（机械设计及理论专业论文）纳米压印光刻技术原理与实验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文介绍了纳米压印光刻技术的原理并进行了相关的实验研究 目的在于研究采 用纳米压印光刻技术制备三维微结构的工艺 以促进此项技术更快的走向广泛的实际 应用 本文首先介绍了纳米压印光刻技术的原理 以及纳米压印光刻技术的趋势和面临 的挑战 并针对这些挑战提出了可能的解决方案 为了满足纳米压印光刻技术研究的需要 本文研制了纳米压印光刻机 该光刻机 可以同时满足热软化纳米压印光刻和光固化纳米压印光刻的需要 并能够适应从纳米 级到毫米级各种尺寸范围微结构加工的需要 在该纳米光刻机的设计中 一种新型的 楔形补偿模块被研制 该模块避免了国外设计中存在的问题 提高了图形加工的均匀 性 而且还具有过载保护的辅助功能 针对光刻胶力学性能测试的要求 本文研制了一台聚合物单轴试验机 该试验机 能够同时对温度和压力加载 以测试聚合物光刻胶在不同温度下的力学性能 试验机 的研制还包含了一种高精度六维力传感器的研制 该传感器通过新颖的基体结构设计 和巧妙的布片方案实现了结构解耦 大大简化了信号处理电路的设计并降低了成本 本文还进行了与温度相关的光刻胶力学特性研究 这些研究对纳米压印光刻工艺 中温度 压力等参数的控制具有指导性的意义 此外 本文在总结传统的样品加热方 式的基础上 提出了模板加热的工艺方案 理论分析和实验结果证明 该方案比常规 的样品加热方案具有更好的图形复制效果 针对纳米压印光刻最重要的高分辨率特点 本文采用扫描电子束曝光制备了纳米 级模板 并采用该模板在p m m a 光刻胶上制备成功2 0 0 r i m 直径的点阵列 此外 针 对纳米压印光刻在制备三维微结构方面的优势 采用热压印方法制备了二元光学微透 镜阵列 折射微透镜阵列 微流体通道 血糖检测芯片封盖等 本文还对热压印工艺 中温度 压力 脱模温度等参数的对实验结果的影响进行了研究 并摸索出合适的工 艺参数 关键字 纳米压印光刻光刻技术三维微加工纳米加工 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i sp r e s e n t st h ep r i n c i p l ea n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fn a n o i m p r i ml i t h o g r a p h y t h ep r i m a r yo b j e c t i v ei s t o i n v e s t i g a t e t h ea p p l i c a t i o no fn a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h yi n t 1 1 r e e d i m e n s i o n a l m i c r o s t r u c t u r ef a b r i c a t i o na n dt o s t u d y t h e p r o c e s s c o n t r o lo f n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y i nt h i st h e s i s an a n o i m p r i n ts y s t e mi sd e s i g n e da n ds e tu p t h i sn a n o i m p r i n ts y s t e mi s d e s i g n e d t ob es u i t a b l ef o rb o t ht h e r m a l n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y a n d u v c u r i n g n a n o i m p r i n t f u r t h e r m o r e i tp e r f o r m a n c e sv e r yw e l li n3 d m i c r o s t r u c t u r ef a b r i c a t i o nw i t h s i z ef r o m2m i l l i m e t e r st o5 0n a l l o m e t e r s an o v e ls a m p l ew e d g ec o m p e n s a t i o nm o d u l ei s a l s op r e s e n t e d w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h ep a t t e mu n i f o r m i t yo ft h ef i n a lm i c r o s t r u c t u r e b e s i d e s t h ew e d g ec o m p e n s a t i o nm o d u l e h a si t ss e c o n d a r yh m c t i o no f o v e r l o a d p r o t e c t i o n a p o l y m e rs i n g l e a x