CN102253597B - 一种压缩式气体施压方式的纳米压印装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米压印装置技术领域，公开了一种压缩式气体施压方式的纳米压印装置。包括底部带有基座的施压腔室及固设在施压腔室上方的驱动支架，驱动支架上固设有伺服马达，施压腔室中内嵌有下压活塞，下压活塞通过滚珠丝杆与伺服马达连接，基座上放置有承片台，靠近承片台的施压腔室的施压腔壁上开设有样品通道。本发明的有益效果：避免了施压过程中掩模板与基板倾斜接触、气流通入扰动、气压力不均匀等问题，本发明提出的压缩式气压施压方式，能够保证在整个施压的过程中，压印压力在全掩模板、基板面积上均匀分布，施压时，压印力均匀性提高，转移图形的保真度也得到提高，掩模板使用寿命延长，方法实施简单，控制方便，可重复性高。

Description

一种压缩式气体施压方式的纳米压印装置

技术领域

本发明属于纳米压印装置技术领域，特别涉及一种压缩式气体施压方式的纳米压印装置。

背景技术

图形转移是半导体制程的核心，是集成电路芯片更新换代的导向技术。长期以来一直采用光学光刻方式实现图形转移，在光学临近效应校正、移相掩模、浸润式光刻镜头等辅助技术支撑下，65nm/45nm特征线宽工艺已形成产能。从09 年版国际半导体蓝图来看，32nm节点和22nm 节点也可能采用光学路线实现，但更小特征线宽节点将难以采用光学方式。而从22 nm节点以下，纳米压印一直是重要的备选支撑技术之一，以其成本低、产量高、工艺简单、图形转移保真度好等诸多优点备受关注。目前很多纳米器件和纳米结构的制备，如纳米线、纳米管、NEMS、等离子波导、光子晶体、亚波长器件、Metamaterial功能结构等也都可以基于该技术实现。自1995 年Stephen Y. Chou 提出纳米压印技术的概念以来，纳米压印技术获得了快速发展，相继出现了紫外固化纳米压印技术、微接触纳米压印技术、滚轴式纳米压印技术等。 

纳米压印领域的研究工作主要集中在纳米压印技术本身的不断完善和基于纳米压印技术进行纳米器件和结构的制备，两个方向国内外都有很多人在从事研究工作。相继报道了激光辅助纳米压印技术、气压辅助纳米压印技术（ACP）、静电辅助纳米压印技术、超声辅助纳米压印技术、金属图形直接压印成形等。约从2001年开始，国内大陆地区开始关注纳米压印技术及其应用研究。华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学、南京大学、中科院电工所等都自主建立了纳米压印系统，如华科的基于正交柔性工作台热压印系统，西交的基于紫外固化、弹性掩模、六自由度主动调节承片台等技术的压印系统，上交的紫外固化真空负压系统，电工所的气囊汽缸式压印系统，南大的混合式压印系统实现了15nm 特性线宽转移。

纳米压印工艺流程中，压力施压是极为重要的步骤，面向大面积晶圆加工时尤为明显，直接决定了压印转移图形的均匀性，影响压印掩模板的使用寿命、图形保真度、系统自动控制等。早期施压常采用平板施压方式，为基板和掩模板平行度考虑，需要诸如多自由度主动调节、正交柔性承片台、球型滑移、气囊充气、刀口支撑等方式在压入过程中调节基板掩模板完全平行。近年来气压施压路线逐渐获得认可，先进性明显，可以克服压印模板在压印过程中受应力不均匀的问题，以及基板掩模板自平行、杂物影响面积最小化、模板图形结构微小形变影响降低、避免施压过程中侧应力作用导致模板相对基板滑移破坏转移图案等。早期气体施压的一般工艺是将基板和掩模板对准后放入施压腔室，再利用惰性气体或者氮气通入施压，通过气体量的增加获得压力增强。Chou 课题组于2002 年申请的美国专利并于09 年产业化，目前其Nanonex Corp 公司的主要产品均是采用这种方式，著名的“TOM”压印机也是基于该原理。惠普实验室的Wu 等人报道了一种真空负压施压，弹性基板变形反向压入的方式，将掩模板图像转移到基板上，特征线宽可以达到10nm。国内上海交通大学和中科院电工所建立的压印系统均采用了气体施压方式，上交采用的是腔室抽气，外界大气压驱动贴到紫外视窗上的掩模板，克服弹性环弹力下压将掩模板压入转移介质，电工所是利用气囊充气的方式，将固定在气囊上的基板上顶与掩模板接触施压，气囊具有施压和平行自调节的功能。

