纳米压印光刻技术的研究与发展

1、纳米压印光刻技术的研究与发展2 0 13年1 0月陕西理工学院学报(自然科学版)oct. 2013第 29 卷第 5 期jour nalofshaa nxiu nive r s ity oftechnology (naturalscienceedi t i o n ) v o 1 . 2 9 n o . 5文章编号1673-2944(2013)05-0001-05纳米压卬光刻技术的研究与发展1 , 2 12 2 2陈建刚，魏培，陈杰峰，赵知辛，何雅娟(1.西安交通大学机械工程学院，陕西西安7 1 0 0 4 9; 2陕四理工学院机械工程学院，陕四汉中7 2 3 0 0 0 )摘要介绍纳米压印光

2、刻技术的研究现状和发 展状况，分析常用的热压印(ii o t e ni b o s si n g l it hography, h e l )、紫夕卜固化压印(ult ravioletna no impi'intlithography,uv n i l )及微接触压印(m i c r o c ont a c t p r inting, u cp)三种光 刻的工艺过程。探讨纳米压印光刻方法的优缺点及影响压印图形质量的主要因素，旨在加深对纳米压 印光刻工 艺过程(模具制 作、压印过程及图形转移)深层次的理解和认识，从而解决纳米压印 光刻过程屮存在的一些关键问题，为新型纳米压印技术的研究和发

3、展提供必要的科学依据。关 键 词 纳米压印； 工艺过程； 图形质量； 关键问题中图分类号t n 3 0 5 . 7文献标识码a0引言纳米压卬光刻技术(na no imp fin tlit h o g r a p h y , n i l )是一种操作简单、图形转移性能好、加工时间 短及成本低廉的图形复制方法，采用机械模具微复型的 原理来代替传统的光学光刻，降低了对特殊曝光束源、高精度聚焦系统、极短波长透镜系统以及抗蚀 剂分辨率受光波场效应的限制和要求，该方法是由美国普林斯顿大学的华裔科学家s t e p h e n ychou等 于1 9 9 5年首先提岀，为纳米光刻技术的研究与发展提供了新思路

4、，许多知名大学和研究机构都在致力 于纳米压印光刻技术的研究、开发与应用，如哈佛大学、密西根大学、普林斯顿大学、林肯实验室、德克 萨斯大学、摩托罗拉、惠普公司、瑞士的paulschem e r研究所及德国亚琛工业大学等。近年来，西安交通 大学大机 械学院微纳米制造研究团队依托机 械制造系统工程国家重点实验室，在国家自然科学基金重大研究计划“纳米制造的基础研究”重点项目和“ 9 7 3 ”计划项目课题支持下，于国内较早开展纳米 压印技术研究，在纳米结构成形机理、工艺开发和装备集成方面取得了一系列研究成果，目前的研究将 致力于解决高分辨率压印模版制造、模版寿命保障、1 图形转移缺陷控制、多层套印精度

5、保证等核心问 题。1 纳米压印技术的基本原理和工艺纳米压印光刻是一种新型的纳米结构制作方法，该 工艺通过光刻胶的物理变形来实现图像的转移，加工的尺度突破了传统光刻的工艺极限，压印机设备工作原理如图1所示。为保证模具、基片在压卬过程中均匀受热，防止压印图案由于不均匀受热发生 变形，压印设备中设置了上下两个带加热、冷却的压收稿日期：2 0 1 3 0 12 9基金项目：国家8 6 3高技术研究发展计划资助项冃 (2011aa100507);陕西省教育厅2 0 1 1年专项科研项目（1理工学院2 0 12年校级横向项目（12sxlg425工学院刚( 1 9 7 8 ?),男，陕西省扶风县人，博士生，

