納米壓印技術(shù)的基本方法及其應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上納米壓印技術(shù)的基本方法及其應(yīng)用摘要：納米壓印技術(shù)具有加工成本低，使用設(shè)備簡(jiǎn)單，制備周期短等優(yōu)點(diǎn)，是目前納米溝道加工的主要技術(shù)。本文介紹了納米壓印技術(shù)中熱壓印、紫外固化壓印和微接觸等三種典型的壓印工藝及其關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)三種工藝方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比說明，總結(jié)了納米壓印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，最后對(duì)該技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。關(guān)鍵詞：納米壓印技術(shù) 熱壓印 紫外固化壓印 微接觸中圖分類號(hào)：TH161The Main Method and Application of Nanoimprint TechnologyAbstract: Nanoimprint technology whi

2、ch has low cost, simple device and Short production cycle is the main technology in Nano-channel production. This article describes the typical embossing process and key technologies of Hot embossing, UV-curable Nanoimprint Lithograhpy and Micro-contact printing, introduce the advantages and disadva

3、ntages of these three methods by contrast, Summarizes the applications of nanoimprint technology, finally summarize and prospect the development of nanoimprint technology.Keywords: Nanoimprint technology Hot embossing UV-curable Micro-contact printing0 前言納米壓印技術(shù)是目前納米溝道加工的主要技術(shù)。傳統(tǒng)的光刻技術(shù)主要是利用電子和光子改變光刻膠的物

4、理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而得到相應(yīng)的納米圖形。而納米壓印技術(shù)則可以在不使用電子和光子的前提下，直接利用物理學(xué)機(jī)理機(jī)械地在光刻膠上構(gòu)造納米尺寸圖形。正是由于這種機(jī)械作用，使得納米壓印技術(shù)不再受到光子衍射和電子散射的限制，可大面積地制備納米級(jí)圖形。同時(shí)，由于這項(xiàng)技術(shù)所用的設(shè)備簡(jiǎn)單，制備時(shí)間短，壓印模板可以重復(fù)使用，所以應(yīng)用該技術(shù)制備納米圖形所需的成本也較低。這種技術(shù)最早由美國普林斯頓大學(xué)的Chou等學(xué)者提出1。最早研究出來的納米壓印技術(shù)是熱壓印(Hot embossing)，隨著研究的不斷深入，一些改進(jìn)的納米壓印技術(shù)也隨之誕生。這些改進(jìn)的納米壓印技術(shù)主要有：滾軸納米壓印技術(shù)（RNIL）、紫外固化壓印技術(shù)（U

5、V-NIL）（包括步進(jìn)-閃光壓?。⊿-FIL）、微接觸印刷（UCP）、反納米壓印技術(shù)（R-NIL）、光刻結(jié)合壓?。–NP）和激光輔助壓?。↙ADI）等2。當(dāng)然科研者們也正在開發(fā)更多的方法，這些改進(jìn)的納米壓印技術(shù)原理基本一致，只是工藝變得更加簡(jiǎn)單、實(shí)用和廉價(jià)。1 三種典型納米壓印技術(shù)的工藝方法及其關(guān)鍵技術(shù)1.1 熱壓印(Hot embossing)熱壓印(Hot embossing)是最早開發(fā)出的納米壓印技術(shù)，相對(duì)其他技術(shù)，它也是被研究的最為充分，應(yīng)用的最為廣泛，是目前納米壓印技術(shù)的主流技術(shù)。下面結(jié)合圖1對(duì)熱壓印的工藝步驟做簡(jiǎn)要敘述。1）、熱壓印模板的制備3模板的制備是整個(gè)熱壓印過程當(dāng)中最關(guān)鍵的

