（微电子学与固体电子学专业论文）纳米压印技术制作光子晶体结构及其应用研究.pdf

ad o c t o r a ld i s s e r t a t l o n r e s e a r c ho nf a b r i c a t i o no fp h o t o n i cc r y s t a l s b yn a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h ya n di t sa p p l i c a t i o n s u b m i t t e dt o s h a n g h a ij i a o t o n gu n i v e r s i t yf o r t h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h y i n m i c r o e l e c t r o n i c s & s o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s b y x i a o l il i j s u p e r v i s o r ： m r x i a o m i n gn i u p r o f q i n g k a n gw a n g s h a n g h a i ，p r c h i n a j u n e2 0 0 9 棚8 川3舢0m 6 删3舢8-y ! ： 。： 蒸 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 菇j 1 坩 嗍加p 细 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 ( 请在以上方框内打“”) 菇小 嘞r 细 i 上海交通大学博士学位论文答辩决议书 所在 姓名李小丽学号0 0 5 3 4 0 2 0 0 8微电子学与固体电子学 学科 指导教师王庆康 答辩 2 0 0 9 1 0 2 9 答辩 上海市纳米科技与产业发展促进中心 日期地点 论文题目 纳米压印技术制作光子晶体结构及其应用研究 投票表决结果： 【歹s 。 ( 同意票数，实到委员数应到委员数)答辩结论：叼通过口未通过 评语和决议： 该论文立足于国际上纳米结构加工技术前沿，针对l e d 出光效率低的问题，研究了利用紫外纳米 压印技术制作平面光子晶体结构的关键工艺( 包括模板设计与制作、基片和模板的清洗技术、光刻胶 薄膜制备技术、高精度纳米压印制程控制以及图形衬底转移技术等) ；以平面光子晶体提高l e d 光抽 取效率作为应用方向，研究了平面光子晶体提高半导体照明器件光抽取效率的理论与结构设计，以及 紫外纳米压印技术与l e d 半导体生产工艺的技术兼容性；成功制备出光子晶体l e d 器件，有效提高 了出光效率，为未来高效l e d 器件的研制和生产提供了新技术，论文取得的创新结果如下： ( 1 ) 开发出了一套气相法表面处理装置，研发了碳氟气相纳米压印模版表面处理技术，解决了纳 米压印过程中脱模难的问题，实现了利用紫外纳米压印构建平面光子晶体结构的制造技术。 ( 2 ) 利用湿法刻蚀工艺将凹模转换为凸模的纳米结构制备技术，成功制备出特征尺寸小于1 0 0 纳米的大面积平面光子晶体模板。 ( 3 ) 采用z n o 量子点与光刻胶复合，研究了功能化光刻胶，实现了功能化光刻胶纳米压印工艺。 ( 4 ) 采用薄膜光学理论、衍射理论和等效折射率理论，成功设计了针对提高l e d 光抽取效率的 光子晶体的排列结构、占空比、周期等特征参数。研究了紫外纳米压印技术与l e d 半导体制作工艺有 效集成的关键技术，成功制备出了光子晶体l e d 器件，有效地提高了其出光效率。 论文立论明确，理论分析合理，技术难度高，工作量大，研究结果可信，所形成的技术对高效 l e d 生产有明显指导价值。论文书写规范，结构完整，层次分明，答辩过程表述清楚，回答问题正 确，表明该生具有扎实的理论基础和专业知识，具备了独立从事科研工作的能力。经答辩委员会无记 名投票表决，一致同意通过博士学位论文答辩，建议授予李小丽工学博士学位。 ，_ 翻呓 秒矿9 年，口月巧目 职务姓名职称单位 签名 主席吴广明 教授同济大学 甏j 几 答 研究员中科院上海微系统与信息技术研 。缈辩 委员宋志棠 冉c r 委 委员 沈军教授同济哭学 谚砟 员 会 委员蓝闽波教授华东理工大学 成 窝c 躺义 员 委员 闵国全正高级高级工程师上海市纳米科技与产业发展促进 - 上_ 、 签 to u 名 委员 委员 秘书 高蜂高等学校教师上海交通大学娜 k_l-ii-fll1 k l r !。iii， 、 j，l! 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 】：i i 第一章绪论 1 1 纳米压印技术及其在纳米加工领域的地位1 1 2 纳米压印技术的原理及工艺2 1 2 1 热压印( h e l ) 2 1 2 2 紫外压印( i m n l l ) 3 1 2 3 微接触压印( c p ) 5 1 2 4 三种压印工艺的比较。