mems在光刻光刻中的应用

mems在光刻光刻中的应用

微电机械系统（sss）由微传感器、微型计算机和微执行器组成。它的特点是它可以像微型技术那样大量生产，并具有降低成本的特点。在过去的二十几年里,MEMS技术得到了很大的发展并且部分产品已成功地得到了商业化,如气体传感器、喷墨打印机头、汽车安全气囊等。当前,纳米技术还主要存在于研发实验室里,但MEMS研发和产品技术的转变可加速和激励纳米加工方法的发展。从微电子的历史可以看出,光学曝光工具的成本呈指数增长。在光学光刻中,通过减少特征尺寸得到高的产量。其最小特征尺寸F=(k1)(λ)/NA,这里λ是曝光波长,NA是光学光刻工具中透镜系统的数值孔径,k1是与工艺有关的项。通过不断减少曝光波长,F值被减小。光学光刻现在采用深紫外光,然而随着波长的减小,出现了许多新的和重要的技术难题,如分辨率及材料的选择。在下一代光刻技术中,电子束光刻已被证明有非常高的分辨率,但其生产效率太低;X线光刻虽然可以具备高产率,但X线光刻的工具相当昂贵。光学光刻成本和复杂的趋势及下一代光刻技术难以在短期内实现产业化激发人们去研发一种非光学的、廉价的且工艺简便的纳米技术,即纳米压印技术(NIL)。纳米压印技术是华裔科学家美国普林斯顿大学周郁在20世纪1995年首先提出的。目前,这项技术最先进的程度已达到5nm以下的水平。纳米压印技术主要包括热压印(HEL)、紫外压印(UV-NIL)(包括步进-闪光压印(S-FIL))、微接触印刷(μCP)。纳米压印是加工聚合物结构的最常用方法,它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图案制在印章上,然后用预先图案化的印章使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图案。在热压工艺中,结构图案转移到被加热软化的聚合物后,通过冷却到聚合物玻璃化温度以下固化,而在紫外压印工艺中是通过紫外光聚合来固化的。微接触印刷通常指将墨材料转移到图案化的金属基表面上,再进行刻蚀的工艺。在纳米压印中,相当昂贵的光刻只需被用一次以制造可靠的印章,印章就可以用于大量生产成百上千的复制品。该法的显著优点是速度快、环节少、成本低。因此尽管大多数纳米技术的应用还在研发阶段,它有望在如下领域中获得应用:药物供给系统、生物MEMS、染色体组、光子学、磁学、化学、生物传感器、射频元件和电子学等。1纳米压力缓冲材料的制备1.1印刷技术及印表材料在纳米压印中,印章有时也称为模具。印章的制备非常重要,因为印章上的图形质量决定了纳米压印能够达到的转移到聚合物上的图形质量,印章上的分辨率决定了聚合物上图案的分辨率。印章的制备可以采用多种方式实现,常用的有电子束、极紫外光、聚焦离子束或反应离子刻蚀等,也可采用传统的机械刻划形成。常用的印章材料有硅/二氧化硅、镍、石英玻璃印章(硬模)和聚二甲基硅氧烷PDMS印章(软模)。在压印过程中,一个非常重要的问题是避免印章和下面的聚合物粘连在一起使脱模困难,为此常采用在表面形成自组装分子层SAM的方法来克服这个问题。这种方法的原理是在印章表面形成一层表面自由能较低的分子层,从而使脱模容易。一般常采用烷基硅烷,如(1,1,2,2H过氟辛基)—三氯硅烷,(1,1,2,2H过氟癸基)—三氯硅烷等。1.2光刻胶和印刷剂的用量纳米压印中所使用的光刻胶不同于常规的光学光刻所用的光刻胶,它有特定的要求。除要求易处理性和与衬底结合良好外,还要求有好的热稳定性、黏度低、易于流动和优良的抗干法刻蚀性能。