纳米压印光刻机压印头的设计和数字建模设计说明书.doc

大学 毕 业 设 计（论 文） 题目题目 纳米压印光刻机压印头的设计和数字纳米压印光刻机压印头的设计和数字 建模建模建模建模 学生姓名：学生姓名： 学生学号：学生学号： 指导教师：指导教师： 机械工程机械工程 学院学院 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 专业专业 班班 2011 年 6 月 15 日 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 专业 机械设计制造及其自动化 班级 姓名 下发日期 2011-3-6 题目题目纳米压印光刻机压印头的设计与数字建模 专题专题 主主 要要 内内 容容 及及 要要 求求 主要技主要技 术参数术参数 进进 度度 及及 完完 成成 日日 期期 教学院长签字日 期教研室主任签字日 期指导教师签字日 期 指 导 教 师 评 语 指导教师: 年 月 日 指 定 论 文 评 阅 人 评 语 评阅人: 年 月 日 答 辩 委 员 会 评 语 指导教师给定 成绩(30%) 评阅人给定 成绩(30%) 答辩成绩 （40%） 总 评 答辩委员会主席 签字 评 定 成 绩 摘要摘要 纳米压印光刻技术作为一种新的技术，存在许多不足之处。本论文的设计方案有 助于增大纳米压印光刻机的压印尺寸，根据此方案对压印头进行设计和数字建模。 在保证压印头的各种功能的基础上，对压印头进行总体设计，进而对其各个单元、 零件进行设计，其中包括：压下系统中的各个零件、压印系统的各个零件、气路系统、 光源固化系统。并根据要求进行了伺服电机、传动部件的计算和初步选择。 关键词关键词：压印头；精密加工；纳米压印；大面积压印 Abstract Nano stamping photolithography technology as a new technology, there are many disadvantages. In this paper, the design scheme of the help increase pressure seal nano scanner stamping size, according to the plan on the pressure seal head on design and digital modeling. In guarantee stamping head all sorts of functions of the foundation, on the head in overall design printed, and the various units, parts design, including: under the pressure of the system of each part, stamping system of each part, pneumatic systems, light curing system. And according to the requirements for servo motor, transmission parts of the calculation and the primary choice. Key words: the pressure seal head; Precision processing; Nano pressure seal; Large area stamping; 目录目录 摘要摘要I Abstract.II 目录目录.III 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 光刻压印技术.1 1.2 纳米压印技术及其发展5 1.3 本论文研究的主要内容和意义14 第二章第二章 压印头总体结构设计压印头总体结构设计.15 2.1 纳米压印方案.15 2.2 压印头的总体结构形式17 2.3 常见压印头的结构形式20 2.2.1 热压印22 2.2.2 微区纳米压印22 2.2.3 滚动式纳米压印23 2.2.4 气囊气缸式真空紫外纳米压印23 2.4 压印头的总体结构设计要求.24 2.4.1 压印头结构性能要求24 2.4.2 压印头其他要求25 2.5 压印头的总体结构的确定.27 第三章第三章 压印头的建模压印头的建模29 3.1 压印头各个零件设计.29 3.1.1 压下系统零件设计29 3.1.2 压印系统零件设计33 3.2 压印光刻机压印气路的设计.36 3.3 固化光源的设计.37 3.4 伺服电机的选择.38 3.5 传动部件的选择确定.41 3.5.1 丝杠的选择 41 3.5.2 联轴器的选择 44 第四章第四章 结论结论46 参考文献参考文献47 致谢致谢49 附件附件 1.50 附件附件 2.22 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 光刻压印技术光刻压印技术 1958 年美国德克萨斯仪器公司发明了集成电路(lntegrated circuit，IC)之后，随着 20 世纪 60 年代双极型和 MOS 型集成电路的发展，标志着由电子管和晶体管制造电子 整机的时代发生了质和量的飞跃，并且创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛 生命力的新兴产业-IC 产业。