CN101019066A - 用于纳米规模制造的流体分配和按需液滴分配 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及将一个总体积的液体分配到基片之上的方法，所述方法包括：将多个相互间隔开的液滴设置在所述基片的一个区域上，各液滴具有与之相关的单位体积，所述区域中所述液滴的聚集体积随要在此区域形成的图案的体积而变化；等等。

Description

用于纳米规模制造的流体分配和按需液滴分配
发明背景
本发明的领域一般涉及刻印平版印刷术(imprint lithography)。更具体地，本发明涉及将一定体积的液体分配到基片上以减少在刻印平版印刷工艺中填充模板图案特征的时间。
细微制造涉及制造非常小的结构，例如，具有微米级或更小的图案特征(features)的结构。细微制造具有相当大影响的一个领域是在集成电路的加工中。半导体加工工业一直以来都在不断努力期望获得更大的生产率，而同时又增加在基片上每单位面积的电路，所以细微制造的重要性不断增加。细微制造在使所形成的结构的最小图案特征的尺寸降低的同时规定了更强的过程控制。已应用细微制造而发展的其它领域包括生物技术、光学技术、机械体系等。
示范性的细微制造技术描述在美国专利第6334960号中，发明人为willson等。willson等揭示了一种在结构中形成浮雕图像(relief image)的方法。该方法包括形成带有转移层的基片。转移层被可聚合流体组合物覆盖。模具与可聚合流体机械接触。模具具有浮雕结构，可聚合流体组合物填充在浮雕结构中。然后可聚合流体组合物被置于使其固化和聚合的条件之下，在转移层上形成固化的聚合物材料，该聚合材料含有与模具的浮雕结构互补的浮雕结构。然后将模具从固体聚合材料上分离，这样模具中的浮雕结构的复制品就在固化的聚合材料中形成。转移层和固化的聚合材料置于一定环境中，用以有选择地相对于固化的聚合材料来刻蚀转移层，从而在转移层中形成浮雕图像。所需的时间和该技术提供的最小图案特征的大小取决于可聚合材料的组成等。
因此，希望提供一种减少填充刻印平版印刷术模板的图案特征所需的时间的技术。
发明概述
本发明涉及将一个总体积的液体分配到基片上的方法，该方法包括：将多个相互间隔开的液滴设置在基片的一个区域上，各液滴具有与之相关的单位体积，该区域中液滴的聚集体积随要在此区域形成的图案的体积而变化。下文将更全面地描述这些其它实施方式。
附图简要说明
图1是依据本发明的平版印刷体系的透视图；
图2是图1所示的平版印刷体系的简化的正视图；
图3是组成图2所示的刻印层的材料在聚合和交联之前的简化表示；
图4是图3所示的材料在被辐射后转变成的交联聚合物材料的简化表示；
图5是在刻印层被加上图案之后与刻印层分开的图1所示的模具的简化的正视图；
图6是如图2所示的依据本发明第一实施方式的沉积在基片区域上的刻印材料液滴的阵列的俯视图；和
图7是表示根据模板设计将液体分配到基片区域上的方法的流程图。
发明详述
图1示出了根据本发明的一个实施例的平板印刷系统10，该系统包括一对互相间隔开的桥式支架12，在它们之间延伸有一桥接件14和一平台支座16。桥接件14和平台支座16互相间隔开。与桥接件14联结的是一刻印头18，该刻印头从桥接件14向平台支座16延伸，并提供沿Z轴线方向的运动。在平台支座16上面对刻印头18放置着一运动平台20。该运动平台20被构造成可相对于平台支座16沿X和Y轴线运动。应该理解的是，刻印头18可既提供沿X和Y轴线的运动又提供沿Z轴线的运动，而运动平台20可既提供沿Z轴线的运动又提供沿X和Y轴线的运动。运动平台装置的一个例子在2002年7月11日提交的名称为“分步重复刻印平板印刷系统(Step and Repeat Imprint Lithography Systems”的美国专利申请10/94414中有所揭示，该申请是转让给本发明的受让人的，且该申请全文通过参考结合于此。一辐射源22连接于平板印刷系统10，以便将光化辐射照射在运动平台20上。如图所示，辐射源22与桥接件14联结并包括一与辐射源22连接的发电机23。平板印刷系统10的运行通常由一处理器25控制，该处理器与平板印刷系统10有数据通讯。