6、一步，因?yàn)榧{米壓印技術(shù)的核心思想是圖形的復(fù)制與轉(zhuǎn)移，整個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提是模板必須具備高分辨率、穩(wěn)定、可重復(fù)使用特性。目前分辨率最高的曝光技術(shù)是電子束直寫曝光技術(shù)，它的分辨率可高達(dá)5nm，其過程如下：（1）涂敷聚合物：將對(duì)電子束敏感的聚合物（如PMMA）涂敷到平整的基底上；（2）制備聚合物圖形：電子束按照預(yù)定的圖形程序在聚合物表面掃描曝光，被曝光區(qū)域的聚合物斷鍵或分解，溶解在特定的溶劑中。而未被掃描的區(qū)域則不溶（即顯影），在基底上制備聚合物圖形；（3）轉(zhuǎn)移聚合物圖形：經(jīng)過真空蒸鍍金屬、剝離、反應(yīng)離子刻蝕等工序，將聚合物圖形轉(zhuǎn)移到金屬或基底上。這里的基底材料通常是SiO2。熱壓印模板要具備以下條件

7、4：（1）高硬度：壓模和撤模的過程中不容易變形和受損；（2）低膨脹系數(shù)：避免熱膨脹程度不同及高壓導(dǎo)致的圖形變形；（3）好的抗黏性能：壓模時(shí)聚合物能完全浸潤模板表面，撤模時(shí)聚合物能與基底完全分離。綜合上述條件限制，熱壓印階段模板通常選用Si和SiO2，抗粘層則主要使用Cr、Ni、Al，其中Ni是目前實(shí)驗(yàn)證明坑粘效果最好的金屬保護(hù)層5。2）、熱壓印膠的選擇用作熱壓印膠的聚合物得滿足以下三個(gè)條件6：（1）聚合物是非晶態(tài)，可在外力作用下流動(dòng)發(fā)生形變；（2）熱膨脹系數(shù)和壓力收縮系數(shù)要?。唬?）相對(duì)于基底，有較高的干法刻蝕選擇性。PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）是應(yīng)用最多的熱壓印膠,因?yàn)樗蔫T板聚合物的數(shù)均分

8、子量可達(dá)2.2×104，涂敷非常均勻，而且能溶于自身單體、氯仿、乙酸、乙酸乙酯、丙酮等有機(jī)溶劑。當(dāng)然，其他類型的熱壓印膠也在逐漸被科學(xué)家們研制并應(yīng)用到熱壓印技術(shù)當(dāng)中。例如法國微電子技術(shù)中心的Gourgon C等人7研究的NEB22電子束抗蝕劑，它既具有高的干刻選擇性，又表現(xiàn)出很好的可壓印性，很有可能取代PMMA材料。3）、加熱聚合物至玻璃化溫度以上當(dāng)溫度到達(dá)聚合物的玻璃化溫度以上,聚合物中大分子鏈段運(yùn)動(dòng)可以充分開展,使其相應(yīng)處于高彈態(tài),在一定壓力下,就能迅速發(fā)生形變。但溫度又不宜過高，因?yàn)闇囟冗^高不僅增加了壓模的周期，還對(duì)壓模的結(jié)構(gòu)起不到明顯的改善，甚至可能使聚合物彎曲而導(dǎo)致模具受損

9、。4）、壓模：恒溫加壓，使流動(dòng)的聚合物填充模具中的空腔，壓力不宜太小，以防腔體不能被完全填充。5）、冷卻：冷卻到聚合物玻璃化溫度一下，使圖案固化，提供足夠大的機(jī)械強(qiáng)度。6）、脫模：脫模時(shí)要防止用力過度導(dǎo)致模具受損。7）、刻蝕：通過O2RIE干法刻蝕去除殘留的壓印膠層，然后采用刻蝕技術(shù)進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移。圖1 熱壓印工藝過程1.2 紫外固化壓印(UV-curable Nanoimprint Lithograhpy)紫外固化壓印(UV-curable Nanoimprint Lithograhpy)則是目前綜合優(yōu)勢(shì)最好的壓印技術(shù)，它不需要高溫、高壓條件，加工精度高、加工效率高、對(duì)準(zhǔn)性好。紫外壓印最新的一

