CN1729428A - 通过施加电场在光固化组合物中加工纳米级图形的方法和系统 - Google Patents

通过施加电场在光固化组合物中加工纳米级图形的方法和系统 Download PDF

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Abstract

描述了一种高生产能力的光刻过程，通过使用仔细控制的电场再令可聚合组合物固化，在可聚合的组合物中产生高分辨率的图形。该过程采用包含有所要图形的模板。令该模板精密地近接基底上的可聚合组合物。在模板——基底的界面上施加外电场同时保持模板与基底之间存在均匀的仔细控制的间隙。这使得可聚合的组合物被吸引到模板的凸出部分。通过适当地选择过程参数，如可聚合组合物的粘度，电场的大小和模板与基底之间的距离，在该液体中形成的结构的分辨率可被控制成与模板结构的分辨率一致。

Description

通过施加电场在光固化组合物中 加工纳米级图形的方法和系统
背景技术
本发明大体上涉及低成本，高分辨率，高生产能力的光刻领域，它有生产尺度小于100nm结构的潜在能力。
相关技术
光刻技术当前被用于生产微电子器件。但是这些方法正接近它们的分辨率极限。亚微米尺度光刻一直是微电子工业的关键过程。采用亚微米光刻使使造者满足将更小更密集地组合的电子元件置于芯片上的益增长的需要。当今微电子工业能产生的最精细结构在0.13μm的数量级上，预计在今后的几年中微电子工业将寻求小于0.05μm(50nm)的结构。此外，在光电子和磁存储器的领域会出现纳米级光刻的应用。例如，每平方英寸数兆兆字节数量级的光子晶体和高密度图形磁存储器需要纳米级光刻。
对于制造亚-50nm的结构而言，光刻技术会需要采用波长非常短的光(如13.2nm)。在这短的波长下，即使有的话，也很少有材料是光学上透明的，因此成象系统典型地必须使用复杂的反射光学来构造[1]。要获得一个光源能在这些光波长下有足够的输出强度是困难的。这样的系统导致极其复杂的设备和过程，看来昂贵得没有人敢买。高分辨率电子束光刻技术虽然非常精密，但典型地对高生产能力的工业应用来说太慢。
目前的压印光刻技术面临的主要挑战是需要模板(原版)与基底的直接接触。这样会导致缺陷，产量低，模板寿命短。此外，压印光刻的模板尺寸典型地与基底上最终的结构尺寸相同(IX)，而光刻中使用的掩模典型地是4X。制备模板的成本和模板寿命是使得压印光刻不那末现实的难点。因此存在着一种需要来改进光刻技术以应对光刻，电子束光刻和压印光刻所提出的挑战来形成非常高的分辨率的特征。
发明综述
在一个实施例中，用压印光刻在一基底上形成图形结构。该过程涉及把一种可聚合的组合物施于基底的上表面上，基底可以是用于制造半导体器件的一种基底。基底的例子包括但不限于硅晶片，GaAs晶片，SiGeC晶片或InP晶片。可聚合的组合物可以是一种紫外光固化组合物。紫外光固化组合物可包括可聚合单体和光引发剂。该组合物可旋涂于基底上。
在基底被涂覆上可聚合组合物后，可将一块模板置于可聚合组合物上。模板由一种导电材料制成。模板也可实质上对可见光和/或紫外光是透明的。模板可由导电材料结合非导电材料制成。该导电材料和非导电材料都基本上是对光透明的。在一个实施例中，模板可由氧化铟锡和熔凝石英制成。模板包含有结构图形。该结构图形与要在基底上生成的结构图形互补。至少有一部分的结构会有小于约100nm的特征尺度。
在模板与基底之间可施加电场。所加的电场可产生静电力至少把一部分的可聚合组合物吸引向模板。这部分被吸引到模板的可聚合组合物与压印在模板上的结构图形互补。在一个实施例中，被吸引到模板的这部分可聚合组合物与模板接触，而剩下的部分则不与模板接触。或者可聚合组合物的被吸引的部分及剩下的部分都不与模板接触。但是被吸引的部分朝着模板伸展，而未被吸引的部分不如被吸引的部分朝着模板的伸展程度那样伸展。
