整片晶圆纳米压印的装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术具有结构简单、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。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本技术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 此本技术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。本技术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，本技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：兰红波，丁玉成，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：实用新型
国别省市：95