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寸在10nm以下的模版其防粘层厚度最好小于2nm。通常防粘层材料有金属(Cr、Ni、Al)、含氟聚合物或长链硅烷。Cr模版本身具有很好的抗粘性, 这是因为其金属表面能低、表面张力小,对聚合物表现为疏水性和化学惰性。
3.5 抗蚀层聚合物
抗蚀层聚合物的材料和特性决定了其对纳米压印图形精度有一定的影响。热压印中抗蚀层的工作机理可简单描述为通过加热使抗蚀层具有流动性,经过加压使抗蚀层填充到模版图案间隙里,再经过冷却使抗蚀层固化便可达到转印图形的目的。总之,纳米压印技术虽然类型不同,但都是利用抗蚀层为图形转印中介,使之经过流动、压印填充、固化这个过程,形成纳米微结构。图2-9为聚合物的填充过程示意图。
图 2-9(a) 理想状态下聚合物的填充过程
图 3-9(b) 高分子的聚合物填充过程
图3-9(a)为理想状态下聚合物的填充过程。假设抗蚀层材料在液态状态下类似为水分子,具有不可压缩性和很好的流动性,且该分子的尺寸远远小于压印图
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案的最小线宽。在压力作用下液态材料流入模版图案间隙内,而多余的材料则通过残留层流入其它模版图案间隙内或流出压印区域。并且经过冷却,固化图案材料密度一致。然而当前抗蚀层的材料主要为高分聚合物, 其分子尺寸的大小就远远超过压印图案的间隙。因而高分子的聚合物填充过程与理想状态下的填充过程有本质区别。图2-9(b)为高分子聚合物的填充过程。随着升温, 高分子聚合物的分子链发生结构变化, 整个分子链发生流动。压印时, 大尺寸高分子链流动性较差两受到模版挤压, 中部向图案间隙处拱起。流动性较好的小尺寸分子链向图案间隙流动, 造成大尺寸分子链弹性变形间隙部分拱起, 并且填充到大尺寸分子链无法填充到的地方。当热压结束除去外力后,聚合物高分子材料将产生力学松弛现象, 如蠕变、应力松弛、滞后等。这是由于聚合物的部分形变是弹性变形,一旦脱模分离, 则弹性变形就会复原,导致压印图案变形。解决这类问题的关键是优化参数, 在多次实验的基础上摸索压力和温度的参数, 以求达到最好的压印结果。
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第4章 纳米压印技术的产业化发展
产业化是任何一项高新技术发展的必然趋势。纳米压印技术也不例外。为了实现产业化与大批量生产, 首先要解决大面积均匀一致的纳米压印加工。哈佛大学的Martini等人报导了他们在这方面的重要进展。他们利用一种带有一对热碟和一个数字温控器的商用水压机, 成功地在4英寸的晶片上获得了均匀一致的低于100nm最小尺寸的图形。他们的观察范围是: 温度: 150℃- 200℃； 压力: 20bar-120bar, 使用的复制抗蚀剂材料是50k的PMMA,(单层膜技术),获得最好结果的压力和温度条件是50bar和175℃。该小组认为获得大范围均匀压印图形的关键因素之一是使用低分子量的PMMA, 这种材料的粘度小,有利于材料在压制时的流动成形。
纳米图形大批量复制的成功不仅有赖于直接参与复制的聚合物材料, 高品质的高分辩率的印章模具也是一个重要条件。但制作高品质的高密度模具是一个难题。普林斯顿大学的Ｍｕｒｐｈｙ等人在这方面进行了成功的尝试。他们的创造性工作在于:在对二氧化硅底层上的PMMA进行高分辩率的电子束曝光之后, 采用纯的IPA( Isopropylic Alcohol)作显影剂并辅之以超声搅拌, 去除感光区的残渣并使图形边界清晰, 从而得到最好的后续工作(lift- off)的条件,最终获得高品质的高分辩率的二氧化硅模具。为使纳米压印的工序更接近实际工业化生产的需要, 人们还对滚动的压印方式进行了多方面的研究。他们的研究包括:将一个圆柱形的模具在一个平的、固定的基底上滚动和直接将一个平的模具置于基底之上,然后将一个光滑的滚轴滚过模具的顶端。这些方法可达到低100n分辩率的图形转移效果。随着纳米压印技术的日趋成熟,相应的商品化纳米压印加工设备也陆续推出。目前全世界已有五家公司生产纳米压印机,它们是美国的MolecularImprints Inc , Nanonex Corp,奥地利的EV Group、瑞典的Obdcat AB和德国的 Suss MicroTec。其中瑞典的Obdcat AB已经销售了5台纳米压印机,并宣称已经接受了20-25台的订货。英国的格拉斯各大学和剑桥大学均已购买Obdcat AB的纳米压印机。