10、個(gè)改進(jìn)技術(shù)是步進(jìn)-閃光壓印8，它可以在工藝和工具成本明顯降低的情況下，在工具壽命、模具壽命、模具成本、工藝良率、產(chǎn)量和尺寸重現(xiàn)精度等方面達(dá)到和光學(xué)光刻一樣甚至更好。紫外固化壓印技術(shù)將是納米壓印技術(shù)的一個(gè)重要的發(fā)展方向。它的工藝流程和熱壓印基本相同9，如圖2所示：（1）模板制備：通過電子束曝光或聚焦離子束等微電子工藝制作出一個(gè)具有納米圖形結(jié)構(gòu)的模板；（2）涂敷光刻膠：在基片(硅、石英玻璃等) 表面涂敷對(duì)紫外線過敏的壓印光刻膠（如SU-8等）（3）壓膜：加熱光刻膠至玻璃化溫度以上，然后恒溫加壓，使流動(dòng)的聚合物填充模具中的空腔；（4）曝光：通過紫外線曝光固化壓印光刻膠；（5）脫模；（6）刻蝕：將圖形

11、最終轉(zhuǎn)移至基片表面,在基片上形成所需的納米圖形結(jié)構(gòu)。圖2 紫外固化壓印工藝過程它與熱壓印最大的區(qū)別是壓印光刻膠需要使用對(duì)紫外線敏感的材料,而且壓印的模板或襯底中至少有一種是透明的。紫外固化壓印技術(shù)通常采用的光刻膠體系之一是環(huán)氧樹脂體系，它是陽離子聚合，不受空氣中氧的干擾，收縮率較小，所以它還是通用型的紫外納米壓印膠。SU-8就是環(huán)氧樹脂體系中的一種。它是一種化學(xué)放大負(fù)膠，分子式中含有8個(gè)環(huán)氧環(huán)，具有良好的光敏性，對(duì)紫外光吸收極少，且具有良好的力學(xué)性能、抗化學(xué)腐蝕性和熱穩(wěn)定性，所以被用作壓印光刻膠材料10。步進(jìn)-閃光壓印是在整體式紫外固化壓印的工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，二者的基本工作原理基本相同，區(qū)

12、別僅在于：步進(jìn)-閃光壓印采用的是小模板，而整體式紫外固化壓印的模板大小對(duì)應(yīng)于基片的大小，一次性壓印成型步進(jìn)-閃光壓印通常采用石英玻璃做模板，通過透明的石英玻璃進(jìn)行光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，目前對(duì)準(zhǔn)精度可達(dá)250nm，最大的缺點(diǎn)就是：生產(chǎn)效率較低，不適于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。二者的性能對(duì)比如下表所示11-12。表1 整體式紫外固化壓印和步進(jìn)-閃光壓印的比較方式整體式紫外固化壓印步進(jìn)-閃光壓印多層壓印適用性可進(jìn)行多層壓印適合圖形一致性和均勻度一般好模板的選用整體式大模板小模板加工的靈活性較差靈活分辨率60nm50nm對(duì)準(zhǔn)精度1um250nm生產(chǎn)效率通常60-100片/小時(shí)通常10片/小時(shí)應(yīng)用聲表面波 器件，光柵微機(jī)電系

13、統(tǒng)集成電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)納米電子器件1.3 微接觸印刷(Micro-contact printing)微接觸印刷(Micro-contact printing)是哈佛大學(xué)Whitesides GM等人提出來的。它的基本思想是：用一塊彈性模板和分子自組裝技術(shù)，在基底表面形成自組裝單分子層納米圖形結(jié)構(gòu)。這種方法不但快速、廉價(jià),而且不需要潔凈間和絕對(duì)平整的表面，適合多種不同表面，操作方法靈活多變。它還具有高質(zhì)量、低成本的優(yōu)點(diǎn)，可大面積制作簡(jiǎn)單圖案，圖案的最小分辨率可達(dá)35nm。它的工藝過程如圖3所示：（1）制作彈性模板：首先用電子束或光學(xué)光刻的方法在硅片上加工出所需的納米圖案作為母板,再用液態(tài)PDMS澆

14、鑄母板,待PDMS固化后從母板中取出,即形成PDMS模板。由于聚二甲基硅氧烷(PDMS)有獨(dú)特的彈性,良好的透光性,介電性,化學(xué)惰性,易加工成型,所以選用此材料澆鑄PDMS彈性模板。（2）蘸墨：PDMS彈性模板與墨的墊片接觸或浸在墨溶液里，墨通常采用烷基硫醇；（3）形成自組裝分子層SAM：將蘸墨的彈性模板輕壓在基片的貴金屬表面，停留10-20秒后移開，硫醇會(huì)與貴金屬膜表面反應(yīng)形成自組裝分子層；（4）濕法刻蝕轉(zhuǎn)移單分子層圖案：在氰化物溶液中,氰化物的離子促使未被SAM層覆蓋的金的溶解,而由于SAM能有效地阻擋氰化物的離子,被SAM覆蓋的金被保留,從而將單分子層的圖案轉(zhuǎn)移到金上13。圖3 微接觸印

