面向大面积纳米压印软模具的制造技术.doc

1、xxxx 大学 毕 业 设 计（论 文） 题目题目 面向大面积纳米压印软模具的制造技术面向大面积纳米压印软模具的制造技术 学生姓名：学生姓名： 学生学号：学生学号： 指导教师：指导教师： 机械工程机械工程 学院学院 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 专业专业 班班 2011 年 6 月 15 日 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 专业 机械设计制造及其自动化 班级 机械 姓名 下发日期 题目题目面向大面积纳米压印软模具的制造技术 专题专题 主主 要要 内内 容容 及及 要要 求求 大面积纳米压印光刻机是一种高效、高精度、低成本制造微纳米结构精密装备， 是生产高密度磁盘、

2、高亮度 led、微流体器件、微光学器件的核心设备，基于一种大 面积纳米压印工艺对于全新三层复合模具的制造工艺特殊要求，开展复合模具材料和 制造方法的研究。 课题的目的课题的目的：了解纳米压印基本工艺，熟悉整片晶圆纳米压印原理和工艺实现方 法，完成新型复合模具材料和制造方法的研究。 课题的内容和要求课题的内容和要求：具有不同硬度pdms的研制，三层复合模具制造方法，包括母 模的制造，软模具的制造以及模具防粘连处理等关键问题的研究。 主要技主要技 术参数术参数 进进 度度 及及 完完 成成 日日 期期 3 月 7 日 3 月 20 日 毕业实习 3 月 21 日 4 月 3 日 查阅资料、熟悉课题

3、 4 月 4 日 4 月 17 日 具有不同硬度 pdms 模具材料的研究 4 月 18 日 5 月 1 日 母模制造方法 5 月 2 日 5 月 22 日 软模具的制造方法 5 月 23 日 5 月 29 日 模具防粘连等关键技术的研究 5 月 30 日 6 月 15 日 撰写毕业论文、准备答辩 教学院长签字日 期教研室主任签字日 期指导教师签字日 期 指 导 教 师 评 语 指导教师: 年 月 日 指 定 论 文 评 阅 人 评 语 评阅人: 年 月 日 答 辩 委 员 会 评 语 指导教师给定 成绩(30%) 评阅人给定 成绩(30%) 答辩成绩 （40%） 总 评 答辩委员会主席 签字

4、 评 定 成 绩 摘要摘要 传统微电子工业中所使用的紫外曝光光刻技术面临昂贵的光刻设备和复杂的技术 难题，如避免光学衍射和透镜材料选择等。而微纳米压印技术只需制作一块印章就可 以运用物理原理复制出许多图案化的微纳结构，具有简单易行、成本低廉、批量高效 等优点。本文从比较常用的几种印章制作材料入手，通过对材料脱模性和紫外光透过 性的对比，选定改进的聚二甲基硅氧烷作为模具材料制作压印模具。详细地分析了材 料单体与固化剂配比值对模具硬度、抗拉压剪切等物理性能的影响。 聚二甲基硅氧烷（pdms）作为一种特殊性能的弹性体，是制作印章的理想材料。 但是现行 pdms 印章有诸多缺点如固化后有收缩变形，而且

5、在非平面的组织溶剂，如 甲苯和乙烷的作用下，高深比将出现一定的膨胀；由于弹性模太软，无法获得大的深 宽比，对 pdms 进行改性以增强其机械性能的研究就是非常成功的。 常用的增强方法一般为玻璃态有机聚合物增强和无机填料增强，玻璃态有机聚合 物增强的效果还需进一步提高，本文选择了无机填料增强方法中溶液法制备 pdms/蒙 脱土纳米复合材料的增强方式，详细研究了对 pdms 力学性能和耐溶剂性能的影响。 确定了压印模具的形式为增强型 pdms软 pdms增强型 pdms 的三层复合模具。 目前 pdms 印章制备主要是在母板上浇铸而成，需要长时间占用母板进行固化， 本文开拓新的批量加工 pdms

6、印章的方法，主要有旋涂法和热压法(mms 技术)大规模 制备 pdms 印章。旋涂法是在母板上旋涂而非浇铸然后固化，该技术固化时间短、复 制品均匀、且与微电子工艺兼容。热压法先通过热压印的方法制备聚合物模板，旋涂 或浇铸 pdms 预聚体和固化剂的混合物至聚合物模板上，最后固化脱模即可以达到批 量生产 pdms 印章的目的。由于热压印所需时间较短，热压印一次后，母板可以继续 用十热压印而不像传统方法中母板一直被占用，这样在短时间内即可压印出大量的聚 合物模板，继而复制出大量的 pdms 印章。 进行纳米压印前，必须对印章进行抗粘处理，否则在脱模时常常出现印章和衬底 上的胶粘连在一起而难以分离。

7、本文采用两种方法对纳米印章进行表面处理，即干法 和湿法。 关键词关键词：纳米压印 pdms 三层软模具 电子束光刻 旋涂法 热压法 抗粘连层 abstract traditional ultraviolet lithography in microelectronics industry meets expensive lithography tool and complex technical problems, such as optic diffraction and choice of lens material. in the next generation lithography,

