CN102275445A - 用于形成图案的压印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于形成图案的压印装置，包括：压印部件，在其下表面具有纳米结构；支撑部件，设置在所述压印部件的上表面；连接部件，设置在所述支撑部件的外部上表面；以及加热部件和冷却部件，设置在所述支撑部件内部的底面上。根据本发明的压印装置，能够有效降低热效应对半导体器件的影响，避免机台的损坏，并提高加热和冷却效率。

Description

用于形成图案的压印装置

技术领域

本发明涉及半导体器件制造工艺，特别涉及一种用于形成图案的压印装置。

背景技术

在摩尔定律的指引下，半导体工业每两至三年就跨上一个新的台阶，即所谓的半导体技术发展路线图(ITRS)，这一切变化的关键是光刻技术。作为一项最成熟也是最成功的微纳米结构和器件的制造技术，光刻技术为半导体与微电子产业的发展做出了不可磨灭的贡献。但随着集成度与存储密度及运算速度的不断提高，相关器件的尺寸相应也要求越来越小，这样在光刻技术中，除了对其它工序要求越来越高之外，曝光波长也越来越短。随着发展了深紫外与极紫外曝光技术，使得器件制造成本越来越高昂。尽管近年来发展了曝光波长更短的下一代光刻技术，如X射线光刻、电子束光刻以及离子束光刻等新技术，但由于这些技术的生产成本极高，以及在如此短波长的光源下几乎所有物质都有很强的吸收性，因此很难用于器件的大规模生产。

为了克服光刻方法的限制，提出了平板印刷法，其中比较重要的一种是压印技术。压印技术的工作原理是将具有纳米结构的压印装置通过一定的压力，压入加热熔融的热固性聚合物的薄膜内，待热固性聚合物冷却或固化后移去压印装置，然后再通过等离子体刻蚀等传统的微电子加工手段，将纳米结构转移到半导体衬底上。由于进行压印时需要较高的压力(数十大气压)，容易破坏压印装置上的纳米结构，不利于压印装置的反复使用。同时压制过程中加热使热固性聚合物熔融软化，但由于压印装置、热固性聚合物与衬底的热膨胀系数不同，加热与冷却过程中产生的应力也会造成压印装置上的纳米结构在转移与复制过程中产生缺陷。为此，提出一种步进曝光压印技术，即采用粘度低、流动性好的紫外固化聚合物压印材料。将其滴在衬底上，利用液体特有的毛细现象，当压印装置与紫外固化聚合物接触后，不需要外界压力，就可使紫外固化聚合物注入压印装置的纳米结构内，并通过紫外光使其快速固化，从而使压印过程可以在室温与较低的压力下迅速完成。但该方法形成的压印残留层厚度不均匀，较难通过等离子体刻蚀技术实现精确的图案转移。另外，上述两种方法都是通过压印聚合物来形成掩膜，以所述掩膜进行刻蚀后必须经过等离子体工艺(灰化)来去除这些聚合物。然而，在灰化过程中由于离子轰击和衬底充电所带来的对衬底上器件的等离子体损伤是不容忽视的。由于基于上述压印方法发展出的压印装置所存在的固有缺陷，使得相应的压印装置未被广泛应用于生产。

近来发展出压印金属材料的压印技术，以形成的具有图案的金属层为掩膜刻蚀后，可以采用仅与金属反应的酸性溶液来去除金属硬掩膜，因此不会对衬底上的器件造成损伤。压印使金属硬掩膜形成图案时，为了减小压印的压力，通常在样品机台的底部设置加热部件和冷却部件，使金属被快速加热至熔融状态，并在压印完成后冷却至熔点以下使金属固化。金属硬掩膜通常会使用低熔点的金属，但是，即使使用低熔点的金属也需要将形成有金属硬掩膜的前端器件由底部开始加热，直到金属硬掩膜熔化，此时的温度高达几百摄氏度。随着半导体器件关键尺寸的不断缩小，由于高温会影响器件的电学性能，因此工艺上必须避免热效应。对于每一批次的晶片，由于每次形成半导体结构，例如栅极、接触孔、通孔等，都需要压印金属硬掩膜，因此连续不断地高温操作，还会降低机台的精度，甚至使机台发生变形和损坏。另外，由于上述加热和冷却部件均设置在机台底部，因此加热和冷却效率较低。

