芯片升級(jí)神助攻 光刻技術(shù)你了解多少？

在如今的科技與社會(huì)發(fā)展中，光刻技術(shù)的增長(zhǎng)，直接關(guān)系到大型計(jì)算機(jī)的運(yùn)作等高科技領(lǐng)域。

光刻技術(shù)是集成電路最重要的加工工藝。在整個(gè)芯片制造工藝中，幾乎每個(gè)工藝的實(shí)施，都離不開(kāi)光刻技術(shù)。光刻也是制造芯片的最關(guān)鍵技術(shù)，占芯片制造成本的35%以上。

光刻技術(shù)原理

光刻就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來(lái)。利用光刻機(jī)發(fā)出的光通過(guò)具有圖形的光罩對(duì)涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見(jiàn)光后會(huì)發(fā)生性質(zhì)變化，從而使光罩上得圖形復(fù)印到薄片上，從而使薄片具有電子線路圖的作用。

這就是光刻的作用，類似照相機(jī)照相。照相機(jī)拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。

光刻技術(shù)是一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長(zhǎng)為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗光刻技術(shù)蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。

在廣義上，光刻包括光復(fù)印和刻蝕工藝兩個(gè)主要方面：

1、光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。

2、刻蝕工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進(jìn)行。例如，大規(guī)模集成電路要經(jīng)過(guò)約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

光刻技術(shù)在狹義上，光刻工藝僅指光復(fù)印工藝。

光刻技術(shù)發(fā)展

1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明第一只點(diǎn)接觸晶體管。從此光刻技術(shù)開(kāi)始了發(fā)展。

1959年，世界上第一架晶體管計(jì)算機(jī)誕生，提出光刻工藝，仙童半導(dǎo)體研制世界第一個(gè)適用單結(jié)構(gòu)硅晶片。

1960年代，仙童提出CMOS IC制造工藝，第一臺(tái)IC計(jì)算機(jī)IBM360，并且建立了世界上第一臺(tái)2英寸集成電路生產(chǎn)線，美國(guó)GCA公司開(kāi)發(fā)出光學(xué)圖形發(fā)生器和分布重復(fù)精縮機(jī)。

1970年代，GCA開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)分布重復(fù)投影曝光機(jī)，集成電路圖形線寬從1.5μm縮小到0.5μm節(jié)點(diǎn)。

1980年代，美國(guó)SVGL公司開(kāi)發(fā)出第一代步進(jìn)掃描投影曝光機(jī)，集成電路圖形線寬從0.5μm縮小到0.35μm節(jié)點(diǎn)。

1990年代，1995年，Cano著手300mm晶圓曝光機(jī)，推出EX3L和5L步進(jìn)機(jī)； ASML推出FPA2500，193nm波長(zhǎng)步進(jìn)掃描曝光機(jī)。光學(xué)光刻分辨率到達(dá)70nm的“極限”。

2000年以來(lái)，在光學(xué)光刻技術(shù)努力突破分辨率“極限”的同時(shí)，NGL正在研究，包括極紫外線光刻技術(shù)，電子束光刻技術(shù)，X射線光刻技術(shù)，納米壓印技術(shù)等。

光學(xué)光刻技術(shù)

光學(xué)光刻是通過(guò)廣德照射用投影方法將掩模上的大規(guī)模集成電路器件的結(jié)構(gòu)圖形畫在涂有光刻膠的硅片上，通過(guò)光的照射，光刻膠的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成電路圖。限制成品所能獲得的最小尺寸與光刻系統(tǒng)能獲得的分辨率直接相關(guān)，而減小照射光源的波長(zhǎng)是提高分辨率的最有效途徑。因?yàn)檫@個(gè)原因，開(kāi)發(fā)新型短波長(zhǎng)光源光刻機(jī)一直是各個(gè)國(guó)家的研究熱點(diǎn)。

除此之外，根據(jù)光的干涉特性，利用各種波前技術(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)也是提高分辨率的重要手段。這些技術(shù)是運(yùn)用電磁理論結(jié)合光刻實(shí)際對(duì)曝光成像進(jìn)行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩膜、離軸照明技術(shù)、鄰近效應(yīng)校正等。運(yùn)用這些技術(shù)，可在目前的技術(shù)水平上獲得更高分辨率的光刻圖形。

