一种气电协同的大面积纳米压印光刻方法

摘要

一种气电协同的大面积纳米压印光刻方法，采用柔性复合模具作为压印模板，柔性复合模具被气路划分了几个子区域。从一侧开始，边缘的一个子区域，伴随气路由真空向大气压的切换，在外加电场力的作用下，该子区域与衬底保形接触，并同时实现纳米级结构的完全填充；依次改变气路状态，子区域也依次与衬底接触，最终实现纳米结构转移，本发明尤其适用于晶圆级翘曲衬底，而且压印光刻机结构简单，不同种类压印胶适应性强，同时可满足大深宽比纳米结构的制造。

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种气电协同的大面积 纳米压印光刻方法。

背景技术

大面积的纳米图形化结构在众多领域中得到了广泛的应用，例如 光伏发电、光电子器件、生物微流体、食品包装安全等。大面积的纳 米图形化结构依赖于适用于大面积的微纳米制造技术及装备。如今， 主要的纳米制造方法有电子束直写、激光干涉光刻、纳米小球掩膜光 刻等，但是这些技术各自由于其昂贵的制造成本、受局限的图形类型 及制造缺陷难以控制等不足，难以应用于大面积纳米图形化结构的制 造。经过二十多年的发展，纳米压印技术无论从产量、分辨率，还是 制造成本方面来说都可谓是一种极具竞争力的纳米制造手段。在众多 的纳米压印技术分支及变种中，步进重复压印技术借鉴了步进光刻技 术，是一种较为常用的大面积纳米压印技术，但是其仍然比较低下的 制造效率限制了其进一步的发展。另外，辊对平面、辊对辊压印技术 提供了一种高速纳米图形化方法，而且仅需要较为简单的机械设备， 但是对于大面积的刚性非平整衬底而言，明显差异的残留层厚度使其 后续结构转移(比如干法刻蚀)工艺难度大大增加，甚至于纳米结构 变形，以至于变性失效。

发明人于2010年申请了发明专利“整片晶圆纳米压印的装置和 方法”(公开号：102096315A)，该方法在三层复合结构透明的软模 具的基础上，借助压缩空气提供的正压力，从模具中心位置向两侧方 向逐渐均匀的接触晶圆衬底，实现压印力均匀分布、消除气泡缺陷， 并实现图形的复制。脱模过程从晶圆两侧向中心连续地“揭开”软模 具，在真空吸力和水平力的共同作用下，采用微小的脱模力实现大面 积脱模。由于复合模具整体的柔性，使得该方法可以很好的贴合有一 定翘曲度的晶圆，实现非平整衬底纳米图形化。在该方法的基础上， 发明人于2014年申请了发明专利“整片纳米压印用三层复合结构透 明软模具原位制造方法”(申请号：201410120253，实审中)，其制造 思路是先制造母模，并进行抗粘连处理；然后在母模上涂覆液态的特 征结构层，再在预固化特征结构层上涂覆弹性液态支撑层；进一步复 合刚性限制层与液态支撑层，再进行初步固化脱模，最后完全固化。 这种气辅助的晶圆级纳米压印方法，纳米结构的转移力主要来源于毛 细力。毛细力的大小和所选用的液体压印胶材料及压印机的设计结构 关系密切，因此压印机结构设计受限于选用的胶水材料，大大限制了 压印光刻机的通用性，更换不同的压印胶，往往意味着新的压印光刻 机结构设计。并且，压印机结构通常需要尺度小、结构密的正压力高 透光率气槽，例如1mm宽2.5mm间距，这对高平整度气槽板的制造提 出了苛刻的要求。另外，微弱的毛细力对一定深宽比的柱状结构的制 造，存在驱动力不足的问题，尤其不适用于大面积柱状阵列制造。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种气电 协同的大面积纳米压印光刻方法，对于不同种类压印胶适应性强，同 时可满足大深宽比纳米结构的制造。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种气电协同的大面积纳米压印光刻方法，采用压印光刻设备， 该设备包括气路分配板2、承载台4和柔性复合模具1，该方法包括 以下步骤：

