纳米压印加工技术发展综述

纳米压印加工技术发展综述

崔　铮1　陶佳瑞2

(1.英国卢瑟福国家实验室微结构中心,英国;2.武汉大学,武汉430072)

摘　要:纳米技术是一项有望为21世纪人类生活的各个方面带来革命的技术。纳米技术不是在一夜之间产生出来的;它是在业已发展多年的、为我们带来了微芯片和其它微米产品的基础上产生的。任何纳米技术均依赖通过纳米加工技术将物体加工至纳米尺度。许多具有100纳米以下加工能力的技术已被开发出来。纳米压印技术就是其中的一项很有希望的技术;它具有低成本、高产量和高分辨率的特点。本文对纳米压印技术的发展进行了综述,描述了纳米压印的基本原理,然后对近年的新进展进行了介绍,并特别强调了纳米压印的产业化问题。我们希望这篇综述能够引起国内工业界和学术界的关注,并致力于在中国发展纳米压印技术。

关键词:微纳米加工技术　纳米压印　纳米技术　纳米结构

Overvie w of N anoimprinting T echnology Development

CUI Zheng　TAO Jiarui

(1.Rutherford Appleton Laboratory,U.K.;2.Wuhan U niversity,Wuhan　430072)

Abstract:N anotechnology is a21st cent ury technology that prom ises to bri ng revol ution to every aspect of hum an lif e.N anotechnology is not an overnight creation but years of development of m icrotech2 nology that brought us the m icrochips and other m icro w onders.N anotechnology relies on nanof abri2 cation to scale dow n anythi ng that requi res nanometer size.M any techniques have been developed that are capable of f abricati ng st ruct ures less than100nm.A mong them,nanoi m pri nti ng is a prom is2 i ng technology w hich is low cost,high throughput and high resol ution.In this paper,the develop2 ment of nanoi m pri nti ng technique has been reviewed.The basic pri nciple of nanoi m pri nti ng is de2 scribed.It then i nt roduces the new development i n recent years.A particular em phasis is on the In2 dust rializ ation of the technology.It is hoped the overview w ill draw the attention of Chi nese i ndus2 t ry and academ ics to put ef f ort i nto developi ng the technology i n Chi na.

K ey w ords:m icro and nanof abrication technology,nanoi m pri nt,nanotechnology,nanost ruct ure

1　引论

随着科技的进步和发展,人们从理论和实验研究中发现,当许多材料被加工为具有纳米尺度范围(通常在100纳米以下)的形状时,会呈现出与大块材料完全不同的性质。这些特异的性质向人们展现了令人兴奋的应用前景。纳米技术已经成为当今最热门的一项高新技术。展现纳米尺度效应的关键是要实现纳米尺度的结构与器件。无论纳米器件的材料如何,基本形态如何(点、孔、线、槽、柱、条块),其具有优异性质的关键在于它的精细的尺寸。传统的加工技术不能满足纳米技术的需要。而在开发超大规模集成电路工艺技术的过程中,人们已经开发了一些能够进行纳米尺度加工的技术,例如电子束与X射线曝光,聚焦离子束加工,扫描探针刻蚀制技术等。但这些技术的缺点是设备昂贵,产量低,因而产品价格高昂。商用产品的生产必须是廉价的、操作简便的,可工业化批量生产的、高重复性的;对于纳米尺度的产品,还必须是能够保持它所特有的图形的精确度与分辩率。针对这一挑战性,美国“明尼苏达大学纳米结构实验室”从1995年开始进行了开创性的研究,他们提出并展示了一种叫作“纳米压印”(nanoimprint lithography)的新技术[1]。

“纳米压印”是一种全新的纳米图形复制方法。其特点是具有超高分辩率,高产量,低成本。高分辩率是因为它没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散射现象。高产量是因为它可以象光学曝光那样并行处理,同时制作成百上千个器件。低成本是因为它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。因此纳米压印可望成为一种工业化生产技术,从根本上开辟了各种纳米器件生产的广阔前景[2]。纳米压印技术已经展示了广阔的应用领域。如用于制作量子磁碟[2],DNA电泳芯片[3],G aAs光检测器[4],波导起偏器[5],硅场效应管[6],高密度磁结构[7],G aAs量子器件[8],纳米电机系统和微波集成电路[9]等。本文简要介绍了纳米压印技术的原理以及近年来该技术的最新发展,并对国外在纳米技术产业化方面的发展进行了分析,以期对中国开发这一技术及其应用有所借鉴。

2　纳米压印技术的基本原理和工艺纳米压印的具体工艺由于材料、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:图形复制(imprint)和图形转移(pattern transfer),如图(1)所示。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),再用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(必须高于聚合物的“软

化”温度(glass-transition temperature),和压力下去

“压印”(imprint)PMMA涂层,从而实现图形的“复

制”。这种“复制”是纳米压印的最本质的步骤。压

印的深度通常小于聚合物涂层的厚度,以确保印章

不与衬底材料接触。这样可以保护印章面不受损

伤。下一步是脱模。将“印章”从压印的聚合物中释

放。这时形成的纳米图案还只是聚合物图案,没有

什么实用价值。还需要把这个聚合物图案转移到衬

底材料或其它材料上去。若需要将聚合物图形转移

到衬底硅材料上,则可以直接利用聚合物作为刻蚀

掩模进行硅刻蚀。或者在压有图形的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。图(2)显示了硅印章,压印的聚合物

图形结构和通过溶脱技术得到的金属图形结构。图(1)　纳米压印工艺流程