具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置及方法，主要包括以下機構：大理石減震臺，Z軸平臺，定向導桿底座，導桿，下腔固定底板，下腔，XYZT四軸平臺，基底固定平臺，涂有抗刻蝕劑晶圓，壓印模板，壓印頭部，上腔，壓印頭部支撐基座，紫外光源，對準機構。通過運動機構，光學系統(tǒng)，對準機構，控制系統(tǒng)等將壓印模板圖形轉移到涂有抗刻蝕劑晶圓上。
【專利說明】具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可用于器件制造如半導體器件，光學器件和生物制品的納米壓印裝置，涉及掩模與襯底對準，LED紫外冷光源固化納米壓印裝置，屬于微納制造和器件制造【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著科技的進步，適應半導體集成電路技術的飛速發(fā)展，普通的光學光刻分辨率已經達到了極限。隨之而來，最近幾年出現了普通光學光刻技術的替代技術:極紫外光刻(EUV)技術和納米壓印技術(NIL)。極紫外光刻技術使用波長11?13nm的極紫外光，采用精度極高的反射式光學系統(tǒng)，以避免折射系統(tǒng)中強烈的光吸收，如何實現足夠功率的短波長光源也是一個難點，整個光刻系統(tǒng)造價非常昂貴。除極紫外光刻之外，比較有前途的技術還有電子束光刻、X射線光刻，但其也存在一些不足之處，如產出低，模板難以制作等，從而離工業(yè)化應用還有一段距離，同時整個光刻系統(tǒng)造價非常高。作為可商用化的產品，必須具有較高的性價比，操作簡單、可靠、易行，同時可實現工業(yè)化生產、高的重復性。納米壓印光刻技術的提出，避免使用昂貴的光學系統(tǒng)，大大降低了成本。
[0003]納米壓印光刻技術(Nanoimprint Lithography, NIL)是由美國明尼蘇達大學納米結構實驗室Stephen Y.Zhou教授于1995年開始進行了開創(chuàng)性的研究,是一種全新微納米圖形化的方法，它是一種使用模具通過抗蝕劑的受力變形實現其圖形化的技術。通過近二十年的發(fā)展，納米壓印光刻已作為32、22和16nm節(jié)點的集成電路制造技術列入國際半導體技術路線圖(ITRS)，成為公認的低成本、高分辨率、大面積圖形加工技術。納米壓印技術主要包括熱壓印(HEL)、紫外壓印(UV-NIL)(包括步進-閃光壓印(S-FIL))、微接觸印刷(μ -CP)。主要應用領域:高亮度光子晶體LED、高密度磁盤介質(HDD)、光學元器件(光波導、微光學透鏡、光柵)、生物微流控器件等領域。對于可實現大面積，整片晶圓納米工業(yè)化生產工藝的需求亟需提上日程。目前，可用于大面積及整片晶圓規(guī)?；I(yè)生產的納米壓印方法主要有兩種:步進重復納米壓印工藝(Step-and-repeat NIL)和單步整片晶圓納米壓印工藝。兩者大面積納米圖形化工藝相比較，后者具有生產率高、圖形均一性好等顯著的優(yōu)點。同時整片晶圓進行納米壓印也面臨著許多新的挑戰(zhàn):(I)如何大面積或整片晶圓上施加均一的壓印力；(2)如何控制壓印力的大小；(3)消除納米壓印過程中氣泡的產生；(4)解決脫模困難問題；(5)對準機構；(6)控制壓印晶圓殘留層均一性及薄殘留層；(7)晶圓面固體顆粒控制；(8)晶圓壓印效率控制。因此，迫切需要開發(fā)一種新的整片晶圓納米壓印設備，整片晶圓納米圖形的復制，尤其是可實現工業(yè)化生產。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明目的是提供一種具有對準機構的自動脫模納米壓印設備，解決了壓應力在有效面積內均勻分布，有效做到較小脫膜力、氣泡消除、殘留層薄且均一，解決了大面積脫膜方法等挑戰(zhàn)性工作。為微納結構圖形化提供了一套低成本、工藝簡單適合規(guī)?；a的方法。
[0005]本發(fā)明能夠實現規(guī)?；?，大面積壓印工藝的基本原理:
