纳米压印光刻技术综述

纳米压印光刻技术综述魏玉平;丁玉成;李长河【摘要】In this paper,the processes are described firstly and then the traditional and state-of-the-arts review is presented. Furthermore, the key techniques involved in the nano-imprint lithography and the technical challenges faced in application of this process for fabricating the integrated circuit are discussed.%文章在阐述纳米压印工艺构成要素的基础上,对几种传统压印技术工艺及其工艺变种进行了简要介绍,总结出了纳米压印中所涉及的几个关键技术问题,并对纳米压印在集成电路制造中所面临的挑战进行了分析.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2012(000)008【总页数】8页(P87-94)【关键词】纳米压印光刻;关键技术;技术挑战【作者】魏玉平;丁玉成;李长河【作者单位】青岛理工大学机械工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学机械工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学机械工程学院,山东青岛266033【正文语种】中文【中图分类】TG580自1947年世界上第一只晶体管问世以来，半导体微电子技术以及由此引发的各种微型化技术已经发展成现代高科技技术产业的主要支柱。

作为微加工关键技术之一的光刻技术的发展印证了每18～24个月集成度翻一番的摩尔定律的预言。

随着经济发展的要求促使半导体业特征尺寸朝着不断缩小的方向发展，但受曝光波长衍射极限的限制，光学光刻的技术已无法满足纳米制造技术对线宽高分辨率的要求。

在现有技术条件下提高光学光刻分辨率制造设备的成本将以指数形式增长。

为了避免使用昂贵且复杂的光源和投影光学系统，纳米压印光刻技术（nano－imprint lithography，NIL）这一低成本图形转移技术的提出和发展越来越多地为人们所知。

NIL技术的研究始于华裔科学家普林斯顿大学纳米结构实验室的Stephen Y.Chou 教授［1］。

纳米压印是将具有纳米级尺寸图案的模板在机械力的作用下压到涂有高分子材料的衬底上，进行等比例压印复制图案的工艺。

其实质就是液态聚合物对模板结构腔体的填充过程和固化后聚合物的脱模过程［2］。

其加工分辨力只与模版图案的特征尺寸有关，而不受光学光刻的最短曝光波长的物理限制。

目前实验室环境下使用NIL技术已经可以制作出线宽在5 nm以下的图案。

由于省去了光学光刻模掩板和使用光学成像设备的成本而采用图形复制的加工方法，因此NIL技术具有低成本、高产出的经济优势。

作为一种低成本的下一代光刻技术（Next Generation Lithography，NGL）纳米压印技术将为纳米制造提供新的机遇，被誉为十大可改变世界的科技之一［3］。

NIL较之现行的投影光刻和其他下一代光刻技术，具有高分辩率、超低成本（国际权威机构评估同等制作水平的NIL比传统光学投影光刻至少低一个数量级）和高生产率等特点，已被纳入2005版的国际半导体蓝图，并被排在16 nm节点。

纳米压印技术作为微纳米制造的一种新方法，具有巨大的发展潜力和应用前景，现已为众多国家所关注，并积极投入到其研究开发工作中去。

国外普林斯顿大学、德克萨斯大学、哈佛大学、密西根大学、林肯实验室、摩托罗拉、惠普公司及瑞士的Paul Schemer研究所、德国亚琛工业大学等众多知名大学和研究机构都在致力于纳米压印光刻技术的研究、开发与应用。

目前全世界已有五家纳米压印光刻设备提供商:美国的 Molecular Imprints Inc、Nanonex Corp，奥地利的EV Group，瑞典的Obducat AB和德国的Suss Microtec Co.Inc。

纳米压印技术研究在中国的起步虽然晚，但进展却非常迅速。

目前国内已有很多单位在研究纳米压印技术，主要研发单位包括西安交通大学、复旦大学、北京大学、南京大学、吉林大学、上海交通大学、苏州大学和中科院等。

1 纳米压印技术的基本原理和工艺纳米压印是一种全新的纳米图形复制方法，实质上是将传统的模具复型原理应用到微观制造领域。

它是利用不同材料（即模具材料和预加工材料）之间的杨氏模量差，使两种材料之间相互作用来完成图形的复制转移。

纳米压印图型转移是通过模具下压使抗蚀剂流动并填充到模具表面特征图型的腔体结构中;完成填充后在压力作用下使抗蚀剂继续减薄到后续工艺允许范围内（设定的留膜厚度），停止下压并固化抗蚀剂。

与传统光刻工艺相比，压印技术不是通过改变抗蚀剂的化学特性实现抗蚀剂的图形化，而是通过抗蚀剂的受力变形实现其图形化。

纳米压印技术自提出以来，在3种典型传统技术（热压印光刻技术、紫外常温压印光刻技术、微接触压印技术）的基础上不断创新发展并提出了许多新工艺。

1.1 热压印技术热纳米压印技术（Hot Embossing Lithograph，HEL）是指在压力作用下使硬模板上图形转移到已加热到玻璃态的热塑性聚合物中的压印技术，具体工艺如图1所示。

热压印工艺的主要步骤如下:首先，利用电子束直写技术（EBDW）制作具有纳米尺寸图案的Si或SiO2材料模版，在衬底上均匀涂覆一层热塑性高分子光刻胶（通常以PMMA为主要材料），将衬底上的光刻胶加热到玻璃转换温度（Glass Transfer Temperature）以上（110℃），利用机械力将模版压入高温软化的光刻胶层内，并且维持高温、高压一段时间，使热塑性高分子光刻胶填充到模版的纳米结构内，待光刻胶固化成形之后，释放压力并使模版与衬底脱离。

