[发明专利]紫外/热压固化型纳米压印方法与压印机

说明书

一、技术领域

本发明属微纳结构与器件先进制造新技术应用领域，主要涉及一种用于微米与纳米微结构材料与器件的制备与制造新技术与新工艺，其中主要包括在真空环境下的利用高压气体进行纳米与微米微结构的纳米压印技术，紫外光与加热两种压印胶固化手段的纳米压印机及采用PLC进行压印与固化等全过程的自动化控制方法及结构。

二、背景技术

微结构材料与器件的制造技术是当今微电子、光电子与集成光子器件等广大领域中的关键技术。因为目前的科学研究表明，很多材料和器件当进入到微小尺寸，特别是在纳米尺度范围内显示出许多全新的物理和化学性质，因此高效低廉与高稳定性的纳米微结构制备技术的开发与应用在这些领域中的研究与批量生产即显得具有至关重要的意义。纳米制备(nanofabrication)技术是指制备尺寸小于100nm结构图案的技术，这一技术最直接的应用就是半导体芯片上集成电路的制造与加工，它同时对集成光电子与光子器件产生的持续深入发展起着极大的推动作用，另外这一技术还可广泛应用于制造其他微纳器件，如微纳机电系统，生物芯片，微型化学反应器与化学分析仪，高灵敏度各类传感器件等许多高科技领域，还有当今生命科学研究的前沿处于纳米和分子水平上，同样需要这种制备技术的强力支撑。作为一项最成熟也是最成功的微纳结构与器件的制备技术，光刻技术(photolithography)为半导体与微电子产业的发展作出了不可磨灭的贡献，但随着集成度与存储密度及运算速度的不断提高，相关器件的尺度相应也要求越来越小，这样在光刻工艺中，除了对其他工序要求越来越高之外，曝光波长也越来越短。随之发展了深紫外与极紫外曝光技术，使得器件制造成本越来越高昂，尽管近年来发展了曝光波长更短的下一代光刻技术，如X射线光刻、电子束光刻以及离子束光刻等新技术，但由于这些技术的生产成本极高，以及其他一些致命的不足之处，目前以及近期很难用于器件的大规模生产，同时由于上述技术大多以半导体大规模集成电路生产为研究目的发展出来的，对其他非半导体器件的制备与生产存在严重不足，如投资巨大，生产条件要求很高等等。从上世纪九十年代以来，人们开始寻求简单高效低廉的纳微米结构与器件的制备工艺与技术，如扫描探针方法，自组装方法等，但纳米压印技术是最有前途的大面积高效低廉的纳微结构器件制备技术。

纳米压印(Nanoimprint lithography)是上世纪九十年代中期美国Princeton大学Nanostructure Lab的Stephen Y.Chou教授首先提出类似于高分子模板刻印的一种技术，并且成功证明通过这一技术可以在半导体硅片上获得尺寸小于10nm的结构单元。纳米压印技术的工艺过程如附图1a所示，它的工作原理是将具有纳米结构的模板通过一定的压力，压入加热熔融的高分子胶层薄膜内，待高分子材料冷却或固化，即纳米结构定型后，移去模板，然后再通过等离子刻蚀等传统的微电子加工手段把纳米结构进一步转移至半导体硅片上。由于进行纳米压印时需要较高的压力(数十大气压)，容易破坏模板上的纳米结构，不利于模板的反复多次使用；同时印制过程需加热使高分子熔融软化，但由于模板、高分子材料与基板的热膨胀系数不同，加热与冷却过程中产生的应力也会造成纳米结构在转移与复制过程中产生缺陷。为此美国德州大学奥斯丁分校的C.G.Willson研究小组提出了步进曝光压印技术(step and flash imprint)，其工艺过程见附图1b，即采用粘度低、流动性好的可紫外光固化预聚物体系作为纳米压印材料，将其滴在基片上，利用液体特有的毛细现象，当模板与可紫外固化预聚物接触后，不需要外界压力，就可使紫外固化材料很容易地注入模板的纳米结构内，并通过紫外光使其快速固化，从而使纳米压印过程可以在室温与较低的压力下迅速完成(这里需一定的压力，是为了使模板和基板上的紫外光固化材料能够很好的接触)，达到了可规模化生产应用的要求，从而也突破了纳米压印上述一大瓶颈问题。但该方法形成的压印残留层厚度不均匀，较难通过等离子刻蚀技术实现纳米结构图案的精确转移。Stephen Y.Chou小组基于步进曝光压印技术，在热压印基础上发展了基于旋转涂膜的可紫外光固化的纳米压印技术，可在基片上形成厚度均匀的可紫外光固化预聚物液体膜，压印后残留层的厚度也保持均匀，可实现较大面积纳米图案的精确转移复制，其压印出的纳米结构最小尺寸达到5nm。