参考附图1和附图2，连接到印刻头18上的是模板26，模板26上具有模具28。模具28包括由多个间隔开的凹陷28a和凸起28b所限定的多个图案特征。这多个图案特征限定出一个原始图案，该图案可以转移到设置在移动台20上的基片30上。为此目的，刻印头18和/或运动平台20可改变模具28和基片30之间的距离“d”。这样，就可将模具28上的图案特征刻印到基片30的可流动区域中，这将在下面更详细地讨论。将辐射源22定位成使模具28置于辐射源22和基片30之间。因此，模具28由可使它基本上被辐射源22所产生的辐射穿透的材料制成。为此目的，模具28可由包括以下所列的材料制成：石英、熔融二氧化硅、硅、蓝宝石、有机聚合物、硅氧烷聚合物、硼硅玻璃、氟碳聚合物、或它们的组合。而模板26可由上述材料以及金属形成。
参见图2和3，在表面32的外形基本平坦的部分上设置有诸如刻印层34之类的可流动区域。一示例性可流动区域由刻印层34组成，该刻印层是沉积在基片30上的多个分隔开的材料36a的分散液滴36，将在下面对此进行详细讨论。用于沉积液滴36的一示例性系统在2002年7月9日提交、题目为“分配液体的系统和方法(System and Method for Dispensing Liquids)”的美国专利申请10/191749中揭示，该申请转让给本发明的受让人，且其全文通过参考结合于此。刻印层34由材料36a形成，该材料36a可选择性地聚合和交联以在其中记录下原始图案，形成一记录图案。材料36a的一个示例性组成在2004年2月27日提交、题目为“刻蚀掩模用包括含硅材料的的组合物(Composition for an Etching Mask Comprising aSilicon-Containing Material)”的美国专利申请10/789319中有所揭示，该申请全文通过参考结合于此。材料36a在图4中显示为在点36b处已经交联，形成交联聚合物材料36c。
参考图2、3和5，记录在刻印层34中的图案部分地是通过与模具28进行机械接触产生的。为此目的，距离“d”要减小，以使印刻液滴36与模具28机械接触，使液滴36蔓延开来，从而在面32上用材料36a的邻接成型来形成刻印层34。在一个实施例中，减小距离“d”以使刻印层34的子部34a进入并填充凹陷28a。
为了方便对凹陷28a的填充，材料36a要具备在用邻接材料36a的成型覆盖面32的同时，能完全填充凹陷28a所必需的性质。在本实施方式中，叠加在凸起28b上的刻印层34的子部34b在达到期望的、通常为最小的距离“d”后依然保留，使子部34a的厚度为t1、子部34b的厚度为t2。取决于应用，厚度t1和t2可为任意所需的厚度。通常，选择t1，使t1-t2≤3u，图5中表示得更加清楚。子部34b通常称为残留层。
参考图2、3和4，在达到所需的距离“d”后，辐射源22产生光化辐射，用来聚合和交联材料36a，形成交联的聚合材料36c。结果刻印层34的组合物从材料36a转变成交联聚合材料36c，该交联聚合材料36c为固态。具体来说，交联聚合材料36c进行固化，从而为刻印层34的侧部34c提供与模具28的表面28c相一致的形状，这在图5中更清楚地示出。在将刻印层34转化成由图4所示的交联聚合材料36c组成之后，移动图2所示的刻印头18来加大距离“d”，从而将模具28和刻印层34分开。
参见图5，可采用附加处理来完成在基片30上印制图案。例如，可蚀刻刻印层34和基片30，从而将刻印层34上的图案转印到基片30中，提供一有图案的表面34c。为便于蚀刻，必要时可改变形成刻印层34的材料，从而对于基片30形成一相对蚀刻速率。
参考图2、3和6，对于具有密集图案特征如纳米级的凹陷28a和凸起28b的模具，将液滴36以与模具28重叠的方式散布在基片30的区域40上以填充凹陷28a会需要较长的时间，从而减慢了刻印工艺的生产量。为了促进刻印工艺生产量的增加，液体36的分配方式，要最大程度地减少其延展到基片30上并填充凹陷28a所需的时间。这通过将液体36以两维矩阵42的形式分配来实现，这样可以最大程度地减小相邻液滴36之间的间距，用S1和S2表示。如图中所示，矩阵42的液滴36排列成六列n1-n6和六行m1-m6。但是，液滴36实际上可以任何两维排列方式排列在基片30上。所希望的是在给定形成刻印层34需要的材料36a的总体积Vt时使矩阵42中的液滴36的数目达到最大。这样就最大程度地减小了相邻液滴36之间的间距S1和S2。而且，希望子集中的各液滴36各自的材料36a的量基本等同，定义为单位体积Vu。根据这些准则，可以确定矩阵42中的液滴36的总数目可以按下式确定：
