纳米压印技术

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Appl. Phys. Lett., 67 (21), 3114 (1995).
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
超声纳米压印技术
热压印的改进，利用超声波加热介质聚合物。 中国台湾清华大学首次提出。
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
紫外纳米压印技术
2. 图形转移(pattern transfer)
在一块基片(通常是硅片) 上“涂”( spin :旋覆) 上一层聚合物(如 PMMA ，聚甲基丙烯酸甲脂)。
已刻有目标纳米图形的硬“印章”(如二氧化硅“图章”) 在一定的 温度(必须高于聚合物“软化”温度(glass - transition temperature) ，和压力下去“压印”(imprint ) PMMA 涂层。
第一种不用加热的压印技术； 紫外光敏感光刻胶旋图到wafer上； 掩模板压入光刻胶成型； 紫外光透过掩模板照射光刻胶，使光刻胶固化； 分离后进行后续工艺。 紫外纳米压印技术是当前国际主流纳米压印机采用技术。
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
紫外纳米压印技术几个变种：
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微纳科学技术
一.为什么研究纳米压印技术
1995 年周郁 提出一种新技术：纳米压印 (nanoimprint lithography) 。
周郁-美籍华人,1978年中科大本科毕业赴美,现普林斯顿大学终身 教授, 美国工程院院士, IEEE Fellow.
纳米压印是一种全新的纳米图形复制方法。其特点是：
▪ 真空负压； ▪ 气囊充气； ▪ 氮气填充。
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微纳科学技术
三.纳米压印技术亟待解决的问题
2. 分离
机械分离。 采用弹性掩模板（PDMS），卷离。 采用弹性掩模板，喷嘴吹离，韩国人利用该技术为三星电子的大
面积显示屏纳米压印制作工艺。
金属静电分离。
吸盘固定气浮轨道滑动机械分离。
压入填充； 掩模板间隙被充满，冷却后分离。图形以聚合物层构成； 进行后续工艺。
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
热压印技术
一般采用有机玻璃（PMMA）做转移介质； 需要加热设备； 需要经过冷却，工艺过程较长。 周郁1995发表在APL上的相关论文已被引用1669次。
真空负压式弹性wafer纳米压印
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
电化学超离子掩模板压印
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
电化学超离子掩模板压印
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
平板掩模板光滑转轴的连续加工
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微纳科学技术
三.纳米压印技术亟待解决的问题
1. 施压
机械施压
采用机械方式将掩模板压入到转移介质。
为避免掩模板和基板的不平行，在基板座中采用特殊设计。
▪ 半球滑移； ▪ 刀口支撑； ▪ 多自由度自适应调节平台。
气体施压
采用气体施压是解决压印压力的最佳解决方案，可以保证在全晶圆面 积压力均匀分布。
真空负压式硬掩模板纳米压印；
掩模板通过弹性铰链、胶环与腔室连接、密闭，抽气后掩模板下压施 压完成图形转移。
真空负压式弹性wafer纳米压印。
掩模板固定，基板采用弹性基板，抽气后弹性基板向上被压缩，完成 施压。
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
充气式气压纳米压印
纳米压印技术
(Nanoimprint Lithography)
微纳加工技术及微纳器件
段智勇 2020/3/13
微纳科学技术
主要内容
1. 为什么要研究纳米压印技术.
2. 纳米压印技术实现的方式.
3. 纳米压印技术亟待解决的问题.
4. 课题组研究工作及进展.
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微纳科学技术
一.为什么研究纳米压印技术
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微纳科学技术
纳米压印机商用设备
实际的纳米压印机
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微纳科学技术
纳米压印机商用设备
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微纳科学技术
纳米压印机商用设备
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微纳科学技术
纳米压印机商用设备
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纳米压印机商用设备
(A) High-magnification SEM image of Si NWs produced by the SNAP technique. Each NW is 17 nm wide, and the array ispatterned at a 34 nm pitch.
超高分辩率;
高产量;
高保真度;
低成本。
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微纳科学技术
一.为什么研究纳米压印技术
高分辩率
没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散射现象。
高产量
可以象光学曝光那样并行处理，同时制作成百上千个器件。
低成本
不象光学曝光机那样需要复杂的光学系统或象电子束曝光机那样需要复杂 的电磁聚焦系统。
逆压印技术；
将光紫外刻胶旋图到掩模板上，轻微接触wafer，然后分离。
软掩模板压印技术；
掩模板材料聚合物材料（PDMS），更好克服wafer之不平整。
转轴连续纳米压印技术。
掩模板图形制作在可以滚动的滚轴上，基板采用弹性介质，随着滚轴
转动可以将图形转移到基板上，高产量！
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
气囊式气压纳米压印
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
真空负压式硬掩模板纳米压印
ZL: 200410089275.3
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ZL: 200410089276.8
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
图形转移目前都采用光学方法实现,即传统的光刻.