20世紀(jì)70—80年代，光刻設(shè)備主要采用普通光源和汞燈作為曝光光源，其特征尺寸在微米級(jí)以上。90年代以來(lái)，為了適應(yīng)IC集成度逐步提高的要求，相繼出現(xiàn)了g譜線、h譜線、I譜線光源以及KrF、ArF等準(zhǔn)分子激光光源。目前光學(xué)光刻技術(shù)的發(fā)展方向主要表現(xiàn)為縮短曝光光源波長(zhǎng)、提高數(shù)值孔徑和改進(jìn)曝光方式。

移相掩模

光刻分辨率取決于照明系統(tǒng)的部分相干性、掩模圖形空間頻率和襯比及成象系統(tǒng)的數(shù)值孔徑等。相移掩模技術(shù)的應(yīng)用有可能用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)和i線光刻機(jī)在最佳照明下刻劃出尺寸為傳統(tǒng)方法之半的圖形，而且具有更大的焦深和曝光量范圍。相移掩模方法有可能克服線/間隔圖形傳統(tǒng)光刻方法的局限性。

隨著移相掩模技術(shù)的發(fā)展,涌現(xiàn)出眾多的種類, 大體上可分為交替式移相掩膜技術(shù)、衰減式移相掩模技術(shù)；邊緣增強(qiáng)型相移掩模, 包括亞分辨率相移掩模和自對(duì)準(zhǔn)相移掩模；無(wú)鉻全透明移相掩模及復(fù)合移相方式( 交替移相+ 全透明移相+ 衰減移相+ 二元鉻掩模) 幾類。尤其以交替型和全透明移相掩模對(duì)分辨率改善最顯著, 為實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光刻創(chuàng)造了有利條件。

全透明移相掩模的特點(diǎn)是利用大于某寬度的透明移相器圖形邊緣光相位突然發(fā)生180度變化, 在移相器邊緣兩側(cè)衍射場(chǎng)的干涉效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)形如“刀刃”光強(qiáng)分布, 并在移相器所有邊界線上形成光強(qiáng)為零的暗區(qū), 具有微細(xì)線條一分為二的分裂效果, 使成像分辨率提高近1 倍。

光學(xué)曝光技術(shù)的潛力, 無(wú)論從理論還是實(shí)踐上看都令人驚嘆, 不能不刮目相看。其中利用控制光學(xué)曝光過(guò)程中的光位相參數(shù), 產(chǎn)生光的干涉效應(yīng),部分抵消了限制光學(xué)系統(tǒng)分辨率的衍射效應(yīng)的波前面工程為代表的分辨率增強(qiáng)技術(shù)起到重要作用, 包括: 移相掩模技術(shù)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)、離軸照明技術(shù)、光瞳空間濾波技術(shù)、駐波效應(yīng)校正技術(shù)、離焦迭加增強(qiáng)曝光技術(shù)、表面成像技術(shù)及多級(jí)膠結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)。在實(shí)用化方面取得最引人注目進(jìn)展的要數(shù)移相掩模技術(shù)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)和離軸照明技術(shù), 尤其浸沒(méi)透鏡曝光技術(shù)上的突破和兩次曝光技術(shù)的應(yīng)用, 為分辨率增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用更創(chuàng)造了有利條件。

電子束光刻

電子束光刻技術(shù)是微型技術(shù)加工發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),他在納米制造領(lǐng)域中起著不可替代的作用。電子束光刻主要是刻畫微小的電路圖，電路通常是以納米微單位的。電子束光刻技術(shù)不需要掩膜，直接將會(huì)聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的襯底上。

電子束光刻技術(shù)要應(yīng)用于納米尺度微小結(jié)構(gòu)的加工和集成電路的光刻，必須解決幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題：電子束高精度掃描成像曝光效率低;電子在抗蝕劑和基片中的散射和背散射現(xiàn)象造成的鄰近效應(yīng)；在實(shí)現(xiàn)納米尺度加工中電子抗蝕劑和電子束曝光及顯影、刻蝕等工藝技術(shù)問(wèn)題。

實(shí)踐證明,電子束鄰近效應(yīng)校正技術(shù)、電子束曝光與光學(xué)曝光系統(tǒng)的匹配和混合光刻技術(shù)及抗蝕劑曝光工藝優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，是一種提高電子束光刻系統(tǒng)實(shí)際光刻分辨能力非常有效的辦法。電子束光刻最主要的就是金屬化剝離，第一步是在光刻膠表面掃描到自己需要的圖形。第二部是將曝光的圖形進(jìn)行顯影，去除未曝光的部分，第三部在形成的圖形上沉淀金屬，第四部將光刻膠去除，在金屬剝離的過(guò)程中，關(guān)鍵在于光刻工藝的膠型控制。最好使用厚膠，這樣有利于膠劑的滲透，形成清晰的形貌。