6 1 3 纳米压印关键工艺技术7 1 3 1 模板制备技术7 1 3 2 高精度的压印制程条件8 1 3 3 纳米压印技术复型的尺寸效应9 1 4 纳米压印技术的应用小：1 2 1 4 1 纳电子器件1 2 1 4 2 数据存储器1 2 1 4 3 亚波长表面光学器件1 3 1 4 4 生物芯片和微流体器件1 3 1 5 光子晶体特性及制备技术：1 4 1 5 1 光子晶体的特性：1 4 1 5 2 光子晶体的制备1 5 1 6 光子晶体的应用1 7 1 6 1 光子晶体与光学器件：1 7 1 6 2 平面光子晶体在提高l e d 光抽取效率中的应用1 8 1 7 本论文的研究内容及研究意义2 1 1 7 1 本论文的研究内容2 1 1 7 2 本论文研究工作的研究意义及应用前景2 1 和，l&a0，1，r 上海交通大学博士学位论文 第二章紫外纳米压印平面光子晶体模板制备技术研究 2 1 引言2 7 2 2 紫外纳米压印模板材料及性能评价2 8 2 3 电子束光刻制备纳米压印模板3 0 2 4 利用湿法腐蚀工艺制备纳米结构紫外压印模版3 4 2 4 1 模板的制备过程3 6 2 4 2 模板的性能评价4 0 b 2 5 本章小结4 4 第三章z n o 量子点复合的u v - m l 光刻胶制备及光学特性研究 3 1 引言。4 7 3 2z n o 量子点复合的u v - n i l 光刻胶的制备和表征。4 8 3 3z n o 量子点复合的u v - n i l 光刻胶光学特性研究5 1 3 3 1z n o 量子点复合的u v - n i l 光刻胶紫外吸收特性5 1 謦 3 3 2z n o 量子点复合的u v - n i l 光刻胶荧光特性5 2 3 3 3 分析与讨论5 5 3 4z n o 量子点复合的u v - n i l 光刻胶的复型精度5 6 3 5 本章小结- 。5 9 第四章紫外纳米压印技术制造平面光子晶体的关键工艺技术研究 4 1 引言6 3 4 2 压印模板和基底的清洗工艺6 3 4 2 1 硅片的清洗6 4 4 2 2 石英模板的清洗6 5 4 3 压印模版表面的抗粘连处理技术6 6 4 3 1 纳米压印模版的关键技术参数：6 6 4 3 2 压印模版表面的抗粘连修饰技术6 7 4 3 3 气相抗粘连修饰技术6 8 4 4 紫外纳米压印技术工艺控制研究7 2 4 4 1 纳米压印光刻胶的薄膜制备7 2 4 4 2 紫外纳米压印过程及工艺控制。7 8 4 5 反应离子刻蚀图形转移技术8 3 4 6 本章小结8 6 目录 第五章平面光子晶体结构提高l e d 光抽取效率的理论与设计 5 1 引言8 9 5 2 光子晶体的理论研究与有限时域差分法( 舳) 9 0 5 2 1 y e e 氏网格9 1 5 2 2 麦克斯韦( m a x w e l l ) 旋度方程的差分展开9 2 5 2 3f d t d 法的数值稳定分析9 3 5 3 平面光子晶体提高l e d 光抽取效率的结构设计9 4 5 3 1l e d 芯片中光的传播模式9 4 5 3 2 光子晶体阵列的结构设计9 5 5 3 3 光子晶体的占空比和高度设计1 0 5 5 3 4 光子晶体的周期设计1 0 7 5 4 本章小结1 0 9 第六章光抽取效率增强的平面光子晶体l e d 制备技术研究 6 1 弓i 言i l l 6 2l e d 的制造工艺流程：1 1 1 6 3 纳米压印技术与半导体发光器件制造工艺的兼容性研究1 1 3 6 3 1 基于g a n 外延片的光子晶体纳米压印制备技术1 1 5 6 3 2 光子晶体l e d 芯片的制各。1 1 9 6 3 3 光子晶体l e d 器件封装1 2 0 6 4 平面光子晶体增强l e d 发光效率的检测与评估：。1 2 1 6 5 实验结果分析1 2 5 6 6 本章小结1 2 9 第七章：结论与展望 7 1 主要研究成果1 3 1 7 2 本研究工作的主要创新1 3 2 7 3 平面光子晶体对提高l e d 发光效率的前景展望1 3 3 7 4 纳米压印技术在构筑功能表面纳米结构领域的前景展望1 3 4 发表文章及专利1 3 5 致谢1 3 9 摘要 摘要 作为最有影响力的纳米结构加工技术之一，纳米压印技术因具有高分辨 率、低成本、可大规模生产等优势，在国际半导体技术蓝图( i t r s ) 中被列为 下一代3 2 n m 、2 2 n m 和1 6 n m 节点光刻技术的重要代表。自1 9 9 5 年华裔 科学家周郁( s t e p h e nc h o u ) 教授在a p p l 黝归l e t t 上首次提出纳米压印 概念以后，引起了业界的广泛重视和研究热潮。国外半导体设备制造商、材 料商以及工艺商纷纷开始涉足这一领域的研究工作，短短十多年来，已经发 展了热压印、紫外压印以及微接触印刷等多种压印形式。但是，和光学曝光 技术不同，纳米压印技术是一种接触式工艺，纳米尺度下的材料性能、高精 度压印制程、脱膜、尺寸效应等关键问题尚在研究之中，尤其是和现有半导 体工艺的兼容性尚没有妥善的解决方案。因此，纳米压印技术目前还处于实 验室研究水平，国际上只有少数半导体集成电路制造领先企业在尝试进行工 业化试验。 本论文工作研究利用紫外纳米压印技术制作二维平面光子晶体结构及 其应用。深入研究了紫外纳米压印的关键工艺过程。针对技术瓶颈，研究了 大面积低成本纳米压印模板的制备技术、功能化光刻胶的制备技术以及模板 表面抗粘连修饰技术。最后，以二维平面光子晶体提高半导体发光二极管 ( l e d ) 光抽取效率作为应用方向，研究了平面光子晶体提高半导体照明器 件光抽取效率的理论设计和工艺兼容实现。通过这些研究工作的开展，促进 了我国对纳米压印技术核心知识产权的掌握，推动了纳米压印技术的工业化 应用步伐。