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研究生: 陳俊宏
Chen, Chun-Hung
論文名稱: 雷射輔助壓印技術機制探討
Mechanism Discussion of Laser Assisted Imprinting Technology
指導教授: 劉全璞
Liu, Chuan-Pu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 微機電系統工程研究所
Institute of Micro-Electro-Mechancial-System Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 67
中文關鍵詞: 雷射輔助奈米壓印
外文關鍵詞: laser assisted, nanoimprinting, LADI
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  •   近幾年來由於半導體產業對於微小線寬的追求,造成主要的關鍵技術光學微影技術不斷的精進,而奈米壓印技術的發明開啟了新的技術,爾後陸陸續續開發出各種壓印的方式,其中雷射輔助奈米壓印技術更被譽為下一世代最具發展潛力的奈米轉印技術之一,然而由於雷射的因素需要透明的石英作為模仁的材料,但是石英模仁製作複雜的圖形十
    分困難且易損壞,因此石英模仁在應用上成為主要的限制因素。
      本文的研究目的在於建立一套雷射輔助奈米壓印的穩定製程,應用不同的參數進行高分子的雷射輔助壓印以期得到關鍵的加工參數,同時改進雷射輔助奈米壓印技術的缺點,開發出一種新的方法來製造奈米結構,此法主要是利用紅外光脈衝雷射可穿透Si晶圓的特性,對高分子材料進行加熱並將矽模仁壓印至高分子表面進行圖形轉印。由於與矽相關的IC製程已經發展得臻至成熟,因此這項技術能夠提供優於以石英作為模仁材料的傳統雷射輔助壓印技術,其優點包括具高深寬比、可彈性設計三維的圖形與結構,因此此技術可被應用在現今的IC製程中、光子晶體、微光學元件以及可大量製造需要圖形轉印製程的微米或是奈米結構,因此為本研究最主要的貢獻處也是今後發展的重點。

     Recently semiconduction industry in order to achieve more and more small line width, result in mainly key technique constantly advancement for photolithography. Nanoimprint is a new technology which solves the foregoing circumstance. Subsequently, ways of various imprinting is build in succession. Laser assisted nanoimprint technology most is had by the reputation for the next generation one of development potential nano-pattern transfer technologies. However, due to transparency requirement, the material for the mold is quartz, which is too hard and fragile for complex patterns to be made. Thereby, the quartz mold becomes a major limiting factor for applications. The main purpose of this study is to establish a steady process of laser assisted nanoimprint, apply different parameters to imprint polymer for getting key process parameters and furthermore improve drawback of laser assisted nanoimprint technique. We developed a new method to fabricate nanostructures that use the property of silicon pervious to infrared laser pulse. The infrared laser pulse can heat polymer to achieve pattern transfer with silicon mold imprinting. Since Si-related IC process has been well developed, this technique offer advantages over other imprinting techniques using quartz as the mold. The advantages include high aspect ratio, flexible pattern design and pattern structure in three dimensions. Therefore, this technique can be applied in current IC manufacturing, optoelectronic devices, bio-related chips, photonic crystals, micro-optical devices and all mass production that demands pattern transfer process in either micro- or nano-scale. So, the new technique becomes main contribution point of this study and developing key point in future.

