謝志誠臺灣大學：生物產業機電工程學研究所李冠霖Li, Kuan-LinKuan-LinLi2007-11-262018-07-102007-11-262018-07-102006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/52909奈米壓印微影技術是一種利用電子束微影技術在母模上製作奈米尺度之圖形，然後將母模壓在塗佈有高分子材料之基材上，以達到圖形轉移目的之微奈米機電製程技術，具有可量產和低成本等優點。 本研究以石英作為母模材料，先後於石英母模上沉積與塗佈厚度約100nm之鉻薄膜與380nm之正光阻ZEP-520A，然後利用電子束微影技術在光阻上定義圖形，經曝光、顯影後，利用高密度活性離子蝕刻系統對鉻、石英進行蝕刻，完成母模之製備，然後利用脫模劑Tridecafluoro-1,1,2,2,tetrahydrooctyl trichlorosilane對石英母模進行表面處理，以在石英母模表面形成脫膜層，降低石英母模之表面能量。 最後，採用光固化奈米壓印技術，將表面處理後之母模壓印到塗佈有負光阻mr-L 6000.3 XPe之矽基材上，以獲得與石英母模一樣之圖形。 研究結果顯示：本研究已成功地在石英母模上完成線寬為80nm~120nm之圖形，並成功地將母模上之圖形移轉到塗佈有負光阻mr-L 6000.3 XPe之基材上。Nanoimprint lithography technology (NIL) has emerged as one of the most promising technologies for high-throughput nanoscale patterning. It consists in replicating the patterns of template fabricated by electron beam lithography and reactive ion etching, by deforming physically a cross-linked polymer coated on substrate. In this research, quartz is selected as the template material because of its transparency and high hardness. First, a 100nm thick Cr as a conducting layer is deposited on quartz template by thermal evaporation. Then, a 380nm thick positive photo-resist ZEP-520A is spin coated on Cr layer. After E-beam lithography, the quartz template is fabricated by high density plasma reactive ion etch. Afterwards, the surface of the quartz template is treated by Tridecafluoro-1,1,2,2,tetrahydrooctyl trichlorosilane to form a self-assembling release layer. Finally, photo-curing NIL is accomplished by pressing the surface-treated template to Si-substrate coated with cross-linked polymer mr-L 6000.3Xpe. This research has successfully defined 60~100nm width resist features. Features of 80~120nm are resolved on the mode and transferred to the polymer after imprinting.