可以采用一种合适的固化技术使可聚合组合物聚合。例如，可聚合组合物可包含有光引发剂，在对模板和基底施加电场的同时在活化光下曝光固化。这里所用的“活化光”指的是可引起化学变化的光。活化光可包括紫外光(如波长在约300nm至400nm之间的光)，光合光，可见光或红外光。通常能引起化学变化的任何波长的光都可归入活化光。化学变化可以若干形式表现出来。化学变化可包括，但不限于任何引起聚合反应或交联反应发生的化学反应。活化光可在达到组合物之前先穿过模板。用这种方式，可聚合组合物可被固化形成结构与在模板上形成了的结构互补。或者，可聚合组合物可通过对组合物加热而被固化，而同时对模板和基底施加电场。
可聚合组合物固化后，结构可通过对固化了的可聚合合物进行蚀刻而被进一步确定。蚀刻可改善结构的宽高比。任何通常使用的蚀刻技术都可使用，包括反应性离子蚀刻。
在一个实施例中，模板被定位在离可聚合组合物不到约1μm。因此该基底的平坦度应小于约1μm，最好是小于0.25μm。这里所用的平坦度被定义为在基底表面上曲率的偏差值。例如，1μm的平坦度指的是表面曲率的变化范围为高于和/或低于决定平面表面的中心点1μm以内。
为了要实现表面的平坦度小于约1μm，可把基底放在构造成改变基底形状的一种设备上。该设备可包括一个夹具，它与基底连接在一起并支撑着基底。该设备还可包括数个与夹具连在一起的加压装置。加压装置可被构造成向夹具施加形变力因而夹具的形状被改变。基底可与夹具连接在一起，这样夹具的形状变化可以传递给基底。用这样的方式可使基底的平坦度与所需要的平坦度一致。该设备可包括一个可编程控制器。可编程控制器可包括一个探测装置来确定基底的平坦度。控制器还可进一步设置成来操作加压装置，它根据测得的平坦度来改变基底的平坦度。
附图简述
阅读以下的详细说明以及参照附图，即可明暸本发明的其他目的和优点，附图中：
图1描绘一个置于基底上的模板上施加电场并采用紫外固化组合物的光刻；
图2描绘采用与模板直接接触形成纳米级结构的过程示意图；
图3描绘采用与模板不直接接触形成纳米级结构的过程示意图；
图4描绘一个基底夹具，构造成可改变基底的平坦度；
图5描述一个把摸板定位在基底上的设备。
尽管本发明能容许多种改变和变形，其具体实施方案以举例形式示于附图并详细说明。但是应该理解，附图和详细说明并无意把本发明限制于披露的具体形式，相反，本发明将涵在权利要求出所规定的本发明的精神和范围之内的所有的改变，等价物和替换。
发明的详细说明
最近已经描述了用紫外固化液体[2、3、4、5]和用聚合物[6]的压印光刻技术来制备纳米级结构。这些技术的成本对亚-50nm分辨率来说可能潜在地要比光刻技术低得多。最近的研究[7，8]也已研究了在具有表面形貌拓扑的模板与含有聚合物的基底之间施加电场和范德瓦尔引力来形成纳米级结构的可能性。该研究一直是针对聚合物系统，它可以被加热到稍高于其玻璃化转变温度的温度。这些粘性的聚合物倾向于对电场作出很缓慢的反应(要好几分钟)这使得它们作为工业的应用是不理想的。
这里介绍的实施例可潜在地迅速形成光刻图形结构(在不到1秒钟的时间里)。结构的尺度可以是数十纳米。在电场存在下可通过使可聚合组合物(如一种旋涂的紫外固化液体)固化来形成结构。固化可聚合组合物然后把结构的图形印到基底上去。图形的产生可以通过将具有特定纳米级表面形貌拓扑的模板放在基底上来实现，模板离开基底上的薄层液体表面的距离是经过仔细控制的纳米级。如果需要的结构的全部或部分是有规则地重复的图形(如点的阵列)，模板上的图形要比想要的重复结构的尺寸可以大得多。模板可通过采用直接写入电子来光刻来形成。可以在高生产能力的过程中反复使用该模板来将纳米结构复制到基底上。在一个实施例中，模板可从加工对紫外光也透明的如氧化铟锡那样的导电材料得到。模板加工方法与移相掩模光刻的方法相类似；移相掩模需要一个蚀刻步骤在模板上形成表面形貌拓扑图。
通过在模板与基底之间施加电场可实现模板上图形的复制。因为液体与空气(或真空)的介电常数不同，以及由于存在模板的表面形貌拓扑引起的电场的局部变化，会产生一静电力把液体的区域往模板吸引。在高电场强度下，可聚合组合物会附着在模板上并在某些点上会从基底上发生去湿润现象。通过组合物的聚合反应，可聚合组合物会在适当位置上硬化。可以用低能量自组装单层膜(如一种氟化表面活性剂)来处理模板以帮助从模板上除去已聚合了的组合物。
