納米壓印技術(shù)概述

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1、隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，人們從理論和實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)許多材料被加工為具有納米尺度范圍的形狀時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出與大塊材料完全不同的性質(zhì)。這些特異的性質(zhì)向人們展現(xiàn)了令人興奮的應(yīng)用前景。而在開發(fā)超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)的過(guò)程中，人們已經(jīng)開發(fā)了一些能夠進(jìn)行納米尺度加工的技術(shù)，例如電子束與X射線曝光，聚焦離子束加工，掃描探針刻蝕制技術(shù)等。但這些技術(shù)的缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴，產(chǎn)量低，因而產(chǎn)品價(jià)格高昂。商用產(chǎn)品的生產(chǎn)必須是廉價(jià)的、操作簡(jiǎn)便的，可工業(yè)化批量生產(chǎn)的、高重復(fù)性的；對(duì)于納米尺度的產(chǎn)品，還必須是能夠保持它所特有的圖形的精確度與分辯率。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，美國(guó)“明尼蘇達(dá)大學(xué)納米結(jié)

2、構(gòu)實(shí)驗(yàn)室”從1995年開始進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，他們提出并展示了一種叫作“納米壓印”(nanoimprintlithography)的新技術(shù)[1]。納米材料在電子、光學(xué)、化工、陶瓷、生物和醫(yī)藥等諸多方面的重要應(yīng)用而引起人們的高度重視.一納米材料的概述：從分子識(shí)別、分子自組裝、吸附分子與基底的相互關(guān)系、分子操作與分子器件的構(gòu)筑，并通過(guò)具體的例證加以闡述，包括在STM操作下單分子反應(yīng)有機(jī)小分子在半導(dǎo)體表面的自指導(dǎo)生長(zhǎng);多肽-半導(dǎo)體表面特異性選擇結(jié)合.生物分子/無(wú)機(jī)納米組裝體、光驅(qū)動(dòng)多組分三維結(jié)構(gòu)組裝體、DNA分子機(jī)器。所謂納米材料指的是具有納米量級(jí)從分1~

3、100nm的晶態(tài)或非晶態(tài)超微粒構(gòu)成的分子識(shí)別走向分子信息處理和自組織作用的固體物質(zhì)。納米壓印技術(shù)具有產(chǎn)量高、成本低和工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，是納米尺寸電子器件的重要制作技術(shù)。納米壓印技術(shù)主要包括熱壓印、紫外壓印(含步進(jìn)—閃光壓印)和微接觸印刷等。本文首先描述了納米壓印技術(shù)的基本原理，然后介紹了傳統(tǒng)納米壓印技術(shù)的新進(jìn)展，如氣壓輔助納米壓印技術(shù)、激光輔助壓印技術(shù)、靜電輔助納米壓印技術(shù)、超聲輔助納米壓印技術(shù)和滾軸式納米壓印技術(shù)等。最后特別強(qiáng)調(diào)了納米壓印的產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題。我們希望這篇綜述能夠引起國(guó)內(nèi)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注，并致力于在中國(guó)發(fā)展納米壓印技術(shù)。這是一種全新的圖形

4、轉(zhuǎn)移技術(shù)。納米壓印技術(shù)的定義為：不使用光線或者輻照使光刻膠感光成形，而是直接在硅襯底或者其它襯底上利用物理學(xué)的機(jī)理構(gòu)造納米尺寸圖形。目前，這項(xiàng)技術(shù)最先進(jìn)的程度已達(dá)到5nm以下的水平[2]。納米壓印技術(shù)主要包括熱壓印(HEL)、紫外壓印(UV-NIL)、微接觸印刷(μCP)。納米壓印是加工聚合物結(jié)構(gòu)的最常用方法，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。我們首先描述了納米壓印技術(shù)的基本原理，然后介紹了傳統(tǒng)納米壓印技術(shù)以及納米壓印技術(shù)的新進(jìn)展，最后別強(qiáng)調(diào)了納米壓印的產(chǎn)業(yè)化

5、問(wèn)題。1納米壓印技術(shù)的基本原理納米壓印的具體工藝由于材料、目標(biāo)圖形和產(chǎn)品用途的不同而不同，但其基本原理和工作程序是相同的。最基本的程序包含兩個(gè)主要步驟：圖形復(fù)制(imprint)和圖形轉(zhuǎn)移(patterntransfer)，如圖(1)所示。在一塊基片(通常是硅片)上“涂”(spin：旋覆)上一層聚合物(如PMMA，聚甲基丙烯酸甲脂)，再用已刻有目標(biāo)納米圖形的硬“印章”(如二氧化硅“圖章”)在一定的溫度(必須高于聚合物的“軟化”溫度(glass-transitiontemperature)，和壓力下去“壓印”(imprint)PMMA涂層，從而實(shí)現(xiàn)圖形

6、的“復(fù)制”。下一步是脫模。將“印章”從壓印的聚合物中釋放。然后把這個(gè)聚合物圖案轉(zhuǎn)移到襯底材料或其它材料上去。圖(2)顯示了硅印章，壓印的聚合物圖形結(jié)構(gòu)和通過(guò)溶脫技術(shù)得到的金屬圖形結(jié)構(gòu)。圖（1）納米壓印工藝流程納米壓印的原理雖然很簡(jiǎn)單，但由于其產(chǎn)品圖形過(guò)于精細(xì)，即使是最基本的程序其工藝的每一步也需十分小心處理。首先，要適當(dāng)?shù)剡x擇聚合物作涂層。大多數(shù)微電子工藝技術(shù)中使用的聚合物“抗蝕劑”(resist)都可以用來(lái)作為壓印層。例如PMMA就是一種最常用的電子束曝光抗蝕劑。然后要選擇它的軟化溫度(glass-transitiontemperature)、分子

7、量和涂層厚度。當(dāng)溫度在聚合物的軟化溫度之上時(shí)，聚合物變成一種可流動(dòng)的粘性液體因而可供塑形；而分子量直接與聚合物的粘性有關(guān)；分子量愈小，聚合物的粘性愈小，愈容易流動(dòng)[3]。常用的PMMA的分子量從50k到980k而膜的厚度在50nm～400nm之間(與濃度有關(guān))[4]。另外，復(fù)制時(shí)的溫度和壓力也十分重要。對(duì)PMMA材料，常用的壓力和溫度分別是50bar和100℃～200℃，這還要視所用的聚合物的性質(zhì)而定[3]。一組典型的工藝流程參數(shù)是：在硅基底上旋轉(zhuǎn)涂附(spin)一層50k的PMMA(厚度為100nm～200nm)，然后加熱到高于PMMA的軟化溫度(

8、175℃)后，將已制好的刻有納米圖形的模具以50bar的壓力壓在PMMA上并保持一段時(shí)間，然后逐漸降低溫度至