青島理工大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 題目題目 納米壓印光刻機壓印頭的設(shè)計和數(shù)字納米壓印光刻機壓印頭的設(shè)計和數(shù)字 建模建模建模建模 學(xué)生姓名 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 指導(dǎo)教師 機械工程機械工程 學(xué)院學(xué)院 機械設(shè)計制造及其自動化機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè)專業(yè) 班班 2011 年 6 月 15 日 畢業(yè)設(shè)計 論文 任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計 論文 任務(wù)書 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班級 姓名 下發(fā)日期 2011 3 6 題目題目納米壓印光刻機壓印頭的設(shè)計與數(shù)字建模 專題專題 主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 及及 要要 求求 主要技主要技 術(shù)參數(shù)術(shù)參數(shù) 進(jìn)進(jìn) 度度 及及 完完 成成 日日 期期 教學(xué)院長簽字日 期教研室主任簽字日 期指導(dǎo)教師簽字日 期 指 導(dǎo) 教 師 評 語 指導(dǎo)教師 年 月 日 指 定 論 文 評 閱 人 評 語 評閱人 年 月 日 答 辯 委 員 會 評 語 指導(dǎo)教師給定 成績 30 評閱人給定 成績 30 答辯成績 40 總 評 答辯委員會主席 簽字 評 定 成 績 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 I 摘要摘要 納米壓印光刻技術(shù)作為一種新的技術(shù) 存在許多不足之處 本論文的設(shè)計方案有 助于增大納米壓印光刻機的壓印尺寸 根據(jù)此方案對壓印頭進(jìn)行設(shè)計和數(shù)字建模 在保證壓印頭的各種功能的基礎(chǔ)上 對壓印頭進(jìn)行總體設(shè)計 進(jìn)而對其各個單元 零件進(jìn)行設(shè)計 其中包括 壓下系統(tǒng)中的各個零件 壓印系統(tǒng)的各個零件 氣路系統(tǒng) 光源固化系統(tǒng) 并根據(jù)要求進(jìn)行了伺服電機 傳動部件的計算和初步選擇 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 壓印頭 精密加工 納米壓印 大面積壓印 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 II Abstract Nano stamping photolithography technology as a new technology there are many disadvantages In this paper the design scheme of the help increase pressure seal nano scanner stamping size according to the plan on the pressure seal head on design and digital modeling In guarantee stamping head all sorts of functions of the foundation on the head in overall design printed and the various units parts design including under the pressure of the system of each part stamping system of each part pneumatic systems light curing system And according to the requirements for servo motor transmission parts of the calculation and the primary choice Key words the pressure seal head Precision processing Nano pressure seal Large area stamping 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 III 目錄目錄 摘要摘要 I Abstract II 目錄目錄 III 第一章第一章 緒論緒論 1 1 1 光刻壓印技術(shù) 1 1 2 納米壓印技術(shù)及其發(fā)展 5 1 3 本論文研究的主要內(nèi)容和意義 14 第二章第二章 壓印頭總體結(jié)構(gòu)設(shè)計壓印頭總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 2 1 納米壓印方案 15 2 2 壓印頭的總體結(jié)構(gòu)形式 17 2 3 常見壓印頭的結(jié)構(gòu)形式 20 2 2 1 熱壓印 22 2 2 2 微區(qū)納米壓印 22 2 2 3 滾動式納米壓印 23 2 2 4 氣囊氣缸式真空紫外納米壓印 23 2 4 壓印頭的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 24 2 4 1 壓印頭結(jié)構(gòu)性能要求 24 2 4 2 壓印頭其他要求 25 2 5 壓印頭的總體結(jié)構(gòu)的確定 27 第三章第三章 壓印頭的建模壓印頭的建模 29 3 1 壓印頭各個零件設(shè)計 29 3 1 1 壓下系統(tǒng)零件設(shè)計 29 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 IV 3 1 2 壓印系統(tǒng)零件設(shè)計 33 3 2 壓印光刻機壓印氣路的設(shè)計 36 3 3 固化光源的設(shè)計 37 3 4 伺服電機的選擇 38 3 5 傳動部件的選擇確定 41 3 5 1 絲杠的選擇 41 3 5 2 聯(lián)軸器的選擇 44 第四章第四章 結(jié)論結(jié)論 46 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 47 致謝致謝 49 附件附件 1 50 附件附件 2 22 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 1 第一章第一章 緒論緒論 1 11 1 光刻壓印技術(shù)光刻壓印技術(shù) 1958 年美國德克薩斯儀器公司發(fā)明了集成電路 lntegrated circuit IC 之后 隨著 20 世紀(jì) 60 年代雙極型和 MOS 型集成電路的發(fā)展 標(biāo)志著由電子管和晶體管制造電子 整機的時代發(fā)生了質(zhì)和量的飛躍 并且創(chuàng)造了一個前所未有的具有極強滲透力和旺盛 