-
随着科技的进步和发展，
人们从理论
和实验研究中发现，
当许多
材料被加工为具有纳米尺度范围的形
状时，
会呈现出与大块材料完全
不同的性质。
< br>这些特异的性质向人们展现了令人兴奋的应用前景。
而
在
开发超大规模集成电路工艺技术的过程中，
人们已经开发了一些能
够进行纳米尺度加工的技术，
例如电子束与
X
射线曝光，
聚焦离子束
加工，扫描探针刻蚀制技术等。
但这些技术的缺点是设备昂贵，产量
低，
因而产品价格高昂。<
/p>
商用产品的生产必须是廉价的、
操作简便的，
可工业化批量生产的、高重复性的；对于纳米尺度的产品，还必须是
能够保持它所特
有的图形的精确度与分辩率。
针对这一挑战，
美国
“明
尼苏达大学纳米结构实验室”从
1995
年开始进行了开创性的研究，
他们提出并展示了一种叫作
“纳米压印”
(
nanoimprint
lithography
)
的
新技术
[1]
。
纳
米材料在电子、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要
应用而引起人们的高度
重视
.
一
纳米材料的概述：从分子识别、分子自组装、吸附分子与基底
的相互
关系、
分子操作与分子器件的构筑，
并通过具体的例证加以阐<
/p>
述，
包括在
STM
操作下单分子反应有机小分子在半导体表面的自指
导生长
;
多肽
-
半导体表面特异性选择结合
.
生物分子
/<
/p>
无机纳米组装
体、光驱动多组分三维结构组装体、
DNA
分子机器。
所谓纳米材料指的是具有纳米量级从分
1~100
nm
的晶态
或非晶态超微粒构成的分
子识别走向分子信息处理和自组织作用的
固体物质。
纳米压印技术具有产量高、
成本低和工艺简单的优点，
< br>是纳米尺寸电
子器件的重要制作技术。
纳米压印技术主要
包括热压印、
紫外压印
(
含
步进—闪光压印
)
和微接触印刷等。本文首先描述
了纳米压印技术的
基本原理，
然后介绍了传统纳米压印技术的新
进展，
如气压辅助纳米
压印技术、激光辅助压印技术、静电辅助
纳米压印技术、超声辅助纳
米压印技术和滚轴式纳米压印技术等。
最后特别强调了纳米压印的产
业化问题。我们希望这篇综述能够引起国内工业界和学术
界的关注，
并致力于在中国发展纳米压印技术。
这是一种全新的图形转移技术。
纳米
压印技术的定义为：
不使用
光线或者辐照使光刻胶感光成形，<
/p>
而是直接在硅衬底或者其它衬底上
利用物理学的机理构造纳米尺寸
图形。
目前，
这项技术最先进的程度
已
达到
5nm
以下的水平
[2]
。纳米压印技术主要包括热压印
(HEL)
、
紫
外压印
(UV - NIL)
、
微接触印刷
(μCP)
。
< br>纳米压印是加工聚合物结构的
最常用方法，
它采用高分辨
率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图
案制在印章上，
然后用
预先图案化的印章使聚合物材料变形而在聚合
物上形成结构图案。
我们首先描述了纳米压印技术的基本原理，
然后
介绍了传统纳
米压印技术以及纳米压印技术的新进展，
最后别强调
了纳米压印的产业化问题。
1
纳米压印技术的基本原理
纳米压印的
具体工艺由于材料、
目标图形和产品用途的不同而不
同，
但其基本原理和工作程序是相同的。
最基本的程序包含两个主要
步骤：图形复制
(imprint)
和图形转
移
(pattern
transfer)
，如图
(1)
所示。
在一块基片<
/p>
(
通常是硅片
)
上
“涂”
(spin
：
旋覆
)
上一层聚合物
(
如
PMMA
，
聚甲基
丙烯酸甲脂
)
，再用已刻有目标纳米图形的硬“印章”
(
如二氧
化硅“图章”
)
在一定的温度
(
必须高于聚合物的“
软化”温度
(glass -
transition tem
perature)
，和压力下去“压印”
(imprint)