    目 錄 摘要…………………………………………………………………………………………..Ⅰ 英文摘要……………………………………………………………………………………Ⅱ 誌謝…………………………………………………………………………………………Ⅲ 目錄…………………………………………………………………………………………Ⅳ 表目錄………………………………………………………………………………………Ⅵ 圖目錄………………………………………………………………………………………Ⅶ 第一章 緒論…………………………………………………………………………1 1-1 前言…………………………………………………………………………1 1-2 奈米轉印技術介紹…………………………………………………………1 1-2-1 熱壓成形奈米轉印技術原理………………………………………………1 1-2-2 歩進光感成形奈米轉印技術原理…………………………………………2 1-2-3 可撓性奈米轉印技術原理…………………………………………………3 1-2-4 雷射輔助式奈米壓印技術原理……………………………………………4 1-3 研究動機與目的……………………………………………………………5 第二章 技術發展與文獻回顧 ………………………………………………6 2-1 電子束微影技術……………………………………………………………6 2-2 雷射輔助式奈米壓印技術…………………………………………………9 第三章 實驗步驟…………………………………………………………………11 3-1 微米級模仁製作……………………………………………………………11 3-2 奈米級模仁製作……………………………………………………………13 3-2-1 電子束微影製程……………………………………………………………14 3-2-2 能量散佈光譜分析技術應用………………………………………………15 3-3 雷射輔助壓印製程…………………………………………………………16 3-3-1 KrF準分子雷射輔助壓印製程 ……………………………………………17 3-3-2 紅外光雷射輔助壓印製程…………………………………………………17 第四章 結果分析與討論…………………………………………………………19 4-1 製程參數分析………………………………………………………………19 4-1-1 反應式離子蝕刻分析………………………………………………………19 4-1-2 能量散佈光譜分析技術對薄膜厚度分析…………………………………32 4-1-3 Nano-mold製程參數分析 …………………………………………………35 4-1-4 矽模仁與石英模仁比較……………………………………………………44 4-2 壓印結果分析………………………………………………………………45 4-2-1 KrF雷射能量對壓印後圖形影響分析…….………………………………45 4-2-2 紅外光雷射輔助壓印技術的物理機制之分析……………………………49 4-2-3 壓力對紅外光脈衝雷射輔助壓印技術壓印深度影響之分析……………52 4-2-4 Nano-mold使用紅外光雷射輔助壓印後所得結果 ………………………53 第五章 結論…………………………………………………………………………55 第六章 未來展望……………………………………………………………………56 第七章 參考文獻……………………………………………………………………57 表 目 錄 表3-1 製作奈米模仁時電子束微影製程所設定的主要參數表 ……………………14 表3-2 KrF雷射輔助壓印製程Spin Coater所設定的參數表 ……………………17 表3-3 紅外光雷射輔助壓印製程Spin Coater所設定的參數表 …………………18 表4-1 第一次Quartz蝕刻參數測試表 ……………………………………………19 表4-2 第二次Quartz蝕刻參數測試表 ……………………………………………21 表4-3 Silicon蝕刻參數測試表 ……………………………………………………25 表4-4 使用EDS量測膜厚技術估計PMMA蝕刻後的薄膜厚度表 ……………………31 表4-5 不同厚度之PMMA在不同的加速電壓下EDS量測PMMA的含碳量表 …………32 表4-6 EDS量測經E-beam lithography後所得的PMMA殘餘層厚度表 ……………34 表4-7 不同fluence的KrF準分子雷射進行S1818壓印實驗表 ……………………45 表4-8 不同fluence的KrF準分子雷射進行PMMA壓印實驗表 ……………………45 表4-9 不同fluence的KrF準分子雷射進行SU-8壓印實驗表 ……………………46 表4-10 紅外光雷射輔助壓印技術物理機制探討之實驗參數表 ……………………52 表4-11 不同的壓力對紅外光脈衝雷射輔助壓印之深度表 ………………………52 圖 目 錄 圖1-1 熱壓成形奈米轉印技術流程圖 …………………………………………2 圖1-2 歩進光感成形奈米轉印技術流程圖 ……………………………………3 圖1-3 可撓性奈米轉印技術流程圖 ……………………………………………4 圖1-4 雷射輔助式奈米壓印技術流程圖 ………………………………………4 圖2-1 