DE60118843T2

DE60118843T2 - Stempel für ein lithographisches verfahren, methode zur stempelherstellung und methode zur herstellung einer gemusterten schicht auf einem substrat

Info

Publication number: DE60118843T2
Application number: DE60118843T
Authority: DE
Inventors: H. Martin BLEES
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: JP2003522653A; DE60118843D1; US20010027570A1; US7410592B2; WO2001059523A1; EP1171800A1; TW562754B; EP1171800B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stempel zur Verwendung in einem Lithografieprozess, wobei der Stempel einen Stempelkörper mit einer Druckfläche umfasst und der genannte Körper eine erste Vertiefung mit einer Öffnung in der Druckfläche hat.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Stempels zur Verwendung in einem Lithografieprozess, wobei der Stempel einen Stempelkörper mit einer Oberfläche hat, die teilweise mit der Druckfläche übereinstimmt.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente mit dem Schritt, eine strukturierte Schicht eines ersten Materials auf eine Oberfläche eines Substrats mithilfe eines Stempels, der mit einem Stempelkörper und einer Druckfläche versehen ist, aufzubringen, wobei der Stempelkörper eine erste Vertiefung mit einer Öffnung in der Druckfläche umfasst und wobei in dem Verfahren die Druckfläche des Stempels auf die Oberfläche des Substrats platziert wird, sich das genannte erste Material an der Druckfläche befindet, sodass die Oberfläche des Substrats mit der strukturierten Schicht versehen wird.
Ein solcher Stempel ist bekannt von G.M. Whitesides und Y. Xia in Angew. Chem. Int. Ed. 37 (1998), 500-575. Die erste, stabförmige Vertiefung wird von einem Boden und von Wänden, die an die Druckfläche angrenzen und die auch als Seitenwände bezeichnet werden, begrenzt. Die erste Vertiefung hat eine Tiefe, die gleich dem Abstand zwischen dem Boden und der Druckfläche ist. Die erste Vertiefung hat eine Weite in der Ebene der Öffnung und eine Länge senkrecht dazu, wobei die genannte Weite kleiner oder gleich der Länge ist. Der bekannte Stempel wird in Lithografieprozessen verwendet, die in den letzten Jahren als eine Alternative zur Fotolithografie an Wichtigkeit gewonnen haben. Solche Prozesse werden kollektiv als „sanfte Lithografie" bezeichnet. Ein erstes Beispiel ist das Mikrokontaktdrucken, wo zuerst das Material auf die Druckfläche des Stempels aufgebracht wird, und anschließend der Stempel mit seiner Druckfläche auf das Substrat platziert wird. Ein zweites Beispiel ist das Mikroformen, wo die genannten Schritte in dem Lithografieprozess in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden.
Wie auf Seite 556 des zitierten Artikels erwähnt ist, hat der bekannte Stempel den Nachteil, dass das Weiten/Tiefen-Verhältnis der ersten Vertiefung begrenzt ist. Dieses Verhältnis, hiernach als Seitenverhältnis bezeichnet, hat sowohl eine untere als auch eine obere Grenze, vor allem zwischen 0,2 und 2. Wenn das Verhältnis groß ist, ist die Tiefe der ersten Vertiefung klein. Durchbiegen des vergleichsweise großen Bodens verursacht dann, dass ein Teil dieses Bodens in der Druckfläche liegt und eine Störung in der Anordnung der Druckfläche auftritt.
Eine erste Maßnahme, um ein solches Durchbiegen zu verhindern, ist, nicht-funktionale Pfosten in dem Hohlraum zu schaffen. Solche Pfosten sind Vorsprünge, von denen jeder eine Oberfläche in der Druckfläche hat. Wenn mithilfe des Stempels ein Abdruck der Stempeloberfläche gemacht wird, enthält der Abdruck auch das Muster der Pfosten, das zusätzlich und ohne Funktion in dem Abdruck ist. Das Schaffen der Pfosten teilt die erste Vertiefung in eine Anzahl von aneinander teilweise angrenzenden Vertiefungen auf, wobei jede ein kleineres Seitenverhältnis hat als die erste Originalvertiefung.
Diese Maßnahme führt aber zu anderen Nachteilen: so muss die in der Herstellung des Stempels verwendete Maske verglichen mit einer Standardlithografiemaske angepasst werden. Außerdem bringt die Verwendung einer Maske mit solchen Pfosten das Risiko von Kurzschlüssen und der Erzeugung von parasitären Kapazitäten in der strukturierten Schicht, zum Beispiel in der Herstellung einer strukturierten elektrisch leitenden Schicht, mit sich.
Eine zweite Maßnahme zum Verhindern des Durchbiegens des Bodens der ersten Vertiefung ist es, die Tiefe der ersten Vertiefung zu erhöhen. Wenn die Tiefe zunimmt und das Seitenverhältnis abnimmt, nimmt das Risiko des Durchbiegens der Seitenwände der ersten Vertiefung zu, sodass das Muster nicht ausreichend übertragen wird. Dieser Nachteil zeigt sich besonders, wenn eine zweite Vertiefung in einem kurzen Abstand von der ersten Vertiefung vorhanden ist. Der dazwischengebrachte Anteil des Stempelkörpers kann in dem Fall als ein Pfosten angesehen werden, dessen Weite im Verhältnis zu seiner Tiefe klein ist und der aus dem Grund eine geringe Stabilität hat.
Es ist eine erste Aufgabe der Erfindung, einen Stempel der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der eine Druckfläche hat, die vergleichsweise unempfindlich gegenüber Störungen ist, die durch die Anwesenheit einer ersten Vertiefung mit einem kleinen oder einem großen Seitenverhältnis verursacht werden.
Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Stempels der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, durch das ein erfindungsgemäßer Stempel hergestellt werden kann.
Es ist eine dritte Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, eine strukturierte Schicht der eingangs beschriebenen Art aufzutragen, wobei die Schicht in genauer Weise strukturiert wird.
Erfindungsgemäß wird die erste Aufgabe mit dem Stempel gemäß Anspruch 1 gelöst.
In dem erfindungsgemäßen Stempel nimmt der Querschnitt der ersten Vertiefung ab, wenn der Abstand zu der Druckfläche zunimmt.
Eine weitere Vertiefung ist neben der ersten Vertiefung vorhanden, wobei die weitere Vertiefung eine Öffnung in der Druckfläche hat, Querschnitte parallel zu der Druckfläche hat und enger wird, wenn der Abstand zu der Druckfläche zunimmt. Außerdem liegt eine Projektion eines Querschnitts auf die Druckfläche innerhalb der Öffnung der Vertiefung. Diese Vertiefung hat eine Länge und eine Weite, die zueinander senkrecht stehen, wobei die Länge größer oder gleich der Weite ist. Wenn die Öffnung die Form eines Rechecks hat, verlaufen Länge und Weite parallel zu den Seitenwänden der Vertiefung. Im Allgemeinen hat die Öffnung eine Abmessung in einer ersten Richtung parallel zu der Druckfläche. Diese Abmessung der Öffnung wird vorzugsweise als die Weite gewählt, besonders wenn die Länge viel größer als die Weite ist.
Die Öffnung der weiteren Vertiefung hat in einer ersten Richtung parallel zu der Druckfläche eine Abmessung, die größer ist als die Abmessung der ersten Öffnung in dieser selben Richtung. Ein Ergebnis davon ist, dass die Tiefe der weiteren Vertiefung größer als die Tiefe der ersten Vertiefung ist. Die Tiefe der weiteren Vertiefung ist größer als die Tiefe der ersten Vertiefung, weil in dem Fall der Boden der weiteren Öffnung eine kleinere Oberfläche hat als wenn die genannten Tiefen gleich wären.
Dieser erfindungsgemäße Stempel macht es möglich, Muster mit Details verschiedener Abmessungen mithilfe ein und desselben Stempels zu drucken. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Größe der Öffnung der weiteren Vertiefung in einer ersten Richtung zu jener der Öffnung der ersten Vertiefung in genannter Richtung mindestens fünf. Insbesondere ist dieses Verhältnis mindestens zwanzig. Insbesondere ist dieses Verhältnis mindestens fünfzig, wobei viel größere Verhältnisse erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen sind.
Die Möglichkeit großer Verhältnisse zwischen den Größen der Öffnungen der Vertiefungen ist ein Hauptvorteil, weil es möglich sein sollte, Muster mit weit unterschiedlichen Größen und jeglichen Formen wie auch immer in der Herstellung elektronischer Komponenten zu schaffen. Wenn eine Schicht oder eine Ätzschicht für eine integrierte Schaltung gedruckt wird, können Linien mit einem Querschnitt von 0,1 μm und Oberflächen mit einem Querschnitt von 5 μm auf diese Weise geschaffen werden. So können beispielsweise aktive und passive Elemente in eine Schicht in einer integrierten Weise gedruckt werden. Die Linie ist beispielsweise eine Verbindungsleitung, während die Oberfläche eine Elektrode eines Kondensators ist.
In einer Ausführungsform hat die Vertiefung ebene Seitenwände, von denen mindestens einige einen Winkel kleiner als 90° mit der Druckfläche bilden. Vorzugsweise bildet jede der aneinander angrenzenden Vertiefungen einen Winkel kleiner als 90° mit der Druckfläche. Dieser Winkel ist der Winkel zwischen einem ersten Vektor n1, der senkrecht auf der Druckfläche steht und von dem Stempel wegzeigt, und einem zweiten Vektor n2, der senkrecht auf einer Wand der Vertiefung, die an die Druckfläche angrenzt, steht und auch von dem Stempel weg zeigt. Vorzugsweise ist dieser Winkel größer als 10° und kleiner als 80°. Insbesondere ist der Winkel größer als 40° und kleiner als 60°. In dem erfindungsgemäßen Stempel ist der Boden der ersten Vertiefung kleiner als er in dem bekannten Stempel für eine gegebene Öffnung ist. Durchbiegen des Bodens wird dementsprechend effektiver entgegengewirkt, ohne dass nicht-funktionale Pfosten in dem Stempel enthalten sind. Die Probleme, die zu kleinen Seitenverhältnissen gehörige Stabilität betreffen, fehlen mindestens im Wesentlichen in dem erfindungsgemäßen Stempel auch. Das Verengen der ersten Vertiefung mit zunehmendem Abstand zu der Druckfläche beinhaltet notwendigerweise den Effekt, dass die angrenzenden Teile des Stempelkörpers mit zunehmendem Abstand zu der Druckfläche breiter werden und so stabilisiert sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Druckfläche weniger empfindlich auf Abweichungen ist, wenn Kräfte auf den Stempel ausgeübt werden: da der Winkel kleiner als 90° ist, ist das auf die angrenzenden Teile des Stempelkörpers angewendete Kraftmoment kleiner. Dementsprechend ist das Risiko, dass eine Seitenwand ihre Position ändert – wobei die Form der Öffnung geändert werden würde – reduziert.
