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苏州维旺科技有限公司具有世界领先的R2R(卷对卷)纳米压印生产系统。 苏州维旺同时拥有一支来自世界各地的硕士和博士研究生组成的高效研发中心, 这是一个专门为开发高精度激光光刻技术、微纳米密封压技术以及亚波长光学技术的研发团队, 由研发中心帮助公司制定具有其特点的新技术。

纳米压印光刻技术及其发展现状

2017-05-13

纳米压印光刻技术及其发展现状 
 李洪珠 
(中国电子科技集团公司第45研究所上海微高精密机械工程有限公司) 

1 引言 
由于经济原因促使半导体业朝着不断缩小特征尺寸方向发展,随之而来的技术进步导致了设备的成本以指数增长。由于成本的增长,人们对纳米压印光刻这一低成本图形转移技术的关注越来越多。通过避免使用昂贵的光源和投影光学系统,纳米压印光刻比传统光刻方法大大降低了成本。 
纳米压印光刻技术的研究始于普林斯顿大学纳米结构实验室Stephen Y.Chou教授,将一具有纳米图案的模版以机械力(高温、高压)在涂有高分子材料的硅基板上等比例压印复制纳米图案,其加工分辨力只与模版图案的尺寸有关,而不受光学光刻的最短曝光波长的物理限制,目前NIL技术已经可以制作线宽在5nm以下的图案[1]。由于省去了光学光刻掩模版和使用光学成像设备的成本。因此NIL技术具有低成本、高产出的经济优势。此外,NIL技术可应用的范围相当广泛,涵盖纳米电子元件、生物或化学的硅片实验室、微流道装置(微混合器、微反应器),超高存储密度磁盘、微光学元件等领域。 

2 纳米压印技术的基本原理和工艺 
近十年间,各种创新的NIL工艺的研究陆续开展,其实验结果越来越令人满意,目前大概可以归纳出四种代表技术:热压印光刻技术、紫外硬化压印光刻技术、软压印、激光辅助直接光刻技术。 
2.1 热压印(HE-NIL) 
热压印的工艺如图1所示,包含下列步骤:

①首先,利用电子束直写技术(EBDW)制作一片具有纳米图案的Si或SiO2模版,并且准备一片均匀涂布热塑性高分子光刻胶(通常以PMMA为主要材料)的硅基板。 
②将硅基板上的光刻胶加热到玻璃转换温度(Glass Transfer Temperature)以上,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。
③待光刻胶冷却固化成形之后,释放压力并且将模版脱离硅基板。 
④最后对硅基板进行反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching)去除残留的光刻胶,即可以复制出与模版等比例的纳米图案。

2.2 紫外硬化压印光刻技术(UV-NIL) 
使用热压印光刻技术的热塑性高分子光刻胶必须经过高温、高压、冷却的相变化过程,在脱模之后压印的图案经常会产生变形现象,因此使用热压印技术不易进行多次或三维结构的压印,为了解决此问题,有人开始研发一些可以在室温、低压下使用的压印光刻技术。
M.Bender和M.Otto提出一种在室温、低压环境下利用紫外光硬化高分子的压印光刻技术[4、5],如图2所示,其前处理与热压印类似,首先都必须准备一个具有纳米图案的模版,而UV-NIL的模版材料必须使用可以让紫外线穿透的石英,并且在硅基板涂布一层低黏度、对UV感光的液态高分子光刻胶,在模版和基板对准完成后,将模版压入光刻胶层并且照射紫外光使光刻胶发生聚合反应硬化成形,然后脱模、进行刻蚀基板上残留的光刻胶便完成整个UV-NIL。 
最近紫外压印一个新的发展是提出了步进-闪光压印。步进-闪光压印发明于Austin的Texas大学,它可以达到10nm的分辨率。先将低粘度的单体溶液滴在压印的衬底上,用很低的压力将模版压倒圆片上, 使液态分散开并填充模版中的空腔。紫外光透过模版背面辐照单体,固化成型后,移去模版。最后刻蚀残留层和进行图案转移,得到高纵横比的结构。