聚焦粒子束光刻

聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)的系統(tǒng)是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器，她的原理與電子束光刻相近，不過(guò)是有電子變成離子。目前商業(yè)用途系統(tǒng)的離子束為液態(tài)金屬離子源，金屬材質(zhì)為鎵，因?yàn)殒壴鼐哂腥埸c(diǎn)低、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力；典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測(cè)器、5-6軸向移動(dòng)的試片基座、真空系統(tǒng)、抗振動(dòng)和磁場(chǎng)的裝置、電子控制面板、和計(jì)算機(jī)等硬設(shè)備，外加電場(chǎng)于液相金屬離子源 可使液態(tài)鎵形成細(xì)小尖端，再加上負(fù)電場(chǎng)(Extractor) 牽引尖端的鎵，而導(dǎo)出鎵離子束，在一般工作電壓下，尖端電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2，以電透鏡聚焦，經(jīng)過(guò)一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經(jīng)過(guò)二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來(lái)達(dá)到切割之目的。

在成像方面，聚焦離子束顯微鏡和掃描電子顯微鏡的原理比較相近，其中離子束顯微鏡的試片表面受鎵離子掃描撞擊而激發(fā)出的二次電子和二次離子是影像的來(lái)源，影像的分辨率決定于離子束的大小、帶電離子的加速電壓、二次離子訊號(hào)的強(qiáng)度、試片接地的狀況、與儀器抗振動(dòng)和磁場(chǎng)的狀況，目前商用機(jī)型的影像分辨率最高已達(dá) 4nm，雖然其分辨率不及掃描式電子顯微鏡和穿透式電子顯微鏡，但是對(duì)于定點(diǎn)結(jié)構(gòu)的分析，它沒(méi)有試片制備的問(wèn)題，在工作時(shí)間上較為經(jīng)濟(jì)。

聚焦離子束投影曝光除了前面已經(jīng)提到的曝光靈敏度極高和沒(méi)有鄰近效應(yīng)之外還包括焦深大于曝光深度可以控制。離子源發(fā)射的離子束具有非常好的平行性，離子束投影透鏡的數(shù)值孔徑只有0.001，其焦深可達(dá)100μm，也就是說(shuō)，硅片表面任何起伏在100μm之內(nèi)，離子束的分辨力基本不變。而光學(xué)曝光的焦深只有1～2μm為。她的主要作用就是在電路上進(jìn)行修補(bǔ) ，和生產(chǎn)線制成異常分析或者進(jìn)行光阻切割。

EUV 光刻技術(shù)

在微電子技術(shù)的發(fā)展歷程中，人們一直在研究開(kāi)發(fā)新的IC制造技術(shù)來(lái)縮小線寬和增大芯片的容量。我們也普遍的把軟X射線投影光刻稱作極紫外投影光刻。在光刻技術(shù)領(lǐng)域我們的科學(xué)家們對(duì)極紫外投影光刻EUV技術(shù)的研究最為深入也取得了突破性的進(jìn)展，使極紫外投影光刻技術(shù)最有希望被普遍使用到以后的集成電路生產(chǎn)當(dāng)中。它支持22nm以及更小線寬的集成電路生產(chǎn)使用。

EUV是目前距實(shí)用化最近的一種深亞微米的光刻技術(shù)。波長(zhǎng)為157nm的準(zhǔn)分子激光光刻技術(shù)也將近期投入應(yīng)用。如果采用波長(zhǎng)為13nm的EUV，則可得到0.1um的細(xì)條。

在1985年左右已經(jīng)有前輩們就EUV技術(shù)進(jìn)行了理論上的探討并做了許多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。近十年之后微電子行業(yè)的發(fā)展受到重重阻礙才致人們有了憂患意識(shí)。并且從微電子技術(shù)的發(fā)展過(guò)程能判斷出，若不早日推出極紫外光刻技術(shù)來(lái)對(duì)當(dāng)前的芯片制造方法做出全面的改進(jìn)，將使整個(gè)芯片工業(yè)處在岌岌可危的地步。

EUV系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：極端紫外光源；反射投影系統(tǒng)；光刻模板（mask）；能夠用于極端紫外的光刻涂層（photo-resist）。