以全球电子产品和半导体产业的强劲发展趋势及在全球经 济中的主要地位，IC 产业已经成为现代国民经济乃至地区安全和全球经济的晴雨表， 是整个社会总体产业增长的动力和活力源泉。 IC 制造具有复杂的工艺链：晶圆制备、电路制造、封装等，其中电路制造过程最 为复杂，包括气相沉积、光刻、刻蚀、离子注入、扩散和引线等。决定 IC 特征尺寸大 小的关键和瓶颈技术就是其中的光刻环节。IC 特征尺寸的变化与光刻技术的发展关系 遵从着著名的摩尔定理。随着 IC 特征尺寸的减小，采用的曝光方式从接触式、接近式 到投影式；光源从 436 nm、365 nm、248 nm 到 193 nm;数值孔径从 0.35、0.45、0.55、0.60 到 0.70。当特征尺寸小于 100 nm 时，现有的工艺和光源都必须 再次更新，如离轴照明技术、相移掩模技术、浸没透镜技术筹作为目前提高光刻分辨 率的新技术正被研究和应用，但也仅仅是对光刻分辨率的有限提高。为了更进一步提 高光刻分辨率，延长光学光刻寿命，发展下一代的光学光刻技术，包括 X 射线、离子 束投影、无掩模、电子束投影、纳米压印和电子束直写等成为必要。 这些因素对我国 IC 业赶超西方先进水平是非常不利的，不符合我国现有国情。只 有采用较低资金投入，绕开光刻中光学难题的全新光刻工艺思路，才会给我国 IC 业的 大发展带来机会，尽快掌握 IC 制造核心技术，赶超西方先进水平已经成为国家政治、 经济、军事等发展的关键因素。下一代光刻技术压印光刻(lmprint lithography，IL) 就符合以上要求。 自 20 世纪 60 年代以来，半导体技术取得了飞速的发展，到现在仍遵循着“摩尔 定律”保持强劲的发展态势。 “摩尔定律”是 Intel 公司创始人之一的 Goldon Moore 于 1965 年提出的，即每隔约 18-24 个月，单个芯片上晶体管数目将增加 1 倍。为了赶上 迅速发精确度不够。 展的半导体技术，欧洲、日本、韩国、台湾与美国半导体产业协会合作制订了 国际半导体技术蓝图（ITRS），最新的蓝图进程如图 1-1 所示。 图 1-1 光刻技术潜在方案 蓝图认为目前挑战存在于拓展 193nm 节点光刻技术及发展新型下一代可替代方法 上。其中，拓展首先将在以下领域中有所进展：曝光设备、抗蚀材料和加工设备、制 模及设备和材料、临界尺寸测试、覆盖控制和缺陷检测度量设备。而制造 IC 光刻的主 要因素取决于临界尺寸（CD）控制、覆盖、缺陷控制和低成本。 同时，蓝图的延伸将仍然需要发展下一代光刻技术，例如 EUV、无掩模（ML2）、 压印光刻。因为下一代光刻将需要发展完全新的架构，因此，将其视为经济生产问题 来进行也成为主要挑战之一。 压印光刻技术既可以在大面积基片上重复、大批量地制备各种纳米图形结构，通过 并行处理制备多个零件，也不需要极为复杂昂贵的光学镜头和光学系统、电子聚焦系 统，同时又避免了光学曝光中的衍射和电子束曝光一起的散射现象，分辨率可达几个 纳米，因此具有强大竞争力，从根本上展示了纳米器件生产的广阔前景。2003 年，国 际半导体蓝图(ITRS)已经将压印光刻技术列为 32nm 工艺的候选方案之一。 纳米压印光刻(Nanoimprint lithography, NIL)是由华裔科学家美国普林斯顿大学的 CHOU 等在 1995 年首先提出的一种全新的纳米图形复制方法，它采用传统的机械模 具微复型原理来代替包含光学、化学及光化学反应机理的传统复杂光学光刻，避免了 对特殊曝光束源、高精度聚集系统、极短波长透镜系统以及抗蚀剂分辨率受光半波长 效应的限制和要求，目前压印的最小特征尺寸可以达到 5 nm。NIL 较之现行的投影光 刻和其他下一代光刻技术，具有高分辩率、超低成本(国际权威机构评估同等制作水平 的 NIL 比传统光学投影光刻至少低 一个数量级和高生产率等特点，已被纳入 2005 版的国际半导体蓝图，并被排在 16 nm 节点。现在普林斯顿大学、德克萨斯大学、哈佛大学、密西根大学、林肯实验 室、摩托罗拉、惠普公司及瑞士的 PaulScherrer 研究所、德国亚琛工业大学等众多知 名大学和研究机构都在致力于纳米压印光刻技术的研究、开发与应用。现有的纳米压 印光刻工艺主要包括热压印(Hot embossing lithography，HEL)、紫外纳米压印(Ultra- violet nanoimprint lithography ，UV-NIL)和微接触印刷(Microcontact print，-CP，MCP)。 