i sm e c h a n i c a lt e s t e r i sa l s op r e s e n t e dt os t u d yt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f ap h o t or e s i s ta td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e b e c a u s eag o o dc o n t r o lo fn a n o i m p r i n t p r o c e s sr e q u i r e s f u n d a m e n t a lu n d e r s t a n d i n go ft h eu n d e r l y i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p o l y m e r s a n e ws i x a x i sf o r c es e n s o ri sd e s i g n e da n db u i l tf o r t h es i n g l ea x i st e s t e ra n di t s p e r f o r m a n c ei sv e r i f i e d t h ef o r c es e n s o rf e a t u r e sh i g hl e v e lo f i n t r i n s i cd e c o u p l i n go ft h e s i g n a l sf r o mt h es t r a i ng a u g e s w h i c hg r e a t l ys i m p l i f i e st h ed e s i g no f t h es i g n a lp r o c e s s i n g s y s t e ma n d r e d u c e sc o s t t h em e a s u r e m e n t p r i n c i p l ea n ds i m u l a t i o nr e s u l t so f t h e s e b s o ra r e p r e s e n t e d a n dt h ed e c o u p l i n ga l g o r i t h mi sd i s c u s s e d t h r e e t y p e o fm o l d sf a b r i c a t i o n p r o c e s sf o rn a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h ya r ea l s op r e s e n t e d u s i n gt h e s em o l d s n a n o d o t a r r a yw i t h2 0 0 r i md i a m e t e r b i n a r yo p t i c a lm i c r o l e n sa r r a y r e f r a c t i v em i c r o i e n sa r r a y c r o s sm i c r o f l u i d i cc h a n n e la n dc a pf o rg l u c o s et e s ts t r i p sa r e f a b r i c a t e db yt h e r m a ln a n o i m p f i n tp r o c e s s f u t h e r m o r e t h ec o n t r o lm e t h o do fi m p r i n t t e m p e r a t u r e s e p e r a t i o nt e m p e r a t u r e p r e s s u r ea n do t h e rp a r a m e t e r si nn a n o i m p r i m p r o c e s s j ss t u d i e d k e y w 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 h o t e m b o s s i n gl i t h o g r a p h y n a n o f a b r i c a t i o n 一 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 尽我所知 除文中已经标明引用的内容外 本论文不 包含任似其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做 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 l 堋的法律结果山本人承担 学位论文作者签名 焚f 杰 j 期 如 铲年 月 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许 论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 