《微纳米加工技术及其应用(共34页).docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微纳米加工技术及其应用(共34页).docx（34页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选优质文档-倾情为你奉上 绪论1：纳米技术是制造和应用具有纳米量级的功能结构的技术，这些功能结构至少在一个方向的几何尺寸小于100nm。2：微纳米技术包括集成电路技术，微系统技术和纳米技术；而微纳米加工技术可获得微纳米尺度的功能结构和器件。3：平面集成加工是微纳米加工技术的基础，其基本思想是将微纳米机构通过逐层叠加的方式筑在平面衬底材料上。（类似于3d打印机？）4：微纳米加工技术由三个部分组成：薄膜沉积，图形成像（必不可少），图形转移。如果加工材料不是衬底本身材料需进行薄膜沉积，成像材料的图形需转化为沉积材料的图形时需进行图形转移。（衬底材料，成像材料，沉积材料的区别和联系）5：图形成像工艺
2、可分为三种类型：平面图形化工艺，探针图形化工艺，模型图形化工艺。平面图形化工艺的核心是平行成像特性，其主流的方法是光学曝光即“光刻“技术；探针图形化工艺是一种逐点扫描成像技术，探针既有固态的也有非固态的，由于其逐点扫描，故其成像速度远低于平行成像方法；模型图形化工艺是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构，典型工艺是纳米压印技术，还包括模压和模铸技术。6：微米加工和纳米加工的主要区别体现在被加工结构的尺度上，一般以100nm作为分界点。光学曝光技术1：光学曝光方式和原理 可分为掩模对准式曝光和投影式曝光。其中，掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和邻近式曝光，投影式曝光又可分为11投影和缩小投
3、影（一般为14和15）。 接触式曝光可分为硬接触和软接触。其特点是：图形保真度高，图形质量高，但由于掩模与光刻胶直接接触，掩模会受到损伤，使得掩模的使用寿命较低。采用邻近式曝光可以克服以上的缺点，提高掩模寿命，但由于间隙的存在，使得曝光的分辨率低，均匀性差。掩模间隙与图形保真度之间的关系W=kz其中w为模糊区的宽度。掩模对准式曝光机基本组成包括：光源（通常为汞灯），掩模架，硅片台。适用范围：掩模对准式曝光已不再适用于大规模集成电路的生产，但却广泛应用于小批量，科研性质的以及分辨率要求不高的微细加工中。投影式曝光：投影式曝光广泛应用于大批量大规模集成电路的生产。评价曝光质量的两个参数：分辨率和焦
4、深。分辨率（最小可分辨图形线宽）R=k1NA，其中NA为数值孔径，由上式可知为了提高曝光分辨率可从如何降低k1，开发短波长光源，大数值孔径透镜方面入手。焦深DOF=k2(NA）2 ，由上式可知，单纯地提高分辨率会降低焦深，而在大规模集成电路的生产过程中，焦深甚至更为重要。每一层掩模的设计都有一个最关键的尺寸，通常是最小的图形，这一关键尺寸称为CD。CD值需控制在一定的范围内才能使制造的集成电路有效地工作。2：光学曝光的工艺过程 硅片表面处理：去除污迹，表面绝对干燥，涂附一层化学增附剂HMDS； 涂胶：一般有两种方法“甩胶法”和喷涂法。 前烘：蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使硅片表面胶固化。 曝光：
5、在曝光机中进行曝光。 后烘：可以部分消除驻波效应，采用涂抗反射涂层的方法可以有效防止驻波效应。 显影：三种显影方法浸没法，喷淋法，搅拌法。 清除残胶: 显影过后硅片表面会残留一层胶质层，有时会妨碍下一步的图形转移，但并不是所有情况下都要去残胶。 坚膜：硬烘烤，并不是一步必须的工序。 图形转移：光刻胶本身只起到了一种掩模作用。 去胶:有两种方法湿法（酸碱类溶液或有机溶剂，如丙酮），干法（等离子体如氧气刻蚀去胶）。3：光刻胶的特性定义：光刻胶是指一大类具有光敏化学作用的高分子聚合物材料。作用：作为抗刻蚀层保护硅片。分类：正型光刻胶和负型光刻胶。二者的区别是正型光刻胶曝光部分被去除，负型光刻胶曝光部