还可能控制电场，模板表面形貌拓扑的设计以及模板对液体表面的贴近来在不与模板表面接触的可聚合组合物中形成图形。该技术可不需要将模板与可聚合组合物进行机械分离。该技术也消除了图形缺陷的潜在来源。但是在不接触时，液体可能不象接触时能那样明确形成清晰的高分辨率结构。这个问题可这样来解决，即先在可聚合组合物中形成结构，在一定电场下这些结构是部分确定的。接着可增加模板与基底间的间隙且同时加大电场把液体“拉出来”以形成十分确定的结构而无需接触。
可聚合组合物可沉积在硬的耐烘烤材料的顶部导致一种双层工艺。这样的双层工艺可以用电场形成低宽高比高分辨率的结构，然后通过各向异性蚀刻形成高宽高比高分辨率结构。还可以用这样的双层工艺来进行一“金属剥离工艺”把金属沉积在基底上，这样的话金属在剥离之后就被留在原来已形成的结构的沟道区域中。
通过采用低粘度的可聚合组合物，由于电场作用的图形形成很快(不到1秒钟)，结构可迅速固化。避免基底和可聚合组合物中的温度偏差可避免不希望发生的图形畸变，这种畸变使得纳米级分辨率的层与层的对准变得不现实。此外，如上所述，有可能不与模板接触而迅速形成图形，这样就消除了与压印方法相关的缺陷，压印方法是需要直接接触的。
图1描绘了模板与基底设计的一个实施例。模板可用对活化光透明的材料制成，可以通过对活化光曝光来使可聚合组合物固化。用透明材料制成模板还可允许用已确立的光学技术来测量模板与基底间的间隙以及测量覆盖标记以进行结构形成过程中的覆盖对准和放大校正。模板可以是热稳定和机械稳定的以提供形成纳米级分辨率图形的能力。模板还可包含有导电材料使得在模板-基底界面上产生电场。
在图1描绘的一个实施例中，一块厚的熔凝石英毛坯被选作模板的基材。可把氧化铟锡(ITa)沉积在熔凝石英上。ITa对可见光和紫外光是透明的，还是一种导电材料。可用高分辨率电子束光刻术来使ITa形成图形。可将一种低表面能的涂料(如一种含氟的自组装单层)涂覆在模板上以改善模板与已聚合的组合物之间的剥离特性。基底可包括标准的晶片材料，如Si，GaAs，SiGeC和InP。紫外固化液体可用作可聚合组合物。可将可聚合组合物旋涂到晶片上。一个可选的过渡层可置于晶片与液体层之间。该过渡层可被用于双层工艺。选择该过渡层材料的性质和厚度使从固化了的液体材料中产生的低宽高比结构形成高宽高比结构。通过使ITO与电压源连接可在模板与基底之间产生电场。
图2和图3呈现了上述工艺的两个变体。在每个变体中都假定在模板与基底之间可维持所要求的均匀间隙。可加上一个所要求强度的电场使得可聚合组合物朝着模板的凸起部分吸引过去。图2中，间隙和场强使得可聚合组合物与模板直接接触并粘附在模板上。采用紫外固化法将液体硬化成那种结构形式。结构一旦形成就用增加均匀间隙直至分离的方法，或用剥拉动作，即从模板的一条边缘开始把模板从基底上剥离的方法来使模板与基底分离。在使用这些方法之前，假定模板用低表面能量的单层处理以帮助分离。
图3中，间隙和场强被选择成使液体实现基本上与模板表面形貌拓扑相同的表面形貌拓扑。该表面形貌拓扑的实现是不让与模板直接接触。可采用紫外固化法将液体硬化成那种结构形式。在图2和图3的两个工艺中都可再接着用蚀刻工艺来除去被紫外光固化的材料的残留层。如图2和图3所示，若紫外固化了的材料与晶片之间存在过渡层则可使用进一步的蚀刻。如前所述，这样的过渡层可用来从紫外固化了的材料中产生的低宽高比结构中获得高宽高比的结构。