Der Boden der ersten Vertiefung des erfindungsgemäßen Stempels kann unter anderem eine rechtwinklige und eine mehreckige Form haben. Es wird aber bevorzugt, dass der Boden im Wesentlichen die Form einer Linie oder eines Punktes hat. Tat sächlich kann dann kein Durchbiegen des Bodens stattfinden. Die Vertiefung sieht wie ein V-förmiger Graben in der Druckfläche aus und hat dann in einer Ebene senkrecht zu der Druckfläche gesehen eine dreieckige Form. Die Vertiefung als ein Ganzes hat dann beispielsweise die Form eines Konus, einer Pyramide oder eines unregelmäßigen Polyeders. Die Form der Vertiefung hängt von dem Muster der Druckfläche des Stempels ab.
Vorzugsweise ist ein Querschnitt der ersten Vertiefung, der in einem Abstand im Wesentlichen größer als Nichts von der Druckfläche liegt, mindestens im Wesentlichen deckungsgleich mit dem Querschnitt in der Druckfläche. Der zwischen einer Seitenwand und der Druckfläche gebildete Winkel ist so im Wesentlichen für jede Seitenwand an jedem Ort der Seitenwand der gleiche. Es gibt keine Anisotropie in der Druckfläche: die Stabilisierung der Öffnungen in einer ersten Richtung ist die gleiche wie in jeder zweiten Richtung. Die Druckfläche kann dementsprechend ein Muster haben, in dem Linien und Öffnungen gekrümmt oder winklig sind, während sie immer noch an allen Orten stabil sind und dieselben Abmessungen haben können. Ein solches Muster wird beispielsweise in einer strukturierten Schicht einer integrierten Schaltung gewünscht.
Im Allgemeinen wird in dem Stempel zusätzlich zu der ersten Vertiefung eine zweite Vertiefung vorhanden sein, wobei die zweite Vertiefung eine Öffnung in der Druckfläche hat, enger wird, wenn der Abstand zu der Druckfläche zunimmt, und Querschnitte parallel zu der Druckfläche hat, die, wenn sie rechtwinklig auf die Druckfläche projiziert werden, innerhalb der Öffnung der Vertiefung liegen. Wenn die Vertiefungen aneinander angrenzen, kann ein dazwischen liegender Teil des Stempelkörpers als ein erster Vorsprung betrachtet werden. Die Oberfläche eines parallel zur Druckfläche gemachten Querschnitts durch diesen Vorsprung nimmt ab, wenn der Abstand zu der Druckfläche abnimmt. Der erste Vorsprung wird dadurch stabilisiert. Das Risiko des Durchbiegens des Vorsprungs wird reduziert. Ein auf diese Weise stabilisierter Vorsprung kann zusätzlich eine sehr kleine Oberfläche in der Druckfläche haben. Die Größe dieser Oberfläche wird durch den Abstand der Öffnung der ersten Vertiefung und der Öffnung der zweiten Vertiefung bestimmt. Es ist günstig, wenn dieser Abstand kleiner als 1 μm ist. Es ist sehr günstig, wenn dieser Abstand kleiner als 0,5 μm ist. Das gilt, weil dieser Abstand die Minimalabmessung in der strukturierten Schicht bestimmt. Kleine, aber immer abnehmende Abmessungen werden besonders in integrierten Schaltungen gewünscht, wie allgemein bekannt.
Es kann sein, dass der erfindungsgemäße Stempel neben einer ersten, einer zweiten oder einer dritten Vertiefung mehrere zusätzliche Vertiefungen umfasst. Es ist für eine Vertiefung möglich, dass sie von einer ersten Kante zu einer zweiten Kante der Druckfläche durchgehend ist.
Der Stempelkörper wird vorzugsweise aus einem elastischen Material gefertigt. Ein solches Material hat vorzugsweise einen Elastizitätsmodul zwischen 10³ und 10⁶, insbesondere zwischen 0,25·10⁵ und 5·10⁵ N/m². Beispiele für solche Materialien sind unter anderem Poly(Dimethylsiloxan), das auch als PDMS bekannt ist, Poly(Butadien), (Poly)Acrylamid, Poly(Butylstyren) und Kopolymere dieser Materialien. Es ist erwünscht, die Eigenschaften der elastischen Schicht zu optimieren, um so den gewünschten Grad an Flexibilität zu steuern. Der Stempelkörper kann alternativ ein Material mit einem hohen Elastizitätsmodul umfassen, vorzugsweise über 10⁶ N/m². Es ist in dieser Ausführungsform günstig, eine Schicht eines elastischen Materials in den Stempel einzubeziehen.
Der erfindungsgemäße Stempel kann in einem Lithografieprozess verwendet werden, speziell in einem Submikrometer-Lithografieprozess, in dem Muster verschiedener Formen in einer zuverlässigen und genauen Weise auf einem Substrat geschaffen werden. Beispiele von Lithografieprozessen, in denen der erfindungsgemäße Stempel verwendet werden kann, sind unter anderem Mikrokontaktdrucken, Mikroformung, Replikformung und lösungsmittelunterstützte Mikroformung. Der erfindungsgemäße Stempel kann außerdem in einem Lithografieprozess verwendet werden, in dem Licht durch den Stempel geleitet wird. Solche Lithografieprozesse sind an sich bekannt.
Die zweite Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6 realisiert.
Die erste Vertiefung hat mindestens eine erste Seitenwand, die einen Winkel ungleich 90° mit der Matrizenoberfläche bildet. Vorzugsweise ist der Winkel größer als 10° und kleiner als 80°. Insbesondere ist der Winkel größer als 40° und kleiner als 60°. Dieser Winkel ist definiert als der Winkel zwischen einem ersten Vektor n1, der senkrecht auf der Originaloberfläche steht und von der Matrize weg zeigt, und einem zweiten Vektor n2, der senkrecht auf einer Wand einer an die Originalfläche angrenzenden Vertiefung steht und auch von der Matrize weg zeigt. Vorzugsweise umfasst die Matrize nach der Strukturierung mehrere zusätzliche Vertiefungen zusätzlich zu der ersten Vertiefung.
