纳米压印技术

1、苏州市职业大学电子信息工程系毕业论文(设计)苏州市职业大学电子信息工程系毕业论文(设计)光学光刻在45nm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连续沿着摩尔定律快速进展。在下一代图形转移技术中 ,电子束X本钱低和工艺简洁的优点,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等。关键词:纳米压印；气压关心压印；激光关心压印；滚轴式压印AbtractTransfer of graphics is achived by oplical lithography for sev

2、eral decades in semiconductorprocess. The prodution capacity of 45 nm node has been formed. But now semiconductor industry is difficult to be developed according toMoore law because of the inherent limitations of oplical lithograhy. Nowelectron - beam directwriting, X - ray exposure and nanoimprint

3、technology are the main technologies fornext generation graphics transfer technology. Nanoimprint technology has the advantages of high yield, lowcost and simple process. Introduce the traditional nanoimprint technology and its development, includinghot embossing lithography technology, ultraviloet

4、nanoimprint,micro - contact nanoimprint.Keywords:Nanoimprintlithography ；Pressure-assistednanoimprint ；Laser-assisted nanoimprint；Roller-type nanoimprint- i - HYPERLINK l “_TOC_250016“ 第1章 绪论1第2章 纳米压印的技术方法错误！未定义书签。 HYPERLINK l “_TOC_250015“ 热塑纳米压印技术5 HYPERLINK l “_TOC_250014“ 紫外固化纳米压印技术6 HYPERLINK l

5、 “_TOC_250013“ 微接触压印技术8 HYPERLINK l “_TOC_250012“ 纳米压印技术的进展9 HYPERLINK l “_TOC_250011“ 金属薄膜直接压印技术9 HYPERLINK l “_TOC_250010“ 激光关心压印技术10 HYPERLINK l “_TOC_250009“ 滚轴式纳米压印技术11 HYPERLINK l “_TOC_250008“ 2.4.4“缩印”工艺12 HYPERLINK l “_TOC_250007“ 第3章 影响纳米压印图形精度的因素14 HYPERLINK l “_TOC_250006“ 3.1 温度14 HYPER

6、LINK l “_TOC_250005“ 3.2 压印时间14 HYPERLINK l “_TOC_250004“ 3.3 压力15 HYPERLINK l “_TOC_250003“ 模版的抗粘性15 HYPERLINK l “_TOC_250002“ 抗蚀层聚合物16 HYPERLINK l “_TOC_250001“ 第4章 纳米压印技术的产业化进展18 HYPERLINK l “_TOC_250000“ 结论20参考文献211集成电路制程长期承受光学光刻技术实现图形转移,光刻技术的进展在集成电路更换代中扮演着先导技术的角色,它直接打算了单个器件的物理尺寸。光学光刻技术受限于工艺因子、光

7、源波长和数值孔径,即知名的瑞利公式。R=K /NA 公式1-11 NA数值孔径。1g(436nm)和 、等准分子激光光源,更有承受浸润式光刻变相缩短入射波长的型浸润光刻机消灭的1.6nm效应校正、移相掩模和离轴照明等,可使工艺因子k 缩小,经过优化组合,甚至可1使k 值接近0.25nm的极限。随着半导体技术的进展,需要的光学光刻设备越来1越简洁且昂贵,而且进一步的进展解决更低加工技术节点也越来越困难。必需查找的图形转移技术才能保证半导体产业连续沿摩尔定律高速进展,在下一代图形转移技术中, 电子束与X射线曝光,聚焦离子束加工,扫描探针刻蚀制技术占有量生产的、高重复性的；对于纳米尺度的产品,还必需