很明显,紫外压印相对于热压印来说,不需要高温、高压的条件,它可以廉价的在纳米尺度得到高分辨率的图形,它的工艺可用于发展纳米器件,其中的步进-闪光压印不但导致工艺和工具成本的明显下降,而且在其他方面也和光学光刻一样好或更好,这些其他方面包括工具寿命、模具寿命(不用掩模版)、模具成本、工艺良率、产量和尺寸重现精度。但其缺点是需要在洁净间环境下进行操作。

2.3 微接触压印光刻(Microcontact-NIL) 
微接触压印光刻技术要先通过光学或电子束光刻得到模版。模具材料的化学前体在模版中固化,聚合成型后从模版中脱离,便得到了进行微接触印刷所要求的模具。常常要得到的模具是PDMS,接着,PDMS模具浸在含有硫醇的试剂中,然后将浸过试剂的模具压到镀金衬底上,衬底可以为玻璃、硅、聚合物等多种形式。另外,在衬底上可以先镀上一薄层钛层然后再镀金,以增加粘连。硫醇与金发生反应,形成自组装单分子层SAM。印刷后有两种工艺对其处理。一种是采用湿法刻蚀,如在氢化物溶液中,氢化物的离子促使未被SAM层覆盖的金溶解,而由于SAM能有效地阻挡氢化物的离子,被SAM覆盖的金被保留,从而将单分子层的图案转移到金上。还可以进一步以金为掩模,对未被金覆盖的地方进行刻蚀,再次实现图案转移,另一种是在金膜上通过自组装单层的硫醇分子来链接某些有机分子,实现自组装,如可以用此方法加工生物传感器的表面,如图3所示。 

微接触印刷不但具有快速、廉价的优点,而且它还不需要洁净间的苛刻条件,甚至不需要绝对平整的表面,微接触印刷还适合多种不同表面,具有作用方法灵活多变的特点,该方面缺点是在亚微米尺度,印刷时硫醇分子的扩散将影响对比度,并使印出的图形变宽。通过优化浸液方式、浸液时间,尤其是控制好模具上试剂量及分布,可以使扩散效应下降。

3 纳米压印光刻技术的现状 
目前,大量的研究机构开展了该技术的研究工作,惠普的研究人员Stan Williams用纳米压印光刻技术做出了线宽45nm的实验存储芯片,Stan Williams是惠普实验室的量子科学研究方向的高级研究主任,他说:"我们正在使用纳米压印光刻技术来稳定制作可用的、线宽为30nm的集成电路"。 
像惠普这样的研究所和大学正使用压印光刻技术制造大量的分子尺度器件,像他们在论文里所报道的试验结果所说的那样,纳米压印这一最有希望的制造方法逐渐成为主流工业技术,它不仅可以制造出极微小的图形而且大大简化了许多生产过程,其成本极低,也许是光学光刻的十分之一,但是首先要发展生产准备工具和制造基础设施,并且潜在的客户也要相信压印光刻技术比其他技术具有技术和经济优势,虽然惠普的原型芯片离他们的方法产业化还很远,Williams深信纳米压印光刻技术有可能给半导体业带来革命,"我们认为这是一个很有意义的技术,这是最有希望能在纳米领域制造的技术,"他说"现在没有其他技术能做出我们的电路。" 

惠普不是唯一的纳米压印的热衷者,其他五大公司--EV Group,Molecular Imprints,Nanonex如表1。Obducat以及Suss MicroTec都在致力于这项技术,他们出售压印光刻设备、还是许多其他致力于这项技术的其他方面的公司,包括模版、聚合物材料以及检测工具制造公司,虽然压印设备工业刚兴起不久,没有数据表明这个市场有多大,Molecular Imprints和Nanonex都声称已经售出大约十几台设备,其价格在十万到百万美元间。 

