CN1260616C - 制造微结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制造微结构的方法。该方法采用光刻掩模技术和微接触印刷技术相结合。

Description

制造微结构的方法
技术领域
本发明总体上涉及光刻工艺方法。具体地，本发明涉及在具有狭小尺寸的衬底中制造金属结构的工艺方法。
背景技术
在半导体技术和微电子领域，结构的尺寸正变得越来越小。在当今的存储器制造中，例如，采用结合掩模技术的光学光刻方法来制造宽度小于200nm的结构。光刻工艺是例如半导体装置制造过程中的关键步骤。在光刻工艺中，通常采用紫外(UV)光作为辐照光通过掩模(以下称为光掩模)对涂有光致抗蚀剂的半导体晶片进行曝光。光刻工艺的目的是为了将一系列代表电路层的图形转移到所述晶片上。在所述光掩模上的图形在所述晶片上定义出各种电路元件的位置、形状和尺寸，例如扩散区域、金属触点和金属化层。
在光学光刻方法中，由于衍射效应，极限预计在大约70nm。
然而，诸如单电子晶体管或者分子电子元件要求更小尺寸的结构。对于频率非常高的高频电路，在传统的电子设备中也是如此。同时，也要求减小例如薄膜磁头中的读写尺寸。另外，尚需要具有大约5到30或更大的非常高的长宽比的微结构。
当今的光刻技术仍然受到所采用的辐照光波长的限制以达到尽可能小的临界尺寸。在大多数的情况下，临界尺寸的减小是通过减小辐照的波长实现的，也即，开始采用紫外曝光，随后演进到深紫外(DUV)曝光、电子辐照和X射线。例如X射线光刻使得图形尺寸小于100nm成为可能。对于电子和离子束光刻，通过高能粒子可以产生小至10nm的结构。然而，这要求昂贵的真空系统和射束导引系统。另外，因为高能粒子可能穿过蚀刻工艺要求的抗蚀剂层，所以敏感元件可能由于所述衬底中的辐射损伤而出现问题。
美国专利申请第5,837,426号公开了一种光刻工艺，该工艺为集成电路(IC)芯片上的电路元件提供了减小的线宽或者减小的元件间的线间隔，使得所述IC芯片具有更高的集成度。这种光刻工艺包括在相同的晶片上进行双曝光(double-exposure)工艺，所述双曝光工艺是指在两个不同位置放置相同的光掩模或者采用两块光掩模。
在美国专利申请第6,042,993号中，公开了一种用于亚200nm尺寸范围的结构的光刻结构生产工艺，其中具有小于1eV的光能隙的非晶含氢碳层或者溅射的非晶碳层被作为底部抗蚀剂应用到衬底；底层抗蚀剂被提供有对电子束敏感的含硅的或者可硅烷化的光致抗蚀剂层作为顶部抗蚀剂；随后顶部抗蚀剂通过利用能量小于80eV的电子的扫描隧道显微镜(STM)或者扫描力显微镜(SFM)构建；并且随后通过采用各向异性氧等离子体蚀刻将该结构转移到底部抗蚀剂，进而通过等离子体蚀刻将该结构转移到所述衬底。
在另一方面，从图形化的表面到薄的材料层的印刷是印刷工业中众所公知并广泛记载的工艺。
印刷工艺最初是被开发用于适于人类视觉的信息交换和存储。为了高质量复制，这个应用领域要求图形和叠层的精确度小至20μm。在某些情况下，印刷工艺已被用于技术性图形化加工，例如，凹版胶印被用于在陶瓷衬底上制作50μm宽的导线以及为低成本显示器制作薄膜晶体管图形。胶印被用于制造25μm宽的电容器及印刷和镀敷的金属线。最终，在电子工业中印刷电路板和集成电路封装成为丝网印刷的普遍应用。(参见B.Michel等人，IBM J.Res.Develop.，2001年第45卷，第697页，及其中引述的参考文献)。
在称为苯胺印刷术的工艺中，各种墨被印刷在多孔纸和渗透性塑料上。苯胺印刷术是一种直接旋转式印刷方法，该方法采用由橡胶或包括光敏聚合物的其它弹性材料制成的弹性凸纹板(reliefimage plate)，在各种类型材料上印制图形，所述各种类型材料采用传统的胶印或凹版工艺通常难以印制图形，例如硬纸板、塑料膜以及事实上各种吸附性的或非吸附性的衬底。同样地，苯胺印刷术在封装工业发现了巨大的应用和市场潜力。通常，粘性墨防止印模(stamp)与衬底直接接触，因为在快速印刷操作中粘性墨不可能足够快地被替换。厚的墨层的转移在这种操作模式下不仅是理想的而且防止了横向小尺寸特征图形(feature)的重复-这是印刷的特征尺寸不能小于20μm的原因。在金属箔片上的印刷已经在一些应用中实现，但与其它工艺相比更加困难。(参见H.Kipphan著，“印刷介质手册(Handbuch derPrintmedien)”，Springer出版社，柏林，2000年，以及J.M.Adams，D.D.Faux和J.J.Rieber著，“印刷技术(第四版)”，Delamare出版社，Albany，NY)。