论文内容主要包括以下几个方面： 首先，针对电子束光刻技术直接加工纳米压印模板存在高成本、低效率 的瓶颈问题，发明了一种利用湿法刻蚀工艺将凹模转换为凸模的低成本、大 面积紫外纳米压印模板的制作方法。利用该方法获得了1 0 0n m 以下的光子 晶体纳米阵列结构。通过对紫外纳米压印光刻胶a m o n i l 进行功能改性， 制备了具有光致发光特性的氧化锌量子点( z n oq d s ) 复合的纳米压印光 刻胶，该光刻胶增强了z n oq d s 的荧光特性，并且保持了良好的紫外纳米 第1 页 上海交通大学博士学位论文 压印特性，拓展了纳米压印技术在l e d 等光电器件领域的应用。 深入研究了紫外纳米压印过程中基底和模板的清洗、模板的表面修饰、 光刻胶薄膜制备技术、高精度纳米压印制程控制技术以及图形衬底转移技术 等关键工艺。开发出了一套气相法表面处理装置，研究了碳氟气相表面处理 技术。修饰后的纳米压印模板对水的接触角由修饰前的3 3 。提高到11 3 。， 有效的降低了纳米结构模板的表面能，解决了纳米压印过程中脱模难的问 题。最终利用紫外纳米压印技术实现了对二维平面光子晶体结构的制造技 术，复型精度在10n m 以内。 最后结合光子晶体在提高l e d 光抽取效率中的实际应用，基于等效折 射率理论和薄膜光学增透理论，设计了在氮化镓基蓝光l e d 外延片表面构 建光子晶体的厚膜结构，提出了一组实验可行的光子晶体结构参数。研究了 紫外纳米压印技术与l e d 半导体制作工艺有效集成的关键技术，成功制各 出了光子晶体l e d 器件。经封装后初步测试结果表明，有光子晶体结构的 比没有光子晶体结构的l e d 器件在光通量、光效率以及光辐射功率等方面 最高分别提高了2 2 3 、3 6 6 5 、1 4 2 3 。实验测试与理论设计方案比 较结果表明，高占空比( 2 r a ) 的平面光子晶体结构有利于使局限在l e d 芯片内的光能量向自由空间耦合，从而提高光波的输出效率。同样的占空比 条件下，不同的周期和刻蚀深度对出光效率也有影响，周期越小，刻蚀深度 要求越高。这一结论为后续进一步优化理论设计方案，提高加工工艺具有指 导意义j 本论文的部分研究工作是和l e d 芯片制造商共同合作完成，器件制作 部分完全通过工业流水线进行流片，封装测试均按照目前厂商统一标准执 行，工艺过程与现有半导体工艺具有完全相兼容性。因此，本论文的研究工 作为纳米压印技术尽早实现工业化应用，推动更小、更冷、更快的纳电子半 导体产业发展具有更加现实的意义。 关键词：纳米压印，光子晶体，l e d ，光抽取效率 第页 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gn a n o s t r u c t u r ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s ， n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ( n i l ) h a st h ea d v a n t a g e s o fh i g h 。r e s o l u t i o n ， l o w - c o s ta n dl a r g e s c a l ep r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，n i lw a s c l a s s i f i e da so n e o ft h ei m p o r t a n tr e p r e s e n t a t i v e so fn e x tg e n e r a t i o nl i t h o g r a p h y ( n g l ) f o r t h e3 2 n m ，2 2 ma n d 16 n mn o d e si n t h ein t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g y r o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ( i t r s ) s i n c e 19 9 5 ，c h i n e s es c i e n t i s t ， p r o f e s s o rs t e p h e nc h o u ，p u tf o r w a r dt h ec o n c e p to f “n a n o i m p r i n t f o rt h e f i r s tt i m ei nt h ej o u r n a lo fa p p l p h y s l e t t ，i th a sa r o u s e dm o r e a n dm o e a 毗e n t i o na n dt h er e s e a r c hb o o mf r o mt h ea c a d e m i ca n di n d u s t r i a lc i r c l e s - f o r e i g n m a n u f a c t u r e r so f s e m i c o n d u c t o re q u i p m e n t m a t e r i a l s ，a n d t e c h n o l o g yp r o v i d e