DE102005045331A1 - Entfernen von dünnen strukturierten Polymerschichten durch atmosphärisches Plasma - Google Patents

Abstract

Die Erfindung stellt Verfahren zum Ausbilden einer Struktur in einer auf einem Substrat aufgebrachten Resistschicht durch ein Imprint-Lithographieverfahren zur Verfügung, wobei die nach dem Stempeln und Aushärten der Resistschicht in den Tälern der Struktur verbleibende Restschicht durch die Einwirkung von Plasma bei Atmosphärendruck entfernt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das Entfernen dünner, strukturierter Polymerschichten, insbesondere das Entfernen dünner Restschichten, die durch ein Stempel- bzw. Imprintverfahren gebildet wurden.
• Ein Verfahren zur sogenannten Imprint-Lithographie ist beispielsweise in der US-A-5 772 905 beschrieben. Gemäß dem in dieser Druckschrift offenbarten Verfahren wird eine Form in eine dünne Fotolack- bzw. Resistschicht, die auf einem Substrat aufgebracht ist, gepreßt. Durch das Aufpressen werden Strukturen, die auf der Form ausgebildet sind, in die Fotolackschicht eingebracht. Nach Entfernen der Form wird das Substrat geätzt und somit die auf der Form befindliche Struktur in das Substrat eingebracht. Mit dem in der US-A-5 772 905 beschriebenen Verfahren können Strukturen bis in einer Größenordnung von 10 nm erzeugt werden.
• Die US-A-5 772 905 beschreibt die Verwendung eines thermoplastischen Polymers. Alternativ ist auch die Verwendung eines durch Strahlung polymerisierbaren Fluids möglich, wie es beispielsweise in der WO 00/54107 beschrieben ist. Hierbei wird die Aushärtung des polymerisierbaren Fluids nicht wie im Fall von thermoplastischen Polymeren durch Abkühlen sondern durch Einwirkung von Strahlung bewirkt. In der US-A-5 772 905 wird das Entfernen der Restschicht, die in den Bereichen der Struktur zurückbleiben, in denen die Form annähernd in Kontakt mit dem Substrat kommt, durch Ionenätzen oder naßchemisches Ätzen, beschrieben.
• Ein Entfernen dieser Restschicht ist für nachfolgende Prozeßschritte, also beispielsweise das Ätzen des Substrats, notwendig.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes und kostengünstigeres Verfahren zum Entfernen von dünnen Restschichten auf einem Substrat nach dem Stempeln einer Struktur in eine Resistschicht durch ein Imprint-Lithographieverfahren bereitzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren soll insbesondere Schädigungen des Substrats vermeiden.
• Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.
• Bei dem erfindungsgemäßen Imprint-Lithographieverfahren wird in vorteilhafter Weise eine Struktur in einer auf einem Substrat aufgebrachten Resistchicht durch Pressen einer Form in die Resistschicht ausgebildet. Die Form weist hierbei zumindest einen Vorsprung auf, der beim Pressen der Form auf das Substrat im Bereich dieses Vorsprungs annähernd mit dem Substrat in Kontakt kommt und somit in diesem Bereich das die Resistschicht bildende Material annähernd entfernt. Die zu strukturierende Resistschicht weist beispielsweise ein Polymer auf, das thermoplastisch oder strahlungshärtbar ist. In Falle eines thermoplastischen Polymers wird die Schicht durch Erwärmen verformbar gemacht, wodurch das Einstempeln der Struktur ermöglicht wird. Durch Abkühlen wird die Polymerschicht anschließend ausgehärtet. Alternativ wird bei der Verwendung eines strahlungshärtbaren Materials das Material in nahezu flüssiger Form auf das Substrat aufgebracht und zum Aushärten während des Stempelvorgangs bestrahlt. Die im Bereich eines durch einen Vorsprung der Form in der Resistschicht ausgebildeten Tals oder Talbodens zurückgebliebene Resistschicht wird mit Hilfe eines Plasmas bei Atmosphärendruck entfernt. Das atmosphärische Plasma, das durch ein entsprechendes Gas gebildet wird, wird vorzugsweise durch eine Koronaentladung bzw. eine Plasmabarrierenentladung (dielectric barrier discharge – DBD) erzeugt. Geeignete Prozess-Gase sind beispielsweise O₂ oder O₂/CF₄.
• Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt im Ersetzen des im Stand der Technik üblicherweise verwendeten reaktiven Ionenätzprozess (reactive ion etching – RIE) durch die einfache und kostengünstige Behandlung mit atmosphärischem Plasma. Bei der Behandlung mit atmosphärischem Plasma wird weiterhin eine Erwärmung der Substrate und die Schädigung von temperaturempfindlichen Substraten vermieden. Bei der erfindungsgemäß bevorzugten Plasmaerzeugung durch Koronaentladung (dieelektrische Barrierenentladung) bildet sich zwischen zwei leitenden Elektroden beim Anlegen der Wechselspannung hinreichender Größe eine Vielzahl lokalisierter Mikroentladungen aus, die eine sehr kurze Zeitdauer im Bereich von 10^–8 sec haben. Die mittlere Gastemperatur im Entladungsspalt wird dadurch nur um wenige Grad Kelvin erhöht. Die Entladung bleibt also kalt. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik vorgeschlagenen bzw. benutzten Verfahren ist das Vermeiden der Gefahr der Beschädigung bzw. Kontaminierung des Substrats.
• Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei
• die 1 bis 4(a) bzw. 4(b) die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• die 5(a) und 5(b) Elektrodenanordnungen im Querschnitt zeigen, die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmas gemäß der Erfindung geeignet sind, und
• die 6(a) und 6(b) Messungen der Schichtdicke einer Restschicht vor bzw. nach der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen.
• 1 zeigt ein Substrat 1, das mit einer noch verformbaren Resistschicht 2, in die Strukturen eingebracht werden sollen, beschichtet ist. Weiterhin ist eine Form bzw. ein Stempel 3 gezeigt, der auf einer Seite Strukturen aufweist. Allgemein sind diese Strukturen aus Vorsprüngen 31 und Vertiefungen 32 gebildet. Die Strukturbreiten können in der Größenordnung von mehreren Mikrometern, aber auch im Nanometerbereich liegen.
• Gemäß 2 ist die Form 3 in die verformbare Resistschicht 2 gedrückt, nachdem die Form 3 gegebenenfalls zum Substrat 1 mittels einer (nicht gezeigten) Ausrichtungsvorrichtung ausgerichtet wurde. Gemäß 2 kommt im Bereich der Vorsprünge 31 die Form 3 nahezu in Kontakt mit dem Substrat 1, so daß zwischen der Form 3 und dem Substrat 1 in diesem Bereich lediglich eine dünne Restschicht verbleibt.
• Während der in 2 gezeigten Stellung der Form 3 relativ zum Substrat 1 wird auf die Resistschicht 2 so eingewirkt, daß diese sich verfestigt. Dies kann beispielsweise durch Abkühlen im Fall eines thermoplastischen Polymers geschehen. Im Fall eines strahlungshärtbaren Materials der Resistschicht 2 wird die Resistschicht 2 durch Bestrahlen beispielsweise mit UV-Strahlen verfestigt ("cold embossing"). In diesem Fall muss jedoch zumindest entweder die Form 3 oder das Substrat 1 für die verwendete Strahlung durchlässig sein. Beim sogenannten "hot embossing" wird die Resistschicht 2 durch Einwirken von Druck und hoher Temperatur verfestigt.
