CN102854741B - 用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具及制造方法。该复合软模具包括：特征结构层、刚性限制层和弹性支撑层。其中，特征结构层包含所要复制的微纳米图形结构，采用透明的氟聚合物基材料；刚性限制层位于特征结构层之上，限制特征结构层的横向变形和纵向变形；弹性支撑层位于刚性限制层上。该复合软模具的制造方法包括：（1）制造母模；（2）制造并结合刚性限制层和弹性支撑层；（3）制作特征结构层；（4）结合特征结构层和刚性限制层；（5）脱模。该复合软模具的显著的优点：高精度、大面积、与非平整衬底良好的共形接触能力、易于脱模和长的使用寿命，它特别适合于大尺寸、高分辨率非平整衬底晶圆级纳米压印工艺。

Description

用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具及制造方法

技术领域

本发明涉及一种纳米压印软模具结构及其制造方法，尤其涉及一种用于大尺寸非平整衬底晶圆级纳米压印工艺的复合软模具结构及制造方法，属微纳米制造技术领域。

背景技术

纳米压印光刻(NanoimprintLithography,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、成本低等显著的优点。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等聚合物材料的软紫外纳米压印，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（更严重会引起根部倒塌、侧向倒塌等严重缺陷），难以实现高分辨、高密度和大深宽比图形的制造（如sub-50nm图形的压印），耐磨性和硬度等机械特性差，其工作寿命也非常短，难以满足工业级应用的要求；另外PDMS还存在一个很大的不足：在有机溶剂中易于膨胀问题（Swell）和变形，严重影响压印图形的精度、模具寿命和压印图形的尺寸稳定性。因此，现有的软UV-NIL工艺广泛使用的弹性透明PDMS模具面临难以实现高分辨率和高密度以及大深宽比图形的制造、较低的使用寿命、在有机溶剂中易于膨胀问题（Swell）和变形大等挑战性技术难题。此外，随着软UV-NIL在LED图形化、光电子器件、纳光子器件和微光学器件的广泛应用，对于软UV-NIL工艺中使用的软模具又提出了更加苛刻的工艺要求。例如，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，会有数微米尺寸的尖锐突起。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）晶圆表面不是非常清洁，可能有污物和缺陷；（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。对于微光学器件如透镜，需要在曲面衬底表面制造大面积微纳米结构。因此，迫切需要开发新的软模具材料和结构形式，以适应大尺寸整片晶圆纳米压印工艺，以及各种衬底（非平整、台阶、曲面衬底以及易碎性衬底）晶圆级纳米压印工艺的需求，提高软模具的使用工作寿命，解决大面积纳米压印的脱模技术难题，提高压印图形的质量和精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具及制造方法，解决现有的模具难以满足大尺寸、非平整衬底晶圆级纳米压印工艺的要求，为大尺寸整片晶圆纳米压印工艺的实现和应用提供一种工业级的解决方案。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具，它包括特征结构层、刚性限制层和弹性支撑层。其中，特征结构层具有低表面能、高弹性模量、高硬度和透明的特性，刚性限制层具有透明和高弹性模量的特性，弹性支撑层具有透明和高度柔性的特性。所述特征结构层包含所要复制的微纳米图形结构；刚性限制层位于特征结构层之上，限制特征结构层的横向变形和纵向变形；弹性支撑层位于刚性限制层之上。所述用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具的特征结构层具有局部很高的硬度和弹性模量，确保具有高的抗变形能力；但模具整体为薄膜结构形式，有很好的整体柔性和高弹性，有很高的共形（Conformal contact）接触能力。

所述特征结构层采用透明的氟聚合物基材料，其厚度是10-50微米；所述刚性限制层采用玻璃或者透明环烯烃聚合物，厚度是80-150微米；所述弹性支撑层采用PDMS或者透明PET材料，厚度是100-600微米。

所述特征结构层弹性模量的范围：0.5GPa-3GPa；所述刚性限制层弹性模量的范围：50GPa-100GPa；所述弹性支撑层弹性模量的范围0.5MPa-2MPa。

