ES2886826T3 - Depósito programable de películas delgadas de un perfil definido por el usuario con una precisión de escala nanométrica - Google Patents

Depósito programable de películas delgadas de un perfil definido por el usuario con una precisión de escala nanométrica Download PDF

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Abstract

Un proceso para depositar películas delgadas, en que el proceso comprende: dispensar gotas de un material orgánico líquido precursor en una pluralidad de ubicaciones sobre un sustrato mediante una serie de boquillas de chorro de tinta; cerrar un espacio entre dicho sustrato y un superestrato permitiendo así que dichas gotas formen una película contigua capturada entre dicho sustrato y dicho superestrato; seleccionar parámetros de dicho superestrato o dicha película contigua o dicho sustrato para permitir un mayor tiempo hasta un estado de equilibrio, permitiendo así la captura de estados transitorios de no equilibrio de dicho superestrato, en que dicha película contigua y dicho sustrato; curan dicha película contigua para solidificarla en un sólido; y separan dicho superestrato de dicho sólido dejando así una película de polímero sobre dicho sustrato.

Description

DESCRIPCIÓN
Depósito programare de películas delgadas de un perfil definido por el usuario con una precisión de escala nanométrica
REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS
Esta solicitud reivindica la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos N° de serie 61 / 867,393, "Deposición programable de películas a nanoescala", presentada el 19 de agosto de 2013.
INTERESES DEL GOBIERNO
El gobierno de los EE. UU. tiene ciertos derechos sobre esta invención de acuerdo con los términos de la concesión de la National Science Foundation No. ECCS-1120823.
CAMPO TÉCNICO
La presente invención se refiere en general a la deposición de películas delgadas y, más en particular, a la deposición programable de películas delgadas de un perfil definido por el usuario con precisión de escala nanométrica.
ANTECEDENTES
La fabricación de la mayoría de los dispositivos micro y nano fabricados, incluidos semiconductores, dispositivos fotónicos y optoelectrónicos, MEMS / NEMS, pantallas electrónicas (como por ejemplo LCD), etc., requiere la deposición de muchas películas delgadas. Actualmente existen varias opciones de deposición en la industria. La deposición en la fase líquida se lleva a cabo habitualmente mediante procesos, como por ejemplo el recubrimiento por rotación, que a menudo se usa como precursor de reacciones posteriores que solidifican el líquido para obtener la película delgada deseada. En la fase de vapor, la técnica más utilizada es la deposición química de vapor (CVD). En un proceso típico de CVD, el sustrato se expone a precursores en la fase gaseosa que reaccionan o se descomponen para formar la película deseada sobre la superficie del sustrato. Hay varios tipos de procesos de CVD. Dependiendo de la presión utilizada, se pueden clasificar como CVD de presión atmosférica (APCVD), CVD de baja presión (LPCVD) o CVD de vacío ultra alto (UHVCVD). Las presiones bajas tienden a reducir las reacciones no deseadas y a mejorar la uniformidad del grosor de la película. Los métodos basados en plasma, como la CVD mejorada con plasma (PECVD), se utilizan para mejorar las reacciones químicas. La PECVD remota también se utiliza en la deposición de películas delgadas en la industria de los semiconductores para reducir las temperaturas de deposición y proteger el sustrato de los efectos de las altas temperaturas. También se utiliza con frecuencia una técnica llamada deposición de capas atómicas (ALD) para producir monocapas conformadas de uno o más materiales diferentes. Los métodos de deposición física de vapor (PVD) también son importantes técnicas de deposición de película delgada. Tal como sugiere su nombre, no se basan en reacciones químicas, sino que depositan formas condensadas de un material vaporizado sobre el sustrato en un entorno de vacío. La deposición por evaporación y la pulverización catódica son dos ejemplos comunes de PVD. La primera calienta el material que se va a depositar a una alta presión de vapor, mientras que la segunda utiliza una descarga de plasma para bombardear la superficie del sustrato con átomos del material que se va a depositar. La técnica anterior relevante se describe en el documento US 2009/243153 A1.
Todos los procesos descritos anteriormente depositan películas delgadas de una manera en la que la cantidad de material depositado por unidad de área es sustancialmente la misma. La capacidad de adaptar los materiales para formar películas intencionalmente no uniformes no suele ser posible para estos procesos. Además, los procesos, como el recubrimiento por rotación, implican un desperdicio significativo de material, mientras que los procesos de vacío pueden ser costosos debido a la necesidad de bombear las cámaras donde se realiza el procesamiento.