6、主要研究方向为微卬盘；为减，该一定的节作保持模与基片平行的作用；通过连接球传递压力可以自动调节基片的水平位置；为保证模具与基片平行以及压印方 片垂直，在实压印机设备上安装有以单板机为控制的油自反馈校准系统；同时，高精度的卡盘和模具与基片的自动装入系统使得模具与基片可以精确定位，不产生任何水平方向的滑动；此设备具有自动退模系统，可以监控退模过程中压力 的变化，并防止出现水平方向的剪切力，这种剪切力会对压印 图案造成1油压系统，2真空腔体，损伤。为避免气泡在聚合物图案上产生缺陷，压印 机腔体要3压印盘，4加热冷却线，5压模，2 抽成真空。纳米压印光刻的工艺过程涉及到光刻胶在不同6聚合物薄膜，7基片

7、，8连接球温度、压力下的力学特性，如热压印过程中压力、温 度及时间图1 压印设备原理图关系的控制规律，如聚甲基丙烯酸甲酯（p o 1 y m e t h ylmethacry1 a t e , p m m a ）在压印前应将聚合物（p m m a ）和模具 加热至u聚合物（p m m a ）玻璃转化温度（g 1 a s s t r a n s ftemperature, g t t ）,此时聚合物具有很好的流 动性，而退模时温度应冷却(g t t )附近，在此温度下退 模可以避免对压模和聚合物薄膜的损伤，保持压强的 时间应超过最高温度的保持时间，以保证不同部位的聚合物充分填入压模图案。现有的纳

8、米压印光刻工 艺主要包括热压印(hotembossi nglithogr且phy,h e l )、紫夕卜纳米压印(ultraviole tnano imp rint lithography, uv n t l )和微接触印刷(m i c r o c o n tact p r i n t1 n g , p c p ) o11 热压印热压卬(hel)的工艺过程如图2所示，在均匀涂布热 塑性高分子光刻胶(如pmma)的硅基板，利用电子束直 写技术(elec tronbcanidircc tw'riti ng, e b d w )制 作的具有纳米图案的s i或s i 0模版。在硅基板上的光刻胶

9、加热到玻璃转 换温度2(gtt)以上，将模具以一定的压力盖在硅基板上，模具的空腔中就会填入光刻胶，再经冷却、刻蚀后处理便可得 到所需的纳米 图形。由于热压印高温、高压的工作条件，往往会 产生图形尺寸的形变误差和难于脱模的现象，要提高热压印 的图形质量，必须改变图形转移时的均匀性、降低光刻胶热 的变形效应，这项技术的代表有nanoncx、suss mier otcc以及e v g3 图2 热压卬的工艺过程等。12 紫外硕化压印光刻技术使用热压印技术进行三维结构压印时，光刻胶必须 经过高温、高压、冷却的相变化过程，压印产品图案的变 形现象往往会产生于脱模之后，为解决此问题，mbender和m .

10、otto 提出一种在室温、低压环境下利用紫外光硬化高分子 的压印光刻技术，其工艺过程如图3所示，前处理与热压印类 似，其图案模版材料必须采用能使紫外线穿透的石英（无机 矿物质，主要成分是sio,常含有少量杂质成分如a10、cao、 m g 0 等，2 2 3一般为半透明或不透明的乳白色晶体，质地坚硬）。 在硅基板涂布一层低黏度、对u v感光的液态高分子光刻胶。 在模版和基板对准完成后，将模版压入光刻胶层并且照射 紫外光使光刻胶发生聚合反应硬化成形，然后脱模、进行刻 蚀基板上残4 图3 u v压卬工艺过程留的光刻胶，即可完成整个紫外硬化压印光刻的工艺过程。2 ?第5期陈建刚，魏培，陈杰峰，等 纳

11、米压印光刻技术的研究与发展13 微接触压印光亥0 ( m i c r o c on tact nil)微接触压卬光亥i是由w h i t e s i d e s等人于1 9 9 3年 提出的。具体的工艺如图4所示，采用硅片制作基 板，将液态的聚二甲基硅氧烷(polydimeth ylsi1 o x a n e ,p d m s )涂于其上，当p d m s凝结成弹性固体时，可以 将其揭下作为模板，将表面涂有硫醇试剂的模板压 在带有金属表面的硅片基板上，由于硫醇与金的表面 起反应形成一层高度有序的薄膜称为自组装单层(se1 fassembled monolayer, sam),即可复制模板上 的