微接触印刷使用与苯胺印刷术相似的印模，但是其通常将单层墨转移到不渗透性的金属表面。一种时下称为软光刻(soft lithography)的更普遍的工艺被成功地应用在不同的变型中，以将硫醇和其它化学制剂印刷到各种表面。通常，所述的化学制剂首先被作为挥发性溶剂中的溶体涂敷到图形化的印模表面或者采用接触式墨辊移印头(contact inker pad)。在上墨和干燥后，分子出现在“干燥”状态下的印模的体内和表面上，并且通过机械接触被转移到表面上。选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为印模材料的原因是它类似橡胶的良好的弹性、类似玻璃的化学性质、缓冲墨分子的可能性，并且非常重要的是，它优异的气体渗透性使得少量的空气溶解进印模基体(matrix)中或者从印模基体中排出。(参见B.Michel等人，“Printing meetslithography”，IBM，J.Res.Develop.第45卷，第5期，第697页，2001年)。
如上所述，由于采用光刻技术的小尺寸的加工，也即尺寸小于0.15μm，如标准磁记录头的晶片的未来的P2宽度，在图形转移前至少要求极限紫外技术或者电子束技术，所以为了在衬底上制造小尺寸结构需要廉价的而耐用的技术。另外，对于这种结构有必要提供更好的分布。临界尺寸(CD)的分布决定(drive)装置的性能和制造的产量和质量。在光刻方法中，该分布依赖于所用工具，例如光学元件、闪光场(flash field)、对准元件等以及晶片的表面平整度和加工处理。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种减小衬底上凹槽结构的宽度的方法。
本发明的另一个目的是提供这种具有非常大的长宽比的结构。
本发明的又一个目的是提供这样一种工艺使得可以被容易地集成到现有工艺过程中。
这些和其它目的和优点通过以下公开的方法得以实现。
在衬底中制造微结构的方法包括以下步骤：a)提供加工掩模；b)由底版创建包括微结构的软印模，所述微结构具有1∶5到1∶20范围内的长宽比；c)将所述软印模附着到所述掩模上；d)将期望的图形模印到设置在所要加工的衬底上的抗蚀剂层上；以及e)利用紫外光固化所述图形。
优选所述掩模包括镀敷补偿区域。镀敷补偿区域被金属层覆盖。所述金属为铬。所述微结构通过附着于所述微结构的较大的支承块被机械地加以稳定化。
本发明还涉及上述的方法在制造磁记录头中的P2结构的应用。
附图说明
图1示意性地描述了用于加工标准磁记录头的晶片上的P2结构的加工掩模；
图2示意性地显示了用于本发明方法中的软印模(soft stamp)的剖视图；
图3示意性地描述了在适当位置具有图2所示的软印模的图1所示的加工掩模；
图4示意性地描述了设置在所要加工的衬底上的掩模和软印模；
图5示意性地描述了去除印模后所述P2结构周围固化(cured)的区域；
图6示意性地描述了抗蚀剂显影后所述P2结构周围的区域；以及
图7示意性地描述了镀敷加工后所述P2结构周围的区域。
具体实施方式
所提出的技术结合了掩模光刻方法和微接触印刷方法，以便在衬底上制造金属结构，该些结构具有小的尺寸和非常大的长宽比，比如磁记录头(薄膜技术)上的写入磁极(write pole)和传感器、用于电容器的MD凹槽以及其它种类用于薄膜晶体管(TFT)、MD或微电机中的小的凹槽。
在下文中，将通过详细描述标准磁记录头的晶片上的P2结构的形成对本发明加以描述。但是，需要指出的是本发明并不局限于这一特殊工艺，而是可以用于在各种衬底上制造小尺寸元件。
在P2结构的制造过程中，根据本发明的方法用来将必要的临界尺寸几何形状印到位于经过平面化处理的层的顶部的抗蚀剂层中，在本示例中为写入间隔。为了实现适当的生产能力，可以使用多个印模阵列，比如闪光场。
该工艺从提供光刻掩模开始。如图1所示，加工掩模10被提供，用于镀敷处理的补偿区域覆盖有金属层12，例如铬，而将要生成P2结构的区域14未被覆盖。补偿区域是必须的，以便在镀敷处理时获得均匀的材料分布。
