大面積復(fù)合納米壓印的殘余層厚度優(yōu)化*

曹海燕

（大連東軟信息學(xué)院智能與電子工程學(xué)院，大連 116023）

1 引言

納米壓印（NIL,Nanoimprint Lithography）是由科學(xué)家周郁最先提出的。與傳統(tǒng)光刻技術(shù)相比，NIL具有效率高、成本低、分辨率高、環(huán)保性好和工藝過程簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，因此在半導(dǎo)體集成電路制造、光學(xué)器件、生物芯片等領(lǐng)域廣受泛關(guān)注。大尺寸軟模具制作是實(shí)現(xiàn)大面積NIL 的重要條件之一。與硬模具相比，軟模具能夠與基片進(jìn)行密切貼合，而且在壓印過程中壓印力小，脫模過程不易造成基片破碎，使得脫模更加容易。隨著對(duì)軟模具制作技術(shù)研究的深入，NIL 技術(shù)也在不斷地完善。近年來，青島理工大學(xué)的蘭紅波等人，對(duì)于大面積NIL 光刻晶圓級(jí)復(fù)合軟模具制造進(jìn)行了深入研究，給出了良好的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[1]。在NIL 過程中，殘余層厚度是紫外固化NIL 工藝的重要參數(shù)，其厚度具體值直接影響后續(xù)刻蝕工藝和基片的完整度。鑒于此，設(shè)計(jì)一套優(yōu)化方法，先通過模板復(fù)制工藝得到大面積復(fù)合軟模具；然后采用控制變量法，改變旋涂轉(zhuǎn)速和壓印膠固體含量這兩個(gè)參數(shù)，對(duì)基片進(jìn)行紫外固化NIL 工藝；最后對(duì)壓印片進(jìn)行表征，測(cè)量殘余層的厚度。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析能夠得出確實(shí)可行的優(yōu)化方案[2-3]。

2 紫外固化NIL 技術(shù)原理

NIL 主要包括微接觸壓印技術(shù)、熱壓印技術(shù)和紫外固化NIL 技術(shù)[4-5]。近幾年來，熱壓印技術(shù)和紫外固化NIL 技術(shù)使用較為廣泛。兩者有相同之處，區(qū)別在于：紫外固化NIL 的壓印膠固化是通過紫外光曝光實(shí)現(xiàn)的，而熱壓印是通過溫度升降實(shí)現(xiàn)的。在此選用紫外固化NIL 壓印進(jìn)行優(yōu)化研究，其工藝原理示意圖如圖1。

圖1 紫外固化NIL 壓印過程

圖中所示的主要工藝步驟為[6-8]：在基片上旋涂一層紫外固化光刻膠；將柔性微結(jié)構(gòu)透明模具和基片對(duì)準(zhǔn)，之后將模具下壓，壓入光刻膠內(nèi)，進(jìn)行紫外光曝光固化；將軟模具和基片進(jìn)行脫模；刻蝕殘余層，完成圖案轉(zhuǎn)移。

3 工藝流程

3.1 復(fù)合軟模具制作

軟模具復(fù)制工藝和NIL 工藝均使用紫外固化NIL 技術(shù)，所用到的NIL 設(shè)備主要包括工作臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)、壓印模塊、固化模塊、氣路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)所用模具為PET-PS 雙層復(fù)合軟模具，支撐層采用耐高溫聚酯薄膜（PET），它表面的圖形層是模板復(fù)制膠（PS）。

復(fù)合軟模具制作的具體過程如下：

母模板在第一次使用之前需要旋涂抗粘劑，目的是在母模板表面形成一層自組裝單分子膜，以降低母模板的表面能，便于脫模。轉(zhuǎn)速設(shè)置為2000 rpm，旋涂1 分鐘，旋涂三次；

在母模板上滴加PS 膠，轉(zhuǎn)速設(shè)置為3000rpm，旋涂1 分鐘；

按照表1 中的數(shù)據(jù)設(shè)置NIL 設(shè)備參數(shù)。將表面帶有PS 膠的母模板放入NIL 設(shè)備中，將PET 用夾具固定放入NIL 設(shè)備中；

