专利名称：整片晶圆纳米压印的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种整片晶圆纳米压印的装置，以实现光子晶体LED整片晶圆的 图形化，属微纳制造和光电子器件制造技术领域。
背景技术：
纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography, NIL)是一种全新微纳米图形化的方 法，它是一种使用模具通过抗蚀剂的受力变形实现其图形化的技术。与其它微纳米制造方 法相比，NIL具有高分辩率、超低成本(国际权威机构评估同等制作水平的OTL比传统光学 投影光刻至少低一个数量级)和高生产率的特点，尤其在大面积微纳米结构和复杂三维微 纳米结构制造方面具有突出的优势。随着纳米压印光刻在高亮度光子晶体LED、高密度磁盘 介质(HDD)、光学元器件(光波导、微光学透镜、光栅)、微流控器件等领域的广泛应用，对于 大面积、全场、整片晶圆压印工艺的需求越来越迫切，同时对于压印面积、复型精度的要求 也愈来愈高。目前实现大面积或者整片晶圆纳米压印的方法主要有两种第一种是采用步 进重复纳米压印工艺(St印-and-r印eat NIL)；第二种是采用单步整片晶圆纳米压印。与采 用步进重复纳米压印工艺实现大面积图形化方法相比，采用整片晶圆(晶圆级)纳米压印 (Full wafer NIL,Wafer-level NIL,Wafer scale NIL)具有生产率高、图形均勻和一致性 好等显著的优点。但是整片晶圆纳米压印工艺也面临着许多新的挑战性问题(1)如何在 大面积施加均勻一致的压印力。压印力分布不均勻，一方面导致复型精度的降低，另一方面 对于脆性材料的模板或者衬底，压印力的不均勻极易导致其破裂。晶圆尺寸已经从早期的 4inch和6inch，发展到8inch，直至当前的和12inch(300毫米)，以及未来的18inch (450 毫米)，随着晶圆面积的增加，意味着每单位面积的制作成本降低、总体产能的提升。但是随 着晶圆尺寸的不断增大，对于纳米压印工艺，如何在大面积的晶圆上获得均勻一致的压印 力变的愈发困难。对于压印工作台和压印机构性能的要求越来越高；(2)如何减小压印力。 为了实现模具与整片晶圆完全、均勻性的接触，液态抗蚀剂快速、完全充填模具微纳米腔体 结构，与步进重复纳米压印工艺和小面积压印工艺相比，整片晶圆压印需要更到的压印力， 大的压印力将导致模具产生变形，对于软模具其变形尤为严重，这将导致复型精度的降低、 存在缺陷，甚至图形复制失败；C3)如何消除气泡。如何消除气泡一直是纳米压印工艺所面 临的极为棘手的问题，气泡的存在将导致复制的图形存在缺陷，大面积压印极易产生气泡， 在大面积压印过程中消除气泡是非常难以解决的问题；(4)脱模困难。大面积需要更到的 脱模力，容易损坏模具和复制的图形；( 整个压印区域获得均勻一致和薄的残留层。在整 片晶圆的压印区域获得均勻一致和薄的残留层，对于实现高质量的图形转移起到决定性的 作用。此外，不同与传统的硅基纳米压印工艺，采用NIL加工光子晶体LED芯片还面临以下 的难题(1)晶圆不平整，会有数微米尺寸的表面突起。几十微米的翘曲是衬底材料膨胀系 数不一致的结果，比如碳化硅或蓝宝石与外延生长的半导体材料，如氮化镓，其生长温度高 于900°C。这两层材料实际上像双层金属片一样，会形成类似薯片的翘曲结构。热应力也阻 碍了使用更大尺寸的晶圆。表突起是外延生长的副产品，如果衬底和半导体材料的晶格不能完全匹配，就会产生突起O)晶圆面不是非常清洁，可能有污物；C3)在高亮LED生产中， 为了节省MOCVD外延生长的成本，未来的发展趋势是使用大尺寸衬底，例如4寸或者6寸晶 圆。