已有报道的几种气体施压系统中，Chou 等人采用对称通气喷嘴通入氮气到施压腔室，对准步骤后的掩模板和基板与气体接触，为避免气体进入到掩模板和基板之间，设计了包括“O”形环、密封夹具、弹性不透膜、外围管或重物等多种方式密封样品。试验表明该气体施压方式最终压力分布均匀，克服杂质影响能力强。但气体初始通入时，点对称气源存在初始压力不均匀，导致掩模板基板上应力分布不均匀，影响掩模板使用寿命，如采用的掩模板是软掩模（PMDS 等）时，对转移图形的保真度还有一定影响。基座与施压腔室作为一个整体无阻尼措施，气流通入造成的腔室振动会传递到承片台。两种负压施压方式中，Wu 等人的方案需要弹性基板有很均匀的弹力，才能保证抽气过程中基板被均匀的吸压。上交的方案是将紫外透射窗和掩模贴在一起，周边与施压腔室基于弹性膜封闭，抽气时大气压将透射窗和掩模下压接触基板，对弹性膜均匀性要求也很高，试验过程中多次出现因弹性膜弹力不均匀，掩模板与基板倾斜接触的现象。电工所气囊施压方案也要求气囊周边弹力均匀，否则基板在上顶过程中也存在与掩模板不平行，倾斜接触造成掩模应力不均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压缩式气体施压方式的纳米压印装置。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种压缩式气体施压方式的纳米压印装置：包括底部带有基座的施压腔室及固设在施压腔室上方的驱动支架，驱动支架上固设有伺服马达，施压腔室中内嵌有下压活塞，下压活塞通过滚珠丝杆与伺服马达连接，基座上放置有承片台，靠近承片台的施压腔室的施压腔壁上开设有样品通道。如果远离承片台顶部设置样品通道，放置样品时，会存在一个沉降过程，很容易破坏已完成对准后样品的对准度，影响图像转移效果。为尽量降低沉降影响，本发明中，靠近承片台顶部设置样品通道，样品通道的下沿距离承片台顶部0~2mm，但更优选样品通道下沿与承片台顶部平齐（即样品通道的下沿距离承片台顶部0mm）。

进一步，为有效阻尼机械振动向基座及承片台传导，施压腔室底部的施压腔壁内嵌设有隔震套环，且与基座和施压腔壁腔壁结合紧密，气密性良好。

为较好地起到阻尼作用，隔震套环顶部与基座顶部平齐或稍高于基座顶部，即隔震套环顶部高于基座顶部0~20mm。

更好地，隔震套环优选橡胶隔震套环。

橡胶隔震套环的纵截面结构形状为蜂窝型、多层重叠型、中空型或实心型。

再进一步，承片台上放置有已完成对准后的掩模板、转移介质、基板组合。本发明施压过程中不涉及到气体量的改变，可同时加工多组完成对准步骤后的样品，有效提升产量。

较好地，所述掩模板上设置有构成内部压印图形的裸片，掩模板外面一圈设置有连续的凸出环，凸出环线条高度与内部压印图形高度一致。凸出环与转移介质接触使其内部形成相对独立的密闭空间，压印力驱使多余的介质流体被挤压出，防止施压过程中气体进入到掩模板与基板之间影响转移效果。

