CN101135842A - 一种复制纳米压印模板的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米压印技术领域，具体为一种复制纳米压印模板的方法。其步骤包括：在衬底上旋涂并前烘双层胶，衬底是硅、二氧化硅或者玻璃等，上层为SU8胶，下层为LOR胶，经过压印或者是压印结合曝光处理，原始模板上的图形转移到SU8上，接着SU8作为掩模选择性的去除下层的胶。再经过淀积金属并进行剥离后，衬底上就有了一层有图形的金属层。以此金属层为掩模对衬底进行反应离子深刻蚀，然后去除残余的金属，即得到复制的模板。本发明方法廉价、便捷，易于推广使用。

Description

一种复制纳米压印模板的方法

技术领域

本发明属于纳米压印技术领域，具体涉及一种复制纳米压印模板的方法。

背景技术

1995年Stephen.Y.chou发明了纳米压印技术，纳米压印就是用带有图形的硬模板压软的胶，从而可以将硬模板上的图形转移到胶上。由于纳米压印不受衍射的影响，因此与其他的光刻技术，如电子束光刻、X射线光刻、极远紫外线光刻相比，纳米压印是一种高产量、廉价的光刻技术，而且分辨率可达到5nm以下。国际半导体技术发展路线图已将其定为32纳米技术结点以下的有可能得到应用的光刻技术。经过十几年的发展，纳米压印技术已广泛应用于光学(如金属线栅起偏器)、生物、，微机电系统(MEMS)，以及微电子等领域。

模板制造是纳米压印中最为重要的一个部分。模板一般用电子束光刻来制作，但是电子束光刻是一种耗时且昂贵的光刻技术，不适合大批量制造。而且模板在使用过程中容易损坏，这极大的限制了纳米压印的应用和发展。因此在纳米压印中模板复制是十分重要的。目前报道的纳米压印模板复制方法有直接使用单层胶压印的，也有使用诸如PMMA/LOR等双层胶压印。使用单层胶压印不能形成横向刻蚀，不利于后续的liftoff工艺。对于PMMA/LOR双层胶，由于PMMA的玻璃化温度较高，压印温度也必须提高，这会加剧热膨胀引起的图形失真。

发明内容

本发明的目的在于提出一种廉价又快速的复制纳米压印模板的方法。

本发明提出的复制纳米印模板的方法，是采用基于SU8的纳米压印技术本身去制备纳米压印模板。最初的原始模板可以用成本高昂且工艺耗时的电子束光刻、或者其他方法如双光子干涉等来制作，有了原始模板后就可以使用本方法去复制子模板。本发明使用了两层结构的压印方法。其特点是上层胶采用SU8胶。SU8胶由IBM的Armonk在1989年发明，这种胶具有较高的透明度且在紫外固化后有较高的化学稳定性以及机械强度。已广泛应用于光学，生物及MEMS领域。由于其玻璃化温度较低，如SU8 2000只有50℃，新型的SU8 4000的玻璃化温度只有10℃。而且在一定温度下具有较低的粘滞系数。下层使用的是一种可水溶性的剥离胶，如LOR(LOR为liftoffresist(剥离胶)的简称，具体产品可由MicroChem公司提供)，也可以使用其它对SU8具有一定刻蚀选择比的胶。上层SU8主要用作压印层以及下层胶的刻蚀阻挡层。而下层胶主要用作剥离(liftoff)层和压印的软着陆层。

本发明方法具体操作步骤如下：

(1)旋涂并前烘双层胶：

先在衬底上旋涂下层胶并进行前烘，如果下层胶为LOR胶，则前烘温度为120℃-220℃，时间为13-20分钟；之后旋涂并前烘上层胶，上层胶为SU8胶，前烘温度为85-95℃，时间为8-15分钟；双层胶厚度的选取取决于模板图形的尺寸以及后面需要淀积金属的厚度，一般而言，上层胶的厚度小于下层胶的厚度，这样有助于liftoff的顺利进行。上层SU8胶的厚度一般在100nm-200nm之间，而下层胶的厚度在150-350nm之间。衬底材料可以是硅，二氧化硅或者玻璃等。

