【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓印系統(tǒng)有下列4個(gè)部分組成：①收放卷機(jī)構(gòu)；②涂膠機(jī)構(gòu)；③壓印機(jī)構(gòu)；④紫外固化機(jī)構(gòu)。：⑴壓印模板的制備——微米以下圖形的模板一般需要用電子束曝光技術(shù)制備，微米以上圖形的模板一般用光學(xué)曝光的方法制備。 為了實(shí)現(xiàn)無(wú)縫壓印和完全連續(xù)結(jié)構(gòu)的壓印，必須直接在滾筒上制備浮雕結(jié)構(gòu)。 一般的方法有直接在滾筒上用金剛石刀雕刻，鄰近式光學(xué)曝光，激光直寫(xiě)，或者電子束曝光技術(shù)。 ⑵均勻涂膠——控制涂膠的厚度和均勻性，大面積連續(xù)涂布技術(shù)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，應(yīng)用范圍廣泛，主要方法有絲棒涂布，浸沒(méi)涂布，氣刀涂布，刮刀涂布，條縫涂布，凹版涂布，噴印涂布等。 ⑶動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)——通常的方法是利用攝像裝置動(dòng)態(tài)讀取基礎(chǔ)材料表面的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志，反饋給送放卷控制系統(tǒng)，調(diào)整基礎(chǔ)材料的運(yùn)動(dòng)速度。目前還沒(méi)有很成熟的對(duì)準(zhǔn)方法。4. 總結(jié)：大面積連續(xù)納米壓印的技術(shù)難度要比單片納米壓印大得多，盡管在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小幅度的連續(xù)卷對(duì)卷納米壓印，最小壓印線寬也達(dá)到了100nm，但在工業(yè)生產(chǎn)中卻做不到這個(gè)水平，故目前產(chǎn)業(yè)化的大面積柔性材料表面的圖形復(fù)制只能稱為壓印，最小圖形尺寸在幾微米以上，還稱不上納米壓印。（八）塑料微成型技術(shù) 目前，常用于微成型技術(shù)的塑料有三類聚合物：①熱塑性聚合物材料——當(dāng)溫度升高到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料開(kāi)始軟化，軟化后即使溫度降低到臨界點(diǎn)之下，材料成型的形狀仍將保持不變。目前，常用的材料有PC 和 PMMA 。 ②彈膠性聚合物材料——分子的交鏈極弱，材料在室溫下能夠受外力而變形，外力移走后又恢復(fù)原狀。典型材料有PDMS和硅樹(shù)脂。 ③熱固性聚合物材料——又叫做硬塑料，不能被輕易的擠壓成型，從加熱到熔化中間不經(jīng)歷軟化過(guò)程。只有通過(guò)熱澆筑成型，一旦成型則不會(huì)改變。 可以使聚合物材料成型的技術(shù)的包括熱壓成型，注塑成型和澆鑄成型。（1） 熱壓成型 熱壓成型時(shí)直接將模板浮雕圖形轉(zhuǎn)移到聚合物襯底材料上。 加熱和壓印都必須在真空環(huán)境下進(jìn)行，其目的是為了防止模板空腔的氣體無(wú)法逃逸而在模壓材料中形成氣泡。在整個(gè)的壓印過(guò)程中，脫模是最重要的環(huán)節(jié)，若脫模不當(dāng)，會(huì)損壞模壓所形成的結(jié)構(gòu)。（2） 微注塑成型 普通的注塑工藝有6個(gè)步驟：合模，注射，保壓，冷卻，開(kāi)模，取出產(chǎn)品。 微注塑成型并不是簡(jiǎn)單的縮小模具的尺寸，其還涉及到很多新的問(wèn)題: ①為了保證填料均勻，需要更高的壓力和溫度；②在脫模過(guò)程中，注塑件極易受到損傷；③無(wú)排氣孔，故需要預(yù)抽真空，再進(jìn)行注塑；④其他問(wèn)題，如縮短熔料到注塑噴口的流程，使用小尺寸的推進(jìn)螺桿等。 由上述的特性可知，制造微小尺寸的注塑制品需要專門(mén)的注塑機(jī)。同時(shí)，微型模具的制作也是微注塑的成功的關(guān)鍵。 