目前全世界已有五家纳米压印光刻设备提供商，它们是美国的 Molecular Imprints Inc. ，Nanonex Corp，奥地利的 EV Group、瑞典的 ObducatAB 和德国的 Suss Microtec Co.，Inc.。尽管 NIL 从原理上回避了昂贵的投影镜组和光学系统固有的物理限制，但 因其属于接触式图形转移过程，又衍生了许多新的技术问题。其中 11 压印模具的制 作、套印精度、模具的使用寿命、生产率和缺陷控制被认为是当前最大的技术挑战。 半导体加工几十年里一直采用光学光刻技术实现图形转移,最先进的浸润式光学光 刻 在 45 nm 节点已经形成产能 ,然而 ,由于光学光刻技术固有的限制 ,已难以满足半 导体产业继续沿着摩尔定律快速发展。在下一代图形转移技术中,电子束直写.X 射线曝 光和纳米压印技术占有重要地位。其中纳米压印技术具有产量高、成本低和工艺简单 的优点,是纳米尺寸电子器件的重要制作技术。介绍了传统纳米压印技术以及纳米压印 技术的新进展 ,如热塑纳米压印技术、 紫外固化纳米压印技术、 微接触纳米压印技 术、 气压辅助纳米压印技术、 激光辅助压印技术、 静电辅助纳米压印技术、 超声 辅助纳米压印技术和滚轴式纳米压印技术等。 光刻技术采用了机械方法，也就是说，通过一个主模接触，使抗蚀剂层变为一种物 理形状，而这种形状作为一个刻蚀掩模，可以得到亚波长尺寸图型和结构。压印光刻 的这种机械特性消除了光刻方法依赖与光束能量相关的分辨率极限因素。 压印光刻技术的研究始于普林斯顿大学纳米结构实验室 Stephen Y.Chou 教授，将 一具有纳米图案的模版以机械力（高温、高压）在涂有高分子材料的硅基板上等比例 压印复制纳米图案，其加工分辨力只与模版图案的尺寸有关，而不受光学光刻的最短 曝光波长的物理限制，目前 IL（Imprint Lithography）技术已经可以制作线宽在 5nm 以 下的图案。其原理如图 1-2 所示。 首先在硅基板用丙酮等进行清洗，然后将阻蚀胶旋涂于硅基片上。当模板压向阻蚀 胶后并停止后，可用 UV 对其进行曝光照射，使阻蚀胶固化成型。然后模板移去，并 对在样品上没有固化的胶体用丙酮冲去。最后采用各向异性的反映离子干刻工艺将阻 蚀胶的图形转移到基片上。 图 1-2 纳米压印光刻技术的工艺流程 1.21.2 纳米压印技术及其发展纳米压印技术及其发展 纳米压印技术最早由 Stephen Y Chou 教授在 1995 年率先提出,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:热塑纳米压印技术、 紫外固化压印技术和微接触纳米 压印技术。 1 1步进闪光式压印技术步进闪光式压印技术 步进闪光式压印技术(SFIL)，是 Willson 在 Chou 的基础上发展起来，主要改进在 有机物薄膜的固化。Chou 和其他的研究组都采用降低温度来实现固化，而 Willson 采 用了光固化，从而使得工艺过程简单而快速，适用于微纳电子电路的集成。该技术中 所用的聚合物材料在室温下有着好的流动性能，故在压印过程中不需要加热，直接对 其进行压印。这中间就要求固化所用的光线对压在有机物材料上面的印章材料是透明 的，这样才能充分发挥光固化作用。除了固化之外的工艺过程，步进闪光式压印技术 和纳米压印技术完全相同的。步进闪光式纳米压印过程见图 1-3 所示 图 1-3 步进快闪式纳米压印技术 2 2紫外固化纳米压印技术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 GWill2s on 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 Si O2 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 600 nm700 nm,光刻胶要求黏度低 ,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 1-4 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。 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 1-4 紫外固化纳米压印技术工艺流程 3 3热塑纳米压印技术热塑纳米压印技术 热塑纳米压印技术主要的工艺流程制备高精度掩模板 ,一般采用硬度大和化学性质 稳定的 SiC、 Si 3N4、 Si O2 ,利用电子束蚀刻技术或反应离子蚀刻技术来产生图案; 利用旋涂的方式在基板上涂覆光刻胶 ,常见的是 PMMA 和 PS;加热至光刻胶的玻璃化转 换温度 ( Tg)之上 50 100 ,然后加压(500 kPa1 000 kPa)于模板并保持温度 和压力一段时间 ,液态光刻胶填充掩模版图形空隙;降低温度至 Tg 以下后脱模 ,将图 形从模板转移到基片上的光刻胶;采用反应离子刻蚀去除残留光刻胶 ,就将图形转移到 基板上。