8、 imprint technique has the advantage of high throughput because one single stamp can replicate many patterned micro/nanostructures in a low cost. the mold with a high quality is one of the key factors in the il process. several materials are researched for fabricating il mold. the performances of th

9、e material, including remolding characteristic and uv-light permeating characteristic are studied, and pdms is selected as the template material. polydimethylsiloxanes (pdms) are a unique class of polymers that can be crosslinked to form elastomers with many attractive properties, including low surf

10、ace energy, low toxicity, high optical transparency, and good chemical and thermal stabilities. they have been extensively used in electrical-insulating products, sealing products as well. most polydimethylsiloxanes today are reinforced with inorganic fillers because of the weak linkages between pdm

11、s molecules. however, the current stamp have disadvantages, such as curing, and after contraction deformation in the flat organization solvent, such as toluene and ethane, under the action of advanced than will appear certain inflation; chapter in a low by the follies course, because an elastic modu

12、lus too soft, cant get the big wide, deep pdms than modified in order to enhance its mechanical properties research is very successful. common enhancement method for glass state organic polymers commonly to enhance and inorganic packing enhancement, glass state organic polymer enhancement effect sti

13、ll needs to enhance, this paper introduces inorganic packing enhancement method for solution method of pdms/montmorillonite composites (mmt-tpac pdms/detailed research) method for pdms mechanical properties and nairongji performance influence. determine the stamping mould for enhanced the ultimate f

14、orm of soft pdms - three layers - enhanced pdms compound soft mold. conventional method of fabricating pdms is to cast mixture of pdms prepolymer and its curing agent directly on a master, which is time-consuming because it occupies the master a long time for curing. two novel methods have been inno

15、vated to manufacture pdms quickly. one technique is using spin-coating instead of casting on the master. the other is using the master to imprint many polymer molds and then spin-coating or casting pdms mixture on the polymer molds to produce many pdms stamps. we call the later method mms technique

16、(from master via mold to stamp). because imprint has a short process cycle, the master can imprint may polymer molds in a short time, and then use them to manufacture pdms stamps. before printing on nano pressure to seal, must deal with, or to fight sticky often appear in stripping seal and lining t

17、he floor of the adhesive together and difficult to separate. this paper adopts two methods of nano seal surface treatment, namely dry and wet. key words: nanoimpirnt lithography pdms three layer of soft mould electron- beam lithography spin besmear methods mms technique antiblocking agent 目录目录 摘要摘要

18、.i abstract.ii 目录目录 .iv 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 课题研究的背景 .1 1.2 纳米压印的优势和应用领域 .2 1.3 纳米压印的发展现状 .4 1.4 纳米压印光刻技术原理 .5 1.5 各种压印光刻技术对比 .8 1.6 纳米压印工艺亟待解决的问题 .9 1.7 论文的主要研究工作 .11 第二章第二章 模具形式的确定和材料的选择模具形式的确定和材料的选择.12 2.1 硬模具和软模具比较.12 2.2 软模具的结构.14 2.3 软模具材料类型的确定.18 2.4 pdms 单体与固化剂质量混合比对其性能的影响 .26 2.5 增强型 pdms.32 2

19、.6 结论及三层软模具材料选择形式的提出.37 第三章第三章 三层软模具的制备工艺三层软模具的制备工艺.38 3.1 模具制作的基本过程.38 3.2 模具母版的制备工艺简介.38 3.3 母版制备工艺分析.40 3.4 电子束光刻制作母版.41 3.5 旋涂法制备 pdms 印章.43 3.6 热压法大规模制备 pdms 印章的新方法.46 3.7 pdms 印章中的缺陷分析 .49 3.8 小结.50 第四章第四章 纳米压印印章抗粘连层的制备纳米压印印章抗粘连层的制备.51 4.1 分子动力学选择压印中印章抗粘连层物质 .51 4.2 利用干法抗粘制备印章的抗粘连层.53 4.3 利用湿法

20、抗粘制备印章的抗粘连层.55 4.4 两种方法对比.58 4.5 小结.61 第五章第五章 总结与展望：总结与展望：.62 5.1 全文总结.62 5.2 未来工作展望 .62 参考文献：参考文献：.64 致谢：致谢：.66 附件附件 英文文献翻译英文文献翻译.67 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究的背景课题研究的背景 “一尺之锤，日取一半，永世不竭” ，这是我国古代流传下来的物质无限可分的思 想，无独有偶，美国亚利桑那州立大学的一位教授也说过：生命是有限的，但微型化 是无限的(life is limited, but miniaturization is unlimited)。自古以

21、来，科学技术的发展都 在不断的推拓宽人们认识世界的思路，一方面不断向地球、月亮、星际、太空等宏观 方向开拓，一方面也不断向着微观世界进行了孜孜不倦的探索。尤其是在近半个世纪 以来，可以毫不夸张的说，微型化（miniaturization）的趋势引领了 20 世纪下半叶直到 21 世纪初科学技术发展的潮流并方兴未艾。过去三十多年来，以集成电路为核心的微 电子技术迅速发展集中反应了微型化这一技术发展的趋势：高密度、超高频器件不断 出现和发展，促进了以计算机、网络技术、通信技术、多媒体技术等为代表的信息技 术的飞速发展。例如，自 20 世纪 60 年代以来，集成电路一直按照摩尔定律不断更新 换代，即

