纳米压印技术

微型机电系统 （ MEMS） 是将微传感器、 微处理 器、 微执行器等集成在一个极小的几何空间内组成，
基金项目： 上海市科委纳米专项资助 （No. 0352nm010） 。
作者简介： 孙洪文 （1978 - ） ， 男， 博士， 研究方向为纳米压印、 微复制、 LIGA。
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电子工艺技术
第 25 卷第 3 期
的成功启发科学家借用 MEMS 中的相关技术， 将其使 目前所用的工艺。另外， 微机电系统 （MEMS） 用到纳米科技中去， 这是得到纳米结构的一种有效途经。纳米压印在过去的几年里受到了高度重 视， 因为它成功地证明了它有成本低、 分辨率高的潜力。纳米压印技术主要包括热压印、 紫外压印 （含步进—闪光压印） 和微接触印刷等。本文详细讨论纳米压印材料的制备及常用的三种工艺的工 艺步骤和它们各自的优缺点。并对这三种工艺进行了比较。最后列举了一些典型应用， 如微镜、 金 属氧化物半导体场效应管、 光栅等。 关键词： 纳米压印； 热压印； 紫外压印； 步进—闪光压印； 微接触印刷 中图分类号： !"305 文献标识码： # 文章编号： （2004） 1001 - 3474 03 - 0093 - 06
［3］
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。这项技术 被广泛用于微纳结构加工。 热压工艺由模具制备， 热压过程及后续图案转
［5］ 移等步骤构成， 它的主要工艺过程如图 l 所示。
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孙洪文等： 纳米压印技术
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填充印章的腔体。
l ) 硬模 Si 或 Ni 2 ) 热压印
2.2
［l、 2、 l2 ~ l7］ 紫外压印
在大 多 数 情 况 下， 石英玻璃印章 （硬 模） 或 （软模） 被用于紫外压印工艺。该工艺的 PDMS 印章 流程如下： 被单体涂覆的衬底和透明印章装载到对 准机中， 通过真空被固定在各自的卡盘中。当衬底 和印章的光学对准完成后， 开始接触。透过印章的
到了很大的发展并且部分产品已成功地得到了商业 化， 如气体传感器、 喷墨打印机头、 汽车安全气囊等。 当前， 纳 米 技 术 还 主 要 存 在 于 研 发 实 验 室 里， 但 MEMS 研发和产品技术的转变可加速和激励纳米加 ［l］ 工方法的发展 。 从微电子的历史可以看出， 光学曝光工具的成 本呈指数增长。在光学光刻中， 通过减少特征尺寸 得到高的产量。其最小特征尺寸 ! = （ "l） （ / #$ ， !） 这里! 是曝光波长， #$ 是光学光刻工具中透镜系 统的数值孔径， " l 是与工艺有关的项。通过不断减 少曝光波长， 值被减小。光学光刻现在采用深紫 ! 外光， 然而随着波长的减小， 出现了许多新的和重要 的技术难题， 如分辨率及材料的选择
［2］
在纳米压印中， 印章有时也称为模具。印章的 制备非常重要， 因为印章上的图形质量决定了纳米 压印能够达到的转移到聚合物上的图形质量， 印章 上的分辨率决定了聚合物上图案的分辨率。印章的 制备可以采用多种方式实现， 常用的有电子束、 极紫 外光、 聚焦离子束或反应离子刻蚀等， 也可采用传统 的机械刻划形成。常用的印章材料有硅 / 二氧化硅、 镍、 石英玻璃印章 （硬模） 和聚二甲基硅氧烷 PDMS 印章 （软模） 。 在压印过程中， 一个非常重要的问题是避免印 章和下面的聚合物粘连在一起使脱模困难， 为此常 采用在表面形成自组装分子层 SAM 的方法来克服 这个问题。这种方法的原理是在印章表面形成一层 表面自由能较低的分子层， 从而使脱模容易。一般 常采用烷基硅烷， 如 （l， —三氯 l， 2， 2 H 过氟辛基） 硅烷， （l， —三氯硅烷等。 l， 2， 2 H 过氟癸基） l.2 聚合物制备 纳米压印中所使用的光刻胶不同于常规的光学 光刻所用的光刻胶， 它有特定的要求。除要求易处 理性和与衬底结合良好外， 还要求有好的热稳定性、 黏度低、 易于流动和优良的抗干法刻蚀性能。常用 的光 刻 胶 有 MicrOresist TeclnOIOgy 提 供 的 mr - I 8000、mr - I 9000 和 mr - L 6000 系列， NanOnex 提供 及 的 NXr - l000 系列， DSM 提供的 Hybrane 系列， 提供的 和 系列。 MicrOClem PMMA SU8 同样， 为了防止光刻胶和印章粘连， 光刻胶的改 性是必须的。要求光刻胶与衬底粘接较好， 而与模 具粘接较差， 可用氟基添加剂： （ l， l， 2， 2 H 过氟辛 基） —三乙氧基硅烷改性。其原理是氟 - 碳键形成 低表面自由能而使其稳定。 除了旋涂单层光刻胶在衬底外， 还可以使用多 层工艺， 即在衬底预先旋涂其他聚合物如 PMGI， 它 有与衬底的结合性能良好的优点且有平整化衬底的 作用， 适合于剥离工艺。 2 2.l 纳米压印工艺
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电子工艺技术 EIectronics Process TechnoIogy

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・ ・ 综 综 述 述 ・ ・
纳米压印技术
孙洪文， 刘景全， 陈 迪， 顾 盼， 杨春生
200030） （上海交通大学微米纳米加工技术国家级重点实验室， 上海 摘
要： 传统光学光刻技术的高成本促使科学家去开发新的非光学方法， 以取代集成电路工厂
［2］ 示 。先将低粘度的单体溶液滴在要压印的衬底
图l
模具制备可以采用激光束、 电子束等刻蚀形成。 热压过程是关键， 它的主要步骤如下。 聚合物被加热到它的玻璃化温度以上。这 （l） 样可减少在模压过程中聚合物粘性， 增加流动性。 只有当温度到达其玻璃化温度以上， 聚合物中大分 子链段运动才能充分开展， 使其相应处于高弹态， 在 一定压力下， 就能迅速发生形变。但温度太高也没 必要， 因为这样会增加模压周期， 而对模压结构却没 有明显改善， 甚至会使聚合物弯曲而导致模具受损。 施加压力。聚合物被图案化的模具所压。 （2） 在模具和聚合物间加大的压力可以填充模具中的空 腔。压力不能太小， 否者， 不能完全填充腔体。 模压过程结束后， 整个叠层被冷却到聚合物 （3） 玻璃化温度以下， 以使图案固化， 提供足够大的机械 强度。 脱模。脱模时要小心， 以防止用力过度而使 （4） 模具损伤。 然后可以通过 02 RIE 干法刻蚀去除残留的聚合 物层， 以开出窗口， 接下来就可以进行图案转移。图 案转移有两种主要方法， 一种是刻蚀技术， 另一种是 剥离技术。刻蚀技术以聚合物为掩模， 对聚合物下 般先采用镀金工艺在表面形成一层金层， 然后用有 机溶剂进行溶解， 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， 接下来还可以以金为掩模， 进一步对金 的下层进行刻蚀加工。 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。热压印的缺点是需要高温、 高压， 且即使在高温、 高压下很长时间， 对于有的图 案， 仍然只能导致聚合物的不完全位移， 即不能完全 面层进行选择性刻蚀， 从而得到图案。剥离工艺一