因此，本发明提出一种用于压印金属材料的压印装置，以降低热效应对半导体器件的影响，避免机台的损坏，并提高加热和冷却效率。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明提出一种用于形成图案的压印装置，包括：压印部件，在其下表面具有纳米结构；支撑部件，设置在所述压印部件的上表面；连接部件，设置在所述支撑部件的外部上表面；以及加热部件和冷却部件，设置在所述支撑部件内部的底面上。

根据本发明的一个方面，所述压印装置还包括控制系统。

根据本发明的一个方面，所述控制系统包括处理器、以及分别与所述处理器连接的冷却控制器、加热控制器、移动机构和温度传感器，其中所述冷却控制器连接所述冷却部件，所述加热控制器连接所述加热部件，所述移动机构连接所述连接部件，所述温度传感器连接所述压印部件。

根据本发明的一个方面，所述移动机构具有压力传感器。

根据本发明的一个方面，所述压印部件和所述支撑部件由钒、钽、铌、锆和钛中的一种或多种，包含钒、钽、铌、锆和钛中的一种或多种的合金制成。

根据本发明的一个方面，所述压印部件和所述支撑部件由同种材料制成。

根据本发明的一个方面，所述加热部件为放电等离子体烧结装置。

根据本发明的一个方面，所述冷却部件的横截面为半圆形、三角形或矩形。

根据本发明的一个方面，所述加热部件和所述冷却部件均匀地设置在所述支撑部件的内部底面上。

根据本发明的一个方面，所述加热部件位于所述支撑部件内部底面的中心，或在所述支撑部件内部底面上依次水平排列，所述冷却部件包围所述加热部件。

根据本发明的压印装置，能够有效降低热效应对半导体器件的影响，避免机台的损坏，并提高加热和冷却效率。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1为根据本发明实施方式的压印装置的侧视图；

图2为根据本发明实施方式的压印装置的控制系统的方框图；

图3为根据本发明一个实施方式的支撑部件内部的示意图；

图4为根据本发明另一个实施方式的支撑部件内部的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的装置，以便说明本发明的压印装置。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

图1为根据本发明实施方式的压印装置的侧视图。如图1所示，压印装置100包括压印部件101、支撑部件102、连接部件103、加热部件(未示出)、冷却部件(未示出)、移动机构、冷却控制器、加热控制器和温度传感器。

压印部件101的下表面具有纳米结构，所述纳米结构用于使金属硬掩膜形成图案，所述图案例如是形成栅极的图案、形成接触孔的图案、形成沟槽的图案等。压印部件101与温度传感器相连，以检测压印部件101的温度。

支撑部件102通过焊接、铆接以及螺栓连接等方式设置在压印部件101的上表面。支撑部件102用于防止温度改变时压印部件101的收缩和松弛。压印部件101和支撑部件102可以使用耐高温、硬度高并且导热性良好的材料制成，例如钒、钽、铌、锆和钛中的一种或多种，包含钒、钽、铌、锆和钛中的一种或多种的合金等。优选地，支撑部件102与压印部件101采用同种材料制成。同种材料具有相同的热膨胀系数，因此可以有效避免压印部件101的弯曲变形。在支撑部件102内部的底面上均匀地设置有加热部件和冷却部件，所述加热部件和冷却部件用于使压印部件101均匀地被加热或冷却。加热部件和冷却部件分别与加热控制器和冷却控制器相连，由它们来分别控制加热部件和冷却部件的工作状态。另外，为实现冷却功能，冷却部件还需采用本领域公知的手段与压印装置100外部的泵和冷却剂槽等装置相连，这里不做详细描述。