生命力的新興產(chǎn)業(yè) IC 產(chǎn)業(yè) 以全球電子產(chǎn)品和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的強勁發(fā)展趨勢及在全球經(jīng) 濟中的主要地位 IC 產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代國民經(jīng)濟乃至地區(qū)安全和全球經(jīng)濟的晴雨表 是整個社會總體產(chǎn)業(yè)增長的動力和活力源泉 IC 制造具有復(fù)雜的工藝鏈 晶圓制備 電路制造 封裝等 其中電路制造過程最 為復(fù)雜 包括氣相沉積 光刻 刻蝕 離子注入 擴散和引線等 決定 IC 特征尺寸大 小的關(guān)鍵和瓶頸技術(shù)就是其中的光刻環(huán)節(jié) IC 特征尺寸的變化與光刻技術(shù)的發(fā)展關(guān)系 遵從著著名的摩爾定理 隨著 IC 特征尺寸的減小 采用的曝光方式從接觸式 接近式 到投影式 光源從 436 nm 365 nm 248 nm 到 193 nm 數(shù)值孔徑從 0 35 0 45 0 55 0 60 到 0 70 當(dāng)特征尺寸小于 100 nm 時 現(xiàn)有的工藝和光源都必須 再次更新 如離軸照明技術(shù) 相移掩模技術(shù) 浸沒透鏡技術(shù)籌作為目前提高光刻分辨 率的新技術(shù)正被研究和應(yīng)用 但也僅僅是對光刻分辨率的有限提高 為了更進(jìn)一步提 高光刻分辨率 延長光學(xué)光刻壽命 發(fā)展下一代的光學(xué)光刻技術(shù) 包括 X 射線 離子 束投影 無掩模 電子束投影 納米壓印和電子束直寫等成為必要 這些因素對我國 IC 業(yè)趕超西方先進(jìn)水平是非常不利的 不符合我國現(xiàn)有國情 只 有采用較低資金投入 繞開光刻中光學(xué)難題的全新光刻工藝思路 才會給我國 IC 業(yè)的 大發(fā)展帶來機會 盡快掌握 IC 制造核心技術(shù) 趕超西方先進(jìn)水平已經(jīng)成為國家政治 經(jīng)濟 軍事等發(fā)展的關(guān)鍵因素 下一代光刻技術(shù) 壓印光刻 lmprint lithography IL 就符合以上要求 自 20 世紀(jì) 60 年代以來 半導(dǎo)體技術(shù)取得了飛速的發(fā)展 到現(xiàn)在仍遵循著 摩爾 定律 保持強勁的發(fā)展態(tài)勢 摩爾定律 是 Intel 公司創(chuàng)始人之一的 Goldon Moore 于 1965 年提出的 即每隔約 18 24 個月 單個芯片上晶體管數(shù)目將增加 1 倍 為了趕上 迅速發(fā)精確度不夠 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 2 展的半導(dǎo)體技術(shù) 歐洲 日本 韓國 臺灣與美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會合作制訂了 國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖 ITRS 最新的藍(lán)圖進(jìn)程如圖 1 1 所示 圖 1 1 光刻技術(shù)潛在方案 藍(lán)圖認(rèn)為目前挑戰(zhàn)存在于拓展 193nm 節(jié)點光刻技術(shù)及發(fā)展新型下一代可替代方法 上 其中 拓展首先將在以下領(lǐng)域中有所進(jìn)展 曝光設(shè)備 抗蝕材料和加工設(shè)備 制 模及設(shè)備和材料 臨界尺寸測試 覆蓋控制和缺陷檢測度量設(shè)備 而制造 IC 光刻的主 要因素取決于臨界尺寸 CD 控制 覆蓋 缺陷控制和低成本 同時 藍(lán)圖的延伸將仍然需要發(fā)展下一代光刻技術(shù) 例如 EUV 無掩模 ML2 壓印光刻 因為下一代光刻將需要發(fā)展完全新的架構(gòu) 因此 將其視為經(jīng)濟生產(chǎn)問題 來進(jìn)行也成為主要挑戰(zhàn)之一 壓印光刻技術(shù)既可以在大面積基片上重復(fù) 大批量地制備各種納米圖形結(jié)構(gòu) 通過 并行處理制備多個零件 也不需要極為復(fù)雜昂貴的光學(xué)鏡頭和光學(xué)系統(tǒng) 電子聚焦系 統(tǒng) 同時又避免了光學(xué)曝光中的衍射和電子束曝光一起的散射現(xiàn)象 分辨率可達(dá)幾個 納米 因此具有強大競爭力 從根本上展示了納米器件生產(chǎn)的廣闊前景 2003 年 國 際半導(dǎo)體藍(lán)圖 ITRS 已經(jīng)將壓印光刻技術(shù)列為 32nm 工藝的候選方案之一 納米壓印光刻 Nanoimprint lithography NIL 是由華裔科學(xué)家美國普林斯頓大學(xué)的 CHOU 等在 1995 年首先提出的一種全新的納米圖形復(fù)制方法 它采用傳統(tǒng)的機械模 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 3 具微復(fù)型原理來代替包含光學(xué) 化學(xué)及光化學(xué)反應(yīng)機理的傳統(tǒng)復(fù)雜光學(xué)光刻 避免了 對特殊曝光束源 高精度聚集系統(tǒng) 極短波長透鏡系統(tǒng)以及抗蝕劑分辨率受光半波長 效應(yīng)的限制和要求 目前壓印的最小特征尺寸可以達(dá)到 5 nm NIL 較之現(xiàn)行的投影光 刻和其他下一代光刻技術(shù) 具有高分辯率 超低成本 國際權(quán)威機構(gòu)評估同等制作水平 的 NIL 比傳統(tǒng)光學(xué)投影光刻至少低 一個數(shù)量級和高生產(chǎn)率等特點 已被納入 2005 版的國際半導(dǎo)體藍(lán)圖 并被排在 16 nm 節(jié)點 現(xiàn)在普林斯頓大學(xué) 德克薩斯大學(xué) 哈佛大學(xué) 密西根大學(xué) 林肯實驗 室 摩托羅拉 惠普公司及瑞士的 PaulScherrer 研究所 德國亞琛工業(yè)大學(xué)等眾多知 名大學(xué)和研究機構(gòu)都在致力于納米壓印光刻技術(shù)的研究 開發(fā)與應(yīng)用 現(xiàn)有的納米壓 印光刻工藝主要包括熱壓印 Hot embossing lithography HEL 紫外納米壓印 Ultra violet nanoimprint lithography UV NIL 和微接觸印刷 Microcontact print CP MCP 目前全世界已有五家納米壓印光刻設(shè)備提供商 它們是美國的 Molecular Imprints Inc Nanonex Corp 奧地利的 EV Group 瑞典的 ObducatAB 和德國的 Suss Microtec Co Inc 盡管 NIL 從原理上回避了昂貴的投影鏡組和光學(xué)系統(tǒng)固有的物理限制 但 因其屬于接觸式圖形轉(zhuǎn)移過程 又衍生了許多新的技術(shù)問題 其中 1 1 壓印模具的制 作 套印精度 模具的使用壽命 生產(chǎn)率和缺陷控制被認(rèn)為是當(dāng)前最大的技術(shù)挑戰(zhàn) 