一种整片晶圆纳米压印光刻机.pdf

一种整片晶圆纳米压印光刻机
    技术领域 本发明涉及一种纳米压印光刻机， 尤其涉及一种单步整片晶圆纳米压印光刻机， 属微纳制造和光刻技术领域。
     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 NIL 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、 整片晶圆纳米压印工艺和装备的需求越来越迫切， 同时对于压印面积、 复型精度的要求也愈来愈高。目前实现大面积纳米压印的方法主要有三种 ： 第一种是采用 步进重复纳米压印工艺 (Step-and-repeat NIL) ； 第二种是采用滚压印工艺 (Roll NIL) ； 第三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和滚压印工艺实现 大面积图形化方法相比， 采用整片晶圆 ( 晶圆尺度， 晶圆级 ) 纳米压印 (Full wafer NIL， Wafer-level NIL， Wafer scale NIL) 具有生产率高、 成本低、 图形均匀和一致性好等显著 的优点， 以及适合各种软和硬衬底的优势。 但是与现有的纳米压印工艺方法相比， 整片晶圆 纳米压印目前存在以下挑战性技术难题 ： (1) 大面积施加均匀一致的压印力。压印力分布 不均匀， 一方面导致模具与衬底无法充分接触， 影响复型精度和质量， 甚至导致图形转移失 败， 另一方面对于脆性材料的模板或者衬底， 压印力的不均匀极易导致其碎裂。 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 )， 随着晶圆尺寸的增加， 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匀 一致的压印力变的愈发困难。对于承片台和压印机构性能的要求越来越高 ； (2) 减小压印 力。为了实现模具与整片晶圆充分、 均匀性的接触， 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 ； (3) 气泡消除。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， 严重影响制作图形的质量。 大 面积压过程中印极易产生气泡， 然而消除气泡却非常难以解决 ； (4) 脱模困难。随着模具和 衬底的接触面积的增大， 一方面包含模具微纳结构特征大大增加， 另一方面模具与抗蚀剂 粘附问题变得日益突出， 导致需要很大的脱模力才能实现模具与晶圆的分离， 大的脱模力 容易损坏模具和复制的图形 ； 另外， 若脱模力过大， 则可能将已固化抗蚀剂的颗粒粘附在模 具表面， 并且可能造成模具表面纳结构的破坏， 即压印模具 “污染” ； (5) 整个压印区域获得 均匀一致和薄的残留层。抗蚀剂上的图形需要转移到晶圆 ( 衬底 ) 上， 在整片晶圆的压印
     区域获得均匀一致和薄的残留层， 对于实现高质量的图形转移起到决定性的作用。 此外， 对 于 LED 等 III-V 族材料和衬底的压印， 还面临以下的难题 ： (1) 晶圆不平整， 表面翘曲变形， 并且会有数微米尺寸的表面突起。例如 LED 外延片的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℃。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。表面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 ； (2) 晶圆面不是非常清洁， 可能有污物 ( 这对于模具极为不 利 )， 导致压印模具被 “污染” ； (3) 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， 甚至未来的 12 寸或者 18 寸。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。因此， 大尺寸晶 圆整片纳米工艺和装备的开发面临许多技术性的难题， 目前还没有一种较为理想的解决方 案。