6、分被保留。组成部分：树脂型聚合物，溶剂，光活性物质（PAC），添加剂。注意:光刻胶不仅对光敏感，有些光刻胶对电子束，离子束也敏感。光刻胶的一些指标：灵敏度衡量曝光速度；（正负的定义不同）：对比度影响胶的分辨能力；抗刻蚀比刻蚀胶和刻蚀硅片的速度之比；分辨能力曝光宽容度偏离最佳曝光剂量时，曝光图形的线宽变化情况；工艺宽容比偏离最佳工艺条件时，光刻胶的性能变化情况；膨胀效应负型光刻胶会出现这种情况；热流动性玻璃化转变温度：黏度衡量光刻胶的可流动性的；保质期限尤其对紫外光成分敏感。正型光刻胶，负型光刻胶，暗场掩模，亮场掩模组合起来使用，可以获得任意的曝光图形。相比之下，正型光刻胶的性能更优，用途更广。
7、其他光刻胶：化学放大胶，特殊光刻胶厚光刻胶，彩色光刻胶，可进行电镀涂附的光刻胶等。4：光学掩模的设计和制造 明确定义掩模层：定义每层掩模的作用。 做好掩模对准标志：确定层与层之间的位置关系，微系统器件可以使用掩模对准式曝光机曝光，大规模集成电路使用重复步进式平曝光机。 严格遵守设计规则：不同的工艺具有不同的最小可实现图形尺寸，具有一套掩模设计规则，来规定最小尺寸和最小间距。掩模制造的本身就是一个微细加工过程。5：短波长曝光技术 深紫外曝光技术R=k1NA，可知减小波长，可以获得更小尺寸的加工图形。一般，436nm为G线，356nm的为I线。采用准分子激光器的深紫外曝光技术。 极紫外曝光技术极紫
8、外是波长为13nm的光辐射。而其本质是一种软X射线。极紫外波长可被几乎所有材料吸收，故所有的光学系统包括掩模都必须是反射式的。组成：极紫外光源等离子体激发和同步辐射源；极紫外光学系统利用多层膜反射镜，可提高反射率；极紫外掩模掩模基板和金属层；极紫外光刻胶更高灵敏度和分辨率。 X射线曝光技术：X射线是指波长在0.0110nm间的电磁波谱，又可分为软硬两种，这里讨论的是硬X射线。X射线不能被折射，故只能做成11邻近式曝光，不可做成缩小式曝光，这样就加大了掩模的制造难度和成本。6：大数值孔径（NA）和浸没式曝光技术 大数值孔径是高分辨率成像的必要条件。 但是，增加数值孔径会受到焦深的影响和限制，DO
9、F=k2(NA）2，过大的数值孔径会使焦深过小。 进一步增加数值孔径还受到光极化效应的影响当数值孔径达到0.8以上时，光波通过透镜会被极化成s极和p极分量，在大入射角的情况下，s极分量会被反射，使得入射光的能量损失以及成像对比度下降。（采用极化光照明，使得入射光中只有p极分量，这样就不存在极化反射的问题了）。 提高光学曝光数值孔径的最成功的方法是浸没式曝光技术又称为湿式曝光，即将传统的空气介质换为介质水。浸没式曝光的最大难题是微气泡问题当曝光镜头在硅片表面高速移动进行扫描步进式曝光时，会在镜头与硅片表面的水溶液层中形成大量的微气泡，这些微气泡会大大的改变光波在水液层中的传输性质。7：光学曝光分
10、辨率增强技术 除了和NA外，提高分辨率的另一个方法就是改变k1因子。k1因子包含了透镜光学以外的因素，它的理论极限值是0.25。 这些技术统称为光学曝光分辨率增强技术。 离轴照明技术有意将中心轴部分的光遮住，这有利于衍射光波的高次谐波分量通过透镜成像到硅片表面上。主要有两种方式：环形离轴照明和四级离轴照明。该技术是一种最易实现，成本最低的分辨率增强技术。 空间滤波技术在频域空间调制掩模成像的光强和相位，以改善图形的分辨率和焦深。主要目的是突出高频分量，部分遏制低频分量。但该技术实施起来较为困难。 移相掩模技术空间滤波技术在掩模上的运用，调制光波的相位来改善成像的对比度和焦深。常见形式有：辅助式
11、，交替式，周边式，无铬式，衰减式。各种移相掩模的目的都是通过引进相反的相位光波，在相的边缘部分产生抵消作用。交替式掩模对光学曝光的改进最为显著，但其也存在明显的缺点：只适用于高度周期重复的图形：相位冲突问题；掩模制造复杂。故交替式是强移像型，但不适用于任意的图形，周边式和衰减式属于弱移像型，但适用于任意的图形。 光学邻近效应校正技术光学邻近效应：衍射成像在成像过程中会丢失高频分量，使得成像的清晰度下降。 光学邻近效应校正的方法就是有意的改变掩模的设计尺寸和形状来补偿图形局部曝光过强或过弱。另外一种校正技术不是修改设计图形本身，而是在设计图形附近加一些图形（亚分辨率辅助图形）或散射条。 这些辅助
