一文讀懂納米壓印

1、納米壓印介紹

NIL（納米壓?。┦峭ㄟ^模版，將圖形轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的襯底上，轉(zhuǎn)移的媒介通常是一層很薄的聚合膜，通過熱壓或者輻照等方式使其結(jié)構(gòu)硬化從而保留下轉(zhuǎn)移的圖形，整個(gè)過程包括壓印和圖形轉(zhuǎn)移兩個(gè)過程。納米壓印技術(shù)突破了傳統(tǒng)光刻在特征尺寸減小過程中的難題，具有分辨率高、低成本的特點(diǎn)。

2、納米壓印的分類

根據(jù)壓印方法的不同，NIL主要可分為熱塑（Hot embossing）、紫外固化UV和微接觸（Micro contact printing cup）三種光刻技術(shù)。

（1）熱壓?。℉E－NIL）

熱壓印的工藝包含下列步驟：

①首先，利用電子束直寫技術(shù)（EBDW）制作一片具有納米圖案的Si或SiO2模版，并且準(zhǔn)備一片均勻涂布熱塑性高分子光刻膠（通常以PMMA為主要材料）的硅基板。

②將硅基板上的光刻膠加熱到玻璃轉(zhuǎn)換溫度（Glass Transfer Temperature）以上，利用機(jī)械力將模版壓入高溫軟化的光刻膠層內(nèi)，并且維持高溫、高壓一段時(shí)間，使熱塑性高分子光刻膠填充到模版的納米結(jié)構(gòu)內(nèi)。

③待光刻膠冷卻固化成形之后，釋放壓力并且將模版脫離硅基板。

④最后對硅基板進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕（Reactive Ion Etching）去除殘留的光刻膠，即可以復(fù)制出與模版等比例的納米圖案。

（2）紫外硬化壓印光刻技術(shù)（UV－NIL）

使用熱壓印光刻技術(shù)的熱塑性高分子光刻膠必須經(jīng)過高溫、高壓、冷卻的相變化過程，在脫模之后壓印的圖案經(jīng)常會產(chǎn)生變形現(xiàn)象，因此使用熱壓印技術(shù)不易進(jìn)行多次或三維結(jié)構(gòu)的壓印，為了解決此問題，有人開始研發(fā)一些可以在室溫、低壓下使用的壓印光刻技術(shù)。

M.Bender和M.Otto提出一種在室溫、低壓環(huán)境下利用紫外光硬化高分子的壓印光刻技術(shù)[4、5]，其前處理與熱壓印類似，首先都必須準(zhǔn)備一個(gè)具有納米圖案的模版，而UV－NIL的模版材料必須使用可以讓紫外線穿透的石英，并且在硅基板涂布一層低黏度、對UV感光的液態(tài)高分子光刻膠，在模版和基板對準(zhǔn)完成后，將模版壓入光刻膠層并且照射紫外光使光刻膠發(fā)生聚合反應(yīng)硬化成形，然后脫模、進(jìn)行刻蝕基板上殘留的光刻膠便完成整個(gè)UV－NIL。

最近紫外壓印一個(gè)新的發(fā)展是提出了步進(jìn)－閃光壓印。步進(jìn)－閃光壓印發(fā)明于Austin的Texas大學(xué)，它可以達(dá)到10nm的分辨率。先將低粘度的單體溶液滴在壓印的襯底上，用很低的壓力將模版壓倒圓片上，使液態(tài)分散開并填充模版中的空腔。紫外光透過模版背面輻照單體，固化成型后，移去模版。最后刻蝕殘留層和進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移，得到高縱橫比的結(jié)構(gòu)。

很明顯，紫外壓印相對于熱壓印來說，不需要高溫、高壓的條件，它可以廉價(jià)的在納米尺度得到高分辨率的圖形，它的工藝可用于發(fā)展納米器件，其中的步進(jìn)－閃光壓印不但導(dǎo)致工藝和工具成本的明顯下降，而且在其他方面也和光學(xué)光刻一樣好或更好，這些其他方面包括工具壽命、模具壽命（不用掩模版）、模具成本、工藝良率、產(chǎn)量和尺寸重現(xiàn)精度。但其缺點(diǎn)是需要在潔凈間環(huán)境下進(jìn)行操作。

（3）微接觸壓印光刻（Microcontact－NIL）

微接觸壓印光刻技術(shù)要先通過光學(xué)或電子束光刻得到模版。模具材料的化學(xué)前體在模版中固化，聚合成型后從模版中脫離，便得到了進(jìn)行微接觸印刷所要求的模具。常常要得到的模具是PDMS，接著，PDMS模具浸在含有硫醇的試劑中，然后將浸過試劑的模具壓到鍍金襯底上，襯底可以為玻璃、硅、聚合物等多種形式。另外，在襯底上可以先鍍上一薄層鈦層然后再鍍金，以增加粘連。硫醇與金發(fā)生反應(yīng)，形成自組裝單分子層SAM。印刷后有兩種工藝對其處理。一種是采用濕法刻蝕，如在氫化物溶液中，氫化物的離子促使未被SAM層覆蓋的金溶解，而由于SAM能有效地阻擋氫化物的離子，被SAM覆蓋的金被保留，從而將單分子層的圖案轉(zhuǎn)移到金上。還可以進(jìn)一步以金為掩模，對未被金覆蓋的地方進(jìn)行刻蝕，再次實(shí)現(xiàn)圖案轉(zhuǎn)移，另一種是在金膜上通過自組裝單層的硫醇分子來鏈接某些有機(jī)分子，實(shí)現(xiàn)自組裝，如可以用此方法加工生物傳感器的表面。

微接觸印刷不但具有快速、廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，而且它還不需要潔凈間的苛刻條件，甚至不需要絕對平整的表面，微接觸印刷還適合多種不同表面，具有作用方法靈活多變的特點(diǎn)，該方面缺點(diǎn)是在亞微米尺度，印刷時(shí)硫醇分子的擴(kuò)散將影響對比度，并使印出的圖形變寬。通過優(yōu)化浸液方式、浸液時(shí)間，尤其是控制好模具上試劑量及分布，可以使擴(kuò)散效應(yīng)下降。

3、納米壓印的應(yīng)用