纳米压印完整版本

纳米压印技术刘斌纳米压印的原理纳米压印（NLG）技术是1995年华裔科学家周郁提出的。根据压印方法的不同，NIL主要可分为热塑（Hotembossing）、紫外固化UV和微接触（Microcontactprinting，UCP）三种光刻技术。纳米压印的原理HotEmbossing(HE)首先在衬底上涂上一层薄层热塑形高分子材料（如PMMA）。升温并达到此热塑性材料的玻璃化温度Tg（Glasstransistiontemperature）之上。热塑性材料在高弹态下，黏度降低，流动性增强，随后将具有纳米尺度的模具压在上面，并施加适当的压力。热塑性材料会填充模具中的空腔，在此过程中，热塑性材料的厚度应较模具的空腔高度要大，从而避免模具与衬底的直接接触而造成损伤。模压过程结束后，温度降低使热塑性材料固化，因而能具有与模具的重合的图形。随后移去模具，并进行各相异性刻蚀去除残留的聚合物。接下来进行图形转移。图形转移可以采用刻蚀或者剥离的方法。刻蚀技术以热塑性材料为掩膜，对其下面的衬底进行各向异性刻蚀，从而得到相应的图形。剥离工艺先在表面镀一层金属，然后用有机溶剂溶解掉聚合物，随之热塑性材料上的金属也将被剥离，从而在衬底上有金属作为掩膜，随后再进行刻蚀得到图形。从这个典型的纳米压印过程描述中我们看到，纳米压印过程几个关键的工艺包括：模具制造、压印过程（包括模版处理、加压、脱模过程）及图形转移过程。纳米压印的精度与模具的精度密切相关，因此，对模具的分辨率、平坦化、均匀性、表面能等有很高的要求；光阻材料影响着热压温度及曝光时间，因此，对光阻材料的要求主要在热塑性、流动性等方面；压印过程中，模具与压印材料之间的对准、平行度、压力均匀性、温度均匀性、脱模技术等；图形转移过程主要针对产品应用的需求。此外，工艺涉及的材料包括模版材料、衬底材料、纳米压印胶或能被压印的功能材料等。制备模板的材料采用一般包括硅片透明石英片、金属、蓝宝石等一些比较硬、具有高杨氏模量的材料。一般来说，硅片和石英片由于具有纳米压印过程中所需要的硬度和耐用度，是目前应用最为广泛的。在模板制造中，图形的产生采用光刻技术，对于大尺度的图形，可以采用现有半导体工艺中的紫外光刻技术；对于小的图形，则需要采用电子束光刻技术。电子束光刻的精度可以达到10纳米甚至以下。图形产生后，还需要进行淀积金属、剥离、反应离子刻蚀等一系列工艺，最终把产生的图形转移到衬底上。热压方式最大的缺点在于模具在高温高压下，表面结构会或热塑性材料会有热膨胀作用，这将导致转移后图形尺寸的误差以及脱模的困难。一般来说，特征尺寸越小，集成度越高，印章与聚合物之间的粘合力越大，使得脱模困难。目前热压的重点方向在于如何提高大面积图形转印时的均匀性一集降低热变形效应。为了改善热压印中热变形的缺点，特克萨斯大学的C.G.willson和S.v.Sreenivasan开发出步进-闪光压印（Step-FlashImprintLithography），这种工艺中采用对紫外透明的石英玻璃（硬模）或PDMS（软模），光阻胶采用低粘度，光固化的单体溶液。先将低粘度的单体溶液滴在要压印的衬底上，结合微电子工艺，薄膜的淀积可以采用旋胶覆盖的方法，用很低的压力将模版压到晶圆上，使液态分散开并填充模版中的空腔。透过模具的紫外曝光促使压印区域的聚合物发生聚合和固化成型。最后刻蚀残留层和进行图形转移，得到高深宽比的结构。最后的脱模和图形转移过程同热压工艺类似。相对S-FIL工艺过程在低压和室温下进行，相对于热压印来说，不需要高温、高压的条件，可以廉价地在纳米尺度得到高分辨率的图形，步进-闪光压印使工艺和工具成本明显下降，且在其他方面和光学光刻质量相当。然而这种工艺中，由于光刻胶的涂布过程中，没有经过加热的步骤，无法有效排除其中的气泡，在紫外曝光后会产生缺陷。uCP技术由IBM和哈佛大学所提出，这种工艺与盖章的概念最为相近。这种工艺采用弹性的印章将硫醇转移到镀金或银的表面上去。将PDMS倒在包含图形的模具上，过程中模具可由光学或电子束光刻获得，也可以通过衍射栅、微机械结构一集其他微型结构的复制得到。印章材料的化学前体在模具中固化，聚合成型后从模板中脱离，得到所需印章。通常印章的材料为PDMS。然后将PDMS印章与滴了墨的衬底上，墨溶液主要为硫醇。将印章与衬底接触并浸没在墨溶液中，让印章充分沾上“墨汁”。随后将浸有“墨汁”的印章盖在镀金的衬底上，墨汁会沾在镀金衬底上，衬底可为玻璃、硅、聚合物等材料。只有与印章接触过的表面才能沾上硫醇溶液，硫醇会与金发生反应，形成自组装单分子层SAM。硫醇分子会吸附有机分子，从而实现自组装。另外，硫醇与金反应后，还可以采用湿法刻蚀的方法，如在氰化物溶液中，氰化物的离子促使未被SAM层覆盖的金溶解，而SAM能有效阻挡氰化物的离子，将被覆盖的金保留，即可实现图形转移。uCP工艺不需要极为苛刻的实验环境，而且对表面平坦化也没有要求，相比光学光刻而言，更加方便和经济。纳米压印过程中，模板的制备是比较昂贵的。这是因为电子束光刻的成本非常昂贵，一般在每小时1000美元左右。制备一个面积在1平方厘米的图形，其成本约为15000美元。但是在纳米压印过程中，一个使用得到的模板可以压印成百上千的图形，而且模板本身也可以利用半导体工艺来进行复制，这样每个图形的成本就降低到了几十美元以下。因此，纳米压印相对于光刻是一个具有高速加工能力、低成本的纳米加工工艺，大面积的批量制备具有超高精度的图形，同时也具有良好的均匀性和可重复性。发展前景纳米压印不仅仅可以作为光刻技术的替代者，在除了集成电路以外的领域还有着非常广阔的应用。在光学领域，纳米压印可以用来制备高密度的光栅周期小于光学波长的亚波长光栅，可以应用在金属光栅起偏器、大波长范围抗反射层以及