所述用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具的制造方法，它包括如下步骤：

（1）制造母模；

以硅或石英等为基材，采用电子束直写光刻、激光干涉光刻或全息光刻等方法，并结合刻蚀工艺制造母模；

（2）制作刚性限制层和弹性支撑层并结合刚性限制层和弹性支撑层；

（3）制作特征结构层；

在母模上涂铺特征结构层，特征结构层的厚度是10-50微米；

（4）结合特征结构层和刚性限制层；

在特征结构层之上涂覆一层透明的偶联剂材料或者进行表面粘附性处理，使刚性限制层和特征结构层永久结合；

（5）脱模；

采用“揭开”式脱模方法，使将制造完成的复合软模具与母模分离，完成复合模具的制造。

所述步骤（2）的具体步骤为：

（a）选取厚度为80-150微米玻璃或者透明环烯烃聚合物为刚性限制层，清洗和去油污后，吹干处理；

（b）选取PDMS制作弹性支撑层，采用以硅为基底，在其上浇注液态PDMS材料，厚度为100-600微米，在5-20Pa真空环境下，在50-65℃下固化10-24小时；

（c）PDMS表面处理，采用氧等离子体表面处理工艺对PDMS表面进行处理，处理时间200-400s；

（d）使刚性限制层与弹性支撑层保持一定的压力条件下紧密接触4-5小时，实现刚性限制层和弹性支撑层的永久键合或者粘合。

所述表面粘附性处理方法包括：氧等离子体表面处理工艺、臭氧表面处理、真空紫外光照射表面处理等表面粘附性处理工艺，以增加刚性限制层和特征结构层的粘和性能。

为了进一步增加特征结构层、刚性限制层和弹性支撑层之间的结合强度，在键合前也可以再分别涂覆一层强粘附材料或者偶联剂材料。

所述弹性支撑层选用PET材料，在步骤（2）中，其制造方法是PET材料直接和刚性限制层键合或者粘合在一起。

本发明所述用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具为大尺寸晶圆级纳米压印工艺；非平整（弯曲、翘曲或者台阶）衬底或曲面衬底纳米压印；以及易碎衬底纳米压印工艺的实现提供了一种工业级的模具解决方案，本发明所述用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具适合于LED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纳米图形化和微光学器件制造。

本发明的有益效果是：

（1）所述用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具结合了硬模具高精度和软模具高弹性以及良好共形接触能力的优点，并具有耐磨和使用寿命长的特点；

（2）结合高弹性模量和低表面能的特征结构层和刚性限制层，确保复合软模具的特征结构层具有很高的抗变形能力（包括横向变形和纵向变形），实现Sub-50纳米特征高分辨率图形的大面积压印；

（3）结合弹性支撑层和模具整体薄膜结构的高柔性和弹性，具有良好的共形变形能力，实现模具和非平整衬底的良好的大面积共形接触，确保大面积压印过程中压印图形的一致性（uniformity，homogeneity）和可重复性，解决了由于衬底不平整或存在翘曲变形制约大面积纳米压印实现的技术难题；

（4）结构层使用低表面能的氟聚合物基材料，解决大面积脱模困难、缺陷率高和现有软硬模具工作寿命短的技术难题，满足工业级大面积纳米压印工艺性能要求；

（5）利用母模制造该复合软模具以及采用该模具进行纳米压印，均无需对模具表面进行抗粘附处理，易于脱模，简化模具制造和压印工艺。

因此，所述用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具的显著优点：高精度、大面积、良好的共形接触能力、易于脱模和高的模具使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的制造工艺流程图。

图3是本发明的各制作步骤的结构示意图。

其中，1、特征结构层；2、刚性限制层；3、弹性支撑层。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1中，本实施例的用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具包括：特征结构层1、刚性限制层2、弹性支撑层3；其中，特征结构层1具有低表面能、高弹性模量、高硬度和透明的特性；刚性限制层2具有透明和高弹性模量的特性；弹性支撑层3具有透明和高度弹性的特性。所述特征结构层1包含所要复制的微纳米图形结构；刚性限制层2位于特征结构层1之上，限制特征结构层1的横向变形和纵向变形；弹性支撑层3位于刚性限制层2之上。所述用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具的特征结构层1的具有局部很高的抗变形能力，但其整体表现为薄膜结构，具有很好的柔性和弹性，以及很高的共形接触能力。

用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具制造工艺步骤参见图2，包括：（1）制造母模；（2）制作刚性限制层和弹性支撑层；（3）制作特征结构层；（4）键合特征结构层和刚性限制层；（5）脱模。

本实施例用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具以透明氟聚合物Teflon AF1600为特征结构层1，其厚度30微米；以透明玻璃为刚性限制层2，其厚度100微米；以PDMS为弹性支撑层3，其厚度400微米。

本实施例的制造方法：

图3是本发明实施例用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具制造工艺中个步骤的结构示意图，具体工艺步骤如下：

