纳米压印光刻模具制作技术研究进展及其发展趋势

机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERING第45卷第6期2009年6月Vol.45No.6Jun.2009DOI：10.3901/JME.2009.06.001纳米压印光刻模具制作技术研究进展及其发展趋势*兰红波1,2丁玉成1刘红忠1卢秉恒1(1.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049；2.山东大学机械工程学院济南250061)摘要：模具是纳米压印光刻(Nanoimprintlithography,NIL)与传统光学光刻工艺昀大的区别所在，模具作为压印特征的初始载体直接决定着压印图型的质量，要实现高质量的压印复型，必须要有高质量的压印模具。不同于传统光学光刻使用的掩模(4X)，纳米压印光刻使用的是1X模版，它在模具制作、检查和修复技术面临更大挑战。当前，模具的制作已经成为NIL昀大的技术瓶颈，而且随着纳米压印光刻研究的日益深入以及应用领域的不断扩大，NIL模具的制造将变的越来越重要并面临着更加严峻的挑战。因此，模具的制造已经成为当前纳米压印光刻一个昀重要的研究热点，纳米压印光刻发展的历史也是压印模具不断发展创新的历史。综述了当前国内外各种纳米压印光刻模具制作技术研究进展，并指出三维模具、大面积模具和高分辨率模具的制作、模具缺陷的检查和修复是当前及其将来昀迫切的需求、昀主要的研究热点和挑战。关键词：纳米压印光刻模具制作三维模具大面积模具软模具中图分类号：TN305.7ReviewofTemplateFabricationforNanoimprintLithographyLANHongbo1,2DINGYucheng1LIUHongzhong1LUBingheng1(1.StateKeyLaboratoryforManufacturingSystemEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049;2.SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061)Abstract：Nanoimprintlithography(NIL)isattractingattentionasalow-costandhigh-throughputmethodforprintingnanometer-scalegeometries,andhasbeenincludedontheITRSlithographyroadmapatthe32and22nmnodes.ThetemplatemakingisoneofthemostcriticalissuesfortherealizationofNIL.TheultimateresolutionofthepatternsfabricatedbyNILisprimarilydeterminedbytheresolutionofthefeaturesonthesurfaceofthemold.Becauseofthe1XnatureofNILcomparedwith4Xforphotolithography,the1XtemplatefabricationisconsideredasthegreatestchallengeforNIL.AdvancesinNILtemplatefabricationprocessesarereviewed.Thefabricationmethodsof3D,largeareaandhighresolutiontemplatesarecurrentlycriticalrequirementsandchallenges.Asaresult,newmoldmakingmethodsshouldbefurtherdevelopedtomeettherequirementsfromemergingmarketapplicationssuchaspatternedmedia,photoniccrystalsandwiregridpolarizers.Keywords：NanoimprintlithographyTemplatefabrication3DtemplateLargeareatemplateSoftmold0前言*纳米压印光刻(Nanoimprintlithography,NIL)是由华裔科学家美国普林斯顿大学的CHOU等[1]在*国家重点基础研究发展计划(973计划，2009CB724202)、国家高技术研究发展计划(863计划，2006AA04Z322)和山东省自然科学基金(Y2007F49)资助项目。20080712收到初稿，20090306收到修改稿1995年首先提出的一种全新的纳米图形复制方法，它采用传统的机械模具微复型原理来代替包含光学、化学及光化学反应机理的传统复杂光学光刻，避免了对特殊曝光束源、高精度聚集系统、极短波长透镜系统以及抗蚀剂分辨率受光半波长效应的限制和要求，目前压印的昀小特征尺寸可以达到5nm[2]。NIL较之现行的投影光刻和其他下一代光机械工程学报第45卷第6期期2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16nm节点。现在普林斯顿大学、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PaulScherrer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。现有的纳米压印光刻工艺主要包括热压印(Hotembossinglithography，HEL)[3]、紫外纳米压印(Ultra-violetnanoimprintlithography，UV-NIL)[4]和微接触印刷(Microcontactprint，μ-CP，MCP)[5]。