CN100347608C - 利用毛细作用力在基体上形成微型图案的方法 - Google Patents

Abstract

在使用带有预定图案结构的模具在基体上形成微型图案的方法中，制备一个模具，该模具带有包括凹陷部分和突起部分的预定图案结构。在基体上沉积聚合物材料。然后，控制模具的突起部分与聚合物材料接触，且利用聚合物材料的毛细作用力，使与模具的突出部分接触的聚合物材料渗入到其凹陷部分的敞空部分，从而去除与模具的突起部分接触的聚合物材料。之后，拆除该模具使基体的顶表面的部分暴露出来，从而在基体上形成聚合物微型图案。

Description

利用毛细作用力在基体上形成微型图案的方法

发明领域

本发明涉及一种在基体如硅片、陶瓷、金属或聚合物层上形成微型图案的方法；尤其涉及一种在制造集成电路、电子设备、光学仪器、表面消声器等时利用毛细作用力形成尺寸为1μm至数十纳米的超微型图案的方法。

发明背景

在基体上形成微型图案以制造如半导体、电子、光电子和磁显示设备，是本领域众所周知的。传统的微型图案形成方法之一就是利用光的光刻技术。

在光刻技术中，将可与光反应的聚合材料如光致抗蚀剂涂覆在基体上，在该基体上层压或沉积有待形成图案的材料。然后，该聚合物材料暴露给通过已设计好的分划板而照射在其上面的光线，以得到所需的图案。其后，清除掉已曝光的聚合物材料并进行显影步骤，使得带有目标图案的图案形成掩膜(或蚀刻掩膜)形成在待形成图案的材料上。接下来，通过使用图案形成掩膜，利用蚀刻步骤使沉积或层压在基体上的材料形成图案，从而具有所需的图案。

在传统的光刻技术中，线宽或图案宽度是由曝光步骤中照射在聚合物材料上的光的波长决定的。因此，鉴于相关领域的现有技术，很难通过光刻技术在基体上制作超微型如小于100nm的图案。

作为另一种利用光的微型图案形成方法，通过多步骤过程在大面积基体上形成三维形状图案。然而，该多步骤过程由于需要多个步骤，包括图案形成、蚀刻和清洗步骤，因此耗时过多且较为复杂。因此，其制造费用较高，且其生产率较低。

此外，传统的使用光的微型图案形成方法存在一个缺点，即当形成图案的基体表面不平整时，该生产过程可能由于光的反射、折射和强度变化而变得异常复杂。

为了改善上述问题，已经开发出很多形成低于100nm的超微型图案的方法。作为新的方法，微接触印刷法(micro-contactprinting method)和压印法(imprinting method)得到了广泛的应用。

在微接触印刷法中，将带有目标图案的聚合物模具压印到基体上以获得所需的图案。聚合物模具如PDMS(聚二甲基硅氧烷)印模，使用合适浓度的链烷硫醇(alkanethiol)溶液进行上墨，并与基体表面进行接触，从而将油墨分子转移到与印模接触的基体的区域。然后，进行蚀刻过程或沉积过程以得到所需的图案。该传统的微接触印刷法有一个优点就是不需要特殊的外力。然而，因为在微接触印刷法的完成阶段中需要进行化学蚀刻过程，因此得到的图案比较粗糙。最终，得不到所需的微型图案。

同时，压印方法是对在聚合物层上带有目标图案的硬模具施加物理压力，从而如使用反应离子蚀刻技术将微型图案转移到聚合物层上，以在聚合物层上形成微型图案。然而，在传统的压印方法中，因为使用高压，聚合物层或基体易于变形，甚至可能被损坏。

发明概述

因此，本发明的一个目的就是提供一种能够通过使用毛细作用力很容易地形成所需微型图案的微型图案形成方法。

本发明的一个优选实施方案提供了一种使用带有预定图案结构的模具在基体上形成微型图案的方法，该方法包括以下步骤：制备一个模具，该模具带有包括凹陷部分和突起部分的预定图案结构；在基体上沉积聚合物材料；使模具的突起部分与聚合物材料接触；利用聚合物材料的毛细作用力，使与模具的突出部分接触的聚合物材料渗入到其凹陷部分的敞空部分，从而去除与模具的突起部分接触的聚合物材料；和通过拆除该模具使基体的顶表面的部分暴露出来，从而在基体上形成聚合物微型图案。

本发明的另一优选实施方案提供了一种使用带有预定图案结构的模具在基体上形成微型图案的方法，该方法包括以下步骤：制备一个模具，该模具带有包括凹陷部分和突起部分的预定图案结构；在基体上沉积薄膜层；在薄膜层的整个表面上形成聚合物材料；使模具的突起部分与聚合物材料接触；通过使用聚合物材料的毛细作用力，使与模具的突起部分接触的聚合物材料进入到其凹陷部分的敞空部分中，以去除与模具的突起部分接触的聚合物材料，从而形成具有预定形状的聚合物图案；通过使用作为掩膜的聚合物图案来蚀刻薄膜层，从而选择性去除薄膜层的一部分；和去除聚合物图案，从而形成所需的薄膜微型图案。

