整片晶圆纳米压印的装置和方法

整片晶圆纳米压印的装置和方法引入一种由支撑层、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）。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1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1（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1（b）和1（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1（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1（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1（f）和1（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1（h）所示。图1. 大尺寸整片晶圆纳米压印工艺过程示意图（1）软模具的结构设计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。弹性层支撑层结构层Figure 3. The overall framework of the step micro-imprint litho