为了减小空气气泡对转移图案质量的影响 ,整个工艺过程都要在小于 1 Pa 的 真空环境中进行。压印过程如图 1-5 所示。 图 1-5 热塑纳米压印技术工艺流程 4 4滚轴式纳米压印技术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。 2009 年, L.J.Guo 等人报道了一种新的压印工艺大面积滚轴压印工艺。该工 艺有卷对卷和卷对板两种模式。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。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。工艺流程如图 1-6 和图 1-7 所示。 这种工艺主要由多个滚轴组成, 通过滚轴的转动以及滚轴与传送带之间的压力来 实现涂胶、压印、紫外固化和脱模。通过控制滚轴的转动速度以及滚轴与传送带底板 之间的压力,来控制压印胶的涂覆厚度以及压印压力。该工艺用高功率的紫外光源对压 印胶进行固化, 可使转筒的线速度达到 1 m /m in, 制得的图形精度可以达到周期 200 nm, 线宽 70 nm。这种工艺对模板的要求是软模板, 脱模性好; 对压印胶的要求是紫外 光固化速度快, 与底板的粘附力强。该压印工艺不仅解决了传统紫外压印和热压印工 艺不能一次大面积压印的难题, 而且整个压印过程为连续工艺, 可以大大提高压印的 效率, 降低压印成本, 不足之处在于最小特征尺寸还有待进一步提高。 图 1-6 卷对卷压印工艺 图 1-11 卷对板压印工艺 5 5微接触压印技术微接触压印技术 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 10 s20 s 后移开 ,硫醇会与金反应生成自组装的单分子层 S AM,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 S AM 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 35 nm,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 1-8 所 示。 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 1-9 所示。 图 1-8 微接触纳米压印工艺过程 图 1-9 毛细管微模制法工艺过程 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。 6 6金属薄膜直接压印技术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 50 000 N 的高压可以在 220 nm 厚的金属 薄膜上压出 73 nm169 nm 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 2MPa40 MPa。同时使用尖锐的掩模板,以增强对薄膜的 图 1-10 改进的金属薄膜直接压印 压力 ,如图 1-8 所示。利用油压系统提供 4 MPa20 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。 7 7激光辅助压印技术激光辅助压印技术 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 Si O2 ,据报道利用激光融化 Si 基板进行压印工艺可 以实现低于 10 nm 的特征线宽 ,工艺流程如图 1-9 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 1-11 激光辅助压印技术 8 8“缩印缩印”工艺工艺 早在 2003 年 YKChoi 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 1-12 所示。 图 1-12 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 1-13 所示 图 1-13 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。 表 1-1 各种压印光刻技术对比 1.31.3 本论文研究的主要内容和意义本论文研究的主要内容和意义 随着压印工艺对特征图形质量和效率要求的提高，对压印头进行分析和改进就成 了整片晶元纳米压印光刻机研制中不可或缺的一部分。本文设计的压印头采用大尺寸 整片晶圆纳米压印方法。 