[发明专利]用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米压印软模具结构及其制造方法，尤其涉及一种用于大尺寸非平整衬底晶圆级纳米压印工艺的复合软模具结构及制造方法，属微纳米制造技术领域。

背景技术

纳米压印光刻(NanoimprintLithography,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具有高分辨率、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LED纳米图形化、高密度磁盘介质（HDD）、光学器件（如光学透镜、衍射光学元件、光栅等）、太阳能光伏器件、微流控器件等领域的广泛应用，对于大面积和晶圆级纳米压印工艺的需求越来越迫切，同时压印面积也变得越来越大、复形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光刻的方法主要有两种：第一种是采用步进重复纳米压印工艺（Step-and-repeat NIL）；第二种是采用单步整片晶圆纳米压印光刻。与采用步进重复纳米压印光刻工艺实现大面积图形化方法相比，采用整片晶圆（晶圆级）纳米压印光刻(Full wafer NIL,Wafer-level NIL,Wafer scale NIL)具有生产率高、图形均匀和一致性好、成本低等显著的优点。目前实现单步整片晶圆纳米压印光刻的工艺主要有两种：采用硬模具的整片晶圆热压印工艺，但是该方法对于衬底的平整度和衬底硬度要求较高，不适合非平整（弯曲、翘曲或者台阶）、曲面衬底以及易碎性衬底（如LED图形化）的压印。第二种方法是基于PDMS等聚合物材料的软紫外纳米压印，但PDMS弹性模量较低，大面积压印过程中大的压印力易于导致其产生变形（更严重会引起根部倒塌、侧向倒塌等严重缺陷），难以实现高分辨、高密度和大深宽比图形的制造（如sub-50nm图形的压印），耐磨性和硬度等机械特性差，其工作寿命也非常短，难以满足工业级应用的要求；另外PDMS还存在一个很大的不足：在有机溶剂中易于膨胀问题（Swell）和变形，严重影响压印图形的精度、模具寿命和压印图形的尺寸稳定性。因此，现有的软UV-NIL工艺广泛使用的弹性透明PDMS模具面临难以实现高分辨率和高密度以及大深宽比图形的制造、较低的使用寿命、在有机溶剂中易于膨胀问题（Swell）和变形大等挑战性技术难题。此外，随着软UV-NIL在LED图形化、光电子器件、纳光子器件和微光学器件的广泛应用，对于软UV-NIL工艺中使用的软模具又提出了更加苛刻的工艺要求。例如，对于使用晶圆级纳米压印工艺进行LED外延片图形化，还面临如下技术难题：（1）晶圆不平整，会有数微米尺寸的尖锐突起。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℃。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；（2）晶圆表面不是非常清洁，可能有污物和缺陷；（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。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。对于微光学器件如透镜，需要在曲面衬底表面制造大面积微纳米结构。因此，迫切需要开发新的软模具材料和结构形式，以适应大尺寸整片晶圆纳米压印工艺，以及各种衬底（非平整、台阶、曲面衬底以及易碎性衬底）晶圆级纳米压印工艺的需求，提高软模具的使用工作寿命，解决大面积纳米压印的脱模技术难题，提高压印图形的质量和精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于非平整衬底晶圆级纳米压印的复合软模具及制造方法，解决现有的模具难以满足大尺寸、非平整衬底晶圆级纳米压印工艺的要求，为大尺寸整片晶圆纳米压印工艺的实现和应用提供一种工业级的解决方案。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。