专利名称：一种负型纳米压印方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米压印技术，特别是一种应用在金属纳米结构制备方面的负型纳米压印方法。
背景技术：
根据2003年版的国际半导体技术路线图预测，器件特征尺寸将在2008年前后达到70纳米以下。届时现行的光学光刻技术将因光刻胶和掩模板材料以及光源的限制而接近其技术极限，如果不能克服这一技术屏障，集成电路将无法继续缩小下去，因此新一代的纳米结构加工技术成为研究热点。从基本的发展原则出发，新的技术途径必须在尺寸、速度、功能和成本上获得平衡。半导体行业的技术研究人员对传统的光学光刻工艺作了一系列艰难的改进，目前可以制造出线宽仅为70纳米的复杂纳电子结构，但是这种制造方法的费用非常昂贵，用来制造线宽小于100纳米的光学光刻工具，每台造价高达数千万至数亿美元。突破70nm技术极限的光刻技术，单靠对现行光学光刻技术的改良和革新是远远不够的，会遇到越来越大的阻力，必须寻求革命性的和概念上的突破。人们看好的一种可能的替代方法是电子束刻印术。利用聚焦电子束把电路图案绘制在一层聚合物薄膜上，是目前分辨率最高的曝光方法，可以在硅基表面上作出只有几个纳米的线条，但由于是逐行扫描，其加工效率极低，难以在大批量生产领域中得到实用。基于投影式曝光的电子束光刻系统，尽管在加工效率方面有极大的提高，但仍不能满足大规模生产的需要。另外，电子束加工仪器本身的造价也比较高。另一种参与竞争的技术是极深紫外(EUV)光刻技术(使用波长10～70nm的紫外光)和X-射线光刻技术(使用波长0.1～10nm的X光)。目前这两种技术都有一定突破，有可能发展成为30nm技术时代的支撑技术。由于常规的光学透镜不能透过紫外光，也不能使X光聚焦，高能辐射也会迅速破坏掩模和透镜中的许多材料，因此需要特殊的光学系统和掩膜材料，掩模板的制备也非常复杂，设备昂贵和高运行成本是它目前面临的严峻挑战。利用扫描隧道显微镜或原子力显微镜的针尖诱导表面上的局域表面结构变化或直接操纵表面上的点或线条，是一种纳米结构加工的新概念，可以达到10nm左右的分辨率。但由于它是基于SPM针尖逐点式扫描曝光，加工速度是制约其发展的重要因素，用于制作临时性的、实验性的单个纳米器件尚有一定价值，但很难成为一种批量制作的工艺。
纳米压印光刻技术是一种与传统光刻技术概念完全不同的新技术，它是通过光刻胶压印结合反应离子刻蚀(RIE)实现图形转移的一种新的纳米结构制备技术。
1995年，S.Y.Chou首先提出Nanoimprint lithography，即纳米压印技术，并申请了专利。该技术主要由两个工艺过程构成(如图1)一是利用印制模板实现图形印制的过程，首先在基底旋涂光刻胶，然后在加热加压条件下将模板的纳米图案复制于光刻胶，撤去印制模具后可在硅片表面上形成光刻胶厚度不同的印制图形；二是在硅片上形成最终图形的图形转移过程，利用反应离子刻蚀方法对形成印制图形的光刻胶进行各向异性刻蚀，最终形成与传统光学光刻技术效果相一致的光刻胶转移图形，如以所得光刻胶图形为掩膜蒸镀金属，并经过剥离工艺，可在硅基底上得到金属化图形。实验已经显示，利用纳米压印光刻技术具有加工特征尺寸在10nm以下图形的能力，目前报导的最小加工尺寸是6nm，可在5×5cm2的面积上一次性构造图案，具有较高的硅片产率。高分辨、高产率、低成本的纳米压印作为新一代光刻技术，具有成为30nm到10nm技术时代替代光刻技术的潜力。
金属纳米结构由于其在电子、光学、传感器、DNA检测及催化等领域的广泛应用，而得到深入研究。纳米压印技术凭借其高产率低成本的特点而被认为是制备金属纳米结构技术的理想选择。现行的纳米压印技术通过以压印所得光刻胶图形为掩膜蒸镀金属，并经过剥离工艺在硅基底表面得到金属化图形。由于剥离工艺的原理所限，容易产生缺陷。如果经过工艺改进避免剥离工艺，将可进一步提升现行纳米压印技术的优越性，特别是在金属纳米结构制备方面的应用。
发明内容
本发明的目的在于设计一种应用在金属纳米结构制备方面的负型纳米压印方法，它首先在硅基底蒸镀金属膜，然后于金属膜上旋涂光刻胶，经过压印工艺后，以所得的光刻胶图形为掩膜通过湿法化学腐蚀的方法腐蚀金属膜，可以得到线条光滑的金属图案。
