CN1643650A - 激光辅助直接压印平板印刷术 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，图形可以直接压印在固态基体的表面。特别是，通过为压印图案提供具有模制表面的印模(20)，将模制表面(21)放置在要压印基体(24)表面(25)的附近或反面，并用辐射照射基体表面以软化或液化表面的步骤，用所需图案直接压印基体。将模制表面压入软化或液化的表面以直接压印基体。基体可以是多种固态材料中的任何一种，比如半导体、金属或聚合物。在一个优选实施方案中，基体是硅，激光是UV激光，且印模对于UV辐射是透明的以便通过透明印模照射硅工件。采用此方法，申请人已经在亚－250ns的时间内，以亚－10nm的分辨率直接在硅上压印了大面积图案。该方法也可以用平坦的模制表面用于平面化基体。

Description

激光辅助直接压印平板印刷术
政府利益申明
本发明是在DARPA(N66001-98-1-8900)和ONR(N00014-01-1-0741)下由政府支助完成的。政府对本发明有一定的权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求由Stephen Chou在2002年3月15日提出的题为“在材料中直接压印微观结构的方法”的美国临时专利申请60/364,653的优先权。
本申请也是由Stephen Chou在2002年9月16日提出的题为“具有纳米级图形的模制图案的平板印刷方法”的美国专利申请序列号10/244,276的部分继续申请，该申请又是由Stephen Chou在2001年10月29日提出的美国申请10/064,594的继续申请，该申请又要求由StephenChou在1998年6月30日提交的美国专利申请序列号09/107,006(现在是2001年10月30日公开的美国专利6,309,580)的优先权，该申请又要求由Stephen Chou在1995年11月15日提出的美国专利申请序列号08/558,809(现在是1998年6月30日公开的美国专利5,772,905)的优先权。所有前述的相关申请在此引入作为参考。
本申请是由Stephen Chou在2002年5月7日提出的题为“液压压印平板印刷术”的美国专利申请序列号10/140,140的部分继续申请，该申请又是由Stephen Chou在2000年7月18日提出的题为“液压压印平板印刷术”的美国专利申请序列号09/618,174(现在是2002年11月19日公开的美国专利号6,482,742)的分案申请。
技术领域
本发明涉及压印平板印刷术，特别地是涉及激光辅助直接压印平板印刷术(LADI)，其中激光辐射允许印模在基体表面直接压印。该方法在固态基体上直接压印纳米级图形尤其有用。
背景技术
在基体上绘制微小图形的方法在许多电子、磁性、机械和光学设备以及用于生物和化学分析的设备的制造上非常重要。这些方法被用来，比如，确定微电路的图形和结构以及平面光波导和相关光学设备的结构和操作图形。
光学平板印刷术是绘制此类图形的传统方法。将光致抗蚀剂薄层涂覆于基体表面，将抗蚀剂的一部分选择性地暴露于光图案。然后，将抗蚀剂显影以显示出曝光基体的所需图案以进行进一步处理，比如蚀刻。实施此方法的难点在于分辨率要受光的波长、在抗蚀剂和基体中的散射、抗蚀剂厚度和性能的限制。因此，随着所需图形尺寸的变小，实施光学平板印刷术也变得更加困难。而且，涂覆、显影和除去抗蚀剂是相对较慢的步骤，因此也限制了生产能力。
较近一些的绘制小图形的方法是纳米压印平板印刷术，其中纳米图形印模表面被压印在抗蚀剂或类抗蚀剂材料(聚合物)种，而且压印的图案被出去以便有选择地暴露出基体表面。此方法消除了由光的波长引起的对分辨率的限制，但是，仍然受限于抗蚀剂或聚合物的使用和处理。有关纳米压印平板印刷术的更详细的内容在申请人的1998年6月30日公开的题为“纳米压印平板印刷术”的美国专利5,772,905和2002年11月19日公开的题为“液压压印平板印刷术”的美国专利6,482,742中阐明。’905和’742专利在此引入作为参考。
电子和光学通讯产业，以及进入纳米技术新领域的公司在不断地寻求生产微电路、光学设备和新的纳米级结构的新方法。特别是，他们在寻求用更高分辨率图案绘制基体的更快的方法。
