纳米压印技术进展及应用_图文

1、纳米压印技术进展及应用罗康段智勇(郑州大学,河南郑州450001摘要:半导体加工几十年里一直采用光学光刻技术实现图形转移,最先进的浸润式光学光刻在45n m节点已经形成产能,然而,由于光学光刻技术固有的限制,已难以满足半导体产业继续沿着摩尔定律快速发展。在下一代图形转移技术中,电子束直写、X射线曝光和纳米压印技术占有重要地位。其中纳米压印技术具有产量高、成本低和工艺简单的优点,是纳米尺寸电子器件的重要制作技术。介绍了传统纳米压印技术以及纳米压印技术的新进展,如热塑纳米压印技术、紫外固化纳米压印技术、微接触纳米压印技术、气压辅助纳米压印技术、激光辅助压印技术、静电辅助纳米压印技术、超声辅助纳米压

2、印技术和滚轴式纳米压印技术等。关键词:纳米压印;气压辅助压印;激光辅助压印;滚轴式压印中图分类号:T N29文献标识码:A文章编号:1001-3474(200905-0253-05 N a n o i m p r i n t T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n sL U O K a n g,D U A NZ h i-y o n g(Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u450001,C h i n aA b s t r a c t:T r a n s f e r o

3、 f g r a p h i c s i s a c h i v e d b y o p l i c a l l i t h o g r a p h y f o r s e v e r a l d e c a d e s i n s e m i c o n d u c t o r p r o c e s s.T h e p r o d u t i o n c a p a c i t y o f45n mn o d e h a s b e e n f o r m e d.B u t n o ws e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y i s d i f

4、f i-c u l t t o b e d e v e l o p e d a c c o r d i n g t o M o o r e l a wb e c a u s e o f t h e i n h e r e n t l i m i t a t i o n s o f o p l i c a l l i t h o g r a h y.N o w e l e c t r o n-b e a md i r e c t w r i t i n g,X-r a y e x p o s u r e a n d n a n o i m p r i n t t e c h n o l o g

5、y a r e t h e m a i n t e c h n o l o g i e s f o r n e x t g e n e r a t i o n g r a p h i c s t r a n s f e r t e c h n o l o g y.N a n o i m p r i n t t e c h n o l o g y h a s t h e a d v a n t a g e s o f h i g h y i e l d,l o w c o s t a n d s i m p l e p r o c e s s.I n t r o d u c e t h e t

6、r a d i t i o n a l n a n o i m p r i n t t e c h n o l o g y a n di t s d e v e l o p m e n t,i n c l u d i n g h o t e m b o s s i n g l i t h o g r a p h y t e c h n o l o g y,u l t r a v i l o e t n a n o i m p r i n t,m i c r o-c o n t a c t n a n o i m p r i n t,p r e s s u r e-a s-s i t e d n

7、 a n o i m p r i n t,l a s e r-a s s i s t e dn a n o i m p r i n t,e l e c t r o s t a t i c-a s s i s t e dn a n o i m p r i n t,u l t r a s o u n d-a s s i s t e d n a n o i m p r i n t a n d r o l l e r-t y p e n a n o i m p r i n t t e c h n o l g o y.K e y w o r d s:N a n o i m p r i n t l i t

8、 h o g r a p h y;P r e s s u r e-a s s i s t e d n a n o i m p r i n t;L a s e r-a s s i s t e d n a n o i m p r i n t; R o l l e r-t y p e n a n o i m p r i n tD o c u m e n t C o d e:AA r t i c l e I D:1001-3474(200905-0253-05集成电路制程长期采用光学光刻技术实现图形转移,光刻技术的发展在集成电路更新换代中扮演着先导技术的角色,它直接决定了单个器件的物理尺寸。光学光刻技

9、术受限于工艺因子、光源波长和数值孔径,即著名的瑞利公式。R=k1N A(1式中:k1工艺因子;入射光的最小波长;N A数值孔径。基金项目:河南省教育厅自然科学基金项目(项目编号:N O.2009A140008。作者简介:罗康(1985-,男,硕士,主要从事纳米压印技术的研究工作。253第30卷第5期2009年9月电子工艺技术E l e c t r o n i c s P r o c e s s T e c h n o l o g y据此,可以从此三个方面提高光学光刻的分辨率。光源从早期的g (436n m 和i (365n m 谱线光源到K r F (远紫外线248n m 、A r F (深紫