• Nach dem Aushärten der Resistschicht 2 wird die Form 3 entfernt (vgl. 3). In der gehärteten Resistschicht 2' ist somit ein Negativabdruck der Strukturen der Form 3 ausgebildet. In der Resistschicht 2' sind also die beabsichtigten Strukturen 21 an Stellen ausgebildet, an denen die Form 3 Vertiefungen 32 aufweist. In den im Bereich der Vorsprünge 31 gebildeten Tälern ist lediglich eine dünne Restschicht 22 vorhanden. Je nach Anwendung liegt die Dicke der Restschicht im Bereich von wenigen bis zu mehreren Hundert Nanometern.
• Diese Restschicht 22 wird wie in den 4a bzw. 4b gezeigt durch Einwirken eines atmosphärischen Plasmas 5, 5' entfernt. Die Prinzipien der atmosphärischen Plasmabehandlung werden beispielsweise in der DE-A-102 56 693 beschrieben. Das Plasma 5, 5' wird unterhalb einer Hochspannungselektrode 4 aus einem Prozeßgas, beispielsweise O₂ oder CF₄, erzeugt. Die Elektrode 4 kann hierbei als Flächenelektrode stationär über der gesamten Fläche des Substrats 1 mit der gehärteten Resistschicht 2' angeordnet sein. Alternativ kann die Elektrode 4 bezüglich des Substrats 1 bewegt werden, und somit die Fläche des Substrats 1 durchlaufen. Beispielsweise kann eine lineare Elektrode über die Fläche des Substrats 1 geführt werden. Radikale, die im Plasma 5, 5' entstehen, reagieren mit organischen Oberflächen, zersetzen diese und führen durch das Spülgas die dadurch entstehenden gasförmigen Produkte ab.
• Während in 4a der Fall gezeigt wird, in dem unter der gesamten Fläche der Elektrode das Plasma 5 entsteht, ist in 4b eine alternative Situation gezeigt, in der nur in den Bereichen, in denen die dünne Restschicht 22 entfernt werden soll, ein Plasma 5' ausgebildet ist. Unterschiedliche Strukturhöhen führen bei einem Atmosphärenplasma mit direkter Barrierenentladung zu unterschiedlichen Durchgangsspannungen. Durch eine geeignete Wahl der Durchschlagsspannung kann die in 4 gezeigte Plasmaverteilung erzielt werden. Ist die Durchschlagsspannung höher als die Durchschlagsspannung der Restschicht 22, aber niedriger als die Durchschlagsspannung der Struktur 21, kann durch die in 4b gezeigte Plasmaeinwirkung selektiv die Restschicht 22 entfernt werden.
• Die 5(a) und (b) zeigen den Querschnitt einer Elektrodenanordnung, die zum Erzeugen eines atmosphärischen Plasmas gemäß der Erfindung geeignet ist. Die gezeigten Elektroden 41 und 42 stellen lineare Elektroden dar, die sich in die Zeichenebene hinein erstrecken und zum Abfahren der gesamten Fläche des Substrats 1 in der Zeichenebene bewegt werden können. In 5(a) ist der Fall gezeigt, in dem eine Entladung direkt zwischen dem Substrat 1 und den Elektroden 41 bzw. 42 stattfindet. In diesem Bereich bildet sich also ein Plasma 51 bzw. 52 aus, das auch als "direct plasma" bezeichnet wird. In diesem Fall kann das Substrat 1 als eine Kondensatorplatte angesehen werden, die auf einem floatenden bzw. erdfreien Potential liegt. Dieser Prozeß wird in stark von dem Abstand zwischen Substrat und Elektrode beeinflußt. In dem in 5(b) gezeigten Fall zündet das Plasma 53 zwischen den Elektroden 41 bzw. 42 ("remote plasma"). Entstehende Gasradikale werden auf das Substrat im Luftspalt 6 transportiert und reagieren mit der Oberfläche des Substrats 1. Durch geeignete Vorrichtungen (nicht gezeigt) am Elektrodensystem wird verhindert, daß eine direkte Entladung auf dem Substrat 1 stattfindet.
