國(guó)立勤益科技大學(xué)機(jī)械工程系碩士 溫紹鈞

指導(dǎo)教授 林主恩（國(guó)立勤益科技大學(xué)機(jī)械工程系）、丁挺洲（明道大學(xué)）、顏孟華（國(guó)立勤益科技大學(xué)機(jī)械工程系）

在傳統(tǒng)的微奈米加工技術(shù)以黃光微影制程為主，此技術(shù)的原理然非常的簡(jiǎn)單，但制程卻是相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，先是將基板的表面上涂上一層感光材料，經(jīng)過(guò)光源投射出的平行光打到感光材料上，感光材料層與光源之前還有一層光罩，光罩上的圖案便會(huì)決定感光材料上的圖案此步驟微曝光，感光材料分為正光阻(Positive Photoresist)與負(fù)光阻(Negative Photoresist)，正光阻接收到光能后產(chǎn)生化學(xué)變化，經(jīng)由特殊的溶劑顯影(Develop)后受到光照的正光阻將會(huì)被去除；反之，負(fù)光阻經(jīng)過(guò)顯影后受到光到之負(fù)光阻則將會(huì)保留。微影制程的程序包括:表面清洗、涂底(priming)、上光阻劑(resit coating)、軟烤(soft bake)、曝光(exposure)、曝光后烘烤(post exposure bake)、顯影(development)、硬烤(hard bake)等八個(gè)細(xì)部的動(dòng)作[2-3]，也因?yàn)樵谥瞥躺系姆彪s、制程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)加上傳統(tǒng)的光學(xué)微影技術(shù)達(dá)到了光學(xué)繞射的極限。若繼續(xù)使用光學(xué)微影技術(shù)制作就必須要改良制程方法與設(shè)備。例如縮短光源的波長(zhǎng)或讓環(huán)境折射率大于空氣等方法。就制作的成本來(lái)看，這些方法會(huì)大量增加設(shè)備投資成本與制程復(fù)雜度。因此美國(guó)普林斯頓大學(xué)科學(xué)家Stephen Y. Chou[4]教授在1995年第一篇發(fā)表利用奈米壓印制作奈米結(jié)構(gòu)的技術(shù)，后續(xù)也被其他科學(xué)家改良各種不同的奈米壓印的方式。例如熱壓成型奈米壓印、紫外光硬化成型奈米壓印、滾筒式奈米壓印[5-7]，種類(lèi)看似多樣但都是以壓印的模具下去區(qū)分，大致上可以分類(lèi)為傳統(tǒng)的硬模具與軟模具的軟壓印兩種。采用硬模具缺點(diǎn)在于，在壓印較大面積時(shí)，轉(zhuǎn)印圖案中間的部分轉(zhuǎn)印的效率較差，以至于圖案無(wú)法被轉(zhuǎn)印成功。在使用軟模具的部分需考慮轉(zhuǎn)印圖案的深寬比結(jié)構(gòu)，較大的深寬比的圖案會(huì)因?yàn)檐浤＞卟馁|(zhì)的關(guān)系造成在壓印時(shí)結(jié)構(gòu)彎曲變形，這是在使用軟模具所要考慮的因素。

本研究主要目的是在于探討奈米壓印技術(shù)在壓印過(guò)程中的參數(shù)，最后以光學(xué)顯微鏡、非球面量測(cè)系統(tǒng)(Aspherics Measuring System)、原子力顯微鏡(Atomic Force Micriscopy，AFM)觀察的方式，研究壓印效果找到奈米壓印時(shí)所發(fā)生的問(wèn)題并加以改善。

奈米壓印原理 

1. 熱壓成型奈米壓印：

熱壓成型奈米壓印(Hot Embossing Nano-Imprint Lithography)的原理，分為兩個(gè)基本的步驟1.在基板上涂布上一層被壓印成型的熱塑性高分子，例如PMMA、PS，當(dāng)模具壓印在高分子層時(shí)開(kāi)始加熱，加熱至玻璃轉(zhuǎn)換溫度之上，此時(shí)在玻璃轉(zhuǎn)換溫度之上的高分子材料會(huì)變成有黏滯性的液體，利用此特性填充模穴后待溫度降至室溫，在進(jìn)行脫模的動(dòng)作2.在脫模后，將轉(zhuǎn)印在基板上的圖案使用反應(yīng)離子刻蝕(Reactive-Ion Etching，RIE)，以去除壓印時(shí)所壓縮后的部分，蝕刻至基板，再將多余的高分子去除后就完成奈米壓印[8]，壓印流程圖如圖1所示。 

圖1. 熱壓成型奈米壓印流程圖

壓印的過(guò)程中，高分子受到高溫的加熱，加熱到玻璃轉(zhuǎn)換溫度之上，此時(shí)熱塑性高分子會(huì)變成黏稠狀可流動(dòng)性的液體，利用此特性在模具與高分子層接觸時(shí)加壓，熱塑性高分子填充模具，使熱塑性高分子在冷卻時(shí)脫模能夠形成與模具相同的圖案。