各公司在初期阶段也在创造良好的大环境,EV最近成立了一个行业协会,通过授予NILcom来支持十几家公司、大学和研究所压印技术的商业化。Helge Luesebrink,EV的先进光刻商业部主任,估计到2004年底在世界范围内大约有160台压印设备,主要在大学和研究所,而他们公司占据这些设备市场份额的四分之一左右,如图4。Molecular Imprints也称它的研发伙伴包括了著名的Motorola,KLA-Tencor,Lam Research,Photronics以及Carl Zeiss。2004年Molecular Imprints增加了一千二百万美元的风险投资,NIST(National Institute of standards and Technology)资助了3680万美元以证明使用纳米压印用于65nm及以下工艺的可能性。 
虽然离压印技术的商业化生产还有至少几年的距离,工业人员希望此项技术可以很快地用于其他市场,Molecular Imprints的CEO Norm Schumaker认为这项技术除了硅片外还是许多市场和应用,他曾任Bell实验室的研究员并帮助成立了两家半导体设备公司。
在数码相机市场,可以使用压印技术来制作高质量的图像传感器微镜头,压印设备可以制作滤波器和光子带隙结构使电视和发光二极管更加明亮。使用压印技术目前是做这些器件最经济的方法,磁盘驱动器制造商正注视着压印技术制作图案媒体,小磁点可以替代今天磁记录材料的一致层,磁盘制造商Komag最近从EV得到压印技术许可,并希望扩大存储能力高于每磁盘160Gb,而EV的Luesebrink相信到2007年存储业就会使用压印开始大量的生产。
生物行业是另一个潜在的市场,Schumaker说大学正在使用压印光刻技术来制作一种图形表面,其上的细胞不能生长或沿特定方向生长,Waseda大学和一家日本的医疗器械公司正在研究一个细胞排列装置,使用了压印器件来快速分析液体并确定特殊的目标细胞。
压印光刻技术生存能力最好的证明是Nanonex,新泽西州一家有四年历史的私营公司,他们已经将这项技术商业化生产。Nanonex是由Princeton大学Stephen Chou教授建立,最近开始使用自己的压印设备生产各种光学器件包括DVD、CD中改善光信号的波盘,Nanonex的CEO Barry Weinbaum没有透露谁购买了这些产品,但声称正在运送这些产品到客户手中。
尽管取得了这些进步,使用昂贵光学光刻的半导体业似乎不愿意接受这个革命性变化的技术,而且投资不断增加难度的向下延伸的光学光刻,光刻设备的市场领导者ASML,Nikon和Canon都没有表示过对压印技术的兴趣,但有些人认为事实不一定如此,正如EV的Luesebrink所说:"我确信光学光刻公司都在进行这项技术工作。" 
压印光刻在半导体制造业中依然存在争论,可以理解他们对不成熟技术保持的谨慎。"没有比半导体制造厂的经理更保守的了,"Molecular Imprints 的Schumaker说,"他不敢拿三百万美元的设施来做堵住。" 
Freescale半导体先进光刻技术研究部经理Bernie Roman认为用压印光刻技术制作高密度芯片存在很大挑战,他补充说:"我们认为这不是最好的解决方法。"VLSI的研究分析人员Risto Puhakka在被问及还要多久压印光刻可以用于半导体业生产时,他回答说:"离那一天还很遥远,也许根本就不会实现。" 

为什么无法实现?Puhakka称最根本的原因是压印工具和被制造材料需要接触,"有东西要接触硅片,这在半导体业中是禁忌",接触压印在30年前普遍使用,但逐步被效果更好的光学光刻方法所淘汰。
其他的原因包括获得高质量模版的难度以及需要其他工具实现电路各层之间的对准,当然模版是最有挑战的一项。"没有人开始真正地进行模版的商业化生产,"HP的Williams说,而他们的模版是由Lawrence Berkeley实验室制造的。这是一个"鸡生蛋、蛋生鸡"的问题,他说,模版的稀缺导致技术发展的缓慢,而模版制造商在市场变大以前不愿意进行扩大投资。
Toppan Photomasks的首席技术专家Franklin Kalk称他们公司制造有限的压印光刻模版,但是检查其缺陷的过程十分困难,"我们不想再花费上百万美元来购买电子束检查工具,现在那样做还太早" 看来,压印光刻技术离真正的工业化还有很长的路要走。