CN1727993A - 用于纳米压印的压模及其制备方法 - Google Patents

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本发明属于纳米压印技术，提供一种纳米压印的压模，其包括一基底；多个纳米结构形成于该基底，其与该基底是一整体；及一镀层覆盖于该纳米结构的表面；该镀层是纳米类金刚石碳膜或纳米晶金刚石膜。所述基底及纳米结构的材料是选自碳化硅、氮化硅或碳氮化硅。上述镀层厚度为纳米级，最好在10纳米以下。另外，本发明还提供这种压模的制备方法。首先利用微影蚀刻技术于硅基底形成纳米图案，然后沉积形成初步模仁，最后镀上纳米类金刚石碳膜或纳米晶金刚石膜得到纳米压印的压模。

Description

用于纳米压印的压模及其制备方法
【技术领域】
本发明是关于纳米压印技术，特别是关于一种用于纳米压印的压模及其制备方法。
【背景技术】
纳米压印技术是一种能够制备线宽小于100纳米形状图案的新兴技术，特别适用于大批量、重复性、精确制备纳米图形结构。纳米压印技术为制备更小尺寸结构图案提供一种新的可能，其可与其它技术结合应用于半导体电子器件，光电器件或光学器件制备，数据存储以及生物芯片等众多领域。
相对于其它能够实现制备纳米图案的技术(如扫描隧道显微镜、原子力显微镜，电子束刻印术以及极端紫外线光刻技术等)，纳米压印技术具有操作简单，分辨率高，重复性好，费时少，成本费用低等优点。
由于纳米压印技术具有上述优点，该技术近年来发展迅速。纳米压印技术目前主要有热压雕版压印法及步进-闪光压印法，前者是Stephen Y. Chou于1995年首先提出，请参见：Chou S Y，Krauss P R，Renstrom P J，“Imprint ofsub-25nm vias and trenches in polymer”，Applied Physics Letter，1995，Vol.67(21)，P3114-3116；以及文献：Chou S Y，Krauss P R，Renstrom P J，“ImprintLithography with 25-nanometer Resolution”，Science，1996，Vol.272，P.85-87。后者请参见文献：Colburn M，Johnson S，Stewart M，et al，“Step and FlashImprint Lithography：An Alternative Approach to High Resolution Patterning”，Proc SPIE，1999，Vol.3676，P379。
上述两种技术的工艺大致相同：均需要先制备具有纳米形状图案的压模(即模仁)，然后利用该压模进行压印过程，最后进行图形转移。二者最大区别在于压印过程不同，热压雕版压印法是采用加热的聚合物压印后冷却，而步进-闪光压印术则是采用紫外光照射室温的聚合物实现固化，并可通过步进移动压模重复压印出多个纳米图案。详细内容请参见下列文献：LiangYing-xin，Wang Tai-hong，“A New Technique for Fabrication of Nanodevices-Nanoimprint Lithography”，Micronanoelectronic Technology，2003，Vol.4-5。
对于纳米压印技术的压模而言，由于进行压印时压模需与基片表面聚合物薄膜之间产生物理接触，此接触与分离过程中压模的变形及磨损会严重影响图形传递质量，所以，压模的强度及材料的选择意义非常重要。
在选择压模材料时一般需考量以下因素：
(1)高努普(Knoop)硬度、大压缩强度、大抗拉强度，以减少压模的变形及磨损；
(2)高导热率及低热膨胀系数，以减小加热过程中压模的热变形；
(3)抗腐蚀性优良，以适应清洁压模时不被强酸及有机溶剂腐蚀；
(4)易脱模，即压模与基片表面的模压材料(一般为聚合物薄膜)之间粘着力较小，而模压材料与基片之间粘着力较大为佳。
目前，压模通常采用硅(Si)，氧化硅(SiO2)以及氮化硅(Si3N4)等材料制成。
例如：2004年4月29日公开的美国专利申请公开第20040081798号涉及一种硬化纳米压印的压模(Hardened Nano-imprinting Stamp)及其制备方法。其涉及的压模包括基底，基底表面形成有多个纳米结构(例如长方形纳米结构)。基底是由硅、单晶硅、多晶硅、氧化硅或氮化硅材料制成；纳米结构是由硅、多晶硅制成。另外，该压模经过等离子体(Plasma)处理形成一层硬化外壳(Hardened Shell)，使得其模压面硬化，提高其强度及抗磨损性能。该硬化外壳是由碳化硅、氮化硅或碳氮化硅渗透形成。
另外，美国专利申请公开第20040081800号公开一种微铸碳化硅纳米压印模及制造方法。其采用一种微铸技术形成一基础层及多个与基础层相连的纳米结构。该基础层及纳米结构是一整体，而且全部用包含碳化硅(SiC)的材料制成，碳化硅比硅硬度要大。
但是，上述纳米压印的压模使用时易与基片表面的聚合物薄膜粘连，使得压印与分离过程中图形传递产生变形，从而降低最终压印产品的分辨率，严重者甚至导致纳米图案损坏。