極端紫外光刻技術(shù)所使用的光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)套刻精度要達(dá)到10nm，其研發(fā)和制造原理實(shí)際上和傳統(tǒng)的光學(xué)光刻在原理上十分相似。對(duì)光刻機(jī)的研究重點(diǎn)是要求定位要極其快速精密以及逐場(chǎng)調(diào)平調(diào)焦技術(shù)，因?yàn)楣饪虣C(jī)在工作時(shí)拼接圖形和步進(jìn)式掃描曝光的次數(shù)很多。不僅如此入射對(duì)準(zhǔn)光波信號(hào)的采集以及處理問(wèn)題還需要解決。

EUV技術(shù)當(dāng)前狀況

EUV技術(shù)的進(jìn)展還是比較緩慢的，而且將消耗大量的資金。盡管目前很少廠商將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中，但是極紫外光刻技術(shù)卻一直是近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)，所有廠商對(duì)這項(xiàng)技術(shù)也都充滿了期盼，希望這項(xiàng)技術(shù)能有更大的進(jìn)步，能夠早日投入大規(guī)模使用。

各家廠商都清楚，半導(dǎo)體工藝向往下刻，使用EUV技術(shù)是必須的。波長(zhǎng)越短，頻率越高，光的能量正比于頻率，反比于波長(zhǎng)。但是因?yàn)轭l率過(guò)高，傳統(tǒng)的光溶膠直接就被打穿了?，F(xiàn)在，半導(dǎo)體工藝的發(fā)展已經(jīng)被許多物理學(xué)科從各個(gè)方面制約了。

在45nm工藝的蝕刻方面，EUV技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)出一些特點(diǎn)所以現(xiàn)在EVU技術(shù)要突破，從外部支持來(lái)講，要換光溶膠，但是合適的一直沒(méi)找到[3]。而從EUV技術(shù)自身來(lái)講，同時(shí)盡可能的想辦法降低輸出能量。

目前EUV光刻技術(shù)存在的問(wèn)題：

1、造價(jià)太高，高達(dá)6500萬(wàn)美元，比193nm ArF浸沒(méi)式光刻機(jī)貴；

2、未找到合適的光源；

3、沒(méi)有無(wú)缺陷的掩模；

4、未研發(fā)出合適的光刻膠；

5、人力資源缺乏；

6、能用于22nm工藝早期開(kāi)發(fā)工作。

EUV光刻技術(shù)前景

在摩爾定律的規(guī)律下，以及在如今科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的信息時(shí)代，新一代的光刻技術(shù)就應(yīng)該被選擇和研究，在當(dāng)前微電子行業(yè)最為人關(guān)注，而在這些高新技術(shù)當(dāng)中，極紫外光刻與其他技術(shù)相比又有明顯的優(yōu)勢(shì)。極紫外光刻的分辨率至少能達(dá)到30nm以下,且更容易收到各集成電路生產(chǎn)廠商的青睞，因?yàn)闃O紫外光刻是傳統(tǒng)光刻技術(shù)的拓展，同時(shí)集成電路的設(shè)計(jì)人員也更喜歡選擇這種全面符合設(shè)計(jì)規(guī)則的光刻技術(shù)。極紫外光刻技術(shù)掩模的制造難度不高，具有一定的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。

EUV光刻技術(shù)設(shè)備制造成本十分高昂，包括掩模和工藝在內(nèi)的諸多方面花費(fèi)資金都很大。同時(shí)極紫外光刻光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造也極其復(fù)雜，存在許多尚未解決的技術(shù)問(wèn)題，但對(duì)這些難關(guān)的解決方案正在研究當(dāng)中，一旦將這些難題解決，極紫外光刻技術(shù)在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中就不會(huì)有原理性的技術(shù)難關(guān)了。

X射線光刻技術(shù)

1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴首先發(fā)現(xiàn)了X射線，也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。X射線是一種與其他粒子一樣具有波粒二象性的電磁波，可以是重原子能級(jí)躍遷或著是加速電子與電磁場(chǎng)耦合輻射的產(chǎn)物。X射線的波長(zhǎng)極短，1972年X射線被最早提出用于光刻技術(shù)上，X射線在用于光刻時(shí)的波長(zhǎng)通常在0.7到0.12nm之間，它極強(qiáng)的穿透性決定了它在厚材料上也能定義出高分辨率的圖形。

