納米壓印技術你了解多少

說到芯片制造技術，想必大家首先想到的就是***以及光刻技術。今天為大家介紹一種在芯片制造過程中相對來說不是這么為大眾所知的技術——納米壓印技術。

一.什么是納米壓印

納米壓印技術，從字面的意思剖析。納米代表了這個技術加工的尺度是（納米：Nanometer，符號:nm，即為毫微米，是長度的度量單位。1納米=10的負9次方米。）。壓印則是代表了這個技術的實現(xiàn)方式，按壓、圖印。最為直觀的理解這個技術的簡單類比方法就是我國的四大發(fā)明之一——印刷術。印刷術通過制作印刷模具、拓片、墨水等實現(xiàn)文字的復刻和圖形的轉(zhuǎn)移，經(jīng)過多年的演變有了凸版印刷、平版印刷、凹版印刷、孔板印刷以及軟板印刷等不同形式。古老的印刷術的技巧和思維經(jīng)過千百年的變化仍然對當代社會產(chǎn)生著重要的影響，古人的思維通過歷史的載體體現(xiàn)在了現(xiàn)代科技當中。納米壓印將印刷術在現(xiàn)代電子信息技術方向的應用體現(xiàn)得淋漓盡致。

納米壓印，英文名稱：Nano-imprint Lithography,簡稱NIL.1995年,由華裔科學家周郁(Stephen Chou)教授首次提出這個概念,便解開了納米壓印制造技術研究序章。結合現(xiàn)代微電子工藝和材料技術，克服了光學曝光中由于衍射現(xiàn)象引起得分辨率極限等問題，顯示了超高封邊了、高產(chǎn)量、低成本等適合工業(yè)化生產(chǎn)得獨特優(yōu)點。

納米壓印的基本指導思想就是通過轉(zhuǎn)移介質(zhì)將掩模具上的圖形轉(zhuǎn)移到基板上，轉(zhuǎn)移介質(zhì)多使用聚合物薄膜（如 PMMA、PDMS等）。其工藝主要包括圖形復制和圖形轉(zhuǎn)移兩大步驟，流程由對準施壓、壓?。▓D形復制）、脫模、去除殘余層、圖形轉(zhuǎn)移（刻蝕或者淀積金屬薄膜、溶脫）。由于納米壓印技術采用的是1:1比例的掩模具進行圖形轉(zhuǎn)移，無需考慮分辨率受限的問題，目前利用納米壓印技術制備出的微結構特征線寬可大于2.4nm。

二.納米壓印分類

納米壓印從1995年正式提出之后，經(jīng)過了幾十年的技術演變，出現(xiàn)了許多不同的類型。常見納米壓印技術由熱壓?。℉otembossing lithography）、紫外壓?。║V-nanoimprint lithography）和軟刻蝕（Soft lithography）三種類型。其中，常見的軟刻蝕又包含了微接觸印刷（Microtransferprinting）、復制模塑（Replica molding, REM）、轉(zhuǎn)移微模塑（Microtransfermolding）、毛細微模塑（Micromolding in capillarires）、溶劑輔助微模塑（Solvent-assisted micromolding）、熱壓注塑(Embossingand injection)等。

還可以以固化方式、壓印面積以及模具的方式劃分成不同的類型。

三.納米壓印工藝流程環(huán)節(jié)

納米壓印需要將模具上面的圖形“壓”到轉(zhuǎn)移介質(zhì)上面，就好像我們蓋章時候一樣需要“用力”。這個壓就是真的需要外力作用在模具上面，因此模具材料需要具有硬度高、壓縮強度大、抗拉強度大、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕性能好等特性，確保模具耐磨、形變小，實現(xiàn)良好的壓印精度和使用壽命。

在模具和壓印膠的接觸過程中，兩者的之間的粘附力是一個關鍵因素。粘附力太強，會導致模具與壓印膠無法分開，從而在壓印后的圖形中引入缺陷。粘附力的大小與模具和壓印膠的表面能所決定，表面能低兩者才能順利分開。