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 年解密后适用本授权书 奉论义属于 不保密回 请在以 万框内打 妒 缓吩吻 学位论文作者签名 负瑾建 i 划 孙 毕 三年月z 3h 指导教师签名 应卅 日期 舫阵驴月2 拍 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪言 一尺之锤 同取一半 永世不竭 这是我国古代流传下来的物质无限可分的思 想i lj 无独有偶 美国亚利桑那州立大学的一位教授也说过 生命是有限的 但微型 化是无限的 l i f ei sl i m i t e d b u t m i n i a t u r i z a t i o ni s u n l i m i t e d 自古以来 科学技术的发展 都在不断的推拓宽人们认识世界的思路 一方面不断向地球 月亮 星际 太空等宏 观方向开拓 一方面也不断向着微观世界进行了孜孜不倦的探索 尤其是在近半个世 纪以来 可以毫不夸张的说 微型化 m i n i a t u r i z a t i o n 的趋势引领了2 0 世纪下半叶 直到2 l 世纪初科学技术发展的潮流并方兴未艾 过去三十多年来 以集成电路为核心 的微电子技术迅速发展集中反应了微型化这一技术发展的趋势 高密度 超高频器件 不断出现和发展 促进了以计算机 网络技术 通信技术 多媒体技术等为代表的信 息技术的飞速发展 例如 自2 0 世纪6 0 年代以来 集成电路一直按照摩尔定律不断 更新换代 即单个芯片中集成的晶体管数目每1 8 个月翻一番 再如 5 0 年代以来 磁存储的密度也按照每1 0 年不少于l o 倍的速度发展 尤其最近1 0 年的时间 磁存储 密度增加了1 0 0 倍 达到了高于l o g b i n 2 的水平 近几十年来 人们认识和改造微观世界的脚步由微米到纳米不断前行 已故美国 著名物理学家 诺贝尔奖得主r i c h a r df c y n m a n 于1 9 5 9 年在美国加州理工学院的一次 题目为 在底部仍有很大空间 t h e r e i sp l e n t y o f m o r n a t t h e b o t t o m 的讲演中提出 从石器时代开始 人类所有的技术革新都与把物质做成有用的形态有关 而从物理学 的规律来看 不能排除从单个分子甚至原子出发而组装制造物品的可能性 r i c h a r d f e y n m a n 憧憬的说 如果有一天可以按人的意志安排一个个原予 将会产生怎样的奇 迹 随着科学技术的进步 这个梦想在今天已经有可能成为现实 并形成了一门崭 新的科学技术 纳米技术 并成为面向2 1 世纪的研究热点 1 9 7 4 年 科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工 1 9 9 0 年 美 国国际商用机器公司 i b m 阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了 重排 他们使用扫描隧道显微镜把35 个氤原子移动到各自的位置 组成了i b m 三个 字母 而三个字母加起来 还不到3 个纳米长 这一成果是纳米技术新的里程碑 纳米科技是2 0 世纪9 0 年代初才逐步发展起来的 是现代物理 介观物理 量子力学 和混沌物理等 和先进三堡垫查 生墨塑 堂皇王塑塑塑蹩堂呈丝焦簦堇丕 塑绫盒笪二 一 华中科技大学硕士学位论文 门前沿科技领域 纳米技术是至少包括材料 加工 测量和控制的统 体 白春礼院 士在谈到纳米时代时蜕过 纳米时代是否到来的重要标志是纳米器件本身的研制水平 和应用程度 2 l 而纳米器件的研制则从根本上取决于纳米结构制作技术的发展和成熟 纳米结构制作技术是纳米器件研制的前提 该技术已成为当前世界科学研究急需 解决的问题 美 日 德等发达国家对此十分重视 纷纷投入了大量的人力 物力进 行研究开发 1 9 9 1 年3 月2 2 日 美国国家关键技术委员会向美国总统提交了 美国 国家关键技术 报告 将纳米技术列为政府重点支持的2 2 项关键技术之一 美国国家 基金会将纳米技术列为优先支持的关键技术 康奈尔等多所大学设立了纳米技术研究 开发机构 日本将纳米技术列为优先高科技探索研究项目之一 投资2 亿美元进行研 究开发 筑波大学交叉学科研究中心将纳米技术列为两个主要发展方向之一 目前纳米图形制作的主要途径有两个 一种是自下而上 b o r o mu p 的方法 如采 用现代化学技术 由单个原子聚积而成 或者采用扫描隧道显微镜和原子力显微镜移动 单个纳米颗粒或纳米管线 使其排布成特定的结构 但是 这种方法实际上是在显微 镜观察下用手工费力的构筑纳米结构 它只适合于制作临时性的 实验性的单个纳米 器件 很难成为批量制作的一中工艺 另一种是自上而下 t o pd o w n 的方法 如 采 用光刻与刻蚀配合的方法在物体上制作纳米量级图形 其最少图形尺寸受光刻系统分 辨率的限制 采用t o pd o w n 方式制作纳米级小尺寸图形需要一种可靠的商分辨率刻印技术 以确保图形特征尺寸达o 1um 甚至更小 对于批量化高精密图形及器件的制作 不仅 要求刻印技术具有较高的分辨率 还要求能够高效率 大面积的图形制作 在半导体工业基础上发展起来的光学光刻技术是目前最成熟的刻印技术 经过不 断发展 满足了0 1um 以上尺寸图形刻印的要求 