     发 明 人 在 2010 年 申 请 了 一 项 “整 片 晶 圆 纳 米 压 印 的 装 置 和 方 法” ( 申请号 ： 201010600735.X， 公开号 102096315A)， 该方法的基本原理是 ： 引入一种三层复合结构透明 的软模具 ( 以低粘附性材料改型 PDMS 为基体 )， 压印过程采用从模具 ( 模板 ) 中心位置向两 侧方向逐渐均匀性微接触压印的方法， 基于新的模具结构并采用气体辅助压印力和毛细力 共同作用下， 实现压印力均匀分布、 消除气泡缺陷， 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 ( 基片 ) 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 ( 一方 面避免大面积接触同时脱模需要较大的脱模力， 导致对模具和复制图形造成损伤 ； 另一方 面避免单侧揭开式脱模， 因模具变形大导致使用寿命短的缺陷 )。 压印过程和脱模过程均以 模板中心为对称轴， 模板均匀、 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 )。其基本过程如图 1 所示。具体包括以下主要工艺步骤 ： (1) 预处理过程。 将涂铺有抗蚀剂的整片晶圆固定在工作台上， 压印头与晶圆对正后， 压印机构下降， 直至压 印头的支撑调节块与晶圆工作台 ( 承片台 ) 相接触。关闭压力管路， 打开真空管路， 模具 吸附在压印头工作台面上 ( 具体说是模具的支撑层吸附于压印头工作台面中的凹槽里 )。 (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， 软模具的弹性层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， 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 1(a) 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， 模具结构层与抗蚀 剂的接触面积不断扩大， 直至整个模具结构层与整片晶圆上的抗蚀剂完全接触， 模具中的 所有微纳米结构腔体被抗蚀剂所充填， 如图 1(b) 和 1(c) 所示 ； 最后， 所有压力通道的压力 保持均匀一致性增大， 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， 紫外光透过模具对抗蚀剂曝光， 充分固化液态抗蚀剂， 如图 1(d) 所示。(4) 脱模过程。首先， 从晶圆最外两侧开始， 关闭压 力管路， 打开真空管路， 同时开启脱模用的喷嘴。 在真空吸力和喷嘴压缩空气产生水平力共 同作用下， 从最外侧开始模具与晶圆相互分离， 如图 1(e) 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 1(f) 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 1(g) 所示。 发明内容
     针对上述现有技术， 本发明提供了一种整片晶圆纳米压印光刻机。
     本发明是通过以下技术方案实现的 ：
     一种整片晶圆纳米压印光刻机， 它包括 ： 压印头、 曝光系统、 模板、 承片台、 脱模喷 嘴、 机架、 大理石底座、 真空管路和压力管路， 其中， 所述模板固定于压印头上， 承片台置于 模板的垂直正下方， 并固定在大理石底座上， 承片台周边设有脱模喷嘴 ； 曝光系统的紫外光 源置于压印头曝光工作室， 且位于模板工作台的上部 ； 真空管路和压力管路与压印头模板 工作台两侧面的方向控制阀的进气孔相连 ； 真空管路分别与承片台上的真空吸盘和固定基 座的方向控制阀进气孔相连 ； 大理石底座用以固定支撑件和 / 或承片台， 对整个系统起到 减震和隔振的作用。
     所述压印头的结构为 ： 包括模板工作台、 曝光工作室、 法兰盘、 滚珠丝杠、 联轴器、 伺服电机、 导向架、 导向杆和三个支承调节块， 其中， 曝光工作室与模板工作台通过螺钉相 连， 模板工作台内部设有水平管路和垂直管路， 实现压缩空气和真空气体在模板上的均匀 分布 ； 模板工作台应允许曝光工作室紫外光透过， 并继续透过连接其底部的模板， 实现对基 片上的图形化后的抗蚀剂进行曝光和固化 ； 曝光工作室与滚珠丝杠通过法兰盘相连接， 曝 光工作室的内顶部均匀分布安装紫外光源 (UV LED 灯 )， 紫外光源 (UV LED 灯 ) 上连接光路 通道和控制单元， 组成曝光系统 ； 联轴器安装在滚珠丝杠上， 伺服电机安装在联轴器上， 导 向架安装在机架下部， 导向杆安装在导向架下部 ； 伺服电机、 联轴器、 滚珠丝杠、 导向架和导 向杆构成运动功能组件， 实现模板工作台和曝光工作室沿 Z 向上下垂直运动 ； 3 个支承调节 块置于模板工作台的底部， 相互呈 120 度角均匀分布， 支承调节块用来调节模板与基片的 压印距离 ； 模板工作台两侧面设有进气孔 A、 进气孔 B、 进气孔 C。
     所述压印头中模板工作台的内部管路结构为 ： 包括模板工作台底面， 模板工作台 底面上设有模板工作台凹槽面和水平管路， 模板工作台凹槽面上设有垂直管路， 垂直管路 的一端与模板工作台凹槽面相通， 另一端与水平管路相通 ； 垂直管路和水平管路均为通孔。 模板工作台凹槽面的形状与模板中支撑层相一致， 四周尺寸比其增大 2mm， 模板初始位置时 支撑层嵌在模板工作台凹槽面内。