12、图形的尺寸很小，不会在光刻胶上成像，但其会影响光强分布，从而影响设计图形的成像质量。反向曝光技术（ILT）从理想光学成像出发，反向设计获得能够产生理想成像的掩模图形。 面向制造的掩模设计技术面向制造的设计（DFM）首先确定制造工艺的可能性，然后通过改变调整电路设计以适应具体的制造工艺。 光刻胶及其工艺技术严重问题曝光的线条边缘粗糙度（LER）。许多随机效应都会造成LER。抗蚀剂的灵敏度越高，LER越明显，二者是明显矛盾的。光刻胶对紫外线的吸收随波长的缩短而增加。表面成像技术（TSI）是解决浅曝光层和厚光刻胶层矛盾的技术之一。高分辨率光学曝光还带来其他一些问题。 二重曝光与加工技术目前唯一一种可
13、以突破k1因子的理论极限值的技术。稀疏孤立的图形比密集图形的光学曝光更容易实现。半周期_ 反映了线条的密集程度，不但包括线宽，还包括线条之间的间距。二次曝光对密集图形可以分为两次曝光稀疏图形，让二次曝光的图形相重叠，最后合成的图形即为原先设计的密集图形。 光学曝光的计算机模拟技术计算机模拟的作用优化曝光工艺和参数；研究发现新技术。 部分相干光成像理论对于大数值孔径的光学曝光系统，需考虑光波的矢量效应，通过求解三维完全电磁方程的方法来计算曝光能量的分布。 计算机模拟软件COMPAPE该软件以标量衍射理论计算投影式曝光的光强分布，以Dill方程计算光刻胶的曝光过程，以Dill模型或Mack模型来计
14、算光刻胶的显影过程。 光学曝光质量的比较模拟的目的是找出最佳的工艺条件和曝光条件，找出最佳的掩模设计方案。比较的标准：比较光学想; :比较显影后的光刻胶图形。：比较光学想光学想的比较主要是比较像分布的对比度和焦深。 比较光学想可排除光刻胶及具体工艺条件的影响，直接对光学系统和掩模系统进行评价。是一种定性的评价。:比较显影后的光刻胶图形对某一种光刻胶比较曝光剂量和散焦对CD的影响，有两个标准： 摆动曲线反映了入射光在胶层中的驻波效应； 微笑曲线反映了CD随散焦量和曝光剂量的变化。 其他光学曝光技术投影式曝光适用于大规模生产，但由于其设备过于昂贵，并不适用于科学研究，故开发了一系列的低成本曝光技术
15、，同样可以获得100nm以下的曝光能力。 近场光学曝光技术即为接触式曝光技术。近场光学曝光又可称为“消散波近场光学曝光技术”。为了实现纳米近场曝光需要采用薄膜材料制成的掩模。在掩模和硅片间抽真空可以实现掩模与光刻胶表面的完全亲密接触。 近场光学曝光的两个特点：只能在小于100nm的光刻胶内进行；总是有较明显的线条边缘粗糙度。表面等离子体极化（SPP）SPP是金属中自由电子在光波场作用下产生的电荷密度波。 利用SPP现象可以实现近场光学曝光的无掩模曝光。 银膜是实现曝光的关键，又被叫作“超级透镜”。近场曝光获得高分辨率的关键是近场。 干涉光学曝光技术又叫作“全息曝光”。实现干涉光学曝光技术的关键
16、是要获得具有较好的空间和时间相干性的相干光，为了实现这一目的，通常需要特制的相位光栅调制来获得干涉光分布。 干涉光学曝光技术的优点：设备简单；不需要光学掩模。缺点：只能形成二维平面周期分布的线条图形。 提高曝光分辨率的方法：调整曝光光刻胶的曝光阈值；采用浸没式曝光。 无掩模光学曝光技术激光直写通过扫描激光束对光刻胶直接曝光。激光直写曝光通过多束激光扫描与工作台移动相结合来完成对大面积掩模的曝光。微反射镜阵列扫描微反射镜阵列式一种微机电系统元件（MEMS）。微反射镜阵列又被称为空间光调制器（SLM），SLM与激光直写相比具有的特点：SLM可用准分子激光器作为光源；曝光速度快；可获得更小的像素尺寸
17、。 激光三维微成型技术使用无掩模曝光技术直接制造三维微结构。激光快速成型的步骤：产生计算机三维模型；将图形转化为STL格式；将三维模型转化为z方向的大量薄层；由每一个二维模型子文件驱动激光束扫描盛有液态光敏高分子材料的液池；后处理，包括取出模型，表面抛光处理。双光子吸收光固化技术利用高分子材料吸收激光能量而固化的特点来直接形成三维实体。 灰度曝光技术制造准三维浮雕结构的光学曝光技术，可以产生曲面的光刻胶剖面。制造微光学元件的两项基本技术多层掩模套刻技术（台阶相位元件） 和 灰度曝光技术（连续相位元件）。灰度掩模的透射率以灰度等级来表示，实现灰度的方法是改变掩模的透光点密度。一般有下列几种方法：