（1）制造母模；

以硅为基材，采用激光干涉光刻和等离子体干法刻蚀工艺制造母模，如图3（a）所示；

（2）制造刚性限制层2和弹性支撑层3；

1）选取厚度为100微米的透明玻璃为刚性限制层2，清洗和去油污后，N₂吹干处理；

2）以PDMS材料为弹性支撑层3，以硅为基底，在其上浇注液态PDMS材料，厚度为400微米，在15Pa真空环境下，在55℃下固化24小时；

3）PDMS表面处理，采用氧等离子体表面处理工艺，对PDMS表面进行处理，处理时间200s；

4）键合刚性限制层2和弹性支撑层3，使PDMS与玻璃基片在保持一定的压力条件下紧密接触4小时，实现刚性限制层2和弹性支撑层3的永久键合；

5）剥离硅基底。

制造完成的刚性限制层2和弹性支撑层3如图3（b）所示。

（3）制作特征结构层1；

在母模上旋涂液态聚合物Teflon AF1600，特征结构层1厚度30微米，在10Pa真空环境下，在80°C下固化20小时。如图3（c）所示。

（4）键合特征结构层1与刚性限制层2；

在特征结构层1之上涂覆一层透明的偶联剂材料（如FS-10,Shin-etsuChemical Co.,Ltd.)，使刚性限制层2玻璃基片另一侧与偶联剂材料密切接触，使特征结构层1与刚性限制层2紧密粘合。如图3（d）所示。

（5）脱模；

采用“揭开”式脱模方法将制造完成的复合软模具与母模分离，完成复合模具的制造。脱模后的结构如图3（e）所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具，其特征是，它包括：特征结构层、刚性限制层和弹性支撑层；所述特征结构层包含所要复制的微纳米图形结构；刚性限制层位于特征结构层之上，限制特征结构层的横向变形和纵向变形；弹性支撑层位于刚性限制层之上；所述刚性限制层采用玻璃或者透明环烯烃聚合物。

2.如权利要求1所述的用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具，其特征是，所述特征结构层采用氟聚合物基材料，其厚度是10-50微米。

3.如权利要求1所述的用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具，其特征是，所述刚性限制层的厚度是80-150微米。

4.如权利要求1所述的用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具，其特征是，所述弹性支撑层采用PDMS或者透明PET材料，厚度是100-600微米。

5.如权利要求1所述的用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具，其特征是，所述特征结构层弹性模量的范围：0.5GPa-3GPa。

6.如权利要求1所述的用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具，其特征是，所述刚性限制层弹性模量的范围：50GPa-100GPa。

7.如权利要求1所述的用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具，其特征是，所述弹性支撑层弹性模量的范围0.5MPa-2MPa。

8.如权利要求1所述的用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具的制造方法，其特征是，它的制造工艺步骤为：

（1）制造母模；

以硅或石英为基材，采用电子束直写光刻、激光干涉光刻或全息光刻方法，并结合刻蚀工艺制造母模；

（2）制作刚性限制层和弹性支撑层并结合刚性限制层和弹性支撑层；

（3）制作特征结构层；

在母模上涂铺特征结构层，特征结构层的厚度是10-50微米；

（4）结合特征结构层和刚性限制层；

在特征结构层之上涂覆一层透明的偶联剂材料或者进行表面粘附性处理，使刚性限制层和特征结构层永久结合；

（5）脱模；

采用“揭开”式脱模方法，使将制造完成的复合软模具与母模分离，完成复合模具的制造。

9.如权利要求8所述的用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具的制造方法，其特征是，所述步骤（2）的具体步骤为：

（a）选取厚度为80-150微米玻璃或者透明环烯烃聚合物为刚性限制层，清洗和去油污后，吹干处理；

（b）选取PDMS制作弹性支撑层，采用以硅为基底，在其上浇注液态PDMS材料，厚度为100-600微米，在5-20Pa真空环境下，在50-65℃下固化10-24小时；

（c）PDMS表面处理，采用氧等离子体表面处理工艺对PDMS表面进行处理，处理时间200-400s；

（d）使刚性限制层与弹性支撑层保持一定的压力条件下紧密接触4-5小时，实现刚性限制层和弹性支撑层的永久键合或者粘合。

10.如权利要求8所述的用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具的制造方法，其特征是，所述弹性支撑层选用PET材料；在步骤（2）中，其制造方法是PET材料直接和刚性限制层键合或者粘合在一起。