     所述压印头中模板工作台的外部管路结构为 ： 包括方向控制阀 A、 丝堵、 连接管路 和方向控制阀 B， 其中， 方向控制阀 B 的一端连接模板工作台的进气孔 A， 另外一端用丝堵封 堵； 方向控制阀 A 分别连接进气孔 B 和进气孔 C， 进气孔 B 和进气孔 C 的另一端使用丝堵封 堵； 连接管路实现真空管路、 压力管路、 方向控制阀 A、 方向控制阀 B、 进气孔 A、 进气孔 B 和 进气孔 C 的连接。
     所述承片台的结构为 ： 包括固定基座、 浮动底座、 真空吸盘和真空管路， 其中， 浮动 底座位于固定基座之上， 真空吸盘通过螺钉固定于浮动底座的上平面 ； 固定基座具有凹形 球形结构， 浮动底座具有凸形球形结构， 固定基座与浮动底座之间为半球形接触配合 ； 通过 固定基座与浮动底座之间为球形接触配合实现模板与基片平行自适应调整和楔形误差的 补偿 ； 固定基座内设有水平管路， 真空管路上设有控制阀进气孔 I 和控制阀进气孔 II， 真空吸盘上设有水平进气口 ； 水平管路与控制阀进气孔 I 相连， 水平进气口与控制阀进气孔 II 相连。
     所述承片台的结构中， 固定基座内还设有垂直管路， 固定基座中央设有中心圆形 通孔 ； 固定基座内设有内圆形通孔， 内圆形通孔分别与中心圆形通孔、 水平管路以及垂直管 路相通 ； 垂直管路最上端与凹形球形结构相通， 垂直管路最下端与圆形通孔相通， 水平管路 与控制阀进气孔 I 相连， 通过开启与固定基座内水平管路相连的控制阀进气孔 I， 在真空负 压的作用下， 实现调平后浮动底座在固定基座上的锁紧和固定， 并保持调平后基片和模板 之间的相对位姿， 确保在压印过程中模板与基片之间的相互平行 ； 真空吸盘中的水平进气 口与控制阀进气孔 II 相连， 通过开启真空吸盘内与水平进气口相连的控制阀进气孔 II， 真 空吸盘在基片的上下两个平面之间产生的气体压强差， 在负压作用下实现对基片的夹紧和 固定。
     所述真空吸盘为凸台结构或平面一体结构。
     所述模板的结构为 ： 包括三层， 最下层为结构层， 中间层为弹性层， 最上层为支撑 层， 所述结构层上设有要制造的微纳米结构图形， 弹性层位于结构层之上， 支撑层位于弹性 层之上 ； 结构层的厚度范围是 100-200 微米 ； 弹性层的厚度范围是 400-700 微米 ； 支撑层的 厚度范围是 100-200 微米 ； 结构层、 弹性层和支撑层材料均为 PDMS， 但其硬度不同， 结构层 和支撑层的材料是硬的 PDMS( 聚二甲基硅氧烷 )， 即 h-PDMS， 其硬度为弹性层使用 PDMS 硬 度的 3-5 倍 ； 弹性层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， 即 s-PDMS ； 结构层和支撑层尺寸大小一致， 弹性层比结构层和支撑层尺寸大 60-150 毫米。 所述真空管路的结构为 ： 包 括 真 空 泵 或 真 空 发 生 器、 方 向 控 制 阀、 压力控 制 阀 和 连 接 管 路。 真 空 度 工 作 范 围 是 ： ＜ -0.9bar， 压印和脱模过程使用的真空度 是 -5kPa ～ -100kPa ； 真空管路分别与连接承片台内部的真空吸盘、 固定基座、 以及压印头 内部的模板工作台的方向控制阀的进气孔相连， 实现基片的固定， 调平后浮动底座的锁紧 和固定， 以及提供脱模时的动力源。
     所述压力管路的结构为 ： 包括空气压缩机、 储气包、 方向控制阀、 压力控制阀和连 接管路。 压缩管路的工作范围是 ： 0-5bar ； 压印过程中的工作压力是 10-400mbar ； 压力管路 与连接压印头内部的模板工作台方向控制阀的进气孔相连， 提供压印时的动力源。
     利用上述晶圆纳米压印光刻机进行整片晶圆纳米压印光刻的方法， 步骤如下 ：
     (1) 纳米压印光刻机系统工作状态初始化过程 ： 将涂铺有抗蚀剂的基片置于承片 台的真空吸盘之上， 开启真空吸盘的真空管路， 将基片固定在真空吸盘之上 ； 关闭压印头模 板工作台的压力管路， 打开真空管路， 模板弹性层吸附在压印头模板工作台底面， 模板支撑 层吸附在模板工作台底面的凹槽面内 ；
     (2) 调平过程 ： 首先， 伺服电机通过滚珠丝杠带动压印头组件快速向下运动， 直到 固定于模板工作台的支撑调节块与承片台上的真空吸盘或者浮动底座相接触 ； 随后， 降低 压印头的下压速度， 压印头继续向下运动， 在压印头下压力的作用下， 通过承片台固定基座 与浮动底座之间的球形接触配合产生相对滑动实现固定在压印头上的模板与固定在承片 台上的基片平行自适应调整和楔形误差的补偿 ； 最后， 模板和基片完全调平后， 开启承片 台上的固定基座上的真空管路， 在真空负压作用下实现浮动底座在固定基座上的锁紧 ( 夹 紧 ) 和固定， 保持调平后基片和模板之间的相对位姿， 确保在整个压印、 固化和脱模过程中