Vorzugsweise umfasst die Matrize hauptsächlich Silicium und die erste für das Ätzen verwendete Oberfläche ist die (100)-Oberfläche, die kommerziell als eine Siliciumscheibe erhältlich ist. Vor dem Ätzen wird beispielsweise eine Ätzmaske direkt auf der Oberfläche geschaffen. Der Ätzprozess kann ein nass-chemischer Ätzprozess sein. Die Technik des Trockenätzens, unter anderem durch die Verwendung eines Plasmas, kann auch verwendet werden. Die Ätzmaske wird anschließend entfernt, wenn es so gewünscht wird.
Der Ätzprozess legt vorzugsweise die Kristallsymmetrieebenen in den Richtungen (111), (1(-1)1), (1(-1)(-1)) und (11(-1)) frei. Diese Ebenen, hiernach als die (111)-Ebenen bezeichnet, bilden alle einen Winkel von näherungsweise 55° mit der (100)-Ebene. Das Ergebnis ist, dass die gebildeten Vertiefungen Querschnitte parallel zu der Originaloberfläche haben, die mindestens im Wesentlichen deckungsgleich mit den Öffnungen in der Originaloberfläche sind. Wenn der Ätzprozess nicht aktiv gestoppt wird, endet er von sich aus. Dieser automatische Stopp geschieht, wenn die Oberfläche des Bodens einer Vertiefung herunter auf eine Linie oder einen Punkt reduziert ist. Die Ätzmaske kann nach dem Ätzen entfernt werden. Das Ergebnis ist, dass die Oberfläche der Matrize strukturiert ist. Die Matrizenoberfläche, die vor dem Ätzen plan war, ist zu einer Oberfläche mit Variationen in drei Dimensionen geworden. Diese strukturierte Matrizenoberfläche wird anschließend in einen ersten Körper repliziert.
Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass es genau ist und stabile Stempel produziert. Verglichen mit dem Schaffen von Vertiefungen mithilfe von Laserabschmelzung ist das Verfahren zudem nicht sehr arbeitsintensiv.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Replik von der strukturierten Oberfläche des ersten Körpers in einen zweiten Körper mit einer strukturierten Oberfläche gemacht. Der erste Körper in dieser Ausführungsform ist eine Zwischenreplik. Die Oberfläche der Matrize kann nicht direkt auf die Oberfläche des Stempelkörpers repliziert werden, wenn beide Oberflächen ihre gegenseitigen Positivkopien sind. Ein erster Vorteil, Positivkopien zu sein, ist aber, dass die einfache Technik anisotropen Ätzens zur Herstellung von Stempelkörpern, die mit Vertiefungen unterschiedlicher Tiefen versehen sind, verwendet werden kann. Es ist ein weiterer Vorteil der Verwendung einer Zwischenreplik ist, dass die Matrize nicht so oft verwendet werden muss, sodass sie kaum Objekt von Verschleiß ist.
Um den ersten Körper von der Matrize und den zweiten Körper von dem ersten Körper zu entfernen, ist es besser, ein Entformungsmittel auf der Oberfläche der Matrize des ersten Körpers zu verwenden, wenn anwendbar. Das Entformungsmittel ist beispielsweise ein Fluorsilan. Es ist vorzuziehen, dass das Entformungsmittel mithilfe von Vakuumdeposition aufgebracht wird.
Eine Beschichtungstechnik kann verwendet werden, um auf die Matrize oder auf den ersten Körper Material aufzubringen. Beispiel von Beschichtungstechniken sind Schleuderbeschichtung (spin coating) und Walzenbeschichtung (web coating). Ein erster Vorteil davon ist, dass eine große Oberfläche beschichtet werden kann. Es ist dann möglich, eine große Anzahl von Stempeln in einem Arbeitsvorgang herzustellen. Ein zweiter Vorteil ist, dass eine zweite Oberfläche, die von der Druckfläche weg gerichtet ist, gut planarisiert wird. Dies macht es möglich, diese zweite Oberfläche, die normalerweise im Wesentlichen parallel zu der Druckfläche liegt, an einen Aussteifungskörper jeglicher Form, wie z.B. einen zylindrischen Aussteifungskörper, zu befestigen. Das Material wird nach seiner Aufbringung ausgehärtet, woraufhin die Replik von der Matrize oder dem ersten Körper entfernt wird.
Es ist alternativ möglich, eine Injektionsformungstechnik zu verwenden, um Material auf die Matrize oder den ersten Körper aufzubringen. Ein Vorteil dieser Technik ist unter anderem, dass die Oberfläche, die von der Druckfläche weg gerichtet ist, an einen Aussteifungskörper jeglicher Form, wie z.B. ein Metallband, geklebt werden kann. Ein solches Metallband mit dem an ihm befestigten Stempelkörper kann beispielsweise um eine zylindrische Druckwalze gespannt werden.