22、单个芯片中集成的晶体管数目每 18 个月翻一番。再如，50 年代以来，磁存储 的密度也按照每 10 年不少于 10 倍的速度发展，尤其最近 10 年的时间，磁存储密度增 加了 100 倍，达到了高于 10gb/in2的水平。 在半导体工业基础上发展起来的光学光刻技术是目前非常成熟的微型制造技术， 经过不断发展，满足了 0.1m 以上尺寸图形刻印的要求。但在应用到纳米级微小结构 制作时则面临了很多问题。尤其是在分辨率方面，其光刻分辨率受光波波长和光学系 统数值孔径的限制。而无法得到根本的提高。为了提高光刻系统分辨率以制作更小特 征尺寸的图形，新的光刻技术不断涌现，即下一代光刻技术(next ge

23、neration lithography,ngl)，如：电子束光刻(ebl)、x 射线光刻(xrl)、离子束投影光刻(ibl)、 极紫外光刻(euvl)等。 电子束光刻具有极高的分辨率，甚至可以达到原子量级。电子束曝光制作的最小 尺寸可达 1020nm。而且，电子束光刻是无掩模直写的，因此灵活性较好。但电子束 光刻有一个很大的缺点就是生产率极低，因为电子束光刻是采用扫描方法来制作图形 的，因此，目前电子束光刻一般只用来制作高精度掩模。 极紫外线光刻技术(使用波长 1070nm 的紫外光)和 x 射线光刻技术(使用波长 0.110nm 的 x 光)也有其难处，如：常规的透镜不能透过极端紫外光，也

24、不能使 x 光 聚焦；高能辐射也会迅速破坏掩模和透镜种的许多材料，因此掩模制作困难。更重要 的是，这些方法所使用的设备极其昂贵。 离子束曝光技术起源于 20 世纪 70 年代，自从 80 年代后才得到真正发展，由于离 子质量比电子大，所以散射少的多，具有比电子束光刻更高的分辨率。不过，离子束 光刻尚处于发展阶段，需要解决抗蚀剂的曝光深度、掩模制作、高能离子束源及离子 束聚焦等问题，距离实用化还有很长的路要走。 综上所述，上述几种光刻工艺都因其固有的缺点而无法短期内在高分辨、高效率 的图形刻印领域得到广泛应用。采用传统的光学光刻方法制造越来越小特征尺寸芯片 的成本越来越高，甚至影响摩尔定律的继续

25、作用，微型化趋势的不断发展要求有更简 单、更经济的方法来制作0.1m 的纳米尺寸图形结构；在研究人员的努力下，纳米 压印光刻技术(nanoimprint lithography, nil)应运而生。 纳米压印技术(nanoimprint lithography, nil)是华裔科学家美国普林斯顿大学周郁 在 1995 年发明的一种廉价、高分辨率的光刻技术27。具有强大竞争力，从根本上展 示了纳米器件生产的广阔前景。 1.2 纳米压印的优势和应用领域纳米压印的优势和应用领域 纳米压印的优势主要有以下 6 点： (1).高分辨率。高分辨率。 它既可以在大面积基片上重复、大批量地制备各种纳米图形结构

26、，通过并行处理 制备多个零件，也不需要极为复杂昂贵的光学镜头和光学系统、电子聚焦系统，同时 又避免了光学曝光中的衍射和电子束曝光一起的散射现象，分辨率可达几个纳米。这 已经超过最先进的光学光刻技术2。hewlett-packard 公司已经用这种技术加工出分子 存储阵列，其半周期只有 65nm。纳米压印技术已经被国际半导体技术路线图(itrs)收 录，作为下一代光刻技术(next generation lithography, ngl)的候选者，有望在 2019 年 用于 16nm 的结点 。 (2).真实三维结构制作。真实三维结构制作。 纳米压印技术是一种接触式光刻技术，相当昂贵的光刻只需被

27、用一次以制造可靠 的印章，印章就可以在光刻胶或基片上大量生产复制品，而光刻胶或基片表面得到的 图形和结构是由模板决定的，所以只要采用合适的三维模板，就可以在光刻胶或基片 上压印出三维微结构。 (3).低成本，高生产效率，适用于大批量的工业生产。低成本，高生产效率，适用于大批量的工业生产。 纳米压印光刻不需要复杂且造价昂贵的光学系统，大大降低了设备的成本。虽然 需要采用电子束曝光等相对昂贵的手段来制作模板，但将这些成本转移到大批量的最 终产品后，其数额是很微不足道的。纳米压印光刻技术工作原理简单，工艺过程耗时 短，与采用扫描曝光方法的电子束光刻等手段相比，工艺周期大幅度缩短，所以更适 用于高效率

28、的工业化批量生产。 (4).宽的加工尺寸范围宽的加工尺寸范围 纳米压印光刻技术因为其高的分辨率的特点而在100nm 微结构制作中占有重要地 位，但其同样适用于微米甚至毫米级结构的加工。 (5).绿色环保。绿色环保。 纳米压印光刻是采用压印方法直接进行图形转移，不像传统光刻那样需要含有大 量有害成分的显影液对光刻胶显影，因而大大降低了了对环境的污染。随着研究的深 入，研究者不仅利用纳米压印光刻技术制备出纳米级特征尺寸的图形，而且开始利用 纳米压印光刻技术制备各种器件甚至系统。 (6) 优异的生物、物理和化学性能优异的生物、物理和化学性能 因为纳米压印采用聚合物衬底，其优点是：表面生物相容性好，具

