mems在光刻光刻中的應(yīng)用

微電機械系統(tǒng)（sss）由微傳感器、微型計算機和微執(zhí)行器組成。它的特點是它可以像微型技術(shù)那樣大量生產(chǎn)，并具有降低成本的特點。在過去的二十幾年里,MEMS技術(shù)得到了很大的發(fā)展并且部分產(chǎn)品已成功地得到了商業(yè)化,如氣體傳感器、噴墨打印機頭、汽車安全氣囊等。當(dāng)前,納米技術(shù)還主要存在于研發(fā)實驗室里,但MEMS研發(fā)和產(chǎn)品技術(shù)的轉(zhuǎn)變可加速和激勵納米加工方法的發(fā)展。從微電子的歷史可以看出,光學(xué)曝光工具的成本呈指數(shù)增長。在光學(xué)光刻中,通過減少特征尺寸得到高的產(chǎn)量。其最小特征尺寸F=(k1)(λ)/NA,這里λ是曝光波長,NA是光學(xué)光刻工具中透鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑,k1是與工藝有關(guān)的項。通過不斷減少曝光波長,F值被減小。光學(xué)光刻現(xiàn)在采用深紫外光,然而隨著波長的減小,出現(xiàn)了許多新的和重要的技術(shù)難題,如分辨率及材料的選擇。在下一代光刻技術(shù)中,電子束光刻已被證明有非常高的分辨率,但其生產(chǎn)效率太低;X線光刻雖然可以具備高產(chǎn)率,但X線光刻的工具相當(dāng)昂貴。光學(xué)光刻成本和復(fù)雜的趨勢及下一代光刻技術(shù)難以在短期內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化激發(fā)人們?nèi)パ邪l(fā)一種非光學(xué)的、廉價的且工藝簡便的納米技術(shù),即納米壓印技術(shù)(NIL)。納米壓印技術(shù)是華裔科學(xué)家美國普林斯頓大學(xué)周郁在20世紀(jì)1995年首先提出的。目前,這項技術(shù)最先進的程度已達到5nm以下的水平。納米壓印技術(shù)主要包括熱壓印(HEL)、紫外壓印(UV-NIL)(包括步進-閃光壓印(S-FIL))、微接觸印刷(μCP)。納米壓印是加工聚合物結(jié)構(gòu)的最常用方法,它采用高分辨率電子束等方法將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)圖案制在印章上,然后用預(yù)先圖案化的印章使聚合物材料變形而在聚合物上形成結(jié)構(gòu)圖案。在熱壓工藝中,結(jié)構(gòu)圖案轉(zhuǎn)移到被加熱軟化的聚合物后,通過冷卻到聚合物玻璃化溫度以下固化,而在紫外壓印工藝中是通過紫外光聚合來固化的。微接觸印刷通常指將墨材料轉(zhuǎn)移到圖案化的金屬基表面上,再進行刻蝕的工藝。在納米壓印中,相當(dāng)昂貴的光刻只需被用一次以制造可靠的印章,印章就可以用于大量生產(chǎn)成百上千的復(fù)制品。該法的顯著優(yōu)點是速度快、環(huán)節(jié)少、成本低。因此盡管大多數(shù)納米技術(shù)的應(yīng)用還在研發(fā)階段,它有望在如下領(lǐng)域中獲得應(yīng)用:藥物供給系統(tǒng)、生物MEMS、染色體組、光子學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)、生物傳感器、射頻元件和電子學(xué)等。1納米壓力緩沖材料的制備1.1印刷技術(shù)及印表材料在納米壓印中,印章有時也稱為模具。印章的制備非常重要,因為印章上的圖形質(zhì)量決定了納米壓印能夠達到的轉(zhuǎn)移到聚合物上的圖形質(zhì)量,印章上的分辨率決定了聚合物上圖案的分辨率。印章的制備可以采用多種方式實現(xiàn),常用的有電子束、極紫外光、聚焦離子束或反應(yīng)離子刻蝕等,也可采用傳統(tǒng)的機械刻劃形成。常用的印章材料有硅/二氧化硅、鎳、石英玻璃印章(硬模)和聚二甲基硅氧烷PDMS印章(軟模)。在壓印過程中,一個非常重要的問題是避免印章和下面的聚合物粘連在一起使脫模困難,為此常采用在表面形成自組裝分子層SAM的方法來克服這個問題。這種方法的原理是在印章表面形成一層表面自由能較低的分子層,從而使脫模容易。一般常采用烷基硅烷,如(1,1,2,2H過氟辛基)—三氯硅烷,(1,1,2,2H過氟癸基)—三氯硅烷等。1.2光刻膠和印刷劑的用量納米壓印中所使用的光刻膠不同于常規(guī)的光學(xué)光刻所用的光刻膠,它有特定的要求。