CN102591143A - 一种大面积纳米压印光刻的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积纳米压印光刻的装置和方法。它引入一种氟聚合物基薄膜结构复合软模具，压印过程采用“气体辅助施压”和模具微进给“压力施压”方式；脱模基于氟聚合物基极低表面能，并结合“两次固化”和“揭开”式脱模方法，采用微小的脱模力即可实现大面积脱模。本发明实现了在各种衬底包括非平整（弯曲、翘曲或者台阶）或曲面或者易碎衬底上制造大面积微纳米结构，具有复形精度高、压印面积大、效率高、成本低、模具寿命长的显著优势，适用于LED纳米图形化技术、光学器件（如光学透镜）、蝶式太阳能聚光器、微流控器件等器件的制造。

Description

一种大面积纳米压印光刻的装置和方法

 

技术领域

本发明涉及一种基于氟聚合物基薄膜结构复合软模具和气体辅助施压的大面积纳米压印光刻的装置和方法，属微纳制造技术领域。

背景技术

纳米压印光刻( Nanoimprint Lithography, NIL)是一种全新微纳米图形化的方法，它是一种使用模具通过抗蚀剂的受力变形实现其图形化的技术。与其它微纳米制造方法相比，NIL具有高分辨率、超低成本（国际权威机构评估同等制作水平的NIL比传统光学投影光刻至少低一个数量级）和高生产率的特点，尤其在大面积微纳米结构和复杂三维微纳米结构制造方面具有突出的优势。随着纳米压印光刻在LED纳米图形化、高密度磁盘介质（HDD）、光学器件（如光学透镜、衍射光学元件、光栅等）、太阳能光伏器件、微流控器件等领域的广泛应用，对于大面积和晶圆级纳米压印工艺的需求越来越迫切，同时压印面积也变得越来越大、复形精度的要求也愈来愈高。目前实现大面积或者整片晶圆纳米压印光刻的方法主要有两种：第一种是采用步进重复纳米压印工艺（Step-and-repeat NIL）；第二种是采用单步整片晶圆纳米压印光刻。与采用步进重复纳米压印光刻工艺实现大面积图形化方法相比，采用整片晶圆（晶圆级）纳米压印光刻(Full wafer NIL, Wafer-level NIL, Wafer scale NIL)具有生产率高、图形均匀和一致性好等显著的优点。目前实现单步整片晶圆纳米压印光刻的工艺主要有两种：采用硬模具的整片晶圆热压印工艺，但是该方法对于衬底的平整度和衬底硬度要求较高，不适合非平整（弯曲、翘曲或者台阶）、曲面衬底以及易碎性衬底（如LED图形化）的压印。第二种方法是基于PDMS的软紫外纳米压印 ，但PDMS弹性模量较低，大面积压印过程中大的压印力易于导致其产生变形，耐磨性差，工作寿命也非常短，另外PDMS还存在一个很大的不足：在有机溶剂中医与膨胀问题（Swell）和变形，严重影响压印图形的精度和模具寿命。此外，现有的大面积或整片晶圆纳米压印工艺面临以下挑战性技术难题：（1）脱模困难。