但在应用到纳米级微小结构制作时 则面临了很多问题 尤其是在分辨率方面 其光刻分辨率受光波波长和光学系统数值 孔径的限制 而无法得到根本的提高 为了提高光刻系统分辨率以制作更小特征尺寸 的图形 新的光刻技术不断涌现 即下一代光刻技术 n 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 如 电子柬光刻 e b l x 射线光n x a l 离子束投影光亥u i b l 极紫外光 亥o e u v l 等 电子束光刻具有极高的分辨率 甚至可以达到原子量级 电子束曝光制作的最小 尺寸可达1 0 2 0 n m 而且 电子束光刻是无掩模直写的 因此灵活性较好 但电子束 光刻有一个很大的缺点就是生产率极低 因为电子束光刻是采用扫描方法来制作图形 的 因此 目前电子束光刻一般只用来制作高精度掩模 一 一 2 华中科技大学硕士学位论文 极紫外线光刻技术 使用波长1 0 7 0 r 1 i n 的紫外光 和x 射线光刻技术 使用波长o 1 1 0 n m 的x 光 也有其难处 如 常规的透镜不能透过极端紫外光 也不能使x 光聚 焦 高能辐射也会迅速破坏掩模和透镜种的许多材料 因此掩模制作困难 更重要的 是 这些方法所使用的设备极其昂贵 离子束曝光技术起源于2 0 世纪7 0 年代 自从8 0 年代后才得到真正发展 由于离 子质量比电子大 所以散射少的多 具有比电子束光刻更高的分辨率 不过 离子束 光刻尚处于发展阶段 需要解决抗蚀剂的曝光深度 掩模制作 高能离子束源及离子 束聚焦等问题 距离实用化还有很长的路要走 3 l 因此上述几种光刻工艺都因其固有的缺点而无法短期内在高分辨 高效率的图形 刻印领域得到广泛应用 扶另一个角度出发 近十几年来飞速发展并迅速走向应用的微机电系统 m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s m e m s 技术 对高分辨率三维结构的制作提出 了更高的要求 微机电系统是指适于批量制作的 集微型机构 微型传感器 微型执行器 信号 处理和控制及通讯接口电路 能源等于一体的能完成特定功能的微系统 4 1 9 8 7 年美 国u c b e r k e l e y 和a t t 在硅片成功制备微型马达 齿轮和连杆机构 标志着微机电 械系统技术的诞生 自诞生以来 微机电系统迅速发展并在医疗 生物 航空航天 军事 通讯 i t 消费电子 环保监测 汽车 家电 仪器仪表等领域得到了广泛应 用 并在更多领域具有潜在的应用价值 与微电子技术相比 微机电系统技术的一个很重要的特点就是常常要求进行三维 微结构的加工 而不是仅仅是平面图形 目前 服务于微机电系统技术的微加工技术 主要有以下几种 1 以光刻 干法刻蚀为主要手段的表面硅工艺 2 以光刻和湿 法腐蚀为主要手段的体硅工艺 3 和以x 光深光刻 电铸制模和注模复制为主要工 艺手段的非硅结构工艺 l i g a 工艺 4 以激光 微电火花和超精密切削与磨削为 主要手段的特种微加工工艺 其中表面硅工艺能与集成电路工艺完全兼容 但却不能 加工真正的三维微结构 其它的体硅加工 l i g a 工艺和特种微加工虽然能制造多种 材料的三维结构 但要通过键合 微装配实现系统集成 显然 这些工艺与集成电路 工艺很难兼容 从而导致生产成本增加 使微系统的功能也受到限制 如果能研究出 适合m e m s 本身特点的三维微制造工艺 与集成电路工艺兼容 且使用材料更为广泛 除了硅材料外 还可采用压电 磁性 热电 光电等功能材料 这对m e m s 的发展特 别是工业化发展会带来突破性的作用 尤其是近几年来 纳机电系统 3 华中科技大学硕士学位论文 n a n o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s n e m s 的发展也为高分辨率三维结构的制冬提 出了更高的要求 因此m e m s 技术和n e m s 技术的发展也要求有一种分辨率更高的 高效率的三维微结构制备技术的出现 练上所述 采用传统的光学光刻方法制造越来越小特征尺寸芯片的成本越来越高 甚至影响摩尔定律的继续作用 5 微型化趋势的不断发展要求有更简单 更经济的方 法来制作 0 1um 的纳米尺寸图形结构 此外 微机电系统 纳机电系统的发展也要 求有更高分辨率的三维微结构制作技术的出现 在研究人员的努力下 纳米压印光刻 技术 n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y n i l 应运而生 1 2 国内外研究现状 i 2 1 国外发展溉况 1 9 9 5 年美国明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室的s t e p h e n y c h o u 等人发表 了第一篇关于纳米压印光刻的文章 并且第一次在p m m a 薄膜上面压出了直径2 5 n m 节距1 2 0 n t o 的点阵列 随后几年 s t e p h e n yc h o u 等人又完成了光栅 场效应晶体管 等微器件的制作 多年来 c h o u 的研究工作得到美国空军科学研究办公室 a i rf o r c eo f f i c eo f s c i e n t i f i cr e s e a r c h a f o s r 陆军研究办公室 a r m yr e s e a