纳米压印

null奈米壓印(微影)技術簡介 Introduction to Nanoimprint (Lithography) Technology奈米壓印(微影)技術簡介 Introduction to Nanoimprint (Lithography) Technology 國立東華大學 科學與學系 張 文 固 博 士 資料來源：工研院機械所、期刊論文、網路資訊奈米科技論壇OutlineOutline奈米科技之發展 奈米壓印技術介紹 前世：LIGA技術 LIGA技術 深刻技術 微電鑄技術 微成形技術 LIGA製程範例 LIGA-like 今世：熱壓式奈米壓印技術、紫外線基奈米壓印技術 奈米壓印技術之技術瓶頸 奈米壓印技術之應用null奈米科技之發展 半導體、光電元件之持續微小化null微影：製程和曝光系統Source: Fundamentals of Microfabrication, ed. By M. Madou, CRC Press (1997)null微影：曝光之光阻解析度Source: Fundamentals of Microfabrication, ed. By M. Madou, CRC Press (1997)nullSource: Fundamentals of Microfabrication, ed. By M. Madou, CRC Press (1997)微影：曝光之景深null半導體製程能力之現況Source: ITRI/MIRLnullnull製造技術之考慮因素次世代 奈米結構 製造技術nullSource: ITRI/MIRLnull技術比較Source: ITRI/MIRLnull奈米壓印技術介紹 - 前世：LIGA技術何謂LIGA及目的何謂LIGA及目的LIGA結合了：光刻術(Lithography)、電鍍鑄模技術(electroforming)，以及微成形之模造(molding)量產技術。 所適用的材料範圍包括半導體、金屬、高分子及陶瓷等。 可看成傳統機械的模具產業，但尺寸在微奈米。 目的： 可用於製造高深寬比之微結構。最大可達100的高深寬比。 可製作複雜之3D結構。 具較強之結構強度與電、磁致動特性。 實現機器縮小化的夢想。nullLIGA 技術簡介Source: IMM, from networkLIGA技術應用產業/產品LIGA技術應用產業/產品資訊電子、光電通訊、生化科技、半導體、精密儀器… LIGA製程三大技術：X光曝光微影技術、微電鑄技術、微成形技術。 深刻技術：光源部份 X光因具有短波長、穿透力強的特性。 可提供次微米精度、次微米解析度和高深寬比的光刻能力。 1975年，IBM即開始嘗試。1982年德國卡斯魯爾核能研究所開發成功。同步輻射光同步輻射光X光LIGA製程一般均使用同步輻射光(synchrotron radiation)作為曝光光源。 準直性：其發散角在1mrad以下。 光強度高：為一般X光機的十萬倍以上，大幅縮短曝光時間。 全球適合做X光LIGA製程的同步輻射光源，僅有30座。 需選擇適當波長的光源進行曝光。標準即為光源對光刻精度的影響。 繞射現象 光電子散射 最小的誤差的波長約為0.2~0.6nm。X光微影之優缺點X光微影之優缺點優點 波長短，解析度高，具有奈米製程能力。 繞射現象甚小。 穿透力強，光罩上的污染、微粒不會轉印在晶圓上。可用較厚之光阻，適用於高深寛比之結構。 缺點 縮小步進機製作不易。 晶圓對準問題不易解決。 光罩製作不易。 X光能量高，會對光罩加熱。X-ray 光阻材料(PMMA)X-ray 光阻材料(PMMA)俗稱壓克力，屬於正型光阻，最普遍採用的光阻。 優點： 光刻解析度高(~0.2um) 優異的光刻面品質(Ra <30nm) 缺點： 感光度低：感光劑量約為4J/cm3，若要單次曝光500um厚的光阻，需6小時的曝光時間。 抗應力腐蝕(stress corrosion)性質不佳：因累積內應力，發生應力腐蝕現象。nullLIGA 技術簡介：曝光與顯影Source: Fundamentals of Microfabrication, ed. By M. Madou, CRC Press (1997)X光光罩X光光罩典型的光罩包含吸收體、鼓膜和框架。 吸收體必須能吸收X光，多為高原子序、高密度的材料，如金。 鼓膜則需盡可能透光，多採用低原子序、低密度的材料，如鈹。 