Por lo tanto, actualmente no existe un medio para formar películas intencionalmente no uniformes sin un desperdicio significativo de material de una manera económica.
BREVE RESUMEN
En una forma de realización de la presente invención, un proceso para depositar películas delgadas comprende dispensar gotas de un material orgánico líquido precursor en una pluralidad de ubicaciones sobre un sustrato mediante una serie de boquillas de chorro de tinta. El proceso comprende además hacer descender un superestrato permitiendo así que las gotas formen una película contigua capturada entre el sustrato y el superestrato. El proceso comprende adicionalmente permitir que se produzca un estado transitorio de no equilibrio del superestrato, la película contigua y el sustrato después de un período de tiempo. Además, el proceso comprende curar la película contigua para solidificarla en un sólido. Asimismo, el proceso comprende separar el superestrato del sólido dejando así una película de polímero sobre el sustrato.
En otra forma de realización de la presente invención, un proceso para depositar películas intencionalmente no uniformes comprende obtener un perfil de grosor de película no uniforme deseado. El proceso comprende además resolver un programa de optimización inversa para obtener un volumen y una ubicación de las gotas dispensadas a fin de minimizar una norma de error entre el perfil de grosor de película no uniforme deseado y un perfil de grosor de película final de manera que una distribución de volumen del perfil del grosor de la película es una función del volumen y la ubicación de las gotas dispensadas. El proceso comprende además dispensar las gotas de un material orgánico líquido precursor en una pluralidad de ubicaciones sobre un sustrato mediante una serie de boquillas de chorro de tinta. Además, el proceso comprende hacer descender un superestrato para formar una película contigua capturada entre el sustrato y el superestrato. Además, el proceso comprende permitir que se produzca un estado transitorio de no equilibrio del superestrato, la película contigua y el sustrato después de un período de tiempo dado por el esquema de optimización inverso. Además, el proceso comprende curar la película contigua para solidificarla en un polímero. El proceso comprende además separar el superestrato del polímero dejando así una película de polímero sobre el sustrato.
Hasta aquí se han esbozado de manera bastante general las características y ventajas técnicas de una o más formas de realización de la presente invención con el fin de que se pueda comprender mejor la descripción detallada de la presente invención que sigue. A continuación, se describirán características y ventajas adicionales de la presente invención que pueden formar el objeto de las reivindicaciones de la presente invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS DIVERSAS VISTAS DE LOS DIBUJOS
Se puede obtener una mejor comprensión de la presente invención cuando se considera la siguiente descripción detallada junto con los siguientes dibujos, en los que:
La Figura 1 es un diagrama de flujo de un método para la variación prescrita del grosor de la película que utiliza PAINT de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
Las Figuras 2A-2F representan las vistas en sección transversal de depositar una película delgada sobre un sustrato durante las etapas de fabricación descritas en la Figura 1 de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 3 es un gráfico que representa los resultados experimentales para la deposición de películas uniformes utilizando PAINT, donde se han obtenido películas con menos del 2% de no uniformidad en una amplia gama de grosores de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 4A es un gráfico que ilustra la comparación de datos obtenidos experimentalmente con la predicción del modelo y el perfil deseado para un perfil sinusoidal representativo de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 4B es una imagen de la oblea que muestra la variación de grosor sinusoidal como variaciones de tono de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 5 ilustra la geometría del sistema de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 6 ilustra la redistribución del fluido contiguo hasta que alcanza un estado de equilibrio de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 7 es un gráfico que representa la distribución de amplitud para diferentes frecuencias espaciales medida a través de diferentes escaneos de líneas en una oblea de silicio pulida de 3” de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 8 ilustra un diseño del superestrato que muestra la disposición de diferentes grosores de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 9A ilustra una configuración de bobina a bobina recargable del superestrato de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 9B ilustra un superestrato recargable con el sustrato también en la configuración de bobina a bobina recargable de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 10 es un gráfico que representa la comparación de la evolución temporal de la no uniformidad que indica la viabilidad del modelo linealizado sin topografía para pequeños tiempos de dispersión de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 11 ilustra el marco de optimización inversa de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 12A es un gráfico de los grosores de película graduados linealmente de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 12B es un esquema del patrón de gotas de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 13A es un gráfico de un radio de 10 km de un perfil elíptico de curvatura de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 13B es un esquema del patrón de gotas de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