Die dritte Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente mit dem Schritt, eine strukturierte Schicht der eingangs beschriebenen Art aufzubringen, in dem ein Stempel nach Anspruch 1 verwendet wird, gelöst. Dies führt zu einer größeren Genauigkeit. Eine geforderte Genauigkeit in dem Ergebnis bedeutet wirklich, dass kleine oder keine Abweichung in allen Schritten, die zu dem Ergebnis führen, auftreten sollten. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist in mindestens drei Schritten weniger empfindlich gegenüber Abweichungen. Erstens ist der Stempelkörper robuster. Durchbiegen des Bodens einer Vertiefung oder Durchbiegen eines Vorsprungs wird effektiv in dem Stempel gemäß Anspruch 1 entgegengewirkt. Zweitens wurde die Fläche der Matrizenoberfläche reduziert, was das Risiko von Abweichungen in der Replikation der Matrizenoberfläche auf die Oberfläche des Stempelkörpers reduziert. Drittens ist das erfindungsgemäße Verfahren weniger empfindlich für Variationen in der Ausübung einer Kraft während der Übertragung eines ersten Materials von der Druckfläche auf das Substrat. Diese Empfindlichkeit bezieht sich insbesondere auf den Arbeitsschritt, die Druckfläche des Stempels in Kontakt mit der Substratoberfläche zu bringen, während dem eine Kraft ausgeübt wird. In Experimenten wurde gefunden, dass das erfindungsgemäße Verfah ren eine niedrige Empfindlichkeit gegenüber Variationen in der angewendeten Kraft hat, sowohl was den Wert der Kraft angeht als auch was die Streuung des Wertes der Kraft über die Kontaktfläche zwischen dem Stempel und dem Substrat angeht.
Ein erster Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die höhere Genauigkeit, mit der eine strukturierte Schicht auf einem Substrat geschaffen wird, zu einer höheren Ausbeute führt. Es gibt tatsächlich weniger Schichten, die aufgrund eines Defekts oder Abweichungen außerhalb der Toleranzen zurückgewiesen werden müssen. Ein zweiter Vorteil ist, dass das Muster der strukturierten Schicht Details in einem Sub-Mikrometer-Maßstab enthalten kann. Ein dritter Vorteil ist, dass das Muster Details in variierenden Abmessungen enthalten kann.
Diese Vorteile sind wichtig für die Herstellung von strukturierten Schichten innerhalb elektronischer Komponenten wie Displays, Lampen, Netzwerke passiver Komponenten, zur Datenspeicherung verwendete Platten und integrierte Schaltungen. Als ein Beispiel integrierte Schaltung: die höhere Ausbeute ist wichtig, weil eine große Anzahl strukturierter Schichten für eine integrierte Schaltung geschaffen werden muss. Die Details im Sub-Mikrometer-Maßstab sind für eine integrierte Schaltung wichtig, weil die Geschwindigkeit der Schaltung teilweise durch die Größe der Details, die einen Kanal in einem Transistor definieren, bestimmt wird. Der Größenunterschied zwischen den Details innerhalb eines Musters ist wichtig, weil integrierte Schaltungen oft strukturierte Schichten mit komplexen Details umfassen, wobei die Details unterschiedliche Funktionen haben.
Das erste Material, was auf die Druckfläche des Stempels aufgebracht wird, entweder auf der Oberfläche oder in den Vertiefungen, ist normalerweise eine Lösung oder Aufschlämmung einer gewünschten Komponente in einem Lösungs- oder Dispergierungsmittel. Ein Alkohol wie z.B. Äthanol ist ein oft verwendetes Lösungsmittel. Das Muster, was auf dem Substrat mithilfe des Stempels geschaffen wird, kann eine Schichtdicke von einigen Nanometern haben. Ein Beispiel einer Schicht mit einer solchen Schichtdicke ist eine Schicht eines linearen Thiolalkohols, die als eine selbst-aufgebaute Monoschicht auf einem passenden Substrat wie z.B. Substrat an der Oberfläche, das hauptsächlich Gold umfasst, vorhanden ist. Größere Schichtdicken sind aber keineswegs ausgeschlossen.
Eine große Vielfalt von anorganischen, organischen und polymeren Materialien kann als das erste Material verwendet werden. Eine Bedingung ist hier aber, dass das Dispersions- oder Lösungsmittel, in dem sich das erste Material während seiner Aufbringung auf die Druckfläche befindet, nicht verursacht, dass das Material des Stempelkörpers quillt. Beispiele erster Materialien sind unter anderem Beschichtungen in Lampen, elektrisch isolierende, halbleitende und leitende Materialien in passiven Komponenten, Netzwerken passiver Komponenten und Halbleiteranordnungen und Masken zum Strukturieren des Substrats durch optische, chemische oder elektromagnetische Mittel.
Es ist günstig, wenn das erste Material ein elektrisch leitendes oder halbleitendes organisches Material ist. Die Leitung solcher Materialien kann durch Verwendung von Dotierstoffen verbessert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Schicht macht es möglich, auf eine leichte Art auf einem Substrat strukturiert dotierte, elektrisch leitende organische Materialien und undotierte, elektrisch halbleitende organische Materialien zu schaffen. Beispiele solcher organischer Materialien sind unter anderem Pentacen, Polythienylen-Vinylen, Polyfuranylen-Vinylen, Polyphenylen-Vinylen, Polythiophen, Polyanilin, Polypyrrol, Polyacetylen und substituierte Varianten dieser Materialien. Substituenten sind unter anderem Alkoxy-, Alkyl- und Alkylendioxi-Gruppen mit vorzugsweise 1 bis 10 Kohlenstoffatomen.