1)柔性复合模具安装：将气路分配板2上的气槽5切换到真空状 态，柔性复合模具1非工作面在真空作用下吸附固定于气路分配板2 上；

2)待加工样品安装：将涂覆压印胶的样品3安装到样品承载台4 上，样品3与柔性复合模具1之间保留了一个50～300um的间隔；柔 性复合模具1和样品3构成了一组接触对，并且被气路分配板2上的 气槽5将接触对划分为相应子区域；

3)外场电压加载：在柔性复合模具1和样品3表面之间施加 100～500V的电压7，形成了柔性复合模具-空气间隙及液态压印胶- 样品衬底的三明治平板电容结构；

4)边路区域启动：从柔性复合模具1的一端开始，气路分配板 2的一路气槽5负压切换到大气压状态；该气槽5对应的柔性复合模 具1被释放，并且在静电吸引力的作用下逐渐靠近并接触涂覆有液态 压印胶的样品3；

5)边路区域结构转移完成：在静电力的作用下，柔性复合模具 1与样品3表面接触面积逐渐增大；接触线拓展的方向与气槽5方向 平行；柔性复合模具1与样品3接触的区域内，在静电吸引力和电毛 细力的共同作用下，柔性复合模具1的纳米结构，完全被液态压印胶 所填充；

6)全部区域结构转移完成：将气路分配板2上邻近的气槽5依 次从真空切换为大气压状态，在静电力作用下，柔性复合模具1与样 品3表面逐渐完全保形贴合；并且实现了整个样品3表面液态压印胶 的图形化；

7)固化：液态压印胶固化，并关闭外加电压7；

8)脱模：将气路分配板2一端的一路气槽5从大气压切换至真 空状态，在真空力的作用下，使得对应区域柔性复合模具1与固化 的压印胶脱离；

9)压印完成：将气路分配板2上的各路气槽5依次从大气压切 换至真空状态，实现压印脱模，完成整个样品的纳米压印光刻过程。

所述的柔性复合模具1包含背衬层1-1、透明导电层1-2和功能 结构层1-3，同时具有柔性、导电、透明的特征，其制造步骤如下：

1)利用电子束直写方法制造晶圆级母模6，在纳米结构面沉积氟 八氟环丁烷降低其表面能；

2)在背衬层1-1上磁控溅射透明导电层1-2；

3)在晶圆级母模6上1000转/2分钟旋涂旋涂液态功能层材料；

4)利用氧气等离子体处理透明导电层，键合透明导电层1-2与液 态功能层材料，并完全固化；

5)从晶圆级母模6上脱模，柔性复合模具1制造完成。

所述的气路分配板2制造材料是有机玻璃(PMMA)，或者光学玻 璃(Glass)。

所述的气路分配板2上气槽5的数量根据样品3翘曲增加而增 加，根据样品3翘曲减小而减少。

所述的气路分配板2上气槽5施加的真空负压力大小，根据不同 样品3对象所需要的脱模力增加而增加，根据所需脱模力减小而减 小。

所述的在柔性复合模具1与样品3表面施加的电压7，根据不同 的气槽5数、压印胶介电常数的大小改变，介电常数高，则所需电压 较低，介电常数低，则所需电压较高。

所述的晶圆级母模6以硅为母模基材，按照半导体行业标准工艺 流程，采用光学光刻、电子束直写或者激光干涉光刻微纳图形化方法， 并结合刻蚀工艺制作母模。

所述的透明导电层1-2采用氧化铟锡(ITO)、掺氟的二氧化锡 (FTO)的透明导电材料。

本发明除传统纳米压印技术所具有的一系列优点以外，显著优点 还包括：

1)气-电协同驱动纳米压印方法除平整衬底以外，对存在一定翘 曲的非平整衬底也同样适用，显著提高了纳米压印技术的适用范围；

2)气-电协同驱动纳米压印方法是一种整片压印技术，显著提高 了纳米结构大面积制造的效率；

3)在电场驱动力的作用下，气-电协同驱动纳米压印方法可应用 于制造大深宽比纳米结构，显著提升了纳米压印技术的制造能力；

4)气-电协同驱动纳米压印方法可以灵活地改变外加电场大小， 实现电场辅助力大小的调制，适应不同结构特征纳米结构的制造需 求。

附图说明

图1为本实施例流程示意图，其中图1(a)为准备阶段示意图； 图1(b)为初始样品放置图；图1(c)为柔性复合模具1与样品间 加载电压示意图；图1(d)为气电协同边路启动压印光刻示意图； 图1(e)为气电协同压印光刻完成示意图；图(1f)为去电并固化 示意图；图1(g)为压印脱模示意图；图1(h)为压印工艺完成示 意图。

