screen printing），另一种是镂空模板印刷（stencil printing）。两种模板的形式比较如图一（a）,（b）所示。丝网模板是在丝网上形成的掩模图案，涂料通过镂空图形印制到基板上。显然，丝网模板由于有丝网支撑，可以在上面有互不连接的图案，而镂空模板必须考虑镂空图形的连接问题。

图一：模板印刷技术使用的模型类型

　 　丝网模板印刷是一种传统的工业印刷技术。用于微纳米加工中的丝网模板印刷无非是将模板上的图案做的更小，丝网的网眼更细。但由于丝网本身的网眼限制，丝网印刷的图案一般在几十微米或数百微米以上。丝网上的图案可以用光学曝光光刻胶的方法形成，光刻胶显影后自然形成了丝网通透区。丝网印刷在制作厚膜压电材料器件方面有独特的优势。因为压电材料（piezoelectric）主要是铅锆钛化合物（lead zirconate titanate，PZT），PZT材料既无法用以上介绍的物理或化学方法沉积，也无法用传统的刻蚀方法加工成图案。用丝网印刷方法可以将PZT制作成浆料然后刷涂在丝网模板上。用这种方法既可以得到较厚的PZT膜，又能够形成所需要的PZT图案结构。这种技术已经大量应用于制作PTZ驱动的微执行器或微流体泵等器件。这类微器件结构尺寸比较大，丝网模板印刷的分辨率完全能够胜任。

　 　镂空模板印刷也是一种传统的工业印刷技术。镂空模板印刷与丝网模板印刷技术不同的是印刷材料直接透过镂空区域沉积到基板上。可以像丝网印刷那样刷涂，也可以用热蒸发方法通过镂空区域蒸发沉积到衬底表面，例如将金属材料蒸发沉积到衬底表面形成金属图案。其图形转移过程如图二（a）所示。为了避免模板与衬底的直接接触会破坏模板，在模板与衬底之间一般保持一个很小的间隙，蒸发材料透过模板沉积到衬底上如图二（b），移开模板就得到了所需要的沉积图形如图二（c）。因此又把这种镂空模板称为阴影掩模。由于没有丝网支撑，不存在图形分辨率受丝网网眼限制问题。阴影掩模图形转移1:1，阴影掩模本身的图形能够做多小，转移的图形也就多小。实际上，这种阴影掩模与前面介绍的电子束或离子束投影投影曝光中使用的掩模在形式上是一样的，制作方法也是一样的。因此用阴影掩模可以实现高分辨率纳米尺度图形的转移。用阴影掩模制作表面纳米结构是1999年首次提出的。当时是利用扫描探针显微镜与阴影掩模结合，实现局部100nm以下金属微结构的沉积，后来发展成为大面积阴影掩模，成为一种新颖的表面纳米结构制作技术。

图二：阴影掩模制图

　 　阴影掩模制作表面结构的优点是：

　 　1)可以选择任意一个局部位置进行薄膜沉积。由于阴影掩模与衬底表面积距离很大，通常为几十毫米，因此通过阴影掩模可以将薄膜图形沉积在任意非平坦表面。

　 　2)薄膜图案一步形成。不需要像其他光刻技术那样先作出感光胶图形，再进行薄膜沉积与溶脱工艺（lift-off）。

　 　3)由于不需要光刻胶来定义图形，可以避免对表面的污染，薄膜可以直接沉积在新鲜表面。同时，薄膜沉积在真空中完成的，因此可以避免衬底表面在空气中氧化。

　 　4)由于不需要曝光步骤，没有因光干涉引起的各种邻近效应和图形尺寸不一致的效应。大图形与小图形可一次形成，例如，利用同一阴影掩模一次沉积可以同时形成100nm以下和100um以上的图形。

　 　阴影掩模的局限性和缺点是：

　 　1)只能作层薄膜材料沉积。制作多层结构存在如何对准问题，除非只在同一位置沉积多层膜。

　 　2)多次使用阴影掩模后，沉积材料会逐渐在掩模孔周围积累，使掩模孔缩小以至完全堵塞（clogging）。如图三比较了理想情况与实际蒸发沉积的不同。理想情况下阴影掩模孔不应该有堵塞图三（a），得到的沉积图形应该是边角分明。而实际上随着沉积层的增厚，阴影掩模的开孔越来越小，沉积的图形结构也失去了边角如图三（b），最后由可能完全将掩模孔封死，如图三（c）所示。

　 　3)当掩模图形尺寸在1um以下时，即使掩模图形为直角图形，沉积的图形也会变成圆形。这是因为阴影掩模与衬底材料有较大的区域，形成所谓“图晕”（halo）。晕圈的大小与掩模和基底之间的间隙大小有关。晕圈层的厚度一般远小于沉积图形的厚度，可以通过额外刻蚀步骤清除。

　 　4)大面积阴影掩模存在一个热稳定性问题。由于金属蒸发镀膜的蒸发源处于很高的温度，蒸发源的热辐射会影响到阴影掩模。使掩模膨胀，造成掩模图形偏移或变形。

　 　5)阴影掩模本身的制作工艺复杂，限制了所能达到的分辨率。所以大面积掩模所得到的的最小图形在100nm左右。小面积阴影掩模可以利用聚焦离子束刻蚀制作，用聚焦离子束可以获得很小的掩模孔，但该方法不适于制作大面积掩模[1]。

图三：阴影掩模沉积过程中的堵塞现象

参考文献：

[1]崔铮，《微纳米加工技术及其应用》，高等教育出版社，2013.04,347-351