• Beide in 5(a) und (b) gezeigten Systeme weisen außerdem eine Gasversorgung 7 und eine Gasabsaugung 8 auf, die den kontinuierlichen Gasaustausch im Prozeßbereich sichern. Die Wirkung des direkten Plasmaverfahrens ist effektiver, jedoch müssen hier die Parameter sorgfältig ausgewählt werden, um eine Beschädigung der Oberfläche des Substrats zu vermeiden.
• In einem Beispiel wurde durch das oben mit Bezug auf die 1 bis 3 beschriebene Verfahren eine kreisförmige Vertiefung in eine UV-härtbare Resistschicht gestempelt. In den Bereichen außerhalb der Vertiefung hatte die Struktur eine Schichtdicke von etwa 2,1 bis 2,2 μm. Die in der Vertiefung nach dem Stempeln zurückbleibende Restschicht hatte eine Dicke von etwa 150 nm. In dem Diagramm der 6(a) sind die Schichtdicken im Bereich der sich so ergebenen Struktur 10 und in der Vertiefung 11 gezeigt. Nach der oben beschriebenen Behandlung mit direktem Plasma und einer linearen Elektrode, die über das Substrat gefahren wird, ergeben sich die in 6(b) gezeigten Schichtdicken. Bei Verwendung einer linearen Elektrodenanordnung mit 500 W Leistung bei Verwendung von 50 slm (Liter pro Minute bei Standardbedingungen) O₂ und einer Geschwindigkeit von 20 mm/s der linearen Elektrode wurde pro Überfahren des Substrats eine Schichtdicke von etwa 7 bis 10 nm abgetragen. Bei der Verwendung von N₂ also Prozeßgas konnte keine Entfernung der Resistschicht beobachtet werden.

Claims (17)

1. Verfahren zum Ausbilden einer Struktur in einer auf einem Substrat (1) aufgebrachten Resistschicht (2) durch Imprint-Lithographie, insbesondere zur Herstellung von Mikrostrukturen in einem Substrat oder Halbleiterstrukturen, mit den Schritten: Pressen einer Form (3), die eine Struktur mit mindestens einem Vorsprung (31) aufweist, so in die Resistschicht (2), daß in der Resistschicht (2) ein Negativabdruck der Struktur der Form (3) ausgebildet wird, Härten der Resistschicht (2), Entfernen der Form (3), und Entfernen einer zurückbleibenden Restschicht (22) im Bereich eines durch den Vorsprung (31) der Form (3) in der gehärteten Resistschicht (2') ausgebildeten Talbodens durch Einwirken eines Plasmas (5, 5', 51, 52, 53) bei Atmosphärendruck.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Plasma (5, 5', 51, 52, 53) durch eine Barrierenentladung erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Resistschicht (2) durch thermoplastisches Polymer gebildet wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Resistschicht (2) durch Abkühlen gehärtet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Resistschicht (2) ein strahlungshärtendes Polymer aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Resistschicht (2) durch Bestrahlen mit einer elektromagnetischer Strahlung mit geeigneter Wellenlänge gehärtet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Resistschicht (2) durch ein durch Druck und/oder Wärme härtbares Material aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei eine Durchschlagspannung gewählt wird, die höher als die Durchschlagspannung der Restschicht (22) ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Durchschlagspannung niedriger als die Durchschlagspannung einer durch die Resistschicht (2') gebildete Struktur (21) ist.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Plasma (5, 5', 51, 52) zwischen einer Elektrode (4, 41, 42) und dem Substrat (1) ausgebildet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Plasma (53) zwischen Elektroden (41, 42) ausgebildet ist.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung des Plasmas (5, 5', 51, 52, 53) eine lineare Elektrode (4, 41, 42) verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Elektrode über dem Substrat verfahren wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Plasma (5, 5') durch eine Flächenelektrode (4) erzeugt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Fläche der Elektrode (4) zumindest der Fläche des Substrats (1) entspricht.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Prozeßgas O₂ bzw. O₂/CF₄ verwendet wird.
17. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.