一種負型納米壓印方法
2023-06-02 21:58:36
專利名稱：一種負型納米壓印方法
技術領域：
本發明涉及一種納米壓印技術，特別是一種應用在金屬納米結構製備方面的負型納米壓印方法。
背景技術：
根據2003年版的國際半導體技術路線圖預測，器件特徵尺寸將在2008年前後達到70納米以下。屆時現行的光學光刻技術將因光刻膠和掩模板材料以及光源的限制而接近其技術極限，如果不能克服這一技術屏障，集成電路將無法繼續縮小下去，因此新一代的納米結構加工技術成為研究熱點。從基本的發展原則出發，新的技術途徑必須在尺寸、速度、功能和成本上獲得平衡。半導體行業的技術研究人員對傳統的光學光刻工藝作了一系列艱難的改進，目前可以製造出線寬僅為70納米的複雜納電子結構，但是這種製造方法的費用非常昂貴，用來製造線寬小於100納米的光學光刻工具，每臺造價高達數千萬至數億美元。突破70nm技術極限的光刻技術，單靠對現行光學光刻技術的改良和革新是遠遠不夠的，會遇到越來越大的阻力，必須尋求革命性的和概念上的突破。人們看好的一種可能的替代方法是電子束刻印術。利用聚焦電子束把電路圖案繪製在一層聚合物薄膜上，是目前解析度最高的曝光方法，可以在矽基表面上作出只有幾個納米的線條，但由於是逐行掃描，其加工效率極低，難以在大批量生產領域中得到實用。基於投影式曝光的電子束光刻系統，儘管在加工效率方面有極大的提高，但仍不能滿足大規模生產的需要。另外，電子束加工儀器本身的造價也比較高。另一種參與競爭的技術是極深紫外(EUV)光刻技術(使用波長10～70nm的紫外光)和X-射線光刻技術(使用波長0.1～10nm的X光)。目前這兩種技術都有一定突破，有可能發展成為30nm技術時代的支撐技術。由於常規的光學透鏡不能透過紫外光，也不能使X光聚焦，高能輻射也會迅速破壞掩模和透鏡中的許多材料，因此需要特殊的光學系統和掩膜材料，掩模板的製備也非常複雜，設備昂貴和高運行成本是它目前面臨的嚴峻挑戰。利用掃描隧道顯微鏡或原子力顯微鏡的針尖誘導表面上的局域表面結構變化或直接操縱表面上的點或線條，是一種納米結構加工的新概念，可以達到10nm左右的解析度。但由於它是基於SPM針尖逐點式掃描曝光，加工速度是制約其發展的重要因素，用於製作臨時性的、實驗性的單個納米器件尚有一定價值，但很難成為一種批量製作的工藝。
納米壓印光刻技術是一種與傳統光刻技術概念完全不同的新技術，它是通過光刻膠壓印結合反應離子刻蝕(RIE)實現圖形轉移的一種新的納米結構製備技術。
1995年，S.Y.Chou首先提出Nanoimprint lithography，即納米壓印技術，並申請了專利。該技術主要由兩個工藝過程構成(如圖1)一是利用印製模板實現圖形印製的過程，首先在基底旋塗光刻膠，然後在加熱加壓條件下將模板的納米圖案複製於光刻膠，撤去印製模具後可在矽片表面上形成光刻膠厚度不同的印製圖形；二是在矽片上形成最終圖形的圖形轉移過程，利用反應離子刻蝕方法對形成印製圖形的光刻膠進行各向異性刻蝕，最終形成與傳統光學光刻技術效果相一致的光刻膠轉移圖形，如以所得光刻膠圖形為掩膜蒸鍍金屬，並經過剝離工藝，可在矽基底上得到金屬化圖形。實驗已經顯示，利用納米壓印光刻技術具有加工特徵尺寸在10nm以下圖形的能力，目前報導的最小加工尺寸是6nm，可在5×5cm2的面積上一次性構造圖案，具有較高的矽片產率。高分辨、高產率、低成本的納米壓印作為新一代光刻技術，具有成為30nm到10nm技術時代替代光刻技術的潛力。