本发明的技术方案一种负型纳米压印方法，其特征在于它是由以下步骤所构成(1)首先在硅基底蒸镀金属膜层I，并在金属膜层I上旋涂光刻胶；(2)然后在加热加压条件下将模板的纳米图案复制于光刻胶；(3)并用反应离子刻蚀技术将图案转移至镀金属膜层I；(4)然后以光刻胶的图形为掩膜通过湿法化学腐蚀的方法腐蚀未被光刻胶掩盖的裸露金属I；(5)制得金属纳米结构。
上述步骤(5)制得的金属纳米结构通过直接以有机溶剂溶解光刻胶得到单金属纳米结构。
上述步骤(5)制得的金属纳米结构通过以光刻胶的图形为掩膜蒸镀金属II，然后以有机溶剂去除光刻胶，可制备双金属纳米结构。
上述所说的金属包括Au和Cr。
上述所说的化学腐蚀剂为KI/I2或K2S2O3+KOH+K3Fe(CN)6+K4Fe(CN)6溶液。
上述所说的湿法化学腐蚀是一各向同性腐蚀过程，因此可以通过控制腐蚀时间而控制金属线宽。
本发明的工作原理为与传统纳米压印技术相对应，本发明的纳米压印技术将光刻胶旋涂于金属薄膜上，压印后以的光刻胶图形被用作湿法化学腐蚀的掩膜，避免了传统纳米压印技术的剥离工艺，可以制备线条光滑的金属纳米结构。与传统纳米技术相比，本纳米压印技术所制备的金属纳米结构与传统纳米技术所制备的正好相反，所以称之为负型纳米技术。在上述工艺过程中，既可以通过直接以有机溶剂溶解光刻胶2得到单金属纳米结构，又可以通过湿法化学腐蚀的方法腐蚀掉裸露金属后，蒸镀第二种金属，最后以有机溶剂去除光刻胶，而制得双金属纳米结构。由于各向同性湿法腐蚀很容易实现钻刻，所以还可以制备双金属光栅结构，且可以通过调节腐蚀时间控制其间距。
本发明的优越性在于1、负型纳米压印技术以压印后的光刻胶为掩膜，通过湿法化学腐蚀方法制备金属结构，避免了传统纳米压印工艺的剥离工艺，可以制备线条光滑的金属结构；2、负型纳米压印技术所用化学腐蚀剂简单易制，价格低廉；3、负型纳米压印技术的化学腐蚀工艺容易控制，可以很容易通过调节腐蚀条件和时间控制金属线宽；4、负型纳米压印技术可以通过化学腐蚀后蒸镀第二种金属而制备双金属结构。
附图1为已申请专利的纳米压印技术工艺过程示意图(其中1-a为在硅基底1表面旋涂光刻胶2；1-b为加压条件下将模板3的纳米图案复制于光刻胶2；1-d为用反应离子刻蚀技术将图案转移至硅基底1；1-e为以光刻胶2的图形为掩膜蒸镀金属膜I5，并用有机溶剂去除光刻胶2，得到金属纳米结构。
附图2为本发明所涉一种负型纳米压印方法工艺过程示意图(其中2-a为在硅基底1蒸镀金属膜层I5，并在金属膜层I5上旋涂光刻胶2；2-b为在加热加压条件下将模板3的纳米图案复制于光刻胶2；2-c为用反应离子刻蚀技术将图案转移至镀金属膜层I5；2-d为以光刻胶2的图形为掩膜通过湿法化学腐蚀的方法腐蚀未被光刻胶2掩盖的裸露金属I5；2-e为以有机溶剂溶解光刻胶2得到单金属纳米结构；2-f为以光刻胶2的图形为掩膜蒸镀金属II6；2-g为以有机溶剂去除光刻胶2，可制备双金属纳米结构。
其中1、硅基底，2、光刻胶层，3、压印模板，4、沟槽内多余的光刻胶，5、金属膜层I，6、金属膜层II。
附图3为本发明所涉一种负型纳米压印方法得到的金纳米结构图。
附图4为本发明所涉一种负型纳米压印方法得到的Au和Cr二元纳米结构图(其中深色线条为Cr，浅色线条为Au)。
具体实施例方式实施例1一种负型纳米压印方法，其特征在于它是由以下步骤所构成(见图2)(1)首先在硅基底1蒸镀金属膜层I5，并在金属膜层I5上旋涂光刻胶2(见图2-a)；(2)然后在加热加压条件下将模板3的纳米图案复制于光刻胶2(见图2-b)，(3)并用反应离子刻蚀技术将图案转移至镀金属膜层I5(见图2-c)；(4)然后以光刻胶2的图形为掩膜通过湿法化学腐蚀的方法腐蚀未被光刻胶2掩盖的裸露金属I5(见图2-d)；(5)制得金属纳米结构。
上述步骤(5)制得的金属纳米结构通过直接以有机溶剂溶解光刻胶2得到单金属纳米结构(见图2-e)。
实施例2一种负型纳米压印方法，其特征在于它是由以下步骤所构成(见图2)(1)首先在硅基底1蒸镀金属膜层I5，并在金属膜层I5上旋涂光刻胶2(见图2-a)；(2)然后在加热加压条件下将模板3的纳米图案复制于光刻胶2(见图2-b)，(3)并用反应离子刻蚀技术将图案转移至镀金属膜层I5(见图2-c)；(4)然后以光刻胶2的图形为掩膜通过湿法化学腐蚀的方法腐蚀未被光刻胶2掩盖的裸露金属I5(见图2-d)；(5)制得金属纳米结构。
