第四章-纳米压印技术

5
微米纳米加工技术
1.2 纳米压印技术
普 林 士 顿 大 学 ： Stephen Y.Chou 教授，将一具有纳米图
第三章：纳米压印技术
来的模版以机械力(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. 压印示意图 优点：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。 MicroNano System Research Center
4
微米纳米加工技术
第三章：纳米压印技术
1. 纳米压印技术简介
1.1 压印技术
说到压印技术，其实并不神秘，中国
古代四大发明之一的活字印刷术就是最 初压印技术的原型。通俗的说，压印就 是把一个刻有凸凹图案的印章盖在橡皮 泥上，然后在其上面留下与章的图形相
反的图案。 MicroNano System Research Center
2. 预先在基片底部涂一层与基底粘接性好的聚合物(如PMGI: 聚
甲基戊二酞亚胺)，这样既有利于脱模，又可使基底平整化; 3. 用一种高抗粘连的材料涂镀在模板内表面，以利于脱模; 为避免压印时有机溶剂与模板腔体之间残留气孔，最好在真空
状态下工作。多层结构压印依靠模板四角标记对准，对准精度比
较差，通常在微米级，故多用于单层结构压印。
业； 1986年获麻省理工学院博士后； 先后在斯坦福大学及明尼苏达大 学任教；
Stephen Y.Chou
（http://www.princeton.edu/~chouweb/）
1997年应聘至普林斯顿大学主持 “纳米结构实验室”。
2007年当选为美国国家工程院院士，被称为改革开放后中国大
陆高校毕业生获取美国国家工程院院士的第一人。
MicroNano System Research Center
27
微米纳米加工技术
3. 紫外光固化压印技术（UV-NIL）
化高分子的压印光刻技术，其前处理与热压印类似。
第三章：纳米压印技术
M.Bender和M.Otto提出一种在室温、低压环境下利用紫外光硬
MicroNano System Research Center
第三章：纳米压印技术
脱模及刻蚀过程
热压印温度与时间曲线
19
MicroNano System Research Center 降低热压印时 PMMA和模版的粘附，使之易于脱模。
微米纳米加工技术
第三章：纳米压印技术
为便于脱模应尽量减小有机溶剂和模板间的粘附力，常用方法 有： 1. 在光刻胶中添加一种特殊的氟化物材料(如用三乙氧基硅烷作 氟基添加剂)，以减小光刻胶与模板的粘附作用;
第三章：纳米压印技术
MicroNano System Research Center
电沉积Ni 模版
11
微米纳米加工技术
模板材料的选择：
第三章：纳米压印技术
选择模板材料的关键在于它们的机械特性。包括硬度，热膨胀
系数和导热性。通常要求模板材料硬度和拉伸强度高，热膨胀系数
小，抗腐蚀性好，确保模版耐磨，变形小，从而保证其压印精度和 使用寿命。 由于不同压印工艺对模板材料的要求不同，为了寻找使用周期更
7
微米纳米加工技术
1.3 关键工艺步骤： 模版的制备：
第三章：纳米压印技术
压模的制作通常用高分辨电子束刻印术(EBL)制备，压模通常
用Si, SiO2.氮化硅、金刚石等材料制备。这些材料具有:高硬度、大
压缩强度、大抗拉强可以减少压模的变形和磨损;高热导率和低热
膨胀系数，使得在加热过程中压模的热变形很小。
1. 首先，利用电子束直写技术(EBDW)制作一片具有纳米图案的Si 或SiO2模版，并且准备一片均匀涂布热朔性高分子光刻胶 (通常以
PMMA为主要材料)的硅基板；
MicroNano System Research Center
模版的制备
17
微米纳米加工技术
2. 将 硅 基 板 上 的 光 刻 胶 加 热 到 玻 璃 转 换 温 度 (Glass Transfer
长的模板材料作为大规模生产，研究人员研究更具灵活性和适应性
的材料作为模板材料。一般通过实验来测试这些通过纳米加工技术 得到的模板的耐用性。
MicroNano System Research Center
12
微米纳米加工技术
1）硬度: 分别进行不同的硬度试验测试，包括硬度划痕试验
第三章：纳米压印技术
和压痕硬度试验. 在硬度划痕试验中，测试莫式硬度。在压痕硬 度试验中，测试维氏硬度和努普硬度。 2) 导热性: 必须考虑到模板和基片这两种材料导热性的差异。
在降温过程中，两者导热性过大的差异，会使图形产生扭曲变
形。通常的选用原则是，导热性越强越好，可以缩短整个加工 周期，这有利于产量的提高.
