專利名稱：用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具及制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種納米壓印軟模具結(jié)構(gòu)及其制造方法，尤其涉及ー種用于大尺寸非平整襯底晶圓級納米壓印エ藝的復合軟模具結(jié)構(gòu)及制造方法，屬微納米制造技術領域。
背景技術：
納米壓印光刻(NanoimprintLithography, NIL)是一種全新微納米圖形化的方法，它是ー種使用模具通過抗蝕劑的受力變形實現(xiàn)其圖形化的技木。與其它微納米制造方法相比，NIL具有高分辨率、超低成本(國際權威機構(gòu)評估同等制作水平的NIL比傳統(tǒng)光學投影光刻至少低ー個數(shù)量級)和高生產(chǎn)率的特點，尤其在大面積微納米結(jié)構(gòu)和復雜三維微納米結(jié)構(gòu)制造方面具有突出的優(yōu)勢。隨著納米壓印光刻在LED納米圖形化、高密度磁盤介質(zhì)(HDD)、光學器件(如光學透鏡、衍射光學元件、光柵等)、太陽能光伏器件、微流控器件等領域的廣泛應用，對于大面積和晶圓級納米壓印エ藝的需求越來越迫切，同時壓印面積也 變得越來越大、復形精度的要求也愈來愈高。目前實現(xiàn)大面積或者整片晶圓納米壓印光刻的方法主要有兩種第一種是采用步進重復納米壓印エ藝(Step-and-repeat NIL);第二種是采用單步整片晶圓納米壓印光刻。與采用步進重復納米壓印光刻エ藝實現(xiàn)大面積圖形化方法相比，采用整片晶圓(晶圓級)納米壓印光刻(Full wafer NIL, Wafer-level NIL, Waferscale NIL)具有生產(chǎn)率高、圖形均勻和一致性好、成本低等顯著的優(yōu)點。目前實現(xiàn)單步整片晶圓納米壓印光刻的エ藝主要有兩種采用硬模具的整片晶圓熱壓印エ藝，但是該方法對于襯底的平整度和襯底硬度要求較高，不適合非平整(彎曲、翹曲或者臺階)、曲面襯底以及易碎性襯底(如LED圖形化)的壓印。第二種方法是基于PDMS等聚合物材料的軟紫外納米壓印，但PDMS弾性模量較低，大面積壓印過程中大的壓印力易于導致其產(chǎn)生變形(更嚴重會引起根部倒塌、側(cè)向倒塌等嚴重缺陷)，難以實現(xiàn)高分辨、高密度和大深寬比圖形的制造(如sub-50nm圖形的壓印)，耐磨性和硬度等機械特性差，其工作壽命也非常短，難以滿足エ業(yè)級應用的要求；另外PDMS還存在一個很大的不足在有機溶劑中易于膨脹問題(Swell)和變形，嚴重影響壓印圖形的精度、模具壽命和壓印圖形的尺寸穩(wěn)定性。因此，現(xiàn)有的軟UV-NILエ藝廣泛使用的弾性透明PDMS模具面臨難以實現(xiàn)高分辨率和高密度以及大深寬比圖形的制造、較低的使用壽命、在有機溶劑中易于膨脹問題(Swell)和變形大等挑戰(zhàn)性技術難題。此外，隨著軟UV-NIL在LED圖形化、光電子器件、納光子器件和微光學器件的廣泛應用，對于軟UV-NILエ藝中使用的軟模具又提出了更加苛刻的エ藝要求。例如，對于使用晶圓級納米壓印エ藝進行LED外延片圖形化，還面臨如下技術難題(I)晶圓不平整，會有數(shù)微米尺寸的尖鋭突起。幾十微米的翹曲是襯底材料膨脹系數(shù)不一致的結(jié)果，比如碳化硅或藍寶石與外延生長的半導體材料，如氮化鎵，其生長溫度高于900°C。這兩層材料實際上像雙層金屬片一祥，會形成類似薯片的翹曲結(jié)構(gòu)。熱應力也阻礙了使用更大尺寸的晶圓。表突起是外延生長的副產(chǎn)品，如果襯底和半導體材料的晶格不能完全匹配，就會產(chǎn)生突起；(2)晶圓表面不是非常清潔，可能有污物和缺陷；(3)在高亮LED生產(chǎn)中，為了節(jié)省MOCVD外延生長的成本，未來的發(fā)展趨勢是使用大尺寸襯底，例如4寸或者6寸晶圓。然而外延生長會導致大尺寸基底的彎曲則越發(fā)的明顯，在后續(xù)的光刻過程中強行利用真空吸附等方式補償這種彎曲以換取光刻中的高分辨率有可能會造成襯底斷裂。對于微光學器件如透鏡，需要在曲面襯底表面制造大面積微納米結(jié)構(gòu)。因此，迫切需要開發(fā)新的軟模具材料和結(jié)構(gòu)形式，以適應大尺寸整片晶圓納米壓印工藝，以及各種襯底(非平整、臺階、曲面襯底以及易碎性襯底)晶圓級納米壓印工藝的需求，提高軟模具的使用工作壽命，解決大面積納米壓印的脫模技術難題，提高壓印圖形的質(zhì)量和精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具及制造方法，解決現(xiàn)有的模具難以滿足大尺寸、非平整襯底晶圓級納米壓印工藝的要求，為大尺寸整片晶圓納米壓印工藝的實現(xiàn)和應用提供一種工業(yè)級的解決方案。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案。
