納米壓印光刻工藝淺談及其專利分析

張樂　伏霞

【摘 要】光刻技術是半導體及其相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展和進步的關鍵技術之一，傳統(tǒng)光刻技術有著各自的缺點，結構復雜，分辨率受限于衍射極限。隨著在應用中技術問題的增多，尋找解決技術障礙的新方案、找到下一代可行的技術路徑，備受人們的關注。在這場技術競賽中，納米壓印工藝得到人們的普遍關注，它的分辨率不受限于衍射極限，圖形的均一性符合大生產(chǎn)的要求，使得人們看到找到納米技術的突破口的可能。本文統(tǒng)計、分析了全球納米壓印工藝的專利申請文件，并通過相關重點專利對納米壓印工藝進行了分析介紹，繼而針對納米壓印工藝的發(fā)展所遇到的關鍵技術挑戰(zhàn)進行了歸納。

【關鍵詞】納米壓??；光刻；專利；發(fā)展前景；技術挑戰(zhàn)

0 引 言

光刻技術是半導體及相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展和進步的關鍵技術，傳統(tǒng)的光刻技術有紫外光刻、電子束光刻等，然而這些技術有著各自的缺點，結構復雜，依賴于光學系統(tǒng)進行成像，分辨率受限于衍射極限。在過去的幾十年中，傳統(tǒng)光刻技術發(fā)揮了重大作用；但另一方面，隨著在應用中技術問題的增多、用戶對應用本身需求的提高，尋找解決技術障礙的新方案、找到下一代可行的技術路徑，去支持產(chǎn)業(yè)的進步也顯得非常緊迫，大量的研發(fā)和開發(fā)資金投入到了這場競賽中。在這場技術競賽中，納米壓印工藝得到人們的普遍關注，它的分辨率已經(jīng)達到了10 nm，目前的主要應用領域是MEMS、MOEMS、微應用流體學器件和生物器件，也將是未來半導體廠商實現(xiàn)32 nm技術節(jié)點生產(chǎn)的主流技術。由于納米壓印工藝在一些公司的研究中心工藝上取得的突破以及驗證的技術優(yōu)勢，使得人們看到了找到納米技術突破口的可能。

1 納米壓印工藝的概況分析

納米壓印工藝的首次提出是1995年，美國明尼蘇達大學的周郁教授（Stephen Y chou）提出了關于納米壓印光刻工藝的首個專利申請（US5772905A）。隨后，納米壓印工藝獲得了廣泛的關注，不斷取得發(fā)展和進步。其通過物理接觸方式進行圖像轉(zhuǎn)印和圖形加工，是一種低成本、高效率的光刻技術，結構原理簡單，且不依賴于光學系統(tǒng)成像，因而不受衍射極限的限制，可獲得較高的分辨率。

1.1 納米壓印工藝專利申請量年度分布

圖1為納米壓印工藝專利申請量從1996-2012年的年度分析，自1995年納米壓印工藝被首次提出后，收到了人們的關注，得到了極大的重視和發(fā)展。

圖2對納米壓印光刻技術的國內(nèi)專利申請量進行了年度分析，國內(nèi)與國際申請量相比有很大的差距，且很多都是國外公司進行的中國申請，國內(nèi)申請人提出的專利申請量相較之下更少，且經(jīng)過瀏覽發(fā)現(xiàn)，很多是高校申請，足以見得，在納米壓印工藝這一技術的研究上，尚未引起國內(nèi)的足夠重視，還處于小范圍研究階段，更未獲得實際產(chǎn)業(yè)化的推動。

1.2 納米壓印工藝專利申請的主要申請人分析

可見，處于申請量前十的申請人都是外國公司，其中MOLECULAR和ASML遠遠領先于其他公司，同時，納米壓印工藝的創(chuàng)始人周郁教授也有著61項納米壓印工藝的專利申請，其針對該工藝進行了拓展研究，值得重點關注。

2 納米壓印工藝的技術分支及相關重要專利

納米壓印工藝的主流技術分支有：熱納米壓印技術；紫外固化納米壓印技術；微接觸印刷技術。其中，熱納米壓印技術是最早提出的納米壓印技術，通過施加壓力使硬模板的圖形轉(zhuǎn)移到已加熱到玻璃態(tài)的熱塑性聚合物中；紫外壓印技術是一種壓印成型轉(zhuǎn)移技術，采用剛性好的透明材料作為模板，模板與光固化的有機聚合物接觸，采用紫外光固化成型，最終實現(xiàn)圖案的轉(zhuǎn)移；微接觸印刷技術通過在PDMS模板表面形成自組裝單分子層，當模板與金屬、金屬氧化物或半導體表面輕接觸幾秒后，單分子層轉(zhuǎn)移至上述基底，完成了圖案轉(zhuǎn)移。