微注塑的模具必須是金屬材料的，常用的加工微模具的方法有：精密機(jī)械車銑，電火花微加工，紫外曝光+電鑄，電子束曝光+電鑄等，各種方法所能達(dá)到的結(jié)構(gòu)尺寸和深寬比是不同的。微注塑與微模壓的區(qū)別是：微模壓只構(gòu)成表面浮雕結(jié)構(gòu)，而微注塑則可以獲得較為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。 注塑不僅可以獲得塑料結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)元件，還可以制造金屬或陶瓷微結(jié)構(gòu)，分別稱為金屬模鑄和陶瓷模鑄。（3） 澆鑄成型 澆鑄成型技術(shù)主要指的是在PDMS或硅膠一類的彈膠性聚合物材料上制作微浮雕結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)。 近年來(lái)，PDMS被大量用來(lái)制造各種微流體器件和系統(tǒng)，其主要原因是該方法具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①制作工藝簡(jiǎn)單，母版可以大量的重復(fù)的使用；②固化的PDMS片可以貼到任何光滑平整的表面；③未進(jìn)行表面氧化處理的PDMS呈疏水性，經(jīng)過(guò)表面氧化處理之后，親水性可以大大的改變；④固化后的PDMS有非常好的透明度。 沉積法圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)（一） 引言微納米加工的最終目的是制造具有各種功能的微納米結(jié)構(gòu)和器件。其功能來(lái)自于形成微納米結(jié)構(gòu)的各種特殊材料，但之前所述的圖形成像技術(shù)所獲得的微納米機(jī)構(gòu)一般沒(méi)有什么實(shí)際的作用，故下一步應(yīng)將前期形成的有機(jī)聚合物圖形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到各種功能材料上。圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)可分為兩大類：①沉積法圖形轉(zhuǎn)移—— 以光刻膠為掩?；蛴闷渌谀Ｐ问綄⒘硪环N材料沉積到襯底上。 ②刻蝕法圖形轉(zhuǎn)移——以光刻膠圖形為掩模將襯底或襯底上的薄膜刻蝕清除。（二） 薄膜沉積技術(shù) 沉積薄膜的方法很多，主要包括物理和化學(xué)氣相沉積，分子束外延技術(shù)，旋轉(zhuǎn)涂覆或噴涂方法，電鍍方法等。 其中以物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）為主。物理氣相沉積包括熱蒸發(fā)沉積（電阻蒸發(fā)沉積和電子束蒸發(fā)沉積）和等離子體濺射沉積 （直流濺射，射頻濺射，磁控射頻濺射）；化學(xué)氣相沉積包括低壓型（LPCVD），常壓型(APCVD)，等離子體增強(qiáng)型(PECVD)和金屬有機(jī)化合物型(MOCVD)。考察一種方法是否適用于溶脫剝離法圖形轉(zhuǎn)移取決于以下兩點(diǎn): ①沉積過(guò)程中的襯底溫升；②沉積的方向性。 對(duì)于①，由于溶脫剝離法以光刻膠作為掩模，溫度大于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，光刻膠會(huì)軟化并會(huì)流動(dòng)，故CVD方法一般不適用于剝離法圖形轉(zhuǎn)移。對(duì)于②，沉積的方向性直接決定于是否能夠成功的玻璃沉積的薄膜，只有方向性好的情況下，玻璃后的圖形才會(huì)較為良好。 綜合以上①②兩點(diǎn)，只有熱蒸發(fā)式薄膜沉積可以同時(shí)滿足以上兩點(diǎn)要求，最適合于溶脫剝離法。熱蒸發(fā)式薄膜沉積的沉積速率取決于蒸發(fā)源和襯底的距離以及蒸發(fā)源和襯底的相對(duì)位置。由于蒸發(fā)源為一個(gè)面源，根據(jù)余弦定理，當(dāng)蒸發(fā)源于襯底位于同一球面時(shí)，所獲得的薄膜是均勻的。