一種大尺寸晶圓整片納米壓印的裝置及其壓印方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大尺寸晶圓整片納米壓印的裝置及其壓印方法，尤其涉及一種高效、低成本批量化制造大面積微納結(jié)構(gòu)的方法和裝置，屬于微納制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]納米壓印光刻(Nanoimprint Lithography, NIL)作為一種全新的微納米制造技術(shù)，較之現(xiàn)行的投影光刻和下一代光刻技術(shù)，具有高分辯率、超低成本(國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)評(píng)估同等制作水平的NIL比傳統(tǒng)光學(xué)投影光刻至少低一個(gè)數(shù)量級(jí))和高生產(chǎn)率的特點(diǎn)，而且其最顯著的優(yōu)勢(shì)在于大面積、復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)制造的能力以及非平整襯底的圖形化，尤其是軟紫外納米壓印工藝還具有在非平整(彎曲、翹曲或者臺(tái)階)、曲面、易碎襯底上底上實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)納米壓印的潛能，以及滾壓印工藝所特有的連續(xù)圖形化能力。整片晶圓納米壓印能夠?qū)崿F(xiàn)單步圖形化整片晶圓(即晶圓級(jí)圖形化)，并且具有壓印效率高、成本低、圖形無(wú)拼接突出優(yōu)勢(shì)，在LED圖形化、晶圓級(jí)微納光學(xué)器件、高清平板顯示等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景和巨大市場(chǎng)。
[0003]目前已經(jīng)公開(kāi)的整片晶圓納米壓印專(zhuān)利CN 102096315 B(整片晶圓納米壓印的裝置和方法)和SUSS公司的基底完整壓印光刻(SCIL)都是利用氣閥板并通過(guò)正壓和負(fù)壓的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)軟模具與晶圓的順序微接觸壓印和揭開(kāi)式脫模，完成整片晶圓納米壓印。但是該種方法工藝和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，氣閥板制造困難(高透明石英板的加工困難\成本高)，而且固有的不足就是壓印面積目前限定在較小尺寸晶圓，6英寸以上晶圓難以實(shí)現(xiàn)整片壓印?，F(xiàn)有的其它整片晶圓納米壓印只能實(shí)現(xiàn)壓印工步，無(wú)法完成自動(dòng)脫模，更難以實(shí)現(xiàn)大面積納米壓印所要求的揭開(kāi)式脫模。
[0004]為了滿(mǎn)足LED圖形化、晶圓級(jí)微納光學(xué)器件、高清平板顯示等領(lǐng)域?qū)τ诓粩嘣龃蟮拇蟪叽缇A微納圖形化的要求，迫切需要開(kāi)發(fā)大尺寸晶圓整片晶圓納米壓印新方法和新工藝，突破制約8英寸以上晶圓級(jí)納米壓印的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決大尺寸晶圓級(jí)微納米圖形化問(wèn)題，提供一種用于大尺寸晶圓整片納米壓印的裝置及其方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸襯底高效、低成本晶圓級(jí)圖形化。
[0006]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種大尺寸晶圓整片納米壓印的裝置，包括內(nèi)含有上腔室的上腔體和內(nèi)含有下腔室的下腔體，下腔體通過(guò)第一升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下腔體上下移動(dòng)與上腔體接觸或分離，在上腔體的底部設(shè)有用于壓印的彈性模具，在下腔室內(nèi)水平設(shè)有承片臺(tái)，承片臺(tái)底部設(shè)有第二升降機(jī)構(gòu)，上腔體的腔壁上開(kāi)有與壓力管路活動(dòng)連接的上腔體進(jìn)氣口，下腔體的腔壁上開(kāi)有與真空管路和壓力管路均活動(dòng)連接的下腔體進(jìn)氣口，承片臺(tái)上開(kāi)有與真空管路連通的承片臺(tái)進(jìn)氣口，該裝置還包括曝光光源，通過(guò)壓力管路和真空管路實(shí)現(xiàn)壓模，簡(jiǎn)單方便，成本低廉，通過(guò)壓力差實(shí)現(xiàn)模具從晶圓外側(cè)到中心連續(xù)“揭開(kāi)”式脫模，脫模簡(jiǎn)單，成本低，效率高；脫模力小，對(duì)于模具和壓印結(jié)構(gòu)損傷小，延長(zhǎng)模具壽命，承片臺(tái)進(jìn)氣口通過(guò)真空管路形成負(fù)壓環(huán)境便于吸附晶圓。
[0008]進(jìn)一步地，所述承片臺(tái)通過(guò)工作臺(tái)固定在所述的下腔室內(nèi)，所述工作臺(tái)豎直穿過(guò)所述下腔體的中心，所述第二升降機(jī)構(gòu)固定在工作臺(tái)的中心，由第二升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)承片臺(tái)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。
[0009]進(jìn)一步地，在所述承片臺(tái)上固定有晶圓，晶圓表面涂覆有壓印材料。
[0010]進(jìn)一步地，所述模具從上到下依次包括支撐層和圖形層，支撐層上表面的外側(cè)與所述上腔體的下表面連接，下表面通過(guò)偶聯(lián)劑材料與圖形層固定，模具是彈性的這樣施加的壓印力?。荒＞吲c晶圓獲得良好的共形接觸；大面積壓印過(guò)程中陷入的氣泡能夠及時(shí)排出。