金屬納米結構由於其在電子、光學、傳感器、DNA檢測及催化等領域的廣泛應用，而得到深入研究。納米壓印技術憑藉其高產率低成本的特點而被認為是製備金屬納米結構技術的理想選擇。現行的納米壓印技術通過以壓印所得光刻膠圖形為掩膜蒸鍍金屬，並經過剝離工藝在矽基底表面得到金屬化圖形。由於剝離工藝的原理所限，容易產生缺陷。如果經過工藝改進避免剝離工藝，將可進一步提升現行納米壓印技術的優越性，特別是在金屬納米結構製備方面的應用。
發明內容
本發明的目的在於設計一種應用在金屬納米結構製備方面的負型納米壓印方法，它首先在矽基底蒸鍍金屬膜，然後於金屬膜上旋塗光刻膠，經過壓印工藝後，以所得的光刻膠圖形為掩膜通過溼法化學腐蝕的方法腐蝕金屬膜，可以得到線條光滑的金屬圖案。
本發明的技術方案一種負型納米壓印方法，其特徵在於它是由以下步驟所構成(1)首先在矽基底蒸鍍金屬膜層I，並在金屬膜層I上旋塗光刻膠；(2)然後在加熱加壓條件下將模板的納米圖案複製於光刻膠；(3)並用反應離子刻蝕技術將圖案轉移至鍍金屬膜層I；(4)然後以光刻膠的圖形為掩膜通過溼法化學腐蝕的方法腐蝕未被光刻膠掩蓋的裸露金屬I；(5)製得金屬納米結構。
上述步驟(5)製得的金屬納米結構通過直接以有機溶劑溶解光刻膠得到單金屬納米結構。
上述步驟(5)製得的金屬納米結構通過以光刻膠的圖形為掩膜蒸鍍金屬II，然後以有機溶劑去除光刻膠，可製備雙金屬納米結構。
上述所說的金屬包括Au和Cr。
上述所說的化學腐蝕劑為KI/I2或K2S2O3+KOH+K3Fe(CN)6+K4Fe(CN)6溶液。
上述所說的溼法化學腐蝕是一各向同性腐蝕過程，因此可以通過控制腐蝕時間而控制金屬線寬。
本發明的工作原理為與傳統納米壓印技術相對應，本發明的納米壓印技術將光刻膠旋塗於金屬薄膜上，壓印後以的光刻膠圖形被用作溼法化學腐蝕的掩膜，避免了傳統納米壓印技術的剝離工藝，可以製備線條光滑的金屬納米結構。與傳統納米技術相比，本納米壓印技術所製備的金屬納米結構與傳統納米技術所製備的正好相反，所以稱之為負型納米技術。在上述工藝過程中，既可以通過直接以有機溶劑溶解光刻膠2得到單金屬納米結構，又可以通過溼法化學腐蝕的方法腐蝕掉裸露金屬後，蒸鍍第二種金屬，最後以有機溶劑去除光刻膠，而製得雙金屬納米結構。由於各向同性溼法腐蝕很容易實現鑽刻，所以還可以製備雙金屬光柵結構，且可以通過調節腐蝕時間控制其間距。
本發明的優越性在於1、負型納米壓印技術以壓印後的光刻膠為掩膜，通過溼法化學腐蝕方法製備金屬結構，避免了傳統納米壓印工藝的剝離工藝，可以製備線條光滑的金屬結構；2、負型納米壓印技術所用化學腐蝕劑簡單易制，價格低廉；3、負型納米壓印技術的化學腐蝕工藝容易控制，可以很容易通過調節腐蝕條件和時間控制金屬線寬；4、負型納米壓印技術可以通過化學腐蝕後蒸鍍第二種金屬而製備雙金屬結構。