然而外延生长会导致大尺寸基底的弯曲则越发的明显，在后续的光刻过程中强行利用 真空吸附等方式补偿这种弯曲以换取光刻中的高分辨率有可能会造成衬底断裂；(4)目前 大部分LED生产厂家的超净室都设计在1000级以上，如果使用普通纳米压印光刻技术，空 气中的颗粒状污染物将大大降低压印结构的成品率并损坏模板，制造商将不得不为生产环 境改造付出高额代价。对于光子晶体LED的图形化，因此，迫切需要开发一种新的整片晶圆 纳米压印工艺，以实现8inch、12inch整片晶圆图形的复制，尤其是实现面向光子晶体LED 大面积整片晶圆图形化。
实用新型内容本实用新型针对整片晶圆纳米压印面临大面积均勻一致的压印力、需要尽可能 小的压印力和脱模过力、气泡消除、均勻一致和薄残留层厚度、有效的大面积脱模方法等挑 战性的问题，对于LED外延片的压印还面临晶圆不平整、晶圆有污物，为脆性易碎的衬底材 料。现有的纳米压印工艺难以满足光子晶体LED整片图形化低成本、规模化制造的要求。为 此本实用新型提供了一种整片晶圆纳米压印的装置，它为光子晶体LED整片晶圆的图形化 提供了一种低成本、工艺简单、适合规模化制造的方法。本实用新型提出大面积整片晶圆纳米压印工艺的基本原理是引入一种三层复 合结构透明的软模板，压印过程采用从模板中心位置向两侧方向逐渐均勻性接触压印的方 法，基于新的模板结构并采用气体辅助压印力和毛细力共同作用下，实现压印力均勻分布、 消除气泡，并在小的压印力下实现图形的复制，保证复形的精度和质量。脱模过程采用模具 从晶圆两侧向中心连续“揭开”式脱模工艺，在真空吸力和水平力的共同作用下，采用微小 的脱模力即可实现大面积脱模，避免大面积脱模需要大的脱模力导致对模具和复制图形损 伤。压印过程和脱模过程均以模板中心为对称轴，模板均勻、对称受力，压印和脱模过程两 侧同时进行，极大提高生产率和复形的质量。为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案一种整片晶圆纳米压印的装置，它包括工作台、涂铺有抗蚀剂的整片晶圆、脱模 用的喷嘴、模板、压印头、压力管路、真空管路和紫外光光源；其中，模板固定于压印头的底 面，模板下部侧面设有脱模用的喷嘴；压力管路和真空管路与压印头工作台面两侧面的进 气孔相连；涂铺有抗蚀剂的整片晶圆固定于晶圆工作台之上；紫外光光源置于压印头之 上。所述模板为三层复合结构透明的软模具，包括结构层、弹性层和支撑层，其中结构 层包含所要复制的微纳米结构图形，弹性层位于结构层之上，支撑层位于弹性层之上；结构 层和支撑层尺寸大小一致，弹性层尺寸大于结构层和支撑层尺寸；弹性层固定于压印头的 下部。所述结构层的厚度是100-200微米；弹性层的厚度是400-700微米；支撑层的厚 度是100-200微米；结构层和支撑层的材料是硬的PDMS，其硬度为弹性层使用PDMS硬度的 3-5倍；弹性层为具有良好纵向弯曲变形性能软的PDMS材料，其杨氏模量范围在1 ION/ mmD[0009]所述压印头由工作台面和支撑调节块组成，工作台面的底部设有与模板相配合的 凹槽，位于工作台面两侧面的压力通路圆孔阵列和真空通路圆孔阵列分别与工作台面内部 的压力通路和真空通路相连接。