12、图案并对其做后续处理。此方法可进行5 0 n m结构的复图4 微接触压印光刻工艺过程制工作，有效降低压印成本，提高工作效率，特别是 “ 一版多卬”，即用一个模板乂可以完成多次印刷， 这是微接触印刷法优势所在。常见纳米压印工艺过程性能参数如表1所示，由表1 可知分辨率最高的是热压印。由于热压印形变误差及脱模难，一种激光辅助压印技术(l a s c r a ssisteddirectlmprint, l a d i ）被 stephenc h o u提出，其结构复制采用准分子激光照射硅板，时间非常短， 只需纳秒级即可完成，有效避免热压印的形变误差，此6 方法也为大面积压卬提供了新思路，l a d

13、i被该行业 认为最具前景的纳米压印技术。表1 常见纳米压印工艺过程项s执 八、压印紫外硬化压印微接触压印模具材料硬质模具透紫外光硬质模具软模具最小尺寸5 n m1 0 nm 6 0n m模具成本高低低施压方式高中低压印温度玻璃化温度室温室温压印过程直接压紫外曝光s a m0组装多次压印好好差2 纳米压印光刻的关键技术21 图形复制工艺7 影响纳米图形复制成功的主要因素是聚合物材料和高品质的高分辩率的印章模具。研究人员在制作高品质的高密度模具方面进行了成功的尝 试。如微流道模具的制作工艺：第1步，微流道掩模板的制作，根据设计要求，首先 通过在高洁净度、高平整度的石英玻璃上，镀上一层铭，铭上再覆盖

14、一层防反射物质，最上面涂覆一层感光胶；再由图形发生器通过选择性曝光在路版的感光胶上形成所需图形，通过显影、腐蚀、去胶完 成微流道掩模板的制作；第2步，清洗硅片基板，根据设计要求，采用浙江立晶有限公司2寸单面抛光硅片为模具的基板，用丙酮对硅片表而进行清洗，再使用kh 3 2 0 0 db数控超 声波机对硅片进行超声处理，超声波的声能传入溶液，靠气蚀作用洗掉片子上的污染，要除去小于1u m颗粒可将频率提高到超高频频段，清洗效果更好，最后经等离子水清洗后，采用压缩空气吹干，清 洗硅片基板目的在于增加圆片衬底与光刻胶的粘附性；第3步，在硅片上滩涂s u 8 2 0 2 5光亥i胶，光刻胶采 用的是美国

15、m icrolithographychemica 1公司的s u 8 2 0 2 5,光刻胶旋转涂布的方法通常适用于300p ni以下的厚度，本微流道的设计厚度为400 m m ,旋转涂胶的工艺方法不能实现，可以采用滩涂的方法，借助s u 8 2 0 2 5光刻胶自身的整平能力获得满意平整表面的胶膜第4步，前烘su 8 2 0 2 5光刻胶，前烘时，使用的设备 为e h 2 0 1 3微控数字显示烘胶台，将滩涂过su 8 2 0 2 5光刻胶的硅片基板移到烘胶台上，采用阶 梯式的升温和自然降温冷却的过程，即6 5 °时停留3 0 m in, 9 5 °时停留4 h ,随后让

16、硅片基板自然冷却 即可；3 ?陕西理工学院学报（自然科学版）第2 9卷第5步，光刻，使用美国a b m , inc.公司的双面激光 对准光刻机对硅片基板上的s u 8 2 0 2 5光刻胶进行曝光，根据设计要求，本次曝光时间为4 0 0 s,此 时，光刻胶屮的光引发剂吸收光子发生了光化学反应，生成一种强酸，其作用是在中烘过程中作为酸催化 剂促进交联反应的发生；第6步，中烘曝光后的su 8 2 0 2 5光刻胶，中烘时，使 用的设备为e h 2 0 1 3微控数字显示烘胶台，采用阶梯式的升温和自然降温冷却的方法，在6 5 °时 停留2 0 m i n，在9 5 °时停留2 h

