CN103926790A - 具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置及方法，主要包括以下机构：大理石减震台，Z轴平台，定向导杆底座，导杆，下腔固定底板，下腔，XYZT四轴平台，基底固定平台，涂有抗刻蚀剂晶圆，压印模板，压印头部，上腔，压印头部支撑基座，紫外光源，对准机构。通过运动机构，光学系统，对准机构，控制系统等将压印模板图形转移到涂有抗刻蚀剂晶圆上。

Description

具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置及方法

技术领域

本发明涉及一种可用于器件制造如半导体器件，光学器件和生物制品的纳米压印装置，涉及掩模与衬底对准，LED紫外冷光源固化纳米压印装置，属于微纳制造和器件制造技术领域。

背景技术

随着科技的进步，适应半导体集成电路技术的飞速发展，普通的光学光刻分辨率已经达到了极限。随之而来，最近几年出现了普通光学光刻技术的替代技术：极紫外光刻(EUV)技术和纳米压印技术(NIL)。极紫外光刻技术使用波长11～13nm的极紫外光，采用精度极高的反射式光学系统，以避免折射系统中强烈的光吸收，如何实现足够功率的短波长光源也是一个难点，整个光刻系统造价非常昂贵。除极紫外光刻之外，比较有前途的技术还有电子束光刻、X射线光刻，但其也存在一些不足之处，如产出低，模板难以制作等，从而离工业化应用还有一段距离，同时整个光刻系统造价非常高。作为可商用化的产品，必须具有较高的性价比，操作简单、可靠、易行，同时可实现工业化生产、高的重复性。纳米压印光刻技术的提出，避免使用昂贵的光学系统，大大降低了成本。

纳米压印光刻技术(Nanoimprint Lithography，NIL)是由美国明尼苏达大学纳米结构实验室Stephen Y.Zhou教授于1995年开始进行了开创性的研究，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。通过近二十年的发展，纳米压印光刻已作为32、22和16nm节点的集成电路制造技术列入国际半导体技术路线图(ITRS)，成为公认的低成本、高分辨率、大面积图形加工技术。纳米压印技术主要包括热压印(HEL)、紫外压印(UV-NIL)(包括步进-闪光压印(S-FIL))、微接触印刷(μ-CP)。主要应用领域：高亮度光子晶体LED、高密度磁盘介质(HDD)、光学元器件(光波导、微光学透镜、光栅)、生物微流控器件等领域。对于可实现大面积，整片晶圆纳米工业化生产工艺的需求亟需提上日程。目前，可用于大面积及整片晶圆规模化工业生产的纳米压印方法主要有两种：步进重复纳米压印工艺(Step-and-repeat NIL)和单步整片晶圆纳米压印工艺。两者大面积纳米图形化工艺相比较，后者具有生产率高、图形均一性好等显著的优点。同时整片晶圆进行纳米压印也面临着许多新的挑战：(1)如何大面积或整片晶圆上施加均一的压印力；(2)如何控制压印力的大小；(3)消除纳米压印过程中气泡的产生；(4)解决脱模困难问题；(5)对准机构；(6)控制压印晶圆残留层均一性及薄残留层；(7)晶圆面固体颗粒控制；(8)晶圆压印效率控制。因此，迫切需要开发一种新的整片晶圆纳米压印设备，整片晶圆纳米图形的复制，尤其是可实现工业化生产。

发明内容

本发明目的是提供一种具有对准机构的自动脱模纳米压印设备，解决了压应力在有效面积内均匀分布，有效做到较小脱膜力、气泡消除、残留层薄且均一，解决了大面积脱膜方法等挑战性工作。为微纳结构图形化提供了一套低成本、工艺简单适合规模化生产的方法。

本发明能够实现规模化，大面积压印工艺的基本原理：

引入具有一定韧性的透明软模板，可以使压印模板中心与涂有抗刻蚀剂的结构晶圆的抗刻蚀剂先接触，实现抗刻蚀剂填充压印模板的结构，随后，通过XYZT四轴中Z轴移动，可以使其由中心向四周线接触式均匀接触，同时压印模板与涂有抗刻蚀剂的结构晶圆的腔室抽真空，有利于消除气泡，可在小压印力下实现图形的复制，保证转移图形的保真度。脱模过程打开脱模吹气管路，同时控制Z轴向下移动，在脱模吹气管路1212和Z轴向下移动拉力共同作用下脱模，实现从晶圆四周向中心线分离式连续脱模，可实现小脱模力大面积压印脱模；避免大脱模力对模板和转移图形的损坏。同时，脱模过程中使得压印模板与压印基底实现自动分开，达到“解放双手”，使压印过程中避免人为的因素对压印的影响-传统压印过程通过双手去手动脱模，使模板与基底在脱模过程中受力不均匀导致应力集中致使模板、基底两者其中之一损坏或两者都损坏。