15、刷工藝圖此外微接觸印刷技術(shù)還可以采用下面兩種方式14:（1）用惰性膠體溶液與有催化活性的表面起反應(yīng),然后通過化學(xué)鍍層法成型；（2）用活性催化劑與惰性表面起反應(yīng),然后通過化學(xué)鍍層法成型。2 三種納米壓印工藝性能和特點(diǎn)比較 三種納米壓印工藝性能和特點(diǎn)比較如表2所示。 表2 三種納米壓印工藝性能和特點(diǎn)比較15-18方式熱 壓 ?。℉EL）紫外固化壓?。║V-NIL）微 接 觸(u CP)起源Stephen Y.Chou等人，1995年Austin Texas. Grant Wilson,1996年哈佛大學(xué)White sides G M.等人，1993年模板（材料）4英寸模板，Si,SiO2,Ni,氮

16、化硅，金剛石，碳化硅等材料1英寸小模板，石英玻璃或金剛石材料，可透過紫外光4英寸模板，聚二甲基硅氧烷（PDMS）分辨率100nm50nm80nm溫度壓印時(shí)比聚合物玻璃化溫度高50-100室溫室溫壓印力2000-40000N1-200N1-100N基片Si片,SiO2片,敷有金屬底膜的Si片Si片金膜，銀、銅等金屬或硅等非金屬對(duì)準(zhǔn)精度1um左右500nm無有機(jī)溶劑1 mr-I系列2 NXR-1000系列3 PMMA和SU8系列紫外線過敏有機(jī)溶劑（SU-8等）1烷基硫醇2聚甲基丙烯酸特點(diǎn)1效率高2高寬比大3對(duì)準(zhǔn)精度較低4模板加工周期長5最好使用真空環(huán)境1分辨率高2對(duì)準(zhǔn)精度高3便于實(shí)驗(yàn)研究4可選真空

17、環(huán)境1成本低2過程簡(jiǎn)單3效率高4無需真空環(huán)境5圖形精密度較低3 三種納米壓印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域這三種納米壓印技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，各具獨(dú)特的應(yīng)用前景：1、 熱壓印技術(shù)：光電、光學(xué)器件；微型機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域。2、 紫外固化壓印技術(shù)：納米光電器件、納米電子器件的生產(chǎn)；NEMS和MEMS加工；半導(dǎo)體集成電路的制造。3、 微接觸印刷技術(shù)：生物芯片和微流體器件的生產(chǎn)；生物傳感器（抗體光柵）；微機(jī)械元件的生產(chǎn)。4 結(jié)論納米壓印技術(shù)作為一種低成本、高產(chǎn)出、高分辨率的納米結(jié)構(gòu)圖形復(fù)制技術(shù)，已經(jīng)受到各個(gè)國家科研人員的重視。國際上技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先的有Chou課題組、Willson課題組、Wuppertal大學(xué)、Lund大學(xué)等，我國一

18、些科研人員也在從事這方面的研究，比如中科院光電所、物理所等，但是起步相對(duì)較晚。該技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)取得了豐碩的成果，正在一步一步朝著工業(yè)化發(fā)展的方向邁進(jìn)。但是該技術(shù)還應(yīng)該從以下幾個(gè)方面努力：1、 納米壓印技術(shù)與傳統(tǒng)的主流光刻技術(shù)銜接；2、 納米壓印模板的質(zhì)量和精度有待進(jìn)一步提高，其相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)有待開發(fā)；3、 應(yīng)用領(lǐng)域有待進(jìn)一步擴(kuò)展。參考文獻(xiàn)1. Chou S Y, Krauss P R, Renstrom PJ. Imprint of sub-25 nm vias and trenches in polymersJ. Applied physics letters, 1995, 67(21):

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