有鉴于此，提供一种硬度高、抗磨损、抗腐蚀且不易粘连压印材料的纳米压模实为必要。
【发明内容】
为解决现有技术的上述问题，本发明的第一目的在于提供一种硬度高、抗磨损、抗腐蚀且不易粘连压印材料的纳米压模，其可用于纳米压印技术。
本发明的第二目的在于提供上述压模的制备方法。
为实现本发明的第一目的，本发明提供一种纳米压印的压模，其包括：
一基底；
多个纳米结构自该基底延伸出；及
一镀层覆盖于该纳米结构的表面；
其中，该镀层是纳米类金刚石碳膜或纳米晶金刚石膜。
上述基底及纳米结构的材料是选自碳化硅、氮化硅或碳氮化硅。
上述镀层厚度为纳米级，最好在10纳米以下。
为实现本发明第二目的，本发明提供一种纳米压印的压模的制备方法，其包括步骤：
于硅基底上形成纳米图案；
于形成有纳米图案的硅基底表面沉积压模材料，形成初步模仁；
于初步模仁的表面镀上一薄膜，该薄膜是纳米类金刚石碳膜或纳米晶金刚石膜。
上述于硅基底上形成纳米图案是利用微影蚀刻方法实施。
所述硅基底材料包括硅、单晶硅或多晶硅。
所述压模材料包括碳化硅、氮化硅及碳氮化硅。
相对于现有技术，本发明压模除了具有高硬度、导热性能优良、低热膨胀系数以及化学性质安定、不易被强酸或有机溶剂腐蚀等优点之外，还由于纳米类金刚石碳膜及纳米晶金刚石膜的润滑性而易脱模，减少于压印过程中与聚合物粘连作用。
【附图说明】
图1是本发明压模制备方法流程图；
图2是本发明实施例用于制备压模的硅基底的示意图；
图3是本发明实施例于硅基底表面沉积形成初步模仁的示意图；
图4是本发明实施例压模的示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图4，本发明实施例提供一种用于纳米压印的压模结构，该压模30包括一基底31，多个纳米结构32形成于该基底31表面，所述纳米结构32与基底31实际是一整体，且由相同材料制备而成。所述纳米结构是指尺寸小于100纳米或更小的各种形状、结构。这些形状、结构可构成具有某种功能的纳米图形或纳米器件。沿所述纳米结构32外形延伸的表面34形成有一层厚度非常薄的镀膜36，其是纳米类金刚石碳膜(Diamond Like Carbon，DLC)或纳米晶金刚石膜(Diamond Carbon)。所述镀膜36的厚度为纳米量级，最好为10纳米以下。
上述压模30的基底31及纳米结构32是由碳化硅(SiC)、氮化硅(SiNx)或碳氮化硅(SiCyNx)制备而成。上述碳化硅、氮化硅及碳氮化硅材料具高硬度、导热性能优良、低热膨胀系数以及化学性质稳定、不易被强酸或有机溶剂腐蚀的优点，所以，非常适合作为压模的材料。而且，纳米类金刚石碳膜及纳米晶金刚石膜既有高硬度、高导热性的特点，且具有润滑性，易脱模，使得压模容易与压印材料分离，确保压印过程中纳米形状图案的转印质量。
下面介绍本发明实施例压模30的制备方法。
请参见图1，是本发明实施例压模30的制备方法流程图，其包括下列步骤：
步骤10，以硅材料为基底，利用微影蚀刻技术产生纳米图案。
步骤12，以形成有纳米图案的硅基底为模，利用化学气相沉积法沉积压模材料形成初步模仁。
步骤14，利用PVD(物理气相沉积)或CVD(化学气相沉积)方法在初步模仁表面形成镀层，从而得到最终压模。
请一并参见图2至图4，下在以具体实施例详细说明本发明的制备方法。
首先，于一硅基底20表面经微影蚀刻技术形成纳米图案。上述硅基底20可包括硅、单晶硅以及多晶硅在内。上述硅材料是半导体蚀刻常用的基底材料，适合作为微影蚀刻的基底。微影蚀刻技术也是较为成熟的技术，常用于半导体微细加工制程。虽然传统微影蚀刻技术适合加工微米级图案，但选用合适的光波亦可应用于制备纳米图案。所述纳米图案包括各种形状，如长条形、圆柱形等，其尺寸小于100纳米或更小。如图2所示，经微影蚀刻之后，硅基底20表面形成多个纳米结构22，其与硅基底20实际为一整体。相邻纳米结构22之间形成一纳米尺寸之凹槽23，该凹槽23的形状是预先设计成与最终压模的纳米结构形状基本相配。
然后，以上述形成有纳米结构22及相应凹槽23的硅基底20为模，利用化学气相沉积法沉积压印材料形成初步模仁30’。上述化学气相沉积法是指金属氧化化学气相沉积(Metal Oxide Chemical Vapor Deposition，MOCVD)技术。优选的，为减少初步模仁30’与硅基底20之间的应力以利脱模，可预先于硅基底20表面镀一层缓冲层(Buffer Layer)再进行化学气相沉积过程。如图3所示，所得的初步模仁30’具有与前述凹槽23相吻合的多个纳米结构32，其顶部连成一体，不妨称之为基底31。初步模仁30’是碳化硅、氮化硅或碳氮化硅材料沉积而成。相较于硅材料，上述碳化硅、氮化硅及碳氮化硅具有更高硬度，以及导热性能优良，低热膨胀系数以及化学性质稳定、不易被强酸或有机溶剂腐蚀的优点。
最后，初步模仁30’脱模之后，于沿纳米结构32外表延伸的表面34均匀镀上一层薄膜，称之为镀膜36。该镀膜36是纳米类金刚石碳膜或纳米晶金刚石膜。所述镀膜36的厚度均匀，且为纳米量级，最好在10纳米以下。上述镀膜36的形成方法包括PVD及CVD方法。
由上述方法制备而成压模30之后，即可应用于纳米压印过程，可大批量重复压印得到纳米结构，其过程可参见文献，此处不再详细描述。