     模板与基片之间保持平行 ；
     (3) 压印过程 ： 首先， 从模板工作台中心位置开始， 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 ( 软模具 ) 的弹性层在中心位置纵向产 生弯曲变形， 局部开始接触基片上的抗蚀剂， 模具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， 所有压力通道的压力保持均匀一致性 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， 并且减薄至预定的残留 层厚度 ；
     (4) 固化过程 ： 开启曝光工作室的紫外光源， 紫外光透过模具对抗蚀剂曝光， 充分 固化液态抗蚀剂， 固化时间 5-20s( 整片晶圆 ) ；
     (5) 脱模过程 ： 首先， 从模板工作台最外两侧开始， 关闭压力管路， 打开真空管路， 同时开启脱模用的喷嘴， 在真空吸力和喷嘴压缩空气产生水平力共同作用下， 从最外侧开 始模板与基片上的抗蚀剂相互分离 ； 随后， 从基片两侧向模板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； 最后， 模板中心位置与基片相分离， 实现模板与基片的完全分离， 完成脱模 ；
     (6) 压印头复位 ： 伺服电机通过滚珠丝杠带动压印头快速向上运动， 返回到系统 初始位置 ；
     (7) 承片台复位 ： 首先， 关闭承片台真空吸盘上的真空管路， 取下复形后的基片， 随后， 关闭承片台固定基座的真空管路， 使浮动底座在固定基座上处于自由状态。
     与现有纳米压印光刻机相比， 本发明具有以下显著的优点 ：
     (1) 结构简单、 操作方便、 成本低。
     (2) 生产率高、 适应性广、 柔性好， 模块化程度高， 易于晶圆尺寸的扩展。
     (3) 不依赖精密机械施加的平衡、 均匀， 与表面垂直的压印力， 简化了设备结构。
     (4) 采用被动自适应承片台实现调平和楔形误差补偿， 调节快、 操作简单、 对于大 尺寸晶圆的适应性好。
     (5) 压印过程采用从模板中心位置向两侧方向逐渐均匀性接触的策略， 其突出的 特点和显著优势 ： ①通过模板与基片的逐渐、 均匀性微接触， 一方面减小压印力， 避免传统 整片晶圆压印需要大的压印力， 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。②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。
     (6) 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均匀一致的压力 ； ③可以采用较小的压印力， 避免软 模具的变形， 提高复形的质量和精度。
     (7) 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。本发明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 ； ②脱模过程中脱模力对称分布， 整个脱模过程脱模力保持均匀。 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 )， 本发明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。
     (8) 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。
     (9) 压印过程和脱模过程以模板中心为对称轴， 模板均匀、 对称受力， 压印和脱模 过程两侧同时进行， 生产效率高。
     本发明实现了整片晶圆纳米压印的低成本、 高效、 高精度和规模化的制造， 本发明 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 )。 附图说明