为实现上述目的，本发明采用以下技术解决方案：

具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置，主要包括：大理石减震台，Z轴平台，定向导杆底座，导杆，下腔固定底板，下腔，XYZT四轴平台，基底固定平台，涂有抗刻蚀剂晶圆，压印模板，压印头部，上腔，压印头部支撑基座，紫外光源，对准机构，控制系统；其中，Z轴平台和定向导杆底座固定于大理石减震台上，导杆与定向导杆底座连接，Z轴平台另一端与下腔固定底板连接由导杆进行Z轴导向，XYZT四轴平台固定于下腔内，晶圆固定于基底固定平台上，压印模板固定在压印头部上，压印头部与上腔连接，压印头部由支撑基座固定，与导杆连接，紫外光源和对准机构置于压印头部之上；

所述压印头部，包括透明可视窗口，固定框，可视窗口固定在固定框上进行密封；

所述透明可视窗口材料具有透过紫外线的功能，可以是石英，玻璃，聚碳酸酯(PC)，对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和有机玻璃(PMMA)中的一种，但不限于以上可作为透明可视窗口材料；

所述固定框开有压力管路和模板固定机构，模板固定机构也可是真空管路或机械固定机构之一，但不限于以上模板固定机构；

所述上腔开有真空/脱模吹气管路；

所述压印模板是具有一定韧性的模板，旭硝子玻璃压印模板或PDMS复合模板，但不限于以上所述压印模板；

所述紫外光源和对准机构进行切换；

所述控制系统主要控制紫外光源和对准机构进行切换、XYZT四轴运动、Z轴运动、对准机构CCD可视、各气路的打开关闭；

具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置的压印方法，它包括以下步骤：

1)预处理过程

将压印模板通过真空方式固定在压印头部上；将涂有抗刻蚀剂的结构晶圆通过真空固定在基底固定平台上，尽可能使需套刻图案偏差小；通过Z轴平台将下腔与上腔闭合；

2)对准过程

将对准机构置于压印头上，通过程序控制XYZT平台使涂有抗刻蚀剂的结构晶圆与压印模板进行套刻；套刻完成后将紫外光源14切换到压印头部上；

3)压印过程

首先，打开上压印头部的压力管路，打开真空管路使压印模板具有微小形变，通过利用程序控制XYZT的Z轴使晶圆向压印模板移动，气体压印力，毛细作用，晶圆对模板压力三者的共同作用下，压印模板在中心位置纵向产生弯曲变形，压印模板中心开始接触涂铺有抗蚀剂的晶圆上的抗蚀剂，随着Z轴的移动，压印模板的结构层与抗蚀剂的接触由中心向四周扩散，面积不断扩大，直至整个模板结构层与涂有抗蚀剂的整片晶圆上的抗蚀剂完全接触，压印模板中的所有微纳米结构腔体被抗蚀剂所充填；最后，使Z轴移动到目标位置，使溶胶-凝胶抗蚀剂材料在压印模板微纳米结构腔体内的完全充填，并且减薄至预定的残留层厚度；

4)固化过程

开启紫外光光源，紫外光线透过可视窗口和压印模板对抗蚀剂固化；

5)脱模过程

关闭压印头部的压力管路，打开真空管路，打开脱模吹气管路，同时控制Z轴向下移动，在脱模吹气管路和Z轴向下移动拉力共同作用下脱模，实现从晶圆四周向中心连续脱模；

6)后处理过程

通过移动Z轴使上、下腔分离，取出压印好的整片晶圆。

所述压印模板中心与晶圆中心对称；

所述步骤2)、3)和步骤4)中，对准过程、压印过程和脱模过程以压印模板中心为对称轴，压印模板均匀、对称受力，压印和脱模过程四周同时进行；

所述步骤中固化时间10s-300s；

所述紫外光源14采用强紫外线高压汞灯(UV灯)，功率密度：20-100W/cm，光谱主峰365nm，光量度范围值：600～1000mJ/cm²、辐照距离40～120mm；

本发明显著优势在于：1)采用具有一定韧性的压印模板，实现压印模板与晶圆有中心向四周扩散式接触排除空气；2)下腔在压印过程中是负压，减少气泡的产生；3)采用韧性模板，容易脱模，图形复制缺陷少；4)本发明采用脱模管路，提高脱模效率；5)实现自动脱模，在压印过程中避免人为的因素对压印的影响；6)能够制作出高精度的纳米套刻图形；7)可以实现大面积纳米结构图形均匀转移；8)压印过程通过程序集成于一键控制，提高效率。

附图说明

附图以提供对本发明的进一步理解，将其并入并构成本发明申请的一部分，附图用于说明本发明的实施例并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1a是本发明装置主视图结构示意图

