应用传统紫外光刻机进行紫外压印.docx

EPE电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products Manufacturing微纳加工技术应用传统紫外光刻机进行紫外压印董晓文 1,2, 司卫华 1,2, 顾文琪 1( 1.中国科学院电工研究所, 北京 100080;2.中国科学院研究生院, 北京 100049)摘 要: 基于紫外光固化的紫外纳米压印技术可在常温常压条件下实现纳米结构批量复制, 具有 高分辨率、高效率和低成本的优点。通过对紫外纳米压印原理和工艺的分析, 制备了石英玻璃模板, 实现了在商用紫外固化聚合物 OG154 上的紫外纳米压印, 转移复制了具有 100 nm 特征的 5 cm 5 cm 面积的纳米结构图形。同时, 介绍了如何利用传统紫外光刻机的套刻对准系统进行紫外纳米 压印和套刻对准的方法。关键词: 纳米压印; 紫外; 模板中图分类号: TN405文献标识码: A文章编号: 1004-450（72007）03-0043-03UV Nanoimprint Lithography Using Conventional Mask Aligner EquipmentDONG Xiao-wen1,2，SI Wei-hua1,2，GU Wen-qi1,2(1.Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China；2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)Abstract: UV-based nano imprint lithography is performed under low pressures and does not need thermal cycles. This technique has many advantages such as easy operation, high resolution, high repeti- tion, and low cost etc. In this paper we present results of Nano Imprint Lithography using conventional Mask Aligner equipment. Polymer OG154 for UV nanoimprint lithography was studied in this paper.we present printing results of 100 nm features over a 5 cm5 cm area .Keywords: Nanoimprint lithography；UV；Stamp1引 言自 1995 年纳米压印技术提出以来，人们希望 通过该技术实现低成本、高分辨率、高效率、大面积的批量制备纳米结构。但是，传统的热压印技术需 要加热、高压环节，从而造成压印环节复杂、难于控 制。1999 年，美国得克萨斯州大学的研究小组提出 一种在室温、低压环境下利用紫外光固化聚合物的收稿日期: 2007-02-08作者简介: 董晓文，男，1980 年生，中国科学院电工研究所微纳加工研究部，在读博士生。主要从事纳米压印技术工艺、应用及 设备的研究。微纳加工技术电 子 工 业 专 用 设 备EPEEquipment for Electronic Products Manufacturing紫外纳米压印技术，业已成为纳米压印技术研究的 主要方向1-2。 通过对该技术的研究，我们筛选了3hr = !3vR4 4F一种较为适合紫外压印技术的紫外固化胶，同时利 用传统紫外光刻机实现了套刻对准功能。在实验 中，制备了具有 100 nm 特征尺寸的 5 cm5 cm 面 积石英玻璃透明模板，并且成功转移复制了模板上 的微细结构。2 紫外压印原理图 1 为紫外压印技术原理，将具有紫外固化功 能的聚合物材料通过滴管滴在基片上，再用模板将 其展开，其压力控制小于 1 105 Pa。然后通过紫外 光照射，固化聚合物，从而实现模板上图形的转移， 其中模板材料通常为石英玻璃等透光材料。脱模分 离后，通常还会通过反应离子刻蚀将残留层去除， 在无紫外固化胶凸起图形的地方暴露出基片。