     图 1a 是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。 图 1b 是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。 图 1c 是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。 图 1d 是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。 图 1e 是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。 图 1f 是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。 图 1g 是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。 图 2 是本发明实施例 1 整片晶圆纳米压印光刻机三维结构示意图。 图 3 是本发明实施例 1 压印头 1 的三维结构示意图。 图 4 是本发明实施例 1 压印头 1 中模板工作台 101 的内部管路布置结构示意图。 图 5 是本发明实施例 1 压印头 1 中模板工作台 101 的内部管路布置剖视结构示意 图 6 是本发明实施例 1 压印头 1 中模板工作台 101 的内部管路布置剖视结构示意 图 7 是本发明实施例 1 压印头 1 中模板工作台 101 的外部管路布置结构示意图。 图 8 是本发明使用的透明三层复合模板 3 结构示意图。 图 9 是本发明实施例 1 承片台 4 的结构示意图。 图 10 是本发明实施例 1 承片台 4 的三维结构示意图。 图 11 是本发明实施例 1 承片台 4 固定基座 401 的三维结构示意图。 图 12 是本发明实施例 2 整片晶圆纳米压印光刻机三维结构示意图。 图 13 是本发明实施例 2 压印头 1 第一种方案的三维结构示意图。 图 14 是本发明实施例 2 压印头 1 第二种方案的三维结构示意图。 图 15 是本发明整片晶圆纳米压印光刻机的工作过程流程图。图。
     图。
     具体实施方式
     下面结合附图和发明人依本发明的技术方案给出的实施例对本发明作进一步的 详细描述。
     实施例 1
     一种整片晶圆纳米压印光刻机， 如图 2 所示， 它包括 ： 压印头 1、 曝光系统 2、 模板 3、 承片台 4、 脱模喷嘴 5、 机架 6、 大理石底座 7、 真空管路 8 和压力管路 9， 其中， 所述模板 3 固定于压印头 1 上模板工作台的底面 10104， 承片台 4 置于模板 3 的垂直正下方， 并固定在 大理石底座 7 上， 承片台周边设有脱模喷嘴 5 ； 曝光系统 2 的紫外光源置于压印头 1 曝光工 作室 102 内， 并位于透明模板工作台 101 的正上方 ； 真空管路 8 与压力管路 9 以及模板工作 台 101 两侧面的进气孔 A101011、 进气孔 B101012、 进气孔 C101013 相连 ； 真空管路 8 与承片 台 4 上的真空吸盘 403 以及固定基座 401 的控制阀进气孔 II 40402、 控制阀进气孔 I 40401 相连 ； 压印头 1 固定在机架 6 的横梁上 ； 大理石底座 7 用以固定承片台 4 和机架 6， 对整个 系统起到减震和隔振的作用。
     图 3 是本发明实施例 1 压印头 1 三维结构示意图， 它包括 ： 模板工作台 101、 曝光 工作室 102、 法兰盘 103、 滚珠丝杠 104、 联轴器 105、 伺服电机 106、 导向架 107、 导向杆 108 和三个支承调节块 109， 其中， 曝光工作室 102 与模板工作台 101 通过螺钉相连， 模板工作台 101 内部设有水平管路 10103 和垂直管路 10102， 实现压缩空气和真空气体在模板 3 上的均 匀分布 ； 模板工作台 (101 应允许曝光工作室紫外光透过， 并继续透过连接其底部的模板 3， 实现对基片上的图形化后的抗蚀剂进行曝光和固化 ； 曝光工作室 102 与滚珠丝杠 104 通过 法兰盘 103 相连接， 曝光工作室 102 的内顶部 10201 均匀分布安装紫外光源 UV LED 灯， 紫 外光源 UV LED 灯上连接光路通道和控制单元， 组成曝光系统 2 ； 联轴器 105 安装在滚珠丝 杠 104 上， 伺服电机 106 安装在联轴器 105 上， 导向架 107 安装在机架 6 下部， 导向杆 108 安装在导向架 107 内部 ； 伺服电机 106、 联轴器 105、 滚珠丝杠 104、 导向架 107 和导向杆 108 构成运动功能组件， 实现模板工作台 101 和曝光工作室 102 沿 Z 向上下垂直运动 ； 3 个支承 调节块 109 置于模板工作台 101 的底部， 相互呈 120 度角均匀分布， 支承调节块 109 用来调 节模板 3 与基片的压印距离 ； 模板工作台 101 两侧面设有进气孔 A101011、 进气孔 B101012、 进气孔 C101013。