電子束微影的照射方式示意圖 …………………………………………7 圖2-2 電子束微影的成像形狀深度圖 …………………………………………8 圖2-3 電子束散射示意圖 ………………………………………………………9 圖2-4 雷射輔助壓印在不同次數的照射量所得壓印結果之AFM圖 …………10 圖3-1 微米級模仁製作的流程圖 ……………………………………………11 圖3-2 微米級模仁的光罩圖 …………………………………………………12 圖3-3 奈米級模仁製作的流程圖 ……………………………………………13 圖3-4 電子束微影欲曝光之設計圖 …………………………………………13 圖3-5 電子束微影所定義的圖形輪廓圖 ……………………………………15 圖3-6 EDS量測PMMA深度示意圖 ………………………………………………16 圖3-7 雷射輔助壓印主要的壓印流程圖 ……………………………………16 圖3-8 壓印載台的示意圖 ……………………………………………………16 圖4-1 第一次Quartz蝕刻深度趨勢圖 ………………………………………20 圖4-2 第一次Quartz蝕刻速率趨勢圖 ………………………………………20 圖4-3 第二次Quartz蝕刻深度趨勢圖 ………………………………………21 圖4-4 第二次Quartz蝕刻速率趨勢圖 ………………………………………22 圖4-5 不同蝕刻時間RIE蝕刻所得的SEM及AFM圖形和蝕刻參數圖 …………22 圖4-6 400sec的蝕刻時間進行RIE蝕刻所得的SEM及AFM圖形圖 ……………24 圖4-7 400sec的蝕刻時間進行RIE蝕刻所得的AFM cross-section圖 ………24 圖4-8 Silicon蝕刻深度趨勢圖 ………………………………………………26 圖4-9 Silicon蝕刻速率趨勢圖 ………………………………………………26 圖4-10 NanoFocus量測蝕刻300sec後的矽模仁之上視圖剖、面圖及立體圖 27 圖4-11 NanoFocus量測蝕刻400sec後的矽模仁之上視圖剖、面圖及立體圖 28 圖4-12 NanoFocus量測蝕刻450sec後的矽模仁之上視圖、剖面圖及立體圖 29 圖4-13 RIE不同蝕刻時間所得到silicon mold的SEM圖 ……………………30 圖4-14 RIE對PMMA進行不同時間之蝕刻SEM圖 ………………………………31 圖4-15 EDS進行PMMA的半定量元素分析圖 ……………………………………32 圖4-16 不同加速電壓下的EDS量測不同厚度的PMMA含碳量所得曲線圖 ……33 圖4-17 不同加速電壓下的EDS量測不同厚度的PMMA含碳量所得趨勢圖 ……33 圖4-18 經E-beam lithography後所得的PMMA 之SEM 剖面圖 ………………34 圖4-19 不同的Dose Factor下所得的SEM圖及Dose Factor值與尺寸說明圖 35 圖4-20 電子束微影技術進行曝光、顯影後所得的SEM圖 ……………………36 圖4-21 sample經lift off後在不同的放大倍率下所得的SEM圖 ……………37 圖4-22 silicon基板的RIE蝕刻後所得到的nano-mold的SEM圖 ……………38 圖4-23 NanoFocus量測出nano-mold的3D輪廓圖 ……………………………39 圖4-24 NanoFocus量測出nano-mold的剖面圖 ………………………………39 圖4-25 AFM量測nano-mold所得的AFM圖 ……………………………………40 圖4-26 不同倍率下所得的nano-mold SEM圖 …………………………………41 圖4-27 NanoFocus量測出nano-mold的3D輪廓圖 ……………………………42 圖4-28 NanoFocus量測出nano-mold的剖面圖 ………………………………42 圖4-29 AFM量測nano-mold所得的3D輪廓圖 …………………………………43 圖4-30 AFM量測nano-mold所得的剖面圖 ……………………………………43 圖4-31 不同fluence的KrF準分子雷射進行SU-8壓印所得AFM圖 …………47 圖4-32 SU-8壓印後再經由RIE移除SU-8及蝕刻基板所得之SEM圖 …………49 圖4-33 SU-8對不同波長的光其吸收率的曲線圖 ……………………………50 圖4-34 SU-8對不同波長的光其transmission的百分比曲線圖 ……………50 圖4-35 矽晶圓對不同波長的光其吸收係數的曲線圖 ………………………51 圖4-36 紅外光雷射輔助壓印技術物理機制探討之實驗的示意圖 …………51 圖4-37 不同壓力對紅外光脈衝雷射輔助壓印後所得之趨勢圖 ……………53 圖4-38 SU-8經紅外光雷射輔助壓印後所得之SEM圖 ………………………54

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    下載圖示 校內:2007-08-04公開
    校外:2007-08-04公開
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