In einer alternativen Ausführungsform nimmt das erste Material an einer Reaktion teil, die an der Oberfläche des Substrats stattfindet. Der Term Reaktion bezieht sich hier auf chemische Reaktionen, Ätzen oder zersetzende Reaktionen wie auch Oberflächenveränderungen durch physikalische Prozesse wie z.B. Diffusion. Das erste Material kann sich in dem Fall an der Druckfläche, aber auch in den Vertiefungen befinden. Die Stabilisierung von Vorsprüngen an der Druckfläche des Stempels ist für diese Ausführungsform sehr vorteilhaft: die Vorsprünge sind hoch widerstandsfähig gegen die vergleichsweise hohen Kräfte, die durch die Flüssigkeit in den Vertiefungen ausgeübt werden.
Diese und andere Aspekte des erfindungsgemäßen Stempels und der erfindungsgemäßen Verfahren wird im Folgenden mit Bezug auf Ausführungsformen und die Zeichnung detaillierter erklärt. In dieser zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform des Stempels;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Anzahl von Schritten des Verfahrens zum Herstellen eines Stempels;
3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach dem Stand der Technik zum Herstellen eines Stempels; und
4 eine Draufsicht eines Musters, das mit dem Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Schicht hergestellt werden kann.
1 zeigt einen senkrecht zu einer Druckfläche 3 gemachten Querschnitt eines ersten erfindungsgemäßen Stempels 10. Der erste Stempel 10 umfasst eine Trägerstruktur 1 und einen Stempelkörper 5, der mit einer Oberfläche 4 versehen ist, von der ein Teil in der Druckfläche 3 vorhanden ist. Eine erste Vertiefung 11, eine zweite Vertiefung 12 und eine dritte Vertiefung 13 sind in dem Stempelkörper 5 geschaffen, wobei die Vertiefungen ihre Öffnungen 15, 16 und 17 in der Druckfläche 3 haben. Ein erster Vorsprung 14 mit einer Oberfläche 19 in der Druckfläche 3 befindet sich zwischen der ersten und der zweiten Vertiefung 11, 12. Der Vorsprung 14 wird dadurch stabilisiert, dass er mit einem zunehmenden Abstand von der Druckfläche 3 breiter wird. Die erste Öffnung 15 und die dritte Öffnung 17 in der Druckfläche haben unterschiedliche Größen. In der dritten Öffnung 17 in der Druckfläche aber passiert kein Durchbiegen, weil der Boden 18 der Vertiefung 13 eine kleine Oberfläche hat.
2 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines ersten Stempels 10 in sieben Schritten. 2a zeigt das Ergebnis des ersten Schrittes, in dem eine Ätzmaske 26 auf eine Oberfläche 27 einer Schicht 25 aufgebracht wird. Anschließend findet Ätzen statt, mit dem Ergebnis, dass Vertiefungen 21, 22 und 23 und ein Vorsprung 24 erzeugt werden. Diese sind in 2b dargestellt. Vertiefung 21 hat eine Öffnung 41 in der Originaloberfläche 27. Die Vertiefung 21 wird – wie die Vertiefungen 22 und 23 – enger, wenn ihr Abstand zu der Originaloberfläche 27 zunimmt und hat Querschnitte parallel zu dieser Originaloberfläche 27, die, wenn sie senkrecht auf die Originaloberfläche 27 projiziert werden, innerhalb der Öffnung 41 liegen.
Die Ätzmaske 26 wird dann entfernt. Die Matrize 20 mit einer Matrizenoberfläche 29 ist das Ergebnis, wie in 2c gezeigt. Eine Schicht 105 wird auf die Matrize 20 aufgebracht, wobei in dieser Schicht die Matrizenoberfläche 29 repliziert wird. Dies wird in 2d gezeigt. Dann wird die Matrize 20 von der Schicht 105 entfernt. Der erste Körper 110, in 2e gezeigt, ist nun fertig und ist mit einer Oberfläche 104 versehen, die das Negativ der Matrizenoberfläche 29 ist. Eine Schicht 5, in der die Oberfläche 104 repliziert wird, wird nun auf den ersten Körper 110 aufgebracht. Dies wird in 2f gezeigt. Dann wird der erste Körper 110 von der Schicht 5 entfernt. Der Stempelkörper 5, in 2g gezeigt, des Stempels 10 ist nun fertig und hat eine Oberfläche 4. Diese Oberfläche 4 liegt teilweise in der Druckfläche 3.
3 zeigt ein in US 5.900.100 gezeigtes Verfahren nach dem Stand der Technik zum Herstellen eines zweiten Stempels 110 in fünf Schritten. 3a zeigt das Ergebnis des ersten Schritts, in dem eine Ätzmaske 26 auf eine Oberfläche 27 einer Schicht 25 aufgebracht wird. Anschließend findet Ätzen statt, mit dem Ergebnis, dass Vertiefungen 21, 22 und 23 mit entsprechenden Böden 31, 32 und 33 und Vorsprüngen 24, 28 erzeugt werden. Das Ätzen wird bei Erreichen der Tiefe D gestoppt. Dies ist in 3b dargestellt. Die Vertiefung 21 hat eine Öffnung 41 in der Originaloberfläche 27. Die Vertiefung 21 wird – wie die Vertiefungen 22 und 23 – enger, wenn ihr Abstand zu der Originaloberfläche 27 zunimmt und hat Querschnitte parallel zu dieser Originaloberfläche 27, die, wenn sie senkrecht auf die Originaloberfläche 27 projiziert werden, innerhalb der Öffnung 41 liegen.