17、 ,随后让硅片基板在rh20 1 3微控数字显示烘胶台自然冷却至室温即可；第7步，显影，将中烘后的s u 8 2 0 2 5光刻胶硅片基板浸泡于s u 8显影液中，并保持2 0 m in,由于光刻后在su 8 2 0 2 5中产生一种强酸，而且只有曝光区域的光刻胶中才含有强酸，而未曝光的区域则没有这种强酸的存在，在 中烘过程中，曝光区域在强酸 的催化作用下，分子发牛交联，形成了致密的不溶于su8显影液的交联网络，而未经曝光的区域，光刻胶 未发生交联，则溶于显影液中，因此显影后形成了掩膜板的上图形；第8步，再次滩涂s u 8 2 0 2 5光刻胶并前烘；第9步，微流道的套刻；第1 0步，对微流道

18、再次后烘并显影；第11步，采用共聚焦激光显微镜进行微流道模具检测，图5为s u 8 2 0 2 5微流道模具的测量结果，将测量的数据与设计要求的数据进行对比，确定微 流道模具的制作工艺的合理性。22 压印光刻后处理工艺湿法腐蚀工艺是最早用于微机械结构制造的后处理 工9 艺方法，湿法腐蚀是将晶片置于液态的化学腐蚀液 中进行腐蚀，在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触的材 料通过化学反应逐步浸蚀溶掉。根据所选择的腐蚀剂，湿法 腐蚀乂可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀剂，各向同性 腐蚀的试剂范围很广，如各种盐类（如c n基、n ii基等）和 酸；各向异性腐蚀是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速 率，基于这种腐

19、蚀特性，可在硅衬底上加工岀各种各样的微 结构，各向异性腐蚀剂包括e p w （乙二胺、邻苯二酚和水）和 联胺等有机腐蚀剂和碱性腐蚀液，如k 0 ii、na oil > n ii 0 ii等 无机4图5 s u 8 2 0 2 5微流道模具腐蚀剂，湿法的腐蚀速率快、各向异性好、成木低， 腐蚀厚度10可以达到整个硅片的厚度，具有较高的机械灵敏 度。2 纳米压印光刻技术的发展目前全世界已有5家纳米压印光刻设备提供商，它 们是美国的 m olecularlmprintslnc ，nanonecorp,奥地利的e v g r o u p ,瑞典的0 bducatab和德国的sussmicrotec

20、co. , inc.。尽管纳米压印光 刻技术从原理上回避了昂贵的投影镜组和光学系统固有的 物理限制，但因其属于接触式图形转移过程，又衍生了许多新的技术问题，其中1 : 1压印模具的制作、套印精度、模具的使用寿命、生产率和缺陷控制被认11为是当前最大的技术挑战。现在纳米压印的发展主要表现在以下三方面：12(1 )超大规模集成电路图形化纳米压印光刻。针对 纳米压印光刻成为下一代光刻技术的前景，研发其工业化的核心工艺技术和装备关键技术。目的该领域研究人员正致力于解决高分辨率压印模版制造、模版寿命保障图形转移缺陷控制、多层套印精度保证等核心问题。(2)将纳米压印技术引入聚合物太阳能电池的制备,通过异质

21、节结构的纳米图形化，提高光电转换效率。将纳米晶、纳米线等纳米结构引入有机无机 复合太阳能电池制造，实现其机械柔性和高光电转换效率。该领域研究人员期望在目前常规的硅系太 阳能电池之外，探索新一代太阳能电池的结构和大规模制造技术。4 ?第5期陈建刚，魏培，陈杰峰，等 纳米压印光刻技术的研究与发展(3 )将微结构图形化技术和碳纳米管牛长技术相结 合，探索新型场发射显示技术。将纳米结构成形技术应用于平板显示技术(surface conduct ion el e c t r on emitterdisplay, s e d )显示器阴 极结构的制造。相关研究将面向下一代(后等离子体显示器时代和 后液晶显

