[发明专利]纳米图形化方法和设备

说明书

领域

本发明的实施方式涉及纳米图形化(nanopatterning)方法，其可以用于使大衬底或比如可以作为卷状商品出售的薄膜的衬底形成图形。本发明的其它实施方式涉及设备，其可以用于使衬底形成图形，并且可以用于实行方法实施方式，包括所述类型。

背景

这部分描述涉及本发明公开的实施方式的背景主题。并非意味着——明示或暗示——这部分讨论的背景技术在法律上构成现有技术。

纳米结构化对于许多当前的应用和产业以及发展中的新技术都是必要的。例如且不作为限制，对于当前在比如太阳能电池和LED的领域以及在新一代数据存储装置中的应用，可以获得效率的提高。

可以用例如电子束直接写入(e-beam direct writing)、深UV光刻术(Deep UV lithography)、纳米球刻蚀术(nanosphere lithography)、纳米压印光刻术(nanoimprint lithography)、近场相位移光刻术(near-filed phase shift lithography)以及等离子体光刻术(plasmonic lithography)制造纳米结构化的衬底。

纳米压印光刻术(NIL)通过压印抗蚀剂(imprint resist)的机械变形，并随后进行后续处理，形成图形。压印抗蚀剂通常是在压印期间通过热量或UV光固化的单体配制物或聚合配制物。存在NIL的许多变型。然而，两种方法似乎最重要。这些是热塑性纳米压印光刻术(TNIL)和步进闪烁纳米压印光刻术(Step and Flash NanoImprint Lithography)(SFIL)。

TNIL是最早并且最成熟的纳米压印光刻术。在标准的TNIL方法中，压印抗蚀剂(热塑性聚合物)的薄层被旋转涂布在样品衬底上。之后将具有预定拓扑图形的模具与样品接触，并在给定的压力下挤压样品。当加热超过热塑性聚合物的玻璃化转变温度时，模具上的图形被压入热塑性聚合物膜熔体。在样品与压印的模具冷却后，将模具从样品分离，压印抗蚀剂留在样品衬底表面上。图形不穿透压印抗蚀剂；在样品衬底表面上仍有剩余厚度的未变化的热塑性聚合物膜。图形转移方法，比如反应性离子蚀刻，可以用于将抗蚀剂中的图形转移到下面的衬底。未变化的热塑性聚合物膜的剩余厚度的变化提出了与用于将图形转移到衬底的蚀刻方法的均匀性和优化有关的问题。

芬兰的一个技术研究中心VTT的Tapio Makela等人公布了关于专用于高生产量制造亚微结构的定制的实验室规模卷到卷(roll to roll)压印工具的信息。Hitachi及其他人开发了片或卷到卷的原型NIL机器，并显示了加工15米长的片的能力。目标是用带式模塑(镀镍的模具)实现连续的压印过程以压印聚苯乙烯片，用于大几何形状应用，比如用于燃料电池、电池组和可能地显示器的膜。

Princeton University(普林斯顿大学)的Hua Tan等人公布了滚筒纳米压印光刻术的2个实施方式：将圆筒模具在平坦的固体衬底上滚压，以及将平坦的模具直接放在衬底上并将光滑滚筒在该模具上滚压。两种方法都基于TNIL途径，其中设定滚筒温度高于抗蚀剂(PMMA)的玻璃化转变温度Tg，而设定平台的温度低于Tg。当前原型工具不提供期望的生产量。另外，对于压印的表面需要提高可靠性和重复性。

在SFIL方法中，对样品衬底施加UV可固化的液体抗蚀剂，并且模具是由透明衬底比如熔凝硅石制成的。在模具和样品衬底被挤压在一起之后，用UV光将抗蚀剂固化，成为固体。在将模具从固化的抗蚀剂材料分离之后，与在TNIL使用的相似方式可以用于将图形转移到下面的样品衬底。Korea Institute of Machinery(韩国机械研究院)的Dae-Geun Choi建议使用氟化有机-无机杂化模具作为纳米压印光刻术的压模，其不需要将其从衬底材料脱模的抗粘滞层(anti-stiction layer)。

因为纳米压印光刻术基于抗蚀剂的机械变形，因此SFIL和TNIL方法在静态的、分步重复的(step-and-repeat)或卷到卷的实施方式中都有许多挑战。这些挑战包括模板寿命、生产率、压印层公差、以及在将图形转移到下面的衬底期间的关键尺寸控制。在压印过程后仍保留的残留的非压印层在主要的图形转移蚀刻之前需要另外的蚀刻步骤。由于负图形的不完全填充以及通常与聚合材料有关发生的收缩现象，可能产生缺陷。模具和衬底之间热膨胀系数的差别造成横向应变，该应变集中在图形的角部。应变引起缺陷，并在脱模步骤中在图形模具的基底部分造成断裂缺陷。