随着模具和衬底的接触面积的增大，一方面包含模具微纳结构特征大大增加，另一方面模具与抗蚀剂粘附问题变得日益突出，导致需要很大的脱模力才能实现模具与晶圆的分离，大的脱模力容易损坏模具和复制的图形；另外，若脱模力过大，则可能将已固化抗蚀剂的颗粒粘附在模具表面，并且可能造成模具表面纳结构的破坏，即造成压印模具的“污染”；（2）模具有限的使用寿命，无论涂覆脱模层的硬模具还是软模具，其使用寿命有限，难以满足工业化应用的要求；（3）难以实现高分辨率图形的制造。为了实现模具与整片晶圆均匀性的完全接触，液态抗蚀剂快速、完全充填模具微纳米腔体结构，与步进重复纳米压印工艺和小面积压印工艺相比，大尺寸整片晶圆压印需要更到的压印力，大的压印力将导致模具产生变形，对于软模具其变形尤为严重，这将导致复型精度的降低、存在缺陷，甚至图形复制失败；（4）气泡消除。消除气泡一直是纳米压印工艺所面临的极为棘手的问题，气泡的存在将导致复制的图形存在缺陷，严重影响制作图形的质量。大尺寸整片晶圆纳米压印过程中印极易产生气泡，然而消除气泡却非常难以解决；（5）大面积施加均匀一致的压印力。压印力分布不均匀，一方面导致模具与衬底无法充分完全接触，影响复型精度和质量，甚至导致图形转移失败，另一方面对于脆性材料的模板或者衬底，压印力的不均匀极易导致其碎裂。蓝宝石衬底已经从早期的2inch和4inch，目前正向6inch和8inch发展，随着衬底尺寸的增加，意味着每单位面积的制作成本降低、总体产能的提升。但是随着衬底（晶圆）尺寸的不断增大，对于整片衬底图形化过程中，如何在大面积的衬底上获得均匀一致的压印力变的愈发困难。对于压印工作台和压印机构性能的要求也越来越高；（6）整个压印区域获得均匀一致和薄的残留层。抗蚀剂上的图形需要转移到晶圆（衬底）上，在整片晶圆的压印区域获得均匀一致和薄的残留层，对于实现高质量的图形转移起到决定性的作用。另外，对于使用晶圆级纳米压印工艺进行LED外延片图形化，还面临如下技术难题：（1）晶圆不平整，会有数微米尺寸的表面突起。几十微米的翘曲是衬底材料膨胀系数不一致的结果，比如碳化硅或蓝宝石与外延生长的半导体材料，如氮化镓，其生长温度高于900℃。这两层材料实际上像双层金属片一样，会形成类似薯片的翘曲结构。热应力也阻碍了使用更大尺寸的晶圆。表突起是外延生长的副产品，如果衬底和半导体材料的晶格不能完全匹配，就会产生突起；（2）晶圆面不是非常清洁，可能有污物；（3）在高亮LED生产中，为了节省MOCVD外延生长的成本，未来的发展趋势是使用大尺寸衬底，例如4寸或者6寸晶圆。然而外延生长会导致大尺寸基底的弯曲则越发的明显，在后续的光刻过程中强行利用真空吸附等方式补偿这种弯曲以换取光刻中的高分辨率有可能会造成衬底断裂。对于微光学透镜期间，需要在曲面衬底表面制造大面积微纳米结构。因此，需要开发新的大面积或者整片晶圆纳米压印光刻工艺，以适应各种衬底（非平整、台阶、曲面衬底以及易碎性衬底压印工艺的需求，延长模具的寿命，提高压印图形的质量和精度。