18、改变透光点的大小；改变透光点的数目；将灰度区划分为许多单元。注意：单纯按剖面高度分布函数来确定灰度掩模并不能得到预想的光刻胶剖面，还必须考虑各种成像的非线性因素，对掩模的灰度加以校正。并非所有的光刻胶都可以用于灰度曝光。光刻胶要具有较大的黏度；光刻胶要具有比较低的对比度；光刻胶的抗蚀比尽量与衬底材料接近。 厚胶曝光技术超大规模集成电路加工追求的是光学曝光的极限分辨率，而微系统或微机电系统追求的是光学曝光的另一个极端超厚胶曝光。两类光刻胶：传统光刻胶（酚醛清漆）；新型光刻胶，即SU-8胶（环氧树脂）。 统光刻胶高粘度是厚光刻胶最显著的特点。 SU-8胶这是一种负型光刻胶（曝光部分被保留）。对近紫
19、外波段（350400nm）曝光最为敏感。通过高粘度胶和低转速甩胶相配合可以获得厚胶层， 但 其 厚 度 一 般 只有500m， 为了获得500m1mm的厚度，只能采用滩涂方法。对于1mm以上的超厚胶层，可以采用多次滩涂法或刮涂法。SU-8胶的致命缺点是去胶困难。11.LIGA技术目的：为了获得微系统所需要的功能结构，需要对厚胶曝光所形成的深结构进行电铸，使之转化为金属深结构。这种技术即称之为LIGA技术。LIGA技术与其他的微细加工技术的区别在于其超深结构加工能力，所获得的微细结构具有极高的深宽比。 用于LIGA的X射线源LIGA技术所用的X射线源为硬X射线，其波长在1nm以下，由同步辐射加速
20、器获得。 X射线LIGA掩模由于使用了硬X射线作为曝光光源，因此，吸收层的材料必须为高原子序数的材料，最常用的材料是金。 用于X射线LIGA的厚胶及其工艺主要以PMMA作为光刻胶，PMMA是一种正型胶。为了实现深结构的曝光，PMMA的厚度一般在几百微米以上。注意：烘烤后，在PMMA内部会出现很严重的应力；制造厚层PMMA的最有效的方法是直接将商品PMMA黏附与衬底材料表面。 PMMA与衬底材料的附着性能在LIGA技术中至关重要。 X射线对PMMA的曝光过程是一个PMMA从高相对分子量到低相对分子量的降解过程。曝光后的显影过程也至关重要；PMMA的最大缺点是灵敏度低，曝光时间长，现在已有将SU8
21、胶用于LIGA技术中，其最大的特点是高灵敏度。 影响X射线LIGA图形精度的因素 X射线衍射与光电子散射效应； 同步辐射光源（硬X射线）的发散效应 吸收层图形的非陡直边壁效应 掩模畸变效应 衬底材料的二次电子效应总结：尽管上述各种因素会影响曝光图形的精度，但并不严重，同时，由于LIGA所获得的微机构或微系统的整体尺寸一般为几十到数百微米，因而，其不会造成太大的影响。复制技术概述压印技术可分为纳米压印技术和模压技术。通常微米以下到纳米级别才称为纳米压印，微米以上的图形一般称为模压或简称为压印。纳米压印的方法包括：热压纳米压印，低温低压或常温常压纳米压印技术紫外固化纳米压印，微接触印刷技术，软光刻
22、技术等。纳米压印的两大最有希望的大规模生产领域：高密度磁存储；大规模集成电路。热压纳米压印技术基本步骤：压印；脱模；反应离子刻蚀去残胶。压印在衬底材料上涂覆一层聚合物材料（如PMMA），再用印模在一定温度（高于聚合物的玻璃转变温度50100）一定压力（510MPa）去压印聚合物涂层。压印时要确保印模与衬底不相互接触，以免损坏印模面。脱模趁聚合物涂层仍然软化时将印模从被压印的聚合物中拔出。反应离子刻蚀去残胶通过这一步骤去除残留的聚合物涂层，暴露出衬底材料的表面。（1） 热压纳米压印的印模对于热压纳米压印，其印模须是硬质材料，以承受足够的压力。同时，硬模材料应可以被电子束曝光或光学曝光所加工。最经
23、久耐用的材料是金属镍。金属镍印模可以通过电铸的方法获得。（2） 热压纳米压印材料对聚合物材料的要求是：较低的玻璃转变温度，以降低压印温度；较低的黏塑性，保证聚合物材料的流动性和对印模空腔的充分填充；较小的收缩性，以保证冷却后压印结构不变；较好的抗刻蚀性，以保证压印图形可以完整转移到衬底材料上。目前，常用的热压纳米材料有PMMA和PS（聚苯乙烯）。PMMA是最早被用来作为压印层的聚合物，其性能基本符合上述条件；PS是一种热塑性聚合物材料，其玻璃转变温度及黏度都较低。但PS材料存在弹性恢复问题。注意：小尺寸图形较容易压印；因压印图形尺寸不均匀引起的印模欠填充现象是一种领近效应（该效应是由压印材料的