透明模板紫外光聚合物 基片(a)聚合物涂数(b) 压印与紫外光固化残留层(c) 脱模(d)反应离子刻蚀图 1 紫外压印技术原理在紫外压印过程中，聚合物是图形转移的中间 媒介。聚合物的黏度系数、收缩率和弹性系数以及 光固化时间等参数直接决定着压印后聚合物薄膜 的残留厚度、压印速度和最终压印质量。所以选用 的聚合物可以为高分子光敏固化树脂，在性能上应 具有高感光速度、低黏度系数以及尽可能小的弹性 形变和固化收缩率3-4。由于聚合物具有流动性，根 据 Navier-stokes 方程，留膜厚度的计算方程为：其中，hr 为压印后残留聚合物的厚度，F 为施加的压力，为聚合物粘度，v 为压印速度。 从式中可以看出，要使聚合物残留厚度越小，施加的压力要越大，且聚合物的黏度要越小越好。 模板和基片对准加压后，采用紫外光固化聚合物，紫外光固化聚合物的基本原理如下5：链的引发：PI hv RR + CH2 = CHR RCH2CHR链的增长：RCH2CHR + nCH2 + CHR R(CH2C HR)n - CH2 - CHR(P)链的中止：R + R R - RP + P P - PP + RH P - H + R P + O2 P - OOPOO+ RH POO - H + R在 UV 的辐射下，液态聚合物中的光引发剂受 激发变为自由基或阳离子，从而引发聚合物中含不 饱和双键物质间的化学反应，形成了固化的体系结 构，使聚合物固化。3透明模板制备首先，采用电子束直写刻蚀技术在镀有 Cr 的 5 cm5 cm 面积的石英玻璃上刻蚀具有 100 nm 特征尺寸的模板，即在石英玻璃表面形成具有高度 140 nm、最小线宽为 100 nm 的凸起物为 Cr 的微细 图形。然后，将该模板放置在反应离子刻蚀机中刻 蚀二氧化硅，其表面的 Cr 作为保护层，最后使用湿 法腐蚀法去除二氧化硅表面的 Cr，形成表面具有 100 nm 特征尺寸，高度 50 nm 的透明二氧化硅模板。图 2 为用光学显微镜观察的二氧化硅透明模 板，图案主要有深孔阵列和环形波带图形。4压印设备本实验采用的是传统紫外光刻机自带的紫外 光源，波长为 365 nm，主要因为该光刻机使用超高4（4总第 146 期）Mar. 2007EPE电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products Manufacturing微纳加工技术压球形汞灯发光，谱能量在可见和紫外区，主要集 中在几个狭窄的谱带, 如 313.2 nm、334.1 nm、365/ 366.3 nm、404.7 nm、434.8/435.8 nm、540.1 nm、577 nm 等；其中在波长为 365366.3 nm 的能量辐射最强, 是一种很好的紫外光源，其能量分布如图 3 所示。图 4传统紫外光刻机对准系统图 2二氧化硅透明模板OG154 的紫外固化胶6，该胶为单一组分，固化前相对光辐射能量100365/366.3504.1为白色透明液体，固化后颜色为白色透明，但当紫外固化时间过长时，胶体颜色会泛微黄色。该紫外 固化胶的固化紫外功率 100 mW/ cm2 ，当固化胶体 的厚度在 300400 nm 时所需的固化时间为 12 min。实验发现，该聚合物具有良好的抗粘性，与玻312.6/313.250434.8/435.8577/579璃、硅片等表面洁净光滑的基片材料不会发生粘连，302.6 334.1 404.7253.7200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 波长 /nm图 3超高压球形汞灯光能量分布曲线利用紫外光刻设备的对准系统，可进行紫外压 印的套刻对准，图 4 为传统的紫外光刻机的对准系 统。首先使用该设备的球形找平平台使待压基片和 透明模板平行，再通过 x、y 轴平移台、双目双视显 微镜对准。将紫外固化胶滴到基片表面，再通过对准 系统自身的升降台挤压基片和透明模板。完成以上 步骤后，即可使用紫外压印系统的自身的紫外光源 照射模板，聚合物完全固化后卸载模板、基片。该系 统自身产生的力范围为 0.140 N，因而压印的残留 层较厚，如需较薄的残留层则不适合在该系统压印。5压印实验紫外固化胶为 EPO-TEK 公司生产的型号为非常容易剥离。由于该聚合物很难附着在硅片上，222.11 nm00.52001501005001.0nm1.500.5 /m 1.01.5/m通常将其附着在纸张上实验，或者压印后该聚合物 独立形成一层具有微结构的薄片。