瑞利公式的限制.
x k n sin
光学光刻的发展:
移相掩模;
光学临近效应校正;
浸润式光学镜头;
已经可以实现14nm节点图形转移.
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微纳科学技术
一.为什么研究纳米压印技术
光学光刻走向没落,提出下一代图形转移技术(NGL):
高保真度
几乎无差别的将掩模板上的图形转移到wafer上.
纳米压印可望成为一种工业化生产技术，从根本上解决各种纳米器件
生产。
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微纳科学技术
一.为什么研究纳米压印技术
应用领域：
半导体加工 作量子磁碟 DNA 电泳芯片 GaAs 光检测器 波导起偏器 硅场效应管 2020/3/13
(B) SEM image of a few devices with the top gate color-coded red. Scale bar: 50 um.
(C) Schematic drawing of the active area of a Si NW FET, with the electrodes labeled
高密度磁结构 GaAs 量子器件 纳米电机系统（NEMS） 微波集成电路 亚波长器件 超材料（左手材料）
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
纳米压印工艺由于材料、目标图形和产品用途的不同而 不同，但其基本原理和工作程序是相同的。
最基本的程序包含两个主要步骤:
1. 图形复制(imprint )
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
硅印章
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复制的聚合物图形
转移的金属图形 (10nm 金属点阵)
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
热压印技术
最先提出的压印方式； 使用石英玻璃板作为印章的基底材料； 印章(quartz template) 与聚合物层( transfer layer) 只是相互接触，
国内：
清华大学、上交、西交、北京大学、复旦大学、南京大学、吉林大
2020/学3/1、3同济大学、郑州大学、河南大学等。
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纳米压印机商用设备
德国suss公司产品
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纳米压印机商用设备
美国Molecular Imprints Inc. 公司完成的18Inch的wafer。
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二.纳米压印技术实现方式
逆压印技术
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
软掩模板压印
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
转轴纳米压印技术
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
欧洲信息化技术研究委员会的科学家已开发成功第一代商 用极紫外纳米压印光刻设备。
实现图形的复制。 “复制”是纳米压印的最本质的步骤。
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
压印深度小于聚合物涂层的厚度，确保印章不与衬底材料 接触，保护印章面不受损伤。
脱模：
将“印章”从压印的聚合物中释放。
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Fra Baidu bibliotek
微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
静电辅助纳米压印技术
如果在转移介质中添加磁性
离子，再将样品放到磁场中
稳定一定时间，有利于转移
介质对掩模板间隙的有效填
充，获得图形边缘更清晰的
介质图形。
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
气压辅助纳米技术 采用气体施压的方式提高压印力的均匀性，是目前知 道的施压方式中最优方法。
把聚合物图案转移到衬底材料或其它材料上。
可以直接利用聚合物作为刻蚀掩模进行硅刻蚀。
在压有图形的PMMA 上蒸发上一层金属膜，经过一种叫溶脱(lift off ) 的工艺，去除未压印区的聚合物及其上附着的金属，只留下 附着在基底上的金属，从而在基底上形成相应的金属纳米图形。
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特点：
软极紫外线增强型纳米压印光刻技术。
极紫外纳米压印技术和软光刻技术结合。
灵活的选择多层软模型。
可在室温环境工作。
使用低于1 bar的压印压力。
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
激光熔融纳米压印技术
利用高功率激光在wafer上扫描，形成一层200nm厚的熔融层，替 代传统聚合物介质；
电子束直写;
X射线曝光;
极深紫外光源曝光;
纳米压印技术;
ML2;
EUV IMM.
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微纳科学技术
2013版国际半导体蓝图
自2003年开始直到2015年,奇数年出版的国际半导体蓝图都将纳米压印 技术作为半导体加工所需图形转移技术的备选之一.
http://www.itrs.net/Links/2013ITRS/Home2013.htm
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
气压纳米压印技术
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
气压纳米压印技术的几种实现方法
充气式气压纳米压印；
构建施压腔室，利用两喷嘴向里边充气，提高压强。
气囊式气压纳米压印；
掩模板固定，基板放在弹性气球上，气球充气上顶施压。
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微纳科学技术
三.纳米压印技术亟待解决的问题
3. 转移介质
PMMA(俗名：有机玻璃，聚甲基丙烯酸甲酯 )；
PDMS(聚二甲基硅氧烷 )；
紫外光刻胶；
掩模板采用SiO2，可以透过激光； 熔融后压入熔融层； 分离形成压印图形。
可以在wafer上溅射一层金属，直接熔融金属层实现图形转移。
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微纳科学技术
二.纳米压印技术实现方式
激光熔融纳米压印技术
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NATURE . VOL 417 . 835-837，2002
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微纳科学技术
纳米压印机商用设备
全世界有五家公司生产纳米压印机：
美国
Molecular Imprints Inc.
Nanonex Corp 。
奥地利
EV Group。
瑞典
Obdcat AB。
德国
Suss MicroTec
全球已经有很多大学和科研机构购买了纳米压印机，从事 纳米结构和器件的设计和制备。