r c ho f f i c e a r o 防卫 先进研究计划机构 d e f e n c ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y d a r p a 国家科学 基金会 n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n n s f 海军研究办公室 o f f i c eo f n a v a lr e s e a r c h o n r 惠普 h p 公司 i b m 公司 i n t e l 公司 m c k n i g h t 基金会 p a c k a r d 基金会 半导体研究协会 s e m i c o n d u c t o rr e s e a r c hc o r p o r a t i o n s r c 和t e k t r o n i x 公司等机 构的资助 在多种微电子器件 高密度数据存储 纳米光盘和纳米c d 盘等方面进行 了卓有成效的研究 接着c h o u 的研究 世界上许多国家的研究者也进行了类似的研究 如 日本 德国 英国 南韩等 2 1 例如 将这种技术应用到图形特征小于1 0 0 h m 的场效应管 吲 光探测器f i4 晶带板 z o n ep l a t e 1 5 以及柔性电路板 1 6 有机电子装置 o r g a n i c e l e c t r o n i cd e v i c e 具有7 0 m u 长度的聚合物有机薄膜晶体管1 1 8 1 还有高密度数据 存储器1 1 9 1 的研究 在这些研究之中除了能在大气环境下用简单的设备进行眦级二维 图形刻蚀外 另一个特点就是可以直接进行三维微加工 这个工作在传统的光学刻蚀 中要用到多次套刻才能完成 而压印光刻都可以用一个三维结构的模板一次进行纳米 4 华中科技大学硕士学位论文 级图形的转移 例如s t e p h e ny c h o u 研究了用于高电子移动晶体管中的t 型f t s h a p e g a t e 结构与微波集成电路中的悬空桥 a i r b r i d g e 三维结构 2 0 1 法国的y c h e n 等 也研究用纳米浮雕工艺来制作塑料微流体通道的纳米级柱状结构 以控制高性能d n a 毛细管电泳的分离试验1 2 另外德国学者也利用压印光刻研究了纳米级量子点接触的 三维结构 1 6 韩国学者也用改进的软模具进行了三维图形转移的研究 2 2 l 在欧盟提出的d o n d o d e m 计划中 也对纳米压印光刻技术给予了支持 该计划 旨在形成一套纳米压印光刻技术的工艺规范和工业标准 以促进其早日在工业界得到 广泛应用 在该计划的资助下 f r a u h o f e r i o f 实验室运用晶圆级纳米压印技术亥4 蚀制 作了微棱镜阵列 纳米光栅 波长探测芯片等器件 1 2 2 国内研究概况 国内有西安交大开始了压印光刻方面的研究 他们的研究目标是进行高分辨率的 平面图形结构的制造 即集中在国产化军用集成电路的制作方面 而我们的研究不局 限于纳米压印光刻本身 而是对纳米压印光刻中的材料特性 温度 压力等问题进行 比较研究 尤其是对纳米压印光刻常用的光刻胶材料的力学特性进行研究 以指导纳 米压印光刻中的工艺控制 另外我们的研究目标也不只局限于高分辨率的平面结构的 制造 更重要的是进行不同尺寸范围的三维微结构制造 并基于此项工艺来重新审视 微器件乃至微系统的设计理论与方法 克服现有的微制造工艺对微系统功能实现的诸 多限制 使基于此项工艺技术制作的微系统能够最大程度的实现其功能 t 3 本文的主要工作 作者和所在项目组 自2 0 0 3 年3 月份开始 进行了大量文献调研和论证 开始启 动关于纳米压印光刻技术的研究 经过一年多的努力 研制了相关的实验设备并针对 不同的应用方向进行了实验研究 并取得了初步研究成果 具体工作内容如下 1 研制了纳米压印光刻机样机一台 2 研制了湿法腐蚀机 台 3 1 研制六维力传感器 台 4 研制单轴聚合物材料测试机一台 5 研究了纳米压印光刻中聚合物在不同温度下的力学特性 6 1 研究了具有代表性的三种模板制备工艺 包括电子束曝光 多层套刻 湿法 腐蚀三种工艺 华中科技大学硕士学位论文 7 采用热压印技术制备衍射与折射微透镜阵列 d v d 读取头分光光栅 十字形 微流体通道 8 采用热压印方法制备血糖检测芯片封盖并进行封装 9 采用纳米压印光刻技术成功制备特征尺寸2 0 0 r i m 的超微细结构 1 0 对纳米压印光刻和热压印中的各种工艺参数与方法对实验结果的影响进行了 研究与分析 1 4 本文的组织结构 第一章绪论 介绍了纳米压印光刻技术产生的时代背景 技术背景和国内外研究 现状 并介绍了本文的工作 第二章介绍了纳米压印光刻技术的原理及优势和应用领 域 以及面临的挑战和发展前景 第三章介绍了用于纳米压印光刻技术研究的几种设 备的研制及其技术指标 第四章为实验研究 首先研究了光刻胶在不同温度下的力学 特性 然后对工艺中的两种加热方式进行了比较研究 本章还介绍了纳米压印光刻模 板的制作技术 并针对纳米级超微细结构压印光刻 三维微结构热压印 血糖检测芯 片封盖的制备技术进行了实验研究 第四章总结了全文的内容及以往工作 并展望了 下一步的工作 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 传统光学光刻介绍 