圖4對納米壓印工藝的傳統(tǒng)技術分支的專利申請量進行了統(tǒng)計分析，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在三個技術分支中，熱納米壓印和紫外固化壓印處于主流發(fā)展中，而紫外固化壓印技術，由于其主要利用UV紫外光對預聚合物進行固化，對溫度環(huán)境沒有熱納米壓印要求苛刻，且成形過程中外在機械應力小，避免了結構變形，以及采用透明模板可方便圖形對準，由于這些優(yōu)點的存在，已經(jīng)成為納米壓印工藝中處于主導發(fā)展的技術分支。

2.1 熱納米壓印工藝的發(fā)展及重要專利

2.1.1 熱納米壓印技術

美國明尼蘇達大學的周郁教授提出了關于納米壓印光刻工藝的首個專利申請（US5772905A），該專利即是采用的熱納米壓印技術，熱納米壓印技術是指通過施加壓力使硬模板的圖形轉(zhuǎn)移到已加熱到玻璃態(tài)的熱塑性聚合物中的壓印技術，利用旋涂的方式在基板上涂覆光刻膠，加熱至光刻膠的玻璃態(tài)，然后加壓于模板并保持溫度和壓力一段時間，玻璃態(tài)光刻膠填充掩膜板圖形間隙，降低溫度后脫模，從而將圖形從模板轉(zhuǎn)移到基板上的光刻膠。最后采用刻蝕去除殘留光刻膠，就將圖形轉(zhuǎn)移到基板上。

2.1.2 基于施壓和加熱方式改進的熱納米壓印技術

上文對熱納米壓印技術進行了簡單介紹，其最主要的特點是需要將光刻膠加熱到玻璃化溫度之上，常產(chǎn)用加熱板加熱，然而該加熱方法會造成熱量的散失，加熱和降溫的過程會浪費大量的時間，在熱納米壓印技術的發(fā)展中，很多新的加熱方法被不斷提出，如臺灣清華大學發(fā)表的文章（“Ultrasonics for nanoimprint lithography”， Chien Hung Lin et.al， Proceedings of 2005 5th IEEE conference on nanotechnology， 2005）中，采用超聲波對光刻膠進行直接加熱，縮短加熱時間，獲得了良好的壓印圖形轉(zhuǎn)移效果。

同樣的，在傳統(tǒng)的熱納米壓印技術中，通常采用機械壓力進行施壓，很容易造成受力不均，導致圖案加工效果的劣化，很多新的施壓方法被不斷提出，如周郁教授提出的公開號為WO03/099536A1的專利申請，采用了電場或磁場一起擠壓壓模面，可以不需要機械壓力機也不需要密封模具和襯底之間的區(qū)域，可實現(xiàn)大面積高清晰和均勻度的納米壓?。煌瑯拥?，周郁教授提出的公開號為US2004/0131718A1的專利申請，利用流體壓力進行施壓，同樣取得了良好的效果，實現(xiàn)了壓印圖案的高清晰度和均勻度。

2.2 紫外固化壓印工藝的發(fā)展及重要專利

紫外固化壓印技術由C G Willson教授提出，在以其作為發(fā)明人，MOLECULAR IMPRINTS公司作為申請人的一個公開號為US2004/0112862A1的專利申請中，涉及了紫外固化壓印工藝的具體原理和操作流程，其要求高精度掩膜板，且要求掩膜板對紫外光是透明的，一般采用SiO2材質(zhì)作為掩膜板，在基板上旋涂一層液態(tài)光刻膠，光刻膠要求粘度低、對紫外光敏感，利用較低的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，紫外光使得光刻膠固化，脫模后用蝕刻出去殘留的光刻膠，將圖案從模板轉(zhuǎn)移到基板上。

相較于熱納米壓印技術而言，紫外固化壓印技術不需要加熱，可以在常溫下進行，避免了熱膨脹因素，也縮短了壓印時間，且掩膜板透明，易于實現(xiàn)層與層之間的對準，然后設備較為昂貴，對工藝和環(huán)境要求高，且缺少加熱過程，光刻膠中氣泡難以排出。在生產(chǎn)中，經(jīng)常對紫外固化壓印技術和步進技術相結合，形成步進快閃納米壓印技術，采用小模板分步壓印紫外固化的方式，提高了大面積基板上壓印轉(zhuǎn)移的能力，但是對位移精度和驅(qū)動精度有一定要求。