24、非均匀流动引起的），用阳模比用阴模效果好；压印图形在室温下的稳定性压印后的图形是否会随时间而变化（原因包括弹性恢复和挤压内应力）。（3） 热压纳米压印的脱模 脱模会对压印图形造成破坏：压印材料黏附在印模上；印模图形侧壁粗糙，会形成较大的摩擦阻力；印模结构的侧壁坡度不均匀，当拔出时会将压印材料拔出。 解决压印材料黏附在印模上有三种方法：选择表面能较低的印模材料；将压印材料中混入特殊的印模释放剂或脱模剂；在印模表面涂脱附剂或其他的抗黏材料。 其主要思想是降低印模与压印材料间的黏附性。 印模浮雕结构的边壁坡度对脱模是否顺利具有非常关键的作用。一般有三种坡度：正坡度，零坡度，负坡度，其中正坡度是最适于
25、脱模的（相当于具有一定的起模斜度）。 热压纳米压印难以获得高深宽比的印模浮雕图形，原因如下：图形的深宽比越大，其脱模难度越大; 聚合物填充印模的深度有限。（4） 热压纳米压印的对准 热压纳米压印的一个不足是多层图形压印时的对准问题，一般有三种方法来解决这一个问题：在衬底上制作镂空的窗口，通过窗口来观察图形是否对准了；将对准标志做在印模的背面，将衬底的对准标志摄入计算机，在利用光学显微镜摄取印模背面的对准标志，移动印模和衬底，进行动态对准。在每次压印之前，将一个微型摄像头伸入印模和衬底之间，在屏幕上观察并操作对准过程。（三）室温纳米压印技术限制热压纳米压印的一个重要条件是需要在高温高压的条件下进
26、行，这样就产生了一些障碍：某些材料在高温下会改变性质或无法经受高压；印压过程中，温度和压力的升高和降低需要一定的时间，使得压印的生产率较低。已报道的一种适合于低温低压的聚合物是Hydrane HS2550,其玻璃转化温度在010之间，熔点为30，非常适合于低温低压工作。室温纳米压印取得突破性进展是由于采用了HSQ作为纳米压印材料。随着烘烤温度的升高，HSQ反而越硬，故压印HSQ可以在室温下进行。现在，最常用的压印技术是以HSQ作为顶层，以PMMA作为低层的双层纳米压印技术，该技术具有一系列的优点，已经被广泛采用，除了PMMA外，其他的一些材料也可用来作为低层材料，如：光刻胶，聚乙烯醇，涂覆液体
27、玻璃，聚电解质等。注意：室温纳米压印，仍需要较高的压力。（四）紫外固化纳米压印技术 基于紫外固化作用的纳米压印技术真正实现了低温低压纳米压印。其于传统的热压纳米压印的区别是：采用了透明的印模；采用了可以经紫外固化的液体压印材料。（1） 透明印模 制造透明掩模最常用的底板材料是空白光学掩模； 纳米压印印模要比普通的光学曝光掩膜更加难以制作，因为纳米压印印模需要和实际曝光图形的尺寸相同； 传统的光学曝光掩模的湿法铬刻蚀已不再使用于100nm以下的压印印模的铬图形的刻蚀。采用干法刻蚀，即等离子刻蚀； 刻蚀石英比刻蚀硅困难的多； 大面积的石英印模难以保持平整度，故石英印模一般不做成大尺寸，大面积压印是
28、通过小尺寸印模的重复压印实现的； 石英是成本较高，正在寻找替代品； 紫外固化纳米压印也使用非透明印模。如果衬底是透明的，可以通过紫外光的反向照射来实现紫外固化。（2） 紫外固化压印材料对紫外固化压印材料的要求：低粘度；高分辨率；快速固化；低收缩率；抗等离子体刻蚀。以上这些性能可以通过有机聚合物的方法实现。紫外固化有机聚合物的黏度最好在15mPas以下。紫外固化聚合物的一个严重问题是固化后的体积收缩，一般要收缩总体积的5%15%。紫外固化有机聚合物需要有较好的抗等离子刻蚀性能，但为了去除压印后的残留层，抗刻蚀性能也不是越高越好。（3） 步进闪光压印光刻技术 闪光压印技术基本上可以看做采用了双层胶
29、的紫外固化纳米压印。之所以称为闪光压印是因为光敏涂层很薄，只需要很短的紫外光照射即可固化。 所谓的步进闪光压印是指用1.5 in （1 in = 25.40000mm）大小的石英印模在硅片上以重复步进的方式实现大面积压印。JFIL技术与光学曝光技术最为接近的一种技术。除了具有光学曝光的优点之外，还具有其他的一些优势：无光波衍射问题，故对分辨率的唯一限制是印模本身的分辨率；不存在由于光刻胶显影引起的LER问题；印模可做成准三维形状，可一次完成；设备简单，成本低。（4） 透明印模压印的对准 解决了热压纳米压印的两大问题：高温高压；对准困难。 由于印模透明，可以直接观察衬底上的对准标志，对准简单。