发明内容
根据本发明，图形可以直接压印在固态基体的表面。具体的是，通过以下步骤，用所需图案直接压印基体：即，提供具有模制表面的印模以压印图案，将模制表面放置在要压印基体表面的附近或反面，并以辐射照射基体表面以软化或液化表面压印。将模制表面压入经软化或液化的表面以直接压印基体。基体可以是多种固态材料中的任何一种，比如半导体、金属或聚合物。在一个优选实施方案中，基体是硅，激光是UV激光，且印模对于UV辐射是透明的，以便通过透明印模照射到硅工件上。采用此方法，申请人已经在亚-250纳秒的处理时间内，以亚-10纳米的分辨率直接在硅上压印出大面积的图案。该方法也可以用平坦的模制表面进行基体的平面化。
附图说明
本发明的优点、特性和各种附加特征在考虑了下面详述的附图所例证的实施方案后会显得更加全面。在图中：
图1是表示在激光辅助直接压印平板印刷术中所涉及步骤的示意流程图；
图2A-2E表示在图1方法的不同阶段的印模和基体；
图3是绘制了当硅表面被照射时，来自硅表面的HeNe激光束的反射率作为时间函数的曲线图；
图4例证了一种压印硅栅格的扫描电子显微照片；
图5(a)是石英印模横截面的扫描电子显微照片；
图5(b)是用图1的方法压印的硅基体横截面的扫描电子显微照片；
图6是用图1的方法制得的单个硅正方形图案的原子力显微照片；
图7是根据图1方法的两种应用的石英印模的扫描电子显微照片；
可以理解，这些图的目的是为了例证本发明的主旨，除了曲线图外，所有图并不是依比例绘制的。
具体实施方式
参考附图，图1是表示在将所需图案用激光辅助直接压印到基体表面，而不插入抗蚀剂或聚合物材料所包括步骤的示意方框图。在方框A中表示的第一步是提供具有模制表面的印模以压印所需图案。
下一步，如方框B所示，将带有模制表面的印模放置于要压印的基体表面附近。模制表面可以对着基体表面压制。
图2A表示具有模制表面21的印模20包括一个或多个凸出的图形22和一个或多个凹进的区域23。将印模20放置在具有要压印表面25的基体24附近。模制表面21靠近表面25。
基体24可以是任何经激光辐射会软化或液化，并在激光暴露终止后返回到原来状态的材料。印模20优选由对激光辐射透明的材料组成，以便基体表面25可以通过印模被照射。
模制表面21可以具有微米级或纳米级图形。优选地，表面包括具有至少一个最小尺寸小于200纳米的图形的纳米图形图案，例如，凸出图形22的横向尺寸可以小于200纳米。同样优选地，模制表面具有小于250纳米的印模深度，也就是，凸出图形22的外部和附近的凹进区域23的内部的距离可以小于250纳米，优选在5-250纳米的范围。然而，为了平整化基体表面，模制表面最好是平的。
在一个优选实施方案中，基体是硅，激光是UV激光，印模为熔融石英。典型的印模可以由具有范围在10纳米或更小到几十微米图形的图案、厚为1mm的熔融石英组成。其它优选基体包括其它半导体、金属、半金属、聚合物和陶瓷。
要模制的基体表面层可以选自半导体、金属、半金属、聚合物和绝缘体材料的薄膜多层结构。表面层也可以由多表面区域组成，其是由不同材料形成的不同的表面区域。
第三步(方框C)是依辐射照射要模制的基体表面以软化或液化表面。
图2B例证了一种优选的照射布置，其中来自照射源(未示出)的辐射26穿过印模20照射基体的表面25。激光辐射，可以是激光辐射，在基体24上形成软化或液化的表面区域27。
有用的辐射源包括激光(紫外线、红外线和可见光)和灯(窄频段和广谱)。激光辐射优选在1纳米-100微米的范围内。灯辐射优选在1纳米-50微米的范围内。照射可以是脉冲的，优选持续时间在1纳秒-10秒的范围内。
图1方框D所示的下一步是通过将模制表面压到软化或液化表面区域进行压印。
该压制可以通过如前述的美国专利5,771,905所述的机械压力，通过如美国专利6,482,742所述的液压或其它任何施加力的方法完成。压力可以在照射开始前施加。一个优选方法是对着基体压印模，在压制期间，用多脉冲照射基体表面。
图2C表示具有模制表面21的基体压印表面区域27。
为了结束压印工艺，通过关闭照射源来终止照射，表面区域容许轻微冷却，将模制表面从基体移走。
图2D例证了从基体24移走印模20，在基体表面25上留下了压印的印模图案28。
本发明可以通过考虑下列具体实施例得以更清楚的理解。