[0006]引入具有一定韌性的透明軟模板，可以使壓印模板中心與涂有抗刻蝕劑的結構晶圓的抗刻蝕劑先接觸，實現抗刻蝕劑填充壓印模板的結構，隨后，通過XYZT四軸中Z軸移動，可以使其由中心向四周線接觸式均勻接觸，同時壓印模板與涂有抗刻蝕劑的結構晶圓的腔室抽真空，有利于消除氣泡，可在小壓印力下實現圖形的復制，保證轉移圖形的保真度。脫模過程打開脫模吹氣管路，同時控制Z軸向下移動，在脫模吹氣管路1212和Z軸向下移動拉力共同作用下脫模，實現從晶圓四周向中心線分離式連續(xù)脫模，可實現小脫模力大面積壓印脫模；避免大脫模力對模板和轉移圖形的損壞。同時，脫模過程中使得壓印模板與壓印基底實現自動分開，達到“解放雙手”，使壓印過程中避免人為的因素對壓印的影響-傳統(tǒng)壓印過程通過雙手去手動脫模，使模板與基底在脫模過程中受力不均勻導致應力集中致使模板、基底兩者其中之一損壞或兩者都損壞。
[0007]為實現上述目的，本發(fā)明采用以下技術解決方案:
[0008]具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置，主要包括:大理石減震臺，Z軸平臺，定向導桿底座，導桿，下腔固定底板，下腔，XYZT四軸平臺，基底固定平臺，涂有抗刻蝕劑晶圓，壓印模板，壓印頭部，上腔，壓印頭部支撐基座，紫外光源，對準機構，控制系統(tǒng)；其中，Z軸平臺和定向導桿底座固定于大理石減震臺上，導桿與定向導桿底座連接，Z軸平臺另一端與下腔固定底板連接由導桿進行Z軸導向，XYZT四軸平臺固定于下腔內，晶圓固定于基底固定平臺上，壓印模板固定在壓印頭部上，壓印頭部與上腔連接，壓印頭部由支撐基座固定，與導桿連接，紫外光源和對準機構置于壓印頭部之上；
[0009]所述壓印頭部，包括透明可視窗口，固定框，可視窗口固定在固定框上進行密封；
[0010]所述透明可視窗口材料具有透過紫外線的功能，可以是石英，玻璃，聚碳酸酯(PC)，對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和有機玻璃(PMMA)中的一種，但不限于以上可作為透明可視窗口材料；
[0011]所述固定框開有壓力管路和模板固定機構，模板固定機構也可是真空管路或機械固定機構之一，但不限于以上模板固定機構；
[0012]所述上腔開有真空/脫模吹氣管路；
[0013]所述壓印模板是具有一定韌性的模板，旭硝子玻璃壓印模板或PDMS復合模板，但不限于以上所述壓印模板；
[0014]所述紫外光源和對準機構進行切換；
[0015]所述控制系統(tǒng)主要控制紫外光源和對準機構進行切換、XYZT四軸運動、Z軸運動、對準機構CCD可視、各氣路的打開關閉；
[0016]具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置的壓印方法，它包括以下步驟:
[0017]I)預處理過程
[0018]將壓印模板通過真空方式固定在壓印頭部上；將涂有抗刻蝕劑的結構晶圓通過真空固定在基底固定平臺上，盡可能使需套刻圖案偏差??；通過Z軸平臺將下腔與上腔閉合；
[0019]2)對準過程
[0020]將對準機構置于壓印頭上，通過程序控制XYZT平臺使涂有抗刻蝕劑的結構晶圓與壓印模板進行套刻；套刻完成后將紫外光源14切換到壓印頭部上；[0021]3)壓印過程
[0022]首先，打開上壓印頭部的壓力管路，打開真空管路使壓印模板具有微小形變，通過利用程序控制XYZT的Z軸使晶圓向壓印模板移動，氣體壓印力，毛細作用，晶圓對模板壓力三者的共同作用下，壓印模板在中心位置縱向產生彎曲變形，壓印模板中心開始接觸涂鋪有抗蝕劑的晶圓上的抗蝕劑，隨著Z軸的移動，壓印模板的結構層與抗蝕劑的接觸由中心向四周擴散，面積不斷擴大，直至整個模板結構層與涂有抗蝕劑的整片晶圓上的抗蝕劑完全接觸，壓印模板中的所有微納米結構腔體被抗蝕劑所充填；最后，使Z軸移動到目標位置，使溶膠-凝膠抗蝕劑材料在壓印模板微納米結構腔體內的完全充填，并且減薄至預定的殘留層厚度；
[0023]4)固化過程
[0024]開啟紫外光光源，紫外光線透過可視窗口和壓印模板對抗蝕劑固化；
[0025]5)脫模過程
[0026]關閉壓印頭部的壓力管路，打開真空管路，打開脫模吹氣管路，同時控制Z軸向下移動，在脫模吹氣管路和Z軸向下移動拉力共同作用下脫模，實現從晶圓四周向中心連續(xù)脫模；
[0027]6)后處理過程