在實(shí)際情況下，樣品不可能為一球面，但可以將其放置在一個(gè)球面形狀的支架上，以獲得均勻的薄膜。但是由于位于非垂直于蒸發(fā)源的位置上，薄膜的方向性會(huì)受到影響，進(jìn)而會(huì)影響圖形轉(zhuǎn)移的成功率。濺射法薄膜沉積借助于等離子體轟擊靶材料實(shí)現(xiàn)靶材料原子向樣品表面的沉積。常用的有直流放電型，射頻放電型和磁控射頻放電型。 綜上可知，熱蒸發(fā)沉積的方向性好，但薄膜質(zhì)量差；濺射法雖然方向性不如熱蒸發(fā)沉積，但其成膜的質(zhì)量好，而且襯底的溫升也比較低。同時(shí)，為了改善濺射法的方向性，有以下兩種方法，可供考慮：①增加電極間距，可以降低放電室的氣壓，但是增加間距會(huì)使靶材料的利用率降低；②安裝準(zhǔn)直管，準(zhǔn)直管實(shí)際上是一個(gè)過(guò)濾裝置，其作用是只允許那些垂直或接近于垂直飛行的濺射靶原子到達(dá)樣品表面。當(dāng)沉積合金薄膜時(shí)，濺射法要優(yōu)于蒸發(fā)法。（三） 溶脫剝離法 原理：由光學(xué)或電子束曝光首先形成有機(jī)聚合物的圖形，然后在沉積薄膜之后將有機(jī)聚合物層用丙酮等溶劑清除，凡沒(méi)有被光刻膠覆蓋的區(qū)域都將留下金屬薄膜，這樣就實(shí)現(xiàn)了有光刻膠圖形向金屬薄膜圖形的轉(zhuǎn)移。 實(shí)現(xiàn)成功剝離的關(guān)鍵是保證在光刻膠上的薄膜與沉積的襯底上的薄膜是不連續(xù)的，或者是薄膜的覆蓋性差。 為了實(shí)現(xiàn)上述的要求，需做到以下兩點(diǎn)：①沉積的薄膜厚度遠(yuǎn)小于光刻膠層的厚度（可以通過(guò)涂厚膠層來(lái)滿足）；②薄膜只沿著垂直方向沉積（取決于薄膜沉積的方向性）。為了彌補(bǔ)由于方向性差所引起的薄膜連續(xù)覆蓋問(wèn)題，可以將光刻膠的剖面結(jié)構(gòu)做底寬上窄的形狀，稱為下切形狀。光學(xué)曝光的光刻膠剖面一般都是上切剖面，電子束曝光則有可能通過(guò)調(diào)整曝光劑量實(shí)現(xiàn)下切的抗蝕剖面形狀（一般低能量的電子束在高劑量曝光條件下有可能實(shí)現(xiàn)下切形狀的抗蝕劑剖面）。實(shí)現(xiàn)下切剖面的更直接的方法是采用多層光刻膠或者抗蝕劑結(jié)構(gòu)。①最早使用的方法是使用兩種不同相對(duì)分子質(zhì)量的PMMA，高相對(duì)分子量的在上，低相對(duì)分子量的在下。②近年來(lái)開(kāi)發(fā)了一種專門(mén)用于薄膜剝離的有機(jī)聚合物L(fēng)OR，用它也可以實(shí)現(xiàn)分別顯影。LOR本身不是一種對(duì)紫外光或電子束敏感的聚合物材料，以PMMA為頂層，以LOR為底層，其下切范圍完全由溶解時(shí)間所控制。③除了LOR外，也可以采用其他材料作為底層，如PMMA和鋁層的組合（以鋁作為底層還可以避免電荷累積效應(yīng)）。雖然利用下切剖面可以防止沉積薄膜的連續(xù)性，能否成功實(shí)現(xiàn)溶脫剝離法圖形轉(zhuǎn)移還取決于薄膜的玻璃工藝。①傳統(tǒng)的方法是用丙酮或特殊的清潔溶劑將襯底上的抗蝕劑層完全的溶解；②近年來(lái)所開(kāi)發(fā)的新方法是通過(guò)向表面噴射固態(tài)二氧化碳顆粒的方法來(lái)清除抗蝕劑與殘留薄膜。用光學(xué)曝光和電子束曝光一般可以形成光刻膠或電子束抗蝕劑的下切剖面。但由納米壓印形成的壓印膠圖形結(jié)構(gòu)則很難形成下切剖面，因?yàn)橄虑衅拭媾c納米壓印的脫模是相互矛盾的。比較有效的溶模剝離方法是溶劑浸泡和超聲振動(dòng)相結(jié)合。金屬薄膜剝離圖形轉(zhuǎn)移一般都是在正型抗蝕劑上實(shí)現(xiàn)，但其難以實(shí)現(xiàn)大面積的薄膜覆蓋；采用負(fù)型光刻膠雖然可以獲得大面積的沉積薄膜，但其難以形成下切剖面結(jié)構(gòu)。 為了解決上述問(wèn)題，常采用雙層抗蝕劑結(jié)構(gòu)，一種常用的雙層抗蝕劑結(jié)構(gòu)是HSQ和PMMA的組合。