     图 4 是本发明实施例 1 压印头 1 中模板工作台 101 的内部管路布置结构示意图， 它包括模板工作台底面 10104， 模板工作台底面 10104 上设有模板工作台凹槽面 10101 和 水平管路 10103， 模板工作台凹槽面 10101 上设有垂直管路 10102， 垂直管路 10102 的一端 与模板工作台凹槽面 10101 相通， 另一端与水平管路 10103 相通 ； 垂直管路 10102 和水平管 路 10103 均为通孔。模板工作台凹槽面 10101 的形状与模板 3 中支撑层 303 相一致， 四周 尺寸比其增大 2mm， 模板 3 初始位置时支撑层 303 嵌在模板工作台凹槽面 10101 内。
     图 5 是本发明实施例 1 压印头 1 中模板工作台 101 的内部管路布置剖视结构示意 图。
     图 6 是本发明实施例 1 压印头 1 中模板工作台 101 的内部管路布置剖视结构示意 图。
     图 7 是本发明实施例 1 压印头 1 中模板工作台 101 的外部管路布置结构示意图， 它包括方向控制阀 A10106、 丝堵 10107、 连接管路 10108 和方向控制阀 B10109， 其中， 方向控制阀 B10109 的一端连接模板工作台 101 的进气孔 A101011， 另外一端用丝堵 10107 封堵 ； 方向控制阀 A10106 分别连接进气孔 B101012 和进气孔 C101013， 进气孔 B101012 和进气孔 C101013 的另一端使用丝堵 10107 封堵 ； 连接管路 10108 实现真空管路 8、 压力管路 9、 方向 控制阀 A10106、 方向控制阀 B10109、 进气孔 A101011、 进气孔 B101012 和进气孔 C101013 的 连接。
     图 8 是本发明使用的透明三层复合模板 3 结构示意图， 其中， 第一层最下层是结 构层 301， 第二层中间层是弹性层 302， 第三层最上层是支撑层 303。所述结构层 301 包含 要制造的微纳米结构图形 30101， 弹性层 302 位于结构层 301 之上， 支撑层 303 位于弹性层 302 之上。结构层 301 的厚度范围是 100-200 微米 ； 弹性层 302 的厚度范围是 400-700 微 米； 支撑层 303 的厚度范围是 100-200 微米。结构层 301、 弹性层 302 和支撑层 303 材料均 为 PDMS， 但其硬度不同。结构层 301 和支撑层 303 的材料是硬的 PDMS 聚二甲基硅氧烷 )， 即 h-PDMS， 其硬度为弹性层 302 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， 即 s-PDMS。结构层 301 和支撑层 303 尺 寸大小一致， 弹性层 302 比结构层 301 和支撑层 303 尺寸大 60-150 毫米。
     图 9 是本发明实施例 1 承片台 4 的结构示意图， 它包括固定基座 401、 浮动底座 402、 真空吸盘 403 和真空管路 404， 其中， 浮动底座 402 位于固定基座 401 之上， 真空吸盘 403 通过螺钉 405 固定于浮动底座的 402 的上平面 ； 固定基座具有凹形球形结构 40101， 浮 动底座具有凸形球形结构 40201， 固定基座与浮动底座之间为半球形接触配合 ； 通过固定 基座与浮动底座之间为球形接触配合实现模板与基片平行自适应调整和楔形误差的补偿 ； 固定基座 401 内设有水平管路 40103， 真空管路 404 上设有控制阀进气孔 I 40401 和控制 阀进气孔 II 40402， 真空吸盘 403 上设有水平进气口 ； 水平管路 40103 与控制阀进气孔 I 40401 相连， 水平进气口与控制阀进气孔 II 40402 相连。
     所述承片台的结构中， 固定基座 401 内还设有垂直管路 40102， 固定基座 401 中央 设有中心圆形通孔 40104 ； 固定基座 401 内设有内圆形通孔 40105， 内圆形通孔 40105 分别 与中心圆形通孔 40104、 水平管路 40103 以及垂直管路 40102 相通 ； 垂直管路 40102 最上 端与凹形球形结构 40101 相通， 垂直管路 40102 最下端与圆形通孔 40105 相通， 水平管路 40103 与控制阀进气孔 I 40401 相连， 通过开启与固定基座内 401 水平管路 40103 相连的控 制阀进气孔 I 40401， 在真空负压的作用下， 实现调平后浮动底座 402 在固定基座 401 上的 锁紧和固定， 并保持调平后基片和模板之间的相对位姿， 确保在压印过程中模板与基片之 间的相互平行 ； 真空吸盘 403 中的水平进气口与控制阀进气孔 II 40402 相连， 通过开启真 空吸盘 403 内与水平进气口相连的控制阀进气孔 II40402， 真空吸盘 403 在基片的上下两个 平面之间产生的气体压强差， 在负压作用下实现对基片的夹紧和固定。