一种采用整片晶圆纳米压印的装置的压印方法，它包括如下步骤1)预处理过程将模板通过真空方式吸附在压印头；2)压印过程首先，从模板中心位置开始，将初始的真空状态转换至压力状态，在气体辅助压印 力和毛细力共同作用下，模板的弹性层在中心位置纵向产生弯曲变形，局部开始接触涂铺 有抗蚀剂的整片晶圆上的抗蚀剂，模板中心位置的微纳米结构腔体开始被抗蚀剂所充填; 随后，从模板中心位置向两侧方向逐一将真空状态转换至压力状态，模板的结构层与抗蚀 剂的接触面积不断扩大，直至整个模板结构层与涂铺有抗蚀剂的整片晶圆上的抗蚀剂完全 接触，模板中的所有微纳米结构腔体被抗蚀剂所充填；最后，所有压力通路的压力保持均勻 一致性增大，实现液态抗蚀剂材料在模板微纳米结构腔体内的完全充填，并且减薄至预定 的残留层厚度；3)固化过程开启紫外光光源，紫外光透过模板对抗蚀剂曝光，充分固化液态抗蚀剂；4)脱模过程首先，从晶圆最外两侧开始，关闭压力通路，打开真空通路，同时开启脱模用的喷 嘴，在真空管路真空吸力和喷嘴压缩空气产生的水平力的共同作用下，从模板最外侧开始 与晶圆相互分离；随后，从晶圆两侧向模板中心逐一将压力转换回真空状态，实现模板从晶 圆外侧向中心连续“揭开”式的脱模，脱模力为真空管路真空吸力和喷嘴压缩空气产生的水 平力的合力；最后，模板中心位置与晶圆相分离，实现模板与晶圆的完全分离，完成脱模。所述步骤2~)和步骤4)中，压印过程和脱模过程以模板中心为对称轴，模板均勻、 对称受力，压印和脱模过程两侧同时进行。所述步骤中固化时间20-50s。所述紫外光光源为大功率紫外贡灯，功率100-1000W。本实用新型的显著特征是1)本实用新型使用的模板为三层复合结构透明的软模板，包括由结构层、弹性层 和支撑层组。其中所要复制的图形在结构层上；结构层采用硬PDMS，减小由于大的压印力、 压印力分布不均勻和衬底不平整导致模具微纳结构的局部变形，确保复形精度。中间弹性 层采用软PDMS弹性材料(易于产生较大的纵向弯曲变形)，模板所具有的纵向弯曲性能， 一方面在压印过程中保证模板结构层与晶圆是逐渐和均勻的接触，适应大面积衬底的表面 不平整度，另一方面限制由于颗粒状污染物所造成的缺陷面积。硬的支撑层，一方面保证了 在压印过程中模具在压力下不产生横向的拉伸形变，另一方面保证当模板和晶圆完全接触 后，在气体辅助压印力的作用下模板能够获得均勻一致的压印力，从而在大面积整片晶圆 上确保施加均勻一致的压印力。2)本实用新型压印过程采用从模板中心位置向两侧方向逐渐均勻性接触的策略， 其突出的特点和显著优势(1)通过模板与衬底的逐渐、均勻性微接触，一方面减小压印导致软模板产生较大的变形，影响复型的精度 和质量；另一方面可以适应大面积衬底具有表面不平整度的压印工艺要求。( 消除了整 片晶圆压印“气泡”缺陷。压印过程所产生的“气泡”可以及时排除。3)本实用新型通过气体辅助压印力和毛细力共同作用下，实现图形的复制，其压 印力为气体辅助压印力和毛细力的合力，突出的特点和显著优势(1)易于实现模板与晶 圆的完全性接触；(2)可以在大面积整片晶圆上确保压力均勻；(3)可以采用较小的压印 力，避免软模板的变形，提高复形的质量和精度。4)本实用新型脱模过程采用模板从晶圆两侧向中心连续“揭开”式脱模工艺。突 出的特点和显著优势(1)传统脱模方法，直接将大面积模板与整片晶圆相互分离，一方面 需要很大的脱模力，另一方面极易造成模板和所复制的图形的损伤破坏。本实用新型使用 的脱模工艺脱模力小，对于模具的损伤小，可以提高模具的使用寿命，同时对于所复制的图 形的破坏也可以降低到最小；( 脱模过程中脱模力对称分布，整个脱模过程脱模力保持 均勻。相对与其它脱模工艺(模具从晶圆一侧向另外一侧，或者整片晶圆同时脱模)，本实 用新型从晶圆两侧向中心连续“揭开”式脱模工艺可以确保模板中心(面积最大的位置)最 后脱模，虽然模板与衬底此时的接触面积最大，但两侧均已经完成脱模，在两侧(真空吸力 和水平力)的共同作用下，易于脱模。5)本实用新型通过在真空吸力和水平力(喷嘴)共同作用下，实现模板从晶圆外 侧向中心连续“揭开”式的脱模，其脱模力为真空吸力和水平力的合力。连续“揭开”式的 脱模一方面避免了大的脱模力，另一方面避免脱模过程对模板和复制图形的损伤。