X射線光刻基礎(chǔ)工藝

X射線波長(zhǎng)極短，使得其不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的衍射現(xiàn)象。我們?cè)谑褂肵射線進(jìn)行曝光時(shí)對(duì)波長(zhǎng)的選擇是受到一定因素限制的，在曝光過(guò)程中，光刻膠會(huì)吸收X射線光子，而產(chǎn)生射程隨X射線波長(zhǎng)變化而相繼改變的光電子，這些光電子會(huì)降低光刻分辨率，X射線的波長(zhǎng)越短，光電子的射程越遠(yuǎn)，對(duì)光刻越不利。因此增加X(jué)射線的波長(zhǎng)有助于提高光刻分辨率。然而長(zhǎng)波長(zhǎng)的X射線會(huì)加寬圖形的線寬，考慮多種因素的影響，通常只能折中選擇X射線的波長(zhǎng)。

今年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圖形的線寬小到一定程度時(shí)（一般為0.01μm以下），被波導(dǎo)效應(yīng)影響，最終得到的圖形線寬要小于實(shí)際掩模圖形，因此X光刻分辨率也受到掩模版與晶圓間距大小的影響。

除此之外，還需要大量的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)解決X射線光刻圖形微細(xì)加工時(shí)對(duì)圖形質(zhì)量造成影響的諸多因素。

射線光刻掩模

在后光學(xué)光刻的技術(shù)中，其最主要且最困難的技術(shù)就是掩模制造技術(shù)，其中1：1的光刻非常困難，是妨礙技術(shù)發(fā)展的難題之一。所以說(shuō)，我們認(rèn)為掩模開(kāi)發(fā)是對(duì)于其應(yīng)用于工業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，也是決定成敗的關(guān)鍵。在過(guò)去的發(fā)展中，科學(xué)家對(duì)其已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，也有一些新型材料的發(fā)現(xiàn)以及應(yīng)用，有一些已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中得以實(shí)踐，但對(duì)于工業(yè)發(fā)展還是沒(méi)有什么重大的成就。

X射線掩模的基本結(jié)構(gòu)包括薄膜、吸收體、框架、襯底，其中薄膜襯基材料一般使用Si、SiC、金剛石。吸收體主要使用金、鎢等材料，其結(jié)構(gòu)圖如圖所示：

對(duì)于掩模的性能要求如下：

1、要能夠使X射線以及其他光線的有效透過(guò)，且保障其有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，具有高的X射線的吸收性，且要足夠厚。

2、保障其高寬比的量，且其要有高度的分辨率以及反差。

3、對(duì)于其掩模的尺寸要保障其精度，要沒(méi)有缺陷或者缺陷較少。

對(duì)于襯基像Si3N4膜常常使用低壓CVD，而常常使用蒸發(fā)濺射電鍍等方法制造吸收體。為提高X射線掩模質(zhì)量需要正確選擇材料、優(yōu)化工藝。

X射線光刻技術(shù)不僅擁有高分辨率，并且有高出產(chǎn)率的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)目前對(duì)X射線光刻技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，要將投入量產(chǎn)，使其在大規(guī)?；虺笠?guī)模IC電路的生產(chǎn)中發(fā)揮更重要的作用，突破高精度圖形掩模技術(shù)難關(guān)已經(jīng)如同箭在弦上。

納米壓印光刻技術(shù)

納米壓印技術(shù)是美國(guó)普林斯頓大學(xué)華裔科學(xué)家周郁在20 世紀(jì)1995 年首先提出的。這項(xiàng)技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、成本低、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn), 已被證實(shí)是納米尺寸大面積結(jié)構(gòu)復(fù)制最有前途的下一代光刻技術(shù)之一。目前該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)分辨率達(dá)5 nm以下的水平。納米壓印技術(shù)主要包括熱壓印、紫外壓印以及微接觸印刷。

納米壓印技術(shù)是加工聚合物結(jié)構(gòu)最常用的方法, 它采用高分辨率電子束等方法將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)圖案制在印章上, 然后用預(yù)先圖案化的印章使聚合物材料變形而在聚合物上形成結(jié)構(gòu)圖案。

1、熱壓印技術(shù)

納米熱壓印技術(shù)是在微納米尺度獲得并行復(fù)制結(jié)構(gòu)的一種成本低而速度快的方法。該技術(shù)在高溫條件下可以將印章上的結(jié)構(gòu)按需復(fù)制到大的表面上, 被廣泛用于微納結(jié)構(gòu)加工。整個(gè)熱壓印過(guò)程必須在氣壓小于1Pa 的真空環(huán)境下進(jìn)行, 以避免由于空氣氣泡的存在造成壓印圖案畸變,熱壓印印章選用SiC 材料制造, 這是由于SiC非常堅(jiān)硬, 減小了壓印過(guò)程中斷裂或變形的可能性。

