[發明專利]紫外/熱壓固化型納米壓印方法與壓印機

無效

• 申請號: 200810235047.0
• 申請日: 2008-11-07
• 公開（公告）號: CN101403855A
• 公開（公告）日: 2009-04-08
• 發明（設計）人: 袁長勝;葛海雄;韓民;丁懷平;陳延峰
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G03F7/00
• 分類號: G03F7/00
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司
• 代理人: 湯志武;王鵬翔

一、技術領域

本發明屬微納結構與器件先進制造新技術應用領域，主要涉及一種用于微米與納米微結構材料與器件的制備與制造新技術與新工藝，其中主要包括在真空環境下的利用高壓氣體進行納米與微米微結構的納米壓印技術，紫外光與加熱兩種壓印膠固化手段的納米壓印機及采用PLC進行壓印與固化等全過程的自動化控制方法及結構。

二、背景技術

微結構材料與器件的制造技術是當今微電子、光電子與集成光子器件等廣大領域中的關鍵技術。因為目前的科學研究表明，很多材料和器件當進入到微小尺寸，特別是在納米尺度范圍內顯示出許多全新的物理和化學性質，因此高效低廉與高穩定性的納米微結構制備技術的開發與應用在這些領域中的研究與批量生產即顯得具有至關重要的意義。納米制備(nanofabrication)技術是指制備尺寸小于100nm結構圖案的技術，這一技術最直接的應用就是半導體芯片上集成電路的制造與加工，它同時對集成光電子與光子器件產生的持續深入發展起著極大的推動作用，另外這一技術還可廣泛應用于制造其他微納器件，如微納機電系統，生物芯片，微型化學反應器與化學分析儀，高靈敏度各類傳感器件等許多高科技領域，還有當今生命科學研究的前沿處于納米和分子水平上，同樣需要這種制備技術的強力支撐。作為一項最成熟也是最成功的微納結構與器件的制備技術，光刻技術(photolithography)為半導體與微電子產業的發展作出了不可磨滅的貢獻，但隨著集成度與存儲密度及運算速度的不斷提高，相關器件的尺度相應也要求越來越小，這樣在光刻工藝中，除了對其他工序要求越來越高之外，曝光波長也越來越短。隨之發展了深紫外與極紫外曝光技術，使得器件制造成本越來越高昂，盡管近年來發展了曝光波長更短的下一代光刻技術，如X射線光刻、電子束光刻以及離子束光刻等新技術，但由于這些技術的生產成本極高，以及其他一些致命的不足之處，目前以及近期很難用于器件的大規模生產，同時由于上述技術大多以半導體大規模集成電路生產為研究目的發展出來的，對其他非半導體器件的制備與生產存在嚴重不足，如投資巨大，生產條件要求很高等等。從上世紀九十年代以來，人們開始尋求簡單高效低廉的納微米結構與器件的制備工藝與技術，如掃描探針方法，自組裝方法等，但納米壓印技術是最有前途的大面積高效低廉的納微結構器件制備技術。

納米壓印(Nanoimprint?lithography)是上世紀九十年代中期美國Princeton大學Nanostructure?Lab的Stephen?Y.Chou教授首先提出類似于高分子模板刻印的一種技術，并且成功證明通過這一技術可以在半導體硅片上獲得尺寸小于10nm的結構單元。納米壓印技術的工藝過程如附圖1a所示，它的工作原理是將具有納米結構的模板通過一定的壓力，壓入加熱熔融的高分子膠層薄膜內，待高分子材料冷卻或固化，即納米結構定型后，移去模板，然后再通過等離子刻蝕等傳統的微電子加工手段把納米結構進一步轉移至半導體硅片上。由于進行納米壓印時需要較高的壓力(數十大氣壓)，容易破壞模板上的納米結構，不利于模板的反復多次使用；同時印制過程需加熱使高分子熔融軟化，但由于模板、高分子材料與基板的熱膨脹系數不同，加熱與冷卻過程中產生的應力也會造成納米結構在轉移與復制過程中產生缺陷。為此美國德州大學奧斯丁分校的C.G.Willson研究小組提出了步進曝光壓印技術(step?and?flash?imprint)，其工藝過程見附圖1b，即采用粘度低、流動性好的可紫外光固化預聚物體系作為納米壓印材料，將其滴在基片上，利用液體特有的毛細現象，當模板與可紫外固化預聚物接觸后，不需要外界壓力，就可使紫外固化材料很容易地注入模板的納米結構內，并通過紫外光使其快速固化，從而使納米壓印過程可以在室溫與較低的壓力下迅速完成(這里需一定的壓力，是為了使模板和基板上的紫外光固化材料能夠很好的接觸)，達到了可規模化生產應用的要求，從而也突破了納米壓印上述一大瓶頸問題。但該方法形成的壓印殘留層厚度不均勻，較難通過等離子刻蝕技術實現納米結構圖案的精確轉移。Stephen?Y.Chou小組基于步進曝光壓印技術，在熱壓印基礎上發展了基于旋轉涂膜的可紫外光固化的納米壓印技術，可在基片上形成厚度均勻的可紫外光固化預聚物液體膜，壓印后殘留層的厚度也保持均勻，可實現較大面積納米圖案的精確轉移復制，其壓印出的納米結構最小尺寸達到5nm。