基于紫外纳米压印光刻的生物纳米孔测序MEMS芯片设计

纳米孔测序作为最新一代的基因测序技术,在生物医学和临床应用中起着至关重要的作用。测序系统中的MEMS结构通常采用传统光刻工艺来实现,本文首次运用紫外纳米压印光刻(UV-NIL)工艺来验证实现纳米孔测序系统中的MEMS芯片的可能性。采用传统光刻工艺,制造了3种用于纳米孔测序的MEMS双层结构的硅晶圆。这些硅晶圆被用作母板,将其MEMS结构图案精准复制到聚二甲基硅氧烷(PDMS)上,形成压印软模,再用UV-NIL工艺在硅基底上压印出所需的MEMS结构。最后,通过光学和电学两种测试表征手段,成功证实UV-NIL工艺在制造MEMS芯片方面的有效性和可行性。相较于传统光刻,UV-NIL的成功运用将极大提高工艺稳定性并大幅缩减成本。

纳米压印技术在光电领域的应用

当前,一种新型纳米压印技术被提出并开始逐步用于后续替代光刻机,纳米压印的基础原理为将硅胶覆盖在一个图形基板上,待硅胶完全与基板贴合后固化,然后剥离掉硅胶,最后将硅胶压到匀胶好的晶片表面进行紫外光照射及加热,从而实现把硅胶表面的图形转移到光刻胶上。纳米压印技术已经广泛应用到图形化蓝宝石衬底上,一种与图形化蓝宝石衬底相接近的新型图形化蓝宝石复合衬底已经被提出并开始商业化,该产品主要采用的依然是原始的光刻方法进行图形化转移,主要论述纳米压印技术在图形化蓝宝石复合衬底为主的光电领域应用的可行性。

新型含硅丙烯酸酯型纳米压印胶的研究与应用

纳米压印技术因其成本低、产量高的优点广受关注,而开发可适用于纳米压印的压印胶成为该工艺的关键。合成了一种硅含量高的单体三(三甲基硅氧基)甲基丙烯酰氧丙基硅烷(TRIS),制备了一种新型紫外纳米压印用含硅丙烯酸酯型压印胶,用四点弯曲实验机和接触角测试仪表征了压印胶与模板的黏附性能,研究了配方组成对模板黏附性能的影响,优化得到了抗黏附性能优异的配方。压印实验结果表明,该压印胶与模板分离时无粘连。AFM与SEM测试结果表明,压印胶上复制得到了线宽149 nm、周期298 nm、深宽比为1的纳米光栅图形,图形结构完整。

纳米压印技术

传统光学光刻技术的高成本促使科学家去开发新的非光学方法,以取代集成电路工厂目前所用的工艺。另外,微机电系统(MEMS)的成功启发科学家借用MEMS中的相关技术,将其使用到纳米科技中去,这是得到纳米结构的一种有效途经。纳米压印在过去的几年里受到了高度重视,因为它成功地证明了它有成本低、分辨率高的潜力。纳米压印技术主要包括热压印、紫外压印(含步进—闪光压印)和微接触印刷等。本文详细讨论纳米压印材料的制备及常用的三种工艺的工艺步骤和它们各自的优缺点。并对这三种工艺进行了比较。最后列举了一些典型应用,如微镜、金属氧化物半导体场效应管、光栅等。

下一代光刻技术

介绍了下一代光刻技术的演变,重点描述了浸没式光刻技术、极端远紫外光刻技术、纳米压印光刻技术和无掩模光刻技术的基本原理、技术优势、技术难点以及研发,并展望了这几种光刻技术的前景。

紫外纳米压印用PMMA转移层膜的制备及性能

以苯甲醚为溶剂,采用旋涂法制备PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)转移层膜。当PMMA的质量分数为5%、旋涂速度为2000～6000r/min时,转移层膜的厚度为90～150nm,粗糙度为0.3nm,可满足纳米压印要求。采用接触角测量仪测试计算出PMMA、PS转移层膜的表面能,并通过转移层膜与压印胶之间的粘附功和界面张力的计算,评价了PMMA、PS和Si片对压印胶的润湿和粘附性能。结果表明,PMMA膜可改善压印胶在基片上的润湿铺展性能和粘附性能,而PS膜虽能改善基片的润湿铺展性能,却不利于压印胶的粘附。

下一代光刻技术的设备

下一代光刻技术是指≤32nm工艺节点的光刻技术。介绍了下一代光刻技术与设备,包括X射线光刻技术、极紫外线光刻技术和纳米压印光刻技术等。

紫外固化真空负压纳米压印系统的研制

气体压力施压是实现纳米压印技术中将模板压入转移介质的重要技术路径,在克服应力不均匀、保护基片和模板等方面优势明显。报道了一种旨在提高压印压力均匀性、低压力施压的真空负压紫外固化纳米压印系统的研制。制备真空腔室,腔室顶部利用弹性橡胶环结合紫外透过性好的SiO2玻璃与腔体连接,采用抽真空的方式形成负压,腔室外大气压强通过SiO2玻璃均匀地作用到压印模板上,将其压入液态紫外敏感光刻胶中,再采用紫外光固化光刻胶,分离后实现模板图形向基板的转移。压印力大小取决于腔室内外的气体压强差,通过调节腔室内部气压大小改变施加在模板上的实际压力,内部气压大小通过连通气压表观察。图形转移实验结果表明,所研制纳米压印样机系统能够实现图形的高保真转移,在基片上形成光刻胶材质的结果图形,500nm特征线宽图形转移实验结果清晰,在较大面积基片上的压印压力均匀性良好。