6)本实用新型压印过程和脱模过程以模板中心为对称轴，模板均勻、对称受力，压 印和脱模过程两侧同时进行，生产效率高。7)本实用新型不依赖精密机械施加的平衡、均勻，与表面垂直的压印力，简化了设 备结构。本实用新型的显著优势还在于(1)具有在Sinch和12inch甚至更大晶圆上实现 整片晶圆压印的工艺能力；(2)在大面积整片晶圆压印和晶圆不平整的条件下，可以实现 模板与整片晶圆完全、均勻性接触；C3)压印过程和脱模过程模板对称均勻受力，需要的压 印力和脱模力小，模板变形小，复形精度高；(4)压印过程和脱模过程以模板中心为对称， 压印和脱模两侧同时进行，生产率高；( 压印力为气体辅助压印力和毛细力的合力，压印 力均勻；(6)在真空吸力和水平力(喷嘴)共同作用下，模板从晶圆外侧向中心连续“揭开” 式的脱模，脱模力小，对于模板和复制的图形损伤小，易于脱模，图形复制质量高。本实用新型的实现了整片晶圆压印低成本、高生产率、高精度和规模化的制造，本 实用新型适合于高密度磁盘(HDD)、微光学器件、微流体器件等的制造，尤其适合光子晶体 LED的整片晶圆压印(包括出光面表图形化和衬底图形化)
图1是本实用新型制作装置结构示意图。图2是本实用新型模板结构示意图。图3a是本实用新型压印头的结构示意图。图北是图3a的俯视图。[0036]图如是本实用新型整片晶圆纳米压印工艺步骤示意图。图4b是本实用新型整片晶圆纳米压印工艺步骤示意图。图如是本实用新型整片晶圆纳米压印工艺步骤示意图。图4d是本实用新型整片晶圆纳米压印工艺步骤示意图。图如是本实用新型整片晶圆纳米压印工艺步骤示意图。图4f是本实用新型整片晶圆纳米压印工艺步骤示意图。图4g是本实用新型整片晶圆纳米压印工艺步骤示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述。图1中，它包括工作台1、涂铺有抗蚀剂的整片晶圆2、脱模用的喷嘴3、模板4、压 印头5，压力管路6、真空管路7和紫外光光源8 ；其中，模板4固定于压印头5的底面，模板 4下部侧面设有脱模用的喷嘴3 ；压力管路6和真空管路7与压印头工作台面两侧面的进气 孔相连；涂铺有抗蚀剂的整片晶圆2固定于晶圆工作台1之上；紫外光光源8置于压印头5 之上。图2中，所述模板4为三层复合结构透明的软模具，其中第一层(最下层)是结构 层401，第二层(中间层)是弹性层402，第三层(最上层)是支撑层403。所述结构层401 包含要制造的微纳米结构图形40101，弹性层402位于结构层401之上，支撑层403位于弹 性层402之上。结构层401的厚度范围是100-200微米；弹性层402的厚度范围是400-700 微米；支撑层403的厚度范围是100-200微米。结构层401、弹性层402和支撑层403材料均 为PDMS，但其硬度不同。结构层401和支撑层403的材料是硬的PDMS (聚二甲基硅氧烷)， 其硬度为弹性层402使用PDMS硬度的3-5倍；弹性层402选用具有良好纵向弯曲变形性能 软的PDMS材料，其杨氏模量为5N/mm。结构层401和支撑层403尺寸大小一致，弹性层402 比结构层401和支撑层403尺寸大60-150毫米(具体数值根据晶圆尺寸的大小确定，晶圆 尺寸越大，该数值愈大)，即弹性层402的尺寸是30-75毫米。弹性层402固定于压印头5 的工作台面501上，初始状态下，支撑层403吸附于压印头工作台面501中的凹槽50101。本实用新型压印头的结构示意图参见图3a、图北。压印头5具有以下三个方面的 功能，(1)固定模板4 ； (2)实现压力通路和真空通路中的压力和真空均勻分布；(3)调节模 板4与涂铺有抗蚀剂的整片晶圆2间的压印距离(一般在30-150微米)。压印头5包括工 作台面501，支撑调节块502。