纳米压印技术概述

随着科技的进步和发展，人们从理论和实验研究中发现， 当许多 材料被加工为具有纳米尺度范围的形状时， 会呈现出与大块材料完全 不同的性质。这些特异的性质向人们展现了令人兴奋的应用前景。 而 在开发超大规模集成电路工艺技术的过程中， 人们已经开发了一些能 够进行纳米尺度加工的技术， 例如电子束与 X 射线曝光，聚焦离子束 加工，扫描探针刻蚀制技术等。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” (nanoimprint lithography) 的 新技术[1]。 纳米材料在电子、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要 应用而引起人们的高度重视. 一纳米材料的概述：从分子识别、分子自组装、吸附分子与基底 的相互关系、分子操作与分子器件的构筑， 并通过具体的例证加以阐 述，包括在 STM 操作下单分子反应有机小分子在半导体表面的自指 导生长; 多肽-半导体表面特异性选择结合 .生物分子/无机纳米组装 体、光驱动多组分三维结构组装体、DNA 分子机器。 所谓纳米材料指的是具有纳米量级从分1~100nm 的晶态 或非晶态超微粒构成的分子识别走向分子信息处理和自组织作用的 固体物质。 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。 纳米压印技术主要包括热压印、 紫外压印(含 步进—闪光压印)和微接触印刷等。本文首先描述了纳米压印技术的 基本原理，然后介绍了传统纳米压印技术的新进展， 如气压辅助纳米 压印技术、激光辅助压印技术、静电辅助纳米压印技术、超声辅助纳 米压印技术和滚轴式纳米压印技术等。 最后特别强调了纳米压印的产 业化问题。我们希望这篇综述能够引起国内工业界和学术界的关注， 并致力于在中国发展纳米压印技术。 这是一种全新的图形转移技术。 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。 目前，这项技术最先进的程度 已达到5nm 以下的水平[2]。纳米压印技术主要包括热压印(HEL)、紫 外压印(UV - NIL)、微接触印刷(μCP) 。纳米压印是加工聚合物结构的 最常用方法， 它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图 案制在印章上， 然后用预先图案化的印章使聚合物材料变形而在聚合 物上形成结构图案。我们首先描述了纳米压印技术的基本原理， 然后 介绍了传统纳米压印技术以及纳米压印技术的新进展， 最后别强调 了纳米压印的产业化问题。 1纳米压印技术的基本原理 纳米压印的具体工艺由于材料、 目标图形和产品用途的不同而不 同，但其基本原理和工作程序是相同的。 最基本的程序包含两个主要 步骤：图形复制(imprint)和图形转移(pattern transfer)，如图(1)所示。 在一块基片(通常是硅片)上 “涂” (spin： 旋覆)上一层聚合物(如 PMMA， 聚甲基丙烯酸甲脂)，再用已刻有目标纳米图形的硬“印章”(如二氧 化硅“图章”)在一定的温度(必须高于聚合物的“软化”温度(glass - transition temperature)，和压力下去“压印” (imprint)PMMA 涂层，从 而实现图形的“复制” 。下一步是脱模。将“印章”从压印的聚合物 中释放。然后把这个聚合物图案转移到衬底材料或其它材料上去。 图 (2)显示了硅印章，压印的聚合物图形结构和通过溶脱技术得到的金 属图形结构。 图（1）纳米压印工艺流程 纳米压印的原理虽然很简单， 但由于其产品图形过于精细， 即使 是最基本的程序其工艺的每一步也需十分小心处理。 首先，要适当地 选择聚合物作涂层。 大多数微电子工艺技术中使用的聚合物 “抗蚀剂” (resist) 都可以用来作为压印层。例如 PMMA 就是一种最常用的电子 束 曝 光 抗 蚀 剂 。 然 后 要 选 择 它 的 软 化 温 度 (glass-transition temperature)、 分子量和涂层厚度。 当温度在聚合物的软化温度之上时， 聚合物变成一种可流动的粘性液体因而可供塑形； 而分子量直接与聚 合物的粘性有关；分子量愈小，聚合物的粘性愈小，愈容易流动[3]。 常用的 PMMA 的分子量从 50k 到 980k 而膜的厚度在 50nm～400nm 之间(与浓度有关 )[4]。另外，复制时的温度和压力也十分重要。对 PMMA 材料，常用的压力和温度分别是 50bar 和 100℃～200℃，这 还要视所用的聚合物的性质而定[3]。 一组典型的工艺流程参数是： 在硅基底上旋转涂附(spin)一层50k 的PMMA(厚度为100nm～200nm)， 然后加热到高于PMMA的软化温 度(175℃)后，将已制好的刻有纳米图形的模具以 50bar的压力压在 PMMA上并保持一段时间， 然后逐渐降低温度至40℃时释放模具。 然 后用对PMMA进行氧气反应离子刻蚀(Reactive ion etching) ，以清除 被压印区的残余的PMMA，再沉积一层金属钛(Ti)在整个膜面上；再 用氧气反应离子刻蚀进行“溶脱”(lift - off) ，去除PMMA以及附着 其上的钛，于是最终在硅基底上留下钛的纳米图形(60nm厚)[4]。 2 纳米压印技术的新进展 在纳米压印技术的发展历程中，近年出现了一些新的实现方法， 或者是在传统技术上进行改进， 如激光辅助纳米压印技术、 静电辅助 纳米压印技术、气压辅助纳米压印技术、金属薄膜直接压印技术、超 声波辅助熔融纳米压印技术、 弹性掩模版压印技术和滚轴式纳米压印 技术等。 金属薄膜直接压印技术是在 Si基板上利用离子束溅射技术产生 一层Cu、Al和Au等金属薄膜，直接用超高压在金属薄膜上压印出图 案。此工艺需要油压系统提供超高的压印压力，达到几百 MPa。有文 章称利用 50000N的高压可以在 220nm厚的金属薄膜上压出 73nm～ 169nm的压痕[5]。如此高压有可能会将基板压坏， 为了解决这个问题， 在金属薄膜和基板之间加入一层缓冲层(NEB - 22或SUB - 8)[6]，缓冲 层可以使压力减少为原来的1%，只需要2MPa～40MPa。同时使用尖 锐的掩模板，以增强对薄膜的压力，如图2所示。 激光辅助压印技术[7]就是用高能准分子激光透过掩模版直接熔 融基板，在基板上形成一层熔融层，该熔融层取代传统光刻胶，然后 将模板压入熔融层中，待固化后脱模，将图案从掩模板直接转移到基 板之上。 采用的准分子激光波长要能透过掩模版而能量尽量避免被吸 收，掩模版常采用SiO2。据报道利用激光融化Si基板进行压印工艺可 以实现低于10nm的特征线宽，工艺流程如图3所示。因为是直接将图 案转移到基板之上，不需要蚀刻过程，也减少了曝光和蚀刻等工艺， 可以大大减少纳米压印的时间，降低生产成本。 图（2）改进的金