(1)n＝Vt/Vu，
 式中Vt和Vu如上所定义。假设液滴36的正方矩阵，其中液滴36的总数目n定义如下：
(2)n＝n1×n2，
式中n1是沿第一方向的液滴数目，n2是沿第二方向的液滴数目。沿第一方向即在一个维度中相邻液滴36之间的间距S1可以按下式确定：
(3)S1＝L1/n1，
式中L1是区域40沿第一方向的长度。类似地，沿相对于第一方向垂直延伸的第二方向的相邻液滴36之间的间距S2可按下式确定：
(4)S2＝L2/n2，
式中L2是区域40沿第二方向的长度。
考虑到各液滴36的材料36a的单位体积是取决于分配设备的，显然，间距S1和S2取决于分辨率，即用于形成液体36的液滴分配设备(未示出)的操作控制。具体来说，希望分配设备(未示出)以使各液滴36中的材料36a的量最少的方式提供，这样可以精确控制分配设备。以此方式，使各液滴36中的材料36a必须在其上移动的区域40的面积最小化。这缩短了填充凹陷28并使基片覆盖上材料36a的邻接层所需的时间。
液体36的分配可以是通过一次分配到整个基片30上来实现，或者是使用场至场(field-to-field)分配技术(如美国专利申请号10/194414中所揭示的，该专利申请是美国专利申请号2004/0008334的主题，其内容通过引用结合于此)或者使用两者的组合来实现对。为此目的，所使用的分配系统可以是基于压电喷墨的技术或者是基于微螺线管的技术。结果，分配系统可以是用于分配材料36a的单喷嘴、喷嘴的线性阵列或喷嘴的矩阵，喷嘴的线性阵列和矩阵包括100个以上单独的射流。喷嘴阵列射流可以用高达4KHz的频率分配。喷嘴阵列射流可用开关体积控制或灰度体积控制能力(gray scale volume control capability)来得到，其中灰度体积控制能力可以分配1-42皮升(pL)范围内的体积。当使用场至场分配技术时，喷嘴阵列中的各喷嘴可以基本上分配相同组成的材料36a，但是，在另一个实施方式中，喷嘴阵列的各喷嘴可以分配不同组成的材料36a。
喷墨装置的例子包括从总部在英国剑桥的Xaar Corporation公司购得的Omnidot和从总部在New Hampshire州Lebanon的Dimatix Corporation的子公司Spectra购得的喷墨装置。示例性的喷嘴阵列是多射流喷嘴系统，该系统包括126个射流，以货号XJ126由Xaar Corporation出售。此外，可以使用利用超声喷头来分配液滴36的雾化喷射法。另外，对于高粘度如等于或大于20厘泊的材料36a来说，可以使用从Xaar Corporation购得的Leopard，其中可以对材料36a进行加热，以将材料36a的粘度降低到可喷射的范围。
为了得到薄且均匀的残留层且使用于刻印一个场的时间最少，可根据本发明采用若干方法。
例如，参考图1-3和7，液滴36可根据模板26的设计进行分配，并使用合适的环境气体(诸如He)以去除刻印层34中截留的气体。这里描述根据模板26的设计分配材料36a的一个实施方式。液滴36具有小体积Vs，例如，约1-1000pL。首先，考虑模板26没有图案特征的情况。为了在基片30上实现给定的残留层厚度，在步骤100处，计算所需材料36a的总体积V1，假设模板26将所有材料36a限定在模板26的有效区域。假设‘m’行和‘n’列的网格几何形状，在步骤102处，计算‘m’和‘n’，使得m×n×Vs＝V1。一旦选定‘m’和‘n’，在步骤104处，确认各网格点周围的多边形范围，该范围表示面积大致等于模板26的有效场的总面积除以(m×n)的控制区域Ac。在步骤106处，在模板26在控制区域Ac上没有凹陷(没有图案特征)的各网格位置分配体积等于Vs的量。在步骤108处，在模板26在控制区域Ac完全凹陷的网格点，分配体积等于(Vs+Ac×d)的量，其中d是模板26的刻蚀深度。在步骤110处，在模板26在控制区域Ac的一部分(例如J％)凹陷的网格点，分配体积等于(Vs+Ac×d×J/100)的量，其中d是模板26的刻蚀深度。