29、有优异的光学、 力学、化学和电学性能(譬如透明性、导电性、柔韧性)。因此适合于微纳米加工的领域 很广。 纳米压印光刻技术在以下几个领域得到广泛应用：纳米压印光刻技术在以下几个领域得到广泛应用： (1). 100100 从表 1-1 中可以看出，现有 nil 技术已经能够实现 6nm 的特征图型转移，且大部 分 nil 技术都能实现 30nm 左右的特征图型转移，这些技术都有其自身的优势所在， 但是它们在原理及技术上或多或少的存在一些问题。 (1) mcp 技术技术 mcp(微接触压印)技术的最大优势在于模具尺寸大，生产效率高， 其使用 pdms 作为压印模具能够有效的解决压印模具和硅片之间的平

30、行度误差以及两 者表面的平面度公差。但是正因为 pdms 模具具有良好的弹性，在将涂于模具表面的 硫醇转移到抗蚀剂表面时会发生模具和抗蚀剂之间的相对滑动，导致被转移图型的变 形和缺损。该工艺还有一个不足之处是抗蚀剂必须经过刻蚀才能图形化，在某些领域 （如光盘的生产）限制了其应用。 (2) hil 技术技术 hil（热压印）技术的优势是可以使用与现行微电子行业正在应用 的相同的抗蚀剂材料（pmma） ，在后续刻蚀工艺中不需要重新调配工艺参数，与现有 的微电子生产线的接合性良好。但是 hil 技术需要加热，且压印力很大，使整个系统 产生不可弥补的变形；并且 hil 技术不能使用弹性模具，使其无法消

31、除硅片和模具之 间的平行度误差及两者表面的平面度公差。因此，hil 技术只能应用于单层且不需要 图型缝合的压印领域，如光盘和防伪商标的制作。 (3) sfil 技术技术 sfil（步进光刻压印）技术使用光固化抗蚀剂，抗蚀剂粘度低， 流动性好，极大的降低了压印力；使用硬质模具，不需要加热，基本消除了整个系统 和模具的变形。因此 sfil 技术能够实现多层压印图型的转移，且图型保真度良好。同 样由于 sfil 技术使用硬质模具，无法解决平行度误差和平面度公差的问题，限制了模 具的图型转移面积，并且为了弥补平面度公差问题，必须使用多层抗蚀剂技术，增加 了技术难度和成本。 (4) ladi 和金属压模

32、技术和金属压模技术 对比最小图型 cd，激光辅助压印光刻(laser assisted direct imprint，)和金属压模技术最小，达到 10nm，但产能非常小，并且最大压印面积 最小，显然难以实现大面积压印需求；对比定位精度，结果均不理想，在 5001000nm，不能达到 ic 制造要求，需要进一步提高。因此，要满足微结构制造要 求，都需进一步的提高和改进。 从上面的叙述中可以看出，现有主流的 il 技术都有实际应用的可能性，但是都存 在一定的缺陷，为了实现低成本高效率的压印图型转移就必须对它们进行改进。目前， nil 工艺亟待解决的问题主要有：图型缺陷、抗蚀剂的选择和涂铺方式、模具

33、材料的 选择和制作方式、模具定位和套刻精度、多层结构高度差等。 1.6 纳米压印工艺亟待解决的问题纳米压印工艺亟待解决的问题 (1) 图型缺陷图型缺陷 图型缺陷主要分为以下几种。 a 由接触导致。传统光刻技术从接触式光刻发展到接近式光刻（包括投影缩微光 刻） ，不但有提高分辨率的因素，另一个重要的原因就是微制造对缺陷的控制要求越来 越高，而接触式光刻无法满足这一要求。由于 il 技术属于接触式图型转移技术，会由 于接触引入大量的缺陷，因此必须研究如何减少缺陷，以满足微制造的严格要求。由 接触转移导致的抗蚀剂表面图型缺陷主要有几方面原因：模具本身图型缺陷导致、模 具变形导致、模具上粘连其它物质导

34、致、脱模时模具与抗蚀剂粘连导致。这些因素都 将影响抗蚀剂表面图型的质量。 b 由抗蚀剂涂铺缺陷导致。在抗蚀剂涂铺过程中产生的微小气泡、抗蚀剂与基材 亲和性不好导致地收缩和抗蚀剂薄膜上的微小破裂都会导致图型缺陷的产生。 c 由其它相关因素导致。如压印工作环境中的尘埃和压印过程中模具表面无法排 出的空气，以及由于机构温度的变化导致的变形等。 (2) 抗蚀剂的选择和涂铺方式抗蚀剂的选择和涂铺方式 由于采用了新型的非挥发高分子材料作为 il 工艺的抗蚀剂，抗蚀剂材料的制备和 涂铺特性需要进行详细的研究。 (3) 模具材料的选择和制作方式模具材料的选择和制作方式 il 技术与传统光学光刻的关键区别在于使

