CN100517064C - 大面积微压印专用超平整度软模具的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积微压印专用超平整度软模具的制作方法，该方法采用光刻和其配套的刻蚀工艺在石英基板的表面上制作多层套印所需的金属对准标记和微结构图型，其中金属的套印对准标记与待转移的模具胶层表面微结构图型不处于同一平面；本发明制备的大面积微压印专用超平整度软模具包括石英基板、石英基板表面的金属套刻对准标记、石英基板表面的助粘剂、超平整度的模具工作胶层、模具工作胶层表面的微结构图型。用于进行分区步进式的UV固化压印光刻，并可利用石英基板上高明暗对比度的对准标记来实现多层套印，制作出复杂结构的各种微纳米器件。

Description

大面积微压印专用超平整度软模具的制作方法

技术领域

本发明属于微电子、微机械制造技术领域，具体涉及一种在常温下大面积微压印光刻专用超平整度软模具的制作方法，该方法制备的软模具可用于各种微纳米器件中的微纳米级图型(pattern)结构或构件的大规模压印复制，这些器件包括集成电路、光通讯中的光波导、有机半导体太阳能电池异质结处深亚微米界面、微流控器件、微传感器、微致动器件等。并适合于多层套印。

背景技术

在上述各类微纳米器件的制作工艺链中，光刻工艺是其中的核心技术。传统光学投影光刻因其固有的衍射现象，应用于深亚微米或以下尺寸结构遇到了极大的技术难题，并且相关工艺设备极其昂贵。

微压印光刻工艺是近年来提出的一种对于微纳米级图型结构或构件制作的先进工艺技术。根据国际上已公开的文献，微压印的图型复制能力最小可以达到6nm，工艺简单，且成本极其低廉，因此受到工业界的重视。一般认为：微压印光刻作为一种高效率、低成本的微纳结构制造技术，有可能在某些工业应用中成为下一代光学投影光刻工艺技术的补充或部分替代，可以大大降低各种微纳器件制造的成本。

压印工艺作为一种高效率的复制过程，是微压印光刻技术中的核心上艺。目前公开报道的压印工艺主要有热压印和常温压印两种。热压印因存在各工艺要素的热变形，不适合纳米结构的精确复制，且无法实现复杂器件的多层套印，只能对单层结构图型进行复制。常温压印基于紫外光(UV)诱发阻蚀胶固化(简称UV固化)的原理，因此也被称为UV压印。由于UV压印在常温状态进行，因此不存在工艺要素的热变形，是实现深亚微米或纳米结构多层套印的最有效方式。

正如掩膜是常规光学光刻中的关键工艺要素一样，压印模具也是UV压印工艺中的关键工艺要素。为了达到高效率、高精度、高分辨率(即最小特征尺寸)，UV压印工艺中的专用模具必须满足以下技术要求：①模具整体相对UV光具有高透过率，以降低UV光能的热转换，并提高投射于阻蚀胶表面的有效光能；②模具具有超平整度，以提高复制过程的精度；③模具工作表面与固化后阻蚀胶表面具有极小的粘附性，便于脱膜(模具脱离)；④模具具有适当的柔性，以适应模具与基片间的不平行度和基片本身的表面不平整度，从而可以提高模具的工作面积(即提高复制效率)。目前已有文献和专利公开的UV压印专用模具类型主要包括以下两种(或称其变种)：

(1)纯石英模具，即直接在石英板表面生成微纳米结构的图型；为了避免压印脱模过程中可能出现的阻蚀胶与模具粘附，在模具凹槽结构中涂敷一层脱模剂分子层以利于脱模；实际压印过程中，这种模具的不足之处在于脱模剂分子层很容易从石英上脱落，从而降低模具的使用寿命；另外，该纯石英模具为硬质材料，不具有柔性，难以适应基片(如硅片)表面的不平度(如硅片表面存在微米级的翘曲或波纹度)，使得许可的压印面积受到限制，降低生产效率；

(2)石英基板的薄胶层模具，即利用常规薄膜工艺在石英基板上附着数十微米厚的胶层，再通过光学光刻等方式在该胶层上(而非在石英上)形成微纳米结构的图型；由于常规薄膜工艺无法制作厚度较大(如毫米级)且足够平整的胶层。这种模具不能提供大面积复制所需要的足够柔性。