10、外线193n m 和F 2(157n m 等准分子激光光源,更有采用浸润式光刻变相缩短入射波长的新型浸润光刻机出现,且已经在45n m 节点工艺形成产能。数值孔径从早期的0.28n m 提高到最新报道的1.6n m ,但数值孔径也不宜过大,因成像景深随数值孔径的减小呈平方减小,数值孔径过大,景深会大幅度减小。通过改善照明条件和改进掩模设计,如光学临近效应校正、移相掩模和离轴照明等,可使工艺因子k 1缩小,经过优化组合,甚至可使k 1值接近0.25n m 的极限。随着半导体技术的发展,需要的光学光刻设备越来越复杂且昂贵,而且进一步的发展解决更低加工技术节点也越来越困难。必须寻找新的图形转移技术才

11、能保证半导体产业继续沿摩尔定律高速发展,在下一代图形转移技术中,纳米压印技术、电子束直写技术和X 射线曝光技术占有重要位置,而且近年都取得了重大技术进步。1纳米压印技术纳米压印技术最早由S t e p h e nY C h o u 教授在1995年率先提出1,这是一种不同与传统光刻技术的全新图形转移技术。纳米压印技术的定义为:不使用光线或者辐照使光刻胶感光成形,而是直接在硅衬底或者其它衬底上利用物理学的机理构造纳米尺寸图形。传统纳米压印技术主要有三种:热塑纳米压印技术、紫外固化压印技术和微接触纳米压印技术。热塑纳米压印技术主要的工艺流程2:制备高精度掩模板,一般采用硬度大和化学性质稳定的S i

12、 C 、S i 3N 4、S i O 2,利用电子束蚀刻技术或反应离子蚀刻技术来产生图案;利用旋涂的方式在基板上涂覆光刻胶,常见的是P M M A 和P S ;加热至光刻胶的玻璃化转换温度(T g 之上50100,然后加压(500k P a 1000k P a 于模板并保持温度和压力一段时间,液态光刻胶填充掩模版图形空隙;降低温度至T g 以下后脱模,将图形从模板转移到基片上的光刻胶;采用反应离子刻蚀去除残留光刻胶,就将图形转移到基板上。为了减小空气气泡对转移图案质量的影响,整个工艺过程都要在小于1P a 的真空环境中进行。压印过程如图1所示。热塑纳米压印技术一个最主要的特点是需要将光刻胶加热

13、到玻璃化温度之上,常采用加热板加热, 此方法在加热的过程中会造成热量的散失;加热和降温的过程,会浪费大量的时间,不利于批量生产的需求。中国台湾清华大学提出一种改进方法3:利用频率27k H z 超声波来直接加热光刻胶至其玻璃化温度,实验中获得了宽300n m ,高500n m 的柱阵,这种改进可以将加热降温的过程缩短至几秒钟,有利于降低功耗、提高产量和降低成本。还有报道称通过改进光刻胶性能4,不用加热其至玻璃化温度,改型光刻胶H S Q 可以在常温下加压(2451k P a 即能获得宽200n m ,高100n m 的压印图案。气体辅助纳米压印技术是对施压方式的改进5,压印前将掩模和基板对准后

14、固定再置于真空腔体内,再向腔体内充入惰性气体加压。气体辅助压印技术有两个优点:一是真空环境可以使光刻胶中的气体顺利排出,减少光刻胶中气泡对图形质量的影响。二是利用气体施压压力均匀,压力的大小可以用进气量的多少控制,避免了机械施压过程中承片台需要采用多自由度自适应校正的难题。图1热塑纳米压印技术工艺流程紫外固化纳米压印技术由德州大学CGW i l l -s o n 教授提出。主要工艺过程6:先制备高精度掩模板,而且要求掩模板对紫外光是透明的,一般采用S i O 2材质作为掩模版;在基板上旋涂一层液态光刻胶,光刻胶的厚度为600n m700n m ,光刻胶要求黏度低,对紫外光敏感;利用较低压力将模

15、板压在光刻胶之上,液态光刻胶填满模板空隙,从模板背面用紫外光照射,紫外光使光刻胶固化;脱模后用反应离子蚀刻方式除去残留光刻胶,将图案从模板转移到基板上。压印过程如图2所示。紫外固化纳米压印技术与热塑压印技术相比不需要加热,可以在常温下进行,避免了热膨胀因素,也缩短了压印的时间;掩模板透明,易于实现层与层之间对准,层与层之间的对准精度可以达到50n m ,适合半导体产业的要求。但紫外固化纳米压印技术设备昂贵,对工艺和环境的要求也非常高;没有加热的过程,光刻胶中的气泡难以排出,会对细微结构造成缺陷。生产中常254电子工艺技术第30卷第5期常采用紫外固化纳米压印技术和步进技术相结合,形成步进式快闪纳