8、是能够保持它所特有的图形的准确度与分辩率。针对这一挑战,美国“明尼苏达大学纳米构造试验室”从1995年开头进展了开创性的争辩,他们提出并呈现了一种叫作“纳米压印”的技术。射现象。高产量是由于它可以象光学曝光那样并行处理,同时制作成百上千个器用领域。如用于制作量子磁碟、DNA电泳芯片、GaAs光检测器、波导起偏器、硅场效应管、高密度磁构造、GaAs量子器件纳米电机系统和微波集成电路等。纳米压印技术和其他光刻技术相比优势明显(高区分率、高效益、低本钱),适合产业化批量生产,可望尽快突破几十纳米线宽IC制作的世界技术难题,具有学术和工业组织近10年的调查争辩后, 纳米压印技术被国际半导体技术蓝图机构

9、规划为下一代32nm节点光刻技术的代表之一。2 章 纳米压印的技术方法纳米压印技术最早由StephenYChou教授在1995年领先提出,这是一种不同与传统光刻技术的全图形转移技术。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。纳米压印技术是一种目前在国际上引起普遍关注的具有超高区分率的纳米光刻方法, 可以在柔性聚合物等薄膜上形成区分率小于10nm 的大面积三维人烯酸甲脂(PMMA) ,且压印前已经均匀固化在硅片上。然后加压,使模版上的微细反响离子刻蚀(RIE)将剩余层除去。这就完成了整个压印过程。传统纳米压印技术主要

10、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。热塑纳米压印技术化学性质稳定的SiC、SiNSiO ,利用电子束蚀刻技术或反响离子蚀刻技术来3 42产生图案；利用旋涂的方式在基板上涂覆光刻胶,常见的是PMMA和PS；加热至光刻胶的玻璃化转换温度(Tg)之上50100,然后加压(500kPa1 000kPa)于模板并保持温度和压力一段时间,液态光刻胶填充掩模幅员形空隙；降低温度至Tg以下后脱模,将图形从模板转移到基片上的光刻胶；承受反响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1Pa的真空环境中进展。压印过程如图2

11、-1所示。- i -图 2-1 热塑纳米压印技术工艺流程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到玻璃化温度之过程,会铺张大量的时间,不利于批量生产的需求。27kHz超声波来直接加热光刻胶至其玻璃化温度,试验中获得了宽300nm,高500nm 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、提高产量和降低本钱。还有报道称通过改进光刻胶性能,不用加热其至玻璃化温度,改型光刻胶HSQ可以在常温下加压(2451kPa)即能获得宽200nm,高100nm 的压印图案。气体关心纳米压印技术是对施压方式的改进,压印前将掩模和基板对准后固定再置于真空腔体内,再向腔体内充入惰性气体

12、加压。气体关心压印技术有两个避开了机械施压过程中承片台需要承受多自由度自适应校正的难题。紫外固化纳米压印技术紫外固化纳米压印技术由德州大学CGWillson教授提出。主要工艺过程：先SiO材质作为2600nm700nm,光刻胶要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2-2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,可以在常温下进展,气泡难以排出,会对微小构造造成缺陷。生产中经常承受紫外固化纳米压印技术和步进技术相结合,形成步进式快闪纳米压印技术,工艺过程如图2-3所示。该方法承受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移定位和驱动精度的

13、要求很高。2-2图 2-3微接触压印技术微接触压印技术有两种实现方法,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WhitesidesGMPDMS)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PDMS10s20s将衬底浸没在氰化物溶液中,氰化物使未被 SAM 单分子层掩盖的金溶解,这样就分子,实现自组装,此方法最小区分率可以到达 35nm,主要用于制造生物传感器2-4图 2-4毛细管微模版法由微接触纳米压印技术进展而来,掩模板制作的方式与微接触压印技术一样；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

14、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板转移到基板上。工艺过程如图2-5所示。图 2-5纳米压印技术的进展统技术上进展改进,如激光关心纳米压印技术、静电关心纳米压印技术、气压关心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金属薄膜直接压印技术是在SiCu、Al和Au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供给超高的压印压力,到达几百MPa。有文章称利用50 000N的高压可以在220nm厚的金属薄膜上压出73nm169nm决这个问题,在金属薄膜和基板之间参与一层缓冲层(NEB-22或SUB-8),缓冲层可2-6所示。利用