图4说明可提高基底平坦度和机械装置。模板可形成自熔凝石英的高质量光学平面，在熔凝石英上沉积有氧化铟锡。因此，模板典型地具有极高的平坦度。基底典型地具有低平坦度。基底的低平坦度源自于各种差异包括晶片背面精加工不良，俘获在晶片与晶片吸盘之间特殊污染物的存在，以及晶片热加工造成的晶片形变。在一实施例中可将基底装在一吸盘上，吸盘的顶表面形状可被一长列的压电执行元件来改变。吸盘厚度可以实现准确校正表面的表面形貌拓扑至几个微米。基底可这样装在吸盘上使得它实质上与吸盘的形状一致。等把基底置于吸盘上之后可用一传感系统(如光学表面形貌拓扑测量系统)来准确地勘测基底的顶部表面。一旦知道了表面形貌拓扑，便操纵一列的压电执行元件来矫正表面形貌拓扑的差异使基底的上表面呈现出小于1μm的平坦度。因为假定模板是用光学平面材料制成，这就导致模板与基底都是高质量的平坦表面。
可用图5中的机械装置来执行模板-基底界面的高分辨率间隙控制。该装置可控制两个倾斜自由度(模板平面上大致正交的两个轴)和模板的垂直平移自由度。实时测量模板与基底之间的间隙大小。这些实时测量值可用来识别有关倾斜自由度和垂直位移自由度所需的矫正模板动作。用宽带光学干涉仪方法可获得三个间隙测量值，该仪器类似于用来测量薄膜和薄膜组厚度的仪器。这种电容式传感方法也可用于测量此三个间隙。
鉴于这些描述，本发明各个方面的进一步的修改和替换的实施例对业内的技术人士将是显而易见的。因此，该描述只是用作说明的，目的是教会技术人员执行本发明的一般方式。需要理解的是，此地显示的和描述的本发明的各种形式将作为目前优选的实施例。元件和材料可代替这里说明和描述的元件和材料，另件和工艺可变得相反，本发明的某些特点可被独立运用，在得益于本发明的该描述之后，对技术技术人员来说所有都会是显而易见的。只要不违反如下权利要求书所述的本发明的精神和范围，对这里所描述的各要素可以进行变化。
参考文献
1.“Getting More from Moore’s”Gary Stix，scientific American，April2001.
2.“Step and Flash Imprint Lithography：An altemative approach to highresolutionpatteming，”M.Colbum，S.Johnson，M.Stewart，S.Damle，B，J.Choi，T.Bailey，M.Wedlake，T.Michaelson，S.V.Sreenivasan，J.Ekerdt，CG.Willson，Proc.SPIE Vol.3676，379-389，1999.
3.“Design of Orientation Stages for Step and Flash ImprintLithography，”B.J.Choi，S.Johnson，M.Colbum，S.V.Sreenivasan，C.G.Willson，Toappear in J.of Precision Engineering.
4.美国专利申请No.09/266，663 entited“Step and Flash ImprintLithography”to Grant Will son and Matt Colbum.
5.美国专利申请No.09/698,317 entitled“High Precision OrientationAlignment and Gap Control Stages for Imprint Lithography Processes”toB.J.Choi，S.V.Sreenivasan and Steve Johnson.
6.“Large area high density quantized magnetic di sks fabricated usingnanoimprint lithography，”W.Wu，B.Cui，X.Y.Sun，W.Zhang，L.Zhunag andS.Y.Chou，J.Vac Sci Technol B 16(6)3825-3829 Nov-Dec 1998.
7.“Lithographically-induced Self-assembly of Periodic PolymerMicropillar Arrays，”Zhuang，J Vac Sci Tech B 17(6)，3197-3202，1999.
