《论文集》逝去的412

1、微纳米压印技术发展综述

　　微纳米压印技术发展综述

　　摘要：介绍纳米压印光刻技术的研究现状和发展状况，分析常用的热压印、紫外固化压印及微接触压印三种光刻的工艺过程。在此基础上对大面积连续压印进行简单的技术分析。探讨纳米压印光刻方法的优缺点及影响压印图形质量的主要因素，旨在加深对纳米压印光刻工艺过程（模具制作、压印过程及图形转移）深层次的理解和认识，从而解决纳米压印光刻过程中存在的一些关键问题，为新型纳米压印技术的研究和发展提供必要的科学依据。
　　关键词：微纳米压印；工艺过程；关键问题
　　Overview of Nanoimprint Technology Development
　　Cao Gui-ying
　　(College of Information Science and Engineering,
　　Huaqiao University, Xiamen 361021, China)
　　Abstract: This paper introduces the research and development of nanoimprint lithography technology and analyzes the three common lithography processes, thermal nanoimprint, UV cured nanoimprint lithograpy and microcontact printing. On this basis, a simple technical analysis of the large area of continuous nanoimprint was carried out. For getting better quality , the method and main factors of nanoimprint lithography pattern are discussed, for the purpose of deepening the understanding of the nanoimprint lithography process( mould fabrication , stamping process and pattern transfer ) , solving some key problems of the nanoimprint lithography process, and providing the necessary scientific basis for research and development the new nanoimprint lithography technology .
　　Key words: nanoimprint lithography; process; key problems