所用的方法是負(fù)型溶脫剝離法圖形轉(zhuǎn)移（negative tone lift—off）。注意：溶脫剝離法不僅僅限于金屬薄膜圖形的剝離，還可以對(duì)某些非金屬材料通過(guò)溶脫剝離法形成圖案，但是其上的薄膜是通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂覆的方式獲得的。而且，這些液體膜材料一般溶解在某些有機(jī)溶劑中，必須確保這些有機(jī)溶劑不會(huì)和光刻膠發(fā)生反應(yīng)。 （四）電鍍法使用溶脫剝離法雖然可以制作各種金屬微納米結(jié)構(gòu)，但是圖形的高度有限，為了獲得較厚的金屬結(jié)構(gòu)或者高深寬比的微納米金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，常采用電鍍或化學(xué)鍍來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移。金屬電鍍制作微納米結(jié)構(gòu)的過(guò)程可以分為三個(gè)步驟：①在襯底上制作一層金屬導(dǎo)電薄膜作為起始襯底，然后通過(guò)光刻或電子束曝光形成光刻膠或者抗蝕劑掩膜；②將基片放入電鍍池中，連接成電路形式，金屬電極便會(huì)釋放離子并參沉積到襯底表面暴露的金屬層上；③將光刻膠掩膜去除并腐蝕清除襯底表面的其余金屬薄膜，這樣便得到了金屬微結(jié)構(gòu)圖形。電鍍法的主要用途：①制作計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的磁頭；②填充集成電路金屬互聯(lián)線的連接深孔；③制作金屬微機(jī)電系統(tǒng)。使用化學(xué)鍍也可以沉積厚膜金屬材料，使用無(wú)機(jī)金屬鹽和化學(xué)還原劑混合可以在某些材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將被還原的金屬原子沉積到材料表面，最常用的金屬是銅和鎳。 雖然使用化學(xué)鍍可以比較容易的獲得完全覆蓋的沉積，但由于難以獲得純金屬沉積層，而且沉積速率慢，可用的金屬范圍有限，故微納米圖形轉(zhuǎn)移還是以電鍍法為主。電鍍法的另一個(gè)主要應(yīng)用是制作聚焦X射線的波帶片（可聚焦X射線的菲涅爾透鏡）或X射線曝光用的掩模。由于Rx=ΔrMZP ,這說(shuō)明波帶寬度越小，分辨率就越高。 X射線波帶片一般用電子束曝光和電鍍發(fā)沉積金相結(jié)合的方法來(lái)制作。電鍍法圖形轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵問(wèn)題是電鍍層的均勻性。電流分布的均勻性就決定了電鍍層的均勻性。（五）嵌入法 在大規(guī)模集成電路中為了將數(shù)億只晶體管互相連接起來(lái)形成各種功能的電路系統(tǒng)，除了單層互聯(lián)之外，還要形成多層互聯(lián)。層與層之間的互聯(lián)是通過(guò)打通層之間的深孔并填充金屬導(dǎo)電材料來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 其中最重要的一種工藝就是嵌入法（Damascene process）.其過(guò)程為：①首先用深刻蝕方法形成連通孔；②然后通過(guò)沉積將銅材料填充到連通孔之中；③最后通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光工藝將表面磨平，以便進(jìn)行下一步的光刻加工工序。 雙重嵌入工藝是指用一次沉積填充同時(shí)完成平面和連通孔的金屬互聯(lián)，而單重嵌入工藝只作深連通孔的金屬填充。 銅的沉積可以通過(guò)物理方法（濺射），化學(xué)方法（CVD），或電鍍方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于濺射在孔的入口處和內(nèi)部的沉積速度不同，而CVD方法的沉積速率太慢，故一般采用電鍍方法作為，電鍍法成本低，沉積速度快，是一中有效的填充深孔的方法。