热压印技术所使用的抗蚀剂为PMMA与现行电子行业相同，在后续光刻工艺中不需要重新调配工艺参数，与现有的微电子工业生产线吻合性良好，这是该工艺的技术优势。

但是热压印技术需要加热，且压印力很大，会使整个压印系统产生很大的变形;同时，该工艺采用的是硬质模具，无法消除模具与衬底之间的平行度误差及两平面之间的平面度误差;此外，模板在高温条件下，表面结构或其他热塑性材料会有热膨胀的趋势，这将导致转移图形尺寸的误差且增加了脱模的难度，这也是热固化压印的最大缺点之一［4］。

热压印技术的微结构制造具有广泛的应用:微电子器件、光器件和电子器件等，目前采用该复型技术制造能达到的最小图形特征尺寸5～30 nm［5］。

1.2 紫外光固化纳米压印技术针对热压印技术由于受热受力产生变形的问题，1999年由美国德克萨斯大学的研究小组提出的透明曝光技术很好地解决了该问题。

因该工艺技术是在常温下进行的，不需要加热，与热压印技术相对，因而该工艺技术又称为常温纳米压印技术或冷压印技术。

该技术与热压印技术有两大不同之处，一是压印模具本身采用的是透明的石英板材料，二是模具图形转移过程中在压印成形后不是利用聚合物材料的热固成型或冷却固化成形而是通过紫外光辐射成形的，大大减少了衬底的变形几率和程度。

紫外光固化纳米压印技术（Ultra Violet NanoImprint lithography，UV－NIL）的主要工艺含以下几个步骤:首先要制备高精度的透明掩模板，一般采用石英（SiO2）作为掩模板材料;在Si等衬底材料上涂覆一层厚度为400～500 nm的低粘度、流动性好、对紫外光敏感的光刻胶;低压将模板压在光刻胶上，使光刻胶填充模板空隙;充分填充后利用紫外光照射模板背面，使光刻胶固化;脱模后利用等离子体刻蚀技术将残留胶去除。

图2为紫外光固化纳米压印技术的工艺流程图。

采用UV紫外光对光敏聚合物抗蚀剂进行固化，在成形过程中，外在机械应力很小，其应力主要产生在固化中的液体收缩上。

另外，这种技术具有自清洁功能，模板上的微小颗粒，在固化过程中被聚合物固联剥离。

紫外固化纳米压印技术与热压印技术相比不需要加热，可在常温下进行，避免了热膨胀因素，也缩短了压印的时间;掩模板透明，易于实现层与层之间对准，层与层之间的对准精度可达到50 nm，适合半导体产业的要求。

但紫外固化纳米压印技术设备昂贵，对工艺和环境的要求也非常高;没有加热的过程，光刻胶中的气泡难以排出，会对细微结构造成缺陷。

生产中常采用紫外固化纳米压印技术和步进技术相结合形成的步进闪烁纳米压印技术有望成为下一代集成电路的主流技术。

该工艺目前具有的复型能力可达到10 nm。

1.3 微接触压印技术微接触压印技术（Micro Contact Printing，μCP）是从纳米压印技术派生出来的另一种技术，因该技术使用的模具是软模，故又被称之为软印模技术。

微接触压印是一种在大面积功能材料表面成形的微接触压印技术。

微接触纳米压印技术有两种实现方式，分别为微接触纳米压印技术和毛细管微模板法。

微接触纳米压印技术的工艺流程为:首先使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）等高分子聚合物作为掩模制作材料，采用光学或电子束光刻技术制备掩模板;将掩模板浸泡在含硫醇的试剂中，在模板上形成一层硫醇膜;再将PDMS模板压在镀金的衬底上10～20 s后移开，硫醇会与金反应生成自组装的单分子层SAM，将图形由模板转移到衬底上。

后续处理工艺可分为两种:一种是湿法蚀刻，将衬底浸没在氰化物溶液中，氰化物使未被SAM单分子层覆盖的金溶解，这样就实现了图案的转移;另一种是通过金膜上自组装的硫醇单分子层来链接某些有机分子实现自组装。

此方法最小分辨率可以达到35 nm，主要用于制造生物传感器和表面性质研究等方面。

图3为微接触纳米压印技术的工艺流程。

毛细管微模板法［6］是由微接触纳米压印技术发展而来，掩模板制作的方式与微接触压印技术相同;模板放置在基板之上，将液态的聚合物（一般为聚甲基丙烯酸）滴在模板旁边，利用虹吸作用将聚合物填充到模板的空腔;聚合物固化后脱模，再经过蚀刻就将图案从模板转移到基板上。

工艺过程如图4所示。

微接触纳米压印技术相比较于其他压印技术最大的优势在于模具尺寸大，生产效率高，其使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为压印模具能够有效地解决压印模具和硅片之间的平行度误差以及两者表面的平面度误差的问题。

但是正因为PDMS模具良好的弹性，在将涂于模具表面的硫醇转移到抗蚀剂表面时会发生模具和抗蚀剂之间的相对滑动，导致被转移图型变形和缺损。

1.4 纳米压印技术的发展新进展自纳米压印技术提出以来，各种创新的NIL工艺的研究陆续开展，最近几年经各国纳米压印学者专家的不断开发完整下，以3种传统工艺技术为基础在其不同关键领域进行改进，从而又衍生出众多的纳米压印新技术。

金属薄膜直接压印技术是在Si基板上利用离子束溅射技术产生一层 Cu、Al和Au 等金属薄膜，直接用超高压在金属薄膜上压印出图案。