苏州市职业大学电子信息工程系毕业论文(设计)
2.4.3滚轴式纳米压印技术
纳米压印技术大都是不连续的生产工艺过程,难以进行大规模和大面积的生产,为了进行量产,只有采用很大的掩模版或者是需要高对准精度和自动化操作的步进紫外固化技术。大掩模版加工困难,且易损坏；步进快闪技术工艺环节多,控制难度大,为克服这些难题,一种新的连续的纳米压印技术—滚轴式纳米压印技术得以出现。滚轴式纳米压印技术有连续压印、产量高、成本低和系统组成简单等特点。有两种实现工艺:一种是将掩模版直接制作到滚轴上,可以通过直接在金属滚轴上刻蚀或者利用弹性掩模套在滚轴上实现,滚轴的转动将图形连续地压入已旋涂好光刻胶(温度达到玻璃化温度以上)的基板上,滚轴的滚动实现了压入和脱模两个步骤,如图2-8(a)所示。还可以是在弹性掩模版上利用滚轴滚动施压,但均匀性难以保证；另一工艺是将滚轴式压印技术和紫外压印技术相结合,紫外固化纳米压印技术光刻胶本身就是液态,紫外光固化可以将紫外光束很好地控制到滚轴和光刻胶分离的区域,采用的基板可以是弹性基板或者是如Si样的硬基板。其弹性基板的工艺流程如图2-8(b)所示。电磁辅助纳米压印和气压辅助纳米压印都是对压印工艺中压印压力的施压环节进行改进,提高压力作用的均匀性,延长掩模版的使用寿命,从压力作用分布和承片台自适应要求来看,气压辅助纳米压印技术较有优势,但气囊施压还不能完全体现气体施压压力均匀的特点,气体直接接触掩模版和光刻胶,也还需要考虑气流对系统对准、光刻胶气泡和气压作用方式等多方面的问题。
图2-8 滚轴式压印原理
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2.4.4“缩印”工艺
早在2003年Y．K．Choi等人就报道了一种沉积缩印（size-reductDn lithograp hy）工艺，该工艺的核心也是通过加入一个沉积工序，将大线宽模板图形“缩印”后，得到小线宽图形。工艺流程如图2-9所示。
图2-9沉积缩印工艺流程
“缩印”的代价是压印工序大大增多。无独有偶，2009年，X.L Li等人也发表了一篇关于“缩印”工艺的文章。不过其缩印方式与上述方式不同，该工艺巧妙地利用湿法刻蚀中柱状图形上下刻蚀速率不同的特点，将分布在底板表面上的“纳米柱”湿法刻蚀成“纳米锥”。从而减小了模板的特征尺寸，提高了图形的分辨率，流程图见图2-10所示
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图2-10湿法刻蚀缩印工艺流程
电磁辅助纳米压印和气压辅助纳米压印都是对压印工艺中压印压力的施压环节进行改进 ,提高压力作用的均匀性 ,延长掩模版的使用寿命 ,从压力作用分布和承片台自适应要求来看 ,气压辅助纳米压印技术较有优势 ,但气囊施压还不能完全体现气体施压压力均匀的特点 ,气体直接接触掩模版和光刻胶 ,也还需要考虑气流对系统对准、 光刻胶气泡和气压作用方式等多方面的问题。
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第3章 影响纳米压印图形精度的因素
随着大规模集成电路和集成光学的发展, 器件日趋高密度化、高集成化和多功能化。为适应这一要求, 制造工艺技术必须满足图形精细化、过程低温化、控制精密化、环境超净化的要求。这就对纳米压印图形的精度要求越来越高。然而在纳米压印实验过程中, 由于温度控制、压力、模版的抗粘性以及聚合物的特性等, 都会对压印的图形精度产生影响。压印图形的精度直接影响器件制作的成品率和器件性能。下面对这些因素进行分析。
3.1 温度