30、在紫外固化纳米压印中，印模与衬底之间的间隙非常小（0.25m），透过这个极小的间隙可以更清晰的观察衬底上的对准标志，因而实现更高精度的对准。 当实现100nm以下的图形的压印时，用光学干涉成像方法可以获得更高的对准精度，（莫尔干涉条纹）。PM=P21- P2P1 ，可见莫尔干涉条纹的周期远大于硅片或印模的周期，因此更容易被观察到。（5） 曝光压印混合光刻紫外固化纳米压印的另一个优点是：未被固化的有机聚合物可以像未曝光的负型光刻胶（曝光部分被保留）一样通过显影过程被清洗掉。这便是曝光压印混合光刻技术（CNP）。CNP的印模结构除了浮雕图形外，还有铬膜覆盖的区域。发展混合光刻技术的动机是在纳米压印
31、的同时获得尺寸差异巨大的图形结构。（五）纳米转印技术纳米转印技术：先将有机聚合物材料涂覆到印模上，待压印材料均匀填充印模浮雕图形表面后，再将印模压到一个平面衬底上。转印有两种方式：热压转移，主要针对非紫外固化有机聚合物材料；紫外光照固化转移，针对紫外光固化材料或者负型光刻胶。纳米转印成功的关键是衬底材料的表面能要大于印模材料的表面能，这样才能保证脱模时压印层顺利的脱离印模。 对于不同的材料，可以通过不同的方法改变其表面能，一般的思路是：降低印模的表面能，提高衬底的表面能。由于纳米转印技术只是实现了图形的转移，故可以在已有图形的衬底材料上实现图形的转移。同时，由于纳米转移是注入而不是挤压，故可以
32、较容易的实现高深宽比图形的制造。（六）软光刻技术 软光刻技术又叫做软印刷，软印模印刷。其基本的过程为：在母版上倾倒液体状硅橡胶（例如PDMS），在略高于室温的温度下烘烤一段时间使PDMS固化，然后将其从母版上剥离下来，这样便形成了软印章。然后将印章浸到烷硫醇溶剂中，再将印章放置到表面沉积了金膜的衬底材料上，印章表面凸起的浮雕图形部分的烷硫醇将转移到衬底材料上，烷硫醇的作用相当于抗蚀剂，再经过湿法刻蚀，既可以将烷硫醇图形转化为金膜图形，这样就完成了软光刻的过程。1. 软光刻的印章（1）软光刻技术的关键是软印章。只有软性材料才能使印章图形表面与衬底材料表面紧密接触，从而实现图形的转移。（2）PDM
33、S（聚二甲基硅氧烷）是最早使用也是目前仍在普遍使用的印章材料。原因：PDMS易于变形，保证了印章与衬底表面的亲密接触；PDMS的化学稳定性好；PDMS本身是透明的。 但是PDMS的软弹性，也造成了一个致命的弱点图形畸变。故软印章难以实现高分辨率图形的印刷。 通过提高PDMS的抗张模量可提高印刷图形的分辨率。同时软印章还具有长程畸变问题，即图形分布整体位移。为了解决上述问题，可采用三层印章结构（以PDMS作为中间层，提供软弹性；以玻璃板为上层，防止长程位移；以硬质有机聚合物材料为低底层，用来制作表面浮雕图形。）2. 微接触印刷 所谓的“微接触印刷”，实际上就是软光刻技术。二者之间的区别是：软光刻
34、强调的是软印章或软印模，而微接触印刷强调的是接触式印刷。但一般情况下，二者并不做区别。微接触印刷之所以采用PDMS软印章，有以下两点原因： PDMS软印章可以与衬底表面紧密的接触；PDMS软印章可以吸收其他一些有机溶剂。 为了让PDMS吸收硫醇溶剂，可以采用以下三种方法：液滴法将一滴硫醇溶剂滴到印章表面，然后用干燥氮气吹走残余的溶剂；浸没法将印章浸没在硫醇溶剂中数分钟，然后吹干使用；印板法用一块浸满了硫醇溶剂的PDMS作为印板，将印章与印板相接触，使硫醇溶剂转移到印章上。上述方法中的会使得印章的空腔部分也会沾上硫醇溶剂，在接触印刷时，这部分溶剂会发生扩散或者挥发使得不该有的部位也有了硫醇分子，
35、造成了图形的变化。而方法则有效的解决了上述问题，保证了印刷图形的保真度和分辨率。烷硫醇分子可以在金的表面自动快速的组装形成致密的自组装单分子层（SAM）。这一特性避免了液体分子在固体表面聚团分布，使得溶剂可以均匀的分布。虽然微接触只能在硫醇和金膜组合的系统上制作图形，但是有了金膜图形后，就可以再转移到其他衬底材料上，最终结果与其他光刻技术是相同的。3. 毛细管力辅助注模 微铸模复制（MIMIC）将一个有浮雕图形的PDMS印模覆盖到平面衬底上形成紧密接触，然后将低黏度的有机聚合物液体通过一些连接PDMS空腔的微通道灌注到浮雕图形的空腔中。然后通过加热或紫外光照射使有机聚合物固化，揭掉PDMS印模