图2为实施例纳米结构实物图。

图3为柔性复合模具1制造示意图，其中图3(a)为低表面能 处理后的母模示意图；图3(b)为背衬层上溅射ITO示意图；图3 (c)为选图hPDMS后母模示意图；图3(d)为ITO与hPDMS键合示 意图；图3(e)为柔性复合模具示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做详细描述。

参照图1，一种气电协同的大面积纳米压印光刻方法，采用压印 光刻设备，该设备包括气路分配板2、承载台4和柔性复合模具1， 该方法包括以下步骤：

1)如图1(a)所示，将气路分配板2上的气槽5切换到真空状态， 柔性复合模具1的PET透明背衬层1-1背面在真空作用下吸附固定于 气路分配板2上；

2)如图1(b)所示，将涂覆了550nm紫外固化纳米压印胶mr-06 的4英寸GaN外延片样品3安装到样品承载台4上，样品3与柔性复 合模具1之间保留了200um间隔；柔性复合模具1和样品3构成了一 组接触对，并且被气路分配板2上的气槽5将接触对划分为四个子区 域；

3)如图1(c)所示，在柔性复合模具1和样品3表面之间施加200v 电压7，形成了柔性复合模具-空气间隙及液态压印胶-样品的三明治 平板电容结构；

4)如图1(d)所示，从柔性复合模具1的一端开始，气路分配板 2的一路气槽5负压切换到大气压状态；该气槽5对应的柔性复合模 具1被释放，并且在静电吸引力的作用下逐渐靠近并接触涂覆有液态 压印胶的样品3；

5)如图1(d)所示，在静电力的作用下，柔性复合模具1与样品 3表面接触面积逐渐增大；接触线拓展的方向与气槽5方向平行；柔 性复合模具1与样品3接触的区域内，在静电吸引力和电毛细力的共 同作用下，柔性复合模具1的纳米柱状结构，完全被液态压印胶所填 充；

6)如图1(e)所示，将气路分配板2上邻近的气槽5依次从真空 切换为大气压状态，在静电力作用下，柔性复合模具1与样品3表面 逐渐完全保形贴合；并且实现了整个样品3表面液态压印胶的图形 化；

7)如图1(f)所示，紫外曝光30s，液态压印胶固化，并关闭外 加电压7；

8)如图1(g)所示，将气路分配板2一端的一路气槽5从大气压 切换至真空状态，在真空力的作用下，使得对应区域柔性复合模具1 与固化的压印胶脱离；

9)如图1(h)所示，将气路分配板2上的各路气槽5依次从大气 压切换至真空状态，实现压印脱模，完成整个样品的纳米压印工艺过 程，制造结果如图2所示。

在本实施例中，气路分配板2采用PMMA材质，厚度为10mm，正 面均布了五路气槽5，气槽5深度3mm，宽带1mm。柔性复合模具1， 采用PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)透明背衬层1-1、ITO(导电玻璃) 透明导电层1-2、hPDMS(硬质聚二甲基硅氧烷)功能结构层1-3三 层结构，厚度依次为200um、50nm、20um。柔性复合模具1为350nm 直径，500nm高，间隔为600nm的柱状结构阵列。

参照图3，所述的柔性复合模具1包含背衬层1-1、透明导电层 1-2和功能结构层1-3，同时具有柔性、导电、透明的特征，其制造 步骤如下：

1)如图3(a)所示，利用电子束光刻方式制造晶圆级母模6，并 在表面沉积一层10nm八氟环丁烷(C₄F₈)降低其表面能；

2)如图3(b)所示，在背衬层1-1一面上磁控溅射50nmITO透明 导电层1-2；

3)如图3(c)所示，在晶圆级母模6上1000转/2分钟旋涂液态 hPDMS；

4)如图3(d)所示，键合ITO与液态hPDMS，并65℃固化4小时， 使得hPDMS完全固化，形成功能结构层1-3；

5)如图3(e)所示，从晶圆级母模6上脱模，柔性复合模具1制 造完成。