上述已有的各种UV压印专用模具制作方法，无法保证其工作表面的超平整度。在这类模具中，多层套印所需的对准标记和微结构图型直接刻入石英工作表面内或薄胶层工作表面内，即对准标记和有效微结构图型(有效工作区域)处于同一表面。因此，这类模具在压印过程中，其上面的对准标记易于被阻蚀胶所覆盖，影响对准测量的精度。此外，由于对准标记与模具工作表面为同种材料，很难达到对准测量所需的明暗对比度。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，为了提高UV压印专用模具的使用范围、增大压印面积，本发明的目的在于，提供一种大面积微压印专用超平整度软模具的制作方法。

为了实现上述目的，本发明采取以下的技术解决方案：

一种大面积微压印专用超平整度软模具的制备方法，该方法采用光刻和其配套的刻蚀工艺在石英基板的表面上制作多层套印所需的金属对准标记和微结构图型，其特征在于，具体包括下列步骤：

1)对切割成型的石英基板进行双面研磨，使其表面达到规定的平整度和光洁度；然后通过电镀或其它金属薄膜工艺将高反射率的金属附着在石英基板表面，形成金属薄膜；

2)将光刻胶涂铺在石英基板的金属薄膜表面上，待其自然流平后再经室温或加热固化，采用传统光学光刻或电子束直写光刻方式将掩模版上的套刻标记图型曝光转移到光刻胶上，然后用显影液对该光刻胶进行清洗，除掉未被曝光的空间区域材料，已曝光的光刻胶部分保留下来作为掩蔽层，通过干法或湿法刻蚀在石英基板上形成套印对准所需的金属图型，并经过后处理得到套刻对准标记；

3)将含对准标记的石英基板置入盛有水银的盛槽中，使之悬浮于水银之上，在石英基板表面有效工作区域上，喷涂助粘剂薄层，然后在盛槽中注入电子光刻胶或其它透明硅胶和固化剂的混合液体(混合比例10∶1)作为模具工作胶层材料，在真空环境中使液态的模具胶层材料自然流平和固化，形成超平整度的模具工作胶层；

4)以石英基板上的对准标记为基准，采用电子光刻胶和电子束直写光刻曝光系统，结合配套的显影和刻蚀工艺，最终在模具工作胶层表面生成用于压印转移的微纳米结构图型。

本发明的方法制备的模具既可以达到毫米级的模具胶层厚度(从而达到适度的柔性和大工作面积)，又可以保证模具胶层工作表面的超平整度(从而保证极高的复制精度)，且可以方便地制作各种金属对准标记，从而实现多层套印。

附图说明

图1～图3为超平整度软模具的制作工艺流程图。其中：

图1a为经精密研磨的石英基板，图1b为在石英基板上通过电镀或其他金属薄膜工艺附着的不透明金属层，图1c为在金属层上利用旋转离心方式涂铺的光刻胶层，图1d为经过常规光刻显影后将套印对准标记图型转移到光刻胶上、图1e为经过湿法或干法刻蚀后将光刻胶上的图型转移到金属层上，形成金属套印对准标记；

图2a为在石英基板中心区域涂敷铺助粘剂薄层，图2b为将含有套刻对准标记及涂敷铺助粘剂薄层的石英基板放入已注入水银的盛槽中，石英基板静止后其在水银上的漂浮受到四侧尖顶杆的限制，图2c表示混合有固化剂的模具胶层材料液体被注入盛槽中并在常温和真空环境中自然流平和固化，再经后处理获得超平整度模具胶层并暴露出石英基板上的套印对准金属标记；

图3a表示利用离心涂铺法在模具胶层上涂铺电子光刻胶，并通过电子束直写光刻曝光在电子光刻胶上形成微纳图型；图3b表示经过显影和干法刻蚀后获得的模具工作胶层表面微纳米结构；图3c为完整模具的俯视示意图。