1. 模具的制作

1) 電子束光刻

電子束光刻，E-beam lithography,EBL，也叫做電子束直寫或者電子束曝光，是制作納米結構中常用的方法。按照曝光的方法可以分為掃描式系統(tǒng)和投影式系統(tǒng)。掃描式系統(tǒng)又分為光柵掃描方式和矢量掃描方式。

光柵掃描是一種全場掃描方式，利用快門閘控制電子束通斷來實現(xiàn)圖形區(qū)域曝光，空白區(qū)域不曝光；矢量掃描方式是利用電子束在圖形區(qū)域內(nèi)跳轉(zhuǎn)進行曝光，空白區(qū)域直接跳過

EBL制作納米壓印模具，首先在襯底上旋涂一層電子銘感光刻膠，然后通過dianzishu曝光、顯影，在光刻膠上面形成結構團。將光刻膠上的結構轉(zhuǎn)移到襯底上面，然后再進行刻蝕等流程。

2) 其他方法

• 離子束光刻：采用液態(tài)原子或氣態(tài)原子電離后形成的離子通過電磁場加速及電磁透鏡的聚焦或準直后對光刻膠進行曝光，與電子束光刻類似。但是其使用的德布羅意波波長更短、曝光場更大等優(yōu)點；
• 極紫外光刻，與現(xiàn)在***技術相類似，都是采用多層膜反射鏡構成的系統(tǒng)來實現(xiàn)光刻；
• X射線光刻、激光全息光刻、單層納米球刻印、邊緣光刻；
• 化學氣相沉積（CVD）：氣態(tài)反應物質(zhì)在反應器中通過特定的化學反應使反應物沉積在加熱基片上，再通過高溫作用實現(xiàn)。與電子束項目更利于制造大深寬比的結構；
• 濕法刻蝕：利用特定溶液與薄膜之間進行的化學反應去掉被刻蝕的部分。屬于各項同性的刻蝕，但是不適合制備側(cè)壁垂直度要求高的小尺寸結構。工藝簡單、成本低、產(chǎn)能高，廣泛應用在非關鍵尺寸的加工中。

2. 模具的處理

之前提到，納米壓印通過直接接觸實現(xiàn)圖形的轉(zhuǎn)移，接觸之后需要實現(xiàn)模具與壓印膠的脫離。為了保證圖形的成功轉(zhuǎn)移，就必須要保證模具與壓印膠之間的粘附力遠小于襯底與壓印膠之間的粘附力。但是襯底之間與壓印膠的附著面積要小于模具與壓印膠之間的黏附面積，因為模具是帶有高密度的微納結構，這就增大了脫模的風險。因此如何保證在壓印之后實現(xiàn)模具-光刻膠、光刻膠-襯底之間的脫離與黏附就非常關鍵，這是納米壓印工藝中的關鍵問題之一。（關于黏附發(fā)生的機理就不在贅述了，這和原子之間的作用力，材料的原子結合鍵、范德華力這些都有關系）

模具表處的核心目的就是為了降低模具的表面能，使其能夠順利脫模。

在模板表面生成一層低表面能的薄膜以降低對莫不安的浸潤性，減少脫模的阻力。常見的的方法是利用模板表面形成一層氟化硅烷的自組裝單層膜，或利用微波放電技術在石英模板上沉積一層類似于特氟龍的物質(zhì)，來降低模板表面能；在石英模板上濺射一層類金剛石薄膜，也可以增加其抗粘性。

1) 修飾后表面表征方法

• 化學結構分析

在模板修飾工藝中常用X射線光電子能譜儀器來分析處理后的表面化學特性（X-rayphotoelectron Spectros-copy,XPS）。XPS也成為化學分析用電子能譜（electronspectroscopy for chemical analysis, ESCA）是目前應用最廣泛的表面分析儀，用于測定材料中元素構成，壹基金其中所含元素化學態(tài)和電子態(tài)的定量能譜技術。