参考图2和7，刻印头18的操作和液滴60的分配可通过与之处于数据通讯中的处理器24来控制。存储器23与处理器21处于数据通讯中。存储器23包括计算机可读介质，该介质中具有计算机可读程序。计算机可读程序包括采用上述图7所示的算法的指令、或类似的算法来计算分散到各网格点的体积的指令。这类软件程序可以处理用于制造模板26的模板设计文件(诸如GDS II文件)。
参考图2、3和7，要在各控制区域Ac分配的量可以通过以下方式实现：对于液滴36中每一液滴体积一定的情况，可改变各控制区域Ac内的液滴36的图案，或者对于液滴36的图案一定的情况，可改变各控制区域Ac内的液滴36中每一液滴的体积，或者通过两者的组合。此外，液滴图案和/或每一液滴的体积的经验判断可用来获得相邻控制区域Ac之间形成的过渡区域的所需特性。
上述方法提供基片30区域中的必需材料36a，同时又最大程度地减小液滴36中的一个液滴中的材料36a在与液滴36中的相邻液滴中的材料36a合并之前行进的路程，因此，减少了液体36填充到凹陷28a中所需的时间。在两个或多个液滴36合并后，有可能在刻印层34中接近合并材料36a的边界处产生气泡。
希望最大程度地减少液滴36填充到凹陷28a中的时间，该时间定义为模板26的“填充时间”，同时产生基本上不间断的刻印层34。为了最大程度地减少模板26的填充时间，可使材料36a置换合并中的材料36a之间的上述气泡所需的时间最小化。为此目的，假设各液滴36的体积基本上相同，可以使气泡体积的平均值和变化最小化。结果，合并中的材料36a可以更快的速率置换气泡。使气泡体积的平均值和变化最小化的液滴36的图案的例子可包括，但不限于，六边形和三角形。此外，发现对于厚度等于或小于30-40纳米的残留层，模板26的填充时间是可以接受的。
另外，最大程度地减小上述液滴36中的一个液滴中的材料36a在与液滴36的相邻液滴中的材料36a合并之前行进的路程，可以降低材料36a的粘滞曳力，结果增加材料36a的速率，加大置换气泡的力量，因此进一步最大限度地减少模板的填充时间。而且，如果气泡是小体积区域，侧向尺寸为微米级，厚度为亚微米级，则气泡会迅速消散，提供快速刻印过程。
为了进一步最大限度地减少填充时间，可以提高气泡的置换速率，使得合并中的材料36a可以更快的速率置换气泡。为此目的，气泡的置换速率与施加到气泡上的液压成比例。液压可以是毛细管力和任何施加于液滴36的外加力的函数。为了提高液压，可以提高毛细管力，其中毛细管力可以通过最大限度地减少厚度t2而最大化，如图5所示。
应注意，以液体36分配的体积随温度而变化。例如，材料36a的粘度会变化，且启动泵以使材料36a从喷嘴中排出的PZT材料的尺寸大小，它们都会改变液滴36的一个给定液滴的体积。压电微型喷射装置可包括一个内置的温度传感器，如同Xaar的126线性阵列的情况一样，该温度传感器连续控制泵的温度。可以逐步形成一个将温度和电压相关联的校准曲线，以维持特定的体积输出。该温度曲线可以实时使用，在观察到温度变化时调节电压水平。
另外，为了避免偶发故障导致液滴36缺失，可以使用这样的分配技术，其中液滴36的一个子集或各个液滴是通过将材料36a从喷嘴向共同位置分配多次来形成，以至于总体效果是各液滴36具有所需的体积。具体地，液滴36的一个给定液滴的体积可以是共同位置处从喷嘴分配到的多次体积的平均值。
此外，对于基片30上的一个给定区域，多个液滴36以这样的方式合并，即液滴的局部膜厚度是N个液滴36的平均值，从而如果液滴36中有一个液滴没有分配到，则局部膜厚度与理想值的差值是(所需膜厚度/N)纳米。因此，只要N足够高(例如100)，则液滴36中缺失一个液滴的影响是可以忽略不计的。作为一个例子，对于X毫米长X毫米宽场，为了建立100纳米的残留层，需要的最小体积是(0.1×X2)纳升，其中模板26中不具有任何图案特征。如果模板26包括图案特征，则需要更多的材料36a，从而进一步增加N。因此，模板26不具有图案特征的情况是最糟糕的情况。压电喷射可以提供低至1皮升的体积。如果假设80皮升是基本的液滴单位，则以纳米为单位的RLT误差与单位为毫米的场尺寸的长度特征lf的平方成反比(定义为单位为平方毫米的场面积的平方根，以包括多边形场区域)。如下所示：