半導(dǎo)體加工幾十年里一直采用光學(xué)光刻技術(shù)實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移 最先進(jìn)的浸潤式光學(xué)光 刻 在 45 nm 節(jié)點已經(jīng)形成產(chǎn)能 然而 由于光學(xué)光刻技術(shù)固有的限制 已難以滿足半 導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)繼續(xù)沿著摩爾定律快速發(fā)展 在下一代圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)中 電子束直寫 X 射線曝 光和納米壓印技術(shù)占有重要地位 其中納米壓印技術(shù)具有產(chǎn)量高 成本低和工藝簡單 的優(yōu)點 是納米尺寸電子器件的重要制作技術(shù) 介紹了傳統(tǒng)納米壓印技術(shù)以及納米壓印 技術(shù)的新進(jìn)展 如熱塑納米壓印技術(shù) 紫外固化納米壓印技術(shù) 微接觸納米壓印技 術(shù) 氣壓輔助納米壓印技術(shù) 激光輔助壓印技術(shù) 靜電輔助納米壓印技術(shù) 超聲 輔助納米壓印技術(shù)和滾軸式納米壓印技術(shù)等 光刻技術(shù)采用了機械方法 也就是說 通過一個主模接觸 使抗蝕劑層變?yōu)橐环N物 理形狀 而這種形狀作為一個刻蝕掩模 可以得到亞波長尺寸圖型和結(jié)構(gòu) 壓印光刻 的這種機械特性消除了光刻方法依賴與光束能量相關(guān)的分辨率極限因素 壓印光刻技術(shù)的研究始于普林斯頓大學(xué)納米結(jié)構(gòu)實驗室 Stephen Y Chou 教授 將 一具有納米圖案的模版以機械力 高溫 高壓 在涂有高分子材料的硅基板上等比例 壓印復(fù)制納米圖案 其加工分辨力只與模版圖案的尺寸有關(guān) 而不受光學(xué)光刻的最短 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 4 曝光波長的物理限制 目前 IL Imprint Lithography 技術(shù)已經(jīng)可以制作線寬在 5nm 以 下的圖案 其原理如圖 1 2 所示 首先在硅基板用丙酮等進(jìn)行清洗 然后將阻蝕膠旋涂于硅基片上 當(dāng)模板壓向阻蝕 膠后并停止后 可用 UV 對其進(jìn)行曝光照射 使阻蝕膠固化成型 然后模板移去 并 對在樣品上沒有固化的膠體用丙酮沖去 最后采用各向異性的反映離子干刻工藝將阻 蝕膠的圖形轉(zhuǎn)移到基片上 圖 1 2 納米壓印光刻技術(shù)的工藝流程 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 5 1 21 2 納米壓印技術(shù)及其發(fā)展納米壓印技術(shù)及其發(fā)展 納米壓印技術(shù)最早由 Stephen Y Chou 教授在 1995 年率先提出 這是一種不同與傳 統(tǒng)光刻技術(shù)的全新圖形轉(zhuǎn)移技術(shù) 納米壓印技術(shù)的定義為 不使用光線或者輻照使光刻 膠感光成形 而是直接在硅襯底或者其它襯底上利用物理學(xué)的機理構(gòu)造納米尺寸圖形 傳統(tǒng)納米壓印技術(shù)主要有三種 熱塑納米壓印技術(shù) 紫外固化壓印技術(shù)和微接觸納米 壓印技術(shù) 1 1 步進(jìn)閃光式壓印技術(shù) 步進(jìn)閃光式壓印技術(shù) 步進(jìn)閃光式壓印技術(shù) SFIL 是 Willson 在 Chou 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來 主要改進(jìn)在 有機物薄膜的固化 Chou 和其他的研究組都采用降低溫度來實現(xiàn)固化 而 Willson 采 用了光固化 從而使得工藝過程簡單而快速 適用于微納電子電路的集成 該技術(shù)中 所用的聚合物材料在室溫下有著好的流動性能 故在壓印過程中不需要加熱 直接對 其進(jìn)行壓印 這中間就要求固化所用的光線對壓在有機物材料上面的印章材料是透明 的 這樣才能充分發(fā)揮光固化作用 除了固化之外的工藝過程 步進(jìn)閃光式壓印技術(shù) 和納米壓印技術(shù)完全相同的 步進(jìn)閃光式納米壓印過程見圖 1 3 所示 圖 1 3 步進(jìn)快閃式納米壓印技術(shù) 2 2 紫外固化納米壓印技術(shù) 紫外固化納米壓印技術(shù) 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 6 紫外固化納米壓印技術(shù)由德州大學(xué) C GWill2s on 教授提出 主要工藝過程先制備 高精度掩模板 而且要求掩模板對紫外光是透明的 一般采用 Si O2 材質(zhì)作為掩模版 在基板上旋涂一層液態(tài)光刻膠 光刻膠的厚度為 600 nm 700 nm 光刻膠要求黏度低 對 紫外光敏感 利用較低壓力將模板壓在光刻膠之上 液態(tài)光刻膠填滿模板空隙 從模板 背面用紫外光照射 紫外光使光刻膠固化 脫模后用反應(yīng)離子蝕刻方式除去殘留光刻膠 將 圖案從模板轉(zhuǎn)移到基板上 壓印過程如圖 1 4 所示 紫外固化納米壓印技術(shù)與熱塑壓 印技術(shù)相比不需要加熱 可以在常溫下進(jìn)行 避免了熱膨脹因素 也縮短了壓印的時 間 掩模板透明 易于實現(xiàn)層與層之間對準(zhǔn) 層與層之間的對準(zhǔn)精度可以達(dá)到 50 nm 適 合半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的要求 但紫外固化納米壓印技術(shù)設(shè)備昂貴 對工藝和環(huán)境的要求也非 常高 沒有加熱的過程 光刻膠中的氣泡難以排出 會對細(xì)微結(jié)構(gòu)造成缺陷 生產(chǎn)中常 常采用紫外固化納米壓印技術(shù)和步進(jìn)技術(shù)相結(jié)合 形成步進(jìn)式快閃納米壓印技術(shù)工藝 該方法采用小模板分步壓印紫外固化的方式 大大提高了在基板上大面積壓印轉(zhuǎn)移的 能力 降低了掩模板制造成本 也降低了采用大掩模板帶來的誤差 但此方法對位移 定位和驅(qū)動精度的要求很高 圖 1 4 紫外固化納米壓印技術(shù)工藝流程 3 3 熱塑納米壓印技術(shù) 熱塑納米壓印技術(shù) 熱塑納米壓印技術(shù)主要的工藝流程制備高精度掩模板 一般采用硬度大和化學(xué)性質(zhì) 穩(wěn)定的 SiC Si 3N4 Si O2 利用電子束蝕刻技術(shù)或反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)來產(chǎn)生圖案 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 7 利用旋涂的方式在基板上涂覆光刻膠 常見的是 PMMA 和 PS 加熱至光刻膠的玻璃化轉(zhuǎn) 換溫度 Tg 之上 50 100 然后加壓 500 kPa 1 000 kPa 于模板并保持溫度 和壓力一段時間 液態(tài)光刻膠填充掩模版圖形空隙 降低溫度至 Tg 以下后脫模 將圖 形從模板轉(zhuǎn)移到基片上的光刻膠 采用反應(yīng)離子刻蝕去除殘留光刻膠 