本文根据实际工况，建立了压印头的主体结构的实体模型，根据压印头的性能要 求和所实现的运动要求，对压印头的主体结构进行了分析设计并且充分考虑了整机尺 寸，并进行了实验研究。 “纳米压印”是一种全新的纳米图形复制方法。其特点是具有超高分辩率,高产量, 低成本。高分辩率是因为它没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散射现象。 高产量是因为它可以象光学曝光那样并行处理,同时制作成百上千个器件。低成本是因 为它不象光学曝光机那样需要复杂的光学系统或象电子束曝光机那样需要复杂的电磁 聚焦系统。因此纳米压印可望成为一种工业化生产技术,从根本上开辟了各种纳米器件 生产的广阔前景。纳米压印技术已经展示了广阔的应用领域。如用于制作量子磁碟, DNA 电泳芯片 , GaAs 光检测器 , 波导起偏器,硅场效应管,高密度磁结构 , GaAs 量 子器件 ,纳米电机系统和微波集成电路等。本文设计的整体大尺寸压印头可以使压印头 的结构及压印程序变得简单，在保证精度的同时提压印效率。 第二章第二章 压印头总体结构设计压印头总体结构设计 2.12.1 纳米压印方案纳米压印方案 本课题引入一种由支撑层、弹性层和结构层组成的三层复合结构透明的晶圆级软 模具，压印过程采用从模具中心位置向外侧方向逐渐均匀性微接触压印的方法，基于 新的模具结构并采用气体辅助压印力和毛细力共同作用下，实现压印力均匀分布、消 除气泡缺陷，并在小的压印力下实现大面积图形的复制（保证复形的精度和质量） 。脱 模过程采用模具从晶圆最外侧向中心小面积连续“揭开”式脱模工艺，在真空吸力和 水平力的共同作用下，采用微小的脱模力即可实现大面积脱模（一方面避免大面积接 触同时脱模需要较大的脱模力，导致对模具和复制图形造成损伤；另一方面避免单侧 揭开式脱模，因模具变形大导致其寿命短以及生产率低的缺陷)。压印过程和脱模过程 均以模具中心为对称轴，模具均匀和对称受力，压印和脱模过程两侧同时进行（极大 提高生产率和复形的质量） 。 根据整片晶圆纳米压印的工艺要求，软模具应该具有以下性能：良好的弹性弯 曲变形能力，确保压印过程和脱模过程工艺的实现；被转移图形具有高度的保真特 性，压印过程中将变形降低到最小，确保被转移图形的质量和精度；抗蚀剂减薄过 程中在整片晶圆区域保持均匀一致的压印力，确保获得均匀一致薄的残留层厚度； 软模具尺寸大，前期实验包含特征图形的最小尺寸直径达到 100mm；具有紫外光穿 透特性，确保抗蚀剂固化工艺的实现；具有良好的脱模性能，确保脱模过程中模具 与所复制的图形不发生粘连；使用寿命长，满足工业化生产的使用要求。为此，本 项目提出一种全新的三层复合结构透明的软模具，它由结构层、弹性层和支撑层三部 分组成。其中结构层包含所要复制的图形结构，弹性层位于结构层之上，支撑层位于 弹性层之上。结构层的厚度是 100-200 微米；弹性层的厚度是 400-700 微米；支撑层的 厚度是 100-200 微米。结构层、弹性层、支撑层的材料均为改性的 PDMS（聚二甲基 硅氧烷)，但其硬度不同；弹性层选用具有良好纵向弯曲变形性能软的 PDMS 材料，而 结构层和弹性层硬度为弹性层使用 PDMS 硬度的 2-3 倍。具体结构如图 2-1 所示。该 模具将纳米压印使用的硬模具的高分辨率和软模具易于弹性弯曲的优点结合起来。 图 2-1 三层模具 本项目提出大尺寸整片晶圆纳米压印方法，其基本过程如图 2-2 所示。具体包括 以下工艺步骤： 1）预处理过程。关闭压力管路，打开真空管路，模板吸附在压印头工作台面上 （具体说是模板的支撑层吸附于压印头工作台面中的凹槽里） 。将涂铺有抗蚀剂的晶圆 固定在工作台上，压印头与晶圆对正后，压印机构下降，直至压印头的支撑调节块与 晶圆工作台相接触。 2）压印过程 首先，从模板中心位置开始，将初始的真空状态转换至压力状态，在气体辅助压 印力和毛细力共同作用下，软模具的弹性层在中心位置纵向产生弯曲变形，局部开始 接触衬底上的抗蚀剂，模具中心位置的微纳米结构腔体开始被抗蚀剂所充填，如图 2- 2（a）所示；随后，从模具中心位置向外侧方向逐一将真空状态转换至压力状态，模 具结构层与抗蚀剂的接触面积不断扩大，直至整个模具结构层与整片晶圆上的抗蚀剂 完全接触，模具中的所有微纳米结构腔体被抗蚀剂所充填，如图 2-2（b）和 2-2（c） 所示；最后，所有压力通道的压力保持均匀一致性增大，实现液态抗蚀剂材料在模具 微纳米结构腔体内的完全充填，并且减薄至预定的残留层厚度。 3）固化过程 开启紫外光光源，紫外光透过模具对抗蚀剂曝光，充分固化液态抗蚀剂，如图 2- 2（d）所示。 4）脱模过程 首先，从晶圆最外两侧开始，关闭压力管路，打开真空管路，同时开启脱模用的 喷嘴。在真空吸力和喷嘴压缩空气产生水平力共同作用下，从最外侧开始模具与晶圆 相互分离，如图 2-2（e）所示；随后，从晶圆最外侧向模具中心逐一将压力转换回真 弹性层 支撑层 结构层 空状态，实现模具从晶圆外侧向中心连续“揭开”式的脱模，脱模力为真空吸力和水 平力的合力，如图 2-2（f）和 2-2（g）所示；最后，模具中心位置与晶圆相分离，实 现模具与晶圆的完全分离，完成脱模，如图 2-2（h）所示。 