紫外纳米压印光刻——涂层技术对图案质量的影响

近年来，紫外纳米压印光刻技术（UV-NIL）作为一种极具吸引力的图案技术崭露头角，如今已成为晶圆级光学器件、增强现实和生物医学诊断等应用领域被认可的一种合适批量制造生产的解决方案。材料、设备和工艺技术的不断发展拓宽了 UV-NIL 的应用领域，并证实 UV-NIL 是一种非常灵活高效的技术，可用于制造各种形状的 3D 图案。由于这种可扩展技术的成熟及其与标准半导体制造环境的兼容性，UV-NIL成为各种新兴应用的首选方法。

对于适合大批量生产的技术而言，必须考虑到环境问题，如操作能耗、材料消耗以及废物管理。通常情况下，使用 400 mW LED 光源（365 nm）照射 UV-NIL 印迹几秒钟后，印迹就已经完全交联，这与深紫外（DUV）和极紫外（EUV）等光刻技术使用的光源相比功率相当低。更重要的是，涂层技术产生的材料消耗影响可被视为降低 UV-NIL 产品成本和二氧化碳排放量的一个重要因素。

技术介绍

旋涂是在基底上沉积 UV-NIL 树脂薄膜的最成熟方法。旋涂工艺首先是在基底表面分配树脂溶液。然后高速旋转晶片，使各层均匀化。最终的薄膜厚度由旋转速度、表面张力和树脂前体的粘度控制。然而，旋涂技术的材料利用率非常低：一般来说，在加工过程中，约 95-98% 的材料被剥离和处理，而旋出后仅有 2-5% 的材料留在基底上可供使用。

另一种可减少树脂消耗的涂层技术：喷涂是一种在基底上沉积均匀薄层的技术，对形状、尺寸和表面形貌没有限制 。在喷涂过程中，晶片保持静止，超声波喷嘴以规定的速度在基底上移动。薄膜厚度由树脂的粘度、类型、喷嘴的速度以及点胶率决定。

还有一种低树脂消耗的静态涂层技术是喷墨涂层。喷墨涂层利用单滴光刻胶实现精确的体积控制，消除了旋涂过程中典型的光刻胶浪费。将具有规定材料体积的液滴放置在预定义的位置，这样就能根据特定 NIL 印章的布局调整出高度定制的涂层。薄膜厚度由树脂粘度、液滴大小和放置密度决定。

▲适用于UV-NIL的各种涂层技术的工艺流程示意图

本文研究旨在比较不同的涂层技术及其对压印结果的影响，将介绍使用增强现实典型图案几何形状的实验结果和对所需树脂消耗的评估。在这项研究中，研究人员比较了旋转涂层、喷涂和喷墨涂层三种方法（用于UV-NIL技术的树脂沉积的涂层技术）；研究了高折射率材料和无填充材料在涂层厚度均匀性以及最终压印图案保真度方面的表现；还对比了三种技术在树脂体积消耗和工艺时间方面的差异。（研究验证过程可点击关注，发送关键词“紫外纳米压印光刻”获取原文！）

技术比较

旋涂在光子学和半导体应用中一种已经成熟的涂层技术。其优点在于能够形成均匀的涂层，通常在200mm的晶圆上，涂层厚度的变化可以控制在1%以内，展现了出色的层均匀性。然而，旋涂技术在经济效率和材料利用方面确实存在一些挑战。

在考虑涂覆晶圆所需的树脂量与实际在晶圆上形成涂层所使用的树脂量之比时，旋涂技术的经济性并不高效，尤其是在使用昂贵涂层树脂的情况下。此外，旋涂过程中会产生大量的废料，例如含有纳米填料的高折射率树脂或其他难以处理的材料，这不仅增加了生产成本，还可能对环境造成负面影响。

另一个需要注意的点是，如果只需要在晶圆表面的特定区域进行涂覆，旋涂技术则显得不够灵活。为了实现特定的抗蚀结构，通常需要使用额外的步骤，如光刻或剥离技术。这些额外的步骤不仅增加了材料和能源的消耗，还可能导致产品成本的上升以及可持续性的降低。

与旋涂相比，喷涂显著减少了树脂的消耗。但相对于旋涂来说，喷涂技术尚未成熟，喷涂兼容的NIL树脂的供应链并不完善，并且关于最终层中纳米粒子的分布等问题也尚未完全解决。此外，喷涂在产品晶片上的集成也是一个挑战，因为即使使用阴影掩模也很难实现局部定义的涂层点，掩模在光斑尺寸方面有限制，并需要频繁的清洁程序。除了节省树脂外，喷涂的一个明显优势是，通过选择低沸点的溶剂，可以在外部上涂覆一层共形层。

喷墨涂层将是旋涂的替代品。它在层均匀性低于 5% 的情况下显示出与旋涂相似的压印结果，并且显著降低了树脂消耗和产生的废物量。尽管供应链水平尚未达到旋涂技术那样成熟，但最近对这项技术的兴趣正在推动树脂供应商投资开发用于不同应用和折射率的喷墨树脂。喷墨涂层另一个优点是可以根据设备的布局按需分配液滴来调整涂层厚度。即使结构的填充因子发生变化，也可以形成均匀的印迹残余层，这在将压印用作蚀刻掩模时至关重要。此外，还可以使用喷墨涂层在特定定义的区域进行涂覆，这有利于产品集成。

结论

研究结果显示，这三种涂层技术均适用于UV-NIL树脂的沉积。其中，旋转涂层和喷墨涂层在薄膜质量和折射率均匀性方面略优于喷涂涂层。然而，对于含有纳米粒子的高折射率树脂，还需要进一步探究喷涂涂层中纳米粒子的分布情况，以便更好地了解它们对最终涂层折射率的影响。

总的来说，喷墨涂层技术是一种非常有前途的UV-NIL树脂沉积方法，其产生的高涂层质量与旋涂技术相媲美。尽管喷墨涂层技术具有调整控制薄膜厚度以适应布局和仅涂覆特定区域的能力，这些显著优势超过旋涂技术，但这项技术仍面临一些挑战：其中一个主要问题是流体动力学的了解——由于单个液滴的局部沉积，树脂性质和表面润湿性质之间的相互作用对于形成均匀的树脂层至关重要。因此，需要进一步研究以优化和匹配树脂、基材表面特性和喷射过程，从而使喷墨涂层成为多种应用中旋转涂层的替代方案。

文章来源：发表于Nanoimprinting and Sustainability特辑

https://doi.org/10.3390/nanomanufacturing4010005