模板材料随压印工艺而不同:
第三章：纳米压印技术
MicroNano System Research Center
23
微米纳米加工技术
实例 2 ：
第三章：纳米压印技术
材料：4 m Plex 6792 熱壓：(79+90)C, 125 bar, 15 min
材料：50 nm mr-I 8030 熱壓：(115+90)C, 125 bar, 15 min
MicroNano System Research Center
14
微米纳米加工技术
第三章：纳米压印技术
基本概念：利用电子束刻印技术或 其他先进技术，把坚硬的压模毛坯加
工成一个压模: 然后在用来绘制纳米
图案的基片上旋涂一层聚合物薄膜， 将其放人压印机加热并且把压模压在 基片上的聚合物薄膜上，再把温度降 低到聚合物凝固点附近并且把压模与 聚合物层相分离，就在基片上做出了 凸起的聚合物图案(还要稍作腐蚀除去 热压印示意图 凹处残留的聚合物)
热压印的缺点是需要高温、高压、且即使在高温、高压很长时间，
对于有的图案，仍然只能导致聚合物的不完全位移，即不能够完全 填充印章的腔体。 存在的问题：使用热压印光刻技术的热朔性高分子光刻胶必须经 过高温、高压、冷却的相变化过程，在脱模之后压印的图案经常会 产生变形现象，因此使用热压印技术不易进行多次或三维结构的压 印，为了解决此问题，有人开始研发一些可以在室温、低压下使用 的压印光刻技术。
光刻胶发生聚合反应硬化成形； 4.
MicroNano System Research Center
然后脱模、进行刻蚀基板上残
29
留的光刻胶便完成整个UV-NIL。
微米纳米加工技术
1. Spin coating the polymer of PMMA (bottom layer); 2. Sputtering the metal of Germanium;
微米纳米技术
纳米压印技术 2015.05
MicroNano System Research Center
微米纳米加工技术
第三章：纳米压印技术
MicroNano System Research Center
2
微米纳米加工技术
第三章：纳米压印技术
普林斯顿大学电机系华裔教授,
1978年从中国科技大学物理系毕
近十年间 , 各种创新的NIL工艺的研究陆续开展，其实验结果越 来越令人满意，目前，大概归纳出四种代表技术: 热压印光刻技术 、紫外硬化压印光刻技术、软压印、激光辅助直接光刻技术。
2.1 热压印(HE-NIL ) 2.1.1热压印
热压工艺是在微纳米尺度获得并行复制结构的一种成本低而速 度快的方法，仅需一个模具，完全相同的结构可以按需复制到大 的表面上。
紫外纳米压印示意图
28
微米纳米加工技术
紫外纳米压印工艺流程：
第三章：纳米压印技术
1. 首先都必须准备一个具有纳米图
案的模版，而 UV-NIL 的模版材料必
须使用可以让紫外线穿透的石英； 2. 并且在硅基板涂布一层低粘度、 对UV感光的液态高分子光刻胶； 3. 在模版和基板对准充成后，将
模版压入光刻胶层并且照射紫外光使
MicroNano System Research Center
熱壓溫度：175C 熱壓時間：30min
26
PMMA热压后形状松弛
微米纳米加工技术
热压印的优点及存在的问题 ：
第三章：纳米压印技术
优点：热压印相对于传统的纳米加工方法，具有方法灵活、成
本低廉和生物相容的特点，并且可以得到高分辨率、高深宽比结构。
2. 剥离技术：先采用镀金工艺在表面形成一层金层，然后用有 机济剂进行溶解，有聚合物的地方要被溶解，于是连同它上面的 金一起剥离.这样就在衬底表面形成了金的图案层。
第三章：纳米压印技术
MicroNano System Research Center
纳米压印/剥离/刻蚀工艺
22
微米纳米加工技术
实例 1 ：
6
微米纳米加工技术
第三章：纳米压印技术
