微纳加工与微纳器件

纳米压印技术(nanoimprint)
商业公司生产的纳米压印机：
➢ 美国
Molecular Imprints Inc. （德克萨斯大学， Grant Wilson ） Nanonex Corp （普林斯顿大学， 周郁）。
➢ 奥地利
EV Group
➢ 瑞典
Obdcat AB
➢ 德国
Suss MicroTec
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 22
纳米压印技术(nanoimprint)
施压气体的隔离分析
基于气体压缩式施压，必须保证气体不进入掩模板基板腔室。否则，不 能将掩模板压入；
采用带突出环掩模板粘合转移介质实现。
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 23
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 6
微纳制备技术
新型束流加工技术
➢ 电子束；
电子束阵列； 限散射角电子束；
➢ 离子束； ➢ 质子束； ➢ 激光束；
双光子聚合激光；
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 7
纳米压印技术(nanoimprint)
施压气体的隔离分析
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 24
纳米压印技术(nanoimprint)
施压气体的隔离分析
基于展开模型，理论推导突出环的宽度与转移介质物性之间的解析 方程。
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 25
该技术为三星电子的大面积显示屏纳米压印制作工艺；
➢ 吸盘固定气浮轨道滑动静电分离。
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 13
纳米压印技术(nanoimprint)
三．转移介质
➢ PMMA(俗名：有机玻璃，聚甲基丙烯酸甲酯 )； ➢ PDMS(聚二甲基硅氧烷 )； ➢ 紫外光刻胶； ➢ 熔融Si或者熔融金属； ➢ 带静电荷、磁颗粒的光刻胶； ➢ 假塑性金属纳米粒子流体。
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 14
纳米压印技术(nanoimprint)
德国suss公司12inch压印机及压印样品
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 15
纳米压印技术(nanoimprint)
美国Molecular Imprints Inc. 公司完成的18Inch的wafer。
金属薄膜淀积
容脱（left-off）
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 11
纳米压印技术(nanoimprint)
一．压印施压
➢ 机械平板施压，用平整平板将掩模板压入转移介质，模板-基板自 平行调整采用：
半球滑移 刀口支撑 多自由度自适应
➢ 气体（流体）施压，解决压印压力均匀性的最佳解决方案，可以保 证在全晶圆面积压力均匀分布。
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 4
研究内容
微纳加工技术涉及科学领域极为广泛。
➢ 物理、化学、机械、电子、材料、信息、力学等等，是名副其实 的交叉学科。
微纳百度文库件是现代智能社会的基石。
➢ 微米器件很多已经进入国民生产，理论和技术均比较成熟。 ➢ 纳米器件的研究似更有探索的价值。 ➢ 微纳跨尺度加工是近年的热点，获得多个国家重大、重点项目资
纳米压印技术(nanoimprint)
突出环的优化：
1. 高度可以与图形平齐； 2. 环表面粗糙度增加可进一步降低环宽度； 3. V-groove优化O-ring。
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 27
纳米压印技术(nanoimprint)
活塞位移，电机或者液压泵驱动会产生振动。 振动传到样品承片台，给样品造成对准误差 震源的物理参数、传递形态、隔震材料、结构优化阻尼等。
微纳加工与微纳器件
段智勇 2020/3/20
微纳制造技术与微纳器件研究中心(筹)
郑州市科学大道100号，邮编450001
物质世界的组成
弦 ≤10-21m ？
夸克 ≤10-18m
质子 ≤10-15m
10-15m≤原子核≤10-14m
微纳器件与系统 10-6m-10-9m
分子
10-9m
原子
10-10m
Li Tianhao, Zheng Guoheng, Liu Chaoran, Xia Weiwei, Li Dongxue, Duan Zhiyong. Analysis of Dynamic Pressure Distribution on the Mold in Compressional Gas Cushion Press Nanoimprint Lithography. IEEE Transactions on Nanotechnology. VOL.12,issue 4. 589-595. 2013
纳米压印技术(nanoimprint)
施压气体的隔离分析
L1和L3与相关参数的影响
李天昊,郑国恒,刘超然,夏委委,李冬雪,段智勇.掩 膜板凸出环隔离压缩式纳米压印施压气体的研究. 物理学报,2013,Vol. 62(6), 068103
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 26
纳米压印技术(nanoimprint)
抽气式的两种施压方式以及气囊充气式方式，由于基板或者 掩模板周边弹性力或者气囊的的不均匀经常导致掩模板和基 板倾斜接触。
掩模板寿命较短； 基板容易压碎。
通过理论推导和仿真分析，充气式施压，存在强烈的气流扰 动，初始阶段压力分布不均匀。
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 18
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 21
纳米压印技术(nanoimprint)
