纳米压印技术

纳米压印及其加工技术

摘要：纳米压印是一种全新的纳米图形复制方法。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。讲解了纳米压印相关技术种类，技术发展程度，及未来发展方向和应用前景。

关键词：纳米压印；影响因素；产业化发展

7月16日，王旭迪老师在我校格物楼二楼学术报告厅开展一场主题报告，本次报告主题为“纳米压印及其加工技术”。我专业80余人参加了此次报告会。

王老师讲解了纳米压印技术的分类、原理，以及此项技术的发展历程和应用前景。

一、纳米压印的技术方法

纳米压印技术最早由Stephen Y Chou教授在1995年率先提出,这是一种不同与传统光刻技术的全新图形转移技术。纳米压印技术的定义为:不使用光线或者辐照使光刻胶感光成形,而是直接在硅衬底或者其它衬底上利用物理学的机理构造纳米尺寸图形。

纳米压印技术是一种目前在国际上引起普遍关注的具有超高分辨率的新纳米光刻方法, 可以在柔性聚合物等薄膜上形成分辨率小于10nm 的大面积三维人工结构。纳米压印分为两步: 压印和图形的转移。将模版与基片进行对准, 基片由硅片和聚合物形成的抗蚀层组成。通常热压印中抗蚀层为传统光刻胶聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA) ,且压印前已经均匀固化在硅片上。然后加压,使模版上的微细图形转移到抗蚀剂上。最后进行脱模分离, 使模版与抗蚀层分离。后续工艺为采用反应离子刻蚀(RIE)将残余层除去。这就完成了整个压印过程。

传统纳米压印技术主要有三种:热塑纳米压印技术、紫外固化压印技术和微接触纳米压印技术。

1.1 热塑纳米压印技术

热塑纳米压印技术主要的工艺流程:制备高精度掩模板,一般采用硬度大和

化学性质稳定的SiC、Si

3N

4

、SiO

2

,利用电子束蚀刻技术或反应离子蚀刻技术来

产生图案；利用旋涂的方式在基板上涂覆光刻胶,常见的是PMMA和PS；加热至光刻胶的玻璃化转换温度(T g)之上50℃～100℃,然后加压(500kPa～1 000kPa)于模板并保持温度和压力一段时间,液态光刻胶填充掩模版图形空隙；降低温度至T g以下后脱模,将图形从模板转移到基片上的光刻胶；采用反应离子刻蚀去除残留光刻胶,就将图形转移到基板上。为了减小空气气泡对转移图案质量的影响,整个工艺过程都要在小于1Pa的真空环境中进行。

1.2 紫外固化纳米压印技术

紫外固化纳米压印技术由德州大学C GWillson教授提出。主要工艺过程：先制备高精度掩模板,而且要求掩模板对紫外光是透明的,一般采用SiO

2

材质作为掩模版；在基板上旋涂一层液态光刻胶,光刻胶的厚度为600nm～700nm,光刻胶要求黏度低,对紫外光敏感；利用较低压力将模板压在光刻胶之上,液态光刻胶填满模板空隙,从模板背面用紫外光照射,紫外光使光刻胶固化；脱模后用反应离子蚀刻方式除去残留光刻胶,将图案从模板转移到基板上。压印过程如图1-1所示。

紫外固化纳米压印技术与热塑压印技术相比不需要加热,可以在常温下进行,避免了热膨胀因素,也缩短了压印的时间；掩模板透明,易于实现层与层之间对准,层与层之间的对准精度可以达到50 nm,适合半导体产业的要求。但紫外固化纳米压印技术设备昂贵,对工艺和环境的要求也非常高；没有加热的过程,光刻胶中的气泡难以排出,会对细微结构造成缺陷。生产中常常采用紫外固化纳米压印技术和步进技术相结合,形成步进式快闪纳米压印技术,工艺过程如图1-2所示。该方法采用小模板分步压印紫外固化的方式,大大提高了在基板上大面积压印转移的能力,降低了掩模板制造成本,也降低了采用大掩模板带来的误差。但此方法对位移定位和驱动精度的要求很高。

图1-1紫外固化纳米压印流程

图 1-2步进式快闪纳米压印技术工艺流程

1.3 微接触压印技术

微接触压印技术有两种实现方法,分别为微接触纳米压印技术和毛细管微模版法。

微接触纳米压印技术由哈佛大学的Whitesides GM等人提出,工艺过程:用光学或电子束光刻技术制得掩模板,用一种高分子材料(一般是PDMS)在掩模版中固化脱模后得到微接触压印所需的模板；将模板浸没到含硫醇的试剂中；再将PDMS模板压在镀金的衬底上10s～20s后移开,硫醇会与金反应生成自组装的单分子层SAM,将图形由模板转移到衬底上。后续处理工艺有两种:一种是湿法蚀刻,

将衬底浸没在氰化物溶液中,氰化物使未被SAM单分子层覆盖的金溶解,这样就实现了图案的转移；另一种是通过金膜上自组装的硫醇单分子层来链接某些有机分子,实现自组装,此方法最小分辨率可以达到35nm,主要用于制造生物传感器和表面性质研究等方面。压印过程如图1-3所示。

图 1-3微接触纳米压印工艺流程

毛细管微模版法由微接触纳米压印技术发展而来,掩模板制作的方式与微接触压印技术相同；模板放置在基板之上,将液态的聚合物(一般为聚甲基丙烯酸)滴在模板旁边,由于虹吸作用,聚合物将填充模板的空腔；聚合物固化后脱模,再经过蚀刻就将图案从模板转移到基板上。工艺过程如图1-4所示。

图 1-4毛细管微模版制法工艺流程

二、影响纳米压印图形精度的因素

2.1 温度

热塑纳米压印技术的温度要控制在适当的范围。如果温度太低, 聚合物的流动性不够, 且可逆流动所占的比例较大,撤模后图形的变形较大；如果温度太高,可能破坏聚合物分子链本身的结构, 使图形区域产生较多缺陷。聚合物的松弛时间和粘度的比率随温度的变化方程为：

log(τ/τ

0)=log(η/η

)=(-C

1

(T-T

))/(C2+(T-T

)) （公式2-1）

式中:τ为聚合物的松弛时间,η为聚合物的粘度,T为绝对温度；τ

0和η

分

别为在参考温度下τ和τ

0的取值；在温度T

= Tg(聚合物的玻璃化转变温度)

时, 常数C

1= 17.44K, C

2

= 51.6K。从这个方程可以看出, 升高温度比增加时间更

有效, 因为聚合物粘度的比率随温度呈指数关系变化。通常加热的最高温度比T

g

高50~100℃,对PMMA体系, 比T

g

高90℃能获得最好的压印效果。在热压印过程中,模版和基片的温度要升至抗蚀层聚合物的玻璃态温度以上,在压力的作用下使聚