2 技术原理与综述 2 1 1 光学光刻工艺流程 从2 0 世纪6 0 年代初期的2 0 l tm 到目前的02 5um 以下的特征尺寸 传统光学曝 光技术经历了从接触式曝光 接近式曝光 扫描投影式曝光到目前普遍采用的分步重 复投影式曝光技术 光学光刻具有生产率高 易实现高的对准和套刻精度 掩模制作 相对简单 工艺条件容易掌握及良好的继承性等优点 在微电子工业中一直处于主力 地位 下面以最简单的接触式光刻来介绍光学光刻的工艺流程 如图2 1 曝光光束中一部分光束经过掩模板的透明区域而照射到光刻胶上并使其 感光 而其他部分光束被掩模板的不透光部分发射 对于正性光刻胶 感光的区域显 影后溶解于显影液 使基片暴露出来 反之 对于负性胶 未感光的区域在显影中会 被溶解掉 通过这种方式 可以在基片上制作出具有于特定图形的阻蚀层 该图形由 掩模板决定 在后续的干法刻蚀或湿法腐蚀工艺中 可以保护基片 使基片上只有暴 露的区域能够被刻蚀 图2 l 接触式光学光刻 2 1 2 影响光学光刻分辨率的几种因素 尽管通过采用更大的数值孔径的光刻物镜和进一步缩短曝光波长并结合各种分辨 率增强技术 光学光刻的分辨率不断得到了提高 但是 当应用在 o 1 1 1m 的纳米级 图形加工时 光波波长的减少和光学系统数值孔径的提高越来越接近其物理极限 光 学光刻分辨率的提高因而变得越来越困难 华中科技大学硕士学位论文 评价光学系统分辨率的几个重要指标 1 1 分辨率 月 坐 n a 公式 2 1 即为瑞稿j r a y l e i g h 分辨率公式 线宽越少 分辨率越高 2 焦深 d o f 盘 n a 2 2 1 表示光学成像系统能分辨的最小线宽 表示在能刻出最小线宽时像面偏离理想焦面的范围 利 3 对比度 r c o n 1 2 坚二 2 2 焦深越大 对图形制作越有 2 3 是评价成像图形质量的重要指标 对比度越高 光刻出来的微细图形的边缘锐度 越好 上述指标由系统的工作波长a 数值孔径n a 工艺因子k t 像差 照明条 件 掩模图形和系统的光学传递特性等因素决定 由公式 21 光刻系统分辨率的提高可通过增大光刻物镜的数值孔径n a 和缩短 曝光波长来实现 目前最先进的光刻物镜的数值孔径n a 已达到0 7 曝光波长已从g 线 4 3 6 n m i 线 3 6 5 n m 缩短到深紫外 d u v 的准分子激光k r f 2 4 8 n m 以及真空紫外 v u v 的a r f 1 9 3 n m f 2 1 5 7 r i m 等 然而 波长的减小和数值孔径的进一步增大将使 焦深和视场范围迅速缩小 影响工艺因子k 使高分辨力的优点不能充分利用 而且 还必须解决焦深缩短所带来的问题 因此光学光刻面临的一个主要问题是如何利用现 有工艺和设备进行分辨率和焦深这两个矛盾参数的选择 而且带来新光源 抗蚀剂 掩模 工艺 透镜材料与设计等诸多问题需要解决 随着图形特征尺寸的不断缩小 光学光刻将接近其物理极限 此外 提高数值孑l 径和缩短曝光波长将使光学系统的变 得非常复杂并引起成本的直线上升 因此当图形的特征尺寸小于o 1um 时 传统的光 学光刻面临极大的挑战 8 华中科技大学硕士学位论文 2 2 纳米压印光刻技术原理 1 9 9 5 年间世的纳米压印光刻技术 起源于研究高分辨率纳米级集成电路光刻技 术 能够取代传统的光学光刻技术 尤其在线宽小于1 0 0 n m 的新一代微电子器件的制 造中具有显著的优势 并可低成本地实现大批量生产 因此有人预计 压印光刻在超 高分辨率光刻技术方面有可能取代传统的光刻工艺 并实现大规模的工业生产 现今 已研究出多种压印光刻工艺 根据模具材料与形状以及被压制材料的不同 在纳米压 印光刻 n a n o i m p r i n tl i t h o g r a p h y 2 3 刎基础上发展起来了多种相关工艺 包括软光刻 s o f tl i t h o g r a p h y 2 5 1 毛细管力光刻 c a p i l l a r yf o r c el i t h o g r a p h y 2 6 1 纳米浮雕 n a n o e m b o s s i n g 1 2 由冷焊形成的接触光刻 c o n t r a c tp a t t e r i n gb yc o l d w e l d i n g 17 1 纳米转移打印 n a n o t r a n s f e rp r i n t i n g 1 7 1 等几种工艺 所有这些非传统的刻蚀技 术尽管所依据的物理化学机理不一样 所使用的模板与样品的材料也不相同 但都要 使用一个表面带有微小结构特征的模板 m o l d t e m p l a t e 压向光刻胶 实现由模板 到光刻胶的图形转移 由于三维结构可以事先雕刻在模子表面 这些非光学光刻技术 就有可能实现三维结构图形的直接复制 当然也可以实现平面图形的转移 实现集成 电路的制作 下面就以国际上最先提出的一种技术一纳米压印光刻 n a n o i m p r i n t l i t h o g r a p h y 技术为例进行介绍 美国m i n n e s o t a 大学电器工程系教授s t e p h e nyc h o u 在研究高分辨率光刻技术时 认为传统的光学光刻由于光波波长的限制 以及散射干涉的影响 难以实现线宽小于 5 0 n m 的光刻 于是他在1 9 9 5 年首先提出小于2 5 n m 