8.“Large Area Domain Alignment in Block Copolymer Thin Films UsingElectric Fields，”P.Mansky，J.DeRouchey，J.Mays，M.Pitsikalis，T.Morkved，H.Jaeger and T.Russell，Macromolecules 13，4399S.Y.Chou，L.(1998).

Claims (65)

1.在基底上形成图形结构的方法，它包括：
将可聚合组合物涂覆在该基底的表面上；
将模板定位于近接该可聚合组合物，其中模板的至少一部分是导电的；以及
在模板与基底之间施加电场，其中施加的电场产生静电力，把一部分的可聚合组合物往模板吸引。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，所述方法还包括使可聚合组合物聚合的过程。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，所述可聚合组合物是一种液体。
4.如权利要求1的方法，其特征在于，所述可聚合组合物是一种低粘度液体。
5.如权利要求1的方法，其特征在于，所述可聚合组合物是一种低粘度液体，该可聚合组合物的粘度为当施加不到约1秒种时间的电场时在可聚合组合物中形成图形。
6.如权利要求1的方法，其特征在于，所述方法还包括使可聚合组合物聚合，其中在使可聚合组合物发生聚合反应时在导电的模板和基底上施加电场。
7.如权利要求1的方法，其特征在于，所述模板对可见光和紫外光基本上是透明的。
8.如权利要求1的方法，其特征在于，所述基底对可见光和紫外光基本上是透明的。
9.如权利要求1的方法，其特征在于，所述模板还包含低表面能涂层。
10.如权利要求1的方法，其特征在于，所述模板还包含低表面能涂层，所述低表面能涂层是一含氟涂层。
11.如权利要求1的方法，其特征在于，所述可聚合组合物是热固化组合物。
12.如权利要求1的方法，其特征在于，所述可聚合组合物是活化光固化组合物。
13.如权利要求1的方法，其特征在于，所述可聚合组合物包含光引发剂。
14.如权利要求1的方法，其特征在于，所述导电模板包含氧化铟锡。
15.如权利要求1的方法，其特征在于，在模板和基底上施加电场使一部分可聚合组合物接触部分模板。
16.如权利要求1的方法，其特征在于，当在模板与基底上施加电场时，可聚合组合物被吸引往模板但不接触模板。
17.如权利要求1的方法，其特征在于，所述方法还包括使可聚合组合物聚合，并蚀刻已聚合了的可聚合组合物。
18.如权利要求1的方法，其特征在于，所述基底是硅晶片。
19.如权利要求1的方法，其特征在于，所述基底是GaAs晶片。
20.如权利要求1的方法，其特征在于，所述基底是SiGeC晶片。
21.如权利要求1的方法，其特征在于，所述基底是InP晶片。
22.一种基底，它包含有用权利要求1的方法形成的图形结构。
23.一种在基底上形成图形结构的方法，包括：
把可聚合组合物涂覆在基底的表面上；
将导电模板定位于近接该可聚合组合物；以及
在导电模板与基底之间施加电场，该施加的电场产生静电力把一部分可聚合组合物往模板吸引。
24.如权利要求23的方法，其特征在于，所述方法还包括使可聚合组合物聚合。
25.如权利要求23的方法，其特征在于，所述方法还包括使可聚合组合物聚合，在使可聚合组合物聚合时，在导电模板和基底上施加电场。
26.如权利要求23的方法，其特征在于，所述可聚合组合物是一种活化光固化组合物。
27.如权利要求23的方法，其特征在于，所述模板对活化光基本上是透明的。
28.如权利要求23的方法，其特征在于，所述基底对活化光基本上是透明的。
29.如权利要求23的方法，其特征在于，所述模板还包含低表面能涂层。
30.如权利要求23的方法，其特征在于，所述模板还包含低表面能涂层，所述低表面能涂层是含氟涂层。
31.如权利要求23的方法，其特征在于，所述可聚合组合物是热固化组合物。
32.如权利要求23的方法，其特征在于，所述导电模板包含氧化铟锡。