極為脆弱。 價格昂貴。光阻 基板框架鼓膜 吸收體微電鑄技術微電鑄技術把原形母模放在陰極上，利用電鍍原理沉積至適當的厚度，再使其與母模分離，此製程可用以生產各種金屬模具和精密零組件。 利用電鍍(electroplating)原理。 電鑄的沈積過程乃是一個個原子之堆積，故可完整複製原母模的所有訊息。 由於電鑄層厚，故易產生內應力(internal stress)、變形及針孔等問題，必須將電鑄操作參數如鑄液成份、pH值、溫度、添加劑及雜質等，在電鑄程序中控制管理。微電鑄原理微電鑄原理外部電路：直流電源(DC) 陰極(被鍍物品) 電鍍溶液 陽極(欲鍍上物品的金屬)Anode Solution CathodeM  Mn+ +ne-Mn+ +ne-  MworkAMain ACAm meterRectifier (V)電鑄用電鍍液電鑄用電鍍液基本分類 金屬電鑄：Ni, Cu, Au, Ag及Pt等。 合金電鑄：Ni-Fe, Ni-Co, Ni-Mn及Ni-W等。 複合電鑄：Ni-SiC, Ni-Al2O3及Ni-Diamond等。 金屬或合金電鑄：應用上標準的電鑄材料是鎳，因鎳具有容易電鑄及抗腐蝕性佳的特性。但是其質軟(硬度250Hv)，適較無磨耗問題的塑膠結構。 合金或複合電鑄：製作低應力、高硬度(550Hv)、強韌、耐撞擊與耐磨耗之模具。電鑄成長速率及厚度電鑄成長速率及厚度成長率方程式：指出在電鍍發生前能輕易估計成長率和電沈積的厚度。 估計成長率和電沈積的厚度並不容易。由於陰極的電流密度通常不均勻，不均勻的電流密度會導致不均勻的金屬分佈。 有兩個因素影響電流密度，主要為電流分佈和極化現象。 電鑄完成後，鑄件必須進行純水沖洗並加以乾燥，以避免鑄件表面產生斑點、鏽及變色。 為了使電鑄後的結構高度均一或表面平滑，必須在去除光阻前經過研磨拋光(CMP, Chemical Mechanical Polishing)，以適應結構的應用或後續的工作。微成形技術(Micro molding)微成形技術(Micro molding)Micro molding泛指利用模具來進行微結構的創型或複製。 常見Micro molding process包含： Hot embossing (熱壓成形) Nanoimprint (奈米壓印) Micro injection molding (微射出成形)模具材料機械性質模具材料機械性質強度(strength) 展延性(ductility) 硬度(hardness) 韌性(toughness) 彈性模數(modulus of elasticity) 熱膨脹(thermal expansion) 熱應力(thermal stress)光學透鏡(molding material)光學透鏡(molding material)以高分子材料取代玻璃所需要之條件： 無色透明 光學性質均勻，無雜質 固定光學常數，溫度依存性小 長久性 優良機械性質 與光學玻璃相近之光學性質 適合加工之黏滯係數nullTFT-LCD的背光模組—楔形板null擴散片-- 傳統擴散思維null擴散片比較nullLIGA 技術簡介：微成型null 優點 - 可製作高深寬比結構(> 100) - 側壁粗糙度低(數奈米等級) - 高分子材料成本低廉 - 批次生產，高生產速率 - 製程簡單，製造價格低廉 - 適合簡單結構之元件製造，如光學被動元件  缺點 - X光之光罩成本高昂，製作費時 - X光之光源價格高昂，不易取得 - 微系統组裝成本高昂 - 缺乏以商業生產為目的之載具  瓶頸 - 脫模不易 - 微组裝技術LIGA 技術簡介何謂LIGA-Like製程？何謂LIGA-Like製程？以其他光源或微影技術取代X光微影，即稱為LIGA-Like(類LIGA製程) 例如：UV-LIGA, 雷射LIGA, RIE-LIGA為何發展LIGA-Like製程？為何發展LIGA-Like製程？由於同步輻射X光光源取得不易，成本極高，且作為阻擋X光穿透之光罩因製作不易，所以價格不菲。 基於上述原因，開發厚膜光阻技術，並配合UV光或雷射進型微影，以解決次一問題。 雖然UV光之波長(<400nm)遠大於X光(0.2~0.6nm)，精度上無法與X光相比，但並非所有的元件均需要達到次微米精度，再加上厚膜光阻與曝光技術之進步，使其備受重視。