35、用压印模具进行图型转移，制作一种高 质量的压印模具是顺利完成 il 图型转移的首要问题。现在在压印模具制作上由于 il 工艺的实现方式不同存在几个研究方向，但是都或多或少的存在一些问题，比如硬模 具的粘连脱模问题，软模具的变形和寿命问题等等。针对不同的 il 工艺要进行相关的 模具选材和制作研究。 (4) 模具定位和套刻精度模具定位和套刻精度 在压印图型转移过程中，如果需要图型缝合或者需要进行多层压印，就必须进行 模具的精确定位和套刻对准。要实现微结构的压印图型转移，其定位和对准系统必须 能够达到纳米级精度。其精度主要取决于两个因素： 1) 定位的方法和定位所使用的物理器件； 2) 检测并校正

36、信号失真误差的能力。 (5) 多层结构高度差多层结构高度差 在微制造过程中，如果是多层结构，就必然存在台阶，而压印必须在平面内完成， 因此首先必须先将高低不平的表面平坦化后才能进行正常的压印图型转移。 1.7 论文的主要研究工作论文的主要研究工作 所有这些压印光刻技术尽管所依据的物理化学机理不一样，所使用的模板与样品 的材料也不相同，但都要使用一个表面带有微小结构特征的模具（mold，template） ， 实现由模板到基质的图形转移。 模具也称为模版或印章，压印模具是 nil 工艺与传统光学光刻工艺最大的区别所 在，模具作为压印特征的初始载体直接决定着压印图型的质量，不同于传统光学光刻 使用

37、的掩模(4x)，纳米压印光刻使用的是 1x 模版，它在模具制作检查和修复技术面临 更大挑战。而且随着纳米压印光刻研究的日益深入以及应用领域的不断扩大，nil 模 具的制造将变得越来越重要并面临着更加严峻的挑战3。因此，模具的制造已经成为 当前纳米压印光刻一个最重要的研究热点，纳米压印光刻发展的历史也是压印模具不 断发展创新的历史。 能否制作出满足高精度、高均匀、高平整和高保真的压印模具是整个工艺的核心 问题之一。压印模具制作的关键是模具材料选取和模具制备过程中工艺条件控制。为 了获得高精度压印模具，本论文的具体工作包括以下几个方面： (1) 对比现有的各种模具结构形式，确定一种最合适的模具结构

38、形式。 (2) 针对压印工艺的要求，对比分析各种现行比较常用的压印模具制作材料，经过 对硬模具和软模具的对比分析；以及各种弹性材料之间的紫外光透过性和脱模性的研 究，确定用于压印工艺的弹性模具材料。 (3) 根据模具结构形式的需要研究讨论了增强型 pdms 的制作工艺。 (4) 确定三层模具各层所使用的材料。 (5) 讨论了模具母版的各种制作方法并采用电子束光刻制作了所需母版。 (6) 采用旋涂法和热压法制作出三层软模具。 (7) 对三层软模具制作过程中出现的缺陷进行探讨，通过缺陷分析进一步改进相关 工艺参数。 (8) 进行纳米压印前，必须对印章进行抗粘处理，本文采用两种方法对纳米印章进 行表

39、面处理，即干法和湿法。 第二章第二章 模具形式的确定和材料的选择模具形式的确定和材料的选择 模具按照材料透光性可分为透光模具和不透光模具；按照材料硬度可分为硬模具 和软模具。 2.1 硬模具和软模具比较硬模具和软模具比较 2.1.1 硬模具硬模具 在压印模具的材料使用上，硬模具和软模具都有其各自的优势所在，硬模具可以 用在所有 nil 工艺中，实用面非常广。在压印过程中不会因为压印载荷而变形，使用 寿命也较长。但是硬模具材料的表面能高，与固化后的抗蚀剂表面能相近，容易发生 粘连，不易脱模。在实际使用中必须在模具表面喷涂脱模剂，极大的影响了压印效率。 而且，即使喷涂了脱模剂也容易发生粘连。如图

40、2-1 所示，为硬模具表面图型检测结 果，图中所示硬模具在使用前已经喷涂脱模剂，用以降低其表面能。 （a）喷涂有脱模剂的模具（b）压印 10 次的模具(c)压印 20 次的模具 图 2-1 硬模具使用效果（3000） 图 2-1a 为硬模具原型，图中模具表面图型为西安交通大学（xjtu）和先进制造技 术研究所（iamt）的缩写。模具表面图型清晰、整体表面非常清洁；图 2-1b 为压印 10 次后的模具表面，已经能够明显看出模具表面图型有抗蚀剂粘连情况发生，说明此 时模具表面的脱模剂已经有部分缺失。图 2-1c 为压印 20 次以后的模具表面，可以看出 模具表面图型已经基本被粘连的抗蚀剂覆盖，模