[0028]通過移動Z軸使上、下腔分離，取出壓印好的整片晶圓。
[0029]所述壓印模板中心與晶圓中心對稱；
[0030]所述步驟2)、3)和步驟4)中，對準過程、壓印過程和脫模過程以壓印模板中心為對稱軸，壓印模板均勻、對稱受力，壓印和脫模過程四周同時進行；
[0031]所述步驟中固化時間10s_300s ；
[0032]所述紫外光源14采用強紫外線高壓汞燈(UV燈)，功率密度:20-100W/cm，光譜主峰365nm,光量度范圍值:600?1000mJ/cm2、福照距離40?120_ ；
[0033]本發(fā)明顯著優(yōu)勢在于:1)采用具有一定韌性的壓印模板，實現壓印模板與晶圓有中心向四周擴散式接觸排除空氣；2)下腔在壓印過程中是負壓，減少氣泡的產生；3)采用韌性模板，容易脫模，圖形復制缺陷少；4)本發(fā)明采用脫模管路，提高脫模效率；5)實現自動脫模，在壓印過程中避免人為的因素對壓印的影響；6)能夠制作出高精度的納米套刻圖形；7)可以實現大面積納米結構圖形均勻轉移；8)壓印過程通過程序集成于一鍵控制，提高效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]附圖以提供對本發(fā)明的進一步理解，將其并入并構成本發(fā)明申請的一部分，附圖用于說明本發(fā)明的實施例并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0035]圖1a是本發(fā)明裝置主視圖結構示意圖
[0036]圖1b是本發(fā)明裝置等軸測圖結構示意圖
[0037]圖2a為壓印模板主視圖結構示意圖
[0038]圖2b為壓印模板頂視圖結構示意圖
[0039]圖3a是本發(fā)明壓印頭的三維結構示意圖
[0040]圖3b是圖3a的底視圖[0041 ] 圖3c是圖3b的A-A面剖視圖
[0042]圖3d是圖3c的B局部放大視圖
[0043]圖4是上腔結構示意圖
【具體實施方式】
[0044]以下將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0045]如圖1a-1b所示，本發(fā)明壓印裝置主要包括:大理石減震臺1，Z軸平臺2，定向導桿底座3，定向導桿4，下腔固定底板5，下腔6，XYZT四軸平臺7，基底固定平臺8，涂覆有抗刻蝕劑晶圓9，壓印模板10，壓印頭部11，上腔12，壓印頭部支撐基座13，紫外光光源14，對準機構15，控制系統(tǒng)16 ;其中，Z軸平臺2和定向導桿底座3固定于大理石減震臺I上，導桿4與定向導桿底座3連接，Z軸平臺2另一端與下腔固定底板5連接由導桿4進行Z軸導向，XYZT四軸平臺7固定于下腔6內，晶圓9固定于基底固定平臺8上,壓印模板10固定在壓印頭部11上，壓印頭部11與上腔12連接，壓印頭部11由支撐基座13固定，與導桿4連接，紫外光源14和對準機構15置于壓印頭部之上，控制系統(tǒng)16主要控制紫外光源和對準機構進行切換、XYZT四軸運動、Z軸平臺運動、對準機構CXD可視、各氣路的打開關閉；
[0046]圖2a_2b中，所述壓印模板10具有一定韌性的透明模板，可以是具有納米結構模板的Schott玻璃模板，厚度為200-500um,結構層厚度100nm-10um。壓印模板尺寸200mm ；也可以復合模板，PET, PMMA, PC等透明材料為支撐層，厚度為500-1000um，結構層為PDMS厚度100-200um ;壓印模板是以上之一但不限于以上。本實施例首選PET-PDMS復合模板，PET尺寸為200mm，厚度500um ；PDMS結構層與PET中心對稱，其大小至少為4inch，優(yōu)選大于4inch ;軟模板的光柵幾何參數:周期600nm，占空比為1: 1，高度200nm。
[0047]圖3a_3d中，所述壓印頭部11，包括透明可視窗口 1120，固定框1110，可視窗口固定在固定框上進行密封；透明可視窗口 1120材料具有透過紫外線的功能，可以是石英，玻璃，聚碳酸酯(PC)，對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和有機玻璃(PMMA)中的一種，但不限于以上可作為透明可視窗口材料；固定框1110開有壓力管路1111和模板固定機構1112，模板固定機構也可是真空管路或機械固定機構之一，但不限于以上模板固定機構；
