[发明专利]一种大面积纳米压印光刻的装置和方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种基于氟聚合物基薄膜结构复合软模具和气体辅助施压的大面积纳米压印光刻的装置和方法，属微纳制造技术领域。

背景技术

纳米压印光刻( Nanoimprint Lithography, NIL)是一种全新微纳米图形化的方法，它是一种使用模具通过抗蚀剂的受力变形实现其图形化的技术。与其它微纳米制造方法相比，NIL具有高分辨率、超低成本（国际权威机构评估同等制作水平的NIL比传统光学投影光刻至少低一个数量级）和高生产率的特点，尤其在大面积微纳米结构和复杂三维微纳米结构制造方面具有突出的优势。随着纳米压印光刻在LED纳米图形化、高密度磁盘介质（HDD）、光学器件（如光学透镜、衍射光学元件、光栅等）、太阳能光伏器件、微流控器件等领域的广泛应用，对于大面积和晶圆级纳米压印工艺的需求越来越迫切，同时压印面积也变得越来越大、复形精度的要求也愈来愈高。目前实现大面积或者整片晶圆纳米压印光刻的方法主要有两种：第一种是采用步进重复纳米压印工艺（Step-and-repeat NIL）；第二种是采用单步整片晶圆纳米压印光刻。与采用步进重复纳米压印光刻工艺实现大面积图形化方法相比，采用整片晶圆（晶圆级）纳米压印光刻(Full wafer NIL, Wafer-level NIL, Wafer scale NIL)具有生产率高、图形均匀和一致性好等显著的优点。目前实现单步整片晶圆纳米压印光刻的工艺主要有两种：采用硬模具的整片晶圆热压印工艺，但是该方法对于衬底的平整度和衬底硬度要求较高，不适合非平整（弯曲、翘曲或者台阶）、曲面衬底以及易碎性衬底（如LED图形化）的压印。第二种方法是基于PDMS的软紫外纳米压印 ，但PDMS弹性模量较低，大面积压印过程中大的压印力易于导致其产生变形，耐磨性差，工作寿命也非常短，另外PDMS还存在一个很大的不足：在有机溶剂中医与膨胀问题（Swell）和变形，严重影响压印图形的精度和模具寿命。此外，现有的大面积或整片晶圆纳米压印工艺面临以下挑战性技术难题：（1）脱模困难。随着模具和衬底的接触面积的增大，一方面包含模具微纳结构特征大大增加，另一方面模具与抗蚀剂粘附问题变得日益突出，导致需要很大的脱模力才能实现模具与晶圆的分离，大的脱模力容易损坏模具和复制的图形；另外，若脱模力过大，则可能将已固化抗蚀剂的颗粒粘附在模具表面，并且可能造成模具表面纳结构的破坏，即造成压印模具的“污染”；（2）模具有限的使用寿命，无论涂覆脱模层的硬模具还是软模具，其使用寿命有限，难以满足工业化应用的要求；（3）难以实现高分辨率图形的制造。为了实现模具与整片晶圆均匀性的完全接触，液态抗蚀剂快速、完全充填模具微纳米腔体结构，与步进重复纳米压印工艺和小面积压印工艺相比，大尺寸整片晶圆压印需要更到的压印力，大的压印力将导致模具产生变形，对于软模具其变形尤为严重，这将导致复型精度的降低、存在缺陷，甚至图形复制失败；（4）气泡消除。消除气泡一直是纳米压印工艺所面临的极为棘手的问题，气泡的存在将导致复制的图形存在缺陷，严重影响制作图形的质量。大尺寸整片晶圆纳米压印过程中印极易产生气泡，然而消除气泡却非常难以解决；（5）大面积施加均匀一致的压印力。压印力分布不均匀，一方面导致模具与衬底无法充分完全接触，影响复型精度和质量，甚至导致图形转移失败，另一方面对于脆性材料的模板或者衬底，压印力的不均匀极易导致其碎裂。蓝宝石衬底已经从早期的2inch和4inch，目前正向6inch和8inch发展，随着衬底尺寸的增加，意味着每单位面积的制作成本降低、总体产能的提升。但是随着衬底（晶圆）尺寸的不断增大，对于整片衬底图形化过程中，如何在大面积的衬底上获得均匀一致的压印力变的愈发困难。对于压印工作台和压印机构性能的要求也越来越高；（6）整个压印区域获得均匀一致和薄的残留层。抗蚀剂上的图形需要转移到晶圆（衬底）上，在整片晶圆的压印区域获得均匀一致和薄的残留层，对于实现高质量的图形转移起到决定性的作用。另外，对于使用晶圆级纳米压印工艺进行LED外延片图形化，还面临如下技术难题：（1）晶圆不平整，会有数微米尺寸的表面突起。几十微米的翘曲是衬底材料膨胀系数不一致的结果，比如碳化硅或蓝宝石与外延生长的半导体材料，如氮化镓，其生长温度高于900℃。这两层材料实际上像双层金属片一样，会形成类似薯片的翘曲结构。热应力也阻碍了使用更大尺寸的晶圆。表突起是外延生长的副产品，如果衬底和半导体材料的晶格不能完全匹配，就会产生突起；（2）晶圆面不是非常清洁，可能有污物；（3）在高亮LED生产中，为了节省MOCVD外延生长的成本，未来的发展趋势是使用大尺寸衬底，例如4寸或者6寸晶圆。然而外延生长会导致大尺寸基底的弯曲则越发的明显，在后续的光刻过程中强行利用真空吸附等方式补偿这种弯曲以换取光刻中的高分辨率有可能会造成衬底断裂。对于微光学透镜期间，需要在曲面衬底表面制造大面积微纳米结构。因此，需要开发新的大面积或者整片晶圆纳米压印光刻工艺，以适应各种衬底（非平整、台阶、曲面衬底以及易碎性衬底压印工艺的需求，延长模具的寿命，提高压印图形的质量和精度。