納米壓印技術(shù)

1、蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系畢業(yè)論文(設(shè)計)蘇州市職業(yè)大學(xué)電子信息工程系畢業(yè)論文(設(shè)計)光學(xué)光刻在45nm節(jié)點(diǎn)已經(jīng)形成產(chǎn)能,然而,由于光學(xué)光刻技術(shù)固有的限制,已難以滿足半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)連續(xù)沿著摩爾定律快速進(jìn)展。在下一代圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)中 ,電子束X本錢低和工藝簡潔的優(yōu)點(diǎn),是納米尺寸電子器件的重要制作技術(shù)。介紹了傳統(tǒng)納米壓印技術(shù)以及納米壓印技術(shù)的進(jìn)展,如熱塑納米壓印技術(shù)、紫外固化納米壓印技術(shù)、微接觸納米壓印技術(shù)等。關(guān)鍵詞:納米壓?。粴鈮宏P(guān)心壓印；激光關(guān)心壓印；滾軸式壓印AbtractTransfer of graphics is achived by oplical lithography for sev

2、eral 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

3、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

4、nanoimprint,micro - contact nanoimprint.Keywords:Nanoimprintlithography ；Pressure-assistednanoimprint ；Laser-assisted nanoimprint；Roller-type nanoimprint- i - HYPERLINK l “_TOC_250016“ 第1章 緒論1第2章 納米壓印的技術(shù)方法錯誤！未定義書簽。 HYPERLINK l “_TOC_250015“ 熱塑納米壓印技術(shù)5 HYPERLINK l “_TOC_250014“ 紫外固化納米壓印技術(shù)6 HYPERLINK l

5、 “_TOC_250013“ 微接觸壓印技術(shù)8 HYPERLINK l “_TOC_250012“ 納米壓印技術(shù)的進(jìn)展9 HYPERLINK l “_TOC_250011“ 金屬薄膜直接壓印技術(shù)9 HYPERLINK l “_TOC_250010“ 激光關(guān)心壓印技術(shù)10 HYPERLINK l “_TOC_250009“ 滾軸式納米壓印技術(shù)11 HYPERLINK l “_TOC_250008“ 2.4.4“縮印”工藝12 HYPERLINK l “_TOC_250007“ 第3章 影響納米壓印圖形精度的因素14 HYPERLINK l “_TOC_250006“ 3.1 溫度14 HYPER

6、LINK l “_TOC_250005“ 3.2 壓印時間14 HYPERLINK l “_TOC_250004“ 3.3 壓力15 HYPERLINK l “_TOC_250003“ 模版的抗粘性15 HYPERLINK l “_TOC_250002“ 抗蝕層聚合物16 HYPERLINK l “_TOC_250001“ 第4章 納米壓印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展18 HYPERLINK l “_TOC_250000“ 結(jié)論20參考文獻(xiàn)211集成電路制程長期承受光學(xué)光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移,光刻技術(shù)的進(jìn)展在集成電路更換代中扮演著先導(dǎo)技術(shù)的角色,它直接打算了單個器件的物理尺寸。光學(xué)光刻技術(shù)受限于工藝因子、光

7、源波長和數(shù)值孔徑,即知名的瑞利公式。R=K /NA 公式1-11 NA數(shù)值孔徑。1g(436nm)和 、等準(zhǔn)分子激光光源,更有承受浸潤式光刻變相縮短入射波長的型浸潤光刻機(jī)消滅的1.6nm效應(yīng)校正、移相掩模和離軸照明等,可使工藝因子k 縮小,經(jīng)過優(yōu)化組合,甚至可1使k 值接近0.25nm的極限。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)展,需要的光學(xué)光刻設(shè)備越來1越簡潔且昂貴,而且進(jìn)一步的進(jìn)展解決更低加工技術(shù)節(jié)點(diǎn)也越來越困難。必需查找的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)才能保證半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)連續(xù)沿摩爾定律高速進(jìn)展,在下一代圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)中, 電子束與X射線曝光,聚焦離子束加工,掃描探針刻蝕制技術(shù)占有量生產(chǎn)的、高重復(fù)性的；對于納米尺度的產(chǎn)品,還必需