一種用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具，它包括特征結(jié)構(gòu)層、剛性限制層和彈性支撐層。其中，特征結(jié)構(gòu)層具有低表面能、高彈性模量、高硬度和透明的特性，剛性限制層具有透明和高彈性模量的特性，彈性支撐層具有透明和高度柔性的特性。所述特征結(jié)構(gòu)層包含所要復制的微納米圖形結(jié)構(gòu)；剛性限制層位于特征結(jié)構(gòu)層之上，限制特征結(jié)構(gòu)層的橫向變形和縱向變形；彈性支撐層位于剛性限制層之上。所述用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具的特征結(jié)構(gòu)層具有局部很高的硬度和彈性模量，確保具有高的抗變形能力；但模具整體為薄膜結(jié)構(gòu)形式，有很好的整體柔性和高彈性，有很高的共形(Conformal contact)接觸能力。所述特征結(jié)構(gòu)層采用透明的氟聚合物基材料，其厚度是10-50微米；所述剛性限制層采用玻璃或者透明環(huán)烯烴聚合物，厚度是80-150微米；所述彈性支撐層采用PDMS或者透明PET材料，厚度是100-600微米。所述特征結(jié)構(gòu)層彈性模量的范圍0. 5GPa-3GPa ;所述剛性限制層彈性模量的范圍50GPa-100GPa ;所述彈性支撐層彈性模量的范圍O. 5MPa_2MPa。所述用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具的制造方法，它包括如下步驟( I)制造母模；以硅或石英等為基材，采用電子束直寫光刻、激光干涉光刻或全息光刻等方法，并結(jié)合刻蝕工藝制造母模；(2)制作剛性限制層和彈性支撐層并結(jié)合剛性限制層和彈性支撐層；(3)制作特征結(jié)構(gòu)層；在母模上涂鋪特征結(jié)構(gòu)層，特征結(jié)構(gòu)層的厚度是10-50微米；(4)結(jié)合特征結(jié)構(gòu)層和剛性限制層；在特征結(jié)構(gòu)層之上涂覆一層透明的偶聯(lián)劑材料或者進行表面粘附性處理，使剛性限制層和特征結(jié)構(gòu)層永久結(jié)合；(5)脫模；采用“揭開”式脫模方法，使將制造完成的復合軟模具與母模分離，完成復合模具的制造。
所述步驟(2)的具體步驟為(a)選取厚度為80-150微米玻璃或者透明環(huán)烯烴聚合物為剛性限制層，清洗和去油污后，吹干處理；(b)選取PDMS制作弾性支撐層，采用以硅為基底，在其上澆注液態(tài)PDMS材料，厚度為100-600微米，在5-20Pa真空環(huán)境下，在50-65°C下固化10-24小時；(c) PDMS表面處理，采用氧等離子體表面處理工藝對PDMS表面進行處理，處理時間 200-400s ；(d)使剛性限制層與彈性支撐層保持一定的壓カ條件下緊密接觸4-5小吋，實現(xiàn)剛性限制層和彈性支撐層的永久鍵合或者粘合。所述表面粘附性處理方法包括氧等離子體表面處理工藝、臭氧表面處理、真空紫外光照射表面處理等表面粘附性處理工藝，以增加剛性限制層和特征結(jié)構(gòu)層的粘和性能。 為了進ー步增加特征結(jié)構(gòu)層、剛性限制層和彈性支撐層之間的結(jié)合強度，在鍵合前也可以再分別涂覆ー層強粘附材料或者偶聯(lián)劑材料。所述彈性支撐層選用PET材料，在步驟(2)中，其制造方法是PET材料直接和剛性限制層鍵合或者粘合在一起。本發(fā)明所述用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具為大尺寸晶圓級納米壓印エ藝；非平整(彎曲、翹曲或者臺階)襯底或曲面襯底納米壓??；以及易碎襯底納米壓印エ藝的實現(xiàn)提供了一種エ業(yè)級的模具解決方案，本發(fā)明所述用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具適合于LED圖形化技術、光學器件(如光學透鏡、衍射光學元件等)、蝶式太陽能聚光器、復眼影像感測器、等的制造，尤其適合LED納米圖形化和微光學器件制造。本發(fā)明的有益效果是(I)所述用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具結(jié)合了硬模具高精度和軟模具高彈性以及良好共形接觸能力的優(yōu)點，并具有耐磨和使用壽命長的特點；(2)結(jié)合高彈性模量和低表面能的特征結(jié)構(gòu)層和剛性限制層，確保復合軟模具的特征結(jié)構(gòu)層具有很高的抗變形能力(包括橫向變形和縱向變形)，實現(xiàn)Sub-50納米特征高分辨率圖形的大面積壓??；(3)結(jié)合彈性支撐層和模具整體薄膜結(jié)構(gòu)的高柔性和弾性，具有良好的共形變形能力，實現(xiàn)模具和非平整襯底的良好的大面積共形接觸，確保大面積壓印過程中壓印圖形的一致性(uniformity, homogeneity)和可重復性,解決了由于襯底不平整或存在翅曲變形制約大面積納米壓印實現(xiàn)的技術難題；(4)結(jié)構(gòu)層使用低表面能的氟聚合物基材料，解決大面積脫模困難、缺陷率高和現(xiàn)有軟硬模具工作壽命短的技術難題，滿足エ業(yè)級大面積納米壓印エ藝性能要求；(5)利用母模制造該復合軟模具以及采用該模具進行納米壓印，均無需對模具表面進行抗粘附處理，易于脫模，簡化模具制造和壓印エ藝。