PMMA
涂层，从
而实现图形的“复制”
。下一步是脱模。将“印章”从压印的聚合物
中释放。
然后把
这个聚合物图案转移到衬底材料或其它材料上去。
图
(2)
显示了硅印章，压印的聚合物图形结构和通过溶脱技术得到的金
属图
形结构。
图（
1<
/p>
）纳米压印工艺流程
纳米压印的原理虽
然很简单，
但由于其产品图形过于精细，
即使
< br>是最基本的程序其工艺的每一步也需十分小心处理。
首先，
要适当地
选择聚合物作涂层。
大多数微电子工艺技术中使用的
聚合物
“抗蚀剂”
(resist)
都可以用来作为压印层。
例如
PMMA
就是一种最常用的电子
束
曝
光
抗
蚀
剂
。
然
后
要
选
< br>择
它
的
软
化
温
度
(glass-
transition
temperature)
、
分子量和涂层厚度。
当温度在聚合物的软化温度之上时，
聚合物变成一种可流动的粘性液体因而可供塑形；
而分子量直接与聚
合物的粘性有关；分子量愈小，聚合物的粘性愈小，愈容易流动
[3]
。
常用的
PMMA
的分子量从
50k
到
980k
而膜的厚度在
50nm
～
400nm
之间
(
与浓度有关
)
[4]
。另外，复制时的温度和压力也十分
重要。对
PMMA
材料，常用的压力和温度分别是
50bar
和
100
℃～<
/p>
200
℃，这
还要视所用的聚合物的性质
而定
[3]
。
一组典型的工艺流程参数是：
在硅基底上旋转涂附
(spin
)
一层
50k
的
PMMA(
厚度为
100nm
～
200nm)
，
然后加热到高于
PMMA
的软化温
度<
/p>
(175
℃
)
后
，将已制好的刻有纳米图形的模具以
50bar
的压力压在
PMMA
上并保持一段时间，
然后逐渐降低
温度至
40
℃时释放模具。
然
后用对
PMMA
进行氧气反应离子刻蚀
(Reactive ion etching)
，以清除
被压印区的残余的
PMMA
，再沉积一层金属钛<
/p>
(Ti)
在整个膜面上；再
用氧气反应离
子刻蚀进行“溶脱”
(lift
-
off)
，去除
PMMA
以及附着
其上的钛，于是最终在硅基底上留下钛的纳米图形
(60nm
厚
)
[4]
。
2
纳米压印技术的新进展
在纳米压印技
术的发展历程中，近年出现了一些新的实现方法，
或者是在传统技术上进行改进，
如激光辅助纳米压印技术、
静电辅助
纳米压印
技术、气压辅助纳米压印技术、金属薄膜直接压印技术、超
声波辅助熔融纳米压印技术、
弹性掩模版压印技术和滚轴式纳米压印
技术等。
金属薄膜直接压印技术是在
Si
基板上利用离子束溅射技术产生
一层
Cu
< br>、
Al
和
Au
< br>等金属薄膜，直接用超高压在金属薄膜上压印出图
案。此工艺需要油压系统提供超
高的压印压力，达到几百
MPa
。有文
章称利用
50000N
的高压可以在
2
20nm
厚的金属薄膜上压出
73nm
～
169nm
的压痕
[5]
。
如此高压有可能会将基板压坏，
为了解决这个问
题，
在金属薄膜和基板之间加入一层缓冲层
(NEB -
22
或
SUB - 8)
[6]
，缓冲
层可以使压力减少为原来的
1%
，只需要
2MPa
～
40MPa
。同时使用尖
锐的掩模板，以增强对薄膜的压力，如
图
2
所示。
激光辅助压印技术
[7]
就是用高能准分子激光透过掩模版直接
熔
融基板，在基板上形成一层熔融层，该熔融层取代传统光刻胶，然后
< br>将模板压入熔融层中，
待固化后脱模，
将图案从掩模板直
接转移到基
板之上。
采用的准分子激光波长要能透过掩模版而能
量尽量避免被吸
收，掩模版常采用
SiO
2
。据报道利用激光融化
Si
基板进
行压印工艺可
以实现低于
10nm
的特
征线宽，工艺流程如图
3
所示。因为是直接将图
案转移到基板之上，不需要蚀刻过程，也减少了曝光和蚀刻等工艺，
可以大大减
少纳米压印的时间，降低生产成本。