发明内容

本发明的目的在于利用氟聚合物基薄膜结构复合软模具良好的共形接触和脱模特性，并结合体辅助施压所具有的压印力均匀、良好一致性和微接触特性，提供一种适合各种衬底的大面积纳米压印光刻的装置和方法，以实现在非平整（弯曲、翘曲或者台阶）、曲面衬底以及易碎性衬底制造出大面积纳米结构，模具具有工作寿命长和无需进行抗粘附处理。

本发明提出基于氟聚合物基薄膜结构复合软模具和气体辅助施压的纳米压印光刻工艺的基本原理是：引入一种氟聚合物基薄膜结构复合软模具，压印过程采用“气体辅助施压”和模具微进给“压力施压”方式，实现在非平整（弯曲、翘曲或者台阶）或曲面衬底随形接触和均匀施压；脱模基于氟聚合物基极低表面能，并结合“两次固化”和“揭开”式脱模方法，采用微小的脱模力即可实现大面积脱模。实现在非平整（弯曲、翘曲或者台阶）或曲面衬底或者易碎衬底制造出大面积纳米结构。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

 一种大面积纳米压印光刻的装置，它包括：工作台、衬底、液态有机聚合物、模板、气阀板，气腔室、紫外光光源、压印机构、真空管路、压力管路；其中，涂铺有液态有机聚合物的整片衬底固定于工作台之上；模板通过真空管路吸附在气阀板的底面（模板最外侧粘附于气阀板上，确保没有真空吸力吸附时，模具仍然与气阀板密封连接），气阀板固定在气腔室的底面，紫外光光源（可采用LED灯阵列）固定在气腔室的顶面；压印机构与气腔室相连；压力管路与气腔室的进气口相连；所述模板为氟聚合物基薄膜结构复合软模具，它包括支撑层和特征结构层，其中支撑层具有透明、高度柔性和薄膜结构的特性，特征结构层具有极低的表面能、高弹性模量和透明的特性，在特征层设有纳米结构腔。

所述支撑层进行表面改性处理，或者涂覆一层透明的偶联剂材料。

所述模板以透明高弹性薄膜状PET材料为支撑层，以低表面能、硬质、透明氟聚合物材料为特征结构层，其中特征结构层厚度是10-50微米，支撑层厚度是100-200微米。

所述压力管路的工作范围是：0-5bar；压印过程中的工作压力是100-1000mbar； 真空管路的工作范围为<-0.2bar。

所述紫外光光源为LED灯阵列。

一种采用大面积纳米压印光刻的装置的压印方法，它包括如下步骤：

（1）预处理过程

在衬底上旋涂一层液态有机聚合物（亦称抗蚀剂，是一种低粘度聚合物材料），将其置于工作台之上；将模板通过真空方式吸附在在气阀板的底面；并使模板与衬底对正；

（2）压印过程

①压印机构带动模板从初始工位向衬底移动，同时开启压力管路，向气腔室通入压缩空气；压印机构开始时是快速向衬底移动，当特征结构层的最低点与衬底的液态有机聚合物接触，压印机构转变为工进速度；

②在气体辅助压印力（气体施压）和压印机构微小工进压印力（机械压力施压）的综合作用下，薄膜状模具逐渐摊平铺展在外延片的液态有机聚合物上，并使模板与衬底上的液态有机聚合物共形接触；

③增大气体辅助压印力，使液态有机聚合物在模板的特征结构层纳米结构腔内的逐渐充填；

④继续增大气体辅助压印力，实现液态有机聚合物在模板的特征结构层纳米结构腔内的完全充填，并且将残留层减薄至预定的厚度；

（3）一次固化过程

开启紫外光源，紫外光透过模板对液态有机聚合物曝光，使之“一次固化”，完成聚合物纳米结构的定型；

（4）脱模过程

①关闭压力管路，压印机构带动模板向上微移动，首先破坏模板的特征结构层与固化后的压印结构（固化后的聚合物）水平接触界面和垂直接触界面的粘附力，使模具与“一次固化”的复形结构相互分离，在压印力完全释放条件下，对“一次固化”的压印结构进行二次固化或者后固化处理，达到完全固化（两次固化的目的：一是避免完全固化后，聚合物与衬底产生较大的粘附力，不利于脱模；二是完全固化之前，提前释放压印结构的变形，提高压印图形的质量）；

②聚合物充分完全固化后，采用“揭开”式脱模方法（因为采用柔性薄膜结构模具，脱模过程模具必然首先从周边与压印结构相分离，随着提升高度的增加，脱模向中间扩展），即脱模过程模具首先从周边与压印结构相分离，随着提升高度的增加，脱模向中间扩展，在很小脱模力作用下（主要克服聚合物与模板界面侧壁的摩擦力）即可实现模板与压印图形的逐渐相互分离，完成脱模；

③模板与压印结构完全分离后，压印机构带动模具快速向上运动，返回压印原位，以便更换衬底，开始下一次工作循环；

（5）后处理过程

通过常规的各向异性刻蚀工艺等比例往下刻蚀，去除残留层，在聚合物上复制出模具的微纳米特征结构；

进一步结合刻蚀工艺（湿法刻蚀或者干法刻蚀），以聚合物图形为掩模，将特征图形转移到衬底上，实现衬底图形化。

所述一次固化时间10-20s，二次固化的时间20-50s。

本发明的显著特征是：

（1）氟聚合物基薄膜结构双层复合软模具，具有良好共形接触和耐磨特性，特征结构层具有较高的弹性模量（与PDMS相比，抗变形能力强，复精度高），支撑层很高的弹性和柔韧性适应非平整衬底随形接触；