就將圖形轉(zhuǎn)移到 基板上 為了減小空氣氣泡對轉(zhuǎn)移圖案質(zhì)量的影響 整個工藝過程都要在小于 1 Pa 的 真空環(huán)境中進(jìn)行 壓印過程如圖 1 5 所示 圖 1 5 熱塑納米壓印技術(shù)工藝流程 4 4 滾軸式納米壓印技術(shù) 滾軸式納米壓印技術(shù) 納米壓印技術(shù)大都是不連續(xù)的生產(chǎn)工藝過程 難以進(jìn)行大規(guī)模和大面積的生產(chǎn) 為了進(jìn)行量產(chǎn) 只有采用很大的掩模版或者是需要高對準(zhǔn)精度和自動化操作的步進(jìn)紫 外固化技術(shù) 大掩模版加工困難 且易損壞 步進(jìn)快閃技術(shù)工藝環(huán)節(jié)多 控制難度大 為克服這些難題 一種新的連續(xù)的納米壓印技術(shù) 滾軸式納米壓印技術(shù)得以出現(xiàn) 2009 年 L J Guo 等人報道了一種新的壓印工藝 大面積滾軸壓印工藝 該工 藝有卷對卷和卷對板兩種模式 滾軸式納米壓印技術(shù)有連續(xù)壓印 產(chǎn)量高 成本低 和系統(tǒng)組成簡單等特點 有兩種實現(xiàn)工藝 一種是將掩模版直接制作到滾軸上 可以通 過直接在金屬滾軸上刻蝕或者利用彈性掩模套在滾軸上實現(xiàn) 滾軸的轉(zhuǎn)動將圖形連續(xù) 地壓入已旋涂好光刻膠 溫度達(dá)到玻璃化溫度以上 的基板上 滾軸的滾動實現(xiàn)了壓 入和脫模兩個步驟 還可以是在彈性掩模版上利用滾軸滾動施壓 但均勻性難以保證 另一工藝是將滾軸式壓印技術(shù)和紫外壓印技術(shù)相結(jié)合 紫外固化納米壓印技術(shù)光刻膠 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 8 本身就是液態(tài) 紫外光固化可以將紫外光束很好地控制到滾軸和光刻膠分離的區(qū)域 采用的基板可以是彈性基板或者是如 Si 樣的硬基板 工藝流程如圖 1 6 和圖 1 7 所示 這種工藝主要由多個滾軸組成 通過滾軸的轉(zhuǎn)動以及滾軸與傳送帶之間的壓力來 實現(xiàn)涂膠 壓印 紫外固化和脫模 通過控制滾軸的轉(zhuǎn)動速度以及滾軸與傳送帶底板 之間的壓力 來控制壓印膠的涂覆厚度以及壓印壓力 該工藝用高功率的紫外光源對壓 印膠進(jìn)行固化 可使轉(zhuǎn)筒的線速度達(dá)到 1 m m in 制得的圖形精度可以達(dá)到周期 200 nm 線寬 70 nm 這種工藝對模板的要求是軟模板 脫模性好 對壓印膠的要求是紫外 光固化速度快 與底板的粘附力強 該壓印工藝不僅解決了傳統(tǒng)紫外壓印和熱壓印工 藝不能一次大面積壓印的難題 而且整個壓印過程為連續(xù)工藝 可以大大提高壓印的 效率 降低壓印成本 不足之處在于最小特征尺寸還有待進(jìn)一步提高 圖 1 6 卷對卷壓印工藝 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 9 圖 1 11 卷對板壓印工藝 5 5 微接觸壓印技術(shù) 微接觸壓印技術(shù) 微接觸壓印技術(shù)有兩種實現(xiàn)方法 分別為微接觸納米壓印技術(shù)和毛細(xì)管微模版法 微接觸納米壓印技術(shù)由哈佛大學(xué)的 Whitesides GM 等人提出 工藝過程 用光學(xué)或電子 束光刻技術(shù)制得掩模板 用一種高分子材料 一般是 PDMS 在掩模版中固化脫模后得 到微接觸壓印所需的模板 將模板浸沒到含硫醇的試劑中 再將 PDMS 模板壓在鍍金的 襯底上 10 s 20 s 后移開 硫醇會與金反應(yīng)生成自組裝的單分子層 S AM 將圖形由模 板轉(zhuǎn)移到襯底上 后續(xù)處理工藝有兩種 一種是濕法蝕刻 將襯底浸沒在氰化物溶液中 氰 化物使未被 S AM 單分子層覆蓋的金溶解 這樣就實現(xiàn)了圖案的轉(zhuǎn)移 另一種是通過金 膜上自組裝的硫醇單分子層來鏈接某些有機分子 實現(xiàn)自組裝 此方法最小分辨率可 以達(dá)到 35 nm 主要用于制造生物傳感器和表面性質(zhì)研究等方面 壓印過程如圖 1 8 所 示 毛細(xì)管微模版法由微接觸納米壓印技術(shù)發(fā)展而來 掩模板制作的方式與微接觸壓印 技術(shù)相同模板放置在基板之上 將液態(tài)的聚合物 一般為聚甲基丙烯酸 滴在模板旁 邊 由于虹吸作用 聚合物將填充模板的空腔 聚合物固化后脫模 再經(jīng)過蝕刻就將圖 案從模板轉(zhuǎn)移到基板上 工藝過程如圖 1 9 所示 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 10 圖 1 8 微接觸納米壓印工藝過程 圖 1 9 毛細(xì)管微模制法工藝過程 在納米壓印技術(shù)的發(fā)展歷程中 近年出現(xiàn)了一些新的實現(xiàn)方法 或者是在傳統(tǒng)技術(shù) 上進(jìn)行改進(jìn) 如激光輔助納米壓印技術(shù) 靜電輔助納米壓印技術(shù) 氣壓輔助納米壓 印技術(shù) 金屬薄膜直接壓印技術(shù) 超聲波輔助熔融納米壓印技術(shù) 彈性掩模版壓印 技術(shù)和滾軸式納米壓印技術(shù)等 6 6 金屬薄膜直接壓印技術(shù) 金屬薄膜直接壓印技術(shù) 金屬薄膜直接壓印技術(shù)是在 Si 基板上利用離子束濺射技術(shù)產(chǎn)生一層 Cu Al 和 Au 等金屬薄膜 直接用超高壓在金屬薄膜上壓印出圖案 此工藝需要油壓系統(tǒng)提供超高 的壓印壓力 達(dá)到幾百 MPa 有文章稱利用 50 000 N 的高壓可以在 220 nm 厚的金屬 薄膜上壓出 73 nm 169 nm 的壓痕 如此高壓有可能會將基板壓壞 為了解決這個問 題 在金屬薄膜和基板之間加入一層緩沖層 NEB 22 或 SUB 8 緩沖層可以使壓力 減少為原來的 1 只需要 2MPa 40 MPa 同時使用尖銳的掩模板 以增強對薄膜的 圖 1 10 改進(jìn)的金屬薄膜直接壓印 壓力 如圖 1 8 所示 利用油壓系統(tǒng)提供 4 MPa 20 MPa 的壓力 在溫度為 40 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 11 80 的范圍內(nèi)用模板直接壓 Au 聚合物薄膜 可以得到理想的圖形轉(zhuǎn)移 7 7 激光輔助壓印技術(shù) 激光輔助壓印技術(shù) 激光輔助壓印技術(shù)就是用高能準(zhǔn)分子激光透過掩模版直接熔融基板 在基板上形成 一層熔融層 該熔融層取代傳統(tǒng)光刻膠 然后將模板壓入熔融層中 待固化后脫模 將圖案從掩模板直接轉(zhuǎn)移到基板之上 采用的準(zhǔn)分子激光波長要能透過掩模版而能量 盡量避免被吸收 掩模版常采用 Si O2 據(jù)報道利用激光融化 Si 基板進(jìn)行壓印工藝可 以實現(xiàn)低于 10 nm 的特征線寬 工藝流程如圖 1 9 所示 因為是直接將圖案轉(zhuǎn)移到基 板之上 不需要蝕刻過程 也減少了曝光和蝕刻等工藝 可以大大減少納米壓印的時 間 降低生產(chǎn)成本 圖 1 11 激光輔助壓印技術(shù) 8 8 縮印縮印 工藝工藝 早在 2003 年 Y K Choi 等人就報道了一種沉積縮印 