的纳米压印光刻新思想 他认为 用接触压印实现图形转移与复制是一项古老的技术 而且已成功地用于低成本 大批 量生产c d 盘的塑料压印生产线 但是小于2 5 n m 线宽的图形转移 并将这种技术用 于半导体集成电路的生产 这是以前所没有的 c h o u 的贡献就是将这种古老的技术赋 予新的意义 即能用比较简单的设备进行n l t l 级分辨率图形的快速 大批量转移 首 先他研究了具有n l n 级结构的模板制造 模板的n l t l 级图形先用电子束扫描光刻 然后 用反应离子刻蚀 r e a c t i o n i o n e t c h i n g p i e 出微结构的特征田i 首次使用的模板选 用在硅基板上的s i 0 2 膜 深度为2 5 0 n m 线宽为2 5 n m 的微结构用电子柬进行光刻 然后用p i e 刻蚀得到 模板作好后 下步就是用这个模板进行压印光刻 其流程如图 2 2 a 所示 将厚度为5 5 n m 的聚甲基丙烯酸甲酯 p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e p m m a 光刻胶薄膜 涂在硅基片上 选用p m m a 光刻胶是因为它不黏附s i 0 2 模板 其次是 在温度和压力变化时收缩率可控制在o 5 之内 在压印期间 模板和p m m a 薄膜先 一 一 9 华中科技大学硕士学位论文 被加热到2 0 0 这个温度高于其玻璃转换温度 g l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e 1 0 5 在这个温度条件下 聚合物就像粘性流体那样在压力作用下流动 直到与模板图形相 吻合为止 接下去就是用模板压制样品 并保持这个状态直到温度降低到其玻璃转换 温度之下 下一步移去模板 一个纳米级的图形就成功转移了 当然 最后还要采用 0 2r i e 刻蚀来去掉压印后的残留层 以露出基片 否则无法进行后续的干法刻蚀加工 采用这种技术 c h o u 及其合作者已经制各了最小至l o n m 的纳米结构 图2 3 纳米压印光刻技术最大的特点是完全消除了传统光学光刻中光学系统数值孔径以 及光波波长对在低成本下实现高生产率的纳米级光刻的限制 其次是没有像在光学光 刻中遇到的背面散射与干涉 b a c k s c a t t e f i n ga n di n t e r f e r e n c e 问题 另外 该技术也摆 脱了显影剂等因素的影响 2 8 2 9 1 通过选择合适的的聚合物与模具材料及优化压印条 件 粘附与缺陷的问题是可以避免的 s t e p h e ny c h o u 的纳米压印光刻流程中的一个很重要的步骤的是光刻胶的加热软 化和冷却固化 我们称之为热软化纳米压印光亥u t h e n n a ln a n o i m p r i n tp r o c e s s 或简 称为热压e l l h o te m b o s s i n g h e 因为涉及到热塑性聚合物的加热和冷却 这就不可 避免的会产生由于聚合物材料热胀冷缩而引起的图形转移误差 虽然采用热收缩较低 的光刻胶材料可以在一定程度上缓解这一问题 但却无法将其根本消除 此外 加热 和冷却的过程的存在耗费了过多的时间而使生产效率降低 为了解决上述问题 美国 德克萨斯大学奥斯汀分校材料研究所的c g r a n tw i l l s o n 于1 9 9 6 年提出了步进一闪光压 印光亥f j s t e pa n df l a s hi m p r i n tl i t h o g r a p h y s f i l 即采用紫外固化光刻胶的纳米压印光 刻技术 我们称其为光固化纳米压印光刻 p h o t oc u r i n g n a r t o i m p r i m l i t h o g r a p h y 技术 其基本工艺流程如图2 2 m 首先在硅基板用丙酮等进行清洗 然后将光致固化液体胶 例如t s r 8 2 0 是一 种用于三维光成型环氧树脂基u v 固化的聚合物 旋涂于硅基片上 当模板压向液体 胶后并停止后 可用u v 对其进行曝光照射 使液体胶固化成型 然后模板移去 并 对在样品上没有固化的胶体用丙酮冲去 最后是对基底层残余胶体用0 2r i e 在1 0 0 w 功率和5 p a 压力下除去 这样一个完整的紫外光固化压印光刻过程就完成了 比较图 2 2 a b 两种压印光刻最主要的区别就是后者去掉了加热与冷却的过程 因此 光 固化压印光刻可以实现更好的图形转移精度和更高的生产效率 但要求压印模板对紫 外光透明 否则会因紫外光无法透过而无法使光刻胶固化 比较热压印和光固化纳米压印光刻 前者适用的模板的材料多种多样 如 硅 玻璃 s i c s i n n i 石英 陶瓷等 更适用于三维微结构的制作 本文主要针对此 1 0 华中科技大学硕士学位论文 项工艺进行研究 后者由于涉及到紫外光固化的工序 所以只能使用对紫外光透明的 模板 目前普遍采用石英玻璃作为模板 a 热软化纳米压印光刻 b 光固化纳米压印光刻 图2 2 纳米压印光刻技术工艺流程 1 9 0 h m 周期s i 0 2 光栅l o n m 直径 4 0 h m 间距孔阵列 图2 3s t e p h e nyc h o u 采用n i l 技术制作的样品 由上所述 传统的光学光刻是采用曝光加显影的方法将掩模的图形转移到光刻胶 上 图2 