在支撑部件102的外部上表面设置有连接部件103，连接部件103与移动机构相连，以使压印装置100通过控制系统实现水平方向和垂直方向的移动。

移动机构、冷却控制器、加热控制器和温度传感器，连同处理器一起组成控制系统，用于综合控制压印装置100中各个部件的协调工作，例如加热部件和冷却部件的开启、关断及其加热/冷却速率，以及压印装置的机械运动等。下面将结合图2详细描述根据本发明实施方式的压印装置的控制系统。

如图2所示，控制系统包括冷却控制器201、加热控制器202、处理器203、移动机构204和温度传感器205。处理器203分别与冷却控制器201、加热控制器202、移动机构204和温度传感器205相连。冷却控制器201的另一端与支撑部件内部底面上的冷却部件相连，用于控制冷却部件的开关和冷却剂的流速，以控制冷却部件的工作状态及冷却速度。加热控制器202的另一端与支撑部件内部底面上的加热部件相连，用于控制加热部件的开关以及加热部件的电路，以控制加热部件的工作状态、加热温度以及使其处于保温状态。移动机构204的另一端与连接部件相连，用于控制压印装置的水平移动和垂直移动。温度传感器205的另一端与压印部件相连，用于测量压印装置的温度。

下面将结合具体实例来详细描述支撑部件内部的加热部件和冷却部件。

图3为根据本发明一个实施方式的支撑部件内部的示意图。如图3所示，支撑部件300内部包括一个加热部件301和一个冷却部件302。加热部件301为放电等离子体烧结装置，该装置能使压印装置快速加热至高达1000℃以上的温度。加热部件301具有电极301a和301b，所述电极301a和301b将加热部件301与加热控制器连接起来。加热部件301位于支撑部件300内部底面的中心。冷却部件302包围加热部件301。为了使冷却剂在冷却部件302中流动时，与支撑部件300充分接触，冷却部件302的横截面优选为半圆形、三角形或矩形等，其中半圆形的直径所在的边、三角形或矩形的长边与支撑部件300接触。冷却部件302包括入口端302a和出口端302b。区域303为入口端302a和出口端302b的重叠部分，入口端302a位于出口端302b的上方，以方便冷却剂的流动。当冷却压印装置时，冷却剂从冷却部件302的入口端302a流入，从出口端302b流出。冷却剂可以使用液态冷却剂或气态冷却剂。液态冷却剂包括水和有机物液体等，气态冷却剂包括空气、二氧化碳(CO₂)和氦气(He)等。

图4为根据本发明另一个实施方式的支撑部件内部的示意图。如图4所示，支撑部件400内部包括三个加热部件401和一个冷却部件402。加热部件401和冷却部件402的原理可以与上述实施方式相同，在这里不再赘述。电极401a和401b将加热部件401与加热控制器连接起来。加热部件401在支撑部件400内部依次水平排列。冷却部件402在加热部件之间蜿蜒排列，包围加热部件401。冷却部件402包括入口端402a和出口端402b。区域403为入口端402a和出口端402b的重叠部分，入口端402a位于出口端402b的上方，以方便冷却剂的流动。根据该实施方式形成的压印装置可以在短时间内得到快速均匀的加热，因此改善图案的均匀度。

本发明不限于上述提到的两种实施方式，支撑部件内部可以包含至少一个加热部件和至少一个冷却部件。其中，加热部件和冷却部件可以以任何方式排列，因此本发明意在包括所有能实现本发明目的的排列方式。