[0048]圖4中，一種實施例上腔開有真空管道1211和脫模吹氣管道1212 ；
[0049]實施例中紫外光光源14通過導軌(未示出)與對準機構15進行切換；
[0050]實施例中優(yōu)選紫外光源14采用強紫外線高壓汞燈(UV燈)，功率密度:50W/cm，光譜主峰365nm,光量度范圍值:600?1000mJ/cm2、福照距離40?120_ ；
[0051]I)預處理過程
[0052]首先,在4inch具有結構的Si片通過勻膠機涂覆150nm的抗刻蝕劑,然后將該涂覆有抗刻蝕劑的晶圓9打開基底吸附通路固定在基底固定平臺8上；之后，將Schott壓印模板10打開真空管路1112吸附在壓印頭部上；通過Z軸平臺2將下腔6與上腔12閉合密封；
[0053]2)對準過程
[0054]首先，通過導軌將對準機構15置于壓印頭上，通過程序控制XYZT平臺使涂覆有抗刻蝕劑的結構晶圓9與壓印模板10距離為30-50um時進行套刻；套刻完成后將紫外光光源14切換到壓印頭部上方，距離透明可視窗口(I 120) 40mm ；[0055]3)壓印過程
[0056]首先，打開上壓印頭部的壓力管路1111，打開真空管路1211使壓印模板具有微小形變，形成一個球面，通過利用程序控制XYZT的Z軸使涂覆有抗刻蝕劑的結構晶圓9向壓印模板10移動，氣體壓印力，毛細作用，晶圓對模板壓力三者的共同作用下，壓印模板10在中心位置縱向產生彎曲變形，壓印模板中心開始接觸涂鋪有抗蝕劑的晶圓9上的抗蝕劑，隨著Z軸的移動，壓印模板10的結構層與抗蝕劑的接觸由中心向四周擴散，面積不斷擴大，直至整個模板結構與涂有抗蝕劑的整片晶圓上的抗蝕劑完全接觸，壓印模板中的所有微納米結構被抗蝕劑所充填；最后，使Z軸移動到目標位置，使溶膠凝膠抗蝕劑材料在壓印模板10微納米結構腔體內的完全充填，并且減薄至預定的殘留層厚度25nm ；
[0057]4)固化過程
[0058]開啟紫外光光源14，紫外光線透過可視窗口和壓印模板對抗蝕劑固化，固化時間為 60s ；
[0059]5)脫模過程
[0060]關閉壓印頭部的壓力管路1111，打開1211真空管路，打開脫模吹氣管路1212，同時控制Z軸向下移動，在脫模吹氣管路1212和Z軸向下移動拉力共同作用下脫模，實現從晶圓四周向中心連續(xù)脫模；
[0061]6)脫模過程
[0062]通過移動Z軸使上、下腔分離，取出壓印好的整片晶圓。
[0063]另外，對于領域的技術人員可在不脫離本發(fā)明精神和范圍內對本發(fā)明做出各種修改和變化。因此，本發(fā)明旨在覆蓋所附權利要求及其等同物范圍內對本發(fā)明的各種修改和變化，都應屬于本發(fā)明的保護的范圍。
【權利要求】
1.一種具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置，其特征在于:主要包括，大理石減震臺l，z軸平臺2，定向導桿底座3，導桿4，下腔固定底板5，下腔6，XYZT四軸平臺7，基底固定平臺8，涂有抗刻蝕劑晶圓9，壓印模板10，壓印頭部11，上腔12，壓印頭部支撐基座13，紫外光源14，對準機構15 ;其中，Z軸平臺2和定向導桿底座3固定于大理石減震臺I上，導桿4與定向導桿底座3連接，Z軸平臺2另一端與下腔固定底板5連接由導桿4進行Z軸導向,XYZT四軸平臺7固定于下腔6內，晶圓9固定于基底固定平臺8上,壓印模板10固定在壓印頭部11上，壓印頭部11與上腔12連接，壓印頭部11由支撐基座13固定，與導桿4連接，紫外光源14和對準機構15置于壓印頭部之上，控制系統(tǒng)主要控制16紫外光源和對準機構進行切換、XYZT四軸運動、Z軸運動、對準機構CXD可視、各氣路的打開關閉。
2.如權利要求1所述的具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置，其特征在于，所述壓印頭部11，包括透明可視窗口 1120，固定框1110，可視窗口固定在固定框上進行密封。