附圖1為已申請專利的納米壓印技術工藝過程示意圖(其中1-a為在矽基底1表面旋塗光刻膠2；1-b為加壓條件下將模板3的納米圖案複製於光刻膠2；1-d為用反應離子刻蝕技術將圖案轉移至矽基底1；1-e為以光刻膠2的圖形為掩膜蒸鍍金屬膜I5，並用有機溶劑去除光刻膠2，得到金屬納米結構。
附圖2為本發明所涉一種負型納米壓印方法工藝過程示意圖(其中2-a為在矽基底1蒸鍍金屬膜層I5，並在金屬膜層I5上旋塗光刻膠2；2-b為在加熱加壓條件下將模板3的納米圖案複製於光刻膠2；2-c為用反應離子刻蝕技術將圖案轉移至鍍金屬膜層I5；2-d為以光刻膠2的圖形為掩膜通過溼法化學腐蝕的方法腐蝕未被光刻膠2掩蓋的裸露金屬I5；2-e為以有機溶劑溶解光刻膠2得到單金屬納米結構；2-f為以光刻膠2的圖形為掩膜蒸鍍金屬II6；2-g為以有機溶劑去除光刻膠2，可製備雙金屬納米結構。
其中1、矽基底，2、光刻膠層，3、壓印模板，4、溝槽內多餘的光刻膠，5、金屬膜層I，6、金屬膜層II。
附圖3為本發明所涉一種負型納米壓印方法得到的金納米結構圖。
附圖4為本發明所涉一種負型納米壓印方法得到的Au和Cr二元納米結構圖(其中深色線條為Cr，淺色線條為Au)。
具體實施例方式實施例1一種負型納米壓印方法，其特徵在於它是由以下步驟所構成(見圖2)(1)首先在矽基底1蒸鍍金屬膜層I5，並在金屬膜層I5上旋塗光刻膠2(見圖2-a)；(2)然後在加熱加壓條件下將模板3的納米圖案複製於光刻膠2(見圖2-b)，(3)並用反應離子刻蝕技術將圖案轉移至鍍金屬膜層I5(見圖2-c)；(4)然後以光刻膠2的圖形為掩膜通過溼法化學腐蝕的方法腐蝕未被光刻膠2掩蓋的裸露金屬I5(見圖2-d)；(5)製得金屬納米結構。
上述步驟(5)製得的金屬納米結構通過直接以有機溶劑溶解光刻膠2得到單金屬納米結構(見圖2-e)。
實施例2一種負型納米壓印方法，其特徵在於它是由以下步驟所構成(見圖2)(1)首先在矽基底1蒸鍍金屬膜層I5，並在金屬膜層I5上旋塗光刻膠2(見圖2-a)；(2)然後在加熱加壓條件下將模板3的納米圖案複製於光刻膠2(見圖2-b)，(3)並用反應離子刻蝕技術將圖案轉移至鍍金屬膜層I5(見圖2-c)；(4)然後以光刻膠2的圖形為掩膜通過溼法化學腐蝕的方法腐蝕未被光刻膠2掩蓋的裸露金屬I5(見圖2-d)；(5)製得金屬納米結構。
上述步驟(5)製得的金屬納米結構通過以光刻膠2的圖形為掩膜蒸鍍金屬II6(見圖2-f)，然後以有機溶劑去除光刻膠2，可製備雙金屬納米結構(見圖2-g)。
實施例3結合直寫式電工束曝光技術和反應離子刻蝕技術製備SiO2/Si模板，模板圖形的線寬、周期及高度分別為170nm、370nm和130nm。取2×2cm矽片，經清洗後蒸鍍25nm厚金膜，接著在金薄膜表面旋塗光刻膠，170℃烘乾後厚度為150nm，然後通過壓印工藝將模板上的納米圖形複製到光刻膠上(壓印條件為190℃、45bar、3min)。應用反應離子刻蝕工藝將溝槽內多餘的光刻膠去除，將納米圖形轉移至金薄膜表面。然後以光刻膠納米圖形為掩膜，以KI/I2溶液(0.0025M I2+0.015M KI)溶解裸露的金膜40s，然後以熱丙酮於超聲波條件下去除光刻膠，得到線寬為400nm的金納米結構。如圖3(a)所示。