Figure A20058001795100131
如果由于液滴36的缺失液滴引起的允许膜厚度变化为5纳米，则lf大约为4毫米，该值与所得的印刻层34的厚度无关。
应该注意到，随着液滴36的体积下降，蒸发的影响增大。通过校准液滴的蒸发水平，可以提高分配体积以弥补蒸发。例如，与最后分配液滴36的基片区域相比，，先分配液滴36的区域需要更多的材料36a。先分配的液滴36蒸发的更多，因为在模板26和基片30在它们中间捕获到液体之前经历的时间更长。
参考图3和5，在另一个实施方式中，液滴36可包含表面活性剂预调理溶液。可以使用表面活性剂预调理溶液，从而在液滴36与模板26接触时，表面活性剂预调理溶液的一部分可以粘合到模板26上。采用上述方法，包含表面活性剂预调理溶液的液滴36可以以降低模板26的填充时间的图案的形式置于基片30之上。但是，在另一个实施方式中，液滴36可以以抵消在相邻的液滴36合并时可能发生的表面活性剂累积、并且便于液滴36填充凹陷28a的图案的形式置于基片30之上。
在另一个实施方式中，希望在基片30和液滴36之间设置一衬层(未示出)。衬层(未示出)可包含一种与模板26的表面能相互作用低、而与液滴36的表面能相互作用高的组合物。该衬层(未示出)组合物具有最小的蒸发速率，粘度约为10-100cps，以便于它的旋涂沉积。衬层(未示出)和液滴36可以是可混溶的，衬层(未示出)可以是液滴36的溶剂。
以上描述的本发明的实施例是示范性的。可对上述的说明书进行多种变动和修改，而仍在本发明的范围内。因此，本发明的范围并不应受上述说明的局限，而是应参照所附权利要求书及其全范围的等同方案来确定。

Claims (28)

1.一种用于将一个总体积的液体分配到基片之上的方法，所述方法包括：
将多个相互间隔开的液滴设置在所述基片的一个区域上，各液滴具有与之相关的单位体积，所述区域中所述液滴的聚集体积随要在此区域形成的图案体积而变化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图案的所述体积取决于要形成在所述区域上的残留层的厚度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图案的所述体积取决于要形成在所述区域的图案特征的尺寸。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图案的所述体积取决于要形成在所述区域上的残留层的厚度和要形成在所述区域的图案特征的尺寸。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述图案的所述体积还取决于包含所述图案特征的所述区域的百分数。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置还包括分配多个体积的材料以形成所述多个相互间隔开的液滴中的一个。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置还包括分配所述多个相互间隔开的液滴，以弥补所述多个相互间隔开的液滴在图案形成过程中的蒸发损失。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置还包括使所述多个相互间隔开的液滴中的一个与相邻的所述多个相互间隔开的液滴中的一个液滴之间的间距最小化。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个相互间隔开的液滴具有选自主要由六边形和三角形构成的组的图案。
10.一种用于将一个总体积的液体分配到基片之上的方法，所述方法包括：
将第一组多个相互间隔开的液滴设置在所述基片的第一区域上，各液滴具有与之相关的单位体积，所述第一区域中的所述第一组液滴的聚集体积随要在此区域形成的第一图案的体积而变化；