如图2所示，处理器203根据系统指令，通过加热控制器202开启加热部件，使加热部件处于工作状态。同时，处理器203从温度传感器205接收温度信号，处理器203根据第一预定温度(大于或等于金属硬掩膜的熔点)和所述温度信号，通过加热控制器202控制加热部件加热速率，进而控制加热部件的温度。当压印部件达到第一预定温度时，处理器203控制移动机构204压入金属硬掩膜。移动机构204具有压力传感器(未示出)，压力传感器将前方的压力信号反馈给处理器203。根据接收的反馈信号，处理器203通过移动机构204控制压印装置的压入金属硬掩膜。当压印部件达到金属硬掩膜内部的预定深度时，压力传感器将信号反馈给处理器203。处理器203通过加热控制器202关闭加热部件，并通过冷却控制器201开启冷却部件。当温度传感器205向处理器203发送压印部件的温度小于或等于第二预定温度(小于金属硬掩膜的熔点)时，处理器203通过移动机构204控制压印装置离开金属硬掩膜，从而完成一次压印。处理器203根据系统指令，控制压印装置水平移动，以进行晶片上下一个区域的压印。

根据本发明的压印装置，将加热部件和冷却部件整合到压印装置上，以通过压印装置直接将热量迅速传导至金属硬掩膜，从而避免现有技术中从底部向上加热对前端器件的电学性能造成的不利影响，以及反复高温操作可能对机台产生的损害。另外，直接对金属硬掩膜加热和冷却，还提高了加热部件和冷却部件的效率。

采用根据本发明压印装置制造的半导体器件可应用于多种集成电路(IC)中。根据本发明的IC例如是存储器电路，如随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)、或只读存储器(ROM)等等。根据本发明的IC还可以是逻辑器件，如可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)、合并式DRAM逻辑集成电路(掩埋式DRAM)、射频电路或任意其他电路器件。根据本发明的IC芯片可用于例如用户电子产品，如个人计算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机、数码相机、手机等各种电子产品中，尤其是射频产品中。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (12)

1.一种用于形成图案的压印装置，包括：

压印部件，在其下表面具有纳米结构；

支撑部件，设置在所述压印部件的上表面；

连接部件，设置在所述支撑部件的外部上表面；以及

加热部件和冷却部件，设置在所述支撑部件内部的底面上。

2.如权利要求1所述的压印装置，其特征在于，所述压印装置还包括控制系统。

3.如权利要求2所述的压印装置，其特征在于，所述控制系统包括处理器，以及分别与所述处理器连接的冷却控制器、加热控制器、移动机构和温度传感器，其中所述冷却控制器连接所述冷却部件，所述加热控制器连接所述加热部件，所述移动机构连接所述连接部件，所述温度传感器连接所述压印部件。

4.如权利要求3所述的压印装置，其特征在于，所述移动机构具有压力传感器。

5.如权利要求1所述的压印装置，其特征在于，所述压印部件和所述支撑部件由钒、钽、铌、锆和钛中的一种或多种，包含钒、钽、铌、锆和钛中的一种或多种的合金制成。

6.如权利要求5所述的压印装置，其特征在于，所述压印部件和所述支撑部件由同种材料制成。

7.如权利要求1所述的压印装置，其特征在于，所述加热部件为放电等离子体烧结装置。

8.如权利要求1所述的压印装置，其特征在于，所述冷却部件的横截面为半圆形、三角形或矩形。

9.如权利要求1所述的压印装置，其特征在于，所述加热部件和所述冷却部件均匀地设置在所述支撑部件的内部底面上。

10.如权利要求9所述的压印装置，其特征在于，所述加热部件位于所述支撑部件内部底面的中心，或在所述支撑部件内部底面上依次水平排列，所述冷却部件包围所述加热部件。

11.一种包含用权利要求1所述的压印装置制造的半导体器件的集成电路，其中所述集成电路选自随机存取存储器、动态随机存取存储器、同步随机存取存储器、静态随机存取存储器、只读存储器、可编程逻辑阵列、专用集成电路、掩埋式DRAM和射频电路。

12.一种包含用权利要求1所述的压印装置制造的半导体器件的电子设备，其中所述电子设备选自个人计算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机和数码相机。

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