（2）微接触，压印和脱模过程都是基于微接触，减小模具变形和脱模力；

（3）Teflon等氟聚合物材料具有很高的透气性，压印过程中产生的气泡易于消除；

（4）利用母模制造氟聚合物基模具以及压印图形制造，均无需进行表面抗粘附处理，脱模容易，简化模具制造和压印工艺；

（5）模具工作寿命长，缺陷低。

（6）本发明尤其适合在凸球形表面上制造大面积纳米结构。

本发明的实现了在各种软、硬衬底包括非平整（弯曲、翘曲或者台阶）或曲面衬底或者易碎衬底表面高效、低成本制造出大面积纳米结构，尤其是在凸球形表面上制造大面积纳米结构，本发明适合于LED纳米图形化技术、光学器件（如光学透镜、衍射光学元件等）、蝶式太阳能聚光器、复眼影像感测器、等的制造，尤其适合LED纳米图形化技术。

附图说明

图1是本发明大面积纳米压印光刻装置结构示意图。

图2是本发明模板结构示意图。

图3a是本发明大面积纳米压印光刻工艺步骤示意图。

图3b是本发明大面积纳米压印光刻工艺步骤示意图。

图3c是本发明大面积纳米压印光刻工艺步骤示意图。

图3d是本发明大面积纳米压印光刻工艺步骤示意图。

图3e是本发明大面积纳米压印光刻工艺步骤示意图。

图3f是本发明大面积纳米压印光刻工艺步骤示意图。

图3g是本发明大面积纳米压印光刻工艺步骤示意图。

图3h是本发明大面积纳米压印光刻工艺步骤示意图。

图3i是本发明大面积纳米压印光刻工艺步骤示意图。

图3j是本发明大面积纳米压印光刻工艺步骤示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

图1中，它包括：工作台1、衬底（晶圆、外延片）2、液态有机聚合物3、模板4、气阀板5，气腔室6、紫外光光源7、压印机构8、真空管路9、压力管路10；其中，涂铺有液态有机聚合物3的整片晶圆衬底2固定于工作台1之上；模板4通过真空管路9吸附在气阀板5的底面（模板4最外侧粘附于阀板5上，确保没有真空吸力吸附时，模具仍然与气阀板5密封连接），气阀板5固定在气腔室6的底面，紫外光光源LED灯阵列7固定在气腔室6的顶面；压印机构8与气腔室6相连；压力管路10与气腔室6的进气口相连。

图2中，所述模板4为氟聚合物基薄膜结构复合软模具，它由支撑层401和特征结构层403成，其中特征结构层具403有极低的表面能、硬质（高弹性模量）和透明的特性，其上设有纳米腔体，支撑层401具有透明、高度柔性和薄膜结构的特性。以透明高弹性薄膜状PET材料为支撑层401，以极低表面能、硬质和透明氟聚合物材料为特征结构层403，其中特征结构层403包含所要复制的图形结构，支撑层401位于结构层403之上。氟聚合物基结构层厚度是10-50微米（通常选取30微米，根据压印特征实际尺寸进行相应的调整），其纳米结构是硬质的（具有很高的弹性模量），但应保持整体的柔性；支撑层401 PET厚度是100-200微米（通常选取100微米，根据压印特征实际尺寸进行相应的调整），其厚度相对X和Y的尺度小得多，高弹性和柔韧性好（较低的杨氏模量），是典型的柔性薄膜。另外，由于氟聚合物材料具有非常低的表面能，与支撑层PET的粘附力较小，为了增大二者的粘附力，必须对支撑层PET进行表面改性处理，或者涂覆一层透明的偶联剂材料402。

在实际使用时，本发明的模具可以透明高弹性的PET薄膜为支撑层401，透明无色KH-550偶联剂材料402，透明氟聚合物Teflon AF 1600为特征结构层403。