(2)用原始模板进行纳米压印：

原始模板可用电子束光刻或其他高分辨率方法制备。为了使得脱模得以顺利进行，在压印前要先在原始模板上覆盖一层抗粘层，抗粘层可以选择十八烷基三氯硅烷(OTS)或三甲基一氯硅烷(TMCS)。接着在涂有双层胶的衬底上进行压印，压印可以采用普通压印，或者压印结合曝光(combined nanoimprint and photolithography，CNP)的方法。压印温度为80℃-150℃。

(3)去除残余的SU8胶：

对于普通压印可以使用氧气反应离子刻蚀(O₂ RIE)去刻除残余的SU8胶，对于CNP方法则只需要对SU8进行显影即可。

(4)利用SU8作为掩模对下层的胶进行选择性去除：

以水溶性胶LOR为例，LOR是一种liftoff胶，它可以缓慢地溶解于碱性溶液中。这里去除LOR使用的是CD26(商品名，shipley公司产品)溶液，这是一种碱性溶液，它能去除LOR但是对SU8没有任何影响，对LOR的显影(去除)可以形成一定的横向腐蚀，横向腐蚀的程度可以通过调整LOR的前烘温度，和CD26的溶度以及显影时间来控制。CD26的溶度可在40％-60％之间，显影时间可为30s-200s。此横向刻蚀非常有利于之后的liftoff的顺利进行。

(5)可使用常规的金属淀积工艺淀积，如使用物理气相淀积(PVD)或其他温度较低的方法淀积金属层：

这一金属层是刻蚀衬底的掩模层。金属层的厚度受LOR的高度影响，一般为40-110nm，且不超过LOR厚度的三分之一。不能太高否则可能会对剥离造成一定的困难。淀积完金属后，将样品放入1165 Remover(商品名，由CHESTECH公司提供)中进行剥离，LOR会迅速溶于1165 Remover中。因此其上的SU8层、金属层都会被去除，而直接淀积在衬底上的金属层被保留。这样便得到和原始模板一致的金属图形。这里金属层的材料可以是铬或其它金属。

(6)以金属层为掩模刻蚀衬底：

以金属层做为衬底的刻蚀阻挡层，选择性的对下层衬底进行反应离子刻蚀。去除残余的金属后，即得到由原始模板复制出来的子模板。

附图说明

图1描述的是使用普通压印时的模板复制的工艺流程：其中：

(a)：描述的是在衬底上旋涂了双层胶且经过压印后的剖面图。

(b)：是图a经过O₂的反应离子刻蚀后的剖面示意图。

(c)：是图b经过CD26显影的剖面图。

(d)：是图c经过淀积金属的剖面图。

(e)：是图d泡在1165 Remover中经过剥离后的剖面图。

(f)：是图e以铬为掩模经过反应离子深刻蚀且去除铬后最终得到的子模板剖面图。

图2描述的是使用CNP时的不同工艺步骤。其中：

(a)：描述的是在衬底上旋涂了双层胶且经过CNP模板压印曝光后的剖面图。

(b)：是图a经过SU8显影后的剖面图，残余的SU8都被显影去除。

图中标号：1为衬底，2为下层胶，3为上层胶，4为原始模板，5为金属层，6为复制的模板。

具体实施方式

下面结合附图对本方法进行进一步具体说明。

实施例1：以使用普通压印且原始模板为1um周期的光栅为例

图1描述的是使用普通压印时的模板复制的工艺流程

1、衬底可以是硅，二氧化硅，氮化硅，等等。首先用旋涂仪在衬底上旋涂LOR胶，根据所需的厚度，LOR可以选择不同的系列(可见Microchem公司的数据手册)，这里以LOR 3A为例，转速为2000rpm，厚度为350nm。旋涂完后在120℃下前烘15分钟以驱除有机溶剂，前烘的温度会影响后面横向腐蚀的大小。接着旋涂上层的SU8胶，这里用的是SU8 2000系列。SU8的重量浓度百分比约为8％，旋涂转速为5000rpm，厚度为200nm。旋涂完后对SU8进行90℃，10分钟的前烘。