36、后就得到了复制的有机聚合物图形结构。 吸气辅助光刻（MAAL）MAAL的印模由两层PDMS组成，顶层是5mm的PDMS，上面有阵列式排布的微通道，通向一个排气孔（抽气时使用）；底层是有浮雕图形的PDMS印模；顶层和底层之间有一个20m的PDMS膜将其分开。将顶层抽真空，由于压差的作用，底层的气体将通过PDMS薄膜进入顶层，从而使底层的压力下降，这样液体压印材料就会被吸入印模空腔中。然后经过紫外固化就可以形成最后的复制图形结构。二者的区别：MAAL的填充速度大大快于各种依赖于毛细作用的铸模方法；各种依赖于毛细作用的铸模方法要求填充材料必须能够浸润PDMS印模，而MAAL在即使不浸润的情况下也能够
37、实现填充铸模。（七）大面积连续压印技术 实现大面积压印有两种方式：平压；滚压。平压通常指用平面模板压印，压印的衬底材料是单张的，其主要难点是在于如何控制整个压印表面的压力均匀分布，同时也要防止局部残留气泡； 滚压采用的是柔性印模，用滚压的方式完成整幅衬底的压印，它的好处是压模与基础材料的接触面积很小，较易获得均匀的压力，并减少了残留气泡的可能性。2.实现连续压印有两种方式：准连续式；真正的连续压印。对于基材是卷对卷连续输送的，但压印是单张的；对于，采用了滚筒式压印模板，基材以卷到卷方式连续输送，压印模辊连续转动，从而将模辊上的微结构连续不断的复制到柔性基材表面。压印的方法有热压印和紫外固化压印
38、。由于热压印需要升温和降温，故并不是一种高效的压印方法；最适用于连续压印的是紫外（UV）固化压印。典型的紫外固化连续压印系统有下列4个部分组成：收放卷机构；涂胶机构；压印机构；紫外固化机构。3.大面积连续压印的技术难点：压印模板的制备微米以下图形的模板一般需要用电子束曝光技术制备，微米以上图形的模板一般用光学曝光的方法制备。 为了实现无缝压印和完全连续结构的压印，必须直接在滚筒上制备浮雕结构。 一般的方法有直接在滚筒上用金刚石刀雕刻，邻近式光学曝光，激光直写，或者电子束曝光技术。 均匀涂胶控制涂胶的厚度和均匀性，大面积连续涂布技术是一项成熟的技术，应用范围广泛，主要方法有丝棒涂布，浸没涂布，气
39、刀涂布，刮刀涂布，条缝涂布，凹版涂布，喷印涂布等。 动态对准通常的方法是利用摄像装置动态读取基础材料表面的对准标志，反馈给送放卷控制系统，调整基础材料的运动速度。目前还没有很成熟的对准方法。4. 总结：大面积连续纳米压印的技术难度要比单片纳米压印大得多，尽管在实验室中已经实现了小幅度的连续卷对卷纳米压印，最小压印线宽也达到了100nm，但在工业生产中却做不到这个水平，故目前产业化的大面积柔性材料表面的图形复制只能称为压印，最小图形尺寸在几微米以上，还称不上纳米压印。（八）塑料微成型技术 目前，常用于微成型技术的塑料有三类聚合物：热塑性聚合物材料当温度升高到玻璃化转变温度时，材料开始软化，软化后
40、即使温度降低到临界点之下，材料成型的形状仍将保持不变。目前，常用的材料有PC 和 PMMA 。 弹胶性聚合物材料分子的交链极弱，材料在室温下能够受外力而变形，外力移走后又恢复原状。典型材料有PDMS和硅树脂。 热固性聚合物材料又叫做硬塑料，不能被轻易的挤压成型，从加热到熔化中间不经历软化过程。只有通过热浇筑成型，一旦成型则不会改变。 可以使聚合物材料成型的技术的包括热压成型，注塑成型和浇铸成型。（1） 热压成型 热压成型时直接将模板浮雕图形转移到聚合物衬底材料上。 加热和压印都必须在真空环境下进行，其目的是为了防止模板空腔的气体无法逃逸而在模压材料中形成气泡。在整个的压印过程中，脱模是最重要的