除要求易處理性和與襯底結(jié)合良好外,還要求有好的熱穩(wěn)定性、黏度低、易于流動和優(yōu)良的抗干法刻蝕性能。常用的光刻膠有MicroResistTechnology提供的mr-I8000、mr-I9000和mr-L6000系列,Nanonex提供的NXR-1000系列,DSM提供的Hybrane系列,及MicroChem提供的PMMA和SU8系列。同樣,為了防止光刻膠和印章粘連,光刻膠的改性是必須的。要求光刻膠與襯底粘接較好,而與模具粘接較差,可用氟基添加劑:(1,1,2,2H過氟辛基)—三乙氧基硅烷改性。其原理是氟-碳鍵形成低表面自由能而使其穩(wěn)定。除了旋涂單層光刻膠在襯底外,還可以使用多層工藝,即在襯底預(yù)先旋涂其他聚合物如PMGI,它有與襯底的結(jié)合性能良好的優(yōu)點且有平整化襯底的作用,適合于剝離工藝。2納米壓力打印技術(shù)2.1熱壓印工藝方法熱壓工藝是在微納米尺度獲得并行復(fù)制結(jié)構(gòu)的一種成本低而速度快的方法。僅需一個模具,完全相同的結(jié)構(gòu)可以按需復(fù)制到大的表面上。這項技術(shù)被廣泛用于微納結(jié)構(gòu)加工。熱壓工藝由模具制備,熱壓過程及后續(xù)圖案轉(zhuǎn)移等步驟構(gòu)成,它的主要工藝過程如圖1所示。模具制備可以采用激光束、電子束等刻蝕形成。熱壓過程是關(guān)鍵,它的主要步驟如下。(1)聚合物被加熱到它的玻璃化溫度以上。這樣可減少在模壓過程中聚合物粘性,增加流動性。只有當(dāng)溫度到達其玻璃化溫度以上,聚合物中大分子鏈段運動才能充分開展,使其相應(yīng)處于高彈態(tài),在一定壓力下,就能迅速發(fā)生形變。但溫度太高也沒必要,因為這樣會增加模壓周期,而對模壓結(jié)構(gòu)卻沒有明顯改善,甚至?xí)咕酆衔飶澢鴮?dǎo)致模具受損。(2)施加壓力。聚合物被圖案化的模具所壓。在模具和聚合物間加大的壓力可以填充模具中的空腔。壓力不能太小,否者,不能完全填充腔體。(3)模壓過程結(jié)束后,整個疊層被冷卻到聚合物玻璃化溫度以下,以使圖案固化,提供足夠大的機械強度。(4)脫模。脫模時要小心,以防止用力過度而使模具損傷。然后可以通過O2RIE干法刻蝕去除殘留的聚合物層,以開出窗口,接下來就可以進行圖案轉(zhuǎn)移。圖案轉(zhuǎn)移有兩種主要方法,一種是刻蝕技術(shù),另一種是剝離技術(shù)。刻蝕技術(shù)以聚合物為掩模,對聚合物下面層進行選擇性刻蝕,從而得到圖案。剝離工藝一般先采用鍍金工藝在表面形成一層金層,然后用有機溶劑進行溶解,有聚合物的地方要被溶解,于是連同它上面的金一起剝離,這樣就在襯底表面形成了金的圖案層,接下來還可以以金為掩模,進一步對金的下層進行刻蝕加工。熱壓印相對于傳統(tǒng)的納米加工方法,具有方法靈活、成本低廉和生物相容的特點,并且可以得到高分辨率、高深寬比結(jié)構(gòu)。熱壓印的缺點是需要高溫、高壓,且即使在高溫、高壓下很長時間,對于有的圖案,仍然只能導(dǎo)致聚合物的不完全位移,即不能完全填充印章的腔體。2.2步步-熒光壓印在大多數(shù)情況下,石英玻璃印章(硬模)或PDMS印章(軟模)被用于紫外壓印工藝。該工藝的流程如下:被單體涂覆的襯底和透明印章裝載到對準(zhǔn)機中,通過真空被固定在各自的卡盤中。當(dāng)襯底和印章的光學(xué)對準(zhǔn)完成后,開始接觸。透過印章的紫外曝光促使壓印區(qū)域的聚合物發(fā)生聚合和固化成型。接下來的工藝類似于熱壓工藝。最近紫外壓印一個新的發(fā)展是提出了步進-閃光壓印。步進-閃光壓印發(fā)明于Austin的Texas大學(xué),它可以達到10nm的分辨率。工藝如圖2所示。先將低粘度的單體溶液滴在要壓印的襯底上,用很低的壓力將模板壓到圓片上,使液態(tài)分散開并填充模板中的空腔。紫外光透過模板背面輻照單體,固化成型后,移去模板。最后刻蝕殘留層和進行圖案轉(zhuǎn)移,得到高深寬比的結(jié)構(gòu)。步進-閃光壓印的步進原理如圖3所示。由圖可見,只要一個小的模板,通過循環(huán)重復(fù)加工,就可以在整個圓片上得到圖案。這樣可降低模板的制造費用。