图1b是本发明装置等轴测图结构示意图

图2a为压印模板主视图结构示意图

图2b为压印模板顶视图结构示意图

图3a是本发明压印头的三维结构示意图

图3b是图3a的底视图

图3c是图3b的A-A面剖视图

图3d是图3c的B局部放大视图

图4是上腔结构示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1a-1b所示，本发明压印装置主要包括：大理石减震台1，Z轴平台2，定向导杆底座3，定向导杆4，下腔固定底板5，下腔6，XYZT四轴平台7，基底固定平台8，涂覆有抗刻蚀剂晶圆9，压印模板10，压印头部11，上腔12，压印头部支撑基座13，紫外光光源14，对准机构15，控制系统16；其中，Z轴平台2和定向导杆底座3固定于大理石减震台1上，导杆4与定向导杆底座3连接，Z轴平台2另一端与下腔固定底板5连接由导杆4进行Z轴导向，XYZT四轴平台7固定于下腔6内，晶圆9固定于基底固定平台8上，压印模板10固定在压印头部11上，压印头部11与上腔12连接，压印头部11由支撑基座13固定，与导杆4连接，紫外光源14和对准机构15置于压印头部之上，控制系统16主要控制紫外光源和对准机构进行切换、XYZT四轴运动、Z轴平台运动、对准机构CCD可视、各气路的打开关闭；

图2a-2b中，所述压印模板10具有一定韧性的透明模板，可以是具有纳米结构模板的Schott玻璃模板，厚度为200-500um，结构层厚度100nm-10um。压印模板尺寸200mm；也可以复合模板，PET，PMMA，PC等透明材料为支撑层，厚度为500-1000um，结构层为PDMS厚度100-200um；压印模板是以上之一但不限于以上。本实施例首选PET-PDMS复合模板，PET尺寸为200mm，厚度500um；PDMS结构层与PET中心对称，其大小至少为4inch，优选大于4inch；软模板的光栅几何参数：周期600nm，占空比为1∶1，高度200nm。

图3a-3d中，所述压印头部11，包括透明可视窗口1120，固定框1110，可视窗口固定在固定框上进行密封；透明可视窗口1120材料具有透过紫外线的功能，可以是石英，玻璃，聚碳酸酯(PC)，对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和有机玻璃(PMMA)中的一种，但不限于以上可作为透明可视窗口材料；固定框1110开有压力管路1111和模板固定机构1112，模板固定机构也可是真空管路或机械固定机构之一，但不限于以上模板固定机构；

图4中，一种实施例上腔开有真空管道1211和脱模吹气管道1212；

实施例中紫外光光源14通过导轨(未示出)与对准机构15进行切换；

实施例中优选紫外光源14采用强紫外线高压汞灯(UV灯)，功率密度：50W/cm，光谱主峰365nm，光量度范围值：600～1000mJ/cm²、辐照距离40～120mm；

1)预处理过程

首先，在4inch具有结构的Si片通过匀胶机涂覆150nm的抗刻蚀剂，然后将该涂覆有抗刻蚀剂的晶圆9打开基底吸附通路固定在基底固定平台8上；之后，将Schott压印模板10打开真空管路1112吸附在压印头部上；通过Z轴平台2将下腔6与上腔12闭合密封；

2)对准过程

首先，通过导轨将对准机构15置于压印头上，通过程序控制XYZT平台使涂覆有抗刻蚀剂的结构晶圆9与压印模板10距离为30-50um时进行套刻；套刻完成后将紫外光光源14切换到压印头部上方，距离透明可视窗口(1120)40mm；

3)压印过程

首先，打开上压印头部的压力管路1111，打开真空管路1211使压印模板具有微小形变，形成一个球面，通过利用程序控制XYZT的Z轴使涂覆有抗刻蚀剂的结构晶圆9向压印模板10移动，气体压印力，毛细作用，晶圆对模板压力三者的共同作用下，压印模板10在中心位置纵向产生弯曲变形，压印模板中心开始接触涂铺有抗蚀剂的晶圆9上的抗蚀剂，随着Z轴的移动，压印模板10的结构层与抗蚀剂的接触由中心向四周扩散，面积不断扩大，直至整个模板结构与涂有抗蚀剂的整片晶圆上的抗蚀剂完全接触，压印模板中的所有微纳米结构被抗蚀剂所充填；最后，使Z轴移动到目标位置，使溶胶凝胶抗蚀剂材料在压印模板10微纳米结构腔体内的完全充填，并且减薄至预定的残留层厚度25nm；

4)固化过程

开启紫外光光源14，紫外光线透过可视窗口和压印模板对抗蚀剂固化，固化时间为60s；

5)脱模过程

关闭压印头部的压力管路1111，打开1211真空管路，打开脱模吹气管路1212，同时控制Z轴向下移动，在脱模吹气管路1212和Z轴向下移动拉力共同作用下脱模，实现从晶圆四周向中心连续脱模；