目錄 誌謝 I 摘要 II Abstract III 圖目錄 VII 表目錄 XII 第一章 前言 1 第二章 文獻探討 3 2-1 奈米壓印微影技術 3 2-1-1 熱壓型 3 2-1-2 光固化型 8 2-2 石英母模 11 2-2-1 石英加工 11 2-2-1-1濕蝕刻 11 2-2-1-2乾蝕刻 13 2-2-2 母模之製備 15 2-2-2-1 Thin-Cr母模製程 16 2-2-2-2 TCO/Oxide母模製程 19 2-2-2-3 HSQ/TCO母模製程 20 2-2-2-4 Lift-off母模製程 21 2-3 母模之表面處理 23 2-3-1 脫模層之形成 23 2-3-2 表面處理效果之檢驗 26 第三章 材料與方法 27 3-1實驗設備 27 3-2 實驗材料 33 3-2-1 母模材料 33 3-2-2 電子束光阻材料 33 3-2-3 脫模劑 33 3-2-4 壓印基材 33 3-2-5 高分子材料 33 3-3石英母模之製備 34 3-3-1 試片之清洗與烘乾 34 3-3-2 金屬薄膜沉積 34 3-3-3 電子束微影 37 3-3-4 鉻與石英之蝕刻 41 3-4 表面能量之分析 43 3-5 高分子材料之塗佈 46 3-6 壓印 47 第四章 結果與討論 48 4-1 鉻薄膜之沉積 48 4-2 光阻之塗佈與軟烤 49 4-3 電子束微影 50 4-4 鉻之蝕刻 57 4-5 石英之蝕刻 61 4-6 表面處理 65 4-6-1 以液相之OTS與FOTS處理 66 4-6-2 以氣相之FOTS處理 69 4-7 壓印 73 第五章 結論 84 參考文獻 86 圖目錄 圖2-1-1 熱壓型NIL之流程 4 圖2-1-2 NIL之成品 5 圖2-1-3 LADI之流程 6 圖2-1-4 LADI之成品 7 圖2-1-5 S-FIL之流程 8 圖2-1-6 光固化型奈米壓印微影之成品 9 圖2-1-7 光固化奈米壓印微影流程 10 圖2-1-8 光固化型奈米壓印微影技術之成品 10 圖2-2-1 不同晶格矽之濕蝕刻結果 12 圖2-2-2 石英濕蝕刻後之結果 13 圖2-2-3 石英乾蝕刻後之結果 14 圖2-2-4 蝕刻速率與RF power之關係 15 圖2-2-5 蝕刻速率與蝕刻時間之關係 15 圖2-2-6 Thin Cr母模製程 16 圖2-2-7 劑量與關鍵尺寸之關係 17 圖2-2-8 改用ZEP-520後劑量與關鍵尺寸之關係 18 圖2-2-9 Thin-Cr母模製程之成品 18 圖2-2-10 TCO/Oxide母模製程 19 圖2-2-11 TCO/Oxide母模製程之成品 20 圖2-2-12 HSQ/TCO母模製程 20 圖2-2-13 HSQ/TCO母模製程之成品 21 圖2-2-14 Lift-off母模製程 22 圖2-3-1 表面處理之水解過程 24 圖2-3-2 表面處理之吸附過程 24 圖2-3-3 表面處理之聚合縮合過程 25 圖2-3-4 表面處理示意圖 25 圖2-3-5 母模表面之耐久性測試 26 圖2-3-6 母模壓印次數與接觸角之關係 26 圖3-1-1 熱蒸鍍機 29 圖3-1-2 加熱板與旋轉塗佈機 29 圖3-1-3 電子束微影系統 30 圖3-1-4 恆溫水浴槽 30 圖3-1-5 掃描式電子顯微鏡 30 圖3-1-6 表面輪廓儀 31 圖3-1-7 原子力顯微鏡 31 圖3-1-8 高密度活性離子蝕刻系統 31 圖3-1-9 測角儀 32 圖3-1-10 光固化型壓印機 32 圖3-3-1蒸鍍基本原理示意圖 36 圖3-3-2 電子束蒸鍍原理示意圖 37 圖3-3-3（a）傳統紫外光微影 （b）電子束微影 38 圖3-3-4 不同能量的電子在光阻內的散射情形 39 圖3-3-5 背向散射示意圖 40 圖3-3-6 電荷累積效應 40 圖3-4-1 接觸角量測系統架構圖 43 圖3-4-2 固液間接觸角關係圖 44 圖4-1 鉻沉積結果 48 圖4-2 光阻塗佈結果 49 圖4-3-1 電子束往復刻畫之圖形（線寬100nm、週期600nm） 50 圖4-3-2 試片上微影場域分佈與曝光時間 51 圖4-3-3 線寬100nm、週期600nm在不同曝光時間之結果（SEM圖） 51 圖4-3-4 電流300pA，曝光時間0.1μs之結果（SEM圖） 52 圖4-3-5 電流300pA，曝光時間1.6μs之結果（SEM圖） 52 圖4-3-6 電子束單向刻畫之圖形（週期600nm） 53 圖4-3-7 試片上微影場域分佈與曝光時間 53 圖4-3-8 