其中作台面501实现前两个功能，支撑调节块502实现第三 个功能。工作台面501中的凹槽50101其直径比模板4的支撑层403大10毫米，深度尺寸 与模板4的支撑层403尺寸相一致，弹性层402固定于工作台面501的底面。当弹性层402 固定在工作台面501的底面时，在初始状态下，模板4的支撑层403被吸附在工作台面501 的凹槽50101中，确保模板4与工作台面501的紧密接触。位于工作台面501两侧面的压 力通路圆孔阵列50102和真空通路圆孔阵列50103内侧分别与工作台面501内部的压力通 路50104和真空通路50105相连接，实现压力通路和真空通路的压力和真空均勻分布。工 作台面501中的压力通路圆孔阵列50102和真空通路圆孔阵列50103外侧分别与压力管路 6和为真空管道路7相连。以4英时(约100毫米)GaN基光子晶体LED的整片晶圆压印为实施例，结合本实用新型整片晶圆纳米压印工艺步骤示意图4，详细说明整片晶圆纳米压印工艺的原理和具 体工艺步骤。实施例中晶圆、模板和一些工艺参数设置如下晶圆为4英时GaN基外延片，需 要在P型半导体层压印出光子晶体结构，其中光子晶体的几何参数是晶格常数600nm， 圆孔的直径200nm，孔的深度是80nm。抗蚀剂使用Micro resist technology公司的 mr-UVCur06，在GaN基外延片旋涂的厚度是300nm。模板4的结构层401和支撑层403的尺 寸与晶圆的尺寸相同(直径为100毫米)，结构层401和支撑层403的厚度相同均为100微 米，均使用硬度是弹性层材料3倍的硬的PDMS材料。弹性层402的直径为180毫米，弹性 层的厚度为400微米，其材料为普通软的PDMS材料，其杨氏模量为5N/mm。模板的制造采用 传统的纳米压印软模具PDMS制造工艺，采用三次浇注工艺分别制作结构层401、弹性层402 和支撑层403，即首先使用液态硬的PDMS材料浇注母模制作结构层401，然后采用软的液态 PDMS材料继续浇注制造弹性层402，最后浇注液态硬的PDMS材料制造支撑层403。制造结 构层的母模为硅模具，采用干涉光刻在4英时整个硅片上制造出纳米柱阵列结构，纳米柱 的几何参数周期600nm，圆柱的直径200nm，高度是lOOnm。压力通路的压力是80mBar。紫外光光源8采用大功率紫外贡灯，功率为200W。1)预处理过程在4英时GaN外延片均勻旋涂铺300nm厚的抗蚀剂，随后将该涂铺有抗蚀剂的整 片晶圆2固定在工作台1上。压印头5与涂铺有抗蚀剂的整片晶圆2对正后，压印机构下 降，直至压印头5中的支撑调节块502(其高度为80微米)与工作台1相接触。关闭压力 通路6，打开真空通路7，模板4的支撑层403吸附于压印头工作台面501中的凹槽50101。2)压印过程首先，从模板中心位置开始，将初始的真空状态转换至压力状态，在气体辅助压印 力作用下(空气压缩机产生的压缩空气作为压印驱动力)，弹性层402在中心位置纵向产生 弯曲变形，局部开始接触衬底上的抗蚀剂，在气体辅助压印力和毛细力共同作用下，模具中 心位置的微纳米结构腔体开始被抗蚀剂所充填；如图如所示；随后，从模具中心位置向两 侧方向逐一将真空状态转换至压力状态，模具结构层401与抗蚀剂的接触面积不断扩大， 直至整个模具结构层401与整片晶圆上的抗蚀剂完全接触，模具结构层401中的所有微纳 米结构腔体被抗蚀剂所充填；如图4b和如所示；最后，所有压力通路的压力保持均勻一致 增大，实现液态抗蚀剂材料在模具微纳米结构腔体内的完全充填，并且减薄残留层至预定 的厚度。如图4c所示。3)固化过程开启紫外光光源8，紫外光透过模具4对抗蚀剂曝光，充分固化液态抗蚀剂。固化 时间40s，如图4d所示。