r sh a v eb e g u n t os e tf o o ti nt h i sa r e ao fr e s e a r c hw o r k i nt h el a s tm o r et h a nad e c a d e ，n i lh a sd e v e l o p e dw i t hs o m et y p e so f i m p r i n t i n g m e t h o d s ，s u c h a sh o te m b o s s i n gl i t h o g r a p h y ( h e l ) ， u v b a s e dn a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ( u v n il ) a n dp - c o n t a c tp r i n t ( p c p ) ， e t c n e v e r t h e l e s s ，a sac o n t a c tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo f n a n o s t r u c t u r e f a b r i c a t i o n ，s o m ek e yi s s u e so ft h en i lt e c h n o l o g y ，s u c ha sn a n o s c a i e m a t e r i a ip r o p e r t i e s ，h i g hp r e c i s i o ni m p r i n t i n gp r o c e s s ，d e m o l d i n g ，a r e s t i l l b e i n gi n v e s t i g a t e du p t on o w ，a n di np a r t i c u l a rc o m p a t i b i l i t yw i t h t h e c u r r e n ts e m i c o n d u c t o ri n d u s t r i a lp r o c e s si ss t i l l n o tu n a v a i l a b l e ，w h i c hi s d i f f e r e n tf r o mt h en o n c o n t a c tp r o c e s so fo p t i c a ll i t h o g r a p h y t h a ti st h e r e a s o nw h yn i li ss t i l la tt h el e v e lo fl a b o r a t o r yr e s e a r c ha n do n l ys e v e r a i s e m i c o n d u c t o ri n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) p i o n e e r sa r ei nt h ea t t e m p tt oc a r y o u ti n d u s t r i a it e s t s i nt h i sp a p e r ，t h ea i mi st of a b r i c a t et w o 。d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l ( 2 d p c ) s t r u c t u r ea n dd e v e l o pi t sa p p l i c a t i o n s t h ek e yt e c h n o l o g i e s i n t h ep r o c e s so f u v n i lw e r ed e e p l yi n v e s t i g a t e d r e s e a r c h e s o n l a r g e a r e aa n dl o w c a s tu v - n ils t a m pf a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，f u n c t i o n a l 上海交通大学博士学位论文 n a n o i m p r i n tr e s i s tp r e p a r a t i o na n ds t a m ps u r f a c ea n t i - s t i c km o d i f i c a t i o n w e r ec a r r i e do u tt os o l v et h eb o t t l e n e c k si nt h e p r o c e s s f o rt h e a p p l i c a t i o n ，t h eo p t i m i z e d 2 d p cs t r u c t u r ef o r i m p r o v i n g t h e l i g h t e x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fl e dw e r et h e o r e t i c a l l yd e s i g n e da n df i n a l l y f