4 ) 刻蚀和图案转移
3 ) 脱模
紫外曝光促使压印区域的聚合物发生聚合和固化成 型。接下来的工艺类似于热压工艺。 热压工艺 最近紫外压印一个新的发展是提出了步进 - 闪 光压印。步进 - 闪光压印发明于 Austin 的 Texas 大 学， 它 可 以 达 到 l0 nm 的 分 辨 率。工 艺 如 图 2 所
［3 ~ ll］ 热压印工艺
。在下一代
光刻技术中， 电子束光刻已被证明有非常高的分辨 率， 但其生产效率太低； X 线光刻虽然可以具备高产 率， 但 X 线光刻的工具相当昂贵。光学光刻成本和 复杂的趋势及下一代光刻技术难以在短期内实现产 业化激发人们去研发一种非光学的、 廉价的且工艺 简便的纳米技术， 即纳米压印技术 （NIL） 。 纳米压印技术是华裔科学家美国普林斯顿大学 周郁在 20 世纪 l995 年首先提出的 。目前， 这项 ［4］ 技术最先进的程度已达到 5 nm 以下的水平 。纳 米压印技术主要包括热压印 （HEL） 、 紫外压印 （UV （包括步进 - 闪光压印 （ S - FIL） ） 、 微接触印刷 NIL） （! ） 。纳米 压 印 是 加 工 聚 合 物 结 构 的 最常用方 CP 法， 它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳 米结构图案制在印章上， 然后用预先图案化的印章 使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图案。在 热压工艺中， 结构图案转移到被加热软化的聚合物 后， 通过冷却到聚合物玻璃化温度以下固化， 而在紫 外压印工艺中是通过紫外光聚合来固化的。微接触 印刷通常指将墨材料转移到图案化的金属基表面 上， 再进行刻蚀的工艺。 在纳米压印中， 相当昂贵的光刻只需被用一次 以制造可靠的印章， 印章就可以用于大量生产成百 上千的复制品。该法的显著优点是速度快、 环节少、 成本低。因此尽管大多数纳米技术的应用还在研发 阶段， 它有望在如下领域中获得应用： 药物供给系 统、 生物 MEMS、 染色体组、 光子学、 磁学、 化学、 生物 传感器、 射频元件和电子学等。 l l.l 纳米压印材料制备 印章制备
Nanoimprint Technology
SUN Hong - wen， LIU Jing - guan， CHEN Di， GU Pan， YANG Chun - sheng （ Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200030， China） Abstract： The high cost in traditionaI optics Iithography drives the scientists to invent new non - opticaI methods to repIace processes currentIy used in IC factories . AIso， the success of MEMS（Micro - eIectro - mechanicaI Systems）iIIumines the scientists that the transition of MEMS technoIogy to nano fabricaton is a wise （NanoImprint Lithography）technoIogy has received considerabIe interway to manufacture nano structures . NIL est in the Iast few years because of the successfuI demonstration of its potentiaI for a Iow cost，high resoIution nano Iithographic technigue . NIL encompasses a variety of methods incIuding hot embossing Iithography， UV （ incIuding step and fIash imprint Iithography）and microcontact printing . The materiaIs and processes imprinting about these technigues wiII be discussed in detaiI， as weII as their advantages and disadvantages， respectiveIy . A comparison tabIe about these three technigues wiII be presented . The success and uses of NIL technoIogy are （ metaI - oxide - semiconductor fieId - efiIIustrated by some typicaI appIications，such as microIens， MOSFET fect transistors）and gratings . （ NIL） ； （ HEL ） ； Key words： Nanoimprint Iithography Hot embossing Iithography UItravioIet nanoimprint ； （ S - FIL） ； Iithography（UV - NIL） Step and fIash imprint Iithography Microcontact printing（! CP） Document Code： # （2004） Article ID： 1001 - 3474 03 - 0093 - 06 它的特点是可以像微电子工艺一样进行大批量而又 廉价的生产。在过去的二十几年里， MEMS 技术得