15、油压系统供给4MPa20MPa的压力,在温度为4080的范围内用模板直接压Au-聚合物薄膜,可以得到抱负的图形转移。图 2-6激光关心压印技术激光关心压印技术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层中,待固化后脱模,将图案从掩模板直接转移到基板之上。承受的准分子激光波长要能透过掩模版而能量尽量避开被吸取,掩模版常承受SiO2,据报道利用激光溶化Si基板进展压印工艺可以实现低于10nm的特征线宽,工艺流程如图2-7将图案转移到基板之上,不需要蚀刻过程,也削减了曝光和蚀刻等工艺,可以大大削减纳米压印的时间,降低生产本钱。图 1

16、-7 激光关心压印技术滚轴式纳米压印技术纳米压印技术大都是不连续的生产工艺过程,难以进展大规模和大面积的生产,为了进展量产,只有承受很大的掩模版或者是需要高对准精度和自动化操作把握难度大,为抑制这些难题,一种的连续的纳米压印技术滚轴式纳米压印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(温度到达玻璃化温度以上)的基板上,滚轴的滚动实现了压入和脱模两个步骤,如图2-8(a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把握到滚轴和光刻胶分别的区域 ,承受的基板可以是弹

17、性基板或者是如 Si样的硬基2-8(b压印都是对压印工艺中压印压力的施压环节进展改进 ,提高压力作用的均匀性,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。2-8 滚轴式压印原理“缩印”工艺早在 2022 年 YKChoi 等人就报道了一种沉积缩印 size-reductDnlithograp hy工艺，该工艺的核心也是通过参与一个沉积工序，将大线宽模板2-9图 2-92022X.L Li2-102-10电磁关心纳米压印和气压关心纳米压印都是对压印工艺中压印压力的施压环节进展改进 ,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

18、承片台自适应要求来看 ,气压关心纳米压印技术较有优势 ,但气囊施压还不能完全表达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 章 影响纳米压印图形精度的因素率和器件性能。下面对这些因素进展分析。温度间和粘度的比率随温度的变化方程为：log( /)=log( /)=(-C(T-T)/(C+(T-T公式2-1001020式中: 为聚合物的松弛时间, 为聚合物的粘度,T为确定温度；和分00别为在参考温度下 和的取值； 在温度T = Tg(聚合物的玻璃化转变温度)00时, 常数C17.44K,C51.6K。从这个方程可

19、以看出, 上升温度比增加时间更12Tgg模版和基片的温度要升至抗蚀层聚合物的玻璃态温度以上,在压力的作用下使聚系数,以避开热膨胀程度的不同而导致图形变形。压印时间L.J.Heyderman 等推导了聚合物完全转移形成压印图形所需时间的计算公式:tS2/2P1/h2-1/h2公式2-2f0f0其中t为压印时间, 为聚合物粘度,S为图形化面积,h为压印后聚合物高f0f度, hP为压力当聚合物的种类、厚度、模板的尺寸以及压0损伤模版和基片。对于我们通常用的PMMA, 它的玻璃化转变温度为105, 当压印温度从室温升到200 , 再降温到105以下, 压印时间为5 10min。压力力不均匀会使模版变形

20、, 导致压印图案变形,图案分布均匀性差；当模版为脆性H.C.Scheer等依据水流体力学推导了热压印的速度计算公式:v(t)P h3(t)/ R2eff公式2-3其中v(t) 为压印速度,h(t)为初始聚合物高度,R为模板的半径, 为聚合Peff为有效压力,即模板实际和聚合物接触局部面积所承受的压力。假设在压印过程中施加的外压为P,在聚合物没有完全填充模版的空腔时, Peff P,一旦模版空腔被全部填充, 则Peff= P。从这个方程可以看出,当聚合物的高度和聚合物的粘度以及模版的尺寸确定时,增加外压,减小接触面积,即增加有效压力可以提高压印速度。模版的抗粘性寸在10nm以下的模版其防粘层厚度

