CN101181836A - 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用模板的方法。本发明采用三层结构压印板的压印方法，压印板上层为SU8胶，经过压印之后SU8可以作为刻蚀掩模对中间层进行选择性刻蚀，中间层采用的是一种对下层具有很强刻蚀选择比的物质，下层采用的是一种易于被氧气反应离子刻蚀去除的且容易进行剥离的胶如PMMA。经过刻蚀，淀积金属以及剥离后，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，去除掉残余的金属后即得到复制的模板，本发明方法速度快，成本低，图形转移质量好。

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，具体为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利用机械力压软的聚合物(胶)，从而可以将硬模板上的图形转移到胶上。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10nm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、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，而且模板在采用过程中容易损坏，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采用单层胶压印的，也有采用诸如PMMA/LOR，等双层胶压印的。采用单层胶压印不能形成横向刻蚀，不利于后续的剥离工艺(liftoff)。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、快速、图形转移特性良好的复制纳米压印模板的方法。

本发明采用了基于SU8胶的三层结构压印板的压印方法。以电子束光刻技术来制作原始模板，以原始模板后为基础，采用本方法复制子模板。本发明方法的使用的三层结构压印板中，上层胶采用SU8胶，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。广泛应用于光学，生物及MEMS领域。由于其玻璃化温度较低，而且在一定温度下具有较低的粘滞系数，因此非常适合用于纳米压印领域。

中间层采用一层介质层或金属层。中间层要求对氧气反应离子刻蚀必须具有很强的抵抗能力，可采用的中间层如二氧化硅(SiO₂)、铬(Cr)、Ti(钛)或Ge等。以SiO₂为例，SiO₂的淀积可采用工艺温度较低的离子束溅射或者旋涂(Spin On Glass(SOG))的方法。SOG采用含Si，O的聚合物前驱体，如HSQ(商品名)胶。经过旋涂且烘焙后聚合物将会分解，有机成分将会挥发，余下的就是SiO₂。采用SOG方法有利于进一步降低成本，简化工艺。

下层采用的是一种易于被O₂反应离子刻蚀(RIE)去除的且容易进行liftoff的胶如PMMA胶。该胶是一种常用电子束光刻胶，microchem公司产品。

上层SU8主要用作压印层以及中间层的刻蚀阻挡层。而下层胶主要用作liftoff层和压印的软着陆层。SU8为一种常用光刻胶，microchem公司产品。

本方法可以应用各种衬底尺寸、各种类型(如Si，SiO2，石英，金属)等模板复制。

本发明提出的方法的具体步骤如下：

(1)首先制备三层结构压印板，三层结构压印板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。中间层是非常薄的，且上层的SU8一般比下层的胶要薄，这样有助于剥离以及图形的无失真转移。先在衬底上旋涂下层胶，如PMMA胶，下层胶的旋涂厚度大概在150nm-350nm之间；对下层胶前烘后淀积中间层，中间层的厚度为10nm-40nm；最后旋涂并前烘最上层的SU8胶，厚度为100nm-200nm，且上层胶厚度小于下层胶厚度；中间层村料采用SiO₂、Cr、Ti或Ge；

(2)采用原始模板进行压印。原始模板可以由电子束光刻等高分辨率光刻技术制备。压印前先要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)。接着对三层结构压印板进行压印。经过压印，图形将从模板上转移到上层的SU8中；

(3)压印完成后，进行刻蚀，刻蚀是整个工艺中最重要的部分，三层结构的反应离子刻蚀工艺选择窗口较宽。首先是采用O₂RIE去除上层残余的SU8胶而露出中间层。然后以SU8为掩模采用反应离子刻蚀去除中间层。由于中间层很薄，这样，压印在SU8上的图形将几乎无失真的转移到中间层上。刻蚀的最后一步是采用O₂RIE，以中间层为掩模对下层胶进行刻蚀，同时上层的SU8也将被去除。刻蚀的最终目的是在下层胶中形成一定的横向刻蚀，横向刻蚀的程度可以通过控制刻蚀时间进行调节，超薄的中间层和横向刻蚀非常有助于后面剥离工艺的实现。

(4)刻蚀后，采用物理气相淀积(PVD)方法淀积一金属层。该金属层的材料不限，只要对下层衬底具有良好的刻蚀阻挡特性就可以，如Cr，Ni，Pt，Cu，Au，Ru，Mo，Ta等一系列金属。金属层厚度为100nm-20nm。淀积完金属后，将样品放入丙酮中进行liftoff，得到有图形的金属层。金属的图形和原始模板的图形是一致的，这金属层可以做为下层衬底刻蚀阻挡层，然后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，便得到了由原始模板复制出来的子模板。

这里压印模板采用三层结构，具体如下优点：

1：上层为SU8胶通过改变对上层SU8胶的刻蚀时间能够灵活的控制所需图形的尺寸。

2：中间层的加入，使得上层胶和下层胶的选择范围便广，有利于降低工艺的成本。

3：由于受LOR显影速度较难控制的影响，SU8/LOR结构不适合于高密度图形的复制，而基于SU8的三层结构便无此限制。

附图说明

图1描述的是三层结构模板复制的整个工艺流程。其中：

(a)：是三层结构经过压印后的剖面图，上层的SU8被压印出图形。

(b)：是图a经过反应离子刻蚀去除了残余的SU8的剖面示意图。

(c)：是图b去处了中间层且经过O2反应离子刻蚀去除了底部PMMA后的剖面示意图。

(d)：是图c经过铬的淀积后的剖面图。

(e)：是图d泡在丙酮中经过liftoff后的剖面图。

(f)：是图e以铬为掩模对衬底进行反应离子深刻蚀且去除铬后的剖面图。

图2是中间采用SiO₂的1um光栅复制工艺的扫描电子显微镜(SEM)剖面图。其中：

(a)：是三层结构经过压印后的SEM剖面图。

(b)：是图a经过O₂ RIE去除了残余的SU8胶的SEM剖面图。

(c)：是图b经过CHF₃ RIE且O₂ RIE去除了中间SiO₂层和底部PMMA的SEM剖面图，可以看到明显的横向刻蚀。

(d)：是图c经过淀积金属Cr且经过RIE刻蚀硅衬底后的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本方法进行详细说明。