size reductDn lithograp hy 工藝 該工藝的核心也是通過加入一個沉積工序 將大線寬模板圖形 縮印 后 得到小線寬圖形 工藝流程如圖 1 12 所示 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 12 圖 1 12 沉積縮印工藝流程 縮印 的代價是壓印工序大大增多 無獨有偶 2009 年 X L Li 等人也發(fā)表了 一篇關(guān)于 縮印 工藝的文章 不過其縮印方式與上述方式不同 該工藝巧妙地利用 濕法刻蝕中柱狀圖形上下刻蝕速率不同的特點 將分布在底板表面上的 納米柱 濕 法刻蝕成 納米錐 從而減小了模板的特征尺寸 提高了圖形的分辨率 流程圖見 圖 1 13 所示 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 13 圖 1 13 濕法刻蝕縮印工藝流程 電磁輔助納米壓印和氣壓輔助納米壓印都是對壓印工藝中壓印壓力的施壓環(huán)節(jié)進(jìn) 行改進(jìn) 提高壓力作用的均勻性 延長掩模版的使用壽命 從壓力作用分布和承片臺自 適應(yīng)要求來看 氣壓輔助納米壓印技術(shù)較有優(yōu)勢 但氣囊施壓還不能完全體現(xiàn)氣體施壓 壓力均勻的特點 氣體直接接觸掩模版和光刻膠 也還需要考慮氣流對系統(tǒng)對準(zhǔn) 光 刻膠氣泡和氣壓作用方式等多方面的問題 表 1 1 各種壓印光刻技術(shù)對比 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 14 1 31 3 本論文研究的主要內(nèi)容和意義本論文研究的主要內(nèi)容和意義 隨著壓印工藝對特征圖形質(zhì)量和效率要求的提高 對壓印頭進(jìn)行分析和改進(jìn)就成 了整片晶元納米壓印光刻機研制中不可或缺的一部分 本文設(shè)計的壓印頭采用大尺寸 整片晶圓納米壓印方法 本文根據(jù)實際工況 建立了壓印頭的主體結(jié)構(gòu)的實體模型 根據(jù)壓印頭的性能要 求和所實現(xiàn)的運動要求 對壓印頭的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析設(shè)計并且充分考慮了整機尺 寸 并進(jìn)行了實驗研究 納米壓印 是一種全新的納米圖形復(fù)制方法 其特點是具有超高分辯率 高產(chǎn)量 低成本 高分辯率是因為它沒有光學(xué)曝光中的衍射現(xiàn)象和電子束曝光中的散射現(xiàn)象 高產(chǎn)量是因為它可以象光學(xué)曝光那樣并行處理 同時制作成百上千個器件 低成本是因 為它不象光學(xué)曝光機那樣需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)或象電子束曝光機那樣需要復(fù)雜的電磁 聚焦系統(tǒng) 因此納米壓印可望成為一種工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù) 從根本上開辟了各種納米器件 生產(chǎn)的廣闊前景 納米壓印技術(shù)已經(jīng)展示了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域 如用于制作量子磁碟 DNA 電泳芯片 GaAs 光檢測器 波導(dǎo)起偏器 硅場效應(yīng)管 高密度磁結(jié)構(gòu) GaAs 量 子器件 納米電機系統(tǒng)和微波集成電路等 本文設(shè)計的整體大尺寸壓印頭可以使壓印頭 的結(jié)構(gòu)及壓印程序變得簡單 在保證精度的同時提壓印效率 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 15 第二章第二章 壓印頭總體結(jié)構(gòu)設(shè)計壓印頭總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 12 1 納米壓印方案納米壓印方案 本課題引入一種由支撐層 彈性層和結(jié)構(gòu)層組成的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)透明的晶圓級軟 模具 壓印過程采用從模具中心位置向外側(cè)方向逐漸均勻性微接觸壓印的方法 基于 新的模具結(jié)構(gòu)并采用氣體輔助壓印力和毛細(xì)力共同作用下 實現(xiàn)壓印力均勻分布 消 除氣泡缺陷 并在小的壓印力下實現(xiàn)大面積圖形的復(fù)制 保證復(fù)形的精度和質(zhì)量 脫 模過程采用模具從晶圓最外側(cè)向中心小面積連續(xù) 揭開 式脫模工藝 在真空吸力和 水平力的共同作用下 采用微小的脫模力即可實現(xiàn)大面積脫模 一方面避免大面積接 觸同時脫模需要較大的脫模力 導(dǎo)致對模具和復(fù)制圖形造成損傷 另一方面避免單側(cè) 揭開式脫模 因模具變形大導(dǎo)致其壽命短以及生產(chǎn)率低的缺陷 壓印過程和脫模過程 均以模具中心為對稱軸 模具均勻和對稱受力 壓印和脫模過程兩側(cè)同時進(jìn)行 極大 提高生產(chǎn)率和復(fù)形的質(zhì)量 根據(jù)整片晶圓納米壓印的工藝要求 軟模具應(yīng)該具有以下性能 良好的彈性彎 曲變形能力 確保壓印過程和脫模過程工藝的實現(xiàn) 被轉(zhuǎn)移圖形具有高度的保真特 性 壓印過程中將變形降低到最小 確保被轉(zhuǎn)移圖形的質(zhì)量和精度 抗蝕劑減薄過 程中在整片晶圓區(qū)域保持均勻一致的壓印力 確保獲得均勻一致薄的殘留層厚度 軟模具尺寸大 前期實驗包含特征圖形的最小尺寸直徑達(dá)到 100mm 具有紫外光穿 透特性 確?？刮g劑固化工藝的實現(xiàn) 具有良好的脫模性能 確保脫模過程中模具 與所復(fù)制的圖形不發(fā)生粘連 使用壽命長 滿足工業(yè)化生產(chǎn)的使用要求 為此 本 項目提出一種全新的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)透明的軟模具 它由結(jié)構(gòu)層 彈性層和支撐層三部 分組成 其中結(jié)構(gòu)層包含所要復(fù)制的圖形結(jié)構(gòu) 彈性層位于結(jié)構(gòu)層之上 支撐層位于 彈性層之上 結(jié)構(gòu)層的厚度是 100 200 微米 彈性層的厚度是 400 700 微米 支撐層的 厚度是 100 200 微米 結(jié)構(gòu)層 彈性層 支撐層的材料均為改性的 PDMS 聚二甲基 硅氧烷 但其硬度不同 彈性層選用具有良好縱向彎曲變形性能軟的 PDMS 材料 而 結(jié)構(gòu)層和彈性層硬度為彈性層使用 PDMS 硬度的 2 3 倍 具體結(jié)構(gòu)如圖 2 1 所示 該 模具將納米壓印使用的硬模具的高分辨率和軟模具易于彈性彎曲的優(yōu)點結(jié)合起來 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 16 圖 2 1 三層模具 本項目提出大尺寸整片晶圓納米壓印方法 其基本過程如圖 2 2 所示 具體包括 以下工藝步驟 1 預(yù)處理過程 關(guān)閉壓力管路 打開真空管路 模板吸附在壓印頭工作臺面上 具體說是模板的支撐層吸附于壓印頭工作臺面中的凹槽里 