21、最好小于2nm(CrNi、Al)、含氟聚合物或长链硅烷。Cr模版本身具有很好的抗粘性, 这是由于其金属外表能低、外表张力小,对聚合物表现为疏水性和化学惰性。抗蚀层聚合物压印中抗蚀层的工作机理可简洁描述为通过加热使抗蚀层具有流淌性,经过加压使抗蚀层填充到模幅员案间隙里,再经过冷却使抗蚀层固化便可到达转印图形的目的。总之,纳米压印技术虽然类型不同,但都是利用抗蚀层为图形转印中介,使2-9为聚合物的填充过程示意图。图 2-9(a) 抱负状态下聚合物的填充过程图 3-9(b) 高分子的聚合物填充过程图3-9(a似为水分子,具有不行压缩性和很好的流淌性 ,且该分子的尺寸远远小于压印图案的最小线宽。在压力

22、作用下液态材料流入模幅员案间隙内,而多余的材料则通过残留层流入其它模幅员案间隙内或流出压印区域。并且经过冷却,固化图案材2-9(b)间隙流淌, 造成大尺寸分子链弹性变形间隙局部拱起 , 并且填充到大尺寸分子链无法填充到的地方。当热压完毕除去外力后,聚合物高分子材料将产生力学松弛现象, 如蠕变、应力松弛、滞后等。这是由于聚合物的局部形变是弹性变形,一旦脱模分别, 则弹性变形就会复原,导致压印图案变形。解决这类问题的关键印结果。4 章 纳米压印技术的产业化进展学的Martini等人报导了他们在这方面的重要进展。他们利用一种带有一对热碟和一个数字温控器的商用水压机, 成功地在4英寸的晶片上获得了均匀

23、全都的低于100nm最小尺寸的图形。他们的观看范围是: 温度: 150- 200； 压力: 20bar-120bar, 使用的复制抗蚀剂材料是50k的PMMA,(单层膜技术),获得最好结果的压力和温度条件是50bar和175键因素之一是使用低分子量的PMMA, 这种材料的粘度小,有利于材料在压制时的流淌成形。纳米图形大批量复制的成功不仅有赖于直接参与复制的聚合物材料, 高品性工作在于:在对二氧化硅底层上的PMMA进展高分辩率的电子束曝光之后, 承受纯的IPA( Isopropylic Alcohol)作显影剂并辅之以超声搅拌, 去除感光区的残渣并使图形边界清楚, 从而得到最好的后续工作(lif

24、t- off)的条件,最终获产的需要, 人们还对滚动的压印方式进展了多方面的争辩。他们的争辩包括:将底之上,然后将一个光滑的滚轴滚过模具的顶端。这些方法可到达低100n分辩率的图形转移效果。随着纳米压印技术的日趋成熟,相应的商品化纳米压印加工设备也间续推出。目前全世界已有五家公司生产纳米压印机,它们是美国的MolecularImprintsIncNanonexCorp,奥地利的EVGroup、瑞典的Obdcat AB和德国的 Suss MicroTec。其中瑞典的Obdcat AB已经销售了5台纳米压印机,并宣称已经承受了20-25台的订货。英国的格拉斯各大学和剑桥大学均已购置Obdcat AB的纳米压印机。纳米压印技术已经从试验室走向工业化生产。在应用方面,纳米压印系统有DNAGaAs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OLED平板显示阵列等。术不但可以用于大批量生产纳米尺度的数据存储器件, 如光盘, 磁盘之类, 还 有可能直接用于超大规模集成电路的生产。这将大大降低集成电路生产的本钱。媒体，小磁点可以替代今日磁记录材料的全都层，磁盘制造商Komag最近从EV得到压印技术许可，并期望扩大存储力气高于每磁盘160Gb，而EV的Luesebrink信任到2022年存储