16、米压印技术7,工艺过程如图3所示。该方法采用小模板分步压印紫外固化的方式,大大提高了在基板上大面积压印转移的能力,降低了掩模板制造成本,也降低了采用大掩模板带来的误差。但此方法对位移定位和驱动精度的要求很高。微接触压印技术8有两种实现方法,分别为微接触纳米压印技术和毛细管微模版法。微接触纳米压印技术由哈佛大学的W h i t e s i d e s GM 等人提出,工艺过程:用光学或电子束光刻技术制得掩模板,用一种高分子材料(一般是P D M S 在掩模版中固化脱模后得到微接触压印所需的模板;将模板浸没到含硫醇的试剂中;再将P D M S 模板压在镀金的衬底上10s 20s 后移开,硫醇会与金

17、反应生成自组装的单分子层S A M ,将图形由模板转移到衬底上。后续处理工艺有两种:一种是湿法蚀刻,将衬底浸没在氰化物溶液中,氰化物使未被S A M 单分子层覆盖的金溶解,这样就实现了图案的转移;另一种是通过金膜上自组装的硫醇单分子层来链接某些有机分子,实现自组装,此方法最小分辨率可以达到35n m ,主要用于制造生物传感器和表面性质研究等方面。压印过程如图4所示。毛细管微模版法9由微接触纳米压印技术发展而来,掩模板制作的方式与微接触压印技术相同; 模板放置在基板之上,将液态的聚合物(一般为聚甲基丙烯酸滴在模板旁边,由于虹吸作用,聚合物将填充模板的空腔;聚合物固化后脱模,再经过蚀刻就将图案从模

18、板转移到基板上。工艺过程如图5所示。2纳米压印技术的新发展在纳米压印技术的发展历程中,近年出现了一些新的实现方法,或者是在传统技术上进行改进,如激光辅助纳米压印技术、静电辅助纳米压印技术、气压辅助纳米压印技术、金属薄膜直接压印技术、超声波辅助熔融纳米压印技术、弹性掩模版压印技术和滚轴式纳米压印技术等。金属薄膜直接压印技术是在S i 基板上利用离子束溅射技术产生一层C u 、A l 和A u 等金属薄膜,直接用超高压在金属薄膜上压印出图案。此工艺需要油压系统提供超高的压印压力,达到几百M P a 。有文章称利用50000N 的高压可以在220n m 厚的金属薄膜上压出73n m169n m 的压

19、痕10。如此高压有可能会将基板压坏,为了解决这个问题,在金属薄膜和基板之间加入一层缓冲层(N E B-22或S U B -811,缓冲层可以使压力减少为原来的1%,只需要2M P a 40M P a 。同时使用尖锐的掩模板,以增强对薄膜的压力,如图6所示。利用油压系统提供4M P a 20M P a 的压力,在温度为4080的范围内用模板直接压A u -聚合物薄膜,可以得到理想的图形转移。激光辅助压印技术12就是用高能准分子激光透过掩模版直接熔融基板,在基板上形成一层熔融层,该熔融层取代传统光刻胶,然后将模板压入熔融2552009年9月罗康等:纳米压印技术进展及应用层中,待固化后脱模,将图案从

20、掩模板直接转移到基板之上。采用的准分子激光波长要能透过掩模版而能量尽量避免被吸收,掩模版常采用S i O 2,据报道利用激光融化S i 基板进行压印工艺可以实现低于10n m 的特征线宽,工艺流程如图7所示。因为是直接将图案转移到基板之上,不需要蚀刻过程,也减少了曝光和蚀刻等工艺,可以大大减少纳米压印的时间,降低生产成本 。纳米压印技术大都是不连续的生产工艺过程,难以进行大规模和大面积的生产,为了进行量产,只有采用很大的掩模版或者是需要高对准精度和自动化操作的步进紫外固化技术。大掩模版加工困难,且易损坏;步进快闪技术工艺环节多,控制难度大,为克服这些难题,一种新的连续的纳米压印技术滚轴式纳米压