其工作原理：利用X射線輻射樣品，使原子或分子內(nèi)層電子或價電子受激輻射出來，稱為光電子。同時，測量從材料表面以下1-10nm范圍內(nèi)逸出光電子的動能和數(shù)量，得到以光電子的動能為橫坐標，相對強度（脈沖/s）為縱坐標的X射線光電子能譜，從而獲得試樣有關信息。

使用儀器：X射線儀器、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外線光譜FTIR

• 浸潤性

利用接觸角測試儀通過在固體水平平面上滴一滴液滴，測試在固體表面和三個的固-液-氣三相交界點處，其氣-液界面和固-液界面兩切線把液相夾在其中時所構成的角來評價液體對固體的浸潤性，從而測量出模板表面能的變化。

使用儀器：接觸角測試儀

• 表面形貌和粘附力

通過原子力顯微鏡來測試修飾后的模板表面形貌、表面粗糙度、粘附力、摩擦力以及磨損特性等

• 穩(wěn)定性分析

通過等離子處理、化學腐蝕等方法。

• 薄膜厚度

修飾薄膜過厚，會覆蓋模板表面圖形結構。在旋涂法取得的抗粘連層中，選擇合理的旋涂速度和某一濃度的修飾液是取得高質(zhì)量膜的關鍵因素。

使用儀器：SEM剖面測試儀、光學橢偏儀。

• 粗糙度

模板側(cè)壁過于粗糙將會使得光刻膠結構拉斷，所以應該減小摩擦

使用儀器：原力顯微鏡

2）抗黏連處理

抗黏連處理旨在降低模具的表面能。主要有以下幾種方法：

3. 涂膠

在開始壓印之間，需要在襯底材料上面制備表面性能優(yōu)質(zhì)的壓印膠。在納米壓印技術中光放用于半導體工業(yè)的旋涂技術都是可以用來成膜的方法。其中旋涂法是最常見的方法，它利用電機高速旋轉(zhuǎn)帶動襯底基片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使膠液均勻的涂覆在基片表面，這里就不在贅述。其他的方法還有噴霧法、提拉法、滾動法、流動法。

4. 壓印模具

在對襯底基片旋涂過后就可以進行壓印了。前面我們介紹了壓印的一些基本分類。按照壓印成形的方法可以分為熱壓印、紫外光壓印以及軟壓印。

按照壓印面積可以分為步進式、滾動式以及全面積。這里我們主要介紹熱壓印、紫外光壓印、步進式、滾動式以及全面積。

• 熱壓印

通過加熱使聚合物具有流動性，在溫度高于聚合物的玻璃化溫度時以一定的壓力將模板壓入，保持壓強的時間要超過最高溫度的持續(xù)時間，這樣可保證不同部位的聚合物充分填入模板圖案的間隙。然后當聚合物冷卻到玻璃化溫度以下時候，使模板與聚合物分離脫模，從而將模板的圖案轉(zhuǎn)移到聚合物上，完成壓印。

在熱壓印中需要重點考慮三個方面的因素：

• 模具形貌對壓印的影響：熱壓印過程中模具的凹槽內(nèi)部是否填充完全，以及垂直壁面是否完好會對壓印造成較大的影響；
• 加熱與壓印速度對壓印的影響：溫度過低則聚合物無法流動進行填充；溫度過高則會使圖形收縮速率增大，升值導致聚合物分解。高于壓印膠玻璃化溫度70-90℃區(qū)間，非牛頓黏彈流體的壓印膠適合熱壓??；
• 模具表面狀況對壓印的影響：模板表面的摩擦力是影響脫模聚合物型變的關鍵因素。應該盡量降低模板表面粗糙度，改善摩擦力；

熱壓印更具其壓印過程中溫度的控制可以分為等溫加熱以及非等溫加熱：

• 等溫加熱：模具與聚合物在相同溫度下進行熱壓。具有高復型度，但會有很大的成型應力；
• 非等溫加熱：模具與聚合物在不同溫度下進行熱壓。模具溫度高，聚合物常溫或較低溫度

