一种基于多层对准技术的多功能纳米压印光刻设备

本发明涉及一种纳米级结构和器件的半导体装备制造领域，特别涉及一种基于多层对准技术的多功能纳米压印光刻设备。

背景技术：

1、纳米压印技术作为一项先进的纳米制造技术，通过利用精密的纳米压印模板，将精心设计的图案或结构高度精准地压印到基底材料上，实现了高精度和高分辨率的纳米级制造。纳米压印技术的兴起源于多个方面的背景，其中首要的因素之一是对高精度、高分辨率纳米级制造需求的不断增长。随着科技的飞速发展，对微小尺寸、高密度、高性能器件和结构的需求日益增加，推动了新一代纳米制造技术的发展。由于传统制造技术，尤其是光刻技术，面临着光波长限制等局限性，这促使科研人员寻求更为先进和灵活的制造手段。纳米压印技术的出现填补了传统技术的空白，克服了其分辨率和制造精度上的限制。纳米压印技术的开创可以追溯到20世纪90年代中期，当时美国普林斯顿大学的stepheny.chou教授首次提出了这一技术。其基本原理是通过物理或化学手段将纳米压印模板上的图案或结构转移到基底材料上，从而制备出具备纳米级精度和分辨率的薄膜。相较于传统的光刻技术，纳米压印技术具有更高的制造精度和更低的制造成本。随着科技的飞速进步，纳米压印技术也在不断演进。近年来，研究人员在纳米压印技术方面取得了显著的进展，采用了诸如软模板法、紫外固化法等创新技术手段，从而提升了加工效率和制造精度。此外，新型的纳米压印设备，如纳米压印光刻机、纳米压印薄膜机等，也得以研发，为材料科学、生物医学、光学等领域带来了广泛而深远的应用前景。但目前没有包含多层对准装置、紫外压印、热压印和曲面压印于一体的多功能纳米压印光刻设备。本发明的目的在于实现一种多功能的纳米压印机，该纳米压印机具有高度的定位对准精度，可实现高精度对准的多层纳米压印。另外可实现紫外压印、热压印以及同时进行紫外压印和热压印，也可实现对复杂曲面的压印工艺。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术工艺的不足，提供一种基于多层对准技术的多功能纳米压印光刻设备。该纳米压印机具有高精度的纳米级对位功能，能满足特征尺寸在纳米级以下、多层图案的低成本制作。同时能实现复杂曲面的紫外压印和热压印两种形式的纳米压印。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于多层对准技术的多功能纳米压印光刻设备，该设备的组成有在基座19上依次安装有转动工作台18和下压印腔体11，下压印腔体11固定在转动工作台18的转台上，转动工作台18由电机17驱动；x-y轴移动工作台16固定在下压印腔体11内部，冷却装置21、加热装置23、基盘24依次叠加固定在x-y轴移动工作台16上，可在x-y方向进行微动调整用于对准，x-y轴移动工作台16由电机15驱动；支架20的下端与基座19相固定、支架20的上端与横梁3相固定。直流伺服电机1与行星齿轮减速器2相固定，行星齿轮减速器2固定在支座36上，支座36固定在横梁3上，联轴器35将行星齿轮减速器2的输出轴与滚珠丝杠34的一端相连，滚珠丝杠34与传动螺母33相配合；导轨5的上端固定在横梁3上，直线轴承4的内孔与导轨5的外径配合，直线轴承4和传动螺母33均安装在固定板32上；固定板32与支撑箱31相固定，支撑箱31与上压印腔体9相固定，通过直流伺服电机1、联轴器35、滚珠丝杠34和传动螺母33相配合，将旋转运动转换为上下直线运动推动上压印腔体9可以精确地在垂直方向上移动，与下压印腔体11形成密闭的工作空间，为纳米压印过程提供可控的环境；x轴移动工作台27上安装电子显微镜组29和紫外光源30，x轴移动工作台27在支撑箱31内部固定在上压印腔体9上部，x轴移动工作台27由电机28驱动上压印腔体9内安装玻璃板6和模板夹具26。