附图说明

通过以下结合附图的描述，本发明的上述和其他目的和特征将变得明显，其中：

图1A到1I显示了按照本发明第一优选实施方案通过使用毛细作用力在基体上形成薄膜微型图案的方法的顺序步骤；

图2A到2F描述了按照本发明第二优选实施方案通过使用毛细作用力在基体上形成薄膜微型图案的方法的顺序步骤；

图3提供了一个示意图，显示将流化材料渗透到制备在密封容器中的基体上的聚合物材料中，从而使聚合物材料具有流动性，该密封容器包括位于其中且充满流化材料的槽。

具体实施方式

本发明的技术要点在于使用毛细作用力在基体上形成微型图案。首先，制备带有所需图案的聚合物模具。然后，将该聚合物模具与涂覆在基体上的聚合物材料相接触，以使得通过使用毛细作用力使聚合物材料进入到聚合物模具的敞空部分即凹陷部分，从而在基体上形成目标微型图案。

以下介绍按照本发明的、使用毛细作用力的各种微型图案形成方法。

首先，当基体上的聚合物材料如聚苯乙烯具有流动性时，将聚合物模具与在基体上制备的聚合物材料相接触，从而诱导出毛细作用力，并在基体上形成目标图案。

第二步，当聚合物材料变成缺乏流动性的材料时，使聚合物模具与该聚合物材料接触，然后在预定温度范围内对聚合物材料进行热处理如加热，从而诱导出毛细作用力并在其上得到所需的微型图案。

第三步，当聚合物材料变成缺乏流动性的材料时，在基体上制备的聚合物材料中渗透或吸收一种溶剂如PGMEA(丙二醇单甲醚酸酯)，从而使该聚合物材料具有流动性。之后，使聚合物材料与聚合物模具相接触，从而引发毛细作用力并得到目标的微型图案。也可以使用无机模具如SiO₂模具来代替聚合物模具(PDMS聚合物模具)。

图1A到1I显示了按照本发明第一优选实施方案通过使用毛细作用力在基体上形成薄膜微型图案的方法的顺序步骤。

参照图1A，在含有三氯乙烯溶液102的槽100里以预定的时间如5分钟超声清洗硅基体104。然后，如图1B所示，将该硅基体102放入到含有甲醇溶液的槽106中，再次以预定的时间如5分钟进行超声清洗。之后，甲醇清洗过的硅基体104最终使用蒸馏水进行清洗。虽然该优选实施方案中示例性使用硅基体作为形成图案的基体，但也可以使用由其他材料如陶瓷、金属和聚合物制成的基体。

接下来，如图1C所示，利用本领域公知的旋涂技术将溶于甲苯中的聚合物材料108’如聚苯乙烯涂覆在硅基体104上，其中涂覆在基体104上的聚合物材料108’的厚度控制在如大约100nm。

如图1D中所描述，将带有所需微型图案的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具110与聚合物材料108’接触。图1D中的标记110’代表PDMS聚合物模具110的敞空部分即凹陷部分。

如果在硅基体104上形成的聚合物材料108’如聚苯乙烯具有流动性，则聚合物模具110与聚合物材料108’进行保形接触，同时保持了聚合物材料的流动性。然后，产生了毛细现象，使得聚合物材料108’渗透到聚合物模具110的敞空部分110’。结果使得，聚合物模具110的突起部分与硅基体104进行了直接接触。需要指出的是，聚合物模具110上的敞空部分110’需要足够大以容纳在硅基体104上形成的所有聚合物材料108’。

然而，当聚合物材料108’如所谓酚醛清漆树脂是不具有流动性的材料时，需要额外的步骤使聚合物具有流动性，从而诱导出毛细作用力。本优选实施方案提出了两种使非流动性的聚合物材料产生流动性的方法。

第一种方法，如图1E中所示，通过在炉中约110℃下对与聚合物模具110接触的硅基体104热处理约3小时，使非流动性聚合物材料具有流动性，并进入到聚合物模具110的敞空部分110’。

如本领域所公知，大部分聚合物材料具有其玻璃化转变温度。当加热到玻璃化转变温度以上时，聚合物材料是流化的。相应地，如果模具具有能够牵引聚合物材料的一个形状且与聚合物材料进行保形接触，则该聚合物材料会移到聚合物模具的敞空部分中。

图3提供了一个示意图，其显示以下情况，即流化材料渗透到在密封容器中制备的基体上的聚合物材料中，从而使聚合物材料获得流动性，其中在该密封容器中带有一个充满流化材料的槽。