此外SiC 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定, 與大多數(shù)化學(xué)藥品不起反應(yīng), 因此便于壓印結(jié)束后用不同的化學(xué)藥品對(duì)印章進(jìn)行清洗。在制作印章的過(guò)程中, 先在SiC 表面鍍上一層具有高選比( 38&1) 的鉻薄膜, 作為后序工藝反應(yīng)離子刻蝕的刻蝕掩模, 隨后在鉻薄膜上均勻涂覆ZEP 抗蝕劑, 再用電子束光刻在ZEP 抗蝕劑上光刻出納米圖案。為了打破SiC 的化學(xué)鍵, 必須在SiC 上加高電壓。最后在350V 的直流電壓下, 用反應(yīng)離子刻蝕在SiC 表面得到具有光滑的刻蝕表面和垂直面型的納米圖案。

整個(gè)熱壓印過(guò)程可以分為三個(gè)步驟：

( 1) 聚合物被加熱到它的玻璃化溫度以上。這樣可減少在壓印過(guò)程中聚合物的粘性, 增加流動(dòng)性,在一定壓力下, 就能迅速發(fā)生形變。但溫度太高也沒(méi)必要, 因?yàn)檫@樣會(huì)增加升溫和降溫的時(shí)間, 進(jìn)而影響生產(chǎn)效率, 而對(duì)模壓結(jié)構(gòu)卻沒(méi)有明顯改善, 甚至?xí)咕酆衔飶澢鴮?dǎo)致模具受損。同時(shí)為了保證在整個(gè)壓印過(guò)程中聚合物保持相同的粘性, 必須通過(guò)加熱器控制加熱溫度不變。

(2) 在印章上施加機(jī)械壓力, 約為500 ~1000KPa[ 9] 。在印章和聚合物間加大壓力可填充模具中的空腔。

(3) 壓印過(guò)程結(jié)束后, 整個(gè)疊層被冷卻到聚合物玻璃化溫度以下, 以使圖案固化, 提供足夠大的機(jī)械強(qiáng)度, 便于脫模。然后用反應(yīng)離子刻蝕將殘余的聚合物( PM?MA) 去掉, 模板上的納米圖案完整地轉(zhuǎn)移到硅基底表面的聚合物上, 再結(jié)合刻蝕技術(shù)把圖形轉(zhuǎn)移到硅基底上。

2、紫外壓印光刻技術(shù)

紫外壓印工藝是將單體涂覆的襯底和透明印章裝載到對(duì)準(zhǔn)機(jī)中, 在真空環(huán)境下被固定在各自的卡盤上。當(dāng)襯底和印章的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)完成后, 開(kāi)始接觸壓印。透過(guò)印章的紫外曝光促使壓印區(qū)域的聚合物發(fā)生聚合和固化成型。

與熱壓印技術(shù)相比, 紫外壓印對(duì)環(huán)境要求更低, 僅在室溫和低壓力下就可進(jìn)行,從而使用該技術(shù)生產(chǎn)能大大縮短生產(chǎn)周期, 同時(shí)減小印章磨損。由于工藝過(guò)程的需要, 制作紫外壓印印章要求使用能被紫外線穿過(guò)的材料。

以往紫外壓印工藝中印章是用PDMS 材料涂覆在石英襯底上制作而成。PDMS 是一種楊式模數(shù)很小的彈性體, 用它制作的軟印章能實(shí)現(xiàn)高分辨率。然而在隨后的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由于PDMS 本身的物理軟性, 在壓印過(guò)程中在外界低壓力下也很容易發(fā)生形變, 近來(lái), 法國(guó)國(guó)家納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室提出使用一種3 層結(jié)構(gòu)的軟性印章, 以減小紫外壓印印章的形變。

該印章使用2mm 厚的石英襯底, 中間一層是厚度為5mm 的PDMS 緩沖層, 頂層是由PMMA 構(gòu)成。具體制作印章步驟是先將PMMA 均勻涂覆在被離子激活的PDMS 材料上, 在PMMA 上鍍上一層30nm厚的鍺薄膜作為后續(xù)工藝中的刻蝕掩模, 再在鍺薄膜上涂覆對(duì)電子束靈敏度高的抗蝕劑, 隨后用電子束光刻及反應(yīng)離子刻蝕就可在印章頂層PMMA 上得到高縱橫比的圖案, 最后將殘余鍺薄膜移去即可。使用該方法可以在保持高分辨率情況下大大提高印章的堅(jiān)硬度, 減小印章壓印形變。