4、所述基盘24为圆形，基盘24上有真空孔38与十字环形真空槽39，基盘24侧面设有吸孔12，吸孔12与真空泵相连，通过抽真空使真空槽内产生负压用以固定晶圆25。基盘24上有定位孔40以及不同尺寸的环形定位槽37，定位辅助装置可拆卸连接于所述基盘24的上表面的不同位置上，晶圆25与所述定位装置相抵，以在所述基盘24上定位晶圆25，减小对准压力，优化对准效果。基盘24下部与加热装置23和冷却装置21相固定，确保热压印过程中的加热和冷却。所述加热装置23上固定有均热板41，热压印过程中通过加热装置23把温度传递到基盘24上，再由基盘24传递给晶圆25完成加热过程。冷却装置21上设有蛇形冷却通道42，左右两侧分别设有进水口14与出水口22。

5、所述上、下压印腔体11呈圆形状，设计的优势在于，当下压印腔体11随着转动工作台18的旋转而移动时，依然能够顺畅地与上压印腔体9结合形成一个密闭的工作空间。设计确保了在压印过程中的可控性，可有效地防止介质泄漏或外界干扰，从而保障了整个压印操作的稳定性和可靠性。

6、所述压印框架被分为上下两个部分，其中其弯曲表面与不平整的基材表面相适应。在这一设计中，基材被放置在曲面压印框架下部49的上表面上，同时柔性模板47被置于基材之上。上半部分的曲面压印框架被放置在柔性模板47上，以保持其所需的形状，从而完成整个压印过程。这种结构设计确保了曲面压印框架与基材和柔性模板47的完美契合，确保压印过程的精确性和一致性。

7、所述电子显微镜组29与紫外光源30固定在x轴移动工作台27上，模板10与晶圆25上均做有十字形对准标记，在对准过程中，移动电子显微镜组29到玻璃板6上方，确保模板10上标记在显微镜视野范围内，通过转动工作台18和x-y轴移动工作台16控制晶圆25移动完成对准，实现对样品位置的高精度对位；在紫外压印过程中，移动紫外光源30到玻璃板6上方对样品进行精准照射，完成紫外光固化步骤。所述x轴移动工作台27、x-y轴移动工作台16均由导轨、滑块和电机组成，电机驱动滑块沿导轨运动。

8、本发明的有益效果为：

9、本发明一种基于多层对准技术的多功能纳米压印光刻设备具有优于20nm的定位对准精度，能满足特征尺寸在纳米级、多层图案的低成本、大批量的制作。

10、工作有热压印和紫外压印两种压印模式，具有较好的灵活性。

11、可内置独立的曲面压印框架完成基材复杂弯曲表面的纳米压印工作。该框架可根据压印需求设计，不需要进行安装，而是在压印过程中直接放置在基板上，以协助处理不平整表面基材的曲面压印，压印过程需采用柔性压印模板，通过曲面压印框架保持其所需的曲面形状。

技术特征：

1.一种基于多层对准技术的多功能纳米压印设备，其特征在于，于基座(19)上依次安装有转动工作台(18)、下压印腔体(11)，x-y轴移动工作台(16)固定于下压印腔体(11)内部；冷却装置(21)、加热装置(23)和基盘(24)依次叠加固定在x-y轴移动工作台(16)上；支架(20)的下端与基座(19)相固定，支架(20)的上端与横梁(3)相固定；直流伺服电机(1)与行星齿轮减速器(2)相固定，行星齿轮减速器(2)固定在支座(35)上；所述支座(35)固定在横梁(3)上，联轴器(34)将行星齿轮减速器(2)的输出轴与滚珠丝杠(33)的一端相连，传动螺母(32)与滚珠丝杠(33)相配合；导轨(5)的上端固定在横梁(3)上，直线轴承(4)的内孔与导轨(5)外径相配合，直线轴承(4)和传动螺母(32)均安装在固定板(31)上；所述固定板(31)与支撑箱(31)相固定，支撑箱(31)与上压印腔体(9)相固定，x轴移动工作台上安装电子显微镜组(29)和紫外光源(30)；x轴移动工作台在支撑箱(31)内部固定在上压印腔体(9)上，上压印腔体(9)内安装玻璃板(6)和模板(10)夹具。

2.如权利要求1所述的一种基于多层对准技术的多功能纳米压印设备，其特征在于，通过直流伺服电机(1)、联轴器(34)、滚珠丝杠(33)和传动螺母(32)相配合，将旋转运动转换为上下直线运动推动上压印腔体(9)精确在垂直方向上移动，与下压印腔体(11)形成密闭的工作空间，为纳米压印过程提供可控环境，在密闭的工作空间内进行热纳米压印或紫外纳米压印。