實施例4以實施例3所述工藝所得的光刻膠納米圖形為掩膜，以KI/I2溶液(0.0025M I2+0.015M KI)溶解裸露的金膜65s，然後以熱丙酮於超聲波條件下去除光刻膠，得到線寬為350nm的金納米結構。如圖3(b)所示。
實施例5以實施例3所述工藝所得的光刻膠納米圖形為掩膜，以KI/I2溶液(0.0025M I2+0.015M KI)溶解裸露的金膜90s，然後以熱丙酮於超聲波條件下去除光刻膠，得到線寬為290nm的金納米結構。如圖3(c)所示。
實施例6以實施例3所述工藝所得的光刻膠納米圖形為掩膜，以KI/I2溶液(0.0025M I2+0.015M KI)溶解裸露的金膜90s，然後再蒸鍍30nmCr薄膜，最後以熱丙酮於超聲波條件下去除光刻膠，得到線寬為各250nm的Au和Cr二元納米結構。如圖4所示，深色線條為Cr，淺色線條為Au。
權利要求
1.一種負型納米壓印方法，其特徵在於它是由以下步驟所構成(1)首先在矽基底蒸鍍金屬膜層I，並在金屬膜層I上旋塗光刻膠；(2)然後在加熱加壓條件下將模板的納米圖案複製於光刻膠；(3)並用反應離子刻蝕技術將圖案轉移至鍍金屬膜層I；(4)然後以光刻膠的圖形為掩膜通過溼法化學腐蝕的方法腐蝕未被光刻膠掩蓋的裸露金屬I；(5)製得金屬納米結構。
2.根據權利要求1所說的一種負型納米壓印方法，其特徵在於步驟(5)製得的金屬納米結構通過直接以有機溶劑溶解光刻膠得到單金屬納米結構。
3.根據權利要求1所說的一種負型納米壓印方法，其特徵在於步驟(5)製得的金屬納米結構通過以光刻膠的圖形為掩膜蒸鍍金屬II，然後以有機溶劑去除光刻膠，可製備雙金屬納米結構。
4.根據權利要求1所說的一種負型納米壓印方法，其特徵在於所說的金屬包括Au和Cr。
5.根據權利要求1所說的一種負型納米壓印方法，其特徵在於所說的化學腐蝕劑為KI/I2或K2S2O3+KOH+K3Fe(CN)6+K4Fe(CN)6溶液。
6.根據權利要求1所說的一種負型納米壓印方法，其特徵在於所說的溼法化學腐蝕是一各向同性腐蝕過程，因此可以通過控制腐蝕時間而控制金屬線寬。
全文摘要
一種負型納米壓印方法，由以下步驟所構成(1)首先在矽基底蒸鍍金屬膜層I，並在金屬膜層I上旋塗光刻膠；(2)然後在加熱加壓條件下將模板的納米圖案複製於光刻膠；(3)用反應離子刻蝕技術將圖案轉移至鍍金屬膜層I；(4)以光刻膠的圖形為掩膜通過溼法化學腐蝕的方法腐蝕未被光刻膠掩蓋的裸露金屬I；(5)製得金屬納米結構。本發明的優越性負型納米壓印技術以壓印後的光刻膠為掩膜，通過溼法化學腐蝕方法製備金屬結構，避免了傳統納米壓印工藝的剝離工藝，可以製備線條光滑的金屬結構；其所用化學腐蝕劑價格低廉；工藝易控制，可通過調節腐蝕條件和時間控制金屬線寬；還可以通過化學腐蝕後蒸鍍第二種金屬而製備雙金屬結構。
文檔編號H01L21/02GK1800984SQ200510133650
公開日2006年7月12日 申請日期2005年12月27日 優先權日2005年12月27日
發明者謝國勇, 焦麗穎, 劉忠範, 張錦 申請人:國家納米技術產業化基地