图中的标号分别表示：1为精密研磨后的石英基板，2为在石英基板上制作出的套印金属对准标记，3为涂铺在石英基板上的助粘剂，4为超平整度的模具工作胶层，5为涂铺在模具工作胶层上的电子光刻胶，6为电子束曝光和显影后的光刻胶，7为水银槽中的石英限位尖顶杆，8为水银悬浮槽，9为金属层上涂铺的光刻胶，10为金属层上曝光显影后的光刻胶，11为在石英基板上的金属层，12为水银，13为模具工作胶层表面的微纳结构图型，14为模具的有效工作区域，其中含有若干组微结构图型。

以下结合附图和具体实施例对本发明的方法作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的方法制备的大面积微压印专用超平整度软模具，属于UV压印专用软模具。压印过程中UV光透过该模具来照射UV光敏型阻蚀胶使其固化，所以模具必须采用UV高透过率的材料来制备；多层套印过程中需要通过水平移动模具，将模具相对于上次压印已生成的图型进行对准，对准精度为纳米级，所以必须能在模具上方便地制作套印金属对准标记2；实现大面积压印时需要适应硅片的不平度影响，因此模具必须采用具备一定的柔性；模具为了达到足够柔性，其工作表面则必须为软质材料，且具有毫米级的厚度的模具工作胶层；模具工作胶层必须为超平整度平面，以保证压印复型的精度。

本发明采用UV透过率极高的石英基板作为其背衬；在石英基板1上制作出2～4组金属对准标记2，以便在套印过程中实现模具相对上次已复制图型或结构的对准；在石英基板1的中央有效压印区域14涂铺助粘剂3，用于粘附毫米级厚度且具备超平整度的模具工作胶层4；以石英基板1上的套印金属对准标记2为基准，在电子束直写机中将微结构图型13制作在模具的超平整度模具工作胶层4的表面上，此图型在UV压印过程中将被转移到阻蚀胶层。因此本发明方法制作的模具实际上由硬质的石英基板1、套印的金属对准标记2和软质的模具工作胶层4构成。模具工作胶层4为毫米级，可以提供足够的工作柔性，且模具的石英基板1的表面包含了必要的套印金属对准标记2。因套印金属对准标记2为高反射率的非透明金属，其在对准测量过程可以提供高度的明暗对比度，从而获得高分辨率的光学信号(如干涉条纹)。另一方面，由于套印金属对准标记2与有效压印区域14(含待转移的微结构图型)分两阶段进行光刻制作，因此套印金属对准标记2的图型与模具工作胶层表面的微纳结构图型13不在同一平面，可保证套印金属对准标记2在压印过程中不与阻蚀胶接触，从而避免了压印过程中的阻蚀胶污染。

上述微压印超平整度软模具的制作工艺包括以下几个阶段：

(1)软模具的石英基板1的制备及套印对准标记制作阶段：如附图1所示；首先采用精密切割和精密研磨制备出高光洁度和平整度的石英基板1，以保证UV的极高透过率；在石英基板1上以蒸镀或其它金属薄膜工艺生成高UV反射率且非透明的金属层(如：铬、金、镁、铪、锰等)，再在金属层上涂铺光刻胶5，采用光学或电子束光刻工艺(包括：曝光、显影、刻蚀)在金属层上制作出用于光学对准的套印金属标记2(如斜纹光栅付对准标记)；套印金属对准标记2的位置在石英基板1的边缘，且除套印金属对准标记2外，石英基板1的绝大部分面积为被刻蚀的裸露区域，以利用UV通过；在非对准标记区域内涂铺助粘剂3，其厚度控制在5～10μm，以备后阶段附着超平整度的模具工作胶层4；此阶段属本发明所公布方法的预备工艺；