实施例1：以中间层为二氧化硅(SiO₂)，原始模板为1um的光栅为例。

图1描述的是三层结构的模板复制的工艺流程

图2描述的是三层结构模板复制的电子显微镜(SEM)剖面图。

1、首先用旋涂计在衬底上旋涂下层百分比为5％的PMMA胶，转速可控制在2000rpm。旋涂厚度为350nm左右，旋涂完后在180℃下前烘一小时以驱除有机溶剂。接着，采用离子束溅射在PMMA上淀积一层30nm厚的SiO₂。最后旋涂上层的SU8胶，这里用的是SU8 2000系列。SU8的百分比大概为8％，旋涂转速可取为5000rpm，厚度为200nm。旋涂完后对SU8进行90℃、10分钟的前烘。衬底可以是硅，二氧化硅，氮化硅，等等。

2、采用原始模板进行压印，如图1a。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，抗粘层采用的是三甲基一氯硅烷(TMCS)。对于底层为PMMA胶的情况，压印的温度的选择要求为，上层的SU8胶较软而下层的PMMA较硬。由于SU8的玻璃化温度为55℃，而PMMA的玻璃化温度为105℃，考虑到中间有SiO₂层的缓冲作用，压印温度可取在90℃-120℃；对于较新的SU8 4000系列，压印温度可在65℃-120℃。图2a是在110℃下压印的SEM剖面图。

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，首先采用O2反应离子刻蚀去除残余的SU8，如图1b所示。流量为20sccm，功率为40W，压强为3pa，时间为30s-1min，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。这里时间是1min。如图1.b，图2.b所示。

接下来采用CHF₃刻蚀中间的SiO2层，流量为30sccm，功率为50w，压强为4pa，时间为10min。由于在CHF₃的反应离子刻蚀中SU8对于SiO₂具有一定的选择性，因此经过CHF3反应离子刻蚀后，没有被SU8掩模的SiO₂被选择性的去除。经过这一步，图形转移到了SiO₂层上。

最后采用O₂反应离子刻蚀下层的PMMA，流量为20sccm，功率为40W，压强为3pa，刻蚀时间决定了横向刻蚀的大小，刻蚀时间越长横向刻蚀越大，如图1c，图2c所示。时间可取在2min-3min之间。这里的时间是2min30s。在PMMA中的横向刻蚀非常有助于其后的liftoff工艺的实现。

4、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30nm。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低温的工艺都可以淀积Cr。淀积好的结构如图1d所示。

5、样品从真空室中取出后，将样品放入丙酮中进行超声振荡，PMMA胶由于溶解于丙酮，因此其上的SiO₂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1e所示。

6：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 100sccm，SF6 5sccm，功率为50W，压强为6pa。在此条件下，刻蚀速率大约为6nm/min。这里刻蚀时间为1小时。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1f，图2d所示。

实施例2：以中间层为金属铬(Cr)，原始模板为1um的光栅为例。

当中间层为铬时，整个工艺流程对于实施例1只有一点不同。对铬的反应离子刻蚀采用CCl₄(气体化学名)，刻蚀条件为：功率为50W；流量为30sccm；压强为4pa；时间为10min-30min。

需要说明的是，对上述实施例的修改、变化、成分的改变，都应该在本专利申请的保护范围之内。例如，压印温度、压印压力的略微变化，把采用的刻蚀化学气体的组分进行变化等，采用别的淀积方法的SiO₂中间层，不同的介质层(如SiON，SiN)、或者金属层(如Au，Pd，Pt等)来作为中间层，都在本专利的保护范围内。

Claims (3)

1.一种纳米压印模板的复制方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)首先制备三层结构压印板，先在衬底上旋涂下层胶PMMA，下层胶的厚度为150nm-350nm；对下层胶前烘后淀积中间层，中间层的厚度为10nm-40nm；最后旋涂并前烘上层胶SU8，厚度为100nm-200nm，且上层胶厚度小于下层胶厚度；中间层材料采用SiO₂、Cr、Ti或Ge；

(2)采用原始模板进行压印，压印前先在原始模板上覆盖一层抗粘层，接着对三层结构压印板进行压印；经过压印，图形将从模板上转移到上层胶SU8中；

(3)压印完成后，进行刻蚀，首先是采用O₂反应离子刻蚀去除上层残余的SU8胶而露出中间层；然后以SU8为掩模采用反应离子刻蚀去除中间层；这样，压印在SU8上的图形将几乎无失真的转移到中间层上；刻蚀的最后一步是采用O₂反应离子刻蚀，以中间层为掩模对下层胶进行刻蚀，同时也将上层的SU8去除；

(4)刻蚀后，采用物理气相淀积方法淀积一金属层；金属层厚度为100nm-20nm；淀积完金属层后，将样品放入丙酮中进行剥离，得到有图形的金属层；这金属层做为下层衬底刻蚀阻挡层，然后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所述的纳米压印模板的复制方法，其特征在于所述的抗粘层采用十八烷基三氯硅烷或三甲基一氯硅烷。

3.根据权利要求1所述的纳米压印模板的复制方法，其特征在于物理气相淀积方法淀积的金属层材料为Cr、Ni、Pt、Cu、Au、Ru、Mo或Ta。

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