[0011]進(jìn)一步地，所述上腔體的上表面固定有透明的玻璃。
[0012]進(jìn)一步地，所述曝光光源固定在所述上腔體上方，快速直接地固化壓印材料。
[0013]進(jìn)一步地，所述圖形層采用透明氟聚合物材料，厚度為10-50 μπι。
[0014]進(jìn)一步地，所述支撐層是的透明的、高柔性的，其厚度范圍為100-500 μπι。
[0015]—種大尺寸晶圓整片納米壓印的裝置的壓印方法，具體使用步驟如下:
[0016]I)預(yù)處理過(guò)程
[0017]將表面涂覆有壓印材料的晶圓通過(guò)真空吸附在承片臺(tái)上，將模具通過(guò)真空吸附在上腔體的底面；
[0018]第二升降機(jī)構(gòu)通過(guò)工作臺(tái)帶動(dòng)承片臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)至晶圓上表面與模具的間隙為l-2mm，第一升降機(jī)構(gòu)推動(dòng)下腔體向上位移保證上腔體與下腔體完全貼合；
[0019]2)壓印過(guò)程
[0020]從下腔體進(jìn)氣口通過(guò)真空管路抽真空，使得模具產(chǎn)生完全變形，模具彎曲變形后弧形最低點(diǎn)與晶圓接觸，停止抽真空；
[0021]第二升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)承片臺(tái)向上移動(dòng)至模具變成水平狀態(tài)；
[0022]從上腔體進(jìn)氣口通過(guò)壓力管路進(jìn)氣，實(shí)現(xiàn)模具對(duì)整片晶圓的均勻施壓，保持設(shè)定的時(shí)間；
[0023]斷開(kāi)壓力管路與上腔體進(jìn)氣口的連接，上腔體進(jìn)氣口與大氣相通，模具的變形逐漸釋放；
[0024]3)固化過(guò)程
[0025]開(kāi)啟曝光光源，光源透過(guò)透明玻璃和模具對(duì)壓印材料進(jìn)行曝光固化，曝光時(shí)間保持設(shè)定的時(shí)間后，關(guān)閉曝光光源；
[0026]4)脫模過(guò)程
[0027]下腔體進(jìn)氣口與大氣相通，釋放負(fù)壓；下腔體進(jìn)氣口與壓力管路連接進(jìn)氣，模具與晶圓表面的壓印材料逐漸分離，在向上力的作用下，模具繼續(xù)變形呈向上拱起弧形狀態(tài)，停止進(jìn)氣；
[0028]第二升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)承片臺(tái)向下移動(dòng)，返回至初始工位；
[0029]下腔體進(jìn)氣口與大氣相通；
[0030]第一升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下腔體向下移動(dòng)，帶動(dòng)下腔體返回至初始工位，從下腔體的上方取下壓印完成的晶圓，放置新的晶圓，開(kāi)始下一輪工作循環(huán)；
[0031]5)后處理過(guò)程
[0032]通過(guò)常規(guī)的各向異性刻蝕工藝等比例對(duì)壓印材料往下刻蝕，去除殘留層，在壓印材料上復(fù)制出模具的微納米特征結(jié)構(gòu)；
[0033]進(jìn)一步結(jié)合刻蝕工藝(濕法刻蝕或者干法刻蝕)，以壓印材料上的圖形為掩模，將圖形層轉(zhuǎn)移到晶圓上，實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)圖形化，或者結(jié)合Lift-off工藝，將圖形層轉(zhuǎn)移到其它功能材料上，實(shí)現(xiàn)功能材料圖形化。
[0034]進(jìn)一步地，步驟2)和步驟4)中，壓印過(guò)程和脫模過(guò)程均以模具的中心為對(duì)稱(chēng)軸，模具均勻、對(duì)稱(chēng)受力。
[0035]本發(fā)明的工作原理是:利用模具、兩個(gè)腔室正壓和負(fù)壓的轉(zhuǎn)換，并結(jié)合工作臺(tái)(承片臺(tái))上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軟模具與晶圓順序微接觸均勻施壓壓印，固化后揭開(kāi)式脫模，將模具上的特征圖形單步復(fù)制轉(zhuǎn)移到涂鋪在晶圓上的壓印材料上，實(shí)現(xiàn)大尺寸晶圓整片壓印。
[0036]本發(fā)明的有益效果是:
[0037](I)通過(guò)上腔室、軟模具、下腔室、工作臺(tái)和氣路系統(tǒng)(壓力和真空)的密切配合，協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)大尺寸晶圓整片納米壓印，克服了現(xiàn)有整片晶圓納米壓印方法存在的不足。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)和工藝簡(jiǎn)單、效率高、成本低、壓印圖形精度高和缺陷低的顯著優(yōu)點(diǎn)。
[0038](2)本發(fā)明壓印過(guò)程通過(guò)工作臺(tái)向上移動(dòng)，將產(chǎn)生彎曲變形的模具頂平，實(shí)現(xiàn)從模具中心位置向外側(cè)方向逐漸順序微接觸施壓壓印，其顯著的優(yōu)勢(shì):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，施加的壓印力??；模具與晶圓獲得良好的共形接觸；大面積壓印過(guò)程中陷入的氣泡能夠及時(shí)排出，解決大面積納米壓印氣泡消除的難題。
[0039](3)結(jié)合軟模具和氣體輔助均勻施壓方式，解決大尺寸、非平整晶圓壓印過(guò)程中模具與晶圓大面積完全共形接觸、均勻一致施壓的問(wèn)題。
[0040](4)壓印和