真空管路压力管路压印头复合模具 (a) 工作台涂铺抗蚀剂的晶圆 (b) (c) UV光源 (d) (e) (f) (g)(h) 脱模喷嘴 图 2-2 大尺寸整片晶圆纳米压印工艺过程示意图 2.22.2 压印头的总体结构形式压印头的总体结构形式 本机设备是一台采用龙门式布置的纳米压印光刻机,结构机械系统是由承片台、压 印头（紫外曝光系统安装在压印头内）、底座、机架等几部分组成的。光刻机结构简 图见图 2-3 所示。 图 2-3 纳米压印光刻机结构简图 压印头主要的功能就是定位模具与衬底，并对其施加一定的压力，使模具浸入阻 蚀胶中，从而形成特征图形。而要实现这些功能，必须有一个设计合理、运行稳定可 靠的载体为基本条件，这个载体就是压印头的机械机构部分。压印平头的总体机械结 构如图 2-4 所示。 光刻机的工作原理为：关闭压力管路，打开真空管路，模板吸附在压印头工作台 面上。将涂铺有抗蚀剂的晶圆固定在工作台上，压印头与晶圆对正后，压印机构下降， 直至压印头的支撑调节块与晶圆工作台相接触，从模板中心位置开始，将初始的真空 状态转换至压力状态，软模具的弹性层在中心位置纵向产生弯曲变形，局部开始接触 衬底上的抗蚀剂，模具中心位置的微纳米结构腔体开始被抗蚀剂所充填所示；随后， 从模具中 1 机架 2 滑块 3 导柱 4 压印头 5 连接杆 6 伺服电机 图 2-4 压印平头的总体机械结构 心位置向外侧方向逐一将真空状态转换至压力状态，模具结构层与抗蚀剂的接触面积 不断扩大，直至整个模具结构层与整片晶圆上的抗蚀剂完全接触，模具中的所有微纳 米结构腔体被抗蚀剂所充填所示；最后，所有压力通道的压力保持均匀一致性增大， 实现液态抗蚀剂材料在模具微纳米结构腔体内的完全充填，并且减薄至预定的残留层 厚度；开启紫外光光源，紫外光透过模具对抗蚀剂曝光，充分固化液态抗蚀剂所示； 从晶圆最外两侧开始，关闭压力管路，打开真空管路，同时开启脱模用的喷嘴。在真 空吸力和喷嘴压缩空气产生水平力共同作用下，从最外侧开始模具与晶圆相互分离， ； 随后，从晶圆最外侧向模具中心逐一将压力转换回真空状态，实现模具从晶圆外侧向 中心连续“揭开”式的脱模，脱模力为真空吸力和水平力的合力所示；最后，模具中 心位置与晶圆相分离，实现模具与晶圆的完全分离，完成脱模。 2.32.3 常见压印头的结构形式常见压印头的结构形式 纳米压印技术主要包括热压印(HEL)、紫外压印(UV-NIL)和微接触印刷(CP)。纳 米压印术是软刻印术的发展，它采用绘有纳米图案的刚性压模将基片上的聚合物薄膜 压出纳米级花纹，再对压印件进行常规的刻蚀、剥离等加工，终极制成纳米结构和器 件，可以大批量重复性地在大面积上制备纳米图形结构，并且所制出的高分辨率图案 具有相当好的均匀性和重复性。该技术还有制作本钱极低、简单易行、效率高等优点。 因此，与极端紫外线光刻、X 射线光刻、电子束刻印等新兴刻印工艺相比，纳米压印术 具有不逊的竞争力和广阔的应用远景。目前，这项技术最先进的程度已达到小于 5 nm 的水平。 当前开发纳米压印设备的公司都是一些名不见经传的公司，如 Nanonex、EV Group、 Molecular Imprints Inc(MII)和 Obducat 等，见下表 2-1 所示。 表 2-1 纳米压印设备生产厂商 公司名称公司名称所在地所在地备注备注 Molecular Imprints美国得克萨斯州 德克萨斯大学的分离公司，也许是半 导体行业最为关注的压印设备制造商， 拥有超过 100 名员工。 Suss MicroTec德国 Munich 掩模对准器和晶片压接工具制造商， 提供能够自动完成晶片处理过程的新 型压印设备。 Nanonex美国新泽西州 普林斯顿大学的分离公司，是最早的 纳米压印公司，出售抗阻材料、掩模 以及压印设备。 EV Group奥地利 掩模对准器和晶片压接工具制造商， 声称已经售出 40 台压印设备。 Obducat瑞典 压印设备的主要供给商，同时提供扫 描电子显微镜和电子束光刻工具。 在现今 IL 研究中使用的压印实验平台以及已经产业化的压印设备所采用的主要技 术基本上是沿用了传统光学曝光设备使用的空气弹簧、大惯性支撑平台和空气悬浮承 片台。比较有代表性的产品有美国得克萨斯州 Molecular Imprints 公司的 Imprio55、瑞 典 Obducat 公司的 6int 纳米压印设备，以及美国 Nanonex 公司的 NX2000 和德国 Suss MicroTec 公司的 NPS300 等。这些产品均沿袭了光学光刻在隔震和对准方面的优异特 性，但是在压印模具下压过程中采用空气悬浮工作方式的承片台容易产生平面位移， 无法保证分布压印过程中的纳米级定位要求37，因此这些设备主要应用于单层压印或 整片压印。 