表1 NIL 設(shè)備軟模具復(fù)制參數(shù)設(shè)置

設(shè)備自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，完成PET 和母模板的貼合；

曝光固化、分離，將母模板微納米結(jié)構(gòu)復(fù)制到PET 上，即為紫外固化NIL 的復(fù)合軟模具，實(shí)物樣貌如圖2 所示。

圖2 PET 復(fù)合軟模具實(shí)物圖

3.2 紫外固化納米壓印

紫外固化納米壓印所用工藝設(shè)備的參數(shù)設(shè)置同表1，它的具體工藝步驟為：

在6 寸直徑的玻璃基片上旋涂增粘劑，轉(zhuǎn)速設(shè)為3000rpm，旋涂1 分鐘，115℃烘烤3 分鐘；

旋涂壓印膠，轉(zhuǎn)速設(shè)置為3000rpm，旋涂1 分鐘，115℃烘烤2 分鐘；

玻璃片放入NIL 中，由真空吸附固定，將前一節(jié)中實(shí)現(xiàn)的復(fù)合軟模具用夾具固定，放入設(shè)備，微納米結(jié)構(gòu)朝向玻璃片；

設(shè)備自動(dòng)操作，完成軟模具和基片的貼合；曝光固化、分離，將軟模具微納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印至空玻璃片上，即得到壓印片，實(shí)物樣貌如圖3 所示。

圖3 壓印片實(shí)物圖

4 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

影響圖形轉(zhuǎn)移層厚度和殘余層厚度的因素主要是勻膠時(shí)的旋涂轉(zhuǎn)速、壓印膠的濃度、固體含量、粘度和壓印壓力等。實(shí)驗(yàn)中，通過控制變量法，對(duì)旋涂轉(zhuǎn)速和壓印膠的固體含量進(jìn)行分步驗(yàn)證，以此來優(yōu)化殘余層厚度。由實(shí)驗(yàn)得到，不同旋涂轉(zhuǎn)速下兩種固體含量的壓印膠對(duì)應(yīng)的殘余層厚度如表2 所示。

表2 工藝參數(shù)對(duì)殘余層厚度的影響

通過觀察分析表2 中的數(shù)據(jù)可以得出：在其他參數(shù)不變的條件下，轉(zhuǎn)速越大，得到的殘余厚度越小。壓印膠的固體含量也會(huì)影響殘余層的厚度，兩種膠當(dāng)中MR50 的固體含量較少，同樣旋涂轉(zhuǎn)速下殘余層厚度就比較薄。

用掃描電子顯微鏡采集到的立體圖像觀察樣品表面微觀形貌，并對(duì)殘余層的厚度及結(jié)構(gòu)高度進(jìn)行測(cè)量，如圖4 所示。圖4(a)的圖像對(duì)應(yīng)于使用MR70壓印膠、轉(zhuǎn)速達(dá)到4500 rpm，此時(shí)，殘余層厚度測(cè)得為30.45nm，沒有觀察到膠體收縮現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)完整；當(dāng)使用MR50 壓印膠、轉(zhuǎn)速為3000rpm 時(shí)，如圖4(b)所示，可觀察到膠體發(fā)生了收縮，結(jié)構(gòu)不能被壓印膠填充滿。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣品電鏡成像及測(cè)量

繼續(xù)使用MR50 膠，使轉(zhuǎn)速逐漸增大，觀察到轉(zhuǎn)速越大，膠膜變得更薄，膠體收縮也更加嚴(yán)重，得到不完整的結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。

圖5 發(fā)生膠體收縮時(shí)的不完整結(jié)構(gòu)壓印片

由于MR50 壓印膠的固體含量較低，對(duì)于結(jié)構(gòu)高的納米圖案填充效果不好。通過實(shí)驗(yàn)可知，使用MR70 壓印膠，可將殘余層厚度優(yōu)化為30.45nm。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

殘余層厚度控制是紫外固化NIL 工藝的關(guān)鍵，厚度過薄會(huì)使基片在與軟模具的接觸過程中破碎；厚度過厚會(huì)增加去除殘余層的時(shí)間，影響后續(xù)的刻蝕工藝。通過實(shí)驗(yàn)和表征數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步明確了殘余層厚度與旋涂轉(zhuǎn)速、壓印膠固體含量之間的關(guān)系，以此對(duì)殘余層厚度進(jìn)行優(yōu)化，確定最終工藝參數(shù)。優(yōu)化方案及相關(guān)結(jié)論可作為后續(xù)研究軟模具使用壽命和均勻性的理論基礎(chǔ)。