上述步骤(5)制得的金属纳米结构通过以光刻胶2的图形为掩膜蒸镀金属II6(见图2-f)，然后以有机溶剂去除光刻胶2，可制备双金属纳米结构(见图2-g)。
实施例3结合直写式电工束曝光技术和反应离子刻蚀技术制备SiO2/Si模板，模板图形的线宽、周期及高度分别为170nm、370nm和130nm。取2×2cm硅片，经清洗后蒸镀25nm厚金膜，接着在金薄膜表面旋涂光刻胶，170℃烘干后厚度为150nm，然后通过压印工艺将模板上的纳米图形复制到光刻胶上(压印条件为190℃、45bar、3min)。应用反应离子刻蚀工艺将沟槽内多余的光刻胶去除，将纳米图形转移至金薄膜表面。然后以光刻胶纳米图形为掩膜，以KI/I2溶液(0.0025M I2+0.015M KI)溶解裸露的金膜40s，然后以热丙酮于超声波条件下去除光刻胶，得到线宽为400nm的金纳米结构。如图3(a)所示。
实施例4以实施例3所述工艺所得的光刻胶纳米图形为掩膜，以KI/I2溶液(0.0025M I2+0.015M KI)溶解裸露的金膜65s，然后以热丙酮于超声波条件下去除光刻胶，得到线宽为350nm的金纳米结构。如图3(b)所示。
实施例5以实施例3所述工艺所得的光刻胶纳米图形为掩膜，以KI/I2溶液(0.0025M I2+0.015M KI)溶解裸露的金膜90s，然后以热丙酮于超声波条件下去除光刻胶，得到线宽为290nm的金纳米结构。如图3(c)所示。
实施例6以实施例3所述工艺所得的光刻胶纳米图形为掩膜，以KI/I2溶液(0.0025M I2+0.015M KI)溶解裸露的金膜90s，然后再蒸镀30nmCr薄膜，最后以热丙酮于超声波条件下去除光刻胶，得到线宽为各250nm的Au和Cr二元纳米结构。如图4所示，深色线条为Cr，浅色线条为Au。
权利要求
1.一种负型纳米压印方法，其特征在于它是由以下步骤所构成(1)首先在硅基底蒸镀金属膜层I，并在金属膜层I上旋涂光刻胶；(2)然后在加热加压条件下将模板的纳米图案复制于光刻胶；(3)并用反应离子刻蚀技术将图案转移至镀金属膜层I；(4)然后以光刻胶的图形为掩膜通过湿法化学腐蚀的方法腐蚀未被光刻胶掩盖的裸露金属I；(5)制得金属纳米结构。
2.根据权利要求1所说的一种负型纳米压印方法，其特征在于步骤(5)制得的金属纳米结构通过直接以有机溶剂溶解光刻胶得到单金属纳米结构。
3.根据权利要求1所说的一种负型纳米压印方法，其特征在于步骤(5)制得的金属纳米结构通过以光刻胶的图形为掩膜蒸镀金属II，然后以有机溶剂去除光刻胶，可制备双金属纳米结构。
4.根据权利要求1所说的一种负型纳米压印方法，其特征在于所说的金属包括Au和Cr。
5.根据权利要求1所说的一种负型纳米压印方法，其特征在于所说的化学腐蚀剂为KI/I2或K2S2O3+KOH+K3Fe(CN)6+K4Fe(CN)6溶液。
6.根据权利要求1所说的一种负型纳米压印方法，其特征在于所说的湿法化学腐蚀是一各向同性腐蚀过程，因此可以通过控制腐蚀时间而控制金属线宽。
全文摘要
一种负型纳米压印方法，由以下步骤所构成(1)首先在硅基底蒸镀金属膜层I，并在金属膜层I上旋涂光刻胶；(2)然后在加热加压条件下将模板的纳米图案复制于光刻胶；(3)用反应离子刻蚀技术将图案转移至镀金属膜层I；(4)以光刻胶的图形为掩膜通过湿法化学腐蚀的方法腐蚀未被光刻胶掩盖的裸露金属I；(5)制得金属纳米结构。本发明的优越性负型纳米压印技术以压印后的光刻胶为掩膜，通过湿法化学腐蚀方法制备金属结构，避免了传统纳米压印工艺的剥离工艺，可以制备线条光滑的金属结构；其所用化学腐蚀剂价格低廉；工艺易控制，可通过调节腐蚀条件和时间控制金属线宽；还可以通过化学腐蚀后蒸镀第二种金属而制备双金属结构。
文档编号H01L21/02GK1800984SQ200510133650
公开日2006年7月12日 申请日期2005年12月27日 优先权日2005年12月27日
发明者谢国勇, 焦丽颖, 刘忠范, 张锦 申请人:国家纳米技术产业化基地