8、是能夠保持它所特有的圖形的準(zhǔn)確度與分辯率。針對這一挑戰(zhàn),美國“明尼蘇達(dá)大學(xué)納米構(gòu)造試驗(yàn)室”從1995年開頭進(jìn)展了開創(chuàng)性的爭辯,他們提出并呈現(xiàn)了一種叫作“納米壓印”的技術(shù)。射現(xiàn)象。高產(chǎn)量是由于它可以象光學(xué)曝光那樣并行處理,同時制作成百上千個器用領(lǐng)域。如用于制作量子磁碟、DNA電泳芯片、GaAs光檢測器、波導(dǎo)起偏器、硅場效應(yīng)管、高密度磁構(gòu)造、GaAs量子器件納米電機(jī)系統(tǒng)和微波集成電路等。納米壓印技術(shù)和其他光刻技術(shù)相比優(yōu)勢明顯(高區(qū)分率、高效益、低本錢),適合產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn),可望盡快突破幾十納米線寬IC制作的世界技術(shù)難題,具有學(xué)術(shù)和工業(yè)組織近10年的調(diào)查爭辯后, 納米壓印技術(shù)被國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖機(jī)構(gòu)

9、規(guī)劃為下一代32nm節(jié)點(diǎn)光刻技術(shù)的代表之一。2 章 納米壓印的技術(shù)方法納米壓印技術(shù)最早由StephenYChou教授在1995年領(lǐng)先提出,這是一種不同與傳統(tǒng)光刻技術(shù)的全圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)。納米壓印技術(shù)的定義為:不使用光線或者輻照使光刻膠感光成形,而是直接在硅襯底或者其它襯底上利用物理學(xué)的機(jī)理構(gòu)造納米尺寸圖形。納米壓印技術(shù)是一種目前在國際上引起普遍關(guān)注的具有超高區(qū)分率的納米光刻方法, 可以在柔性聚合物等薄膜上形成區(qū)分率小于10nm 的大面積三維人烯酸甲脂(PMMA) ,且壓印前已經(jīng)均勻固化在硅片上。然后加壓,使模版上的微細(xì)反響離子刻蝕(RIE)將剩余層除去。這就完成了整個壓印過程。傳統(tǒng)納米壓印技術(shù)主要

10、有三種:熱塑納米壓印技術(shù)、紫外固化壓印技術(shù)和微接觸納米壓印技術(shù)。熱塑納米壓印技術(shù)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的SiC、SiNSiO ,利用電子束蝕刻技術(shù)或反響離子蝕刻技術(shù)來3 42產(chǎn)生圖案；利用旋涂的方式在基板上涂覆光刻膠,常見的是PMMA和PS；加熱至光刻膠的玻璃化轉(zhuǎn)換溫度(Tg)之上50100,然后加壓(500kPa1 000kPa)于模板并保持溫度和壓力一段時間,液態(tài)光刻膠填充掩模幅員形空隙；降低溫度至Tg以下后脫模,將圖形從模板轉(zhuǎn)移到基片上的光刻膠；承受反響離子刻蝕去除殘留光刻膠,就將圖形轉(zhuǎn)移到基板上。為了減小空氣氣泡對轉(zhuǎn)移圖案質(zhì)量的影響 ,整個工藝過程都要在小于1Pa的真空環(huán)境中進(jìn)展。壓印過程如圖2

11、-1所示。- i -圖 2-1 熱塑納米壓印技術(shù)工藝流程熱塑納米壓印技術(shù)一個最主要的特點(diǎn)是需要將光刻膠加熱到玻璃化溫度之過程,會鋪張大量的時間,不利于批量生產(chǎn)的需求。27kHz超聲波來直接加熱光刻膠至其玻璃化溫度,試驗(yàn)中獲得了寬300nm,高500nm 的柱陣,這種改進(jìn)可以將加熱降溫的過程縮短至幾秒鐘,有利于降低功耗、提高產(chǎn)量和降低本錢。還有報道稱通過改進(jìn)光刻膠性能,不用加熱其至玻璃化溫度,改型光刻膠HSQ可以在常溫下加壓(2451kPa)即能獲得寬200nm,高100nm 的壓印圖案。氣體關(guān)心納米壓印技術(shù)是對施壓方式的改進(jìn),壓印前將掩模和基板對準(zhǔn)后固定再置于真空腔體內(nèi),再向腔體內(nèi)充入惰性氣體

12、加壓。氣體關(guān)心壓印技術(shù)有兩個避開了機(jī)械施壓過程中承片臺需要承受多自由度自適應(yīng)校正的難題。紫外固化納米壓印技術(shù)紫外固化納米壓印技術(shù)由德州大學(xué)CGWillson教授提出。主要工藝過程：先SiO材質(zhì)作為2600nm700nm,光刻膠要刻方式除去殘留光刻膠,將圖案從模板轉(zhuǎn)移到基板上。壓印過程如圖2-2所示。紫外固化納米壓印技術(shù)與熱塑壓印技術(shù)相比不需要加熱,可以在常溫下進(jìn)展,氣泡難以排出,會對微小構(gòu)造造成缺陷。生產(chǎn)中經(jīng)常承受紫外固化納米壓印技術(shù)和步進(jìn)技術(shù)相結(jié)合,形成步進(jìn)式快閃納米壓印技術(shù),工藝過程如圖2-3所示。該方法承受小模板分步壓印紫外固化的方式,大大提高了在基板上大面積壓印轉(zhuǎn)移的移定位和驅(qū)動精度的