(2)超平整度软模具工作胶层4的制备阶段，如附图2所示。将含有金属套印对准标记2的石英基板1放入盛有水银(液态汞)的盛槽内，使其保持悬浮状态。待石英基板1静止不动后，调节四侧的尖顶杆以限制石英基板1的自由漂移；将按比例混合有固化剂的液态模具胶层材料(如：透明电子光刻胶或其它硅胶等透明高分子材料)注入盛槽中。由于水银的比重最大、石英比重次之、模具材料比重最小，三者之间不发生任何物理或化学反应或混合，因此在最顶部形成有机质且透明的模具胶层；模具胶层的厚度可根据需要选为0.5～2.0mm之间，并可通过控制注入胶层材料的体积来设定。将盛槽置入真空室，使模具胶层充分与粘附剂3接触，并消除模具胶层中的微观气泡，保证模具胶层的UV高透过率；在常温和真空环境中，模具胶层自然流平并固化，形成具有表面超平整度的模具工作胶层4(其表面平整度为绝对水平，而光洁度将达到分子尺度级)；

(3)模具胶层表面微纳结构图型13的制作阶段，如附图3所示。将附有模具工作胶层4的石英体取出盛槽，并将助粘剂3区域以外的胶层材料修剪去除，暴露出石英基板1上的套印金属对准标记2；在模具工作胶层4的表面涂铺电子光刻阻蚀胶，以石英上已生成的套印金属对准标记2为定位基准，采用电子束直写光刻工艺及刻蚀工艺(如：RIE干法刻蚀)，在模具胶层的表面制作出微纳结构图形13。

本发明的超平整度软模具工作胶层4的制备采用的是悬浮式方法，由水银作为支撑液体，可保证模具胶层在自然流平和固化后达到绝对的水平和平整。由于水银相对任何有机材料(如液态和固态模具胶层)和石英材料几乎不具备任何粘附性，因此不会对石英基板和模具工作胶层产生任何污染或物理化学改性，从而可以保证整个模具的纯洁性。

本发明制备的大面积微压印专用超平整度软模具，其在微压印光刻技术中的应用方式为：整个压印过程为软模具微复型过程，即将含微结构图型13的模具压在硅片或其它基片的阻蚀胶上，UV光透过模具的石英基板1和超平整度软模具工作胶层4上的微结构图型13固化和定型在该阻蚀胶表面，后续以刻蚀等工艺形成完整的微压印光刻工艺路线。模具胶层在压印过程中不仅能起到脱模作用，同时能够适应硅片或其它基片表面的翘曲变形，所以允许较大的模具工作面积，以提高压印生产效率；另外，由于模具工作胶层厚度(毫米级)远远大于金属套印对准标记2的厚度(亚微米级)，即金属对准标记2的图型与微结构图型13不在同一平面；所以，压印过程中不会出现阻蚀胶污染损坏套印对准标记的可能，也不会出现由于阻蚀胶膜的变化而影响对准精度。完成某一层图型转移后，为进行后续层的套印，可利用石英基板1上的金属套印对准标记2与硅片(或其他基片)表面的已有对准标记进行精确对准，可实现多层微纳结构图型的套印，制作复杂的微纳米器件。

制作这种大面积微压印专用超平整度软模具的主要工艺特点为：预先在石英基板上制备套印对准标记、采用大比重的水银支撑石英基板、将混有固化剂的模具胶层材料在水银和石英基板上自然流平和固化、模具工作胶层4上的微结构图型13的制作以石英基板上的金属对准标记为基准并采用电子束直写光刻工艺完成。与已公开的压印UV模具制作方法相比，模具工作胶层更厚、有效工作面积更大、工艺简单、具有超平整度表面、并配备套刻对准标记，可用于多层、精确、大面积的压印。

以下是发明人给出的一个具体的实施例，其制作方法其详细步骤如下：

(1)高平整度石英基板制备。

用常规石英切割机将石英块料切割为方形石英基板(厚度为3～8mm)，用常规的精密研磨机对该石英基板进行双面研磨，使其达到适当的平整度和光洁度；

(2)石英基板上附着金属薄膜。

通过常规的电镀或其它金属薄膜工艺将高反射率的金属(如铬、金、镁、铪、锰等)附着在石英基板1的表面，其金属层厚度小于1μm；

(3)石英基板上制作套刻对准标记。

用常规均胶机将负型光刻胶(如市售的负型PMMA类电子光刻胶)涂铺在石英基板表面，待其自然流平后再经室温或加热固化，采用传统光学光刻或电子束直写光刻方式将掩模版上的套刻标记图型(用传统集成电路掩模版制备工艺制作)曝光转移到光刻胶上，用市售的适当显影液对该光刻胶进行清洗，除掉未被曝光的空间区域材料，已曝光的光刻胶部分保留下来作为掩蔽层，通过干法或湿法刻蚀在石英基板上形成套印对准所需的金属图型，并经过适当的后处理(如离子轰击清洗等)；