因此，所述用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具的顯著優(yōu)點高精度、大面積、良好的共形接觸能力、易于脫模和高的模具使用壽命。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的制造工藝流程圖。圖3是本發(fā)明的各制作步驟的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I、特征結(jié)構(gòu)層；2、剛性限制層；3、彈性支撐層。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖I中，本實施例的用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具包括特征結(jié)構(gòu)層I、剛性限制層2、彈性支撐層3 ;其中，特征結(jié)構(gòu)層I具有低表面能、高彈性模量、高硬度和透明的特性；剛性限制層2具有透明和高彈性模量的特性；彈性支撐層3具有透明和高度彈性的特性。所述特征結(jié)構(gòu)層I包含所要復制的微納米圖形結(jié)構(gòu)；剛性限制層2位于特征結(jié)構(gòu)層I之上，限制特征結(jié)構(gòu)層I的橫向變形和縱向變形；彈性支撐層3位于剛性限制層2之上。所述用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具的特征結(jié)構(gòu)層I的具有局部很高的抗變形能力，但其整體表現(xiàn)為薄膜結(jié)構(gòu)，具有很好的柔性和彈性，以及很高的共形接 觸能力。用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具制造工藝步驟參見圖2，包括(1)制造母模；(2)制作剛性限制層和彈性支撐層；(3)制作特征結(jié)構(gòu)層；(4)鍵合特征結(jié)構(gòu)層和剛性限制層；(5)脫模。本實施例用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具以透明氟聚合物TeflonAF1600為特征結(jié)構(gòu)層1，其厚度30微米；以透明玻璃為剛性限制層2，其厚度100微米；以PDMS為彈性支撐層3，其厚度400微米。本實施例的制造方法圖3是本發(fā)明實施例用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具制造工藝中個步驟的結(jié)構(gòu)示意圖，具體工藝步驟如下( I)制造母模；以硅為基材，采用激光干涉光刻和等離子體干法刻蝕工藝制造母模，如圖3 (a)所示；(2)制造剛性限制層2和彈性支撐層3 ；I)選取厚度為100微米的透明玻璃為剛性限制層2，清洗和去油污后，N2吹干處理；2)以PDMS材料為彈性支撐層3，以硅為基底，在其上澆注液態(tài)PDMS材料，厚度為400微米，在15Pa真空環(huán)境下，在55°C下固化24小時；3) PDMS表面處理，采用氧等離子體表面處理工藝，對PDMS表面進行處理，處理時間 200s ；4)鍵合剛性限制層2和彈性支撐層3，使PDMS與玻璃基片在保持一定的壓力條件下緊密接觸4小時，實現(xiàn)剛性限制層2和彈性支撐層3的永久鍵合；5)剝離硅基底。制造完成的剛性限制層2和彈性支撐層3如圖3 (b)所示。(3)制作特征結(jié)構(gòu)層I ;在母模上旋涂液態(tài)聚合物Teflon AF1600，特征結(jié)構(gòu)層I厚度30微米，在IOPa真空環(huán)境下，在80° C下固化20小時。如圖3 (c)所示。(4)鍵合特征結(jié)構(gòu)層I與剛性限制層2 ；在特征結(jié)構(gòu)層I之上涂覆一層透明的偶聯(lián)劑材料(如FS-10, Shin-etsu ChemicalCo.，Ltd.)，使剛性限制層2玻璃基片另一側(cè)與偶聯(lián)劑材料密切接觸，使特征結(jié)構(gòu)層I與剛性限制層2緊密粘合。如圖3 (d)所示。(5)脫模；采用“揭開”式脫模方法將制造完成的復合軟模具與母模分離，完成復合模具的制造。脫模后的結(jié)構(gòu)如圖3 (e)所示。上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范·圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
權利要求