日前， NIL 技术已经可以制作线宽
在5nm以下的图案。 由于省去了光学光刻掩模版和使用光 学成像设务的成本。因此NIL技术具有低 成木、高产出的经济优势。 广泛应用在纳米电子元件、生物或化
学的硅片实验室、微流道装臵，超高存
储密度磁盘、微光学元件等领域;
MicroNano System Research Center
1）软压印术先用硅作为母板，然后采用聚二甲基硅氧烷（PDMS )浇铸母板，最后得到PDMS模板(或模具);
2）热压印一般采用镍(Ni)、铬(Cr)或碳化硅(厚度5.5mm)作为模板;
MicroNano System Research Center
13
微米纳米加工技术
2. 纳米压印技术原理和分类
第三章：纳米压印技术
第三章：纳米压印技术
3. Spin coating the photo-curable
resist of Amonil (top layer) from top to bottom; 4. RIE etch the resuidal layer of Amonil, Ge and PMMA; 5. Deposition of Au and lift-off.
MicroNano System Research Center
3
微米纳米加工技术
主要内容
第三章：纳米压印技术
1.纳米压印技术简介 1.1 压印技术 1.2 纳米压印技术 1.3 纳米压印关键工艺步骤 2.纳米压印工艺 2.1 热压印技术 2.2 紫外光固化压印（步进-闪光工艺） 2.3 软模板压印技术（SCIL） 2.4 逆压印技术 2.5 滚筒压印技术 3.纳米压印技术应用领域及前景 MicroNano System Research Center
MicroNano System Research Center
20
微米纳米加工技术
图案转移技术：
第三章：纳米压印技术
1. 刻蚀技术：刻蚀技术以聚合物为掩模，对聚合物层进百度文库选择
性刻蚀，从而得到图案；
MicroNano System Research Center
纳米压印/刻蚀工艺
21
微米纳米加工技术
MicroNano System Research Center
热压印模版的制备
8
微米纳米加工技术
第三章：纳米压印技术
MicroNano System Research Center
9
微米纳米加工技术
第三章：纳米压印技术
MicroNano System Research Center
10
微米纳米加工技术
15
MicroNano System Research Center 热压印法的工艺过程分三步 : 压模制备、压印过程、图形转移。
微米纳米加工技术
第三章：纳米压印技术
纳米压印与图形转移技术
MicroNano System Research Center
16
微米纳米加工技术
热压印工艺流程：
第三章：纳米压印技术
第三章：纳米压印技术
Temperature) 以上，利用机械力将模版压入高温软化的光刻胶层内，
并且维持高温、高压一段时，使热塑性高分子光刻胶填充到模版的
纳米结构内;
MicroNano System Research Center
热压印流程
热压印温度与时间曲线
18
微米纳米加工技术
3. 待光刻胶冷却固化成形之后，释放压力并且将模版脱离硅基板； 4. 最后对硅基板进行反应离了刻蚀（Reactive Ion Etching )去除残留 的光刻胶，即可以复制出与模版等比例的纳米图案。
MicroNano System Research Center
24
微米纳米加工技术
第三章：纳米压印技术
MicroNano System Research Center
光胶线宽、残余厚度和热压（50bar）温度、时间之间的关系
25
微米纳米加工技术
第三章：纳米压印技术
模仁尺寸：44 mm PMMA厚度：270 nm