目前压印光刻机压印头的控制方式主要有活塞式、气囊式、丝杠螺母式三种方式。 活塞式控制就是采用实际的的驱动单元和连接活塞装置来直接驱动压印头完成压印头 的压下；而气囊式则是利用压缩气体充满气囊来驱动压印头完成压印头的压下；丝杠 螺母式压印头的压下通过伺服电机带动丝杠螺母而驱动压印头实现。 图 2-4 热压印系统结构图 2.2.12.2.1 热压印热压印 图 2-4 为热压印系统结构图,可以看出热压印工艺除对均匀加热及受力的需要外, 为了满足大面积压印过程中聚合物对模具凹槽填充的充分性和一致性,系统结构还需要 一个真空腔体,整个压印过程必须在真空状态下完成。工作状态下的真空度为,由分子 泵实现,时间在 3min 左右。另外,热压印过程中对找平机构的要求也非常高,这一环节 主要体现在承片台的调节设计和对准监测环节上。诸多因素决定了热压印工艺的应用 对象为图形单一、特征尺寸较大、产品批量要求低的制造领域。由此，可看出此结构 比较复杂且相关对准、调平等要求严格，因此，此结构不能应用于本项目中。 2.2.22.2.2 微区纳米压印微区纳米压印 图 2-5 为实际制作的微区纳米压印装备压印头结构示意图。气缸驱动导轨上的滑块 上下运动, z 轴电机驱动压印头在工作平面内旋转,微动开关用于z 轴运动强制限位。 缓冲器减缓模压头的冲击作用。采用 L IGA 工艺制作金属(Ni) 模版,安装于模仁夹具。 但是，本项目中的压印机应用于 6in 的整片压印，而图 2-5 结构仅用于微区微纳米压 印，因此，也不被本设计采用，却有很好的参考价值。 图 2-5 微区微纳米压印装备压印头部结构图 2.2.32.2.3 滚动式纳米压印滚动式纳米压印 滚动式纳米压印技术，是 Chou 在原有的平板压印的基础上于 1998 提出的。在平 板式压印过程中，对平板间的平行度，平板间的受力不均匀性以及平板的平整度等方 面，另外也是压印方式的一种选择。滚动式纳米压印技术可以两种方式来实现，如图 2-6 中的 a 和 b。在图 2-6a 中，通过微刻蚀技术在一个圆柱形的滚柱上面刻蚀出具有 微纳米特征尺寸的图案，然后通过滚柱滚动从而在 PMMA 薄膜上面留下与其图案相反的 图案。接下来，就跟纳米压印相同的图形糟移来是实现加工。在图 2-6b 中，压印过程 和纳米压印的都一样是平板压印，只不过在对印章施加压力的时候采用了滚柱来施加。 纳米压印技术和滚动式纳米压印技术的对比结果，Chou 没有对此描述。 （a）滚式压印装置 （b）两种不同的滚压方式 图 2-6 滚式纳米压印技术的机构和不同的压印方式 2.2.42.2.4 气囊气缸式真空紫外纳米压印气囊气缸式真空紫外纳米压印 图 2-7 是气囊气缸式真空紫外纳米压印系统设计原理图，该系统属于整体式压印， 即采用与基底材料面积相同的模板，一次性完成模板图形到基底材料的微纳米图案的 转印。其主要由三部分组成：气囊气缸式压印系统、真空室和管状紫外光源光学系统。 该系统压印面积范围 1OO mm，最大压印力 510 Pa，紫外强度 50 mWcm 。 图 2-7 气囊气缸式真空紫外纳米压印系统设计原理图 2.42.4 压印头的总体结构设计要求压印头的总体结构设计要求 2.4.12.4.1 压印头结构性能要求压印头结构性能要求 1.1.刚度稳定性刚度稳定性 在纳米级超精密运动控制中，传动系统的刚度(主要指动刚度)在运动过程中会呈 现周期性波动，该刚度的波动不仅影响系统的同步定位精度而且也影响整个系统的控 制制稳定性，控制系统的动态特性和驱动系统的伺服特性必须很好地匹配。 2.2.结构尺寸的选择结构尺寸的选择 结构尺寸，尤其是导轨长度首先要考虑移动行程的需要。此外，在满足刚度和其 他功能的前提下，做到结构紧凑，以减小压印头体积和重量.除外形结构尺寸受限外， 应在保证最大刚度，满足一定承载力及工作稳定性的前提下来考虑结构尺。 3.材料的选择材料的选择 压印头下压的过程需要保证机构有良好的刚性，选材要有较高的强度刚度，可以 选用硬铝合金和较好的钢材。 铝及铝合金其它金属材料相比，具有以下一些特点： 1）密度小，铝及铝合金的密度接近 2.7g/,约为铁或铜的 1/3。 2）强度高，铝及铝合金的强度高。经过一定程度的冷加工可强化基体强度,部分牌号 的铝合金还可以通过热处理进行强化处理。 3）导电导热性好，铝的导电导热性能仅次于银、铜和金。 4）耐蚀性好，铝的表面易自然生产一层致密牢固的 AL2O3 保护膜，能很好的保护基体 不受腐蚀。通过人工阳极氧化和着色，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性 好的变形铝合金。 5）易加工，添加一定的合金元素后，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好 的变形铝合金。由于具有优良的物理性能，铝在国民经济各行业和国防工业中得到了 广泛的应用。 2.4.22.4.2 压印头其他要求压印头其他要求 1.1.