Claims (10)

1.一种用于纳米压印的压模，其包括：一基底；多个纳米结构自该基底延伸出；其特征在于，一镀层覆盖于该纳米结构的表面，该镀层是纳米类金刚石碳膜或纳米晶金刚石膜。
2.如权利要求1所述的压模，其特征在于该基底及纳米结构的材料是选自碳化硅、氮化硅或碳氮化硅。
3.如权利要求1所述的压模，其特征在于该镀层厚度为纳米量级。
4.如权利要求3所述的压模，其特征在于该镀层厚度小于10纳米。
5.一种纳米压印的压模的制备方法，其包括步骤：步骤一，在硅基底上形成纳米图案；步骤二，在形成有纳米图案的硅基底表面沉积压模材料，形成初步模仁；步骤三，在初步模仁的表面镀上一薄膜，该薄膜是纳米类金刚石碳膜或纳米晶金刚石膜。
6.如权利要求5所述的压模的制备方法，其特征在于该硅基底材料是选自硅、单晶硅或多晶硅。
7.如权利要求5所述的压模的制备方法，其特征在于该压模材料包括碳化硅、氮化硅及碳氮化硅。
8.如权利要求5所述的压模的制备方法，其特征在于该薄膜的厚度为纳米量级。
9.如权利要求8所述的压模的制备方法，其特征在于该薄膜厚度小于10纳米。
10.如权利要求5所述的压模的制备方法，其特征在于步骤一于硅基底上形成纳米图案是利用微影蚀刻方法而实施。
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