纳米压印技术已经从实验室走向工业化生产。在应用方面,纳米压印系统有着广泛的应用领域,如量子磁碟、DNA电泳芯片、生物细胞培养膜、GaAs光检测器、
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波导起偏器、硅场效应管、纳米机电系统、微波集成电路、亚波长器件、纳米电子器件、纳米集成电路、量子存储器件、光子晶体阵列和OLED平板显示阵列等。纳米压印技术正逐渐成为微纳加工技术的一种重要方式。有人预测, 纳米压印技术不但可以用于大批量生产纳米尺度的数据存储器件, 如光盘, 磁盘之类, 还有可能直接用于超大规模集成电路的生产。这将大大降低集成电路生产的成本。在数码相机市场，可以使用压印技术来制作高质量的图像传感器微镜头，压印设备可以制作滤波器和光子带隙结构使电视和发光二极管更加明亮。使用压印技术目前是做这些器件最经济的方法，磁盘驱动器制造商正注视着压印技术制作图案媒体，小磁点可以替代今天磁记录材料的一致层，磁盘制造商Komag最近从EV得到压印技术许可，并希望扩大存储能力高于每磁盘160Gb，而EV的Luesebrink相信到2007年存储业就会使用压印开始大量的生产。生物行业是另一个潜在的市场，日本的一些大学正在使用压印光刻技术来制作一种图形表面，其上的细胞不能生长或沿特定方向生长，Waseda大学和一家日本的医疗器械公司正在研究一个细胞排列装置，使用了压印器件来快速分析液体并确定特殊的目标细胞。拥有诸多应用方向且具有低成本、高分辨率和高效益的纳米压印技术必将在今后的生产中发挥更大的作用。
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结 论
纳米压印技术的各种方法都具有各自的优点和缺点，使用时要结合实际情况及自身条件来选择。微接触印刷法和毛细管微模制法由于采用了软模板(模具)所以不能加工出硬模板技术所能达到的微小结构。但它却不会像紫外线或是热压印那样损坏生物组织。因此,最有希望应用在生物医学领域,比如制作微流体器件或生物芯片。热塑纳米压印技术需要较高的温度(通常在200℃左右)和压力[(4-10)x106Pa], 才能使高黏度的光刻胶流动,形成所需的图形结构。同时热塑纳米压印技术需要一个热、冷循环周期,效率低,且精度受热膨胀影响。因此不适用于IC制造领域, 而更适合于光学或微机电系统制造。分布式模压曝光工艺是将模板图形压人转移层, 然后从转移层将图形刻蚀到基片, 整个过程与光学光刻工艺类似,对准性能好, 适合于多层加工。由于低黏度的光敏有机硅溶剂更容易充满设计复杂、特征尺寸精细的半导体芯片, 生产效率高, 因此更有可能成为半导体领域制造40nm节点甚至更小结构的主导技术。
纳米压印技术从1995 年提出到现在已有十几年时间。作为一种高分辩率、高产出率、低成本的纳米结构图形的复制技术, 已经受到世界上各个科技与工业发达国家的极大重视, 他们预感到这一技术将带来的巨大的经济效益, 投入了大量的人力和财力进行深入细致的研究, 每年有大量科技论文发表。所有微纳米加工技术国际会议都有纳米压印技术的专题, 并且已经召开了第一届以纳米压印技术为专题的国际会议。该技术的开发已经取得了丰硕的成果, 正一步一步朝着工业化生产的方向迈进。但是,中国现在在这一领或的研究明显不足。从文献检索上看, 中国只有少数科研机构初步尝试开发这一技术, 并还有待于深入下去。根据中国的国力和科技条件, 纳米压印技术应该是一项非常适合中国国情的高新技术。因为它需要成本低, 投资小, 而且见效快。希望国内科技界和工业界能够借鉴国外发展的经验, 把纳米压印技术尽快在中国开发起来, 为推动中国的纳米技术发展服务。
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