2.       滾輪式奈米壓印

滾輪式奈米壓印(Roller nanoimprint lithography)[9]的原理與熱壓成型奈米壓印機(jī)相差在模具的樣式與壓印的方式不同，滾輪式奈米壓印分為兩種壓印方式如圖2所示，第一種方式是在滾筒的光滑表面上纏繞著奈米結(jié)構(gòu)的金屬薄膜，滾子壓印在熱塑性高分子薄膜上轉(zhuǎn)動(dòng)，形成與滾子上的金屬結(jié)構(gòu)相同的圖案，第二種方法與熱壓成型奈米壓印相差給予壓力的方式，熱壓成型奈米壓印以大面積接觸的方式下壓，滾輪式奈米壓印利用滾輪的幾何形狀與模具線接觸的方式給予壓力。壓印結(jié)束后同樣以RIE的方式，去除被壓縮的部分蝕刻至基板，得到再基板所要的結(jié)構(gòu)。

圖2. 滾輪式奈米壓印兩種方式(a)滾子上的金屬薄膜結(jié)構(gòu)壓印高分子(b)模具放置高分子材料之上，以滾子加壓

3.      外光硬化成型奈米壓印

紫外光硬化成型奈米壓印(UV-CuredNanoimprint Lithography)[10]原理以圖3流程圖所示，以一個(gè)透明模具作為模仁，例如石英玻璃、PDMS，在基板上涂布光敏性高分子，例如SU-8，以此為蝕刻時(shí)的阻擋層，光阻一般為為液態(tài)所以不需加熱就可以做壓印，但加熱能夠增加光阻的流動(dòng)性，使壓印效果更佳，模具壓印至光阻層后進(jìn)行曝光固化，曝光約90秒后脫模，最后進(jìn)進(jìn)行RIE得到所要的圖案。

圖3. 紫外光硬化成型奈米壓印流程圖

實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)以熱壓成型奈米壓印的方法壓印鋸齒狀光柵（如圖1），模具使用的是由Edmund Optics公司所購(gòu)買(mǎi)的鋁薄膜直紋繞射光柵，以150、600line/mm的周期做壓印參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，以PDMS做為150、600line/mm的軟模，轉(zhuǎn)印后將PDMS模具于自制奈米壓印機(jī)做壓印流程，以不同壓力相同的溫度探討壓印時(shí)與壓力的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)所采用的基板為一般玻璃，在玻璃上浸鍍高分子為被轉(zhuǎn)印的材料，再以自制的奈米壓印機(jī)壓印，所被轉(zhuǎn)印的材料為: 聚苯乙烯(Polystyrene, PS)材質(zhì)，線膨脹系數(shù)為：7*10-5cm/cm*℃，是指固態(tài)物質(zhì)當(dāng)溫度改變攝氏度1度時(shí)，其長(zhǎng)度的變化和它在0℃時(shí)的長(zhǎng)度的比值，成形收縮率：0.1%~0.6%，是指塑料材質(zhì)自模具中取出冷卻到室溫后，室溫尺寸的縮小值對(duì)其原未冷卻尺寸的百分率，玻璃轉(zhuǎn)換溫度（Glass Transition Temperature，Tg）為:105°C，是指高分子材料在常溫下為固態(tài)，則高分子材料溫度到達(dá)玻璃轉(zhuǎn)換溫度時(shí)，熱塑性高分子會(huì)變成可流動(dòng)性的液體。

本實(shí)驗(yàn)以浸鍍機(jī)浸鍍的方式在玻璃基板上涂布PS薄膜，將PS高分子以溶劑溶解成溶液，以載具夾持玻璃基板，浸入PS溶液燒杯中靜置5秒后，以15mm/min的速率浸鍍。

本實(shí)驗(yàn)所用的輸出壓力之氣壓缸為金器工業(yè)公司所制造的MCDA-23-32-100雙軸倍力缸，壓力缸最小的輸出為0.05Mpa，所以本實(shí)驗(yàn)以固定150°C的溫度，分別對(duì)于0.05~0.15Mpa每組間隔為0.01，以不同的壓力壓印150、600line/mm的周期做為壓力的討論。

在實(shí)驗(yàn)量測(cè)上我們使用Taylor Hobson公司所制造的PGI 840 (Aspherics Measuring System)與Veeco公司所制造的diDimension 3100 (Scanning Probe Microscope SPM system)，量測(cè)模具尺寸與壓印之后的結(jié)構(gòu)狀況與尺寸，我們以?xún)x器軟件經(jīng)過(guò)分析后量測(cè)結(jié)構(gòu)尺寸，每一組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是量測(cè)五次取平均值，最后在對(duì)這五筆的數(shù)據(jù)做誤差線，可以更清楚的知道所壓印的質(zhì)量穩(wěn)定性。