nullSource: Lambda Physik, “Laser-LIGA - excimer laser microstructuring and replication”, Lambda Highlights No. 45 (Aug. 1994)LIGA 技術簡介：Laser LIGA 技術 (LIGA-Like)nullLIGA 技術簡介：LIGA-Like 技術null奈米壓印技術介紹 今世：熱壓式奈米壓印技術 、紫外線基奈米壓印技術Nanoimprint (奈米壓印)Nanoimprint (奈米壓印)奈米壓印技術，可定義為「將具有奈米結構之模仁，透過各種方式(如熱壓、UV光曝照等)將此結構圖案轉印至特定材料上，使其達到大量轉印/量產化之目的」 此技術的優勢在於： 可達到奈米級(<100nm)小線寬：目前技術已經可達到10nm左右等級，遠比半導體光學曝光顯影技術小甚多。 轉印速度快：相對於目前現有奈米級成型技術(如E-beam)，具有量產優勢。因此，整個技術重點便在於「模仁結構的精密製作」以及「轉印技術之產率與良率提升」Nanoimprint之關鍵技術Nanoimprint之關鍵技術奈米結構模仁製作 光阻材料 考慮溫度效應、光敏性、流動性(黏滯係數)結構為主要目標 轉印製程 模仁與壓印之材料基板之平行度、基板之全城厚度變異、基板之表面粗糙度、光阻均勻塗佈技術、曝光劑量多寡、壓力均勻性、溫度均勻性、對準技術、定位精密度、轉印後結構均勻性、脫模技術等。 後續蝕刻製程 蝕刻時所考慮到的選擇比與蝕刻速率null奈米壓印(微影)技術熱壓式奈米壓印技術歩進曝光式奈米壓印技術Source: Appl. Phys. Lett. 67 (1995) 3114-3116, J. Vac. Sci. Technol. B14 (1996) 4129-4133, Mater. Sci. Eng. C23 (2003) 23-31null熱壓式奈米壓印技術：模仁null熱壓式奈米壓印技術：模仁Source: Microelectron. Eng. 57-58 (2001) 367-373, Nanotechnology 13 (2002) 592-596null熱壓式奈米壓印技術：模仁Source: Microelectron. Eng. 57-58 (2001) 375-380null熱壓式奈米壓印技術：熱壓Source: Mater. Sci. Eng. C23 (2003) 23-31null熱壓式奈米壓印技術：熱壓Source: Microelectron. Eng. 54 (2000) 229-245 & 56 (2001) 311-332null熱壓式奈米壓印技術：熱壓Source: Microlelctron. Eng. 61-62 (2002) 385-392光阻線寬、殘餘厚度和熱壓(50 bar)溫度、時間之關係null熱壓式奈米壓印技術：熱壓PMMA熱壓後之形狀鬆弛作用Source: Physica E17 (2003) 523-525null熱壓式奈米壓印技術：熱壓降低熱壓溫度、降低熱壓壓力、(熱塑性預聚合體高分子)Source: Microlelctron. Eng. 61-62 (2002) 379-384 & 385-392, 67-68 (2002) 266-273, J. Vac. Sci. Technol. B21 (2003) 688-692 mr-I 9000 (熱硬化型) - 熱壓：<150C、50 bar、3min (300nm厚)  NEB 22 (電子束曝光用光阻) - 烘烤：110C、120 sec (280nm厚) - 熱壓：120C、50 bar、5 min  mr-L 6000 (紫外線硬化型) - 熱壓：<105C、50 bar、3min (80nm厚) - 硬化：紫外線照射 + 硬烤(100C、10 min)  PDMS (polydimethylsiloxane) (熱硬化型) - 烘烤：110C、120 sec - 熱壓：<80C、<10 bar、15 min  HSQ (hydrogen silsequioxane) - 預烤：50C、20 min (100nm厚) - 熱壓：RT、40 bar、1 minnullSource: J. vac. Sci. Technol. B14 (1996) 