La Figura 14 es un diagrama de flujo de un método para pulir topografía de obleas usando PAINT de acuerdo con una forma de realización de la presente invención;
Las Figuras 15A-15F representan las vistas en sección transversal para pulir la topografía de la oblea utilizando los pasos descritos en la Figura 14 de acuerdo con una forma de realización de la presente invención; y
La Figura 16 es un gráfico que muestra la migración de topografía en un solo paso en 3 obleas de silicio usando PAINT de acuerdo con una forma de realización de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
La presente invención presenta un proceso versátil basado en chorro de tinta para la deposición programable de películas delgadas de un perfil definido por el usuario con precisión de escala nanométrica. Este método se denomina aquí inyección de tinta programable de películas delgadas o PAINT. PAINT ofrece unas capacidades exclusivas y habilitantes debido a su capacidad para obtener perfiles de grosor de película programables; y dado que puede realizar dicho proceso a altas velocidades de proceso y con un desperdicio de material casi nulo, esta combinación de rendimiento habilitador y bajo costo tiene el potencial de tener aplicaciones importantes como se describe en este documento. PAINT también puede depositar películas de grosor uniforme con un desperdicio de material casi nulo, por lo que es útil para depositar películas uniformes en aplicaciones sensibles al costo. PAINT es sustancialmente independiente de la elección del tipo de sustrato, grosor o material y es capaz de depositar películas en grandes áreas. Gracias a su diseño, PAINT también puede desacoplar sustancialmente la influencia de parásitos sistemáticos, como por ejemplo la topografía de la superficie, la variación del volumen de las gotas de inyección de tinta, etc., y evitar que corrompan el grosor final de la película. El uso más atractivo de PAINT es generar una superficie de forma libre, cuyo perfil es definido por el usuario y que se puede modificar de forma adaptativa en el software, sin ningún cambio en las herramientas o el hardware.
PAINT utiliza una o más matrices de boquillas de chorro de tinta, también conocidas como chorro múltiple, para dispensar gotas de un material orgánico líquido precursor sobre el sustrato. El material puede ser una composición que incluya uno o más monómeros, oligómeros, polímeros de cadena corta, disolventes, ácidos, bases, sales, etc. La superficie del sustrato puede tratarse previamente para mejorar la extensión de este material. Debido a la presencia de múltiples boquillas en el chorro múltiple, el área del sustrato deseada se puede cubrir con las gotas requeridas en unos pocos segundos con una etapa de escaneo que impulsa el chorro múltiple o el sustrato, a la vez que se mantiene el control sobre el volumen y la ubicación de cada gota dispensada. Para cada perfil de grosor de película deseado, los volúmenes y ubicaciones de gota óptimos se obtienen a partir de una rutina de optimización inversa envuelta en un modelo de lubricación de película delgada linealizado. Después de la dispensación de gotas, se hace bajar un superestrato óptimamente flexible de modo que el primer contacto con las gotas se realiza por el lado frontal. El superestrato flexible puede arquearse con la ayuda de la presión trasera o la gravedad. Esto inicia un frente líquido que se extiende rápidamente hacia afuera fusionándose con las gotas y creando así una película contigua. A continuación, este "sándwich" de sustrato-fluido-superestrato se deja evolucionar durante una duración deseada determinada por la rutina de optimización inversa después de la cual el material orgánico se cura mediante energía fotónica o térmica para reticularlo en un polímero. A continuación, el superestrato se separa del sándwich dejando la película delgada de polímero sobre el sustrato. Dicho proceso se ilustra en relación con las Figuras 1 y 2.
La Figura 1 es un diagrama de flujo de un método 100 para la variación prescrita del grosor de la película utilizando PAINT de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La Figura 1 se describirá junto con las Figuras 2A-2F, que representan las vistas en sección transversal de depositar una película delgada sobre un sustrato durante las etapas de fabricación descritas en la Figura 1 de acuerdo con una forma de realización de la presente invención.
Tal como se ha descrito en este documento, el "superestrato" debe poseer una "flexibilidad óptima" en la que su rigidez sea: (1) lo suficientemente alta como para permitir que las gotas de material orgánico líquido se unan lateralmente en lugar de atrapar gotas individuales como islas con el superestrato envuelto alrededor de ellas; y (2) lo suficientemente baja para que la energía de deformación almacenada en el superestrato debido a su deformación no afecte significativamente el comportamiento dinámico del fluido de la película delgada antes del curado o reticulación del monómero. También debe ser lo suficientemente baja para mitigar sustancialmente la presencia de una firma de topografía del sustrato y ser independiente respecto a ella.