本发明以4英吋（约100毫米）GaN基光子晶体LED（LED外延片图形化）的整片晶圆纳米压印为实施例，结合大面积纳米压印光刻工艺步骤示意图4，详细说明大面积纳米压印光刻工艺的原理和具体工艺步骤。

实施例中晶圆、模板和一些工艺参数设置如下：晶圆为4英吋GaN基外延片，需要在P型半导体层压印出光子晶体结构，其中光子晶体的几何参数是：晶格常数600nm，圆孔的直径200nm，孔的深度是80nm。抗蚀剂使用Micro resist technology公司的mr-UVCur06，在GaN基外延片旋涂的厚度是300nm。

具体工艺过程包括：

（1）预处理过程

在GaN基LED衬底2上旋涂一层液态有机聚合物3，将其置于工作台1之上。将模板4通过真空方式吸附在在气阀板5的底面；并使模板4与GaN基LED衬底2对正。如图3a 所示。

（2）压印过程

①压印机构8带动模板4从初始工位向GaN基LED衬底2移动，同时开启压力管路10，向气腔室6通入压缩空气。压印机构8以快速进给的速度向衬底2移动，一旦薄膜状双层复合软模具特征结构层403的最低点40301与衬底2上的液态有机聚合物3接触，压印机构8转变为工进速度，如图3b所示；

②在气体辅助压印力1001和压印机构8微小工进压印力801的综合作用下，薄膜状模具4逐渐摊平铺展在衬底2的液态有机聚合物3上，并使模板4与衬底2上的液态有机聚合物3共形接触，如图3c所示；

③增大气体辅助压印力，使液态有机聚合物3在模板4特征结构层403纳米结构腔体内40302的逐渐充填，如图3d所示；

④继续增大气体辅助压印力1001，实现液态有机聚合物3在模板4特征结构层403纳米结构腔体内40302的完全充填，并且将残留层减薄至预定的厚度，如图3e所示。

（3）一次固化过程

开启紫外光源7（LED灯阵列），紫外光透过模板4对液态有机聚合物3曝光，使之“一次固化”，完成聚合物纳米结构的压印结构（固化后的聚合物）301。“一次适当预先固化”有助于脱模（聚合物完全固化后，在模具和聚合物界面上生成较大的粘附力，脱模需要较大的脱模力，并易于发生粘附的缺陷），并且在压力完全释放后，进行完全固化，有利于复形精度的提高，如图3f所示。

（4）脱模过程

①关闭压力管路10，压印机构8带动模板4向上微移动，首先破坏模板4特征结构层403与压印结构（固化后的聚合物）301水平接触界面1301和垂直接触界面1302的粘附力，（大面积界面接触粘附力是脱模力的主要组成部分），使模板4与“一次固化”的压印结构301相互分离，在压印力完全释放条件下，然后对“一次固化”的压印结构301进行二次固化或者后固化（post-curing)处理，达到完全固化（两次固化的目的：一是避免完全固化后，聚合物3与模板4产生较大的粘附力，不利于脱模；二是完全固化之前，提前释放压印结构的变形，提高压印图形的质量）。

②聚合物302充分完全固化后，如图3g所示；采用“揭开”式脱模方法（因为采用柔性薄膜式模板4，脱模过程模具4必然首先从周边与压印结构相分离，随着提升高度的增加，脱模向中间扩展），在很小脱模力作用下（主要克服聚合物与模具界面侧壁1302的摩擦力）即可实现模板4与压印图形302的逐渐相互分离，完成脱模，如图3h所示；