(4)石英基板绝对水平悬浮。

将石英基板置入装有水银的盛槽中，待其悬浮静止后，调节槽侧壁上尖顶杆限制石英基板的水平漂移。四侧的尖顶杆与石英侧壁间留有微小间隙，使得石英基板始终保持绝对水平状态；

(5)助粘剂涂铺。

在石英基板表面有效工作区域上，通过喷涂等方式附着助粘剂(玻璃胶类)薄层(其厚度控制在微米级)，待其自然流平；

(6)超平整度模具胶层制备。

将市售电子光刻胶或其它透明类硅胶与对应的固化剂按适当比例混合(混合比例10∶1)，注入悬浮有石英基板的水银盛槽内，并置入真空环境中，使得液态模具胶材料与助粘剂充分接触，并消除内部微气泡。待液态模具胶层材料自然流平并室温固化，形成超平整度的模具胶层。模具胶层的厚度可选范围为0.5～2.0mm，并通过注入适当体积的液态模具胶材料来控制；

(7)模具胶层表面微结构图型制作。

用市售的均胶机将适当的负型电子光刻胶(如市售的正型PMMA类电子光刻胶)涂铺在厚胶层表面，待其自然流平后再经室温或加热固化；在电子束直写光刻系统中，以石英基板表面上的对准标记为基准，进行曝光、显影、刻蚀工艺，最终在模具胶层表面生成微纳结构图型(用于压印转移的图型)。

至此，一个大面积微压印专用超平整度软模具被制作完成。此UV软模具被装配到压印光刻机上，可进行分区步进式的UV固化压印光刻，并可利用石英基板上高明暗对比度的对准标记来实现多层套印，制作出复杂结构的各种微纳米器件。

Claims (7)

1.一种大面积微压印专用超平整度软模具的制备方法，该方法采用光刻和其配套的刻蚀工艺在石英基板的表面上制作多层套印所需的金属对准标记和微结构图型，其特征在于，具体包括下列步骤：

1)对切割成型的石英基板进行双面研磨，使其表面达到规定的平整度和光洁度；然后通过电镀或其它金属薄膜工艺将高反射率的金属附着在石英基板表面，形成金属薄膜；

2)将光刻胶涂铺在石英基板的金属薄膜表面上，待其自然流平后再经室温或加热固化，采用传统光学光刻或电子束直写光刻方式将掩模版上的套刻标记图型曝光转移到光刻胶上，然后用显影液对该光刻胶进行清洗，除掉未被曝光的空间区域材料，已曝光的光刻胶部分保留下来作为掩蔽层，通过干法或湿法刻蚀在石英基板上形成套印对准所需的金属图型，并经过后处理得到套刻对准标记；

3)将含对准标记的石英基板置入盛有水银的盛槽中，使之悬浮于水银之上，在石英基板表面的中央有效压印区域通过喷涂助粘剂薄层，然后在盛槽中注入电子光刻胶或其它透明硅胶和固化剂的混合液体，其混合比例10∶1，作为模具工作胶层材料，在真空环境中使液态的模具胶层材料自然流平和固化，形成超平整度的模具工作胶层；

4)以石英基板上的对准标记为基准，采用电子光刻胶和电子束直写光刻曝光系统，结合配套的显影和刻蚀工艺，最终在模具工作胶层表面生成用于压印转移的微纳米结构图型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的石英基板平整度预处理步骤中的金属薄膜的金属层厚度小于1μm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的超平整度的模具工作胶层的厚度为0.5～2.0mm之间。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的助粘剂薄层的厚度为微米级。

5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述的助粘剂薄层为玻璃胶。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的金属的套印对准标记与模具胶层表面的微结构图型不处于同一平面。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的金属对准标记位于石英基板的边缘。

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