纳米压印技术在光学领域中的应用

纳米压印技术在光学领域中的应用

20世纪90年代中期，美国普林斯顿大学的丹尼尔y.chu等人首次提出了纳米压印。该技术将传统的模版复型原理应用到微观制造领域,克服了传统光学光刻受曝光波长衍射极限的限制等缺点。并以其低成本、高分辨率、高效率、环保性和工艺过程简单等特点,引起了各国研究人员和许多公司的广泛关注。目前,纳米压印的最小特征尺寸已达到5nm。作为一种低成本的下一代光刻技术,纳米压印技术已经应用在了光学(波导,光栅,光学镜头)、IC、纳米电子学、聚合物电子学、数据存储、生物化学和生命科学和微流体学这些领域,被誉为十大可改变世界的科技之一。1聚合物的图形纳米压印的基本原理就是将制作好的模版压在一层薄的聚合物薄膜上,这层薄膜通过热的或者化学的方法固化,从而在聚合物上可形成与模版具有1:1大小的图案。该工艺过程主要包含两个步骤:图形复制和图形的转移,如图1所示。在一块基片上(通常为硅片)涂上一层聚合物,再用已刻有目标图形的模版在一定的温度(须高于聚合物“软化”温度)和压力下,去压印涂层,从而实现图形复制,然后脱模,即将模版从压印的聚合物上移除,形成纳米图案。2图形的压印技术相对于光学光刻,纳米压印技术并不要求极紫外光源和昂贵的光刻设备。原理上来看,纳米压印技术在图案制作上没有任何限制,因此它能通过电子束刻蚀和其他技术制作的模版来压印任意的图形。近十年的发展,纳米压印技术发展出很多种不同的方法,但是可以大概归纳为以下几种:热纳米压印(HE-NIL)、紫外固化纳米压印(UV-NIL)、软压印(SIL)。2.1聚合物薄膜压印技术热纳米压印技术的工艺过程有三步:压印模版的制备、压印过程、图形转移。首先,通过电子束刻蚀或者反应离子束刻蚀技术来制作高精度的模版。为了延长模版的使用寿命和确保模版精度的稳定性,一般使用SiC、Si3N4、SiO2等机械性能好,热膨胀系数低的材料来制作模版。制作好模版后,在用来制备纳米图案的基片上旋涂上一层聚合物薄膜(常见的是PMMA),加热聚合物薄膜至其玻璃化温度Tg之上,然后使用压印模版压在聚合物上面,施加一定压力保持一段时间,待聚合物充分填充压印模版的图形区域后,降低温度至Tg以下后脱模,该过程即为压印过程。压印后被压的凹下去的那部分聚合薄膜还会留有很少一部分,为了使其不覆盖在基底表面,须除去该残留层,一般的方法是使用各向异性反应离子束刻蚀。该部分的压印过程如图2。通过以上的步骤之后得到的压印器件,则需要使用图形转移技术来把聚合物薄膜上面的图形转移到基底上,该技术主要有刻蚀技术和剥离技术两种。由于热纳米压印技术需要将被压印聚合物加热到玻璃化温度之上,加热和降温的过程会耗费大量时间,不利于批量生产。针对这一情况,清华大学提出一种改进方法:利用频率27KHz超声波来直接加热聚合物至玻璃化温度,通过该方法的改进,可将加热降温的过程缩短至几秒钟,有利于降低功耗、成本和提高产量。也有相关报道指出:从改变受压聚合物的性能角度出发,不用加热其至玻璃化温度,使用改型的光刻胶HSQ可以在常温下加压至2451KPa,即可获得相应的压印图案。2.2紫外固化纳米压印技术紫外固化纳米压印技术其前期的制作工艺与热压印技术类似,首先都须制备一个具有纳米图形的模版,不同的是UV-NIL的模版材料必须使用可以让紫外线透过的石英。然后在基板上涂一层低粘度、对紫外光敏感的液态高分子光刻胶,使用较小的压印力将模版压在光刻胶之上,待光刻胶填满模版空隙后,在模版背面使用紫外光进行照射,通过紫外光的照射后,光刻胶即可固化。脱模后再进行刻蚀去除基板上面残留的光刻胶,由此完成紫外固化压印过程,如图3。紫外固化纳米压印技术具有一些热压印所没有的优点:1)UV-NIL可在室温的环境下进行,因此可以省去加热和冷却时间。2)室温环境下消除了基底和模版的热膨胀而导致的参数改变和图形变形。3)UV-NIL使用的光刻胶一般具有非常低的粘度,因此该技术需要非常小的压力和较短的压印周期。但是紫外固化纳米压印技术所使用的设备相对比较昂贵,对环境的要求非常高,没有加热的过程,光刻胶中的气泡难以排出,从而导致微细结构的缺陷问题。由此人们通过对该技术的改进,提出了一种新的技术:步进-闪光压印技术。该技术采用小模板分步压印紫外固化纳米的方式,大大提高了在基板上大面积压印转移的能力,降低了掩模版制造成本,也降低了使用大掩模版带来的误差。