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研究生: 林智賢
Lin, Chih-Hsien
論文名稱: 斜向金屬鍍膜於製作可變線寬奈米壓印模具之研究
Fabrication of Tunable Linewidth Nanoimprint Stamps using Oblique Metal Deposition
指導教授: 宋震國
Sung, Cheng-Kuo
口試委員: 傅建中
Fu, Chien-Chung
冉曉雯
Zan, Hsiao-Wen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 97
中文關鍵詞: 奈米壓印斜向金屬鍍膜電漿蝕刻壓印工作模具
外文關鍵詞: nanoimprint, oblique deposition, reactive ion etching, working stamp
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  • 對於奈米壓印技術而言,模具往往是製程的關鍵,但因為光學限制、成本以及時間等因素,加上線寬縮小的要求,現有製作方法已無法滿足精度的需求或成本過高,本文利用現有模具結構之壓印光阻,整合斜向金屬鍍膜與電漿蝕刻,提出模具製作方法,並透過金屬遮罩提供更多的模具材料選擇性。再藉由電漿側蝕效應改變結構線寬與斜向金屬鍍膜改變結構之Duty cycle,得到可變線寬尺寸;透過感應耦合電漿蝕刻將圖案完整地轉移至基板,完成模具的製作。使用SEM分析實驗前後圖案轉移程度與幾何形貌的觀測,依據各實驗參數與實驗結果的關係,得到實驗趨勢或函數關係。
    本文利用側蝕效應將週期為144 nm之光阻線寬由57 nm縮減至30 nm,經由兩次斜向金屬鍍膜製作金屬/高分子對稱性結構,取代介電層作為蝕刻遮罩,利用金屬較佳之抗蝕刻性可製作出深寬比皆達3以上的矽結構。對於已完成結構進行電漿修整,在保有足夠深寬比以及不破壞整體結構下增加拔模角,降低因拔模角欠佳的缺陷產生。透過上述實驗結果驗證本製程可製作出可變線寬之奈米結構,並具備快速、低成本與大面積結構之優點。


    Conventionally, the master stamp for nanoimprint lithography (NIL) is made of silicon by e-beam lithography when pursuing very high precision, which needs a great amount of time and cost for manufacturing. In addition, diverse applications require variable linewidth and pitches for obtaining demanded performance. This study proposes an efficient method for making working stamps with tunable linewidth or pitch using the identical master stamp.
    The pattern of the master stamp was, first, replicated to the imprint resist, underneath which silicon oxide as the release layer was deposited on silicon wafers. Then, resist trimming process was applied to reduce the linewidth of imprinted resist structures from 57 nm to 37 nm by controlling the etching time and double oblique deposition was utilized (by controlling the deposition angle and thickness) for making symmetric aluminum onto the specific region of the resist grating, herein, the top and sidewall regions. The thicknesses of deposited aluminum ranged from 10 nm to 20 nm, which resulted in different linewidth of the grating. Finally, the required duty cycle of the working stamp was formed on the substrate by reactive ion etching using the resist and aluminum as the etching mask, which was followed by immersing the etched substrate in buffered oxide etch solution to remove silicon oxide and the material above. Compared with previous researches, this proposed technique could provide the wide linewidth adjustment range at least 65% of the original one.
    In summary, the study can fabricate the working stamp either the identical pattern of the master one, or tunable linewidth or pitches, even though the original one is contaminated after a number of imprints. Instead of using CVD for depositing metallic etching mask that is usually accompanied with high process temperature, this paper employed PVD for providing more adaptability of handling polymeric substrates for the applications of flexible electronics.