3.如權利要求2所述的具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置，其特征在于，所述透明可視窗口 1120材料具有透紫外線功能，可以是石英，玻璃，聚碳酸酯(PC)，對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和有機玻璃(PMMA)中的一種，但不限于以上可作為透明可視窗口材料。
4.如權利要求2所述的具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置，其特征在于，所述固定框1110開有壓力管路1111和模板固定機構1112，模板固定機構一顆是真空管路或機械固定機構之一，但不限于以上模板固定機構。
5.如權利要求1所述的具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置，其特征在于，所述上腔12開有真空/脫模吹氣管路1210。
6.如權利要求1所述的具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置，其特征在于，所述壓印模板10是具有一定韌性的模板，玻璃壓印模板或PDMS復合模板，但不限于以上所述壓印模板。
7.如權利要求5所述的具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置，其特征在于，所述紫外光源14和對準機構15進行切換。
8.一種采用權利要求1所述具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置的壓印方法，其特征在于，它包括以下步驟: 1)預處理過程 將壓印模板10通過真空方式固定在壓印頭部11上；將涂有抗刻蝕劑的結構晶圓9通過真空固定在基底固定平臺8上，盡可能使需套刻圖案偏差??；通過Z軸平臺2將下腔6與上腔12閉合； 2)對準過程 將對準機構15置于壓印頭上，通過程序控制XYZT平臺使涂有抗刻蝕劑的結構晶圓9與壓印模板10進行套刻；套刻完成后將紫外光源14切換到壓印頭部上； 3)壓印過程 首先，打開上壓印頭部的壓力管路1111，打開真空管路1211使壓印模板具有微小形變，通過利用程序控制XYZT的Z軸使晶圓9向壓印模板10移動，氣體壓印力，毛細作用，晶圓對模板壓力三者的共同作用下，壓印模板10在中心位置縱向產生彎曲變形，壓印模板中心開始接觸涂鋪有抗蝕劑的晶圓9上的抗蝕劑，隨著Z軸的移動，壓印模板10的結構層與抗蝕劑的接觸由中心向四周擴散，面積不斷擴大，直至整個模板結構層與涂有抗蝕劑的整片晶圓上的抗蝕劑完全接觸，壓印模板中的所有微納米結構腔體被抗蝕劑所充填；最后，使Z軸移動到目標位置，使溶膠凝膠抗蝕劑材料在壓印模板10微納米結構腔體內的完全充填，并且減薄至預定的殘留層厚度。 4)固化過程 開啟紫外光光源14，紫外光線透過可視窗口和壓印模板對抗蝕劑固化。 5)脫模過程 首先，關閉壓印頭部的壓力管路1111，打開1211真空管路，打開脫模吹氣管路1212，同時控制Z軸向下移動，在脫模吹氣管路1212和Z軸向下移動拉力共同作用下脫模，實現從晶圓四周向中心連續(xù)脫模。 6)脫模過程 通過移動Z軸使上、下腔分離，取出壓印好的整片晶圓。
9.如權利要求8所述具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置的壓印方法，其特征在于，壓印模板中心與晶圓中心對稱。
10.如權利要求8 所述具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置的壓印方法，其特征在于，所述步驟2)、3)和步驟4)中，對準過程、壓印過程和脫模過程以壓印模板10中心為對稱軸，壓印模板10均勻、對稱受力，壓印和脫模過程四周同時進行。
11.如權利要求8所述具有對準式自動脫模紫外納米壓印裝置的壓印方法，其特征在于，所述步驟4)中固化時間10s-300s。
【文檔編號】G03F7/00GK103926790SQ201410189223
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權日:2014年5月7日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:李寧, 周娟