接着，如图2所示，布置在软印模阵列中的软印模16利用标准的印模技术从底版上得以创建，所述标准印模技术例如公开在B.Michel著，“Printing meets lithography：soft approaches to high-resolution patterning”，IBM J.Res.Develop.，第45卷，第5期，第697页，2001年中。有益的是，印模是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的。软印模16的设计显示了一小区域18，小区域18具有临界尺寸，由PDMS或具有相同机械性能的材料制成，并通过两个同样由PDMS或具有相同机械性能的材料制成的较大的支承块20和22从机械上加以稳定。所述支承块使小器件变得稳定，以防止小器件在模印(stamp)过程中弯曲。为了获得最大的稳定性，所述支承块的长宽比应该在1∶1到1∶2的范围内。
图3是在适当位置具有图2所示的软印模的图1所示的加工掩模的俯视图。印模16被置于将要被曝光而不经模印处理的区域14(P2结构)中，这使得微结构18，在本示例中为用于磁头的写入间隔，被精确地定位和排列。
图4示意性地描述了下一步的工艺步骤。软印模阵列16附着到掩模10上，掩模10为石英基板并具有例如铬部分34，该铬部分不进行曝光，由此可以采用压电致动器技术使得印模排列，所述压电致动器技术例如在D.LWhite等人所著的“Novel Alignment System for Imprint Lithography”，J.Vac.Sci.Technol.B，Microelectron.Nanometer Struct.(美国)，第18卷，第6期，2000年11月，第3552至3556页中已有描述。附着于掩模10的软印模16放置在将要加工的衬底24上。衬底24被提供有抗蚀剂层26。此后，图形被模印到位于P2位置处的抗蚀剂层26中，并随后通过曝露于紫外光28而加以固化。
图5示意性地描述了衬底24的表面，显示了去除所述印模后P2结构周围的固化区域30。
随后，抗蚀剂层26被显影以去除未曝光的抗蚀剂区域，也即，镀敷补偿区域。最终的结构示意性地显示在图6中。
最后，如图7所示，衬底24被镀以NiFe层32。
为了完成写入磁极结构(P2结构)，该标准P2工艺被继续。
通过采用根据本发明的工艺方法，可以实现小尺寸，所述小尺寸具有从大约1∶5到大约1∶15范围内的长宽比，并覆盖整个区间。该工艺不仅廉价，而且由于可重复生成的尺寸、较少的对准问题以及可提供更好的分布的复合的模印工艺和曝光工艺故而也是耐用的。小凹槽可以被重复地制造，而且由于平整度变化引起的晶片上的边缘效应可以被最小化，如果不是被完全避免了的话。
根据本发明的方法的另一个优点是，在同一层内可以靠近粗大的结构实现非常细小的结构。所述粗大的结构随后可以进行进一步的光刻处理。

Claims (6)

1.在衬底中制造微结构的方法，包括以下步骤：
a)提供加工掩模(10)；
b)由底版创建包括微结构(18)的软印模(16)，所述微结构(18)具有1∶5到1∶20范围内的长宽比；
c)将所述软印模(16)附着到所述掩模(10)上；
d)将期望的图形模印到设置在所要加工的衬底(24)上的抗蚀剂层(26)上；以及
e)利用紫外光固化所述图形。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述掩模(10)包括镀敷补偿区域。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述镀敷补偿区域被金属层(12)覆盖。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述金属为铬。
5.如权利要求1至4其中任一项所述的方法，其中所述微结构(18)通过附着于所述微结构(18)的较大的支承块(20，22)被机械地加以稳定化。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法在制造磁记录头中的P2结构的应用。
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