41、具已经完全无法使用。从图 2-1b 和 2- 1c 中可以发现一个现象，没有图型的区域此时没有发生抗蚀剂粘连，说明模具与抗蚀 剂粘连不仅与表面能有关，也与模具表面图型复杂程度有关。从图 2-1 中可以发现， 硬模具与抗蚀剂在压印过程中会产生聚合物微观粘连，严重影响压印图型转移的质量， 对模具也造成破坏。 再者，由于硅片表面和硬模具表面之间存在的平行度误差和平面度公差问题，导 致硬模具与硅片表面之间的接触效果较差，同时也限制了图型转换的有效面积。 在实际使用中，如果使用硬模具进行压印图型转移，可以采用多层抗蚀剂技术消 除硅片表面平面度公差问题，但是平行度误差和硬模具表面的平面度公差问题无法解 决

42、。 2.1.2 软模具软模具 软模具与硬模具相比，最大优势在于模具材料具有一定的弹性，能够很好的适应 模具和硅片之间的平面度公差和平行度误差问题（如图 2-2 所示） ，可以增大压印区域 面积，提高压印效率。 图 2-2 软硬印章压印效果比较 左边:硬印章工艺。显示出晶圆片的转移的不均匀性,直接偏向残差层,因为印章和底板都有很强 的刚性。右边:软印章工艺 波浪形特征转移很充分,从而改善了压印效果。 但是软模具的弹性也引入了压印过程中的变形问题，此变形同样能够导致图型转 移的失败。为了控制并消除由于模具变形导致的图型失真，必须精确控制压印加载过 程中的加载载荷，导致加载过程复杂化。 再者，软模具

43、是由高分子材料制作，其物理性能受到模具制作工艺的严重影响， 增加了模具制作的难度。 2.1.3 软模具的优势软模具的优势 基于以上的探讨，硬模具和软模具都有其各自的缺陷，通过对比各种相关因素， 发现在采用紫外光固化抗蚀剂的 nil 工艺中，软模具比硬模具相比具有以下优势： (1) 具有很高的微观图形保真转移能力，转移后图形质量完好，模具具有良好的自 清洁能力和抗磨损性能以及较高的使用寿命； (2) 抗蚀剂固化后脱模容易； (3) 单次图型转移面积大； (4) 基能够很好的适应模具和硅片之间的平面度公差和平行度误差问题。 基于上述原因，决定在本文重点研究 nil 工艺中使用的软模具。 2.2 软

44、模具的结构软模具的结构 2.2.1 单层软模具结构单层软模具结构 起初软模具为单一的单层结构，如下表所示 图 2-3 单层 pdms 模板加工过程示意图 但是单一的软模具的弹性的变形问题能够导致图型转移的失败。为了控制并消除 由于模具变形导致的图型失真，必须精确控制压印加载过程中的加载载荷，导致加载 过程复杂化，为了解决这个问题很快有了下面的双层软模具结构 2.2.2 双层软模具结构双层软模具结构 由于软模具材料不具备机械硬度,要使用一种硬质材料作为支撑,所以压印模具由弹 性模具和石英组成.如图 2-5 所示,弹性模具承担图形转移和消除平面误差 ,并具有消除 模具和被压印物体表面之间不平行误差

45、的功能.石英作为硬衬能够保证整个压印模具具 有承载强度和紫外透光性,光栅为模具制作和套印对准标记,弹性模具和石英通过粘接固 连在一起.在模具制作过程中,弹性模具的浇铸以及与石英的粘接是一次完成的,因此保证 了石英硬衬表面和弹性模具表面相对平行. 由于软模具自身强度性质，导致脱模时部分图形可能断裂在母板中，影响了转移 图形的质量和高度。如果能找到性质更好的材料，或者可以提升 pdms 本身材料的抗 断裂性，可实现更大的深宽比。显然这是一个急需解决的问题。为此本文提出一种新 型的软模具结构。 2.2.3.三层软模具结构三层软模具结构 根据整片晶圆纳米压印的工艺要求，软模具应该具有以下性能： (1)

46、 良好的弹性弯曲变形能力，确保压印过程和脱模过程工艺的实现； (2) 被转移图形具有高度的保真特性，压印过程中将变形降低到最小，确保被转移 图形的质量和精度； (3) 抗蚀剂减薄过程中在整片晶圆区域保持均匀一致的压印力，确保获得均匀一致 薄的残留层厚度； (4) 软模具尺寸大，前期实验包含特征图形的最小尺寸直径达到 100mm； (5) 具有紫外光穿透特性，确保抗蚀剂固化工艺的实现； (6) 具有良好的脱模性能，确保脱模过程中模具与所复制的图形不发生粘连； (7) 使用寿命长，满足工业化生产的使用要求。 为此，本文提出一种全新的三层复合结构透明的软模具，它由结构层、弹性层和 支撑层三部分组成。

47、其中结构层包含所要复制的图形结构，弹性层位于结构层之上， 支撑层位于弹性层之上。结构层的厚度是 100-200 微米；弹性层的厚度是 400-700 微米； 支撑层的厚度是 100-200 微米。弹性层选用具有良好纵向弯曲变形性能软的材料，而 结构层和支撑层硬度为弹性层使用材料硬度的 2-3 倍。结构层、弹性层、支撑层的材 料选择将在下面具体论述。三层模具结构如图 2-4 所示。该模具将纳米压印使用的硬 模具的高分辨率和软模具易于弹性弯曲的优点结合起来。并且避免了软、硬模具各自 的缺点。 图 2-4 三层软模具结构图 单层软模具结构双层软模具结构 三层软模具结构 a三层软模具结构 b 三层软模