結(jié)果與討論

1.      壓印150line/mm結(jié)果

圖4所示為150line/mm模具使用非球面量測(cè)系統(tǒng)量測(cè)的輪廓圖。

圖4. 為150 line/mm之模具輪廓，周期約為6.6um深度約為0.22um 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5所示。圖5(a)~(b)分別為150line/mm，以0.05~0.15Mpa的壓力所呈現(xiàn)周期與深度關(guān)系的趨勢(shì)圖與標(biāo)準(zhǔn)誤差，從圖5(a)壓力在0.15Mpa時(shí)結(jié)構(gòu)的寬度明顯的發(fā)現(xiàn)寬度變寬，我們?cè)陲@微鏡底下發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變形扭曲的狀況，如圖5(c)所示，因此判斷可能是在0.15Mpa在150line/mm的結(jié)構(gòu)已達(dá)到目前結(jié)構(gòu)在制程上最大壓力范圍。

圖5(a). 為150line/mm壓力與周期的關(guān)系圖

圖5(b). 為150line/mm壓力與深度的關(guān)系圖

圖5(c). 使用光學(xué)顯微鏡在1000倍下量測(cè)，發(fā)現(xiàn)使用0.15Mpa壓印結(jié)構(gòu)有扭曲變形的現(xiàn)象

2.      壓印600line/mm結(jié)果

圖6所示為600line/mm模具使用原子力顯微鏡量測(cè)實(shí)際尺寸。圖7(a)~(b)分別為600line/mm，以0.05~0.15Mpa的壓力所呈現(xiàn)周期與深度關(guān)系的趨勢(shì)圖與標(biāo)準(zhǔn)誤差，圖7(a)~6(b)所示在0.07與0.09Mpa在寬度的部分比其他的參數(shù)寬約100nm與0.09與0.15Mpa的深度明顯的比其他壓力來(lái)的淺，這是目前使用模具本身的誤差或是在制程上所會(huì)造成的誤差范圍。

圖6. 為600 line/mm之模具輪廓，周期約為1.8um深度約為131.47nm 

圖7(a). 為600line/mm壓力與周期的關(guān)系圖 

圖7(b). 為600line/mm壓力與深度的關(guān)系圖 

結(jié)論

就目前壓印150line/mm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不同的壓力對(duì)于周期與深度并沒(méi)有很敏顯的落差，但在0.15Mpa時(shí)周期突然擴(kuò)大，深度卻沒(méi)有發(fā)生太大的變化，對(duì)于這部分我們做了三次同樣的實(shí)驗(yàn)的壓印都是得到相同的結(jié)果，因此我們認(rèn)為在這部分可能是到達(dá)150line/mm的最大壓印力的范圍。

以600line/mm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，以0.05~0.15Mpa的壓力都是在壓印的容許范圍，同樣在0.15Mpa的壓力下壓印600line/mm，600line/mm的壓印結(jié)構(gòu)并沒(méi)有產(chǎn)生扭曲變形的問(wèn)題，如圖8所示。

未來(lái)若要往奈米結(jié)構(gòu)下壓印和溫度的探討或是要更進(jìn)一步優(yōu)化奈米壓印機(jī)，應(yīng)已實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)搭配田口法的方式做優(yōu)化的分析。

圖8. 600line/mm在0.15Mpa的壓力下與圖3(c) 在1000倍下量測(cè)相比，600line/mm并沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)扭曲過(guò)變形的狀況

參考文獻(xiàn)

1.G. E. Moore, “Cramming more components onto integrated circuits”, Proceedings of the IEEE Vol. 86, pp. 82-85, 1998.

2.吳昌侖、張景學(xué)，半導(dǎo)體制造技術(shù)(第二版)，新北市：新文京開(kāi)發(fā)出版，2006。

3.莊達(dá)人，VLSI制造技術(shù)，新北市：高立圖書(shū)有限公司，2007。

4.S. Y. Chou,P. R. Krauss, P. J. Renstrom, “Imprint of sub‐25 nm vias and trenches in polymers”, Appl. Phys. Lett.vol. 67,pp. 3114-3116,1995.

5.S. Y. Chou,P. R. Krauss, P. J. Renstrom, “Nanoimprint lithography”, Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena.Vol. 14,pp. 4129-4133,1996.

6.Bender, M. Otto, B. Hadam, B. Vratzov, B. Spangenberg, and H. Kurz, “Fabrication of nanostructures using a UV-based imprint technique” Microelectron. Eng.Vol. 53, pp. 233-236,2000.

7.Tan, Hua, Andrew Gilbertson, and S. Y. Chou. "Roller nanoimprint lithography." Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena Vol. 16, pp. 3926-3928,1998.

8.Chou, S. Y., Krauss, P. R. and Renstrom, P. J., “ Nanoimprint lithography ,” J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 14, No. 6, pp. 4129-4133, 1996

9.Hua Tan, Andrew Gilbertson, Stephen Y. Chou, Roller nanoimprint lithography, Journal of Vacuum Science & Technology B, 16(6), pp.3926-3928, 1998.

10.    Bender, M. Otto, B. Hadam, B. Vratzov, B. Spangenberg, and H. Kurz, “Fabrication of nanostructures using a UV-based imprint technique” Microelectron. Eng.Vol. 53, pp. 233-236,2000.