a b r i c a t e dv i a c o m b i n g u v n i la n ds e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s t h e s er e s e a r c hw o r k sa r en e c e s s a r yf o rm a s t e r i n gt h ec o r e i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r i g h t s ，a n dp r o m o t i n gt h e i n d u s t r i a l i z a t i o no fn i l t e c h n o l o g i e s p a p e rm a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w i n gc o n t e n t s f i r s t ， f o rt h ed i s a d v a n t a g e so fh i g h - c o s ta n dl o w e f f i c i e n c yo f f a b r i c a t i n gu v n ils t a m pd i r e c t l yb ye b l ，an e wp r o c e s sw a si n v e n t e dt o f a b r i c a t e2 d p cn a n o - a r r a y sw i t ht h ec r i t i c a ld i m e n s i o no fb e l o w10 0n m b yt r a n s f e r r i n g ac o n c a v ep a t t e r nt oac o n v e xn a n o s i z es t a m pv i aw e t e t c h i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hi s l o w c o s ta n dl a r g e - a r e ap r o c e s sa v a i l a b l e m e a n w h i l e ，an e wk i n do fu v - n i lr e s i s tw i t hp h o t o l u m i n e s c e n tp r o p e r t i e s w a sp r e p a r e db ym o d i f y i n gt h ei m p o r t e dn a n o i m p r i n tr e s i s t ，a m o n i l ，w i t h z n oq u a n t u md o t s ( q d s ) t h en e wf u n c t i o n a lu v - nilr e s i s tn o to n l y e n h a n c i n gt h ep h o t o i u m i n e s c e n tp r o p e r t i e s o fz n oq d sb u ta l s o p r e s e r v i n gt h en a n o i m p i n tc a p a b i l i t i e s ，w h i c he x p l o r e st h ep r o m i s i n g a p p l i c a t i o n si nt h eo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s t h ek e yt e c h n o l o g i e si nu v - n i lp r o c e s si n c l u d i n gs u b s t r a t ea n d s t a m pc l e a n i n g ，s t a m pa n t i s t i c km o d i f i c a t i o n ，p r e p a r a t i o no ft h er e s i s t f i m 。h i g hp r e c i s i o nn a n o i m p r i n tp r o c e s sc o n t r o l l i n g a n d p a t t e r n t r a n s f e r r i n gt ot h es u b s t r a t ew e r es t u d i e di nd e t a i l av a p o rd e p o s i t i o ns e t w a sd e v e l o p e df o rt h es t a m ps u r f a c ea n t i s t i c kt r e a t m e n t t h ec o n t a c t a n g l eo ft h es t a m ps u r f a c ew a se n h a n c e df r o m3 3 。b e f o r em o d i f i e dt o 113 。a f t e rm o d i f i e d 。