     图 10 是本发明实施例 1 承片台 4 的三维结构示意图。
     图 11 是本发明实施例 1 承片台 4 固定基座 401 的三维结构示意图。
     所述真空管路的结构为 ： 包 括 真 空 泵 或 真 空 发 生 器、 方 向 控 制 阀、 压力控 制 阀 和 连 接 管 路， 真空度工作范围是 ： ＜ -0.9bar， 压印和脱模过程使用的真空度 是 -5kPa ～ -100kPa ； 真空管路分别与连接承片台内部的真空吸盘、 固定基座、 以及压印头 内部的模板工作台的方向控制阀的进气孔相连， 实现基片的固定， 调平后浮动底座的锁紧 和固定， 以及提供脱模时的动力源。所述压力管路的结构为 ： 包括空气压缩机、 储气包、 方向控制阀、 压力控制阀和连 接管路， ； 压力管路的工作范围是 ： 0-5bar ； 压印过程中的工作压力是 10-400mbar ； 压力管 路与连接压印头内部的模板工作台方向控制阀的进气孔相连， 提供压印时的动力源。
     实施例 2
     图 12 是本发明实施例 2 整片晶圆纳米压印光刻机三维结构示意图， 实施例 2 与实 施例 1 的主要区别在于压印头 1 和机架 6 的机构形式的不同。
     图 13 是本发明实施例 2 压印头 1 第一种方案双导轨直线导向三维结构示意图， 它包括模板工作台 101、 曝光工作室 102、 法兰盘 103、 滚珠丝杠 104、 联轴器 105、 伺服电机 106、 支承调节块 109、 滑块 1011、 小支架 1012、 连接件 1013 和导轨 1014， 其中， 曝光工作室 102 与模板工作台 101 通过螺钉相连， 模板工作台 101 内部设有水平管路 10103 和垂直管 路 10102， 实现压缩空气和真空气体在模板 3 上的均匀分布 ； 模板工作台 (101 应允许曝光 工作室紫外光透过， 并继续透过连接其底部的模板 3， 实现对基片上的图形化后的抗蚀剂进 行曝光和固化 ； 曝光工作室 102 与滚珠丝杠 104 通过法兰盘 103 相连接， 曝光工作室 102 的 内顶部 10201 均匀分布安装紫外光源 UV LED 灯， 紫外光源 UV LED 灯上连接光路通道和控 制单元， 组成曝光系统 2 ； 联轴器 105 安装在滚珠丝杠 104 上， 伺服电机 106 安装在联轴器 105 上， 滑块 1011 通过滑轨 1014 安装在机架 6 上， 小支架 1012 安装在机架 6 和伺服电机 106 之间， 连接件 1013 安装在机架 6 和联轴器 105 之间 ； 伺服电机 106、 联轴器 105、 小支架 1012、 连接件 1013、 滚珠丝杠 104、 滑块 1011、 导轨 1014 组成运动功能部件， 实现模板工作台 101 和曝光工作室 102 沿 Z 向上下垂直运动 ； 3 个支承调节块 109 置于模板工作台 101 的底 部， 相互呈 120 度角均匀分布， 支承调节块 109 用来调节模板 3 与基片的压印距离 ； 模板工 作台 101 两侧面设有进气孔 A101011、 进气孔 B101012、 进气孔 C101013。
     图 14 是本发明实施例 2 压印头 1 第二种方案双导杆直线导向三维结构示意图， 它包括模板工作台 101、 曝光工作室 102、 法兰盘 103、 滚珠丝杠 104、 联轴器 105、 伺服电机 106、 导向杆 108、 支承调节块 109、 滑块 1011、 小支架 1012 和连接件 1013， 其中， 曝光工作 室 102 与模板工作台 101 通过螺钉相连， 模板工作台 101 内部设有水平管路 10103 和垂直 管路 10102， 实现压缩空气和真空气体在模板 3 上的均匀分布 ； 模板工作台 (101 应允许曝 光工作室紫外光透过， 并继续透过连接其底部的模板 3， 实现对基片上的图形化后的抗蚀剂 进行曝光和固化 ； 曝光工作室 102 与滚珠丝杠 104 通过法兰盘 103 相连接， 曝光工作室 102 的内顶部 10201 均匀分布安装紫外光源 UV LED 灯， 紫外光源 UV LED 灯上连接光路通道和 控制单元， 组成曝光系统 2 ； 联轴器 105 安装在滚珠丝杠 104 上， 伺服电机 106 安装在联轴 器 105 上， 滑块 1011 安装在机架 6 下部， 导向杆 108 安装在滑块 1011 内部， 小支架 1012 安 装在机架 6 和伺服电机 106 之间， 连接件 1013 安装在机架 6 和联轴器 105 之间 ； 伺服电机 106、 联轴器 105、 小支架 1012、 连接件 1013、 滚珠丝杠 104、 滑块 1011、 导向杆 108 组成运动 功能部件， 实现模板工作台 101 和曝光工作室 102 沿 Z 向上下垂直运动 ； 3 个支承调节块 109 置于模板工作台 101 的底部， 相互呈 120 度角均匀分布， 支承调节块 109 用来调节模板 3 与基片的压印距离 ； 模板工作台 101 两侧面设有进气孔 A101011、 进气孔 B101012、 进气孔 C101013。