6)脱模过程

通过移动Z轴使上、下腔分离，取出压印好的整片晶圆。

另外，对于领域的技术人员可在不脱离本发明精神和范围内对本发明做出各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖所附权利要求及其等同物范围内对本发明的各种修改和变化，都应属于本发明的保护的范围。

Claims (11)

1.一种具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置，其特征在于：主要包括，大理石减震台1，Z轴平台2，定向导杆底座3，导杆4，下腔固定底板5，下腔6，XYZT四轴平台7，基底固定平台8，涂有抗刻蚀剂晶圆9，压印模板10，压印头部11，上腔12，压印头部支撑基座13，紫外光源14，对准机构15；其中，Z轴平台2和定向导杆底座3固定于大理石减震台1上，导杆4与定向导杆底座3连接，Z轴平台2另一端与下腔固定底板5连接由导杆4进行Z轴导向，XYZT四轴平台7固定于下腔6内，晶圆9固定于基底固定平台8上，压印模板10固定在压印头部11上，压印头部11与上腔12连接，压印头部11由支撑基座13固定，与导杆4连接，紫外光源14和对准机构15置于压印头部之上，控制系统主要控制16紫外光源和对准机构进行切换、XYZT四轴运动、Z轴运动、对准机构CCD可视、各气路的打开关闭。

2.如权利要求1所述的具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置，其特征在于，所述压印头部11，包括透明可视窗口1120，固定框1110，可视窗口固定在固定框上进行密封。

3.如权利要求2所述的具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置，其特征在于，所述透明可视窗口1120材料具有透紫外线功能，可以是石英，玻璃，聚碳酸酯(PC)，对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和有机玻璃(PMMA)中的一种，但不限于以上可作为透明可视窗口材料。

4.如权利要求2所述的具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置，其特征在于，所述固定框1110开有压力管路1111和模板固定机构1112，模板固定机构一颗是真空管路或机械固定机构之一，但不限于以上模板固定机构。

5.如权利要求1所述的具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置，其特征在于，所述上腔12开有真空/脱模吹气管路1210。

6.如权利要求1所述的具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置，其特征在于，所述压印模板10是具有一定韧性的模板，玻璃压印模板或PDMS复合模板，但不限于以上所述压印模板。

7.如权利要求5所述的具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置，其特征在于，所述紫外光源14和对准机构15进行切换。

8.一种采用权利要求1所述具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置的压印方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)预处理过程

将压印模板10通过真空方式固定在压印头部11上；将涂有抗刻蚀剂的结构晶圆9通过真空固定在基底固定平台8上，尽可能使需套刻图案偏差小；通过Z轴平台2将下腔6与上腔12闭合；

2)对准过程

将对准机构15置于压印头上，通过程序控制XYZT平台使涂有抗刻蚀剂的结构晶圆9与压印模板10进行套刻；套刻完成后将紫外光源14切换到压印头部上；

3)压印过程

首先，打开上压印头部的压力管路1111，打开真空管路1211使压印模板具有微小形变，通过利用程序控制XYZT的Z轴使晶圆9向压印模板10移动，气体压印力，毛细作用，晶圆对模板压力三者的共同作用下，压印模板10在中心位置纵向产生弯曲变形，压印模板中心开始接触涂铺有抗蚀剂的晶圆9上的抗蚀剂，随着Z轴的移动，压印模板10的结构层与抗蚀剂的接触由中心向四周扩散，面积不断扩大，直至整个模板结构层与涂有抗蚀剂的整片晶圆上的抗蚀剂完全接触，压印模板中的所有微纳米结构腔体被抗蚀剂所充填；最后，使Z轴移动到目标位置，使溶胶凝胶抗蚀剂材料在压印模板10微纳米结构腔体内的完全充填，并且减薄至预定的残留层厚度。

4)固化过程

开启紫外光光源14，紫外光线透过可视窗口和压印模板对抗蚀剂固化。

5)脱模过程

首先，关闭压印头部的压力管路1111，打开1211真空管路，打开脱模吹气管路1212，同时控制Z轴向下移动，在脱模吹气管路1212和Z轴向下移动拉力共同作用下脱模，实现从晶圆四周向中心连续脱模。

6)脱模过程

通过移动Z轴使上、下腔分离，取出压印好的整片晶圆。

9.如权利要求8所述具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置的压印方法，其特征在于，压印模板中心与晶圆中心对称。

10.如权利要求8所述具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置的压印方法，其特征在于，所述步骤2)、3)和步骤4)中，对准过程、压印过程和脱模过程以压印模板10中心为对称轴，压印模板10均匀、对称受力，压印和脱模过程四周同时进行。

11.如权利要求8所述具有对准式自动脱模紫外纳米压印装置的压印方法，其特征在于，所述步骤4)中固化时间10s-300s。