③模板3与压印结构301完全分离后，压印机构8带动模板4快速向上运动，返回压印原位，以便更换衬底2，开始下一次工作循环，如图3i所示。

（5）后处理过程

通过常规的各向异性刻蚀工艺(例如RIE)等比例往下刻蚀，去除残留层303，在抗蚀剂上复制出模具的微纳米特征结构，如图3j所示。

后续结合刻蚀工艺（湿法刻蚀或者ICP刻蚀），以抗蚀剂图形为掩模，将特征图形转移到GaN基LED衬底2上，实现LED外延片的图形化或者光子晶体LED制造。

压印过程中的工作压力是500mbar。

所述一次固化时间10s，二次固化的时间30s。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。当然，这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1. 一种大面积纳米压印光刻的装置，其特征是，它包括：工作台、衬底、液态有机聚合物、模板、气阀板，气腔室、紫外光光源、压印机构、真空管路、压力管路；其中，涂铺有液态有机聚合物的整片衬底固定于工作台之上；模板通过真空管路吸附在气阀板的底面，气阀板固定在气腔室的底面，紫外光光源固定在气腔室的顶面；压印机构与气腔室相连；压力管路与气腔室的进气口相连；所述模板为氟聚合物基薄膜结构复合软模具，它包括支撑层和特征结构层，其中支撑层具有透明、高度柔性和薄膜结构的特性，特征结构层具有低的表面能、高弹性模量和透明的特性，在特征层设有纳米结构腔。

2.如权利要求1所述的大面积纳米压印光刻的装置，其特征是，所述支撑层进行表面改性处理，或者涂覆一层透明的偶联剂材料。

3.如权利要求1所述的大面积纳米压印光刻的装置，其特征是，所述模板以透明高弹性薄膜状PET材料为支撑层，以低表面能、硬质、透明氟聚合物材料为特征结构层，其中特征结构层厚度是10-50微米，支撑层厚度是100-200微米。

4.如权利要求1所述的大面积纳米压印光刻的装置，其特征是，所述压力管路的工作范围是：0-5bar；压印过程中的工作压力是100-1000mbar； 真空管路的工作范围为<-0.2bar。

5.如权利要求1所述的大面积纳米压印光刻的装置，其特征是，所述紫外光光源为LED灯阵列。

6.一种采用权利要求1所述的大面积纳米压印光刻的装置的压印方法，其特征是，它包括如下步骤：

（1）预处理过程

在衬底上旋涂一层液态有机聚合物，将其置于工作台之上；将模板通过真空方式吸附在在气阀板的底面；并使模板与衬底对正；

（2）压印过程

 压印机构带动模板从初始工位向衬底移动，同时开启压力管路，向气腔室通入压缩空气；压印机构开始时是快速向衬底移动，当特征结构层的最低点与衬底的液态有机聚合物接触，压印机构转变为工进速度；

 在气体辅助压印力和压印机构微小工进压印力的综合作用下，薄膜状模具逐渐摊平铺展在外延片的液态有机聚合物上，并使模板与衬底上的液态有机聚合物共形接触；

 增大气体辅助压印力，使液态有机聚合物在模板的特征结构层纳米结构腔内的逐渐充填；

继续增大气体辅助压印力，实现液态有机聚合物在模板的特征结构层纳米结构腔内的完全充填，并且将残留层减薄至预定的厚度；

（3）一次固化过程

开启紫外光源，紫外光透过模板对液态有机聚合物曝光，使之“一次固化”，完成聚合物纳米结构的定型；

（4）脱模过程

 关闭压力管路，压印机构带动模板向上微移动，首先破坏模板的特征结构层与固化后的压印结构接触界面的粘附力，使模具与“一次固化”的压印结构相互分离，在压印力完全释放条件下，对“一次固化”的复形结构进行二次固化或者后固化处理，达到完全固化；

 聚合物充分完全固化后，采用“揭开”式脱模方法，即脱模过程模具首先从周边与压印结构相分离，随着提升高度的增加，脱模向中间扩展，在很小脱模力作用下即可实现模板与压印图形的逐渐相互分离，完成脱模；

 模板与压印结构完全分离后，压印机构带动模具快速向上运动，返回压印原位，以便更换衬底，开始下一次工作循环；

（5）后处理过程

通过常规的各向异性刻蚀工艺等比例往下刻蚀，去除残留层，在聚合物上复制出模具的微纳米特征结构；进一步结合刻蚀工艺，以聚合物图形为掩模，将特征图形转移到衬底上，实现衬底图形化。

7. 如权利要求5所述的压印方法，其特征是，所述一次固化时间10-20s，二次固化的时间20-50s。

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