13、要求很高。2-2圖 2-3微接觸壓印技術(shù)微接觸壓印技術(shù)有兩種實(shí)現(xiàn)方法,分別為微接觸納米壓印技術(shù)和毛細(xì)管微模版法。微接觸納米壓印技術(shù)由哈佛大學(xué)的WhitesidesGMPDMS)在掩模版中固化脫模后得到微接觸壓印所需的模板；將模板浸沒到含硫醇的試劑中；再將PDMS10s20s將襯底浸沒在氰化物溶液中,氰化物使未被 SAM 單分子層掩蓋的金溶解,這樣就分子,實(shí)現(xiàn)自組裝,此方法最小區(qū)分率可以到達(dá) 35nm,主要用于制造生物傳感器2-4圖 2-4毛細(xì)管微模版法由微接觸納米壓印技術(shù)進(jìn)展而來,掩模板制作的方式與微接觸壓印技術(shù)一樣；模板放置在基板之上,將液態(tài)的聚合物(一般為聚甲基丙烯酸)滴在模板旁邊,由于虹

14、吸作用,聚合物將填充模板的空腔；聚合物固化后脫模,再經(jīng)過蝕刻就將圖案從模板轉(zhuǎn)移到基板上。工藝過程如圖2-5所示。圖 2-5納米壓印技術(shù)的進(jìn)展統(tǒng)技術(shù)上進(jìn)展改進(jìn),如激光關(guān)心納米壓印技術(shù)、靜電關(guān)心納米壓印技術(shù)、氣壓關(guān)心掩模版壓印技術(shù)和滾軸式納米壓印技術(shù)等。金屬薄膜直接壓印技術(shù)金屬薄膜直接壓印技術(shù)是在SiCu、Al和Au等金屬薄膜,直接用超高壓在金屬薄膜上壓印出圖案。此工藝需要油壓系統(tǒng)供給超高的壓印壓力,到達(dá)幾百M(fèi)Pa。有文章稱利用50 000N的高壓可以在220nm厚的金屬薄膜上壓出73nm169nm決這個問題,在金屬薄膜和基板之間參與一層緩沖層(NEB-22或SUB-8),緩沖層可2-6所示。利用

15、油壓系統(tǒng)供給4MPa20MPa的壓力,在溫度為4080的范圍內(nèi)用模板直接壓Au-聚合物薄膜,可以得到抱負(fù)的圖形轉(zhuǎn)移。圖 2-6激光關(guān)心壓印技術(shù)激光關(guān)心壓印技術(shù)就是用高能準(zhǔn)分子激光透過掩模版直接熔融基板,在基板上形成一層熔融層,該熔融層取代傳統(tǒng)光刻膠,然后將模板壓入熔融層中,待固化后脫模,將圖案從掩模板直接轉(zhuǎn)移到基板之上。承受的準(zhǔn)分子激光波長要能透過掩模版而能量盡量避開被吸取,掩模版常承受SiO2,據(jù)報道利用激光溶化Si基板進(jìn)展壓印工藝可以實(shí)現(xiàn)低于10nm的特征線寬,工藝流程如圖2-7將圖案轉(zhuǎn)移到基板之上,不需要蝕刻過程,也削減了曝光和蝕刻等工藝,可以大大削減納米壓印的時間,降低生產(chǎn)本錢。圖 1

16、-7 激光關(guān)心壓印技術(shù)滾軸式納米壓印技術(shù)納米壓印技術(shù)大都是不連續(xù)的生產(chǎn)工藝過程,難以進(jìn)展大規(guī)模和大面積的生產(chǎn),為了進(jìn)展量產(chǎn),只有承受很大的掩模版或者是需要高對準(zhǔn)精度和自動化操作把握難度大,為抑制這些難題,一種的連續(xù)的納米壓印技術(shù)滾軸式納米壓印金屬滾軸上刻蝕或者利用彈性掩模套在滾軸上實(shí)現(xiàn),滾軸的轉(zhuǎn)動將圖形連續(xù)地壓入已旋涂好光刻膠(溫度到達(dá)玻璃化溫度以上)的基板上,滾軸的滾動實(shí)現(xiàn)了壓入和脫模兩個步驟,如圖2-8(a但均勻性難以保證；另一工藝是將滾軸式壓印技術(shù)和紫外壓印技術(shù)相結(jié)合,紫外固化納米壓印技術(shù)光刻膠本身就是液態(tài),紫外光固化可以將紫外光束很好地把握到滾軸和光刻膠分別的區(qū)域 ,承受的基板可以是彈