熱壓印的加熱以及外力作用使其對材料的性能要求苛刻，不僅需要抗腐蝕的還需要耐高壓、耐高溫的特性。另外，熱壓印中外力作用會導致對準標記產(chǎn)生形變，從而使得壓印對準較難實現(xiàn)，因此對準問題是熱壓印的致命弱點，限制了其大規(guī)模生產(chǎn)應用。

• 紫外光壓印

模板與涂有光刻膠的基片對準，然后以適當?shù)牧κ河谀０?，使其壓入膠膜中，等待光刻膠將模板中的空隙填滿后開啟紫外燈進行曝光。由于光刻膠中含有光敏劑，在吸收了紫外線的能量后，光刻膠迅速固化，脫模即可得到于模板結構對應的圖形。

關鍵影響因素有壓印力與殘余膠、模板的幾何尺寸、曝光、汽包缺陷等，其中模板的幾何尺寸方面：在同等壓力條件下，沒有經(jīng)過表面抗粘連處理的模板具有更好的填充能力，能夠精確的對模板進行填充；經(jīng)過表面處理的模板則需要更大的壓力；同時更大空間的空穴在壓力不足的情況下具有較高的填充度。

相對于熱壓印，紫外光壓印需要壓力小，操作時間短；用于壓印的模具透光，對準容易。同時需要注意，使用剛性模板時，模板本身和基片厚度公差引入波紋，接觸面不平整，無法均勻接觸。大面積壓印時會帶來壓印面積缺失，因此紫外壓印石英模板一般在1英寸。

• 全面積壓印

按照施加壓力的方向可以分為直接加壓在模具上、抽真空以及直接加壓在基片上。加壓施力的面積覆蓋了整個模具與壓印膠的接觸面積，使得模具與壓印膠充分接觸。

全面積壓印在加工過程中會遇到注入基片表面不平整、模具與基片背面不平整、加壓時候基片與模具之間不平發(fā)生側(cè)滑、接觸面存在粉塵顆粒等情況。

為避免以上問題，可以通過在中間添加緩沖層形成一個類似于三明治結構來均勻分散壓力。或者使用彈性材料作為模具，也可以實現(xiàn)更均勻的壓力分配，同時在異形曲面上也能夠?qū)崿F(xiàn)幾何形狀的完整復刻。

德國的SUSS公司開發(fā)出了一種基于軟膜壓印的技術，SCIL技術。

• 步進式壓印

步進式壓印，簡單來說就是“打一槍換一個地方”，和現(xiàn)在***中對點加工光刻類似。如果忘記了***的加工過程的同學，可以回顧往期介紹***的實現(xiàn)真的很難嗎。

光刻膠的流動填充行為與對應的紫外及熱壓應的過程相同，但是對機器的位移定位和驅(qū)動精度要求很高，必須精確地步進至設定的位置。

研究的重點方向是如何優(yōu)化工藝，在保證復型精度的前提下，采用盡量少的液滴，取得更薄的初始膜厚，并且改進滴液的形式，以獲得均勻性更好的抗蝕層。目前最好的是在8英寸的晶圓上步進壓印后取得12nm左右分辨率。

• 滾動式壓印

可連續(xù)制備、設備簡單、產(chǎn)量高、成本低以及能源消耗少等優(yōu)點，最有潛力的納米壓印產(chǎn)業(yè)化趨勢。與傳統(tǒng)的平板式納米壓印相比，壓印圖形同時被轉(zhuǎn)移到整個樣品表面上。但是滾動納米壓印僅發(fā)生在與模板接觸的區(qū)域，大大減少了由受力不均勻和平板不平整等問題帶來的負面效應。

按照滾動模式有Roll to roll、roll to plate，分別如下所示：

上面所介紹的是采用滾筒模式，還有采用平板模具的滾動壓印。這一類方法研究較少，主要原因在于這種類型的滾動式壓印無法實現(xiàn)連續(xù)復型。

平板模具在制作方面具有一定優(yōu)勢，因其在維納結構加工領域達到一定成熟水平，常用的加工工藝有：MEMS、超精密機械加工、電子束機械或光刻等。