將涂鋪有抗蝕劑的晶圓 固定在工作臺上 壓印頭與晶圓對正后 壓印機構(gòu)下降 直至壓印頭的支撐調(diào)節(jié)塊與 晶圓工作臺相接觸 2 壓印過程 首先 從模板中心位置開始 將初始的真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換至壓力狀態(tài) 在氣體輔助壓 印力和毛細(xì)力共同作用下 軟模具的彈性層在中心位置縱向產(chǎn)生彎曲變形 局部開始 接觸襯底上的抗蝕劑 模具中心位置的微納米結(jié)構(gòu)腔體開始被抗蝕劑所充填 如圖 2 2 a 所示 隨后 從模具中心位置向外側(cè)方向逐一將真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換至壓力狀態(tài) 模 具結(jié)構(gòu)層與抗蝕劑的接觸面積不斷擴大 直至整個模具結(jié)構(gòu)層與整片晶圓上的抗蝕劑 完全接觸 模具中的所有微納米結(jié)構(gòu)腔體被抗蝕劑所充填 如圖 2 2 b 和 2 2 c 所示 最后 所有壓力通道的壓力保持均勻一致性增大 實現(xiàn)液態(tài)抗蝕劑材料在模具 微納米結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)的完全充填 并且減薄至預(yù)定的殘留層厚度 3 固化過程 開啟紫外光光源 紫外光透過模具對抗蝕劑曝光 充分固化液態(tài)抗蝕劑 如圖 2 2 d 所示 4 脫模過程 首先 從晶圓最外兩側(cè)開始 關(guān)閉壓力管路 打開真空管路 同時開啟脫模用的 噴嘴 在真空吸力和噴嘴壓縮空氣產(chǎn)生水平力共同作用下 從最外側(cè)開始模具與晶圓 相互分離 如圖 2 2 e 所示 隨后 從晶圓最外側(cè)向模具中心逐一將壓力轉(zhuǎn)換回真 彈性層 支撐層 結(jié)構(gòu)層 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 17 空狀態(tài) 實現(xiàn)模具從晶圓外側(cè)向中心連續(xù) 揭開 式的脫模 脫模力為真空吸力和水 平力的合力 如圖 2 2 f 和 2 2 g 所示 最后 模具中心位置與晶圓相分離 實 現(xiàn)模具與晶圓的完全分離 完成脫模 如圖 2 2 h 所示 真空管路壓力管路壓印頭復(fù)合模具 a 工作臺涂鋪抗蝕劑的晶圓 b c UV光源 d e f g h 脫模噴嘴 圖 2 2 大尺寸整片晶圓納米壓印工藝過程示意圖 2 22 2 壓印頭的總體結(jié)構(gòu)形式壓印頭的總體結(jié)構(gòu)形式 本機設(shè)備是一臺采用龍門式布置的納米壓印光刻機 結(jié)構(gòu)機械系統(tǒng)是由承片臺 壓 印頭 紫外曝光系統(tǒng)安裝在壓印頭內(nèi) 底座 機架等幾部分組成的 光刻機結(jié)構(gòu)簡 圖見圖 2 3 所示 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 18 圖 2 3 納米壓印光刻機結(jié)構(gòu)簡圖 壓印頭主要的功能就是定位模具與襯底 并對其施加一定的壓力 使模具浸入阻 蝕膠中 從而形成特征圖形 而要實現(xiàn)這些功能 必須有一個設(shè)計合理 運行穩(wěn)定可 靠的載體為基本條件 這個載體就是壓印頭的機械機構(gòu)部分 壓印平頭的總體機械結(jié) 構(gòu)如圖 2 4 所示 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 19 光刻機的工作原理為 關(guān)閉壓力管路 打開真空管路 模板吸附在壓印頭工作臺 面上 將涂鋪有抗蝕劑的晶圓固定在工作臺上 壓印頭與晶圓對正后 壓印機構(gòu)下降 直至壓印頭的支撐調(diào)節(jié)塊與晶圓工作臺相接觸 從模板中心位置開始 將初始的真空 狀態(tài)轉(zhuǎn)換至壓力狀態(tài) 軟模具的彈性層在中心位置縱向產(chǎn)生彎曲變形 局部開始接觸 襯底上的抗蝕劑 模具中心位置的微納米結(jié)構(gòu)腔體開始被抗蝕劑所充填所示 隨后 從模具中 1 機架 2 滑塊 3 導(dǎo)柱 4 壓印頭 5 連接桿 6 伺服電機 圖 2 4 壓印平頭的總體機械結(jié)構(gòu) 心位置向外側(cè)方向逐一將真空狀態(tài)轉(zhuǎn)換至壓力狀態(tài) 模具結(jié)構(gòu)層與抗蝕劑的接觸面積 不斷擴大 直至整個模具結(jié)構(gòu)層與整片晶圓上的抗蝕劑完全接觸 模具中的所有微納 米結(jié)構(gòu)腔體被抗蝕劑所充填所示 最后 所有壓力通道的壓力保持均勻一致性增大 實現(xiàn)液態(tài)抗蝕劑材料在模具微納米結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)的完全充填 并且減薄至預(yù)定的殘留層 厚度 開啟紫外光光源 紫外光透過模具對抗蝕劑曝光 充分固化液態(tài)抗蝕劑所示 從晶圓最外兩側(cè)開始 關(guān)閉壓力管路 打開真空管路 同時開啟脫模用的噴嘴 在真 空吸力和噴嘴壓縮空氣產(chǎn)生水平力共同作用下 從最外側(cè)開始模具與晶圓相互分離 隨后 從晶圓最外側(cè)向模具中心逐一將壓力轉(zhuǎn)換回真空狀態(tài) 實現(xiàn)模具從晶圓外側(cè)向 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 20 中心連續(xù) 揭開 式的脫模 脫模力為真空吸力和水平力的合力所示 最后 模具中 心位置與晶圓相分離 實現(xiàn)模具與晶圓的完全分離 完成脫模 2 32 3 常見壓印頭的結(jié)構(gòu)形式常見壓印頭的結(jié)構(gòu)形式 納米壓印技術(shù)主要包括熱壓印 HEL 紫外壓印 UV NIL 和微接觸印刷 CP 納 米壓印術(shù)是軟刻印術(shù)的發(fā)展 它采用繪有納米圖案的剛性壓模將基片上的聚合物薄膜 壓出納米級花紋 再對壓印件進(jìn)行常規(guī)的刻蝕 剝離等加工 終極制成納米結(jié)構(gòu)和器 件 可以大批量重復(fù)性地在大面積上制備納米圖形結(jié)構(gòu) 并且所制出的高分辨率圖案 具有相當(dāng)好的均勻性和重復(fù)性 該技術(shù)還有制作本錢極低 簡單易行 效率高等優(yōu)點 因此 與極端紫外線光刻 X 射線光刻 電子束刻印等新興刻印工藝相比 納米壓印術(shù) 具有不遜的競爭力和廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景 目前 這項技術(shù)最先進(jìn)的程度已達(dá)到小于 5 nm 的水平 當(dāng)前開發(fā)納米壓印設(shè)備的公司都是一些名不見經(jīng)傳的公司 如 Nanonex EV Group Molecular Imprints Inc MII 和 Obducat 等 見下表 2 1 所示 表 2 1 納米壓印設(shè)備生產(chǎn)廠商 公司名稱公司名稱所在地所在地備注備注 Molecular Imprints美國得克薩斯州 德克薩斯大學(xué)的分離公司 也許是半 導(dǎo)體行業(yè)最為關(guān)注的壓印設(shè)備制造商 擁有超過 100 名員工 