41、环节，若脱模不当，会损坏模压所形成的结构。（2） 微注塑成型 普通的注塑工艺有6个步骤：合模，注射，保压，冷却，开模，取出产品。 微注塑成型并不是简单的缩小模具的尺寸，其还涉及到很多新的问题: 为了保证填料均匀，需要更高的压力和温度；在脱模过程中，注塑件极易受到损伤；无排气孔，故需要预抽真空，再进行注塑；其他问题，如缩短熔料到注塑喷口的流程，使用小尺寸的推进螺杆等。 由上述的特性可知，制造微小尺寸的注塑制品需要专门的注塑机。同时，微型模具的制作也是微注塑的成功的关键。 微注塑的模具必须是金属材料的，常用的加工微模具的方法有：精密机械车铣，电火花微加工，紫外曝光+电铸，电子束曝光+电铸等，各种方
42、法所能达到的结构尺寸和深宽比是不同的。微注塑与微模压的区别是：微模压只构成表面浮雕结构，而微注塑则可以获得较为复杂的三维结构。 注塑不仅可以获得塑料结构的微结构元件，还可以制造金属或陶瓷微结构，分别称为金属模铸和陶瓷模铸。（3） 浇铸成型 浇铸成型技术主要指的是在PDMS或硅胶一类的弹胶性聚合物材料上制作微浮雕结构的加工技术。 近年来，PDMS被大量用来制造各种微流体器件和系统，其主要原因是该方法具有以下的优点：制作工艺简单，母版可以大量的重复的使用；固化的PDMS片可以贴到任何光滑平整的表面；未进行表面氧化处理的PDMS呈疏水性，经过表面氧化处理之后，亲水性可以大大的改变；固化后的PDMS有
43、非常好的透明度。 沉积法图形转移技术（一） 引言微纳米加工的最终目的是制造具有各种功能的微纳米结构和器件。其功能来自于形成微纳米结构的各种特殊材料，但之前所述的图形成像技术所获得的微纳米机构一般没有什么实际的作用，故下一步应将前期形成的有机聚合物图形结构转移到各种功能材料上。图形转移技术可分为两大类：沉积法图形转移 以光刻胶为掩模或用其他掩模形式将另一种材料沉积到衬底上; 刻蚀法图形转移以光刻胶图形为掩模将衬底或衬底上的薄膜刻蚀清除。（二） 薄膜沉积技术 沉积薄膜的方法很多，主要包括物理和化学气相沉积，分子束外延技术，旋转涂覆或喷涂方法，电镀方法等。 其中以物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积
44、（CVD）为主。物理气相沉积包括热蒸发沉积（电阻蒸发沉积和电子束蒸发沉积）和等离子体溅射沉积 （直流溅射，射频溅射，磁控射频溅射）；化学气相沉积包括低压型（LPCVD），常压型(APCVD)，等离子体增强型(PECVD)和金属有机化合物型(MOCVD)。考察一种方法是否适用于溶脱剥离法图形转移取决于以下两点: 沉积过程中的衬底温升；沉积的方向性。 对于，由于溶脱剥离法以光刻胶作为掩模，温度大于玻璃化转变温度时，光刻胶会软化并会流动，故CVD方法一般不适用于剥离法图形转移。对于，沉积的方向性直接决定于是否能够成功的玻璃沉积的薄膜，只有方向性好的情况下，玻璃后的图形才会较为良好。 综合以上两点，只
45、有热蒸发式薄膜沉积可以同时满足以上两点要求，最适合于溶脱剥离法。热蒸发式薄膜沉积的沉积速率取决于蒸发源和衬底的距离以及蒸发源和衬底的相对位置。由于蒸发源为一个面源，根据余弦定理，当蒸发源于衬底位于同一球面时，所获得的薄膜是均匀的。在实际情况下，样品不可能为一球面，但可以将其放置在一个球面形状的支架上，以获得均匀的薄膜。但是由于位于非垂直于蒸发源的位置上，薄膜的方向性会受到影响，进而会影响图形转移的成功率。溅射法薄膜沉积借助于等离子体轰击靶材料实现靶材料原子向样品表面的沉积。常用的有直流放电型，射频放电型和磁控射频放电型。 综上可知，热蒸发沉积的方向性好，但薄膜质量差；溅射法虽然方向性不如热蒸发
46、沉积，但其成膜的质量好，而且衬底的温升也比较低。同时，为了改善溅射法的方向性，有以下两种方法，可供考虑：增加电极间距，可以降低放电室的气压，但是增加间距会使靶材料的利用率降低；安装准直管，准直管实际上是一个过滤装置，其作用是只允许那些垂直或接近于垂直飞行的溅射靶原子到达样品表面。当沉积合金薄膜时，溅射法要优于蒸发法。（三） 溶脱剥离法 原理：由光学或电子束曝光首先形成有机聚合物的图形，然后在沉积薄膜之后将有机聚合物层用丙酮等溶剂清除，凡没有被光刻胶覆盖的区域都将留下金属薄膜，这样就实现了有光刻胶图形向金属薄膜图形的转移。 实现成功剥离的关键是保证在光刻胶上的薄膜与沉积的衬底上的薄膜是不连续的，或者是薄膜的覆盖性差。 为了实现上述的要求，需做到以下两点：沉积的薄膜厚度远小于光刻胶层的厚度（可以通过涂厚胶层来满足）；薄