33.如权利要求23的方法，其特征在于，在模板和基底上施加电场使一部分的可聚合组合物接触部分的模板。
34.如权利要求23的方法，其特征在于，当电场被施加到模板与基底时，可聚合组合物被吸引往模板但不接触模板。
35.如权利要求23的方法，其特征在于，所述方法还包括使可聚合组合物聚合，并蚀刻已聚合的可聚合组合物。
36.如权利要求23的方法，其特征在于，所述基底是硅晶片。
37.如权利要求23的方法，其特征在于，所述基底是GaAs晶片。
38.如权利要求23的方法，其特征在于，所述基底是SiGeC晶片。
39.如权利要求23的方法，其特征在于，所述基底是InP晶片。
40.一种基底，它包含采用权利要求23的方法形成的图形结构。
41.一种在基底上形成图形结构的方法，包括：
把液体可聚合组合物涂覆在基底的表面上；
将模板定位于近接该可聚合组合物，其特征在于，至少一部分的模板是导电的；以及
在模板与基底之间施加电场，该施加的电场产生静电力把一部分可聚合组合物往模板吸引。
42.如权利要求41的方法，其特征在于，所述方法还包括使可聚合组合物聚合步骤。
43.如权利要求41的方法，其特征在于，所述液体可聚合组合物是活化光固化组合物。
44.如权利要求41的方法，其特征在于，所述液体可聚合组合物是低粘度液体。
45.如权利要求41的方法，其中液体可聚合组合物是低粘度液体，该液体可聚合组合物的粘度为当施加不到约1秒种时间的电场时，在可聚合组合物中形成图形。
46.一种在基底上形成图形结构的方法，包括：把一种可聚合组合物涂覆在基底的表面上；
向基底施加多个力，使基底的形状发生改变；
把一块模板定位近接该可聚合组合物，其中至少一部分的模板是导电的；以及
在模板与基底之间施加一电场，该施加的电场产生静电力把一部分可聚合组合物往模板吸引。
47.如权利要求46的方法，进一步还包括使可聚合组合物发生聚合反应。
48.如权利要求46的方法，其中可聚合组合物是活化光固化组合物。
49.如权利要求46的方法，其中可聚合组合物是低粘度液体。
50.如权利要求46的方法，其中可聚合组合物是液体。
51.如权利要求46的方法，其中液体可聚合组合物是低粘度液体，该液体可聚合组合物的粘度为当电场被施加不到约1秒钟的时间在可聚合组合物中形成图形。
52.一种在基底上形成图形结构的方法，包括：把一种可聚合组合物涂覆在基底的表面上；
将数个力施加在基底上使基底形状改变；
把一块导电模板定位近接可聚合组合物；以及在导电模板与基底之间施加电场，该施加的电场产生静电力把一部分可聚合组合物往模板吸引。
53.如权利要求52的方法，其特征在于，所述方法还包括使可聚合组合物聚合步骤。
54.如权利要求52的方法，其特征在于，所述可聚合组合物是活化光固化组合物。
55.如权利要求52的方法，其特征在于，所述可聚合组合物是低粘度液体。
56.如权利要求52的方法，其特征在于，所述可聚合组合物是液体。
57.如权利要求52的方法，其特征在于，所述液体可聚合组合物是低粘度液体，该液体可聚合组合物的粘度为当施加不到约1秒钟时间的电场时，在可聚合组合物中形成图形。
58.一种改变基底形状的装置，包括：
夹具，构造成与基底连接并支撑着基底；
数个与夹具连在一起的加压装置，其中加压装置被构造成向夹具施加形变力使得夹具的形状在使用时发生变化；
其中基底与夹具连在一起，使得在使用时基底的形状基本上与夹具的形状一致。
59.如权利要求58的装置，其特征在于，所述夹具包括真空吸盘。
60.如权利要求58的装置，其特征在于，所述加压装置包括压电执行元件。
61.如权利要求58的装置，其特征在于，所述装置还包括一个探测器，构造成测量基底在使用中的平坦度。
62.如权利要求58的装置，其特征在于，所述基底是硅晶片。
63.如权利要求58的装置，其特征在于，所述基底是GaAs晶片。
64.如权利要求58的装置，其特征在于基底是SiGeC晶片。
65.如权利要求58的装置，其特征在于，所述基底是InP晶片。
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