Suss MicroTec德國 Munich 掩模對準(zhǔn)器和晶片壓接工具制造商 提供能夠自動完成晶片處理過程的新 型壓印設(shè)備 Nanonex美國新澤西州 普林斯頓大學(xué)的分離公司 是最早的 納米壓印公司 出售抗阻材料 掩模 以及壓印設(shè)備 EV Group奧地利 掩模對準(zhǔn)器和晶片壓接工具制造商 聲稱已經(jīng)售出 40 臺壓印設(shè)備 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 21 Obducat瑞典 壓印設(shè)備的主要供給商 同時提供掃 描電子顯微鏡和電子束光刻工具 在現(xiàn)今 IL 研究中使用的壓印實驗平臺以及已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的壓印設(shè)備所采用的主要技 術(shù)基本上是沿用了傳統(tǒng)光學(xué)曝光設(shè)備使用的空氣彈簧 大慣性支撐平臺和空氣懸浮承 片臺 比較有代表性的產(chǎn)品有美國得克薩斯州 Molecular Imprints 公司的 Imprio55 瑞 典 Obducat 公司的 6int 納米壓印設(shè)備 以及美國 Nanonex 公司的 NX2000 和德國 Suss MicroTec 公司的 NPS300 等 這些產(chǎn)品均沿襲了光學(xué)光刻在隔震和對準(zhǔn)方面的優(yōu)異特 性 但是在壓印模具下壓過程中采用空氣懸浮工作方式的承片臺容易產(chǎn)生平面位移 無法保證分布壓印過程中的納米級定位要求 3 7 因此這些設(shè)備主要應(yīng)用于單層壓印或 整片壓印 目前壓印光刻機壓印頭的控制方式主要有活塞式 氣囊式 絲杠螺母式三種方式 活塞式控制就是采用實際的的驅(qū)動單元和連接活塞裝置來直接驅(qū)動壓印頭完成壓印頭 的壓下 而氣囊式則是利用壓縮氣體充滿氣囊來驅(qū)動壓印頭完成壓印頭的壓下 絲杠 螺母式壓印頭的壓下通過伺服電機帶動絲杠螺母而驅(qū)動壓印頭實現(xiàn) 圖 2 4 熱壓印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 22 2 2 12 2 1 熱壓印熱壓印 圖 2 4 為熱壓印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 可以看出熱壓印工藝除對均勻加熱及受力的需要外 為了滿足大面積壓印過程中聚合物對模具凹槽填充的充分性和一致性 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還需要 一個真空腔體 整個壓印過程必須在真空狀態(tài)下完成 工作狀態(tài)下的真空度為 由分子 泵實現(xiàn) 時間在 3min 左右 另外 熱壓印過程中對找平機構(gòu)的要求也非常高 這一環(huán)節(jié) 主要體現(xiàn)在承片臺的調(diào)節(jié)設(shè)計和對準(zhǔn)監(jiān)測環(huán)節(jié)上 諸多因素決定了熱壓印工藝的應(yīng)用 對象為圖形單一 特征尺寸較大 產(chǎn)品批量要求低的制造領(lǐng)域 由此 可看出此結(jié)構(gòu) 比較復(fù)雜且相關(guān)對準(zhǔn) 調(diào)平等要求嚴(yán)格 因此 此結(jié)構(gòu)不能應(yīng)用于本項目中 2 2 22 2 2 微區(qū)納米壓印微區(qū)納米壓印 圖 2 5 為實際制作的微區(qū)納米壓印裝備壓印頭結(jié)構(gòu)示意圖 氣缸驅(qū)動導(dǎo)軌上的滑塊 上下運動 z 軸電機驅(qū)動壓印頭在工作平面內(nèi)旋轉(zhuǎn) 微動開關(guān)用于z 軸運動強制限位 緩沖器減緩模壓頭的沖擊作用 采用 L IGA 工藝制作金屬 Ni 模版 安裝于模仁夾具 但是 本項目中的壓印機應(yīng)用于 6in 的整片壓印 而圖 2 5 結(jié)構(gòu)僅用于微區(qū)微納米壓 印 因此 也不被本設(shè)計采用 卻有很好的參考價值 圖 2 5 微區(qū)微納米壓印裝備壓印頭部結(jié)構(gòu)圖 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 23 2 2 32 2 3 滾動式納米壓印滾動式納米壓印 滾動式納米壓印技術(shù) 是 Chou 在原有的平板壓印的基礎(chǔ)上于 1998 提出的 在平 板式壓印過程中 對平板間的平行度 平板間的受力不均勻性以及平板的平整度等方 面 另外也是壓印方式的一種選擇 滾動式納米壓印技術(shù)可以兩種方式來實現(xiàn) 如圖 2 6 中的 a 和 b 在圖 2 6a 中 通過微刻蝕技術(shù)在一個圓柱形的滾柱上面刻蝕出具有 微納米特征尺寸的圖案 然后通過滾柱滾動從而在 PMMA 薄膜上面留下與其圖案相反的 圖案 接下來 就跟納米壓印相同的圖形糟移來是實現(xiàn)加工 在圖 2 6b 中 壓印過程 和納米壓印的都一樣是平板壓印 只不過在對印章施加壓力的時候采用了滾柱來施加 納米壓印技術(shù)和滾動式納米壓印技術(shù)的對比結(jié)果 Chou 沒有對此描述 a 滾式壓印裝置 b 兩種不同的滾壓方式 圖 2 6 滾式納米壓印技術(shù)的機構(gòu)和不同的壓印方式 2 2 42 2 4 氣囊氣缸式真空紫外納米壓印氣囊氣缸式真空紫外納米壓印 圖 2 7 是氣囊氣缸式真空紫外納米壓印系統(tǒng)設(shè)計原理圖 該系統(tǒng)屬于整體式壓印 即采用與基底材料面積相同的模板 一次性完成模板圖形到基底材料的微納米圖案的 轉(zhuǎn)印 其主要由三部分組成 氣囊氣缸式壓印系統(tǒng) 真空室和管狀紫外光源光學(xué)系統(tǒng) 該系統(tǒng)壓印面積范圍 1OO mm 最大壓印力 5 10 Pa 紫外強度 50 mW cm 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 24 圖 2 7 氣囊氣缸式真空紫外納米壓印系統(tǒng)設(shè)計原理圖 2 42 4 壓印頭的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求壓印頭的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 2 4 12 4 1 壓印頭結(jié)構(gòu)性能要求壓印頭結(jié)構(gòu)性能要求 1 1 剛度穩(wěn)定性剛度穩(wěn)定性 在納米級超精密運動控制中 傳動系統(tǒng)的剛度 主要指動剛度 在運動過程中會呈 現(xiàn)周期性波動 該剛度的波動不僅影響系統(tǒng)的同步定位精度而且也影響整個系統(tǒng)的控 制制穩(wěn)定性 控制系統(tǒng)的動態(tài)特性和驅(qū)動系統(tǒng)的伺服特性必須很好地匹配 2 2 結(jié)構(gòu)尺寸的選擇結(jié)構(gòu)尺寸的選擇 結(jié)構(gòu)尺寸 尤其是導(dǎo)軌長度首先要考慮移動行程的需要 此外 在滿足剛度和其 他功能的前提下 做到結(jié)構(gòu)緊湊 以減小壓印頭體積和重量 除外形結(jié)構(gòu)尺寸受限外 應(yīng)在保證最大剛度 滿足一定承載力及工作穩(wěn)定性的前提下來考慮結(jié)構(gòu)尺 