1 而纳米压印光刻技术却采用压印的方法将模板的图形转移到光刻胶上 图 2 2 工艺中避免了曝光的步骤 却达到了与光学曝光同样甚至更好的效果 更高的 分辨率 所以我们仍然将这种技术称为 光刻 l l 华中科技大学硕士学位论文 2 3 纳米压印光刻技术的发展趋势 上述两种纳米压印光刻的方法都是首先将图形转移到光刻胶上 如果要将图形转 移到基片上 还需要利用带有图形的光刻胶作为抗蚀剂 进行干法刻蚀或湿法腐蚀以 将图形转移到基片上 可能有人会问 能否通过压印的方法直接将模板上的图案转移 到基片上 从这种思路出发 研究人员已经开始研究这一技术路线的可能性 图2 4 激光辅助立接压印 2 0 0 2 年 s t e p h e nyc h o u 在英国自然 n a t u r e 杂志上发表了题目为 硅片上纳米结 构的快速直接压印方法 u l t r af a s ta n dd i r e c ti m p r i n to f n a n o s t r u c t u r e si ns i l i c o n 的论文 3 0 l 这种被称为 激光辅助直接压印 l a s e r a s s i s t e d d i r e c t i m p r i n t l a d i 的技术 图2 4 采用准分子激光脉冲熔融硅片表层 然后用高硬度而耐热的石英模板压印液态的熔融 硅表层 待液态硅层固化后脱模 采用这种技术 s t e p h e nyc h o u 已经在硅片表面制 作出小于l o n m 的微结构 图2 5 这种方法不仅辨率高 效率高 整个压印过程耗时小 于1 秒钟 而且能够实现三维结构的基片直接成型 在研究者的努力下 还出现了其他基片直接压印的方法 如 采用非常坚硬的s i c 模板在金属基片上直接压邸特殊金属光栅等结构 采吊s i 或石英模板在光学树脂片上 直接压印微透镜阵列等 图2 5 激光辅助直接压印的样品 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 4 优势及应用领域 根据上文所述 纳米压印光刻因其固有的技术特点而具有如下优势 1 高分辨率 原因上文已做论述 这里不再赘言 f 2 真实三维结构制作 由上文可知 光刻胶表面得到的图形和结构是由模板决定的 所以只要采用合 适的三维模板 就可以在光刻胶或基片上压印出三维微结构 3 低成本 高生产效率 适用于大批量的工业生产 纳米压印光刻不需要复杂且造价昂贵的光学系统 大大降低了设备的成本 虽 然需要采用电子束曝光等相对昂贵的手段来制作模板 但将这些成本转移到大 批量的最终产品后 其数额是很微不足道的 纳米压印光刻技术工作原理简单 工艺过程耗时短 与采用扫描曝光方法的电 子柬光刻等手段相比 工艺周期大幅度缩短 所以更适用于高效率的工业化批 量生产 4 宽的加工尺寸范围 纳米压印光刻技术因为其高的分辨率的特点而在 l o o n m 微结构制作中占有重 要地位 但其同样适用于微米甚至毫米级结构的加工 5 绿色环保 纳米压印光刻是采用压印方法直接进行图形转移 不像传统光刻那样需要含有 大量有害成分的显影液对光刻胶显影 因而大大降低了了对环境的污染 随着研究的深入 研究者不仅利用纳米压印光刻技术制备出纳米级特征尺寸的图 形 而且开始利用纳米压印光刻技术制各各种器件甚至系统 纳米压印光刻技术已经或将要在以下几个领域得到广泛应用 1 0 1um 线宽高密度集成电路的制作 2 超高密度磁存储器件的制作 3 场效应晶体管制作 4 微光学器件 如 纳米光栅 特殊金属光栅 微透镜 二元光学器件等 5 微流体及微生化分析系统 6 纳米光盘和纳米读写头 f 7 有机发光器件 华中科技大学硕士学位论文 8 量子器件 2 5 挑战与前景 在国内外学者的推动下 近1 0 年来纳米压印光刻技术有了飞速的发展并越来越显 示出他的各种独特优势 如 分辨率高 适合批量生产 易于实现三维微结构制作等 但是 作为一种工业化的超高分辨率图形或结构制备技术 纳米压印光刻还面临着以 下几种挑战 面对这些挑战 许多解决方案也已经被提出 1 1 多层套刻的问题 这是纳米压印光刻最受关注的问题 也是所有纳米刻印技术所共同面临的问题 解决这个问题需要开发一种面内对准的解决方案 其分辨率的目标是1 0 r m a 但目前现 有的商业化产品的光学对准系统的极限分辨率为l g m 如何实现更高分辨率的对准检 测是一个挑战 另外一方面 纳米级套刻也需要有高分辨率的致动手段来支撑 目前 压电制动方式已经能够实现几十纳米甚至更低的位移精度 但是其行程范围很小 这 种大行程高精度的要求可以通过加装与之配合的宏驱动器来满足 2 大尺寸模板和样品的挑战 要实现大批量 高效率的工业生产 需要在大尺寸模板下具有良好的工艺特性 大尺寸模板的会面临一些问题 如 模板或样品不平度造成的温度梯度等 如何解决 这些问题关系到纳米压印光刻技术的未来 紫外固化纳米压印光刻可以避免这种问题 目前国际上已经在开发8 英寸晶圆的纳米压印光刻样机 3 粘连的问题 理想情况下 工艺中最好能够避免使用防粘连层 目前 需要研究已经都在进行 以避免使用脱模剂 为解决这种问题 压印温度 聚合物的黏弹特性 以及聚合物和 模板之间 聚合物和基片之间的层间能量都是很重要的因素 4 模板寿命的问题 这一问题目前还没有得到足够深入的研究 因为目前的大部分实现都是在实验室 进行的 环境和设备一般也不是自动化的 因此其模板使用次数有限 但是