　　1 引言
　　纳米压印技术最早由StePhen Y Chou教授在1995年提出[1]，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。传统纳米压印技术主要有三种:热压纳米压印技术、紫外固化压印技术和微接触纳米压印技术[2]。
　　纳米压印技术相对于电子/离子束光刻、紫外光刻等微纳加工手段来说，具有操作简单、极限分辨率高(< 10nm)、重复性好、生产效率高、设备成本低等优点，所以一经提出就被称为“可能改变世界的十项技术之一”，并被纳入国际半导体发展蓝图。
　　2 热压纳米压印技术
　　热压印（HEL）的工艺过程如图1所示，在均匀涂布热塑性高分子光刻胶（如PMMA）的硅基板上，利用电子束直写技术制作具有纳米图案的Si或 SiO2模版。在硅基板上的光刻胶加热到玻璃转换温度(GTT)以上，将模具以一定的压力盖在硅基板上，模具的空腔中就会填入光刻胶，再经冷却、刻蚀后处理便可得到所需的纳米图形[3]。由于热压印高温、高压的工作条件，图1 热纳米压印工艺流程
　　Fig 1 Processes of thermal nanoimprint
　　往往会产生图形尺寸的形变误差和难、于脱模的现象，要提高热压印的图形质量，需要从印模，压印材料，脱模以及对准等方面入手。
　　2.2热压纳米压印的印模
　　纳米压印是复制印模图形的过程。因此印模的质量好坏直接决定了印压图形的好坏。对于热压纳米压印，印模材料必须是硬质材料，以承受足够的压力。印模图形必须用其他加工技术制作，通常为电子束曝光或光学曝光，然后进行刻蚀或者金属脱溶。所以印模材料必须与上述加工技术兼容，印模图形本身可以由硅，二氧化硅，氮化硅或金属形成。
　　2.3热压纳米压印材料
　　对热压纳米压印聚合物材料的基本要求是较低的玻璃化转变温度(Tg)，以降低压印温度;较低的黏塑性，以保证聚合物材料的流动性和对印模空腔的充分填充；较小的收缩性，以保证冷却后的压印结构不变形；较好的抗刻蚀性，以保证压印图形能够通过等离子体刻蚀完整地转移到衬底材料上。过去常用的压印材料有光刻胶，电子束抗蚀剂，PMMA，PS（聚苯乙烯）等。近年来开发出一些专门用于热压纳米压印的聚合物材料，例如NXR系列材料和mr-I[4]。
　　6.4热压纳米压印的脱模
　　有了高质量的印模和合适的压印材料还不能保证有高质量的压印图形结构。压印后的脱模也是一个关键的工艺环节。在3种情况下脱模会对压印图形造成破坏:一是压印材料黏附在印模上;二是印模图形侧壁表面粗糙，当印模拔出时在印模与压印图形之间形成较大摩擦力;三是印模浮雕结构的侧壁坡度不合理，当拔出印模时连带将压印材料拔出。
　　4 紫外固化纳米压印技术
　　使用热压印技术进行三维结构压印时，光刻胶必须经过高温、高压、冷却的相变化过程，压印产品图案的变形现象往往会产生于脱模之后，为解决此问题，M.Bender和M.Otto提出一种在室温、低压环境下利用紫外光硬化高分子的压印光刻技术[5]，其工艺过程如图2所示，前处理与热压印类图2 紫外固化纳米压印工艺流程
　　Fig 2 Processes of UV-NIL
　　似，其图案模板材料必须采用能使紫外线穿透的石英等透明材料。在硅基板涂布一层低黏度、对UV感光液态高分子光刻胶。在模版和基板对准完成后，将模版压入光刻胶层并且照射紫外光使光刻胶发生聚合反应硬化成形，然后脱模、进行刻蚀基板上残留的光刻胶，即可完成整个紫外固化压印光刻的工艺过程[6]。因为这一技术解决了热压印存在的一系列问题，得到了越来越广泛的接受。实现紫外固化纳米压印的关键，一个是透明印模，另一个是紫外固化聚合物材料。
　　4.1 透明印模
　　制作透明印模最常用的底板材料是空白光学掩模。主要是因为其对紫外光有高透明度，已经有一层金属铬薄膜可直接作为掩模层以及光学掩模的制作工艺已经非常成熟。但是纳米压印印模要比普通光学曝光掩模较难制作，因为压印印模的图形尺寸与压印图形一致，印模加工制作是个难点。
　　4.2 抗蚀剂制备
　　在亚100 nm范围, 抗蚀剂 (或称为光刻胶) 的材料选择对光刻的分辨率有着重要的影响。在紫外纳米压印技术中, 光刻胶的成分大致分为两种:第一种是自由基聚合物, 如丙烯酸酯单体的聚合物;第二种是阳离子聚合的紫外光固化聚合物, 如硅氧烷-二环氧单体的聚合物、多面体低聚倍半硅氧烷 (POSS) 以及含环氧基聚硅氧烷等材料[7]。常用的紫外纳米压印光刻胶有PAK-01 (Toyo Gosei 公司生产) 、SU-8 (Micro Chem 公司生产) 、mr-UVCure 系列 (Micro Resist Technology公司生产) 以及AMONIL (AMO GmbH公司生产) 等, 都具有良好的流动性以及较低的黏性。衡量光刻胶的性能还包括其他因素, 如固化速率、热稳定性和抗干法刻蚀性能等。
　　各种具有不同优点的光刻胶也随着紫外纳米压印技术的发展而出现:mr-NIL210[8]是Micro Resist Technology公司在2016年研发出的新型紫外纳米压印光刻胶, 作为一种有机抗蚀剂, 可以用氧等离子体简便地除去, 而且新的材料对PDMS模具有更低的渗透性, 从而可以延长模具的寿命;Polyset系列胶体则注重更高的分辨率, 配合PDMS软模可以稳定地转移50 nm精度的图形[9];此外还有mr-NIL6000等利用混合工艺的胶体, 需要前烘处理后再曝光, 其优点在于压印图案具有较高的稳定性。
　　6 微接触印刷
　　微接触印刷是由White Sides等人于1993年提出的[10]。具体的工艺如图3所示，采用硅片制作基板，将液态的聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂于其上，当PDMS凝结成弹性固体时，可以将其揭下作为模板，将表面涂有硫醇试剂的模板压在带有金属表面的硅片基板上，由于硫醇与金的表面起反应形成一层高度有序的薄膜称为自组装单层(SAM)，即可复制模板上的图案并对其做后续处理[11]。此方法可进行50nm结构的复制工作，有效降低压印成本，提高工作效率，特别是“一版多印”，即用一个模板又可以完成多次印刷，这是微接触印刷的优势所在。
　　图3 微接触印刷工艺流程
　　Fig 3 Processes of uCP
　　7 大面积连续压印技术
　　以上所介绍的纳米压印都是基于半导体硅片加工的平对平压印,即压印模板是平面的，衬底材料也是平面的。从批量化生产角度出发,这种平对平纳米压印的产出率是有限的,因为平面衬底需要一片一片地复制。近年来，出现了许多对大面积表面微纳浮雕结构的需求。例如，表面覆盖蛾眼形状的纳米浮雕结构后可以大大降低表面的光反射[12]。大尺寸平板显示屏中有许多微米量级的表面浮雕结构。这些浮雕结构目前都用大面积光学曝光工艺实现。如果采用压印技术，可以大大提高产出率，并降低加工成本。目前为半导体硅片加工或高密度磁盘加工所开发的平对平纳米压印只能在小面积上实现。而大尺寸平板显示中的光学薄膜要求整体连续的微结构。因此，用小尺寸印模重复压印的方法已不再适用。
　　实现大面积压印有两种方式:平压与滚压。平压通常指用平面模板压印，压印的衬底材料是单张的。基材可以是柔性的，也可以是刚性的，如玻璃。平压也可以实现大面积微结构复制。例如，已经有报道在300 mm×400 mm的玻璃衬底上实现大面积纳米压印[13]。平压的难点在于如何控制整个压印表面的压力均匀分布，同时要防止局部残留气泡。解决的方案包括用气囊而非机械式施加压力，以获得均匀的压力分布;将压印区置于真空腔体内，确保压印胶中无残留气泡。另外一种解决方案是采用柔性印模，用滚压的方式完成整幅衬底的压印，滚压的好处是压模与基础材料的接触面积依小，较容易获得均匀的压力,并减少残留气泡发生的可能性。
　　7 结束语
　　即便是纳米压印让纳米加工的成本下降了许多，但从实际上来看其成本依旧很高，这和目前现有的印模加工技术，印模材料，压印材料，印模对准有很大的关系，这让其很难达到量产，真正进入工业化阶段。
　　虽然现在纳米压印技术有着不可忽视的技术难点，但不可否认的是压印技术的确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、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[2]。随着一个个技术问题被解决，纳米压印技术肯定会微纳加工技术的一种重要方式。

　　参考文献：
　　[1] Stephen Y Chou , Peter R Krauss , Preston J Renstrom. Imprint of Sub 25 nm vias and trenches in polymers[J].Applied physics letters, 1995.
　　[2] 段智勇, 罗康. 纳米压印技术进展及应用[J]. 电子工艺技术, 2010,49(8) : 35 - 36.
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　　[13] Choi w, et al. Development of a large area plate-to-plate type UV imprinting tool. Microelectronic Enginee