实施例
采用具有下列三种图案的印模进行了一系列试验：(1)140线宽、110纳米深和30纳米节点(period)的栅格；(2)10纳米宽，15纳米深的线，它是由于在印模制作期间在反应离子蚀刻掘壕掩埋作用形成的；和(3)长和宽为几十微米，深为110纳米的长方形。所有这三种图案用相同的LADI方法直接压印到硅中。
首先，如上所述，将石英印模与硅基体接触。两个大压板用来提供印模压制基体的压力。将硅晶片放置于下面的板上，并使印模位于晶片上。上面的板也由熔融石英制成，因此对激光束是透明的，被放置于印模的上面。两个板通过增加由两个大板之间螺杆提供的压力而被压到一起。使模和基体接触的施加压力的水平优选约1.7×106Pa或约17个大气压。这样的压力水平在～250ns的压印时间内产生了～110nm的压印深度。优选在激光脉冲引入前施加压力。
接着，将激光脉冲施加于印模-基体组装体。在一个实验中，具有308nm的波长、在FWHN的脉冲持续时间为20ns，注量为1.6J/cm2的单个XeCl激态分子激光脉冲被施加于组装体。激光穿过石英印模，印模吸收微弱的能量。测定印模对激光辐射的透过率是约93％。在两个印模-空气间界面的折射率的不同引起整个辐射反射为约7％，着表明印模本身不会吸收激光辐射。
单个激光脉冲照射硅表面约250ns，导致硅熔化和液化。优选地，基体表面的熔化可以在LADI期间通过测定来自基体表面的激光束的时间分辩反射率来现场监控。反射率是从表面反射的波的能量与波撞击表面具有的能量的比。当硅熔化时，它从半导体变成了金属，硅表面对可见光的反射率以2的因子增加。
在一个试验中，采用具有633nm波长的HeNe激光束测定反射率。图3表示在1.6J/cm2的注量，暴露于单个20ns XeCl激态分子激光脉冲的硅表面的测定反射率。如曲线中所示，固态硅的反射率约为0.25。在辐射下，在第一个25ns内硅表面的反射率急剧增加，在反射率约为0.50时饱和200ns，然后，在50ns内返回到原来的固态硅反射率。
当基体处于液态时，印模被压入液体基体层。熔融硅的低粘度使得熔融硅可以快速地流入所有缝隙中，完全将它们充满并且与印模一致。硅的熔化期约等于20ns，为脉冲的持续时间。在图3中，反射率的25ns增加边界，稍稍大于脉冲的持续时间，可能与示波镜(100MHz)的RC时间常数(为10ns)相关。
然后将印模和基体分离，将印模图案的反面轮廓压印在基体表面。典型地，从液体转变为固体会引起基体体积在各方向膨胀约3％，这就会帮助基体的构造形成印模图形以获得亚-10nm的分辨率。这对可容易地将基体和印模分离是有利的，以便不会损坏基体上的压印图形或印模的图形。试验表明通过石英印模具有比硅(2.5×10-6K-1)低的热膨胀系数(5×10-7K-1)的事实有助于分离。
图5(A)是表示石英印模横截面图的扫描电子显微照片。图4和图5(B)是分别表示作为LADL的结果压印在硅基体上图形的俯视图和横截面图的扫描电子显微照片。由LADL得到的压印栅格具有140nm的线宽，110nm的深度和30nm的节点，与印模的图形一致。图5(B)中最有趣的图形是沿压印栅格线上的顶角形成的脊。这些脊约为10nm宽和15nm高。与图5(A)中的扫描电子显微照片比较清楚地表明这些脊来自在印模上形成的凹口，这是由印模的反射离子蚀刻开槽效应引起。这些在LADI方法中的10nm脊的完全转变表明LADI的分辨率好于10nm。
LADI也可形成大而孤立图案的压印。典型地，LADI可以绘制尺寸大于几十微米的台面和槽。图6表示通过LADI压印的具有8μm宽和110nm高的孤立方形台面压印的硅基体。如此大图案的成功压印表明熔融硅可以在十万分之一秒内容易地流过几十微米。
图7表示实施两次LADI的扫描电子显微照片。值得注意的是，印模未显示出由于重复应用LADI造成的损坏。
因为UV激光辐射源有一定优势，依据基体的不同，也可以采用其它辐射源。红外激光可以被用来软化或液化许多金属，甚至热灯也可以用来熔化或软化许多聚合物。
如果要压印的表面包括许多层，各层可以集中起来同时压印。可以选择辐射熔化可以熔化的材料层，该层通过热交换可熔化相邻的层。
辐射的脉冲持续时间可以依据压印方法选择，脉冲可以足够短以使只有基体表面层被加热，而基体的其余部分和印模没有被显著加热。