w h i c hr e s o l v e dt h ep r o b l e mo fd e m o u l d i n gd i f f i c u l t y i nt h eu v n i lp r o c e s s u l t i m a t e l y 。t h e2 d p cs t r u c t u r ew a sf a b r i c a t e db y u v n i ls u c c e s s f u l l yw i t ht h ea c c u r a c yw i t h i n10n m f i n a l l y ，f o rt h e a c t u a la p p l i c a t i o n t oe n h a n c et h el i g h te x t r a c t i o n e f f i c i e n c y o f l e d ，u s i n gt h ee q u i v a l e n t r e f r a c t i v ei n d e xt h e o r ya n d a n t i r e f l e c t i v eo p t i c a lf i l mt h e o r y ，t h e2 d p cs t r u c t u r e so nt h es u r f a c eo f 第1 v 页 g a l l i u mn i t r i d e ( g a n ) o fl e de p i t a x i a l w a f e rw e r ed e s i g n e d as e to f 2 d p cp a r a m e t e r sw a sp u tf o r w a r d w i t ht h e e f f e c t i v ei n t e g r a t i o no f u v n i la n dl e ds e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，p c l e d sw e r e m a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l y a f t e rc h i pp a c k a g e s ，t h ei n i t i a l t e s tr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tp c l e d sh a dc l e a r l yi m p r o v e m e n tt h a n t h a tw i t h o u tp c s t r u c t u r e si nt h ef l u x ，l i g h te f f i c i e n c ya n dl i g h tr a d i a t i o nw i t ht h eh i g h e s t i n c r e a s e sb y2 2 3 。3 6 6 5 。14 2 3 r e s p e c t i v e l y c o m p a r i n g t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t ht h et h e o r e t i c a ld e s i g n s ，i tw a ss h o w nt h a tt h e 2 d p cs t r u c t u r ew i t hh i g hd u t yr a t i o ( 2 r a ) w a sc o n d u c i v et o t h el i g h t e n e r g yl i m i t e d i n t ot h el e dc h i pt ob ec o u p l e do u tt ot h ef r e e s p a c e ， t h e r e b ye n h a n c i n gt h ee f f i c i e n c yo fl i g h t o u t p u t d i f f e r e n tp e r i o d sa n d e t c h i n gd e p t h so f2 d p c s t r u c t u r e sa l s oh a v ei n f l u e n c e so nt h el i g h t e x t r a c t i o ne f f i c i e n c yu n d e rt h es a m ed u t yc y c l e t h es m a l l e rt h ep e r i o d ， t h eh i g h e rt h ee t c h i n gd e p t hw a sr e q u i r e d t h i s c o n c l u s i o nh a sg r e a t s i g n i f i c a n c e f o rt h ef u r t h e rt h e o r e t i c a lo p t i m i z a t i o n a n d p r o c e s s i m p r o v e m e n t p a r to ft h es t u d i e si nt h i sp a p e rw a sc a r r i e do u tc