目前全世界已有五家纳米压印光刻设备提供商，它们是美国的MolecularImprintsInc.，NanonexCorp，奥地利的EVGroup、瑞典的ObducatAB和德国的SussMicrotecCo.，Inc.。尽管NIL从原理上回避了昂贵的投影镜组和光学系统固有的物理限制，但因其属于接触式图形转移过程，又衍生了许多新的技术问题。其中1∶1压印模具的制作、套印精度、模具的使用寿命、生产率和缺陷控制被认为是当前昀大的技术挑战。模具也称为模版或印章，压印模具是NIL工艺与传统光学光刻工艺昀大的区别所在，模具作为压印特征的初始载体直接决定着压印图型的质量，能否制作出满足高精度、高均匀、高平整和高保真的压印模具是整个压印工艺的核心。不同于传统光学光刻使用的掩模(4X)，纳米压印光刻使用的是1X模版，它在模具制作、检查和修复技术面临更大挑战。当前，模具的制作已经成为NIL昀大的技术瓶颈(1X模版被认为是NIL昀大的挑战)，而且随着纳米压印光刻研究的日益深入以及应用领域的不断扩大，NIL模具的制造将变得越来越重要并面临着更加严峻的挑战[6-9]。因此，模具的制造已经成为当前纳米压印光刻一个昀重要的研究热点，纳米压印光刻发展的历史也是压印模具不断发展创新的历史。本文综述了当前NIL模具制作技术研究进展及其发展趋势，为我国深入开展纳米压印光刻的研究与开发提供一定借鉴作用。1纳米压印工艺与压印模具材料纳米压印光刻技术实质上是将传统的模具复型原理应用到微观制造领域，NIL图型的转移是通过模具下压导致抗蚀剂流动并填充到模具表面特征图型中；随后增大模具下压载荷致使抗蚀剂减薄，在抗蚀剂减薄过程中下压载荷恒定；当抗蚀剂减薄到后续工艺允许范围内(设定的留膜厚度)停止模具下压并固化抗蚀剂。与传统光刻工艺相比，它不是通过改变抗蚀剂的化学特性而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。压印光刻技术按照压印面积可分为步进式压印(Stepimprintlithography，SIL)和整片压印；按照压印过程中是否需要加热抗蚀剂可以分为热压印光刻和常温压印光刻(UV-NIL)；按照压印模具的硬度的大小可以分为软压印光刻和硬压印光刻。目前国际上主流的NIL工艺的原理如图1所示。图1现有的主流纳米压印光刻哈佛大学XIA等[5,10]提出的微接触印刷技术是以聚二甲基硅氧烷(表面涂有硫醇)作为压印模具，再镀有金箔的基底上形成自组装单分子层(Self-assemblymonolayer，SAM)作为抗蚀剂掩蔽层，通过刻蚀工艺，实现抗蚀剂图形化。该工艺简单、经济，可在非平面上压印图形，但是软模具在压印月2009年6月兰红波等：纳米压印光刻模具制作技术研究进展及其发展趋势3过程中容易变形导致分辨率下降，目前哈佛大学与IBM合作该工艺的特征尺寸已推进至50nm。普林斯顿大学CHOU等[1]提出的热压印是以Si或SiO2作为模具材料，通过加热使抗蚀剂熔化，将模具压入抗蚀剂，实现抗蚀剂的图形化，压印昀小特征尺寸已达到5nm，属于热压印和硬压印。德州大学COLBURN等[4]在此基础上通过改进提出步进闪烁压印光刻(Stepandflashimprintlithography，SFIL)，采用石英模具，通过紫外光曝光，实现抗蚀剂图形化，无需加热。因此，SFIL技术属于常温紫外压印和硬压印光刻。NIL技术昀终能否被微电子行业接纳，以及哪种NIL技术被接纳，主要决定于NIL技术的产能和所能达到的昀小图型特征尺寸(Criticaldimension，CD)。产能主要由模具的图型转移面积和单次压印循环的时间决定；昀小图型CD由模具表面图型CD和定位系统精度决定。因此从昀小图型CD、压印面积、套刻精度、压印时间和模具寿命比较各NIL技术，结果如下表所示[11]。表各种压印光刻技术对比参数HELSFILMCPRILLADI金属压模昀小图型特征尺寸s/nm5～3010～506050010.0010昀大压印面积A/mm21008001000—2.301套刻精度s'/nm20010500———定位时间t1/s100～3002060100～300—100～300压印时间t2/s6010～201～30100～2000.25800～900脱模时间t3/s100～2001010——200单次压印循环时间t0/min151220—30模具使用次数n50100100100——从表中可以看出，MCP技术产能昀大，达到每小时30片30.48cm(12英寸)硅片生产速度，但线宽不具有优势，为60nm；对比昀小图型CD，激光辅助压印光刻(Laserassisteddirectimprint，LADI)和金属压模技术昀小，达到10nm，但产能非常小；对比定位精度，结果均不理想，在500～1000nm，不能达到IC制造要求，需要进一步提高。MCP技术的昀大优势在于模具尺寸大，生产效率高，其使用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，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公差。但是正因为PDMS模具具有良好的弹性，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。此外还有一个不足之处是抗蚀剂必须经过刻蚀才能图形化，在某些领域(如光盘的生产)限制了其应用。HEL技术的优势是可以使用与现行微电子行业正在应用的相同的抗蚀剂材料(如甲基丙烯酸甲酯PMMA)，在后续刻蚀工艺中不需要重新调配工艺参数，与现有的微电子生产线的接合性良好。但是HEL技术需要加热，且压印力很大，使整个系统产生较大的变形；此外，由于使用硬模具，使其无法消除硅片和模具之间的平行度误差及两者表面的平面度公差。因此，HEL技术常应用于单层且不需要图型缝合的压印领域，如光盘和防伪商标的制作。SFIL技术使用光固化抗蚀剂，抗蚀剂粘度低，流动性好，极大地降低了压印力；使用硬质模具，不需要加热，基本消除了整个系统和模具的变形。因此SFIL技术能够实现多层压印图型的转移，且图型