2.3 微接觸印刷工藝的發(fā)展及重要專利

微接觸印刷技術由哈佛大學的Whitesides G M等人提出，該技術通常需要用鏈烷硫醇或其他分子如膦酸、烷基硅氧烷和異氰化物等處理已成型的PDMS表面形成自組裝單分子層，當模板與金屬、金屬氧化物或半導體表面輕微接觸幾秒鐘后，單分子層便轉(zhuǎn)移到這一基底上，該技術具有無殘留膜的優(yōu)點。

2.4 新型納米壓印技術的發(fā)展及重要專利

在傳統(tǒng)納米壓印技術的基礎上，許多相似的壓印技術相繼衍生而出，這些技術都是基于模板壓印的概念，能夠?qū)崿F(xiàn)納米結構制造。且這些技術的形成很多是為了克服傳統(tǒng)技術的缺陷，如解決納米壓印熱循環(huán)問題所提出的溶劑輔助壓印技術，為解決加熱過程影響效率所提出的激光輔助直接壓印技術，為克服不連續(xù)生產(chǎn)工藝過程所提出的滾軸式納米壓印技術等等。其中，以激光輔助直接壓印技術和滾軸式納米壓印技術最為受到關注。

激光輔助壓印技術就是用高能準分子激光透過掩膜板直接熔融基板，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，將圖案從掩膜板直接轉(zhuǎn)移到基板之上。因為是直接將圖案轉(zhuǎn)移到基板上，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時間，降低生產(chǎn)成本。具體技術細節(jié)可參見周郁教授的公開號為的專利申請。

納米壓印技術大都是不連續(xù)的生產(chǎn)工藝過程，難以進行大規(guī)模和大面積的生產(chǎn)，為了進行量產(chǎn)，只能采用很大的掩膜板或者需要高對準精度和自動化操作的步進紫外固化技術。大掩膜板加工困難，且易損壞，步進紫外固化技術工藝環(huán)節(jié)多，控制難度大。為了克服上述難題，滾軸式納米壓印技術出現(xiàn)，其具有連續(xù)壓印、產(chǎn)量高、成本低和系統(tǒng)組成簡單等優(yōu)點。該技術有兩種實現(xiàn)工藝：一種是滾軸式壓印技術和熱納米壓印技術的結合，將掩膜板直接制作到滾軸上，滾軸的轉(zhuǎn)動將圖形連續(xù)的壓入已旋涂好光刻膠的基板上；另一工藝是將滾軸式壓印技術和紫外固化壓印技術相結合，紫外光固化壓印技術中光刻膠本身就是液態(tài)，可以將紫外光束很好的控制到滾軸和光刻膠分離的區(qū)域，從而進行固化和脫模。

3 納米壓印工藝的技術挑戰(zhàn)

盡管壓印光刻在圖形轉(zhuǎn)移方面有著其他技術不可比擬的優(yōu)勢，然而由于其工藝特點，其存在著許多關鍵的技術挑戰(zhàn)。納米壓印技術和傳統(tǒng)的光刻技術不同，其采用物理接觸方法，需要采用等比例的壓印模板，這就決定著，模板分辨率決定了壓印圖案的分辨率，因而，高分辨率模板的制造是其面臨的挑戰(zhàn)之一。同時，除了微接觸印刷、激光輔助壓印等技術外，納米壓印技術都存在著脫模這一工序，而石英和聚合物之間具有較強的粘附性，脫模過程中聚合物的粘結會對壓印質(zhì)量產(chǎn)生重大的影響。同時，脫模過程聚合物的粘結和壓印過程中氣泡的轉(zhuǎn)移，對這些轉(zhuǎn)移圖形的缺陷控制也是面臨的一個關鍵的技術挑戰(zhàn)。

4 結束語

納米壓印技術作為一種相對較新的光刻技術，與當前主流光刻技術有著其特有的優(yōu)勢，其不受曝光波長衍射極限的物理限制，且技術簡單，設備成本較低，以其高分辨率、高效率、低成本和工藝過程簡單的特點，引起了日益增長的關注，本文對納米壓印技術的發(fā)展進行了專利分析，并介紹了當前重要的幾種技術分支，對其原理、工藝、優(yōu)缺點進行分析介紹。最后對納米壓印衍生出的技術挑戰(zhàn)進行了簡要綜述分析。

[責任編輯：張濤]