48、具结构 c三层软模具结构 d 图 2-5 常见软模具结构示意图 其基本压印过程如图 1 所示。具体包括以下工艺步骤： (1) 预处理过程。 关闭压力管路，打开真空管路，模板吸附在压印头工作台面上（具体说是模板的 支撑层吸附于压印头工作台面中的凹槽里） 。将涂铺有抗蚀剂的晶圆固定在工作台上， 压印头与晶圆对正后，压印机构下降，直至压印头的支撑调节块与晶圆工作台相接触。 (2) 压印过程 首先，从模板中心位置开始，将初始的真空状态转换至压力状态，在气体辅助压 印力和毛细力共同作用下，软模具的弹性层在中心位置纵向产生弯曲变形，局部开始 接触衬底上的抗蚀剂，模具中心位置的微纳米结构腔体开始被抗蚀剂所充

49、填，如图 2- 5（a）所示；随后，从模具中心位置向外侧方向逐一将真空状态转换至压力状态，模 具结构层与抗蚀剂的接触面积不断扩大，直至整个模具结构层与整片晶圆上的抗蚀剂 完全接触，模具中的所有微纳米结构腔体被抗蚀剂所充填，如图 2-5（b）和 2-5（c） 所示；最后，所有压力通道的压力保持均匀一致性增大，实现液态抗蚀剂材料在模具 微纳米结构腔体内的完全充填，并且减薄至预定的残留层厚度。 (3) 固化过程 开启紫外光光源，紫外光透过模具对抗蚀剂曝光，充分固化液态抗蚀剂，如图 2- 5（d）所示。 (4) 脱模过程 首先，从晶圆最外两侧开始，关闭压力管路，打开真空管路，同时开启脱模用的 喷嘴。在

50、真空吸力和喷嘴压缩空气产生水平力共同作用下，从最外侧开始模具与晶圆 相互分离，如图 2-5（e）所示；随后，从晶圆最外侧向模具中心逐一将压力转换回真 空状态，实现模具从晶圆外侧向中心连续“揭开”式的脱模，脱模力为真空吸力和水 平力的合力，如图 2-5（f）和 2-5（g）所示；最后，模具中心位置与晶圆相分离，实 现模具与晶圆的完全分离，完成脱模，如图 2-5（h）所示。 真空管路压力管路压印头复合模具 (a) 工作台涂铺抗蚀剂的晶圆 (b) (c) uv光源 (d) (e) (f) (g)(h) 脱模喷嘴 图 2-6 大尺寸整片晶圆纳米压印工艺过程示意图 2.3 软模具材料类型的确定软模具材料

51、类型的确定 2.3.1 几种软模具材料几种软模具材料性能比较性能比较 模具制作作为 nil 亟待解决的问题之一，其首要任务是选择一种合适的模具材料。 软模具材料 pdms、光敏树脂和 pmma 各有其优越性，因此，软模具在近年的研究领 域升温很快。下面对它们进行具体的探讨研究，以便能够选出一种较为合适的材料制 作模具通常软模具材料必须具备以下要求： (1) 良好的特征转移能力； (2) 良好的紫外光透过率和化学稳定性； (3) 优异的机械物理性能。 由于硅片存在一定的平面度公差，导致其表面呈波浪形，如图 3-3a 所示。因此， 在压印过程中，软模具必须具有良好的弹性以满足压印过程的需要。图 3

52、-3b 所示为软 模具整体压印加载后示意图，软模具自身的弹性保证压印加载过程顺利完成，为了研 究的方便，我们以图 3-3a 中圆圈处为研究对象，压印加载前后的示意图如图 3-3c 和 3- 3d 所示。 注：f-压印力，h1-硬质支撑厚度，h2-软模具初始厚度，h2-软模具压缩后变形 图 2-7 软模具压印表面不平硅片示意图 如图 2-7d 所示，当一定的压印力 f 加载到硬质支撑上，软模具发生弹性变形，a 与 b 处的变形a，b 分别为： (2-1)100) 2 22 ( h hh a (2-2)100) 2 22 ( h ltghh b 如式 2-1 和式 2-2 所示，由于a，b 的变化

53、，使软模具对基材的平面度公差显 示了良好的自适应性，有助于提高单次压印图型转移区域面积，提高产能。然而，纵 向变形将会引起横向变形 (2-3) e 式中为材料泊松比。横向变形 将会影响图型转移精度，所以必须很好的控制 材料的压缩弹性模量 e，这就需要选择合适的材料，使 e 值在合适的范围之内。 压印脱模过程需要模具具有良好的抗拉伸、抗撕裂的能力。因此，软模具必须具 有良好的拉伸强度和撕裂强度，软模具的机械物理性能、包括拉伸强度、撕裂强度、 拉伸伸长比和硬度，都需要进行有效的控制。 在现行的软模具材料中，探讨较多的是 pdms、光敏树脂和 pmma，它们都有自 身的优势所在。pdms 是现在宏观