(a)三个测试点(图3.4中所示)在整个施压过程中压强的时演曲线(b)在整个施压 过程中掩模板上不同位置(弧长为0的坐标代表图3.8中掩模板的边缘，弧长为 0.09m的坐标代表掩模板中心)的压强与板上最小压强的差值在不同时刻的变化
刘超然，罗康，李天昊，夏委委，李 冬雪，段智勇. 压缩式气压纳米压印 阻尼减振分析. 机械科学与技术 .Vol.33,No.10,1463-1467.2014
(a)0.1s,(b)0.2s,(c)0.3s,(d)0.37s
分布图
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 19
纳米压印技术(nanoimprint)
射流速度为5.5m/s,三个不同喷 嘴高度(a)11.25cm (b)18.25cm (c)28.25cm模型在t=0.3s时流场 的流线分布图
➢ 高产量
可以象光学曝光那样并行处理，同时制作成百上千个器件；
➢ 低成本
光学曝光机需要复杂的光学系统； 电子束曝光机需要复杂的电磁聚焦系统。
➢ 高保真度
1:1图形转移，几乎无差别的将掩模板上的图形转移到wafer上。
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 9
纳米压印技术(nanoimprint)
纳米压印技术具有技术优势： 应用领域广
高分辩率
可以三维加工
纳米压印
高产量
高保真度
低成本
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 8
纳米压印技术(nanoimprint)
纳米压印技术具有技术优势：
➢ 高分辩率
没有光学曝光中的衍射现象和电子束曝光中的散射现象；
常规系统 m
宏观系统 103m
太阳系
1012m
宇宙系统
1016m（光年）
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 2
研究内容
1959年，“There‘s Plenty of Room at the Bottom ”,著名物理学家理查 德·费曼提出：在分子水平上有足够空间建造微型机器 ；
真空吸压；
模板移动施压； 基板形变施压；
气囊顶压； 固定腔室充气气压； 压缩式施压。
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 12
纳米压印技术(nanoimprint)
二．分离
➢ 机械分离； ➢ 采用弹性掩模板（PDMS），卷离，特别适用于转轴压印； ➢ 采用弹性掩模板，喷嘴吹离；
目前已有14nm特征线宽CPU销售；
2015年，以STMicroelectronics为代表、MEMS器件市场总额预计为256 亿美元；
另外，可穿戴电子系统、超材料、光子晶体、高密度存储、显示器件、 亚波长器件等蓬勃发展。
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 3
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 28
纳米压印技术(nanoimprint)
压缩式气体施压系统振动分析
➢ 纵向隔振
减震堆栈振幅最小值与振幅最大值之比随材料阻尼比变化关系
振幅衰减比随减震堆栈层数的 变化曲线
振幅衰减比随着相邻蜂窝间距的变化曲线
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹）
研究内容
微纳科学技术研究10-3~10-9m范围内的器件以及器件制备技 术。包括：
➢ 基于多物理基础的材料增加或者材料去除技术；
Up to down； Down to Up；
➢ 基于多功能材料和多物理机制的微纳传感、微纳驱动。
MEMS/NEMS； Optic MEMS； Bio MEMS； Lab On Chip （微流控芯片） 微能量采集系统；
纳米压印技术(nanoimprint)
对 称 喷 嘴 位 于 腔 室 侧 壁 ， 喷 嘴 高 度 h0=11.25cm ， 对称喷嘴位于腔室侧壁，喷嘴高度h0=11.25cm,射 v=5.5m/s 时 流 场 中 流 线 和 压 强 的 时 演 图 流速度v=1,2.5,4,5.5m/s在t=0.25s时腔室内的流线
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 16
纳米压印技术(nanoimprint)
在充气式、抽气式施压的基础上提出活塞式气体施压新方法。
授权发明专利 ZL: 201110101431.3 微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 17
➢ 中国
苏州光舵（南京大学葛海雄，国内销售2台：北京化工大学和南京大学各 购买一台）
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 10
纳米压印技术(nanoimprint)
纳米压印技术的基本技术流程： 掩模板基板对准
施压
掩模板 图形转移介质
基板
脱模 残留层刻蚀 阻挡层作用的基板深刻
助。
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 5
微纳制备技术
面向Si基
➢ 集成电路制备技术集群； ➢ 表面加工技术系列； ➢ 体加工技术系列；
面向金属、二代和三代半导体材料的一下代加工技术（NGL）
➢ ML2； ➢ DSA； ➢ EUV IMM； ➢ Nanoimprint lithography ；
相同射流速度v=5.5m/s,不同腔 体高度(a)22cm(b)26cm(c)30cm, 其内部流场在0.25 s时的流线图
微纳制造技术与微纳器件研究中心（筹） 郑州市科学大道100号，邮编450001 20
纳米压印技术(nanoimprint)
掩模板上最大压强与最小压强差值(以 下均用 表示)的时间演变曲线(a)对 称喷嘴位于腔体侧壁，高度为11.25cm， 不同射流速度时的时演曲线(b)射流速 度 为 5.5m/s ， 不 同 喷 嘴 高 度 (11.25cm,18.25cm,28.25cm) 时 ， 掩 模 板上的时演曲线(c)喷嘴位于腔体顶部 时 ， 腔 体 高 度 为 18cm ， v=1, 2.5, 4, 5.5m/s时掩模板上的时演曲线(d)相同 的射流速度v=5.5m/s，不同的腔体高度 时，掩模板上的时演曲线