3.如权利要求1所述的一种基于多层对准技术的多功能纳米压印设备，其特征在于在，所述上压印腔体(9)顶端设有紫外光源(30)和电子显微镜组(29)，可在x轴移动工作台上移动调整位置；对准过程移动电子显微镜组(29)在玻璃板(6)上方，紫外压印过程移动紫外光源(30)到玻璃板(6)上方。

4.如权利要求1所述的一种基于多层对准技术的多功能纳米压印设备，其特征在于，模板(10)或晶圆(25)上均设置有两个微小的十字定位标记(50)，标记间距与电子显微镜组(29)间距相同，压印前移动电子显微镜组(29)到玻璃板(6)上方，调整位置确保十字定位标记(50)在显微镜视野范围内。

5.如权利要求1所述的一种基于多层对准技术的多功能纳米压印设备，其特征在于，上压印腔体(9)设有进气孔(7)与出气孔(8)，通过进气孔(7)引入气体，在纳米结构和基底之间形成均匀压力，确保压印效果一致，同时提供环境控制以及防止氧化，然后通过出气孔(8)泄压。

6.如权利要求1所述的一种基于多层对准技术的多功能纳米压印设备，其特征在于，下压印腔体(11)内设有x-y轴移动工作台(16)，冷却装置(21)、加热装置(23)、基盘(24)直径相同并且依次叠加固定在x-y轴移动工作台(16)上，基盘(24)上晶圆(25)可随x-y轴移动工作台(16)做x-y向移动，用于多层对准压印技术中模板(10)与晶圆(25)上的图案对准。

7.如权利要求1所述的一种基于多层对准技术的多功能纳米压印设备，其特征在于，下压印腔体(11)固定在转动工作台(18)上，随转动工作台(18)转动，用于层对准压印技术中模板(10)与晶圆(25)上的图案对准。

8.如权利要求1所述的一种基于多层对准技术的多功能纳米压印设备，其特征在于，在所述基盘(24)的上表面上，自所述基盘(24)的边缘向基盘(24)的中心依次设置有多个不同尺寸的环形定位槽(36)组，设置多组定位孔(39)，每组不少于两个；基盘(24)中心设置真空孔(37)与十字环形真空槽(38)；晶圆(25)放置在所述基盘(24)的上表面上；定位辅助装置可拆卸连接于所述基盘(24)的上表面的不同位置上，晶圆(25)与所述定位装置相抵，以在所述基盘(24)上定位晶圆(25)；真空装置，与所述十字环形真空槽(38)连通，以在所述十字环形真空槽(38)内产生负压用以固定晶圆(25)；基盘(24)内部设置有加热装置(23)和冷却装置(21)。

9.如权利要求1所述的一种基于多层对准技术的多功能纳米压印设备，其特征在于，其具备独立的曲面压印框架，该框架根据压印需求设计，在压印过程中直接放置在基盘(24)上，完成基材的曲面压印。

10.如权利要求1所述的一种基于多层对准技术的多功能纳米压印设备，其特征在于，所述曲面压印框架分为上下两个部分，弯曲表面与基材表面相适应；曲面压印框架下部(49)采用导热性好的材料制作，进行热纳米压印；曲面压印框架上部(46)根据紫外压印需求选择透明材质；曲面压印框架下部(49)放置在基盘(24)上，基材被放置在曲面压印框架下部(49)的上表面，同时柔性模板(47)被置于基材上，上半部分的曲面压印框架被放置在柔性模板(47)上，以保持所需形状，确保曲面压印框架与基材和柔性模板(47)的完美契合，以及

技术总结本发明公开了一种基于多层对准技术的多功能纳米压印光刻设备，在基座上安装转动工作台与下压印腔体，X‑Y轴移动工作台安装在下压印腔体内部；支架的下端与基座相固定，行星齿轮减速器固定在支座上，支座固定在横梁上，联轴器将行星减速器的输出轴与滚珠丝杠的一端相连；导轨的上端固定在横梁上，直线轴承的内孔与导轨外径配合；固定板与支撑箱相固定，支撑箱与上压印腔体相固定，X轴移动工作台上安装电子显微镜组和紫外光源，X轴移动工作台在支撑箱内部固定在上压印腔体上，上压印腔体内安装玻璃板和模板夹具。本发明可实现高效、高精度的多层纳米结构对准压印，能进行紫外压印和热压印两种压印模式，也可实现对复杂曲面的压印工艺。技术研发人员：张宏刚,张明振,刘海滨受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5