苏州市职业大学电子信息工程系毕业论文(设计)
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上,常采用加热板加热,此方法在加热的过程中会造成热量的散失；加热和降温的过程,会浪费大量的时间,不利于批量生产的需求。
中国台湾清华大学提出一种改进方法:利用频率27kHz超声波来直接加热光刻胶至其玻璃化温度,实验中获得了宽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、提高产量和降低成本。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。
气体辅助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加压。气体辅助压印技术有两个优点:一是真空环境可以使光刻胶中的气体顺利排出,减少光刻胶中气泡对图形质量的影响。二是利用气体施压压力均匀,压力的大小可以用进气量的多少控制,避免了机械施压过程中承片台需要采用多自由度自适应校正的难题。
2.2 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C GWillson教授提出。主要工艺过程：先制备高精度掩模板,而且要求掩模板对紫外光是透明的,一般采用SiO2材质作为掩模版；在基板上旋涂一层液态光刻胶,光刻胶的厚度为600nm～700nm,光刻胶要
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求黏度低,对紫外光敏感；利用较低压力将模板压在光刻胶之上,液态光刻胶填满模板空隙,从模板背面用紫外光照射,紫外光使光刻胶固化；脱模后用反应离子蚀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,可以在常温下进行,避免了热膨胀因素,也缩短了压印的时间；掩模板透明,易于实现层与层之间对准,层与层之间的对准精度可以达到50 nm,适合半导体产业的要求。但紫外固化纳米压印技术设备昂贵,对工艺和环境的要求也非常高；没有加热的过程,光刻胶中的气泡难以排出,会对细微结构造成缺陷。生产中常常采用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。该方法采用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能力,降低了掩模板制造成本,也降低了采用大掩模板带来的误差。但此方法对位移定位和驱动精度的要求很高。
图2-2紫外固化纳米压印流程
图 2-3步进式快闪纳米压印技术工艺流程
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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Whitesides GM等人提出,工艺过程:用光学或电子束光刻技术制得掩模板,用一种高分子材料(一般是PDMS)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PDMS模板压在镀金的衬底上10s～20s后移开,硫醇会与金反应生成自组装的单分子层SAM,将图形由模板转移到衬底上。后续处理工艺有两种:一种是湿法蚀刻,将衬底浸没在氰化物溶液中,氰化物使未被SAM单分子层覆盖的金溶解,这样就实现了图案的转移；另一种是通过金膜上自组装的硫醇单分子层来链接某些有机分子,实现自组装,此方法最小分辨率可以达到35nm,主要用于制造生物传感器和表面性质研究等方面。压印过程如图2-4所示。
图 2-4微接触纳米压印工艺流程
毛细管微模版法由微接触纳米压印技术发展而来,掩模板制作的方式与微接触压印技术相同；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。
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图 2-5毛细管微模版制法工艺流程
2.4 纳米压印技术的新发展
在纳米压印技术的发展历程中,近年出现了一些新的实现方法,或者是在传统技术上进行改进,如激光辅助纳米压印技术、静电辅助纳米压印技术、气压辅助纳米压印技术、金属薄膜直接压印技术、超声波辅助熔融纳米压印技术、弹性掩模版压印技术和滚轴式纳米压印技术等。
2.4.1金属薄膜直接压印技术
金属薄膜直接压印技术是在Si基板上利用离子束溅射技术产生一层Cu、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提供超高的压印压力,达到几百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73nm～169nm的压痕。如此高压有可能会将基板压坏,为了解决这个问题,在金属薄膜和基板之间加入一层缓冲层(NEB-22或SUB-8),缓冲层可以使压力减少为原来的1%,只需要2MPa～40 MPa。同时使用尖锐的掩模板,以增强对薄膜的压力,如图2-6所示。利用油压系统提供4 MPa～20 MPa的压力,在温度为40℃～80℃的范围内用模板直接压Au-聚合物薄膜,可以得到理想的图形转移。
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图 2-6改进金的属薄膜直接压印
2.4.2激光辅助压印技术
激光辅助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。采用的准分子激光波长要能透过掩模版而能量尽量避免被吸收,掩模版常采用SiO2 ,据报道利用激光融化Si基板进行压印工艺可以实现低于10nm的特征线宽,工艺流程如图2-7所示。因为是直接将图案转移到基板之上,不需要蚀刻过程,也减少了曝光和蚀刻等工艺,可以大大减少纳米压印的时间,降低生产成本。
图 1-7 激光辅助压印技术