纳米压印技术的研究

介绍了纳米压印技术的原理,讨论了纳米压印中材料的制备及热压印、紫外压印、微接触印刷等3种常用的压印工艺及其关键技术,提出纳米压印技术的研究方向和面临的挑战。

反应离子刻蚀法制备石英纳米压印模板的工艺研究

为了使用紫外纳米压印法制备出亚波长结构,研究了在石英衬底上采用光刻和反应离子刻蚀技术制备出紫外纳米压印模板,以及模板制备过程中工艺参数对光刻胶和刻蚀速率的影响。利用激光共聚焦显微镜(LSCM)及原子力显微镜(AFM)对光刻和刻蚀图形的表面形貌进行了观察,获得了工艺参数对光刻胶掩膜图形和刻蚀图形的影响规律;在最优工艺参数条件下,所制紫外纳米压印模板整齐、规则,并利用紫外可见近红外光谱仪对其紫外透过率进行了表征,反应离子刻蚀后石英模板的透过率在365 nm处仍大于90%。

硅油稀释PDMS法制备紫外纳米压印软模板

软模板的制作是紫外纳米压印中关键的技术,模版的分辨率直接决定了压印图形的最小分辨率。使用具有高度均匀、100nm级孔洞阵列结构的多孔氧化铝作为母版,使用基于液态浇铸的硅油稀释聚二甲基硅氧烷(硅油和聚二甲基硅氧烷的质量比为1:2)法制备出具有规则点阵结构的软模板。通过SEM和AFM表征发现,特征图形得到了有效转移,特征尺度保持在100nm左右。相对于传统的模板制备方法,此方法成本低、流程简单、适合大规模生产,是一种非常有前途的软模板制备方法。

基于紫外纳米压印的菲涅耳透镜制作

针对传统聚光系统中菲涅耳透镜成本较高并且光强分布不均匀的弊端,提出了利用紫外纳米压印技术制作菲涅耳透镜的方法.利用几何光学的光线追迹理论,设计了菲涅耳透镜模具.采用自行研制的紫外纳米压印系统对模具进行压印,紫外曝光后制得薄膜菲涅耳透镜.在太阳光下进行了测试,测试结果表明,低成本、高聚光倍数和光强分布均匀的菲涅耳透镜是可以实现的.

100nm周期蛾眼结构制备及其表面拉曼增强性能

以多孔氧化铝(AAO)为模板,基于聚氨酯丙烯酸酯(PUA)在紫外曝光前后的表面能变化的特性,利用逆紫外固化纳米压印技术实现纳米蛾眼结构复制成型。分析图形复制过程中界面间的粘附功差异,根据红外光谱对C=C双键的转化速度来表征PUA的固化程度进而优化制作工艺,在柔性聚对苯二甲酸乙二酯薄膜表面制备出周期为100 nm的PUA大面积高深宽比柱状纳米结构阵列。利用具有蛾眼纳米结构的银金属薄膜,进行表面拉曼增强特性实验,得到了葡萄糖分子的表面增强拉曼散射效应。

纳米压印技术的发展及其近期的应用研究

综述了热纳米压印、紫外纳米压印、微接触印刷三种具有代表性的纳米压印(NIL)技术的原理、工艺流程和优缺点,并介绍了近几年来纳米压印技术的研究进展及其在光学器件、存储器、柔性器件和生物传感器等领域中的应用现状。

基于多苯烯丙基醚无氟抗粘的巯基-烯纳米压印光刻胶

为了减小纳米压印光刻胶与模板间的接触黏附力，合成了一种无氟抗粘巯基一烯纳米压印光刻胶。以A，A，A’-三（4-羟苯基）-1-乙基-4-异丙苯（TPA）和溴丙烯为原料，采用相转移催化法制备了一种功能性单体A，A，A’-三（4-丙烯基苯基醚）-1-乙基-4-异丙苯（TPAE），并将其按特定配比与三羟甲基丙烷三（3-巯基丙酸酯）和光引发剂配制成纳米压印光刻胶。实时傅里叶红外光谱（FT-IR）分析表明，当辐射剂量为200mJ／cm^2时，双键的转化率为78．0％，巯基的转化率为78．1％。胶膜的去离子水接触角为90°。纳米压印光刻胶脱模后的图形结构规整，保真度高，具有良好的脱模性能。

凸面锗窗口亚波长抗反射结构的设计与制备

红外光学成像系统的灵敏度与光学窗口透射率密切相关,锗窗口是红外光学系统的常用窗口,在锗窗口上制备亚波长结构可以增强抗反射性能从而提高透射率,且常选择凸面窗口以获得更大的视场角。针对在曲面窗口上亚波长结构的制备工艺较为复杂的难题,本文运用柔性紫外纳米压印方法(soft UV-NIL),在凸面锗窗口表面高效、高质量地制作了亚波长抗反射结构。首先基于时域有限差分方法优化设计了亚波长抗反射结构参数,然后基于soft UV-NIL工艺制备了符合设计要求的亚波长结构。测试结果表明,在3.55~5.55μm波长范围内,凸面锗窗口单面平均透射率由65.81%提升到78.68%,在波长为4.4μm处,透射率由65.85%提升至83.13%,实现了中红外宽波段抗反射效果。