热塑纳米压印技术的温度要控制在适当的范围。如果温度太低, 聚合物的流动性不够, 且可逆流动所占的比例较大,撤模后图形的变形较大；如果温度太高,可能破坏聚合物分子链本身的结构, 使图形区域产生较多缺陷。聚合物的松弛时间和粘度的比率随温度的变化方程为：
log(τ/τ0)=log(η/η0)=(-C1(T-T0))/(C2+(T-T0)) （公式2-1） 式中:τ为聚合物的松弛时间,η为聚合物的粘度,T为绝对温度；τ0和η0分别为在参考温度下τ和τ0的取值； 在温度T0 = Tg(聚合物的玻璃化转变温度)时, 常数C1= 17.44K, C2= 51.6K。从这个方程可以看出, 升高温度比增加时间更有效, 因为聚合物粘度的比率随温度呈指数关系变化。通常加热的最高温度比Tg高50~100℃,对PMMA体系, 比Tg高90℃能获得最好的压印效果。在热压印过程中,模版和基片的温度要升至抗蚀层聚合物的玻璃态温度以上,在压力的作用下使聚合物流动成型, 在压印结束后又降至常温。这就要求模版材料要有较低的热膨胀系数,以避免热膨胀程度的不同而导致图形变形。
3.2 压印时间
如果压印的时间不够, 聚合物填充不完全, 就会严重影响压印图形的精度； 如果压印时间过长, 将影响压印的效率。L.J.Heyderman 等推导了聚合物完全转移形成压印图形所需时间的计算公式:
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tf=（η0S2/2P）（1/hf 2-1/h02） （公式2-2） 其中tf为压印时间, η0为聚合物粘度,S为图形化面积, hf为压印后聚合物高度, h0为初始聚合物高度, P为压力当聚合物的种类、厚度、模板的尺寸以及压力一定时, 压印时间就依赖于聚合物的粘度, 而聚合物的粘度依赖于压印的温度和聚合物的平均分子量。升高温度和减小聚合物的平均分子量都会减小聚合物的粘度, 从而缩短压印时间。在不破坏化学键的情况下, 压印温度越高, 平均分子量越小, 压印时间越短。然而平均分子量太低, 则聚合物很脆, 在撤模时容易损伤模版和基片。对于我们通常用的PMMA, 它的玻璃化转变温度为105℃, 当压印温度从室温升到200℃ , 再降温到105℃以下, 压印时间为5~ 10min。
3.3 压力
传统平板直接加压方式中, 压力分布为模版中心部分大, 靠近模版边缘处小； 模版面积越大, 保证压力均匀就越困难。而其对压印图形的主要影响有: 压力不均匀会使模版变形, 导致压印图案变形,图案分布均匀性差；当模版为脆性材料时( 例如硅晶片、玻璃) , 压力不均匀很容易导致破裂。压力的大小也直接影响了压印的速度, 从而影响压印的效率。H.C.Scheer等根据水流体力学推导了热压印的速度计算公式:
v(t)≈Peffh(t)/ηR （公式2-3） 其中v(t) 为压印速度,h(t)为初始聚合物高度,R为模板的半径,η为聚合物粘度, Peff为有效压力,即模板实际和聚合物接触部分面积所承受的压力。如果在压印过程中施加的外压为P,在聚合物没有完全填充模版的空腔时, Peff> P,一旦模版空腔被全部填充, 则Peff= P。从这个方程可以看出,当聚合物的高度和聚合物的粘度以及模版的尺寸一定时,增加外压,减小接触面积,即增加有效压力可以提高压印速度。
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3.4 模版的抗粘性
在撤模中, 当抗蚀层聚合物粘附在模版上时,就会污染模版、损坏压印图形。因而希望模版自身对聚合物有良好的抗粘性, 通常做法为在模版表面旋涂一层均匀的防粘层。为了不影响图案的分辨率,防粘层厚度越薄越好,例如图形特征尺