本发明的有益效果：避免了施压过程中掩模板与基板倾斜接触、气流通入扰动、气压力不均匀等问题，本发明提出的压缩式气压施压方式，能够保证在整个施压的过程中，压印压力在全掩模板、基板面积上均匀分布，施压时，压印力均匀性提高，转移图形的保真度也得到提高，掩模板寿命延长，方法实施简单，控制方便，可重复性高；本发明能够进行微纳器件与结构制备中的图像转移工艺，在半导体制程、微纳功能器件制备领域有广泛应用空间。

附图说明

图1是本发明压缩式气体施压方式的纳米压印装置的结构示意图：1-伺服马达，2-驱动支架，3-滚珠丝杠，4-下压活塞，5-施压腔壁，6-施压腔室，7-样品通道，8-承片台，9-隔震套环，10-基座；

图2是掩模板的结构示意图：11-裸片，12-凸出环；

图3是橡胶隔振套环的结构形状示意图：A-整体结构示意图，B-蜂窝型结构示意图，C-多层重叠型结构示意图，D-中空型结构示意图，E-实心型结构示意图。

具体实施方式

如图1所示的一种压缩式气体施压方式的纳米压印装置：包括底部带有基座10的施压腔室6及固设在施压腔室6上方的驱动支架2，驱动支架2上固设有伺服马达1，施压腔室6中内嵌有下压活塞4，下压活塞4通过滚珠丝杆3与伺服马达1连接，基座10上放置有承片台8，在与承片台8顶部平齐的施压腔室6的施压腔壁5上开设有样品通道7，施压腔室6底部的施压腔壁5内嵌设有橡胶隔震套环9，橡胶隔震套环9顶部高于基座10顶部20mm。

橡胶隔震套环9的整体结构形状如图3A所示，纵截面可以为蜂窝型（图3B）、多层重叠型（图3B）、中空型（图3B）或实心型（图3B）。

使用时，把已完成对准后的掩模板、转移介质、基板组合通过样品通道7放置到承片台8上，伺服马达1驱动滚珠丝杠3推动下压活塞4下降，位移量可以较高精度的控制，在温度保持不变的情况下PV=恒值，腔室体积减小，压强增大，作用到加工对象表面的压力均匀增强达到要求值，施压压力动态可调。施压结束后，下压活塞4上升，腔室体积增大，压强减小，加工对象表面压力恢复到初始状态，取出即可进行下一程序。

所用掩模板的结构如图2所示，掩模板上设置有构成内部压印图形的裸片11，外面一圈设置有连续的凸出环12，凸出环12线条高度与内部压印图形一致，凸出环12与转移介质接触使掩模板内部与基板形成相对密闭空间，压印力驱使多余的介质流体被挤压出，防止施压过程中气体进入到掩模板与基板之间影响转移效果。

Claims (6)

1.一种压缩式气体施压方式的纳米压印装置，其特征在于：包括底部带有基座的施压腔室及固设在施压腔室上方的驱动支架，驱动支架上固设有伺服马达，施压腔室中内嵌有下压活塞，下压活塞通过滚珠丝杆与伺服马达连接，基座上放置有承片台，靠近承片台的施压腔室的施压腔壁上开设有样品通道，承片台上放置有已完成对准后的掩模板、转移介质、基板组合。

2.如权利要求1所述的压缩式气体施压方式的纳米压印装置，其特征在于：施压腔室底部的施压腔壁内嵌设有隔震套环。

3.如权利要求2所述的压缩式气体施压方式的纳米压印装置，其特征在于：隔震套环顶部与基座顶部平齐或稍高于基座顶部。

4.如权利要求3所述的压缩式气体施压方式的纳米压印装置，其特征在于：隔震套环为橡胶隔震套环。

5.如权利要求4所述的压缩式气体施压方式的纳米压印装置，其特征在于：橡胶隔震套环的纵截面结构形状为蜂窝型、多层重叠型、中空型或实心型。

6.如权利要求1~5之任意一项所述的压缩式气体施压方式的纳米压印装置，其特征在于：所述掩模板上设置有构成内部压印图形的裸片，掩模板外面一圈设置有连续的凸出环，凸出环线条高度与内部压印图形高度一致。

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