4)脱模过程首先，从晶圆最外两侧开始，关闭压力通路，打开真空通路，同时开启脱模用的喷 嘴3，在真空吸力和水平力共同作用下，从模具最外侧开始与晶圆相互分离，如图如所示； 随后，从晶圆两侧向模具中心逐一将压力转换回真空状态，实现模具从晶圆外侧向中心连 续“揭开”式的脱模，脱模力为真空吸力和水平力的合力，如图4f所示；最后，模具中心位置 与晶圆相分离，实现模具与晶圆的完全分离，完成脱模，如图4g所示。[0058] 另外，本领域技术人员还可在本实用新型精神内做其它变化。当然，这些依据本实 用新型精神所作的变化，都应包含在本实用新型所要求保护的范围内。
权利要求1.一种整片晶圆纳米压印的装置，其特征是，它包括工作台(1)、涂铺有抗蚀剂的整 片晶圆⑵、脱模用的喷嘴(3)、模板(4)、压印头(5)，压力管路(6)、真空管路(7)和紫外光 光源(8)；其中，模板固定于压印头(5)的底面，模板(4)下部侧面设有脱模用的喷嘴 (3)；压力管路(6)和真空管路(7)与压印头工作台面两侧面的进气孔相连；涂铺有抗蚀剂 的整片晶圆(2)固定于晶圆工作台(1)之上；紫外光光源(8)置于压印头(5)之上。
2.如权利要求1所述的整片晶圆纳米压印的装置，其特征是，所述模板(4)为三层复 合结构透明的软模具，包括结构层G01)、弹性层(402)和支撑层003)，其中结构层(401) 包含所要复制的微纳米结构图形G0101)，弹性层(402)位于结构层G01)之上，支撑层 (403)位于弹性层(402)之上；结构层(401)和支撑层(403)尺寸大小一致，弹性层(402) 尺寸大于结构层G01)和支撑层(403)尺寸；弹性层002)固定于压印头(5)的下部。
3.如权利要求2所述的整片晶圆纳米压印的装置，其特征是，所述结构层001)的厚 度是100-200微米；弹性层(40 的厚度是400-700微米；支撑层(40 的厚度是100-200 微米；结构层(401)和支撑层003)的材料是硬的PDMS，其硬度为弹性层(402)使用PDMS 硬度的3-5倍；弹性层(402)为具有良好纵向弯曲变形性能软的PDMS材料，其杨氏模量范 围在1 10N/mm。
4.如权利要求1或2所述的整片晶圆纳米压印的装置，其特征是，所述压印头(5)由工 作台面(501)和支撑调节块(502)组成，工作台面(501)的底部设有与模板(4)相配合的 凹槽(50101)，位于工作台面(501)两侧面的压力通路圆孔阵列(50102)和真空通路圆孔阵 列(50103)分别与工作台面(501)内部的压力通路(50104)和真空通路(50105)相连接。
5.如权利要求1所述的整片晶圆纳米压印的装置，其特征是，所述紫外光光源为大功 率紫外贡灯，功率100-1000W。
专利摘要本实用新型涉及一种整片晶圆纳米压印的装置。它包括工作台、涂铺有抗蚀剂的整片晶圆、脱模用的喷嘴、模板、压印头、压力管路、真空管路和紫外光光源；其中，模板固定于压印头的底面，模板下部侧面设有脱模用的喷嘴；压力管路和真空管路与压印头工作台面两侧面的进气孔相连；涂铺有抗蚀剂的整片晶圆固定于晶圆工作台之上；紫外光光源置于压印头之上。其方法为1)预处理过程；2)压印过程；3)固化过程；4)脱模过程。本实用新型具有结构简单、成本低、生产率高、精度高、压印面积大、适合规模化制造以及不平整晶圆的整片压印的特点。可用于高密度磁盘、微光学器件、微流体器件等的规模化制造，尤其适合光子晶体LED的整片晶圆的图形化。
文档编号G03F7/00GK201926865SQ20102067370
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者丁玉成, 兰红波 申请人:青岛理工大学