在图3中，将流化材料如PGMEA等溶剂放入到密封容器300中的槽302内，以使流化材料渗透到在基体104上形成的非流化聚合物材料108’中。当从槽302中蒸发的流化材料被聚合物材料108’吸收时，聚合物材料108’具有了流动性。结果使得，聚合物材料108’是流化的。

虽然在图3中并没有显示，但密封容器300还进一步包括一个用于加热该槽302的加热装置，用以加快槽302中的流化材料蒸发，并促进流化材料被聚合物材料108’吸收。相应地，使聚合物材料108’具有流动性所需要的时间也大大地减少，其反过来减少了在基体上形成图案的整体处理时间。

如上所述，通过使用上述各种方法诱导出的毛细作用力，使聚合物材料108’可以进入聚合物模具110的敞空部分110’。

如图1F所示，当聚合物材料108’利用毛细作用力全部进入到聚合物模具110的敞空部分110’中时，移去聚合物模具110，在硅基体104上可得到所需的聚合物图案108即微型图案。

通过使用上述方法得到的聚合物图案，可以在基体上制备如金属布线的微型图案。

例如，在图1G中所示，将其上形成有聚合物图案108的硅基体104放入含有化学镀溶液112的反应器120中。结果如图1H所示，在硅基体104表面的某些不具有聚合物图案的部分上面，产生例如由Al或Cu组成且具有所需厚度的薄膜微型图案114’。。

其后，使用溶剂去除硅基体104上的聚合物图案108。然后通过使用吹入氮气来干燥硅基体104，在由如导体、绝缘体、半导体或有机材料制成的基体上形成目标薄膜微型图案。

相应地，不像传统的微接触印刷法和压印方法一样，按照本发明的、通过使用毛细作用力的简单方法，可以在基体上容易并精确地形成所需的微型图案。

图2A到2F描述了按照本发明第二个优选实施方案、利用毛细作用力在基体上形成薄膜微型图案的方法的顺序步骤。

在第一个实施方案中，通过使用带有所需图案和毛细作用力的聚合物模具在硅基体上形成聚合物图案，来获得薄膜微型图案。在基体表面某些没有形成聚合物图案的部分处生长出薄膜层，然后从基体上去除聚合物图案。

与此形成对比，在本发明第二个实施方案中，通过使用带有所需图案的聚合物模具和毛细作用力在硅基体上形成聚合物图案，使所需微型图案形成在硅基体上。然后，通过使用所需微型图案作为蚀刻掩膜来进行蚀刻过程。

在按照本发明第二个实施方案的微型图案形成方法中，硅基体清洗方法与图1A到1B描述的第一个实施方案中使用的那些清洗方法基本上相同。

参照图2A，通过沉积方法将具有预定厚度的薄膜层204’形成在硅基体202上。然后，如图2B所示，通过使用如旋涂技术，将具有预定厚度的聚合物材料206’涂覆在薄膜层204’的整个表面上。需要指出的是，虽然在第二个实施方案中以硅基体作为最佳实施例，但是本发明也可以应用到由陶瓷、金属、聚合物及其类似物制成的基体。

然后，如果聚合物材料206’具有流动性，使聚合物模具208与聚合物材料206’进行保形接触；如果聚合物材料206’不具有流动性，对聚合物材料采用如第一个实施方案中所述的另一方法如热处理步骤或溶剂渗透步骤，以使聚合物材料在与聚合物模具208进行保形接触前具有流动性。然后，使聚合物材料206’进入到聚合物模具208的敞空部分208’。

在这里，所有聚合物材料206’均可以进入到聚合物模具208的敞空部分208’，或者通过调整聚合物材料206’的厚度使部分聚合物材料206’可以留在薄膜层204’上。

一些聚合物材料206’保留在薄膜层204’上而没有进入到聚合物模具208的敞空部分208’中，以控制以下所述蚀刻过程中的蚀刻速度。

当所有的或部分的聚合物材料206’进入到聚合物模具208的敞空部分208’后，使聚合物模具208从基体202上面的薄膜层204’拆除，从而在薄膜层204’上形成带有所需图案结构的聚合物图案206。接下来，使用聚合物图案206作为蚀刻掩膜来进行蚀刻过程。相应地，如图2E所示，有选择性地去除薄膜层204’的某些部分，并因此有选择性地使硅基体202的某些部分暴露。

之后，通过使用溶剂去除形成在薄膜层204’上的聚合物图案206，并且使用吹入的氮气来干燥带有薄膜层204’的硅基体202，从而最终在硅基体202上获得导体、绝缘体、半导体或有机体的目标微型图案204。