将第二组多个相互间隔开的液滴设置在所述基片的第二区域上，各液滴具有与之相关的单位体积，所述第二区域中所述第二组液滴的聚集体积随要在此区域形成的与所述第一图案不同的第二图案的体积而变化。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一图案的所述体积取决于要形成在所述第一区域上的残留层的厚度。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二图案的所述体积取决于要形成在所述第二区域上的残留层的厚度和要形成在所述区域的图案特征的尺寸。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一图案和所述第二图案的所述体积取决于要形成在所述第一区域和第二区域的残留层的厚度，所述第二图案还取决于要形成在所述第二区域上的图案特征的尺寸。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第二图案的所述体积还取决于包含所述图案特征的所述第二区域的百分数。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述设置还包括分配多个具有体积的材料，以形成所述多个相互间隔开的液滴中的一个。
16.一种用于将一个总体积的液体分配到基片上的方法，所述方法包括：
将多个相互间隔开的液滴设置在所述基片的一个区域上，各液滴具有与之相关的单位体积，所述区域中所述液滴的聚集体积随要在所述区域上形成的残留层的厚度和要在所述残留层上形成的图案的体积而变化。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述图案的所述体积取决于要形成在所述区域的图案特征的尺寸。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述图案的所述体积还取决于包含所述图案特征的所述区域的百分数。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述设置还包括分配多个具有体积的材料，以形成所述多个相互间隔的液滴中的一个。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述设置还包括分配所述多个相互间隔开的液滴以弥补所述多个相互间隔开的液滴在图案形成过程中的蒸发损失。
21.一种用于将液体分配到基片上的方法，所述方法包括：
在所述基片上设置多个相互间隔开的液滴的图案，所述多个液滴在相邻的液滴之间形成多个气泡，所述图案的建立使所述多个气泡的体积最小化。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述图案的建立还使所述多个气泡中的各气泡的所述体积的平均值最小化。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述图案的建立还使所述多个气泡的各气泡的所述体积的平均值和变化最小化。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，设置所述图案还包括将所述多个相互间隔开的液滴以选自主要由六边形和三角形组成的组的图案设置。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述多个相互间隔开的液滴中的各液滴基本上具有相同的体积。
26.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述设置还包括分配多个体积的材料，以形成所述多个相互间隔开的液滴中的一个。
27.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述设置还包括分配所述多个相互间隔开的液滴，以弥补所述多个相互间隔的液滴在图案形成过程中的蒸发损失。
28.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述设置还包括使所述多个相互间隔开的液滴中的一个与相邻的所述多个相互间隔开的液滴中的一个液滴之间的间距最小化。
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