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,它可以廉價地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-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(不用掩模板)、模具成本、工藝良率、產(chǎn)量和尺寸重現(xiàn)精度。但其缺點是需要在潔凈間環(huán)境下進行操作。2.3金納米尺度印刷微接觸印刷工藝的示意圖如圖4所示。先通過光學(xué)或電子束光刻得到模板。印章材料的化學(xué)前體在模板中固化,聚合成型后從模板中脫離,便得到了進行微接觸印刷所要求的印章。常常要得到的印章是PDMS。接著,PDMS印章與墨的墊片接觸或浸在墨溶液中,墨通常采用含有硫醇的試劑。然后將浸過墨的印章壓到鍍金襯底上,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,如在氰化物溶液中,氰化物的離子促使未被SAM層覆蓋的金的溶解,而由于SAM能有效地阻擋氰化物的離子,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。還可以進一步以金為掩模,對未被金覆蓋的地方進行刻蝕,再次實現(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分子,實現(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、廉價的優(yōu)點,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,具有操作方法靈活多變的特點。該方法缺點是在亞微米尺度,印刷時硫醇分子的擴散將影響對比度,并使印出的圖形變寬。通過優(yōu)化浸墨方式、浸墨時間,尤其是控制好印章上墨量及分布,可以使擴散效應(yīng)下降。2.4三種方法的比較由上面可以看出三種壓印方法各有優(yōu)點和缺點,現(xiàn)將它們間的比較見表1。3種常用應(yīng)用由于納米壓印具有工藝靈活、成本低廉、快速等優(yōu)點,它已經(jīng)在許多領(lǐng)域顯示應(yīng)用前景,由于篇幅所限,這里僅列舉三種應(yīng)用,即微鏡、晶體管、光柵。3.1烯酸甲酯上的pdms法加工三維類金剛石碳模具,該模具有非常光滑的表面,有利于加工光學(xué)器件,如微鏡。采用納米壓印技術(shù),微鏡模具被復(fù)制到聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上,如圖5所示,其中圖5(a)為頂視圖,圖5(b)為橫截面視圖。進一步可以利用PMMA作為模具,將PDMS澆鑄到PMMA模具中,并再次使用納米壓印工藝,將一硅片壓在其上,最后分離,PDMS粘到該硅片上,便得到了PDMS微鏡。這反映了納米壓印技術(shù)的靈活性。PDMS微鏡如圖6所示,6(a)為PDMS微鏡的AFM表面圖像,圖6(b)為AFM三維圖像。3.2納米晶體的模擬為證明納米壓印是可以取代傳統(tǒng)光刻的技術(shù),就必須在多層納米壓印中達到一定的精度、大面積的均勻性和低的缺陷密度。在4英寸圓片上采用4次納米壓印技術(shù),得到60nm溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。該納米晶體管顯示了優(yōu)良的操作特性。從連續(xù)多層工藝的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明在整個圓片上的平均重疊精度為500nm,當(dāng)場尺寸縮小時,精度可進一步提高。圖7即為采用全納米壓印工藝制作的MOSFET圖像,其中圖7(a)為1μm柵長MOSFET的暗場光學(xué)圖像,圖7(b)為60nm柵長的SEM圖像。3.3表面改性法sem激光輔助納米壓印技術(shù),即聚合物被單個準(zhǔn)分子激光脈沖熔化,然后用石英模具壓印。從熔化聚合物到完成壓印整個過程少于500ns。采用該法,不但可以縮短工藝時間,而且可以大大降低襯底和模具的熱膨脹,這有利于得到更好的對準(zhǔn)精度。圖8為用此法加工的硅襯底上200nmNPR46光柵的SEM圖像,其中圖8(a)為第一次壓印結(jié)果,圖8(b)為第三次壓印結(jié)果,兩者在光柵質(zhì)量上沒有明顯的不同。這證明了一個模具可以多次使用。4發(fā)展生物光刻技術(shù)納米壓印自從發(fā)明以來受到了人們的廣泛關(guān)注。納米壓印技術(shù)主要包括熱壓印、紫外壓印(含步進-閃光