基体上也可以有预制图案且可在基体图案和印模图案之间具有校正(alignment)。
激光辅助直接印刷装置可以具有校正能力，包括分别用于基体和印模的台(stage)，也可以有机械台以使基体和印模之间在x、y、z、ζ(Zeta)、倾斜和急抽(所有任意可能的角度)下产生相对移动。传感器可以监测基体和印模之间的相对移动，以及监测压印加热压力，而压印控制器的情报就可以得到监测反馈和控制系统。
可以预测，上述方法可以用在一系列步骤中以形成复杂结构。基体可以具有现成的图案，而印模上的图案可以在压印前根据现有的基体图案校正。基体上可以如描述的一样形成图案，如果必要，可以增加层并平整化，增加的层可以用相同的方法但用不同的结构绘制。多重连续层可以用校正的图案进行压印以便用与形成集成电路一样的方法形成复杂的装置。基体可以在对辐射透明的基体上包括一辐射吸收材料的薄层。该方法可以用涂覆聚合物的基体将图案压印在抗蚀剂中，然后如U.S.专利号5,772,905所述，用形成图案的抗蚀剂来在基体上形成图案。
而且，该方法可以用来在相同的基体上采用公知的步骤和重复压印以及自动校正技术来制造许多装置。
压印基体可以具有凹进的区域，它可以保持压印后添加的材料所形成的图案。添加的材料可以是磁性的或导电的以便形成微小的电磁元件。凹进的区域甚至可以作为微米级或纳米级印模用于制造微小元件。
微米级或纳米级凹槽被压印到基体中以选择、定向和引导高分子，而压印峰或凹进被提供用于有选择地系于目标分子的指示计的连接。
可以理解，上面描述的实施方案仅仅是能够代表本发明申请的许多实施方案中的一小部分。本领域技术人员可以在不背离本发明主旨和范围内实现许多不同的其它组合。

Claims (28)

1.在基体表面直接压印印模图案的方法，其包括以下步骤：
提供具有模制表面的印模以压印图案；
将印模放置于基体的附近，使模制表面邻近要压印基体的表面；
用辐射照射基体表面以软化或液化基体表面；
将模制表面压入软化或液化的基体表面；和
从基体移走模制表面，得到压印有模制表面图案的基体。
2.权利要求1的方法，其中的辐射是激光辐射。
3.权利要求1的方法，其中激光辐射的波长在1纳米-100微米的范围内。
4.权利要求1的方法，其中的辐射是灯辐射。
5.权利要求4的方法，其中灯辐射主要在1纳米-50微米的范围内。
6.权利要求1的方法，其中照射是脉冲的。
7.权利要求6的方法，其中用脉冲在1纳秒-10秒的持续时间范围内照射。
8.权利要求6的方法，其中在用印模对基体进行压制的同时重复进行脉冲照射。
9.权利要求1的方法，其中辐射加热了基体表面层，而基本没有加热印模或整个基体。
10.权利要求1的方法，其中的印模包括对辐射透明的材料。
11.权利要求1的方法，其中印模包括熔融石英。
12.权利要求1的方法，其中模制表面包括凸出的图案和具有至少一个最小尺寸小于200纳米的图形的凹进图形。
13.权利要求1的方法，其中模制表面包括凸出的图案和从凸出图形外部至邻近凹进区域内部印模深度小于250纳米的凹进图形。
14.权利要求1的方法，其中基体表面用紫外线激光辐射照射。
15.权利要求1的方法，其中模制表面通过机械压力或液压压入基体表面。
16.权利要求1的方法，其中模制表面是平的以平整基体表面。
17.权利要求1的方法，其中印模由对紫外线辐射透明的材料制成，基体是硅，紫外线激光辐射通过印模照射基体。
18.权利要求1的方法，其中基体表面包括半导体材料。
19.权利要求1的方法，其中基体表面包括金属或合金。
20.权利要求1的方法，其中基体表面包括聚合物。
21.权利要求1的方法，其中基体表面包括陶瓷。
22.权利要求1的方法，其中基体表面包括要模制材料的许多层。
23.权利要求1的方法，其中辐射是红外线辐射。
24.权利要求1的方法，其中基体包括已经压印的层。
25.权利要求1的方法，还包括用材料填充压印图案的凹进区域的步骤。
26.权利要求1的方法，还包括在相同的基体上在另一位置重复压印图案的步骤。
27.权利要求1的方法，其中基体包括现有的图案，该方法还包括校正印模上的图案和基体上现有图案的步骤。
28.权利要求1的方法，还包括在压印基体前平整基体的步骤。
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