17、性基板或者是如 Si樣的硬基2-8(b壓印都是對壓印工藝中壓印壓力的施壓環(huán)節(jié)進(jìn)展改進(jìn) ,提高壓力作用的均勻性,體直接接觸掩模版和光刻膠,也還需要考慮氣流對系統(tǒng)對準(zhǔn)、光刻膠氣泡和氣壓作用方式等多方面的問題。2-8 滾軸式壓印原理“縮印”工藝早在 2022 年 YKChoi 等人就報道了一種沉積縮印 size-reductDnlithograp hy工藝，該工藝的核心也是通過參與一個沉積工序，將大線寬模板2-9圖 2-92022X.L Li2-102-10電磁關(guān)心納米壓印和氣壓關(guān)心納米壓印都是對壓印工藝中壓印壓力的施壓環(huán)節(jié)進(jìn)展改進(jìn) ,提高壓力作用的均勻性 ,延長掩模版的使用壽命 ,從壓力作用分布和

18、承片臺自適應(yīng)要求來看 ,氣壓關(guān)心納米壓印技術(shù)較有優(yōu)勢 ,但氣囊施壓還不能完全表達(dá)氣體施壓壓力均勻的特點(diǎn) ,氣體直接接觸掩模版和光刻膠 ,也還需要考慮氣流對系統(tǒng)對準(zhǔn)、 光刻膠氣泡和氣壓作用方式等多方面的問題。3 章 影響納米壓印圖形精度的因素率和器件性能。下面對這些因素進(jìn)展分析。溫度間和粘度的比率隨溫度的變化方程為：log( /)=log( /)=(-C(T-T)/(C+(T-T公式2-1001020式中: 為聚合物的松弛時間, 為聚合物的粘度,T為確定溫度；和分00別為在參考溫度下 和的取值； 在溫度T = Tg(聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)00時, 常數(shù)C17.44K,C51.6K。從這個方程可

19、以看出, 上升溫度比增加時間更12Tgg模版和基片的溫度要升至抗蝕層聚合物的玻璃態(tài)溫度以上,在壓力的作用下使聚系數(shù),以避開熱膨脹程度的不同而導(dǎo)致圖形變形。壓印時間L.J.Heyderman 等推導(dǎo)了聚合物完全轉(zhuǎn)移形成壓印圖形所需時間的計算公式:tS2/2P1/h2-1/h2公式2-2f0f0其中t為壓印時間, 為聚合物粘度,S為圖形化面積,h為壓印后聚合物高f0f度, hP為壓力當(dāng)聚合物的種類、厚度、模板的尺寸以及壓0損傷模版和基片。對于我們通常用的PMMA, 它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為105, 當(dāng)壓印溫度從室溫升到200 , 再降溫到105以下, 壓印時間為5 10min。壓力力不均勻會使模版變形

20、, 導(dǎo)致壓印圖案變形,圖案分布均勻性差；當(dāng)模版為脆性H.C.Scheer等依據(jù)水流體力學(xué)推導(dǎo)了熱壓印的速度計算公式:v(t)P h3(t)/ R2eff公式2-3其中v(t) 為壓印速度,h(t)為初始聚合物高度,R為模板的半徑, 為聚合Peff為有效壓力,即模板實(shí)際和聚合物接觸局部面積所承受的壓力。假設(shè)在壓印過程中施加的外壓為P,在聚合物沒有完全填充模版的空腔時, Peff P,一旦模版空腔被全部填充, 則Peff= P。從這個方程可以看出,當(dāng)聚合物的高度和聚合物的粘度以及模版的尺寸確定時,增加外壓,減小接觸面積,即增加有效壓力可以提高壓印速度。模版的抗粘性寸在10nm以下的模版其防粘層厚度