相应地，按照本发明第二个实施方案的微型图案形成方法可以得到与第一个实施方案相同的效果。

如上所述，不像传统微接触印刷法和压印方法，通过使用按照本发明的聚合物模具(或无机模具)和毛细作用力的简单方法，可以容易并精确地在基体上形成聚合物微型图案。进一步，通过使用在基体上制备的聚合物微型图案来作为薄膜层生长抑制体或蚀刻掩膜，可以成功地在由如硅、陶瓷、金属、聚合物等等制成的基体上形成目标微型图案。

本发明已经通过优选实施方案进行了说明和描述，可以理解在不违背以下权利要求中所限定的本发明精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以做出多种变化和修改。

Claims (23)

1、一种使用带有预定图案结构的模具在基体上形成微型图案的方法，该方法包括以下步骤：

a)制备一个模具，该模具带有包括凹陷部分和突起部分的预定图案结构；

b)在基体上沉积聚合物材料；

c)使模具的突起部分与聚合物材料接触；

d)利用聚合物材料的毛细作用力，使与模具的突出部分接触的聚合物材料渗入到其凹陷部分的敞空部分，从而去除与模具的突起部分接触的聚合物材料；和

e)通过拆除该模具使基体的顶表面的部分暴露出来，从而在基体上形成聚合物微型图案。

2、根据权利要求1的方法，其进一步包括步骤：

c1)在所述步骤c)之后但在所述步骤d)之前，在预定温度范围内对聚合物材料进行热处理。

3、根据权利要求1的方法，其进一步包括步骤：

b1)在所述步骤b)之后但在所述步骤c)之前，将流化材料渗透到聚合物材料中，以使聚合物材料具有流动性。

4、根据权利要求1的方法，其中模具是聚合物模具。

5、根据权利要求1的方法，其中模具是无机模具。

6、根据权利要求1的方法，其中通过旋涂技术将聚合物材料形成在基体上。

7、根据权利要求1的方法，其进一步包括以下步骤：

f)在基体的顶部的暴露部分上沉积薄膜层；和

g)去除聚合物微型图案，从而形成所需的薄膜微型图案。

8、根据权利要求3的方法，其中所述步骤b1)包括加热流化材料以促使其蒸发的步骤，从而增强流化材料对聚合物材料的渗透。

9、根据权利要求7的方法，其中通过使用溶剂来去除聚合物微型图案。

10、根据权利要求7的方法，其中基体选自导体、绝缘体、半导体或有机材料。

11、根据权利要求8的方法，其中聚合物材料是酚醛清漆树脂，流化材料是丙二醇单甲醚酸酯(PGMEA)。

12、一种使用带有预定图案结构的模具在基体上形成微型图案的方法，该方法包括以下步骤：

a)制备一个模具，该模具带有包括凹陷部分和突起部分的预定图案结构；

b)在基体上沉积薄膜层；

c)在薄膜层的整个表面上形成聚合物材料；

d)使模具的突起部分与聚合物材料接触；

e)通过使用聚合物材料的毛细作用力，使与模具的突起部分接触的聚合物材料进入到其凹陷部分的敞空部分中，以去除与模具的突起部分接触的聚合物材料，从而形成具有预定形状的聚合物图案；

f)通过使用作为掩膜的聚合物图案来蚀刻薄膜层，从而选择性去除薄膜层的一部分；和

g)去除聚合物图案，从而形成所需的薄膜微型图案。

13、根据权利要求12的方法，其进一步包括步骤：

h)在所述步骤d)之后但在所述步骤e)之前，在预定的温度范围内对聚合物材料进行热处理。

14、根据权利要求12的方法，其进一步包括步骤：

h)在所述步骤c)之后但在所述步骤d)之前，使流化材料渗透到聚合物材料中，以便在模具与聚合物材料接触之前使聚合物材料具有流动性。

15、根据权利要求12的方法，其中模具是聚合物模具。

16、根据权利要求12的方法，其中模具是无机模具。

17、根据权利要求12的方法，其中通过使用旋涂技术使聚合物材料形成在基体上。

18、根据权利要求12的方法，其中通过使用溶剂去除聚合物图案。

19、根据权利要求12的方法，其中基体选自导体、绝缘体、半导体或有机材料。

20、根据权利要求13的方法，其中通过热处理使部分聚合物材料进入到模具的敞空部分中，从而使聚合物的保留部分留在薄膜层的顶部上。

21、根据权利要求14的方法，其中所述步骤h)包括加热流化材料以促使其蒸发的步骤，从而增强流化材料对聚合物材料的渗透。

22、根据权利要求17的方法，其中聚合物材料是酚醛清漆树脂，流化材料是丙二醇单甲醚酸酯(PGMEA)。

23、根据权利要求20的方法，其中留在薄膜层顶部上的聚合物材料的保留部分通过蚀刻过程进行去除。

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