基于压缩气体施压的纳米压印技术研究

【摘要】纳米压印技术是一种新型的纳米级图形转移技术，纳米压印过程中施压和加热是两个非常重要的工艺过程。文章中设计了新型纳米压印腔室，采用超声波加热代替传统加热方式，利用压缩气体产生的压力施压。超声波加热速度快，温度可控。压缩气体施压压力均匀、设计简单。

【关键词】纳米压印；超声波加热；压缩气体施压；纳米压印腔室

研究发现纳米尺寸的器件往往会呈现和大尺寸器件完全不同的性质[1]，为专业细微尺寸的图形，以往主要采用光刻技术。光刻技术是电子线路设计中图形转移的关键技术，光刻技术转移图案的尺寸与所采用的光线波长有关，在纳米尺寸的图案转移中，光刻技术出现了困难。纳米压印技术是一种始于上世纪90年代的一种新型微细图形转移技术。它突破了传统的光刻技术中光线波长的限制，理论上来说纳米压印技术转移的图案线条宽度可以无限缩小[2]。纳米压印技术还有操作流程简单、产量高、成本低等优点[3]。

纳米压印技术主要分为三种方式：热压印技术，紫外光刻纳米压印技术和软压印技术。纳米压印技术主要包括图形复制和图形转移两个步骤。首先是在基板上旋涂光刻胶等抗蚀层，通过加热或者光照等手段使抗蚀层呈现熔融态，将刻有图形的硬性模板在一定的压力条件下压印抗蚀层，实现图形的复制，然后脱模，就实现了图形的转移[4]。纳米压印流程如图1所示。

纳米压印过程中，加热和施压是两个重要的步骤。加热过程要求速度快，降温速度也要求快，这样才能提高纳米压印的效率。对于施加的压力要求压力均匀、可调节，这样才能保证纳米压印的完全实现。本文提出了一种超声波加热和压缩气体施压相结合的新型纳米压印装置如图2所示。

新型纳米压印腔室内纳米压印的流程为：光刻胶旋涂完毕后，将模板覆盖在光刻胶上，由螺杆带动活塞压缩压印腔室内的气体，气体压缩后产生压力提供纳米压印需要的压力，超声波发生装置产生超声波加热光刻胶至熔融状态[5]，持续施压将光刻胶压入模板空隙，去除超声波，待光刻胶降温至凝固态撤销压力，脱模后通过后续蚀刻等工艺实现纳米图案的转移。新型纳米压印流程设计如图3所示。

传统纳米压印过程中，加热光刻胶的方式一般为电热板加热，这种加热的方式比较简单，但是存在着以下缺点：加热温度不容易控制，加热和降温的时间比较长。有采用激光加热光刻胶的方式，激光加热装置的设计非常复杂，光路系统设计和安装都比较困难。我们提出一种新型的加热光刻胶的方式，一个超声波发生装置放置在模板上部，对准光刻胶作用于一定波长的超声波，超声波可以使光刻胶分子振动而产生热量，可以迅速使光刻胶达到熔融温度，纳米压印结束后撤掉超声波，光刻胶可以很快降温到凝固状态。

在纳米压印的过程中，传统的施压方式是采用机械螺杆施压，施压的过程因为机械的精度有限，压力不能够均匀施加。如果压力不能均匀的施加在模板上，会导致压印失败甚至是模板因受力不均匀而受损失。为了保证施加的压力均匀、模板和基板能保持平行，国内外都出现了很多解决的办法。有采用弹性缓冲垫方式，就是在工作平台下加一个弹性的垫子，利用垫子的弹性来保持压力均匀[6]。也有在工作台底部安装一个可以滑动的半球，采用半球找平的方式，利用球体的滑动来保持压力均匀。在工作台底部安装弹簧装置，也可以调节压力的不均匀，如图4所示。

据报道也有采用充气的橡胶气囊作为施压和调节不均匀压力的方法[7]，如图5所示。这种方法是采用一个橡胶气囊，气囊上安装压印工作平台，在气囊中冲入高压气体，高压气体产生的压力作为纳米压印的压力，因橡胶气囊本身存在弹性，所以可以实现压力的调节。以上传统的保持压力均匀的方法基本都利用了弹性缓冲的原理，在进行小面积的压印过程中有一定的作用，但是在进行大面积压印时，压力均匀性的问题仍然不能解决。

大面积压印过程中，压印盘边缘部分的压力比较小，弹性材料的伸张变形后，各部分调节压力的能力不一致，导致压力不能均匀分布。模板采用脆性Si和Sio2等材料时，压力不均匀坑内会导致模板破碎。如采用的电铸金属模板，其电铸过程价格昂贵、污染严重，且电铸缺陷较多，如针孔、翘曲、厚度均匀性差、复制效率低等。

为了解决压力不均匀分布的问题，根据气筒的原理，设计了一种新型的利用气体压缩施压的纳米压印模型，在一个密闭的腔室内，有一个可以上下移动的活塞装置，当活塞向下移动时，因为气体的体积是不变的，气体受压后体积变小，压强增大。气体压缩产生的压力作用于模板就会产生纳米压印所需的压力，因为采用气体施压，压力是完全均匀的。通过调节活塞的上下移动，也可以实现压力的均匀变化。充入的气体可以为惰性气体，惰性气体性质非常稳定，也能保证纳米压印的过程中光刻胶等不会因为温度升高而与气体发生任何相互变化。

我们提出了一种新型的纳米压印装置，在纳米压印过程中两个重要的流程加热和施压，分别采用超声波加热和压缩气体施压的方式。超声波加热速度快、效率高、装置简单。压缩气体施压的方式原理简单、气体施压压力完全均匀、压力可调节。超声波装置和气体施压装置可以完美结合设计在一个纳米压印腔室内，装置的设计简单、结构合理、压印效率比较高。

参考文献

[1]魏玉平，丁玉成，李长河.纳米压印光刻技术综述[J].制造技术与床，2012，8：87-94.

[2]罗康，段智勇.纳米压印技术进展及应用[J].电子工艺技术，2009，30（5）：253-257.

[3]屈新萍.新型纳米压印光刻技术的研究及应用[J].世界科学，2009，6：39-41.

[4]段家现，纳米压印技术研究[J].装备制造技术，2010， 7：32-34.

[5]Chien-Hung Lin，Rongshun Chen，Chien-Chang Su.Ultrasonics for Nanoimprint Lithography[C].//Proceedings of 2005 5th IEEE Conference.Nanotechnology.2005.

[6]Jae-Jong Lee，Kee-Bong Choi，Gee-Hong Kim，SeungWoo Lee.The UV-Nanoimprint Lithography with Multi-head Nanoimprinting Unit for Sub-50nm Half-pitch Patterns[C].//SICE-ICASE International Joint Conference Bexco，Busan，Korea.2006.

[7]董晓文，司卫华，顾文琪.气囊气缸式真空紫外纳米压印设备研制[J].电子元器件，2009，3：40-44.