常用的光刻胶有MicroResistTechnology提供的mr-I8000、mr-I9000和mr-L6000系列,Nanonex提供的NXR-1000系列,DSM提供的Hybrane系列,及MicroChem提供的PMMA和SU8系列。同样,为了防止光刻胶和印章粘连,光刻胶的改性是必须的。要求光刻胶与衬底粘接较好,而与模具粘接较差,可用氟基添加剂:(1,1,2,2H过氟辛基)—三乙氧基硅烷改性。其原理是氟-碳键形成低表面自由能而使其稳定。除了旋涂单层光刻胶在衬底外,还可以使用多层工艺,即在衬底预先旋涂其他聚合物如PMGI,它有与衬底的结合性能良好的优点且有平整化衬底的作用,适合于剥离工艺。2纳米压力打印技术2.1热压印工艺方法热压工艺是在微纳米尺度获得并行复制结构的一种成本低而速度快的方法。仅需一个模具,完全相同的结构可以按需复制到大的表面上。这项技术被广泛用于微纳结构加工。热压工艺由模具制备,热压过程及后续图案转移等步骤构成,它的主要工艺过程如图1所示。模具制备可以采用激光束、电子束等刻蚀形成。热压过程是关键,它的主要步骤如下。(1)聚合物被加热到它的玻璃化温度以上。这样可减少在模压过程中聚合物粘性,增加流动性。只有当温度到达其玻璃化温度以上,聚合物中大分子链段运动才能充分开展,使其相应处于高弹态,在一定压力下,就能迅速发生形变。但温度太高也没必要,因为这样会增加模压周期,而对模压结构却没有明显改善,甚至会使聚合物弯曲而导致模具受损。(2)施加压力。聚合物被图案化的模具所压。在模具和聚合物间加大的压力可以填充模具中的空腔。压力不能太小,否者,不能完全填充腔体。(3)模压过程结束后,整个叠层被冷却到聚合物玻璃化温度以下,以使图案固化,提供足够大的机械强度。(4)脱模。脱模时要小心,以防止用力过度而使模具损伤。然后可以通过O2RIE干法刻蚀去除残留的聚合物层,以开出窗口,接下来就可以进行图案转移。图案转移有两种主要方法,一种是刻蚀技术,另一种是剥离技术。刻蚀技术以聚合物为掩模,对聚合物下面层进行选择性刻蚀,从而得到图案。剥离工艺一般先采用镀金工艺在表面形成一层金层,然后用有机溶剂进行溶解,有聚合物的地方要被溶解,于是连同它上面的金一起剥离,这样就在衬底表面形成了金的图案层,接下来还可以以金为掩模,进一步对金的下层进行刻蚀加工。热压印相对于传统的纳米加工方法,具有方法灵活、成本低廉和生物相容的特点,并且可以得到高分辨率、高深宽比结构。热压印的缺点是需要高温、高压,且即使在高温、高压下很长时间,对于有的图案,仍然只能导致聚合物的不完全位移,即不能完全填充印章的腔体。2.2步步-荧光压印在大多数情况下,石英玻璃印章(硬模)或PDMS印章(软模)被用于紫外压印工艺。该工艺的流程如下:被单体涂覆的衬底和透明印章装载到对准机中,通过真空被固定在各自的卡盘中。当衬底和印章的光学对准完成后,开始接触。透过印章的紫外曝光促使压印区域的聚合物发生聚合和固化成型。接下来的工艺类似于热压工艺。最近紫外压印一个新的发展是提出了步进-闪光压印。步进-闪光压印发明于Austin的Texas大学,它可以达到10nm的分辨率。工艺如图2所示。先将低粘度的单体溶液滴在要压印的衬底上,用很低的压力将模板压到圆片上,使液态分散开并填充模板中的空腔。紫外光透过模板背面辐照单体,固化成型后,移去模板。最后刻蚀残留层和进行图案转移,得到高深宽比的结构。步进-闪光压印的步进原理如图3所示。由图可见,只要一个小的模板,通过循环重复加工,就可以在整个圆片上得到图案。这样可降低模板的制造费用。很明显,紫外压印相对于热压印来说,不需要高温、高压的条件,它可以廉价地在纳米尺度得到高分辨率的图形,它的工艺可用于发展纳米器件。其中的步进-闪光压印不但导致工艺和工具成本的明显下降,而且在其他方面也和光学光刻一样好或更好,这些其他方面包括工具寿命、模具寿命(不用掩模板)、模具成本、工艺良率、产量和尺寸重现精度。