1.一種用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具，其特征是，它包括特征結(jié)構(gòu)層、剛性限制層和彈性支撐層；所述特征結(jié)構(gòu)層包含所要復制的微納米圖形結(jié)構(gòu)；剛性限制層位于特征結(jié)構(gòu)層之上，限制特征結(jié)構(gòu)層的橫向變形和縱向變形；彈性支撐層位于剛性限制層之上。
2.如權利要求I所述的用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具，其特征是，所述特征結(jié)構(gòu)層采用氟聚合物基材料，其厚度是10-50微米。
3.如權利要求I所述的用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具，其特征是，所述剛性限制層采用玻璃或者透明環(huán)烯烴聚合物，厚度是80-150微米。
4.如權利要求I所述的用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具，其特征是，所述彈性支撐層采用PDMS或者透明PET材料，厚度是100-600微米。
5.如權利要求I所述的用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具，其特征是，所述特征結(jié)構(gòu)層彈性模量的范圍0. 5GPa-3GPa。
6.如權利要求I所述的用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具，其特征是，所述剛性限制層彈性模量的范圍50GPa-100GPa。
7.如權利要求I所述的用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具，其特征是，所述彈性支撐層彈性模量的范圍O. 5MPa-2MPa。
8.如權利要求I所述的用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具的制造方法，其特征是，它的制造工藝步驟為 (1)制造母模； 以硅或石英為基材，采用電子束直寫光刻、激光干涉光刻或全息光刻方法，并結(jié)合刻蝕工藝制造母模； (2)制作剛性限制層和彈性支撐層并結(jié)合剛性限制層和彈性支撐層； (3)制作特征結(jié)構(gòu)層； 在母模上涂鋪特征結(jié)構(gòu)層，特征結(jié)構(gòu)層的厚度是10-50微米； (4)結(jié)合特征結(jié)構(gòu)層和剛性限制層； 在特征結(jié)構(gòu)層之上涂覆一層透明的偶聯(lián)劑材料或者進行表面粘附性處理，使剛性限制層和特征結(jié)構(gòu)層永久結(jié)合； (5)脫模； 采用“揭開”式脫模方法，使將制造完成的復合軟模具與母模分離，完成復合模具的制造。
9.如權利要求8所述的用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具的制造方法，其特征是，所述步驟(2)的具體步驟為 Ca)選取厚度為80-150微米玻璃或者透明環(huán)烯烴聚合物為剛性限制層，清洗和去油污后，吹干處理； (b)選取PDMS制作彈性支撐層，采用以硅為基底，在其上澆注液態(tài)PDMS材料，厚度為100-600微米，在5-20Pa真空環(huán)境下，在50-65°C下固化10-24小時； (c)PDMS表面處理，采用氧等離子體表面處理工藝對PDMS表面進行處理，處理時間200-400s ； Cd)使剛性限制層與彈性支撐層保持一定的壓力條件下緊密接觸4-5小時，實現(xiàn)剛性限制層和彈性支撐層的永久鍵合或者粘合。
10.如權利要求8所述的用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具的制造方法，其特征是，所述彈性支撐層選用PET材料；在步驟(2)中，其制造方法是PET材料直接和剛性限制層鍵合或者粘合在一起。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于非平整襯底晶圓級納米壓印的復合軟模具及制造方法。該復合軟模具包括特征結(jié)構(gòu)層、剛性限制層和彈性支撐層。其中，特征結(jié)構(gòu)層包含所要復制的微納米圖形結(jié)構(gòu)，采用透明的氟聚合物基材料；剛性限制層位于特征結(jié)構(gòu)層之上，限制特征結(jié)構(gòu)層的橫向變形和縱向變形；彈性支撐層位于剛性限制層上。該復合軟模具的制造方法包括(1)制造母模；(2)制造并結(jié)合剛性限制層和彈性支撐層；(3)制作特征結(jié)構(gòu)層；(4)結(jié)合特征結(jié)構(gòu)層和剛性限制層；(5)脫模。該復合軟模具的顯著的優(yōu)點高精度、大面積、與非平整襯底良好的共形接觸能力、易于脫模和長的使用壽命，它特別適合于大尺寸、高分辨率非平整襯底晶圓級納米壓印工藝。
文檔編號G03F7/00GK102854741SQ20121037212
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權日2012年9月29日
發(fā)明者蘭紅波 申請人:青島理工大學