多层定位与对准技术多层定位与对准技术 在纳米尺度上进行精确的定位和校准，是纳米压印技术中最为关键的有待解决的 技术难题。现有可商用的对准精度最高也就是 l ym 左右。在纳米压印技术中，影响对 准精度的主要因素有：印章尺寸、在对准过程中聚合物的热稳定性和机械稳定性以及 印章和基片材料的选择。在多层定位和对准中，一般都用光学对准，其精度也就达到 l 扯 m 左右。而压电驱动技术能够提供小于 100 nm 的对准精度，仅仅用于较小尺寸的 印章。 2.2.生产效率生产效率 作为一种制造技术，尤其是并行制造技术，虽然说不能以传统的生产效率来评估 纳米压印制造。但可以大致通过对时间的把握对生产效率进行估计。这其中包括压印 时间，对准时间，清洗印章的时间和重新放置时间，甚至还有在印章或者聚合物上面 喷涂抗粘结层的时间等等。当然还有其他一些因素包括生产工艺的每个环节中影响生 产效率的主要因素： 3.3.印章尺寸印章尺寸 印章的尺寸决定每次压印的面积，故也就决定了生产效率。从纳米压印技术的发 展，印章的尺寸一直在增大，到现在已经有 6 英寸的报道了。当然印章尺寸的增大要 伴随着印章基片的尺寸和压印机压盘的尺寸。然而印章尺寸的增大会带来一些不利影 晌，其中有平行度如何实现，热变形等。 ， 4.4.印章的特征密度印章的特征密度 特征密度，即在单位尺寸上特征尺寸的多少。影响印章特征密度的因素有，聚台 物的流动性能、电子柬刻蚀技术的最高精度以及图形转移中的刻蚀技术的精度等等。 在给定面积上，印章上面拥有的特征尺寸越小，所能够生产的元件或者结构就越多。 5.5.聚合物的性能聚合物的性能 对聚合物材料的要求条件：低的热膨胀系数，使得在升降温前后体积没有太大的 变化；低的热压力收缩系数，使得处于高温中的材料在压力作用下，体积收缩变化不 大；低的玻璃相转变温度(Glass transition temperature)，这关系到加热温度的高 低。 还有聚合物的粘结性问题。为了保护聚合物形状和印章的寿命，通常做法就是在 印章或者 PMMA 上面喷涂抗粘结层。当然这里涉及到的因素有压印温度、聚合物的粘滞 性、聚合物与印章和基片间的界面能等。对聚合物的研究依然是纳米压印研究中的热 点问题，到如今使用的聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)， 甲基丙烯酸盐酯(Methyl-methacrylate，MMA)，甲基丙酸烯(Methacrylic acid，MAA)， mr-8000mr-9000 等等。 6.6.固化固化 在压印过程中，固化的方式有温度和紫外线(UltraViolet，uv)两种。固化速度则 取决于聚合物的自身性能，如玻璃相变温度，压印机所选择的冷却（对温度固化而言） 方式或者光固化材料的选择等等。 7.7.压印的温度和压力压印的温度和压力 在压印过程中，温度和压力是基本因素。为了压印过程的快速性和准确性，在保 证压印图形质量的情况下，温度和压力越低越好。谈及温度，都不可避免地谈到聚合 物材料的玻璃相变温度，这就涉及到聚合物材料的研究。上面所提到的 mr-8000 和 mr- 9000 的玻璃相变温度分别是 107和 63。相对于温度而言。压力的作用不是太明显 的 8.8.印章寿命印章寿命 由于现在发热研究处于试验阶段，对于印章的寿命只能是相对于个体而言。故无 法具体的给出。 9.9.标定、检测和标准化标定、检测和标准化 正如传统制造技术一样，整个纳米压印过程需要质量监控或者评估以及标准化。 这就需要制定评估压印产品质量的准则，这一点类似于传统制造中的公差。而标准化 的制定依赖于设计准则，故如今谈论标准化还为时尚早。 2.52.5 压印头的总体结构的确定压印头的总体结构的确定 为了获得高分辨率压印图形和压印较大压印面积，光刻机的压印头总体结构机架、 滑块、导柱、压印头、压印头连杆、伺服电机组成，以实现压印头的快动，而压印头 的压印力由压缩空气提供。在机械结构上，大行程由丝杠螺母带动压印头实现。模具 的压下是压印头的关键技术，它既能够保证模板抗蚀剂硅片结构间的接触均匀一 致。在设计中粗动工作台采用直线伺服电机带动精密丝杠来驱动；模具的压下力由压 缩空气实现。压印头的尺寸全高为 600mm，横梁以下的高度为 350mm（收缩状体下，当 达到最大行程时，高度为 510mm），此压印机构主要用于加工 4 英寸的晶片，压印头的 大体尺寸(长宽高)为 180mm180mm100mm，行程为 150mm。工作台压印头的总体 结构如下图 2-8 所示。 图 2-8 压印头结构图 第三章第三章 压印头的建模压印头的建模 3.13.1 压印头各个零件设计压印头各个零件设计 3.1.13.1.1 压下系统零件设计压下系统零件设计 1.伺服电机 2.联轴器 3.机架 4.丝杠螺母 5.导柱 6.直线轴承或轴套 7.丝杠 8.连接杆 图 3-1 压下系统结构爆炸图 1.1.导向机构导向机构 图 3-2 导向机构 如图 3-