2.3模具的制备和热压印软压印最突出的特点就是采用柔性橡胶制作纳米模版,通过接触压印的方法,复制纳米结构图形。该模版的制作与之前两种压印技术的模版制作有所不同,首先利用特定的光或电子束对带有电子抗蚀剂的基板曝光,并刻蚀出相应的纳米凹凸图形。然后再在其上滴入聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液,待其表面流动平滑后进行加热,使硅胶膜发生交联固化。随之进行降温,回到室温后用专用工具把成型图像的硅胶膜剥离下来,即得到完整的硅胶模版。软压印由于采用了软性模版,相对于前两种压印所采用的硬模版压印而言具有以下两个优点:软模版具有一定的弹性,能很好的解决模版和基底之间的平面度和平行度误差问题;软模具易于脱模,不易与抗蚀剂粘连。软压印主要包括微接触印刷法和毛细管微模制法两种形式,这两种技术均可用于制作高质量的纳米结构。通过精确地复制纳米级特征,软压印技术将在微电子学、集成光学、纳米液体和生物技术等领域发挥重要作用。3模具压印技术的改进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,当前NIL技术的主要研究热点是:模版的制备和相关的材料研究,通过各国科学家的努力研究取得了不少成果。1999年,德州大学COLBURN等在热压印技术的基础上通过改进提出了步进闪烁压印光刻(Stepandflashimprintlithography,SFIL),采用石英模具,通过紫外光曝光,实现抗蚀剂图形化,无需加热。解决了热压印加热降温需要耗费大量时间的问题。2000年至2004年,美国德州大学BAILEY等进行了SFIL模具的表面处理和缺陷分析的研究。研究过程采用了各种低表面能自组织单分子层对模具表面进行处理的效果,对于SFIL模版,发现CF3官能团单分子膜具有最低的表面能,是一种良好的脱模剂。并且优化了压力和脱模力,指出压印力保持在2-4Pa,压印力应该小于5Pa。2003年,韩国先进技术研究院的CHOI和PARK为了防止弹性PDMS模具膨胀引起的图形转移缺陷,提出在PDMS模具表面涂10nm厚的TeflonAF的方法,改进后的模具成功实现了高保真度亚微米尺度图形和大面积图形的压印。随后他们通过对紫外压印和软压印两种技术的改进,又提出了采用紫外曝光结合PDMS软模压印结合的方法来压印纳米图案,该方法简单、需要的压力小、制作成本低而且适合大面积压印,克服了硬模压印所导致的一系列缺点。2004年,为了克服UV-NIL使用硬模具所引起的不足,德国亚琛AMO、奥地利的EVGGroup、韩国先进技术研究院的PARK和西安交通大学先进制造技术研究所进行了常温软模具压印光刻的研究。2007年,针对PDMS材料具有较高的粘性,无法满足纳米特征图形模具的制作,德国亚琛AMO的KOO等提出一种改进的PDMS模具制作方法,采用甲苯稀释的PDMS作为软模具的材料,制作出改进的软模具,通过UV-NIL实现50nm特征图形的制作。2010年,坦佩雷科技大学光电子研究中心的TapioNiemi等人,对软压印技术进行了改进,通过在PDMS软模上面加盖一块非常平整的玻璃板后,能有效防止压印时的横向变形,从而提高压印图形的精度。2011年,北京信息科技大学的严乐等人,为了提高硅基材料对抗蚀剂的亲和性,采用氧离子对硅基材料进行轰击,使抗蚀剂在硅基片上的涂铺效果更好,有效改善了模版压印过后抗蚀剂缺失的现象。综上所述,国内外研究机构通过对纳米压印光刻技术进行了十几年的研究已经非常深入,使其成为最活跃的前沿科学领域,它的发展必将引起传统的光学光刻领域的重大革新。4压印技术的应用纳米压印经过十几年的飞速发展,已经成为了一门实用性很强的技术。它能广泛采用各种高分子有机材料制造微米至纳米尺寸的器件,可达到最小分辨率5nm的水平。纳米压印技术现在或将要在以下几个领域得到广泛的应用:小于0.1微米线宽的高密度集成电路的制作;超高密度磁存储器件的制作;微光学器件。如:纳米光栅,特殊金属光栅,微透镜,二元光学器件等的制作;图形特征小于100nm场效应管的制作;微流体及微生化分析系统制作;纳米光盘和纳米读写头制作。尽管纳米压印光刻在图形专业方面具有其他技术不可比拟的优势,