（六）模板法 模板印刷有兩種形式：絲網(wǎng)模板印刷和鏤空模板印刷。絲網(wǎng)模板是在絲網(wǎng)上形成掩模圖案，涂料通過(guò)絲網(wǎng)印刷到基板上，鏤空模板是在模板上之間形成鏤空?qǐng)D案，涂料通過(guò)鏤空?qǐng)D形印刷到基板上。 絲網(wǎng)模板印刷是一種傳統(tǒng)的工業(yè)印刷技術(shù)。由于絲網(wǎng)本身的網(wǎng)眼的限制，絲網(wǎng)印刷的圖形的尺寸一般在幾十微米到數(shù)百微米以上。絲網(wǎng)模板印刷在制造厚膜壓電材料器件方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 鏤空模板印刷也是一種傳統(tǒng)的工業(yè)印刷技術(shù)。印刷材料既可以像絲網(wǎng)印刷那樣刷涂，也可以用熱蒸發(fā)的方法蒸發(fā)沉積到襯底表面。 在印刷過(guò)程中，為了防止模板和襯底直接接觸會(huì)損傷模板，二者之間一般留有一個(gè)很小的間隙。 鏤空模板又稱為陰影掩模，陰影掩模的圖形轉(zhuǎn)移率是1∶1 。 陰影掩模的優(yōu)點(diǎn)是：①可以選擇任意一個(gè)局部位置進(jìn)行薄膜沉積；②薄膜圖案一步形成；③薄膜在真空環(huán)境下直接沉積到新鮮表面，可以避免污染和氧化；④無(wú)曝光過(guò)程，因此沒(méi)有光干涉所引起的各種鄰近效應(yīng)和圖形尺寸不一致效應(yīng)。 陰影掩模的局限性和缺點(diǎn)是：①只能做單層薄膜；②掩模經(jīng)過(guò)多次使用后，沉積材料會(huì)逐漸在掩?？字車e累，使得掩?？卓s小以至于完全堵塞；③但掩模尺寸在1μm以下時(shí)，掩模的直角圖形在沉積時(shí)會(huì)變成圓形；④大面積陰影掩模存在一個(gè)熱穩(wěn)定性問(wèn)題；⑤陰影掩模本身的制造工藝復(fù)雜，限制了所能達(dá)到的分辨率。（七）噴墨打印法 噴墨打印的最小線寬一般在20μm左右，遠(yuǎn)低于于目前最為先進(jìn)的集成電路20nm左右的最小線寬。但由于其具有低成本，對(duì)襯底材料的無(wú)選擇型的優(yōu)點(diǎn)，在不要求高精度和高分辨率的領(lǐng)域，噴墨打印還是大有用武之地的。 噴墨打印有兩種實(shí)現(xiàn)方式：①連續(xù)噴墨（CCD）——墨液由壓電驅(qū)動(dòng)器推壓從液槽中以連續(xù)流形式出來(lái)，在重力作用下連續(xù)流變成斷續(xù)流，通過(guò)偏轉(zhuǎn)可以使其到達(dá)預(yù)定的位置；②斷續(xù)噴墨（DOD）——直接產(chǎn)生的液滴并將其噴射到打印表面，是一種“按需噴墨”的方式。DOD方法根據(jù)其噴墨頭的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為：Ⅰ 壓電驅(qū)動(dòng)噴墨；Ⅱ 熱驅(qū)動(dòng)噴墨。 對(duì)于以上兩種技術(shù)，CCD的裝置簡(jiǎn)單，成本低，但形成的液滴較大，一般在50 ~500μm；DOD技術(shù)的分辨率取決于噴嘴尺寸，一般噴嘴直徑在10μm左右，而形成的液滴尺寸一般為噴嘴尺寸的兩倍。除了噴墨打印頭本身的設(shè)計(jì)之外，要實(shí)現(xiàn)高分辨率的噴墨打印還取決于以下兩點(diǎn)：①噴墨液體的性質(zhì)；②打印表面的性質(zhì)。 對(duì)于噴墨液體，我們要求：①液體必須有足夠低的黏度；②液體必須能夠在表面迅速的干燥并形成牢固附著，但又不能在噴嘴口處干燥；③液體可以保持原來(lái)的尺寸而不至于過(guò)分的擴(kuò)散。最終實(shí)現(xiàn)高分辨率的方法是縮小噴嘴的尺寸，但又不能做到過(guò)小，這樣會(huì)導(dǎo)致液體噴出的阻力增大。針對(duì)以上這些問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了一些新的方法。①氣流噴射打印——先將打印墨水在一個(gè)腔體內(nèi)霧化，再將霧化后的墨滴通過(guò)高壓氣流由噴嘴噴出，