     图 15 是本发明整片晶圆纳米压印光刻机的工作过程流程图， 具体工作过程如下 ：
     (1) 纳米压印光刻机系统工作状态初始化过程。将涂铺有抗蚀剂的基片置于承片台 4 的真空吸盘 403 之上， 开启真空吸盘的真空管路 40402， 将基片固定在真空吸盘 403 之 上； 通过方向控制阀， 关闭压印头 1 模板工作台 101 的压力管路， 打开真空管路， 模板 3 吸附 在压印头 1 模板工作台底面 10104 和模板工作台面中的凹槽面 10101 上， 具体说是模板 3 的弹性层 302 的上表面与模板工作台底面 10104 相接触， 模板 3 的支撑层 303 的上表面与 模板工作台面中的凹槽面 10101 相接触。
     (2) 调平过程。首先， 伺服电机 106 通过滚珠丝杠 104 带动压印头 1 快速向下运 动， 直到固定于模板工作台 101 的支撑调节块 109 与承片台 4 上的真空吸盘 403 或者浮动 底座 402 相接触 ； 随后， 降低压印头 1 的下压速度， 压印头继续向下运动， 在压印头 1 下压 力的作用下， 通过承片台 4 的固定基座 401 与浮动底座 402 之间的球形接触配合产生相对 滑动实现固定在压印头 1 上的模板 3 与固定在承片台 4 上的基片平行自适应调整和楔形误 差的补偿 ； 最后， 模板 3 和基片完全调平后， 开启承片台 4 上的固定基座 401 上的真空管路 40401， 在真空负压作用下实现浮动底座 402 在固定基座 402 上的夹紧和固定， 保持调平后 基片和模板 3 之间的相对位姿， 确保在随后压印、 固化和脱模过程中保持模板 3 与基片之间 的相互平行。
     (3) 压印过程。首先， 从模板工作台 101 中心位置 10109 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 3 的弹性层 302 在中心位置 纵向产生弯曲变形， 局部开始接触基片上的抗蚀剂， 模具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 3 中心位置向两侧方向逐一将真空状态转换至压力状态 ( 通 过方向控制阀的切换实现 )， 模板结构层 301 与抗蚀剂的接触面积不断扩大， 直至整个模板 结构层 301 与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， 所有压力通道的压力保持均匀一致性增大， 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， 并且减薄至预定的残留层厚度。
     (4) 固化过程。开启曝光工作室 101 的紫外光光源， 紫外光透过模具对抗蚀剂曝 光， 充分固化图形化的液态抗蚀剂， 固化时间 5-20s( 整片晶圆 )。
     (5) 脱模过程。 首先， 从模板工作台 101 最外两侧开始， 关闭压力管路， 打开真空管 路， 同时开启脱模用的喷嘴 5。在真空吸力和喷嘴压缩空气产生水平力共同作用下， 从最外 侧开始模板 3 与晶圆相互分离 ； 随后， 从晶圆两侧向模板 3 中心逐一将压力转换回真空状态 ( 通过方向控制阀的切换实现 )， 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 ； 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。
     (6) 压印头 1 复位。伺服电机 106 通过滚珠丝杠 104 带动压印头 1 快速向上运动， 返回到系统初始位置。
     (7) 承片台 4 复位。 首先， 关闭承片台真空吸盘上的真空管路， 取下复形后的晶圆， 随后， 关闭承片台固定基座 401 的真空管路 40401， 使浮动底座 402 在固定基座 401 上处于 自由状态。
     整片晶圆纳米压印光刻机中的真空管路系统包括 ： 真空泵 ( 真空发生器 )、 控制 阀、 连接管路 ； 其压印和脱模过程工作的真空度是 ： -10kPa ～ -50kPa ； 真空管路系统分别与 连接承片台内部的真空吸盘、 固定基座、 以及压印头内部的模板工作台的方向控制阀的进 气口相连， 实现基片的固定， 调平后浮动底座的锁紧和固定， 以及提供脱模时的动力源。