作 者
范瑜、王春慧*、孙佳星、彭小刚、田洪淼、李祥明、陈小亮、陈小明、邵金友*
*为通讯作者
机 构
西安交通大学
Citation
Yu Fan Y, Wang C H, Sun J X, Peng X G, Tian H M, Li X M, Chen X L, Chen X M and Shao J Y. 2023. Electric-driven flexible-roller nanoimprint lithography on the stress-sensitive warped wafer. Int. J. Extrem. Manuf. 5 035101.
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https://doi.org/10.1088/2631-7990/acd827
撰稿 | 文章作者
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文章导读
半导体光电设备的表面纳米图案化是提质改性的一种重要手段。对于追求低成本、高性能的光电器件而言，在其表面进行纳米图案的制备已经引起了广泛研究，其中纳米压印技术凭借其低成本、高分辨率和大面积制备的优势成为一种备受关注的技术。然而，光电器件固有的宏观翘曲和应力敏感特性使在其表面直接压印制备纳米结构仍然存在挑战。近期，西安交通大学机械与工程学院、机械制造系统工程国家重点实验室的邵金友、王春慧团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《面向应力敏感翘曲晶圆的电驱动柔性辊纳米压印技术》的研究论文。文中提出的电驱动柔性辊纳米压印技术（EF-NIL）可以在应力敏感的翘曲晶圆上实现高效、高保真度的纳米结构制备。文章系统地研究了此技术在晶圆级应力敏感翘曲衬底实现纳米图案化及纳米结构成形等方面的突出优势，并基于此方案开发了压印原型机。最后利用电驱动柔性辊纳米压印技术在倒装的半导体发光芯片表面制备了纳米光栅结构实现光源的直接偏振出光。
关键词
纳米压印；电场驱动；柔性辊；翘曲；应力敏感
亮 点
提出了电驱动柔性辊纳米压印技术，并基于此技术开发了纳米压印原型机；
实现了在应力敏感翘曲衬底上大面积的纳米图案化；
高保真度地完成了不同种类和不同深宽比纳米结构的制备。
图1 电驱动柔性辊纳米压印技术示意图。
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研究背景
在光电器件表面制备纳米结构可以调控光波行为进而提升器件性能，因此光电器件表面纳米图案化引起了广泛的研究。对于逐渐向低成本、高性能发展的光电器件而言，极紫外光刻、激光加工以及自组装等纳米制备工艺存在一定的局限性。相比而言，纳米压印技术凭借其独特的优势被认为是一种极具潜力的纳米制造技术。但是在光电器件表面直接进行压印制备纳米结构仍然存在挑战。首先，光电晶圆在外延生长的过程中，由于不同材料之间的应力失配和热失配会导致晶圆的宏观翘曲，而翘曲的衬底会阻碍模板和衬底的保形贴合进而导致压印缺陷的产生。其次，光电器件对应力较为敏感，传统压印技术垂直施加的压力会改变衬底的原子间距和电子有效质量，导致半导体材料的势垒发生变化进而引起性能的改变。在传统压印过程中，对于翘曲衬底一般采取施加较大压力来保证模板和衬底的接触，这种方式显然不适用于光电器件衬底。因此，为了在应力敏感翘曲衬底上实现低成本、大面积的纳米图案制备，文章提出了一种电驱动柔性辊纳米压印技术，详细分析了此技术对翘曲衬底的适应性、对敏感衬底的无损性以及结构成形的保真性，并基于此工艺开发了压印原型机。
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研究内容
文章提出的EF-NIL方案中，柔性导电模板的一端固定于承片台平面，另外一端顺势缠绕在距离衬底一定高度的滚轴上，其余部分摊铺在衬底上，使之呈现为柔性辊的形式。电场施加在柔性导电模板和衬底之间。图2所示为EF-NIL的压印过程示意图及开发的实验原型机。当滚轴和承片台开始运动时，模板的固定端首先与衬底接触，接触峰逐渐向前移动。随着时间推移，柔性模板在电场作用下以线接触的形式扫描适应整个翘曲衬底，完成和衬底的保形贴合。之后，承片台和滚轴向相反方向运动使模板从衬底上剥离从而完成脱模过程。基于此工艺，开发了4英寸的纳米压印原型机，并且可以扩展到更大面积的晶圆级压印制备。
图2 （a）电驱动柔性辊纳米压印过程示意图；（b）EF-NIL压印原型机。
柔性模板是压印工艺的核心部件，其运动形态会影响整个压印过程。电场作为压印工艺中的动力源，对柔性模板的作用至关重要。模板在运动过程中的驱动力主要由电致液桥力和静电吸引力组成。如图3所示，模板不同位置所受驱动力是不同的，其中接触线处所受驱动力最大，从而保证模板以线接触的形式持续运动，避免气泡的包裹。滚轴和承片台的相对速度也会对模板的形态产生影响，文中两者采用相同速度以保证模板的最佳形态。电场提供的驱动力可以使模板对翘曲衬底有良好的适应性，文章分析了不同电场强度下，柔性模板对凹形衬底和凸形衬底适应性的提升。此外，还进一步研究了不同电场强度下滚轴的临界速度，结果显示，电场可大幅提升滚轴的临界速度进而提高压印效率。