o o p e r a t i n gw i t ht h e l e dc h i pm a n u f a c t u r e r t h ed e v i c ep r o d u c t i o np r o c e s sw a sc o m p l e t e d t h r o u g ht h e i n d u s t r i a ll i n ea n dt h ep a c k a g i n g a n dt e s t i n gw e r ei n a c c o r d a n c ew i t ht h ec u r r e n ts t a n d a r d t h e r e f o r e ，i m p l e m e n t a t i o np r o c e s s h a sc o m p l e t e l yc o m p a t i b i l i t yw i t ht h ee x i s t i n gs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y a c c o r d i n g l y ，t h ep r e s e n tr e s e a r c hw o r ki n t h i sp a p e rs h o wm o r ep r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ef o rt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s o fn i li nt h ed e v e l o p m e n to ft h e n a n o e l e c t r o n i cs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yt ot h ea i mo fs m a l l e r ，c o l d e r ，f a s t e r n a n o d e v i c e s k e yw o r d s ：n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ，p h o t o n i cc r y s t a l s ，l e d ， l i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c y l 第一章绪论 第一章绪论 纳米结构制造是纳米科技发展的重要一环。 自从集成电路发明以来，图形转移是通过光刻技术来实现的。随着集成电路 制造技术的线宽尺寸按摩尔定律不断缩小( 每1 8 个月性能提高一倍，价格降低一 半) ，这就要求用更短波长的光作为曝光的光源，导致下一代光刻技术的出现， 如电子束光刻、x 射线光刻、离子束光刻、极紫外光刻等。电子束光刻虽然分辨 率高，但产量低，加工成本高，只能用在加工关键层，比如接触孔或通孔；x 射 线光刻( 使用波长0 1 - - ，1 0n m 的x 光) 的光源及模板制造要求很高，同时，高能 辐射会破坏掩膜和透镜中的许多材料，导致光刻成本高；而极紫外光刻( 使用波 长10 - - 一7 0n m 的紫外光) 必须采用精度极高的反射式光学系统，同样导致成本剧 增。因此，研究开发高分辨率、高产量、低成本的纳米结构加工方法成为纳米科 技领域的研究热点之一，并且得到工业界的广泛重视。 1 1 纳米压印技术及其在纳米加工领域的地位 2 0 世纪9 0 年代中叶，美国普林斯顿大学周郁( s t e p h e nc h o u ) 教授提出了 纳米压印技术概念，他先后在( a p p l p h y s l e t t 、( s c i e n c e ) 、j v a c s c i t e c h n 0 1 1 - 3 发表的三篇文章，向人们展示了种新型的、以模板为基础的纳 米结构制造技术。该技术借鉴中国四大发明技术之一印刷术，结合现代微电 子工艺和材料技术，克服了光学曝光中由于衍射现象引起的分辨率极限等问题， 显示了超高分辨率、高产量、低成本等适合工业化生产的独特优点，很快受到业 界的赞赏，并激发起广泛的研究兴趣。 十多年来，纳米压印技术得到了迅猛发展。目前，这项技术最先进的制程已 经达到5 n m 以下的水平1 4 j 。2 0 0 2 年，第一届国际纳米压印技术大会在美国旧金山 举行，迄今已经举办了七届。2 0 0 3 年，纳米压印技术作为下一代纳米加工技术， 被国际半导体技术蓝图规划为3 2 n m 、2 2 n m 以及1 6 n m 节点光刻技术的代表之一 【5 】，见图1 1 。 第1 页 上海交通大学博士学位论文 图1 1 半导体技术的发展蓝图( 2 0 0 3 ) f i g 1 1i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a p f o rs e m i c o n d u c t o r s ( r r r s ) r o a d m a p ，2 0 0 3 1 2 纳米压印技术的原理及工艺 ， 纳米压印技术的基本原理是：先通过电子束光刻和干法刻蚀等常规微电子工 艺制作出一个具有纳米图形结构的模板。压印时首先在基片( 例如硅、石英玻璃 等) 表面涂一层有机物( 光刻胶) ，当有机物具备合适的流动性时，模板与基片 表面物理接触并使有机物