21、印技术13得以出现。滚轴式纳米压印技术有连续压印、产量高、成本低和系统组成简单等特点。有两种实现工艺:一种是将掩模版直接制作到滚轴上,可以通过直接在金属滚轴上刻蚀或者利用弹性掩模套在滚轴上实现,滚轴的转动将图形连续地压入已旋涂好光刻胶(温度达到玻璃化温度以上的基板上,滚轴的滚动实现了压入和脱模两个步骤,如图8(a 所示。还可以是在弹性掩模版上利用滚轴滚动施压,但均匀性难以保证;另一工艺是将滚轴式压印技术和紫外压印技术相结合,紫外固化纳米压印技术光刻胶本身就是液态,紫外光固化可以将紫外光束很好地控制到滚轴和光刻胶分离的区域,采用的基板可以是弹性基板或者是如S i 样的硬基板。其弹性基板的工艺流程

22、如图8(b 所示 。图8滚轴式压印原理电磁辅助纳米压印14和气压辅助纳米压印都是对压印工艺中压印压力的施压环节进行改进,提高压力作用的均匀性,延长掩模版的使用寿命,从压力作用分布和承片台自适应要求来看,气压辅助纳米压印技术较有优势,但气囊施压还不能完全体现气体施压压力均匀的特点,气体直接接触掩模版和光刻胶,也还需要考虑气流对系统对准、光刻胶气泡和气压作用方式等多方面的问题。3国内纳米压印技术研究现状及应用国内也有很多科研单位从事纳米压印技术研究和应用,台湾清华大学利用超声波辅助对热塑纳米压印作了重大改进。西安交通大学自己建立了一套压印系统,采用弹性掩模、紫外固化技术和六自由度自适应承片台。中科

23、院电工研究所设计了一套气囊气缸式压印系统,利用气囊充气解决压力施压和承片台自适应问题。上海交通大学设计建立了真空负压紫外固化纳米压印系统15。华中科技大学也设计了一套热塑纳米压印系统。目前全球已有五家商业公司提供纳米压印机,包括美国的M o l e c u l a r I m -p r i n t s I n c 和N a n o n e x C o r p、奥地利的E VG r o u p 、瑞典的O b d c a t A B 和德国的S u s s M i c r o T e c 。在应用方面,纳米压印系统有着广泛的应用领域,如量子磁碟、D N A 电泳芯片、生物细胞培养膜、G a A

24、s 光检测器、波导起偏器、硅场效应管、纳米机电系统、微波集成电路、亚波长器件、纳米电子器件、纳米集成电路、量子存储器件、光子晶体阵列和O L E D 平板显示阵列等。纳米压印技术正逐渐成为微纳加工技术的一种重要方式。256电子工艺技术第30卷第5期参考文献:1S t e p h e n YC h o u,P e t e r RK r a u s s,P r e s t o n J R e n s t r o m.I m-p r i n t o f S u b-25n m v i a s a n dt r e n c h e s i np o l y m e r sJ.A p p l i e d

25、 p h y s i c s l e t t e r s,1995,67(21:3114-3116.2S t e p h e n YC h o u,P e t e r RK r a u s s,P r e s t o n J R e n s t r o m.I m-p r i n t L i t h o g r a p h yw i t h25-N a n o m e t e r R e s o l u t i o nJ.S c i e n c e,1996,272:5258:85-87.3C h i e n-H u n gL i n,R o n g-s h u n C h e n,C h i

26、 e n-C h a n g S u n.U l t r a s o n i c s f o r N a n o i m p r i n t L i t h o g r a p h yC.P r o c e e d i n g so f20055t hI E E Ec o n f e r e n c e o nn a n o t e c h n o l o g y,2005. 4I g a k uY,m a t s u i S,I s h i g a k i H e t a l.R o o m t e m p e r a t u r en a n o i m p r i n t t e c h

27、 n o l o g yC.M i c r o p r o c e s s e sa n dn a n o-t e c h n o l o g y c o n f e r e n c e,S h i m a n e,J a p a n,2001:106-107.5H e G a o,H u a T a n,e i Z h a n ge t a l.A i r c u s h i o np r e s s f o re x c e l l e n t U n if o r m i t y,H ig hY i e l d,a n dF a s t N a n o i m p r i n tA c

