纳米压印技术.docx

摘要半导体加工几十年里一直采用光学光刻技术实现图形转移，最先进的浸润式 光学光刻在45 nm节点已经形成产能，然而，由于光学光刻技术固有的限制，已难 以满足半导体产业继续沿着摩尔定律快速发展在下一代图形转移技术中，电子 束直写、X射线曝光和纳米压印技术占有重要地位其中纳米压印技术具有产量 高、成本低和工艺简单的优点，是纳米尺寸电子器件的重要制作技术介绍了传 统纳米压印技术以及纳米压印技术的新进展，如热塑纳米压印技术、紫外固化纳 米压印技术、微接触纳米压印技术等关键词:纳米压印；气压辅助压印；激光辅助压印；滚轴式压印AbtractTransfer of graphics is achived by oplical lithography for several decades in semiconductorprocess. The prodution capacity of 45 nm node has been formed. But now semiconductor industry is difficult to be developed according toMoore law because of the inherent limitations of oplical lithograhy. Nowelectron - beam directwriting, X - ray exposure and nanoimprint technology are the main technologies fornext generation graphics transfer technology. Nanoimprint technology has the advantages of high yield, lowcost and simple process. Introduce the traditional nanoimprint technology and its development, includinghot embossing lithography technology, ultraviloet nanoimprint,micro - contact nanoimprint.Key words* Nanoimprint lithography ； Pressure-assisted nanoimprint ； Laser-assisted nanoimprint； Roller-type nanoimprint目录第1章绪论 1第2章纳米压印的技术方法 错误！未定义书签。

2.1热塑纳米压印技术 52.2紫外固化纳米压印技术 62.3微接触压印技术 82.4纳米压印技术的新发展 92.4.1金属薄膜直接压印技术 92.4.2激光辅助压印技术 102.4.3滚轴式纳米压印技术 112.4.4 “缩印”工艺 12第3章 影响纳米压印图形精度的因素 143.1温度 143.2压印时间 143.3压力 153.4模版的抗粘性 153.5抗蚀层聚合物 16第4章纳米压印技术的产业化发展 18结论 20参考文献 21第1章绪论集成电路制程长期采用光学光刻技术实现图形转移，光刻技术的发展在集成 电路更新换代中扮演着先导技术的角色,它直接决定了单个器件的物理尺寸光 学光刻技术受限于工艺因子、光源波长和数值孔径,即著名的瑞利公式R=K 入 /NA （公式 1-1）1式中：k 一工艺因子；入一入射光的最小波长；NA一数值孔径 1据此，可以从此三个方面提高光学光刻的分辨率光源从早期的 g（436nm）和 i（365nm）谱线光源到KrF（远紫外线248 nm）、ArF（深紫外线193nm）和F2 （157 nm） 等准分子激光光源，更有采用浸润式光刻变相缩短入射波长的新型浸润光刻机出 现，且已经在45nm节点工艺形成产能。

数值孔径从早期的0.28 nm提高到最新报道 的1.6nm，但数值孔径也不宜过大，因成像景深随数值孔径的减小呈平方减小，数 值孔径过大，景深会大幅度减小通过改善照明条件和改进掩模设计，如光学临近 效应校正、移相掩模和离轴照明等，可使工艺因子匕缩小,经过优化组合,甚至可 使匕值接近0. 25 nm的极限随着半导体技术的发展，需要的光学光刻设备越来 越复杂且昂贵，而且进一步的发展解决更低加工技术节点也越来越困难必须寻 找新的图形转移技术才能保证半导体产业继续沿摩尔定律高速发展，在下一代图 形转移技术中，电子束与X射线曝光，聚焦离子束加工，扫描探针刻蚀制技术占有 重要位置，而且近年都取得了重大技术进步但这些技术的缺点是设备昂贵，产量 低，因而产品价格高昂商用产品的生产必须是廉价的、操作简便的，可工业化批 量生产的、高重复性的；对于纳米尺度的产品，还必须是能够保持它所特有的图 形的精确度与分辩率针对这一挑战，美国“明尼苏达大学纳米结构实验室”从 1995年开始进行了开创性的研究，他们提出并展示了一种叫作“纳米压印”的新 技术纳米压印是一种全新的纳米图形复制方法其特点是具有超高分辩率、高产 量、低成本。

高分辩率是因为它没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散 射现象高产量是因为它可以象光学曝光那样并行处理，同时制作成百上千个器 件低成本是因为它不象光学曝光机那样需要复杂的光学系统或象电子束曝光机 那样需要复杂的电磁聚焦系统因此纳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纳米压印技术已经展示了广阔的应 用领域如用于制作量子磁碟、DNA电泳芯片、GaAs光检测器、波导起偏器、硅 场效应管、高密度磁结构、GaAs量子器件纳米电机系统和微波集成电路等纳米压印技术和其他光刻技术相比优势明显（高分辨率、高效益、低成本）， 适合产业化批量生产，可望尽快突破几十纳米线宽IC制作的世界技术难题，具有 强大竞争力，从根本上展示了纳米器件生产的广阔前景因此，在经过多个国际 学术和工业组织近10年的调查研究后，纳米压印技术被国际半导体技术蓝图机 构规划为下一代32nm节点光刻技术的代表之一第2章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2.1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、Si3N4、SiO2，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(Tg)之上50°C〜100°C，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 Tg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的真空环境中进行压印过程如图2-1所示图2-1热塑纳米压印技术工艺流程热塑纳米压印技术一个最主要的特点是需要将光刻胶加热到玻璃化温度之 上,常采用加热板加热，此方法在加热的过程中会造成热量的散失；加热和降温 的过程，会浪费大量的时间,不利于批量生产的需求中国台湾清华大学提出一种改进方法：利用频率27kHz超声波来直接加热光 刻胶至其玻璃化温度，实验中获得了宽300nm,高500nm的柱阵，这种改进可以将 加热降温的过程缩短至几秒钟，有利于降低功耗、提高产量和降低成本还有报 道称通过改进光刻胶性能，不用加热其至玻璃化温度，改型光刻胶HS Q可以在常温 下加压(2451kPa)即能获得宽200nm,高100nm的压印图案气体辅助纳米压印技术是对施压方式的改进，压印前将掩模和基板对准后固 定再置于真空腔体内，再向腔体内充入惰性气体加压气体辅助压印技术有两个 优点：一是真空环境可以使光刻胶中的气体顺利排出，减少光刻胶中气泡对图形 质量的影响二是利用气体施压压力均匀，压力的大小可以用进气量的多少控制， 避免了机械施压过程中承片台需要采用多自由度自适应校正的难题。

2.2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CGWillson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SiO9材质作为 2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2-2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2-3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2-2紫外固化纳米压印流程图2-3步进式快闪纳米压印技术工艺流程2.3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, 将衬底浸没在氤化物溶液中，氤化物使未被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2-4所示图2-4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。