    目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 IV 目錄 V 圖目錄 IX 表目錄 XII 第一章 緒論 1 1-1前言 1 1-2文獻回顧 4 1-2-1奈米壓印技術 4 1-2-2奈米壓印模具製作 9 1-2-3線寬控制 12 1-3研究動機 15 1-4本文內容 18 第二章 基礎原理 20 2-1電漿蝕刻 20 2-1-1電漿原理 20 2-1-2電漿的生成 22 2-1-3電漿蝕刻機制 23 2-1-4電漿蝕刻系統比較 24 2-2斜向金屬鍍膜 26 2-2-1蒸鍍理論 27 2-2-2薄膜成長機制與模式 29 2-2-3薄膜沉積的因素 30 2-2-4薄膜的成長模式 31 2-2-5斜向沉積理論 34 第三章 實驗方法與流程規劃 36 3-1實驗儀器介紹 36 3-2實驗試片準備 37 3-3介電層製作 38 3-4奈米結構製作 39 3-5可變線寬控制實驗 40 3-6金屬薄膜製作 41 3-7矽之奈米結構製作 44 3-8實驗量測項目 45 3-9實驗流程 47 第四章 實驗結果 50 4-1實驗前處理 50 4-1-1介電層製備及驗證 50 4-1-2奈米結構製作 53 4-2線寬控制 54 4-2-1不同氣體對光阻之蝕刻特性 54 4-2-2製程時間對線寬的影響 57 4-2-3製程時間對結構高度的影響 59 4-3斜向金屬鍍膜 60 4-3-1實驗驗證與角度治具 60 4-3-2金屬/高分子之對稱性結構 62 4-3-3角度誤差 65 4-4活性離子蝕刻 66 4-4-1可變線寬遮罩製作 67 4-4-2實驗參數制定 69 4-4-3具有介電層結構之蝕刻結果 71 4-4-4無介電層結構之蝕刻結果 77 4-4-5奈米結構修整 79 第五章 結論與未來工作 83 5-1結論 83 5-2未來工作 86 參考文獻 88 附錄 90 附錄一 90 附錄二 91 附錄三 92 附錄四 94 附錄五 95 附錄六 97   圖目錄 圖1 目前光學微影之關鍵尺寸及方法[1] 2 圖2 Chou等人提出之奈米壓印製程示意圖 5 圖3 奈米滾壓技術示意圖[3] 7 圖4 紫外光固化奈米壓印製程示意圖[4] 8 圖5 投影式光學微影技術 10 圖6 電子束微影技術[7] 11 圖7 化學微縮製程示意圖[8] 13 圖8 Double patterning示意圖[9] 14 圖9 於原有結構下工作模具製作之製程示意圖 17 圖10 電漿蝕刻反應過程示意圖[12] 24 圖11 蒸發源材料與鍍膜材料潤濕狀態圖[19] 28 圖12 蒸氣原子在基板表面上之成核及成長程序圖[22] 30 圖13 蒸氣原子沉積基板表面之行為圖[22] 31 圖14 薄膜成長模式圖:(a)膜型(b)膜-島嶼型(c)島嶼型[25] 33 圖15 兩次斜向沉積示意圖 34 圖16 熱阻絲蒸鍍系統 42 圖17 熱蒸鍍系統與石英震盪器示意圖 44 圖18 實驗流程圖 49 圖19 (a)週期240 nm模具及(b)其對光阻壓印結果 52 圖20 有無介電層作為硬遮罩對矽蝕刻之結果 52 圖21 (a)週期144 nm模具及(b)其對光阻壓印結果 53 圖22 不同蝕刻時間對於線寬大小的影響,(a)50s;(b)60s. 54 圖23 不同氣體流量之蝕刻結果:(a)Ar 65 sccm;(b)Ar 65 sccm + O2 5 sccm(250 W, 50 sec). 56 圖24 不同功率之蝕刻結果:(a)300 W;(b)250 W(Ar 65 sccm, 60 sec). 57 圖25 使用不同製程時間進行線寬控制 58 圖26 線寬變化量與製程時間之關係圖 59 圖27 結構高度與製程時間之關係圖 60 圖28 不同角度斜向金屬鍍膜之結果 61 圖29 斜向金屬鍍膜之角度治具 62 圖30 不同角度進行兩次斜向金屬鍍膜之結果 63 圖31 使用35˚與30˚進行兩次斜向金屬鍍膜之結果 64 圖32 使用不同角度製作金屬/高分子雙層結構 65 圖33 角度誤差與設計沉積角之關係圖 66 圖34 利用斜向金屬鍍膜製作可變線寬之對稱性結構 67 圖35 使用金屬/高分子/介電層作為遮罩之蝕刻結果 72 圖36 不同電漿功率與氬氣流量之實驗結果 73 圖37 不同總流量(Cl2:50%)之實驗結果 75 圖38 (a)圖案失真率與(b)不同氯氣比對圖案失真率之關係圖 75 圖39 不同混和氣體與(a)圖案失真率和(b)深寬比之關係圖 77 圖40 使用金屬/高分子作為蝕刻遮罩之蝕刻結果 78 圖41 使用不同氣體總流量與不同時間之深寬比關係圖 79 圖42 不同時間修整對(a)結構高度與(b)底部平坦之關係圖 81 圖43 (a)未修整之奈米結構與(b)經過修整之截面圖 82 圖44 活性離子電漿蝕刻系統[12] 92 圖45 感應耦合電漿蝕刻系統[25] 94   表目錄 表一 奈米壓印技術比較表[2] 8 表二 各種光學微影技術比較表 12 表三 實驗使用儀器 37 表四 不同遮罩蝕刻結果差異表 52 表五 蝕刻材料與反應氣體對應表 70 表六 二氧化矽與矽之實驗參數 72 表七 針對硬遮罩進行改善之實驗參數 76 表八 使用金屬/高分子作為遮罩對基板蝕刻之實驗參數 78 表九 對矽基板修整之實驗參數 80

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