图 5 为用 OG154 聚合物紫外压印的在扫描探针显微镜下的局部图 形，结果表明基本完成对石英模板微结构的复制。图 5 在扫描探针显微镜下的局部图形（ 下转第 63 页）EPE电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products Manufacturing企业访谈方面的人员。而且在 TurboDisc 金属有机化学汽相 沉积方面我们的技术应用人员达到了一定的技术 水平，可以协助和客户共同开发一些制程。现在我 们公司的已经有技术人员在台湾地区给客户提供 一些服务。记者: 我们知道，荆总您有着非常资深的工作 经验，请您谈一下 Veeco 公司优秀的企业文化，及 员工良好的团队拼搏精神。荆先生: 我在半导体领域的工作时间超过 16 年，大部分时间是在中国本土工作，我的这些工作 经历，对我今后的工作生活带来了很大的帮助。维 易科（ Veeco）公司在 2001 年后取得了很大的发展， 其间在全球收购其它的公司进行整合。现在我们公 司对员工培养的企业文化叫“ One Veeco”，维易科（ Veeco）的员工随着公司的发展而成长，无论你是 什么部门，无论你是在那里，都要以一个崭新的面 貌代表世界一流的公司给客户提供一流的服务。在 今后的发展中我们还会继续保持一种快速、灵活的 战略思路。简 介荆亦仁：从事半导体领域的工作时间超过 1516 年，积累了 非常丰富的工作经验，早在 1995 年加入美国应用材料公 司，曾担任中国公司地区事业部总经理，并曾在应用材料公 司美国总部从事全球市场销售工作，成绩斐然。2006 年 7 月，加入美国维易科（ Veeco）精密仪器有限公司，担任公司 副总裁兼中国区总经理，秉承维易科发展的强劲动力，使维 易科的年销售持续保持 30%以上的增长速度。!（ 上接第 45 页）6结论随着紫外光固化技术的发展，紫外固化聚合物 的性质主要关注附着力、热稳定性、机械性能等7。 然而，紫外纳米压印技术还要达到必要的图形分辨 率、精度、均匀性，还需考虑紫外固化聚合物的特 性、紫外光能量、固化速度、固化环境等因素。大面积高精度图形的套刻对准是影响纳米压 印技术发展的障碍，采用通常光学对准最高只能达 到水平对准精度 100 nm 量级，受温度、压力、图形 面积造成的材料变形、机械精度等因素影响，实际 4 英寸模版对准精度只能达到 1m 量级。由于紫外 纳米压印技术方法是在常温常压下进行的，因而具 有传统紫外光刻机对准系统的紫外纳米压印方法 已越来越受到重视。本文中，我们使用了传统紫外 光刻机进行紫外压印实验，结果表明当选用合适的 紫外固化聚合物，且所需压印力小于 40 N 的情况 下，完全可以利用该设备进行紫外压印实验，同时 可利用光刻机设备自身的对准系统，进行压印套刻 对准功能。但是受该设备自身压印力和紫外光源波 长的限制，导致压印样片的残留层的厚度较厚，且 只能选择与该设备紫外波长相匹配的紫外固化聚 合物。当然，如果条件允许也可购买其它类型的紫外光源结合紫外光刻机对准系统使用，例如如果紫 外固化聚合物仅需要普通紫外光源照射即可固化， 便可利用光刻机对准系统对准再使用普通紫外光 源照射。总之，紫外光源的选择与所用的紫外固化 聚合物特性应该相互匹配。参考文献:1 Neville K.S. Lee. An Ultra-precision Alignment System for Micro Machining J. 2002 IEEE International Confe- rence on Volume 2, pp1142-1145.2 M. Colbum, S. Johnson, M. Stewart, S. Damle, B. J. Choi,T. Bailey, M. Wedlake, T. Michaelson, S. V. Sreenivasan,J. Ekert and C. G. Willson: Proc. SPIE 3676 (1999) 379. 3 SCHEER H C，SCHULZ H. A contribution to the flowbehaviour of thin polymer films during hot embossing lithography J. Microe