但其缺点是需要在洁净间环境下进行操作。2.3金纳米尺度印刷微接触印刷工艺的示意图如图4所示。先通过光学或电子束光刻得到模板。印章材料的化学前体在模板中固化,聚合成型后从模板中脱离,便得到了进行微接触印刷所要求的印章。常常要得到的印章是PDMS。接着,PDMS印章与墨的垫片接触或浸在墨溶液中,墨通常采用含有硫醇的试剂。然后将浸过墨的印章压到镀金衬底上,衬底可以为玻璃、硅、聚合物等多种形式。另外,在衬底上可以先镀上一薄层钛层然后再镀金,以增加粘连。硫醇与金发生反应,形成自组装单分子层SAM。印刷后有两种工艺对其处理。一种是采用湿法刻蚀,如在氰化物溶液中,氰化物的离子促使未被SAM层覆盖的金的溶解,而由于SAM能有效地阻挡氰化物的离子,被SAM覆盖的金被保留,从而将单分子层的图案转移到金上。还可以进一步以金为掩模,对未被金覆盖的地方进行刻蚀,再次实现图案转移。另一种是在金膜上通过自组装单层的硫醇分子来链接某些有机分子,实现自组装,如可以用此方法加工生物传感器的表面。微接触印刷不但具有快速、廉价的优点,而且它还不需要洁净间的苛刻条件,甚至不需要绝对平整的表面。微接触印刷还适合多种不同表面,具有操作方法灵活多变的特点。该方法缺点是在亚微米尺度,印刷时硫醇分子的扩散将影响对比度,并使印出的图形变宽。通过优化浸墨方式、浸墨时间,尤其是控制好印章上墨量及分布,可以使扩散效应下降。2.4三种方法的比较由上面可以看出三种压印方法各有优点和缺点,现将它们间的比较见表1。3种常用应用由于纳米压印具有工艺灵活、成本低廉、快速等优点,它已经在许多领域显示应用前景,由于篇幅所限,这里仅列举三种应用,即微镜、晶体管、光栅。3.1烯酸甲酯上的pdms法加工三维类金刚石碳模具,该模具有非常光滑的表面,有利于加工光学器件,如微镜。采用纳米压印技术,微镜模具被复制到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上,如图5所示,其中图5(a)为顶视图,图5(b)为横截面视图。进一步可以利用PMMA作为模具,将PDMS浇铸到PMMA模具中,并再次使用纳米压印工艺,将一硅片压在其上,最后分离,PDMS粘到该硅片上,便得到了PDMS微镜。这反映了纳米压印技术的灵活性。PDMS微镜如图6所示,6(a)为PDMS微镜的AFM表面图像,图6(b)为AFM三维图像。3.2纳米晶体的模拟为证明纳米压印是可以取代传统光刻的技术,就必须在多层纳米压印中达到一定的精度、大面积的均匀性和低的缺陷密度。在4英寸圆片上采用4次纳米压印技术,得到60nm沟道金属—氧化物—半导体场效应晶体管(MOSFET)。该纳米晶体管显示了优良的操作特性。从连续多层工艺的统计数据表明在整个圆片上的平均重叠精度为500nm,当场尺寸缩小时,精度可进一步提高。图7即为采用全纳米压印工艺制作的MOSFET图像,其中图7(a)为1μm栅长MOSFET的暗场光学图像,图7(b)为60nm栅长的SEM图像。3.3表面改性法sem激光辅助纳米压印技术,即聚合物被单个准分子激光脉冲熔化,然后用石英模具压印。从熔化聚合物到完成压印整个过程少于500ns。采用该法,不但可以缩短工艺时间,而且可以大大降低衬底和模具的热膨胀,这有利于得到更好的对准精度。图8为用此法加工的硅衬底上200nmNPR46光栅的SEM图像,其中图8(a)为第一次压印结果,图8(b)为第三次压印结果,两者在光栅质量上没有明显的不同。这证明了一个模具可以多次使用。4发展生物光刻技术纳米压印自从发明以来受到了人们的广泛关注。纳米压印技术主要包括热压印、紫外压印(含步进-闪光