Die Ätzmaske 26 wird anschließend entfernt. Die Matrize 20 mit einer Matrizenoberfläche 29 ist das Ergebnis, wie in 3c gezeigt. Eine Schicht 105, in welche die Matrizenoberfläche 29 repliziert wird, wird über die Matrize 20 aufgebracht. Dies ist in 3d gezeigt. Dann wird die Matrize 20 von der Schicht 105 entfernt. Dabei wurde die Matrizenoberfläche 29 in der Oberfläche 104 des Stempelkörpers 105 repliziert. Der in 3e gezeigte zweite Stempel 110 ist nun fertig, versehen mit einer Druckfläche 103, die ein Negativ der Böden 31, 32 und 33 der Matrize 20 ist. Die Druckfläche 103 umfasst die Oberflächen der Vorsprünge 111, 112 und 113.
Ausführungsform 1
Herstellung der Matrize
Eine Scheibe aus (100)-Si mit einem Durchmesser von 4 Zoll wird mit einer Schicht Si₃N₄ beschichtet. Diese Schicht wird in einem LPCVD-Prozess mithilfe SiH₂Cl₂ und NH₃ in der Gasphase bei einer Temperatur von näherungsweise 800°C deponiert. Mithilfe von Sprühbeschichtung wird eine dünne Schicht von positivem Fotolack auf diese Scheibe aufgebracht. Nach UV-Bestrahlung durch eine Maske und einem Entwicklungsschritt erhält man auf der Scheibe ein Fotolackmuster. Das ungeschützte Si₃N₄ wird dann in Plasma von CHF₃ und O₂ geätzt, währenddessen die Temperatur unter 100°C bleibt (Ätzrate 1,25 nm/s). Der Fotolack wird in einem Sauerstoffplasma entfernt. Dann wird das natürliche Oxid entfernt, indem die Scheibe in eine wässrige HF-Lösung getaucht wird. Das ungeschützte Si wird für 20 Minuten anisotrop in einer KOH-H₂O-Lösung, die mit 2- Propanol angereichert ist, bei einer Temperatur von näherungsweise 70°C auf eine Tiefe von 13 μm oder etwas mehr geätzt. Dann wird die Scheibe für 30 Minuten in eine wässrige HCl-Lösung getaucht. Das natürliche SiO₂ wird von dem Si₃N₄ entfernt, indem die Scheibe für eine kurze Zeit in eine schwache, wässrige HF-Lösung eintaucht wird. Das Si₃N₄ wird nun entfernt, indem die Scheibe für eineinhalb bis zwei Stunden bei einer Temperatur zwischen 125 und 150°C in konzentrierte H₃PO₄ eingetaucht wird.
Nach einem Spülen wird die Si-Scheibe für 15 – 30 Minuten in einem UV/Ozon-Reaktor behandelt. Die Scheibe wird zusammen mit näherungsweise 0,5 ml (Heptadecafluoro-1,1,2,2-tretrahydrodecyl)Trichlorsilan in einen Vakuumexsikkator eingebracht. Der Exsikkator wird herunter auf einen Druck von näherungsweise 0,4 mbar evakuiert. Nach 30 Minuten wird der Exsikkator belüftet und die Scheibe wird für eine Stunde in einen vorgeheizten Ofen getan.
Anfertigen einer Replik der Matrizenoberfläche in einem ersten Körper
Das Negativ der Mutter wird aus Sylgard 184-Silikonkautschuk (Dow Corning) angefertigt. 30 g von Sylgard 184-„Basis" und 3 g von Sylgard 184-„Härtungsmittel" werden durch Rühren in einem Polystyrol-Wegwerfbehälter sorgfältig gemischt. Jegliche als Ergebnis davon eingeschlossene Luftblasen werden durch Entlüften bei einem niedrigen Druck (≈ 0,5 mbar) während näherungsweise einer halben Stunde entfernt. Die blanke Si-Scheibe wird in eine geschlossene Plexiglasgussform mit einer Injektionsöffnung eingebracht. Diese Polymerisationsgussform wird in eine Vakuumhaube eingebracht und herunter auf ~ 0,5 mbar evakuiert. Ein Trichter wird in dem Vakuum mit der Sylgard 184-Mischung gefüllt und mit der Polymerisationsgussform verbunden. Belüftung der Haube bewirkt, dass die Sylgard 184-Mischung in die Plexiglasgussform gesaugt wird. Die Plexiglasgussform wird für 16 – 20 Stunden bei 65°C in einen vorgeheizten Ofen getan. Dann wird die Plexiglasgussform geöffnet und der erste Körper aus der Plexiglasgussform herausgenommen.
Herstellung des Stempels
Nachdem der erste Körper durch Deposition von (Heptadecafluoro-1,1,2,2-tretrahydrodecyl)Trichlorsilan in einem Vakuumexsikkator beschichtet worden ist, wird das Silikon-Negativ in eine geschlossene Plexiglasgussform eingebracht. Diese wird in eine Vakuumhaube eingebracht und herunter auf ~ 0,5 mbar evakuiert. Ein Trichter wird in dem Vakuum mit frisch angefertigter und entlüfteter Sylgard 184-Mischung gefüllt und mit der Polymerisationsgussform verbunden. Belüftung des Systems bewirkt, dass die Sylgard 184-Mischung in die Polymerisationsgussform gesaugt wird. Die Plexiglasgussform wird für 16 – 20 Stunden bei 65°C in einen vorgeheizten Ofen getan. Dann wird die Plexiglasgussform geöffnet und die gesamte Baueinheit aus dem ersten Körper und dem Stempelkörper daraus herausgenommen. Anschließend wird der Stempelkörper von dem ersten Körper entfernt. Die der Druckfläche abgewandte Seite des Stempelkörpers wird an einer Trägeranordnung, wie z.B. einer Glasschicht befestigt. Der mit seiner Trägeranordnung versehene Stempel kann in einem Lithografieprozess verwendet werden, beispielsweise zum Mikrokontaktdrucken.