TV模式測量之結果（曝光時間1.7μs，線寬80nm） 54 圖4-3-9 Slow模式測量之結果（曝光時間1.7μs，線寬擴大為120nm） 55 圖4-3-10 TV模式測量之結果（曝光時間0.7μs，線寬60nm） 55 圖4-3-11 Slow模式測量之結果（曝光時間0.7μs，線寬擴大為90nm） 56 圖4-4-1 ZEP-520A之反應性離子蝕刻（蝕刻時間60秒） 58 圖4-4-2 鉻蝕刻後線寬100nm之圖形（曝光時間2.9μs，20000X） 58 圖4-4-3 鉻蝕刻後線寬90nm之圖形（曝光時間2.2μs，20000X） 59 圖4-4-4 鉻蝕刻後線寬80nm之圖形（曝光時間1.7μs，20000X） 59 圖4-4-5 鉻蝕刻後線寬70nm之圖形（曝光時間1.2μs，20000X） 60 圖4-4-6 鉻蝕刻後線寬60nm之圖形（曝光時間0.7μs，20000X） 60 圖4-5-1 石英蝕刻後線寬120nm之圖形（40000X） 61 圖4-5-2 石英蝕刻後線寬110nm之圖形（40000X） 62 圖4-5-3 石英蝕刻後線寬100nm之圖形（40000X） 62 圖4-5-4 石英蝕刻後線寬90nm之圖形（40000X） 63 圖4-5-5 石英蝕刻後線寬80nm之圖形（40000X） 63 圖4-5-6 線寬100nm之石英母模溝槽深度 64 圖4-5-7 線寬80nm之石英母模溝槽深度 64 圖4-6-1 未處理之石英試片與水接觸角 65 圖4-6-2 未處理之石英試片與甘油接觸角 65 圖4-6-3 未處理之石英試片與二碘甲烷接觸角 66 圖4-6-4 以液相之OTS與FOTS處理後之結果比較 69 圖4-6-5 氣相處理腔 70 圖4-6-6 以氣相之FOTS與液相之FOTS處理後之結果比較 72 圖4-7-1（a） 線寬120nm之石英母模（5000X） 74 圖4-7-1（b） 線寬120nm之壓印結果（5000X） 74 圖4-7-2（a） 線寬120nm之石英母模（10000X） 75 圖4-7-2（b） 線寬120之壓印結果（10000X） 75 圖4-7-3（a） 線寬110nm之石英母模（5000X） 76 圖4-7-3（b） 線寬110nm之壓印結果（5000X） 76 圖4-7-4（a） 線寬110nm之石英母模（10000X） 77 圖4-7-4（b） 線寬110nm之壓印結果（10000X） 77 圖4-7-5（a） 線寬100nm之石英母模（5000X） 78 圖4-7-5（b） 線寬100nm之壓印結果（5000X） 78 圖4-7-6（a） 線寬100nm之石英母模（10000X） 79 圖4-7-6（b） 線寬100nm之壓印結果（10000X） 79 圖4-7-7（a） 線寬90nm之石英母模（5000X） 80 圖4-7-7（b） 線寬90nm之壓印結果（5000X） 80 圖4-7-8（a） 線寬90nm之石英母模（10000X） 81 圖4-7-8（b） 線寬90nm之壓印結果（10000X） 81 圖4-7-9（a） 線寬80nm之石英母模（5000X） 82 圖4-7-9（b） 線寬80nm之壓印結果（5000X） 82 圖4-7-10（a） 線寬80nm之石英母模（10000X） 83 圖4-7-10（b） 線寬80nm之壓印結果（10000X） 83 表目錄 表2-1-1 NIL技術之應用 7 表2-2-1 蝕刻液與晶軸方向之濕蝕刻速率 12 表3-4-1 常見測試液體之表能張力參數 45 表4-6-1 未處理石英試片之表面能量 66 表4-6-2 以液相之OTS處理後之結果 67 表4-6-3 以液相之FOTS處理後之結果 67 表4-6-4 以氣相之FOTS處理後之結果 715132389 bytesapplication/pdfen-US光固化型奈米壓印微影石英母模脫模層電子束微影反應性離子蝕刻Photo-curing nanoimprint lithography technologyQuartz templateRelease layerElectron-beam lithographyReactive Ion Etchthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/52909/1/ntu-95-R93631012-1.pdf