2、使用原始模板进行压印，如图1(a)。原始模板可以是电子束光刻或其他高分辨率光刻技术制作的。压印前模板要覆盖一层抗粘层，抗粘层使用的是三甲基一氯硅烷(TMCS)。压印温度的选取有一个范围。希望在选择的温度下，上层的SU8胶较软而下层的LOR较硬，这样，较软的SU8就能被模板和下面较硬的LOR挤压出去，如果选择的温度太低，SU8的粘滞系数太高会对压印造成困难。如果温度太高，会造成底部的LOR太软而不能抵抗住压印时SU8传递而来的压力，因此不能将SU8有效的挤压出去。由于SU8的玻璃化温度为55℃，而LOR的玻璃化温度高达189℃，因此这个温度选择的窗口还是很大的。一般可为80-150℃，实施例中压印的温度选为110℃即可。

3、压印结束后，把样品置于反应离子刻蚀真空室内进行刻蚀。真空室的本底真空是5×10^-3pa。刻蚀的目的是去除残余的SU8胶，使得下层的LOR露出来。这里使用的是O₂反应离子刻蚀，如图1(b)所示。流量为18-22sccm，功率为35-45W，压强为2.5-3.5pa，时间取为25-40s，较长的刻蚀时间可以保证残余的SU8被彻底的去除，但是时间太长会造成图形的失真。

4、接着利用上层的SU8作为掩模对下层的LOR进行选择性的显影，显影液使用的是CD26，这是一种碱性溶液，CD26能够缓慢的溶解LOR而对上层的SU8不会造成任何影响。CD26的溶度取为60％，显影时间为200s。对LOR显影后会形成一定的横向腐蚀，如图1(c)所示，此横向腐蚀非常有利于后面liftoff工艺的成功实现。

5、样品从反应离子刻蚀腔中取出以后，利用离子束溅射一层金属铬，其厚度为50nm。一般而言，铬的厚度不宜超过LOR厚度的三分之一。采用其它能够具有对反应离子刻蚀有良好抗刻蚀能力的金属都可以。采用其他的方法，如磁控溅射、电子束蒸发等衬底不用加温或者加的温度不高的工艺都可以淀积Cr。淀积好的结构如图1(d)所示。

6、样品从真空室中取出后，将样品放入1165 Remover中进行超声振荡，LOR胶由于能迅速溶解于1165 Remover，因此其上的SU8层、Cr层都会被去除，而直接淀积在衬底上的Cr层被保留，这层铬的图形与原始模板上的图形一致，结构如图1(e)所示。

7、经过上步工艺后，以此图形铬为掩模，对衬底进行反应离子深刻蚀。衬底可以是Si或者SiO₂或者玻璃。本例子选取的衬底为Si。RIE刻蚀采用的气体为CHF3和SF6，选取的流量为CHF3：90-110sccm，SF6：4-6sccm，功率为45-55W，压强为6pa。在此条件下，刻蚀速率大约为6nm/min。在刻蚀到所需要的深度后，用氢氧化纳(NaOH)+高锰酸钾(KMnO₄)选择腐蚀残余的铬，这样就成功复制了子模板，最后的图形如图1(f)。

实施例2：以使用普通压印且原始模板为周期200nm的光栅为例

此时由于图形的尺寸变小，因此各项工艺参数较周期为1um时有以下不同。

1：首先，下层LOR胶的旋涂转速为8000rpm，厚度为150nm，前烘温度为220℃；而SU8胶的旋涂转速也提高为8000rpm，厚度为100nm，SU8的前烘温度以及时间保持不变。

