苏州市职业大学电子信息工程系毕业论文(设计)
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45 nm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
Abtract
Transfer of graphics is achived by oplical lithography for several 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 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 nanoimprint,micro - contact nanoimprint.
Key words:Nanoimprint lithography； Pressure-assisted nanoimprint； Laser-assisted nanoimprint；Roller-type nanoimprint
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目 录
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。 2.1 热塑纳米压印技术 .............................................. 5 2.2 紫外固化纳米压印技术 .......................................... 6 2.3 微接触压印技术 ................................................ 8 2.4 纳米压印技术的新发展 .......................................... 9 2.4.1金属薄膜直接压印技术 ...................................... 9 2.4.2激光辅助压印技术 ......................................... 10 2.4.3滚轴式纳米压印技术 ....................................... 11 2.4.4“缩印”工艺 .............................................. 12 第3章 影响纳米压印图形精度的因素.................................. 14
3.1 温度 ....................................................... 14 3.2 压印时间 ................................................... 14 3.3 压力 ....................................................... 15 3.4 模版的抗粘性 ............................................... 15 3.5 抗蚀层聚合物 ............................................... 16 第4章 纳米压印技术的产业化发展.................................... 18 结 论.............................................................. 20 参考文献........................................................... 21
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第1章 绪论
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=K1λ/NA （公式1-1）
式中: k1—工艺因子；λ—入射光的最小波长；NA—数值孔径。
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(436nm)和i(365nm)谱线光源到KrF(远紫外线248 nm) 、ArF(深紫外线193nm)和F2 (157 nm)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45nm节点工艺形成产能。数值孔径从早期的0.28 nm提高到最新报道的1.6nm,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k1缩小,经过优化组合,甚至可使k1 值接近0. 25 nm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, 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重要位置,而且近年都取得了重大技术进步。但这些技术的缺点是设备昂贵,产量低,因而产品价格高昂。商用产品的生产必须是廉价的、操作简便的,可工业化批量生产的、高重复性的；对于纳米尺度的产品,还必须是能够保持它所特有的图形的精确度与分辩率。针对这一挑战,美国“明尼苏达大学纳米结构实验室”从1995年开始进行了开创性的研究,他们提出并展示了一种叫作“纳米压印”的新技术。
纳米压印是一种全新的纳米图形复制方法。其特点是具有超高分辩率、高产量、低成本。高分辩率是因为它没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散射现象。高产量是因为它可以象光学曝光那样并行处理,同时制作成百上千个器件。低成本是因为它不象光学曝光机那样需要复杂的光学系统或象电子束曝光机
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那样需要复杂的电磁聚焦系统。因此纳米压印可望成为一种工业化生产技术, 从根本上开辟了各种纳米器件生产的广阔前景。纳米压印技术已经展示了广阔的应用领域。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、高密度磁结构、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(高分辨率、高效益、低成本), 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,具有强大竞争力, 从根本上展示了纳米器件生产的广阔前景。因此,在经过多个国际学术和工业组织近10年的调查研究后, 纳米压印技术被国际半导体技术蓝图机构规划为下一代32nm节点光刻技术的代表之一。
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第2章 纳米压印的技术方法
纳米压印技术最早由Stephen Y Chou教授在1995年率先提出,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。
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分辨率的新纳米光刻方法, 可以在柔性聚合物等薄膜上形成分辨率小于10nm 的大面积三维人工结构。纳米压印分为两步: 压印和图形的转移。将模版与基片进行对准, 基片由硅片和聚合物形成的抗蚀层组成。通常热压印中抗蚀层为传统光刻胶聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA) ,且压印前已经均匀固化在硅片上。然后加压,使模版上的微细图形转移到抗蚀剂上。最后进行脱模分离, 使模版与抗蚀层分离。后续工艺为采用反应离子刻蚀(RIE)将残余层除去。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。
2.1 热塑纳米压印技术
热塑纳米压印技术主要的工艺流程:制备高精度掩模板,一般采用硬度大和化学性质稳定的SiC、Si3N4、SiO2 ,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PMMA和PS；加热至光刻胶的玻璃化转换温度(Tg)之上50℃～100℃,然后加压(500kPa～1 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版图形空隙；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；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1Pa的真空环境中进行。压印过程如图2-1所示。
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