28、r o s s a100m m F i e l dJ.N a n o l e t t e r s.2006,6(11:2438-2441.6X i aY,Wh i t e s i d e s,A n n uG M.S o f t l i t h o g r a p h yJ.R e vM a t e r S c i,1998,28:153-184.7C o l b u r nM,J o h n s o nS,D a m l e Se t a l.S t e pa n df l a s hi m-p r i n t l i t h o g r a p h y:a n e wa p p r o a

29、 c h t o h i g h-r e s o l u t i o np a t-t e r n i n gJ.P r o c e e d i n g S P I E,1999:379-389.8X i a Y,K i m E,M r k s i c hM e t a l.M i c r o c o n t a c t p r i n t i n g o fa l k a n e t h i o l s o n c o p p e r a n d i t s a p p l i c a t i o ni n m i c r o f ab r ic a-t i o nJ.GM C h e m

30、M a t,1996:601-603.9Wi l b u r J L,K u m a r A,B i e b u y c kH A e t a l.M i c r o c o n t a c tp r i n t i n go f s e l f-a s s e m b l e dm o n o l a y e r s:A p p l i c a t i o n s i nm i c r o f a b r i c a t i o nJ.N a n o t e c h n o l o g y,1996(7:452-457.10Y a o CH,WuCL,S u n g CK.E f f e c

31、 t o f t h i nf i l m p r o p e r-t i e s o nm a t a l l i cp a t t e r nf o r m a t i o nb y d i r e c t n a n o i m p r i n tJ.J o u r n a l o f m a t e r i a l sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y,2008:765-769.11C h e nH L,C h u a n gSY,C h e n gH C.D i r e c t p a t t e r n i n gm e t a l f l

32、 i m s b yn a n o i m p r i n t l i t h o g r a p h yw i t hl o w-t e m-p e r a t u r e a n dl o w-p r e s s u r eJ.M i c r o e l e c t r o n i cE n g i-n e e r i n g,2006,83:893-896.12S t e p h e n YC h o u,C h r i s K e i m e l,J i a n G u.U l t r a f a s t a n d d i-r e c t i m p r i n to fn a n

33、o s t r u c t u r ei n s i l i c o nJ.N a t u r e,2002,417:835-837.13S h u h u a i L a n,H y e j i nL e e,J u nN i e t a l.S u r v e yo nr o l l e r-t y p e n a n o i m p r i n t l i t h o g r a p h y(R N I Lp r o c e s sC.I n-t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo ns m a r t m a n u f a c t u r

34、 i n ga p p l i c a-t i o n,G y e o n g g i-d o,K o r e a,2008.14H o c h e n g H,We n T-T.E l e c t r o m a g n e t i c f o r c e-a s s i s t e di m p r i n t t e c h n o l o g yf o r f a b r i c a t i o no f s u b m i c r o n-s t r u c-t u r eJ.M i c r o e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g,200

35、8,85:1652-1657.15孙洪文,刘景全,陈迪.低温纳米压印技术制备微纳图案的研究J.电子工艺技术,2009,29(6:314-316.收稿日期:2009-07-16(上接第252页参考文献:1B a s a r a n C,D e s a i c S,K u n d uT.T h e r m a l m e c h a n i c a l f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s of p r o b l e m s i n e l e c t r o n i c p a c k ag i n g u s i n gt h e d i s t

36、u r b e ds t a t e c o n c e p t:P a r tJ.A S M Ej o u r-n a l o f e l e c t r o n i c p a c k a g i n g,1998,120(2:41-53. 2赵秀娟.微电子封装与组装互连软钎焊焊点形态优化设计D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2000.3H o n gB o r z e n.F i n i t ee l e m e n t m o d e l i n g o f t h e r m a l f a t i g u ea n d d a m a g e o f s o l d e r j o i

37、n t s i na c e r a m i cb a l l g r i da r r a yp a c k a g eJ.J o u r n a l o fe l e c t r o n i c m a t e r i a l s,1997,26(7:814-820.4Wa n gC h u nq i n g.M e c h a n i c a l s t r e n g t ha n a l y s i so f S M Ts o l d e r j o i n t s b y f i n i t e e l e m e n t m e t h o dJ.We l d i n g j o u r-n a l,1997,76(2:67-69.5杨敏,绉增大.气孔缺陷位置对S M T焊点热疲劳寿命影响的数值分析J.中国机械工程,2003,14(8:708-711.6B a r t V a n d e v e l d e,E r i cB e y n e.S o l d e r p a r a m e t e r s e n s i t i v i t yf o r C S Pl i f e-t i m ep r e d i c t i o nu s i n gs i m