54、模具应用领域使用最广泛的软模具材料，有大量的 科研成果和经验可以借鉴，且其表面能极低，是做模具的理想材料。但是 pdms 硬度 低，受力后变形大；单体粘度高，在模具制作中充型能力差，需要较高真空辅助充型。 光敏树脂本体粘度低，充型容易；能够制作厚度极薄的压印模具（厚度小于 20m） ；固化速度快。但光敏树脂本身是光固化高分子材料，当应用于常温闪光压印 工艺时，固化抗蚀剂使用的紫外光源必将对光敏树脂模具产生影响。 pmma 硬度较高，又具有一定的弹性，在制作软模具时具有先天的优势。但是 pmma 属于热熔型高分子材料，在制作模具时需要加热到比较高的温度（300） ， 容易产生热变形。 以上三种类

55、型的材料分别代表双组分固化型（pdms） 、光固化型（光敏树脂）和 热熔型（pmma）高分子材料，它们都拥有各自的优势。下面对它们应用于 il 工艺中 的具体性能进行研究。 a、紫外光透过性研究、紫外光透过性研究 由于本文探讨的 il 工艺使用的抗蚀剂是紫外光固化型高 分子材料，在固化过程中必须使用紫外光源，模具材料对紫外光的吸收就成为确定模 具材料的首要因素。 利用紫外光透过性实验检测 pdms、光敏树脂和 pmma 的紫外光透过性。在实验 中将三种材料分别制作厚度为 1mm 的标准样块，使用光谱分析仪检测三种材料的紫外 光透过性。使用的紫外光源是 shg-200 高压汞灯，如图 3-4 所

56、示，参数如表 3-1 所示。 它有如下特点：紫外光采用光纤集中输出，可以有效的降低光源热量对整个系统的影 响；快门控制输出，输出光强可调；光源的稳定性高，灯的使用寿命长。其紫外光主 波峰在 365nm 处，如图 3-5a 所示。 表 2-1 紫外光源技术参数 寿命/h功耗/w外接电源uv 辐照度初始值/ mw/cm2快门 2000280ac220v,50/60hz 4000 脉冲马达驱动 图 2-8shg-200 紫外光源 图 2-9 所示为紫外光透过性实验结果，其中图 2-9a 为 shg-200 光源的直接输出相 对光强图，从图中可以看出，其最大紫外光相对光强为 12972，位于波长为 3

57、69nm 处， 此处的相对光强大于位于可见光区域（408nm）的波峰值（11199） 。 图 2-9b 所示为紫外光源透过 pdms 材料后的相对光强图，图 2-9c 所示为紫外光 源透过光敏树脂材料后的相对光强图，图 2-9d 所示为紫外光源透过 pmma 材料后的 相对光强图，它们在 369nm 波长处和 408nm 波长处的相对光强如表 2-2 所示。 从表 2-2 可以看出，pdms 对紫外光的吸收最少，且对 408nm 波长处的可见光的 吸收也很少；pmma 对紫外光和可见光的吸收较多；光敏树脂对紫外光和可见光的吸 收极强。由此可以推断，光敏树脂不适合 il 工艺。 虽然 pmma

58、对紫外光的吸收量比较大，但是由于抗蚀剂固化速度快，曝光时间短， 并且 pmma 具有比较优良的特性，因此是否使用 pmma 制作压印模具还要进行进一 步的研究。 （a）紫外光源相对光强（b）紫外光源透过 pdms 后相对光强 （c）紫外光源透过光敏树脂后相对光强 （d）紫外光源透过 pmma 后相对光强 图 2-9 紫外光透过性实验结果 表 2-2 三种材料的相对光强 名称369nm 波长处相对光强408nm 波长处相对光强 紫外光源1297211199 透过 pdms1136811092 透过光敏树脂20583172 透过 pmma81758193 b、与抗蚀剂粘连性研究、与抗蚀剂粘连性研究

59、 在 il 工艺中压印模具必须与抗蚀剂接触，模具材料与 固化后抗蚀剂之间的粘连性直接影响图型转移结果，为此对 pdms 和 pmma 进行压印 过程抗蚀剂粘连实验研究。 为了保证实验结果的可靠性，pdms 模具和 pmma 模具都采用浇铸工艺制作，并 且使用同一个图型母版，母版使用二氧化硅制作，母版表面图型为平行线，平行线的 宽度和间距均为 5m，如图 2-10a 所示。 （a）图形母版（b）使用过的 pdms 模 具 （c）使用过的 pmma 模 具 图 2-10 粘连实验结果（450） 图 2-10b 为 pdms 模具经过压印实验后表面，依然保持干净状态。图 2-10c 为 pmma 模

60、具经过压印实验后表面，可以看出有明显的抗蚀剂粘连。通过粘连实验可以 得出 pdms 对于本文所探讨的 il 工艺中使用的光固化抗蚀剂脱模性良好。而 pmma 对于实验中使用的光固化抗蚀剂具有一定的粘连性，因此不适合于本文探讨的 il 工艺。 由此选定使用 pdms 类高分子材料制作本文探讨的 il 工艺的压印模具。 2.3.2 pdms 材料的确定材料的确定 首先对 pdms 的化学构成和主要特性进行介绍，从中分析其在微纳制造领域的潜 在应用4-11。 a 化学构成化学构成 美国 dow corning 公司生产的商用双组分的 sylgrad 184 胶，是目前工业界和科学 研究中应用最为广泛