22、示器时代)的显示器，期待发展创新的制造工艺方法和装备实现技术。3 总结(1 )通过对纳米压印光刻技术的基本原理和工艺过 程的研究，明确了纳米压印设备的基木结构和压印的具体操作过程，有助于研究人员通过压印设 备的调试和改造，从而实现更小尺寸图形转移，同时纳米压印光刻由于避免了传统的光学光刻技术存在 光学衍射限制，使得图形的复制能力大大提高，最小特征尺寸可达5nm,提高纳米压印光刻产品的质量。 (2 )通过对常见的三种纳米压印工艺过程的研究，分析其各自加工工艺的优缺点，以便更好地发挥纳米压 印光刻技术的优势，提高压印产品的加工效率，降低压卬产品的成木如u v n i l具有步进图形转移功能，更适合

23、3 2 n m及一下工艺半导体制造。(3 )根据摩尔(m o o t c )定律，高价值的微器件和微 系统将是纳米压卬技术的发展方向，主要表现在两个方面：以模拟射频通讯、无源器件、集成光电子 器件、传感器制动器及生物芯片等为应用领域的多功能的封装系统(s ystem in p a ck ；age, s t p )和以逻辑单元、存储器、c pu及cmos等.为应用领域的片系统(systemo nc h ip , s 0 c ) o参考文献1 刘红忠，t玉成，卢秉恒，等压印工作台的纳米级自找准定位研究j 西安交通大学学报：自然科学版,2 0 0 3,37(5) : 46 74 7(2 张鸿海,胡晓

24、峰，范细秋，等纳米压印光刻技术的研究j .华中科技大学学报：:11然科学版，2 (3 04,3 21 (1 2 ) : 5 759 .3 丁玉成,刘红忠，卢秉恒等.下一代光刻技术? ? ?压印光刻j 机械工程学报,2 0 0 7,43 (3 :):17 .4 兰红波，丁玉成，刘红忠，等纳米压印光刻模 具制作技术研究进展及其发展趋势j 机械工程学 报，2009,45(6):11 35 jarre ttjdumond, kambizansarimah a b a d i , yewsokyee, e t a 1 ilighresol utionu v r o 1 1 t o rol lnanoim

25、printingofresinm o u 1 d s a ndsubsequentrepl i c a t i onv iat hcrmalnanoimprintl it hography j - nano technology, 2012, 23 (48) : 110.6 y u x i , p h a m j on a t h a nt, s u b r a m a nich andramouleeswaran, et a 1 . directpa ttern ingofeng i neeredlonicgol d n a noparticlesvianano imprintlithogr

26、aphyj.a dvanced materials, 2 0 1 2, 2 4 ( 4 7 ) : 6 3 3 0 6 3 3 4 7moonenpieterf, vratzovboris,smaa1wi1jantt,e tai. flexiblethin f i1 mtransistorsusingmultistepuvnanoimprintl 1thography j . organicelcc tronics, 2 0 12, 13(12) :3004 3 0 1 3.nsai2is1or4-00fe7md1anc+a2on1ro00iisrcihnocsi1.isr4-chroygyr

27、2aoph2yyii2j2ijsyzs5fhsggooo48no5pnogpmooos2onoonnops2wnsng2s11 l i w e n di, w u w c i , w i 1 1 i a m s r o b c r t stanley, e t a 1 . combinedhel iumionbeama n dnano impr inti i thographyatta ins4nmhalf pit c h d cn s e p a ttcrnsj j ournal ofvacuumscience & technology, 2 0 1 2, 3 0 ( 6 ): 1 412 parkhyunha, limhyungjun, l e e s u n g h w i , e t a 1 . f a b r i c a t i ono