2：第三步氧气反应离子刻蚀的时间缩短为10s

3：LOR胶的显影液CD26的溶度为40％，显影时间为30s。

4：淀积的金属铬的厚度为30nm。

其他工艺步骤都和实施例1一样。

实施例3：以压印结合曝光(combined nanoimprint andphotolithograph，CNP)的工艺为例

由于SU8是一种紫外光刻胶，因此可使用CNP技术进一步简化模板复制工艺。CNP是一种结合了纳米压印和光学曝光的技术，如图2(a)，在压印的同时利用原始模板上的光学掩模进行曝光。压印后残余SU8的厚度是很薄的(一般只有10nm-30nm)，因此实际上CNP利用的是近场光学曝光。在曝光过程中由于光学衍射所引起的图形失真是很小的。这使得CNP同样适用于小尺寸图形的复制(一般可在50nm)

使用CNP时，模板的复制工艺流程较使用普通压印时有以下不同：

1：必须使用对紫外光透明的原始模板，如石英等。同时原始模板上必须要有光学曝光的掩模，一般为金属铬。金属的厚度为40nm左右。

2：曝光剂量一般为50mJcm^-2。曝光后随即对SU8进行定影和显影，显影后残余的SU8基本被清除，如图2(b)所示。

使用CNP最大的不同在于，残余的SU8可直接用溶液显影去除，而不需要用氧气反应离子刻蚀。这不但简化了工艺还使得成本进一步得到降低。在一些不用对衬底进行刻蚀的工艺中，如金属线栅起偏器的制作，使用基于SU8/LOR双层胶的压印结合曝光的方法甚至不需要任何反应离子刻蚀的步骤。

Claims (5)

1.一种复制纳米压印模板的方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)旋涂并前烘双层胶：

先在衬底上旋涂下层胶并进行前烘，下层胶为LOR胶，前烘温度为120℃-220℃，时间为13-20分钟；之后旋涂并前烘上层胶，上层胶为SU8胶，前烘温度为85-95℃，时间为8-15分钟；

(2)用原始模板进行纳米压印：

在压印前先在原始模板上覆盖一层抗粘层，接着在涂有双层胶的衬底上进行压印，压印采用普通压印，或者采用压印结合曝光的方法，记为CNP方法，压印温度为80℃-150℃；

(3)去除残余的SU8胶：

对于普通压印使用氧气反应离子刻蚀去刻除残余的SU8胶，对于CNP方法对SU8进行显影；

(4)利用SU8作为掩模对下层的胶进行选择性去除：

去除LOR使用的是CD26溶液，CD26的溶度可在40％-60％之间，显影时间为30s-200s；

(5)使用金属淀积工艺淀积金属层：

这一金属层是刻蚀衬底的掩模层，金属层的厚度为40-110nm，且不超过LOR厚度的三分之一；将样品放入1165 Remover中进行剥离，LOR会迅速溶于1165 Remover中，淀积在衬底上的金属层被保留，得到和原始模板一致的金属图形；

(6)以金属层为掩模刻蚀衬底：

以金属层做为衬底的刻蚀阻挡层，选择性的对下层衬底进行反应离子刻蚀，去除残余的金属后，即得到由原始模板复制出来的子模板。

2.根据权利要求1所述的复制纳米压印模板的方法，其特征在于在步骤(1)中，所述上层胶的厚度为100nm-200nm，所述下层胶厚度为15nm-350nm，且上层胶的厚度小于下层胶的厚度。

3.根据权利要求1所述的复制纳米压印模板的方法，其特征在于在步骤(2)中，所述的抗粘层材料为十八烷基三氯硅或三甲基一氯硅烷。

4.根据权利要求1所述的复制纳米压印模板的方法，其特征在于在步骤(5)中，所述的金属层材料为铬。

5.根据权利要求1所述的复制纳米压印模板的方法，其特征在于在步骤(1)中，所述衬底材料为硅、二氧化硅或玻璃。

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