图3 电场对模板运动形态的影响：（a）柔性导电模板的驱动力分析；（b）滚轴和衬底相对运动速度对模板形态影响；（c）柔性模板对翘曲衬底的适应性分析；（d）柔性模板的速度分析。
电场不仅可以提升压印效率以及对翘曲衬底的适应性，还可以促进结构的高速、高效成形。液态压印胶在电场作用下会发生润湿性变化，如图4所示。为进一步研究电场对成形结构的影响，文章对不同深宽比结构的成形过程进行了相场模拟仿真分析，结果显示电场作用下可实现不同深宽比结构的高效制备。文章通过实验验证了EF-NIL的结构成形，如图5所示。通过模板结构和压印制备结构的微观形貌对比，发现本方案可以对模板结构实现大面积均匀的高保真复制。此外，还进行了孔、柱不同种类纳米结构的压印制备。
图4 电场对结构成形的影响：（a）不同电场强度下液态压印胶润湿性变化；（b）不同深宽比结构的压印填充仿真分析。
图5 EF-NIL制备的纳米结构分析：（a）模板结构微观形貌；（b）压印样品及结构微观形貌分析；（c）压印制备的不同种类纳米结构。
多层外延生长的光电器件对外部压力较为敏感。以应用广泛的LED为例，实验分析了不同电场强度和外部压力对器件性能的影响。如图6所示，外部压力对器件性能的影响较为明显，压力越大，器件的发光波长及发光强度变化越大；相比而言，电场并不会影响器件的性能，说明电场作为压印力来源并不会对应力敏感的衬底产生影响。这是由于电场是一种表面力，区别于垂直施加的体积力，其只存在于两电极之间并不会传递到衬底上。文章在倒装的半导体发光芯片表面利用EF-NIL原型机制备了亚波长纳米光栅以实现光源的直接偏振出光，并对其偏振性能进行了分析。
图6 EF-NIL制备的偏振LED：（a）不同电场强度和压力对LED性能的影响；（b）偏振LED的纳米结构形貌及偏振性能分析。
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未来展望
半导体光电器件的表面纳米图案化是器件提质改性的重要手段，通过制备不同纳米结构可以实现不同的功能，在显示、生物、医疗等领域具有广泛的应用前景。此外，对于其他的应力敏感翘曲衬底，例如高精度的传感器、精密的光学器件以及高效的太阳能电池等，表面纳米图案化也是提高性能的一种有效途径，文章提出的电驱动柔性辊纳米压印技术为其表面纳米结构的制备提供了一种可行的技术方案。
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作者简介
王春慧
西安交通大学
王春慧，西安交通大学机械工程学院副教授、青年优秀人才。主要从事智能微纳制造技术与装备、光芯片/器件设计与开发、智能化交互应用系统等方面的研究工作。主持参与国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划子课题等项目。以第一作者在《ACS Nano》、《Nano Research》、《Nanotechnology》等行业著名期刊发表学术论文多篇。
邵金友
西安交通大学
邵金友，西安交通大学科研院常务副院长、国家高层次青年人才、机械工程学院领军学者、博士生导师。主要从事微纳制造、电子皮肤与可穿戴电子、生物仿生与软体机器人、医工交叉等方面的研究工作。国家自然科学基金“纳米制造的基础研究”重大研究计划重大集成项目首席、国家重点研发专项项目首席，担任国家第六次科技预测（2020-2035规划）极端制造领域专家、十四五国家重点研发计划“高性能制造技术与重大装备”重点专项指南专家。
近年来，研究团队在纳米制造领域开展了深入的基础研究工作，围绕纳米结构模板成形制造的“填充、控形、成性”三大难题，开创了国际上第三代纳米压印技术，形成了“近零压力填充”、“微观控形”和“结构成性”的电场驱动纳米压印方法体系，拓展了纳米压印技术在多个领域的工程应用。已发表SCI论文160余篇，其中以第一和通讯作者在《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《ACS Nano》等国际高水平期刊发表论文80余篇，SCI他引约3100余次，在第一、通讯作者SCI论文中，多篇被《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《Small》、《Nanoscale》、《IEEE Nanotechnology》等期刊选为封面亮点论文，入选英国物理学会、美国化学学会和英国化学学会的精选论文或热点论文，被《Wiley Video Abstracts》、《Material View》、《Advanced Science News》、《Nanowerk》等国际知名学术新闻网站作为研究亮点评述。以第一发明人获得国家授权发明专利22项，获得美国PCT发明专利2项，曾获得教育部技术发明一等奖（第2完成人）。