4129-4133熱壓式奈米壓印技術：RIE 蝕刻null熱壓式奈米壓印技術：三層式光阻增進圖案轉移精確度、降低熱壓壓力、降低熱壓溫度Source: Microelectron. Eng. 61-62 (2002) 371-377null紫外線基奈米壓印技術：模仁Source: Microelectron. Eng. 61-62 (2002) 461-467null紫外線基奈米壓印技術：壓合Source: Microelectron. Eng. 57-58 (2001) 361-366, J. Vac. Sci. Technol. B17 (1999) 2965-2969null奈米壓印技術比較技術困難性：熱壓式奈米壓印技術 > 紫外線基奈米壓印技術null奈米壓印技術 技術瓶頸null奈米壓印技術之技術瓶頸null紫外線基奈米壓印技術之技術瓶頸null奈米壓印技術 應用null奈米壓印技術之應用null奈米結構null波導光柵：SiO2-TiO2Source: J. Vac. Sci. Technol. B21 (2003) 660-663null寬頻波導偏光器Source: J. Vac. Sci. Technol. B17 (1999) 2957-2960null平面薄膜反射式偏光片Source: Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 927-929null次波長光學元件(SOE)：繞射光柵Source: Lightwave (Oct 2002)52-58nullFresnel Zone Plate：同心環型光柵Source: Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 673-675null微環光學共振器Source: J. Vac. Sci. Technol. B 20 (2002) 2862-2866null有機半導體材料：導電圖案Source: J. Vac. Sci. Technol. B19 (2001) 487-489null有機薄膜電晶體 (OTFT)Source: Microelectron. Eng. 67-68 (2003) 845-852nullSource: Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 4431-4433有機薄膜電晶體 (OTFT)null有機電激發光材料：圖案化Source: Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 2767-2769null有機電激發光元件Source: J. Vac. Sci. Technol. B20 (2002) 2877-2880null有機電激發光元件：光子晶體(可能應用)Source: Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 3779-3781光子晶體結構促進OLED外部量子發光效率達50%以上null金氧半導體場效電晶體 (MOSFET)Source: Appl. Phys. Lett. 71 (1997) 1881-1883null高頻低雜訊 III-V 族電晶體Source: Microelectronic Engineering 67–68 (2003) 189–195nullGaAs 金屬-半導體-金屬 (MSM) 光偵測器Source: Appl. Phys. Lett. 74 (1999) 2381-2383null磁預錄碟片Source: IEEE Trans. Magnetics 38 (2002) 1949-1951null奈米光碟光碟儲存密度：400 Gbit/in2Source: Appl. Phys. Lett. 71 (1997) 3174-3176null分子元件之奈米接觸點Source: J. Vac. Sci. Technol. B20 (2002) 665-667nullDNA 電泳晶片Source: Microelectron. Eng. 61-62 (2002) 927-932null具奈米孔洞之隔膜晶片Source: Microelectron. Eng. 67-68 (2003) 208-213