21、最好小于2nm(CrNi、Al)、含氟聚合物或長鏈硅烷。Cr模版本身具有很好的抗粘性, 這是由于其金屬外表能低、外表張力小,對聚合物表現(xiàn)為疏水性和化學(xué)惰性?？刮g層聚合物壓印中抗蝕層的工作機(jī)理可簡潔描述為通過加熱使抗蝕層具有流淌性,經(jīng)過加壓使抗蝕層填充到模幅員案間隙里,再經(jīng)過冷卻使抗蝕層固化便可到達(dá)轉(zhuǎn)印圖形的目的。總之,納米壓印技術(shù)雖然類型不同,但都是利用抗蝕層為圖形轉(zhuǎn)印中介,使2-9為聚合物的填充過程示意圖。圖 2-9(a) 抱負(fù)狀態(tài)下聚合物的填充過程圖 3-9(b) 高分子的聚合物填充過程圖3-9(a似為水分子,具有不行壓縮性和很好的流淌性 ,且該分子的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓印圖案的最小線寬。在壓力

22、作用下液態(tài)材料流入模幅員案間隙內(nèi),而多余的材料則通過殘留層流入其它模幅員案間隙內(nèi)或流出壓印區(qū)域。并且經(jīng)過冷卻,固化圖案材2-9(b)間隙流淌, 造成大尺寸分子鏈彈性變形間隙局部拱起 , 并且填充到大尺寸分子鏈無法填充到的地方。當(dāng)熱壓完畢除去外力后,聚合物高分子材料將產(chǎn)生力學(xué)松弛現(xiàn)象, 如蠕變、應(yīng)力松弛、滯后等。這是由于聚合物的局部形變是彈性變形,一旦脫模分別, 則彈性變形就會復(fù)原,導(dǎo)致壓印圖案變形。解決這類問題的關(guān)鍵印結(jié)果。4 章 納米壓印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展學(xué)的Martini等人報導(dǎo)了他們在這方面的重要進(jìn)展。他們利用一種帶有一對熱碟和一個數(shù)字溫控器的商用水壓機(jī), 成功地在4英寸的晶片上獲得了均勻

23、全都的低于100nm最小尺寸的圖形。他們的觀看范圍是: 溫度: 150- 200； 壓力: 20bar-120bar, 使用的復(fù)制抗蝕劑材料是50k的PMMA,(單層膜技術(shù)),獲得最好結(jié)果的壓力和溫度條件是50bar和175鍵因素之一是使用低分子量的PMMA, 這種材料的粘度小,有利于材料在壓制時的流淌成形。納米圖形大批量復(fù)制的成功不僅有賴于直接參與復(fù)制的聚合物材料, 高品性工作在于:在對二氧化硅底層上的PMMA進(jìn)展高分辯率的電子束曝光之后, 承受純的IPA( Isopropylic Alcohol)作顯影劑并輔之以超聲攪拌, 去除感光區(qū)的殘渣并使圖形邊界清楚, 從而得到最好的后續(xù)工作(lif

24、t- off)的條件,最終獲產(chǎn)的需要, 人們還對滾動的壓印方式進(jìn)展了多方面的爭辯。他們的爭辯包括:將底之上,然后將一個光滑的滾軸滾過模具的頂端。這些方法可到達(dá)低100n分辯率的圖形轉(zhuǎn)移效果。隨著納米壓印技術(shù)的日趨成熟,相應(yīng)的商品化納米壓印加工設(shè)備也間續(xù)推出。目前全世界已有五家公司生產(chǎn)納米壓印機(jī),它們是美國的MolecularImprintsIncNanonexCorp,奧地利的EVGroup、瑞典的Obdcat AB和德國的 Suss MicroTec。其中瑞典的Obdcat AB已經(jīng)銷售了5臺納米壓印機(jī),并宣稱已經(jīng)承受了20-25臺的訂貨。英國的格拉斯各大學(xué)和劍橋大學(xué)均已購置Obdcat AB的納米壓印機(jī)。納米壓印技術(shù)已經(jīng)從試驗(yàn)室走向工業(yè)化生產(chǎn)。在應(yīng)用方面,納米壓印系統(tǒng)有DNAGaAs光檢測器、波導(dǎo)起偏器、硅場效應(yīng)管、納米機(jī)電系統(tǒng)、微波集成電路、亞波長器件、納米電子器件、納米集成電路、量子存儲器件、光子晶體陣列和OLED平板顯示陣列等。術(shù)不但可以用于大批量生產(chǎn)納米尺度的數(shù)據(jù)存儲器件, 如光盤, 磁盤之類, 還 有可能直接用于超大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)。這將大大降低集成電路生產(chǎn)的本錢。媒體，小磁點(diǎn)可以替代今日磁記錄材料的全都層，磁盤制造商Komag最近從EV得到壓印技術(shù)許可，并期望擴(kuò)大存儲力氣高于每磁盤160Gb，而EV的Luesebrink信任到2022年存儲