3 材料的選擇材料的選擇 壓印頭下壓的過程需要保證機構(gòu)有良好的剛性 選材要有較高的強度剛度 可以 選用硬鋁合金和較好的鋼材 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 25 鋁及鋁合金其它金屬材料相比 具有以下一些特點 1 密度小 鋁及鋁合金的密度接近 2 7g 約為鐵或銅的 1 3 2 強度高 鋁及鋁合金的強度高 經(jīng)過一定程度的冷加工可強化基體強度 部分牌號 的鋁合金還可以通過熱處理進(jìn)行強化處理 3 導(dǎo)電導(dǎo)熱性好 鋁的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能僅次于銀 銅和金 4 耐蝕性好 鋁的表面易自然生產(chǎn)一層致密牢固的 AL2O3 保護(hù)膜 能很好的保護(hù)基體 不受腐蝕 通過人工陽極氧化和著色 可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性 好的變形鋁合金 5 易加工 添加一定的合金元素后 可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好 的變形鋁合金 由于具有優(yōu)良的物理性能 鋁在國民經(jīng)濟各行業(yè)和國防工業(yè)中得到了 廣泛的應(yīng)用 2 4 22 4 2 壓印頭其他要求壓印頭其他要求 1 1 多層定位與對準(zhǔn)技術(shù)多層定位與對準(zhǔn)技術(shù) 在納米尺度上進(jìn)行精確的定位和校準(zhǔn) 是納米壓印技術(shù)中最為關(guān)鍵的有待解決的 技術(shù)難題 現(xiàn)有可商用的對準(zhǔn)精度最高也就是 l ym 左右 在納米壓印技術(shù)中 影響對 準(zhǔn)精度的主要因素有 印章尺寸 在對準(zhǔn)過程中聚合物的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性以及 印章和基片材料的選擇 在多層定位和對準(zhǔn)中 一般都用光學(xué)對準(zhǔn) 其精度也就達(dá)到 l 扯 m 左右 而壓電驅(qū)動技術(shù)能夠提供小于 100 nm 的對準(zhǔn)精度 僅僅用于較小尺寸的 印章 2 2 生產(chǎn)效率生產(chǎn)效率 作為一種制造技術(shù) 尤其是并行制造技術(shù) 雖然說不能以傳統(tǒng)的生產(chǎn)效率來評估 納米壓印制造 但可以大致通過對時間的把握對生產(chǎn)效率進(jìn)行估計 這其中包括壓印 時間 對準(zhǔn)時間 清洗印章的時間和重新放置時間 甚至還有在印章或者聚合物上面 噴涂抗粘結(jié)層的時間等等 當(dāng)然還有其他一些因素包括生產(chǎn)工藝的每個環(huán)節(jié)中影響生 產(chǎn)效率的主要因素 3 3 印章尺寸印章尺寸 印章的尺寸決定每次壓印的面積 故也就決定了生產(chǎn)效率 從納米壓印技術(shù)的發(fā) 展 印章的尺寸一直在增大 到現(xiàn)在已經(jīng)有 6 英寸的報道了 當(dāng)然印章尺寸的增大要 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 26 伴隨著印章基片的尺寸和壓印機壓盤的尺寸 然而印章尺寸的增大會帶來一些不利影 晌 其中有平行度如何實現(xiàn) 熱變形等 4 4 印章的特征密度印章的特征密度 特征密度 即在單位尺寸上特征尺寸的多少 影響印章特征密度的因素有 聚臺 物的流動性能 電子柬刻蝕技術(shù)的最高精度以及圖形轉(zhuǎn)移中的刻蝕技術(shù)的精度等等 在給定面積上 印章上面擁有的特征尺寸越小 所能夠生產(chǎn)的元件或者結(jié)構(gòu)就越多 5 5 聚合物的性能聚合物的性能 對聚合物材料的要求條件 低的熱膨脹系數(shù) 使得在升降溫前后體積沒有太大的 變化 低的熱壓力收縮系數(shù) 使得處于高溫中的材料在壓力作用下 體積收縮變化不 大 低的玻璃相轉(zhuǎn)變溫度 Glass transition temperature 這關(guān)系到加熱溫度的高 低 還有聚合物的粘結(jié)性問題 為了保護(hù)聚合物形狀和印章的壽命 通常做法就是在 印章或者 PMMA 上面噴涂抗粘結(jié)層 當(dāng)然這里涉及到的因素有壓印溫度 聚合物的粘滯 性 聚合物與印章和基片間的界面能等 對聚合物的研究依然是納米壓印研究中的熱 點問題 到如今使用的聚合物有聚甲基丙烯酸甲酯 Polymethyl methacrylate PMMA 甲基丙烯酸鹽酯 Methyl methacrylate MMA 甲基丙酸烯 Methacrylic acid MAA mr 8000 mr 9000 等等 6 6 固化固化 在壓印過程中 固化的方式有溫度和紫外線 UltraViolet uv 兩種 固化速度則 取決于聚合物的自身性能 如玻璃相變溫度 壓印機所選擇的冷卻 對溫度固化而言 方式或者光固化材料的選擇等等 7 7 壓印的溫度和壓力壓印的溫度和壓力 在壓印過程中 溫度和壓力是基本因素 為了壓印過程的快速性和準(zhǔn)確性 在保 證壓印圖形質(zhì)量的情況下 溫度和壓力越低越好 談及溫度 都不可避免地談到聚合 物材料的玻璃相變溫度 這就涉及到聚合物材料的研究 上面所提到的 mr 8000 和 mr 9000 的玻璃相變溫度分別是 107 和 63 相對于溫度而言 壓力的作用不是太明顯 的 8 8 印章壽命印章壽命 由于現(xiàn)在發(fā)熱研究處于試驗階段 對于印章的壽命只能是相對于個體而言 故無 法具體的給出 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 論文 說明書 27 9 9 標(biāo)定 檢測和標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)定 檢測和標(biāo)準(zhǔn)化 正如傳統(tǒng)制造技術(shù)一樣 整個納米壓印過程需要質(zhì)量監(jiān)控或者評估以及標(biāo)準(zhǔn)化 這就需要制定評估壓印產(chǎn)品質(zhì)量的準(zhǔn)則 這一點類似于傳統(tǒng)制造中的公差 而標(biāo)準(zhǔn)化 的制定依賴于設(shè)計準(zhǔn)則 故如今談?wù)摌?biāo)準(zhǔn)化還為時尚早 2 52 5 壓印頭的總體結(jié)構(gòu)的確定壓印頭的總體結(jié)構(gòu)的確定 為了獲得高分辨率壓印圖形和壓印較大壓印面積 光刻機的壓印頭總體結(jié)構(gòu)機架 滑塊 導(dǎo)柱 壓印頭 壓印頭連桿 伺服電機組成 以實現(xiàn)壓印頭的快動 而壓印頭 的壓印力由壓縮空氣提供 在機械結(jié)構(gòu)上 大行程由絲杠螺母帶動壓印頭實現(xiàn) 模具 的壓下是壓印頭的關(guān)鍵技術(shù) 它既能夠保證模板 抗蝕劑 硅片結(jié)構(gòu)間的接觸均勻一 致 在設(shè)計中粗動工作臺采用直線伺服電機帶動精密絲杠來驅(qū)動 模具的壓下力由壓 縮空氣實現(xiàn) 壓印頭的尺寸全高為 600mm 橫梁以下的高度為 350mm 收縮狀體下 當(dāng) 達(dá)到最大行程時 高度為 510mm