Ausführungsform 2
Eine erste Schicht aus näherungsweise 5 nm Titan und anschließend eine Schicht von näherungsweise 20 nm Gold werden auf ein Siliciumsubstrat aufgebracht. Das Substrat ist also an einer ersten Seite mit einer Schichtenoberfläche versehen. Ein auf die in Ausführungsform 1 beschriebenen Weise hergestellter und mit einer Druckfläche versehener Stempel wird mit seiner Druckseite in Kontakt mit einer 10^–3 Mol/1-Lösung von Octadecylthiol in Äthanol gebracht. Anschließend wird der Stempel mit einer Stickstoffströmung behandelt. Dann wird die Druckfläche in Kontakt mit der Oberfläche des Substrats gebracht und nach einiger Zeit davon entfernt. Das Substrat wird anschließend für 5 bis 10 Minuten in eine 1 Mol/1-KOH-Lösung, der etwas K₂S₂O₃, K₃Fe(CN)₆ und K₄Fe(CN)₆ hinzugefügt wurde, eingetaucht. Dann wird das Substrat mit Wasser gespült und getrocknet. So wurde die Goldschicht auf dem Substrat entsprechend einem Muster, das dem Muster auf der Druckfläche des Stempels entspricht, strukturiert. So wurde das Muster, von dem eine Draufsicht in 4 gezeigt wird, erzeugt.

Claims

Stempel (10) zur Verwendung in einem Lithografieprozess, wobei der Stempel (10) einen Stempelkörper (5) mit einer Druckfläche (3) umfasst, der genannte Stempelkörper (5) eine erste Vertiefung (11) mit einer Öffnung (15) in der Druckfläche (3) und eine weitere Vertiefung (13) mit einer Öffnung (17) in der Druckfläche (3) hat, die erste Vertiefung (11) und die weitere Vertiefung (13) enger werden, wenn ihre Abstände zu der Druckfläche (3) zunehmen, und Querschnitte der ersten und der weiteren Vertiefung (11, 13) parallel zu der Druckfläche (3), wenn sie senkrecht auf die Druckfläche (3) projiziert werden, innerhalb ihrer jeweiligen Öffnung (15, 17) liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (17) der weiteren Vertiefung (13) eine Abmessung in einer ersten Richtung parallel zu der Druckfläche (3) hat, die größer ist als die Abmessung der ersten Öffnung (15) in dieser selben Richtung, und dass die Tiefe der weiteren Vertiefung (13) größer ist als die Tiefe der ersten Vertiefung (11).
Stempel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vertiefung (11) in einer ersten Ebene senkrecht zu der Druckfläche (3) eine dreieckige Form hat.
Stempel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine zweite Vertiefung (12) mit einer Öffnung (16) in der Druckfläche (3) in dem Stempelkörper (5) befindet, wobei die zweite Vertiefung (12) Querschnitte parallel zu der Druckfläche (3) hat und enger wird, wenn ihr Abstand zu der Druckfläche (3) zunimmt, die genannten Querschnitte, wenn sie senkrecht auf die Druckfläche (3) projiziert werden, innerhalb der Öffnung (16) liegen und die genannte Öffnung (16) sich in einem Abstand von weniger als 1 μm von der Öffnung (15) der ersten Vertiefung (11) befindet.
Stempel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung der Öffnung (17) der weiteren Vertiefung (13) mindestens fünfmal die Abmessung der Öffnung (15) der ersten Vertiefung (11) beträgt.
Stempel (5) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Abmessung der Öffnung (17) der weiteren Vertiefung (13) mindestens zwanzigmal die genannte Abmessung der Öffnung (15) der ersten Vertiefung (11) beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Stempels (10) zur Verwendung in einem Lithografieprozess, wobei der Stempel (10) einen Stempelkörper (5) mit einer Oberfläche (4) hat, die teilweise mit der Druckfläche (3) übereinstimmt, das folgende Schritte umfasst: – anisotropes Ätzen einer Oberfläche (27) einer Matrize (20) zu einer strukturierten Matrizenoberfläche (29), sodass in der Matrize (20) eine erste Vertiefung (21) und eine weitere Vertiefung (23) mit einer Öffnung (41) in der Originaloberfläche (27) erzeugt werden, wobei die erste und die weitere Vertiefung (21, 23) enger werden, wenn ihr Abstand zu der Originaloberfläche (27) zunimmt, und sie Querschnitte parallel zu der Originaloberfläche (27) haben, die, wenn sie senkrecht auf die Originaloberfläche (27) projiziert werden, innerhalb der Öffnung (41) liegen, – Erstellen einer Replik der strukturierten Matrizenoberfläche (29) in einem ersten Körper (105) mit einer strukturierten Oberfläche (104), und – Erstellen einer Replik der strukturierten Oberfläche (104) des ersten Körpers (105) in einem zweiten Körper (5), der eine strukturierte Oberfläche (4) hat.
Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Komponente mit dem Schritt, eine strukturierte Schicht eines ersten Materials auf eine Oberfläche eines Substrats mithilfe eines Stempels (10), der mit einem Stempelkörper (5) und einer Druckfläche (3) versehen ist, aufzubringen, wobei in dem Verfahren die Druckfläche (3) des Stempels (10) auf die Oberfläche des Substrats platziert wird, sich das genannte erste Material an der Druckfläche (3) befindet, sodass die Oberfläche des Substrats mit der strukturierten Schicht versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel nach einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material ein organisches Material ist, das aus der Gruppe der elektrisch halbleitenden und elektrisch leitenden Materialien ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material an einer Reaktion teilnimmt, die auf der Oberfläche des Substrats stattfindet.