Con referencia a la Figura 1, junto con las Figuras 2A-2F, en el paso 101, se dispensan gotas 201 de un material en las ubicaciones deseadas sobre un sustrato 202 mediante un chorro múltiple 203 tal como se ilustra en la Figura 2A. El chorro múltiple 203 está representado como un solo chorro cuando una matriz de chorro múltiple se extiende hacia el plano de la Figura 2A. Las ubicaciones deseadas de las gotas se derivan de un marco de optimización inverso. En una forma de realización, el volumen mínimo de gotas 201 dispensadas es inferior a 5 picolitros utilizando chorros piezoeléctricos o chorros electro-hidrodinámicos. En otra forma de realización, el volumen mínimo de gotas 201 dispensadas es inferior a 1 picolitro utilizando chorros piezoeléctricos o chorros electrohidrodinámicos. En una forma de realización, el sustrato 202 está compuesto de un material con un módulo de Young superior a 1 GPa. En una forma de realización, el sustrato 202 es una oblea rígida compuesta por uno o más de los siguientes materiales: silicio, dióxido de silicio y nitruro de galio.
En el paso 102, se hace bajar un superestrato 204 óptimamente flexible sobre las gotas 201 dispensadas, tal como se ilustra en la Figura 2B.
En el paso 103, se inicia a continuación un frente de fluido 205 en respuesta a que el superestrato 204 descienda sobre las gotas 201 dispensadas tal como se ilustra en la Figura 2C. La forma del superestrato 204 y la velocidad a la que desciende pueden elegirse para permitir que las gotas 201 se fusionen lateralmente para minimizar cualquier atrapamiento de burbujas de aire con el fin de formar una película contigua. Una atmósfera local de gases, como CO2, que son solubles en líquidos orgánicos o He que se difunde fácilmente en la mayoría de los sustratos 202 y / o el superestrato 204 se puede usar en la región sándwich sustrato-superestrato para ayudar aún más a evitar el atrapamiento de burbujas en este proceso. El material del superestrato 204 puede incluir una serie de opciones que incluyen, pero no se limitan a, vidrio (por ejemplo, cuarzo, sílice fundida, etc.), plásticos (por ejemplo, PMMA, policarbonato, PET, PEN, etc.) o cerámicas (por ejemplo, Zerodur®), incluidas las cerámicas con una fina película de polímero. Los materiales plásticos y cerámicos tienen una porosidad inherente que ayuda aún más en la transmisión de gases y evita el atrapamiento de burbujas. Normalmente, el superestrato 204 se pule para que sea localmente liso, es decir, para que posea una rugosidad superficial baja (la rugosidad se define como variaciones de amplitud en las longitudes de onda espaciales de escala micrométrica). La superficie del superestrato 204 puede revestirse con un revestimiento de baja energía superficial, como por ejemplo FOTS o Teflon, mientras que la superficie del sustrato 202 puede revestirse con un promotor de adhesión, como por ejemplo BARC, ValMat o TranSpin. El uso de recubrimiento de superestrato y / o sustrato mejorará la capacidad de dejar el material curado sobre el sustrato 202 al final de este proceso. El material de inyección de tinta puede incluir materiales curables por UV, como los materiales MonoMat® y SilMat® ofrecidos por Molecular Imprints, Inc. o el mr-UVcur ** ofrecido por las tecnologías Micro-resist.
En el paso 104, se permite que el sándwich de superestrato-fluido-sustrato evolucione a un estado transitorio de no equilibrio después de un período de tiempo de modo que las gotas 201 formen una película contigua 206 con una capa de superestrato 204 en la parte superior de la película contigua 206 tal como se ilustra en la Figura 2D.
En el paso 105, el sándwich de superestrato-fluido-sustrato se cura a partir de la exposición a UV 207 para reticular la película contigua 206 en un polímero tal como se ilustra en la Figura 2E.
En el paso 106, el superestrato 204 se separa del polímero dejando de esta manera una película de polímero 208 sobre el sustrato 202 tal como se ilustra en la Figura 2F. Se supone que el sustrato 202 tiene la parte funcional que se está fabricando, mientras que el superestrato 204 es esencialmente un vehículo para lograr el proceso de PAINT. En una forma de realización, la película de polímero 208 puede ser una película grabada para permitir una transferencia de un perfil de grosor de película a una película o sustrato funcional subyacente 202 tal como se describe más adelante.
En algunas implementaciones, el método 100 puede incluir otros pasos y / o fases adicionales que, para mayor claridad, no se describen. Además, en algunas implementaciones, el método 100 puede ejecutarse en un orden diferente al presentado. Asimismo, en algunas implementaciones, ciertos pasos del método 100 pueden ejecutarse de manera sustancialmente simultánea o pueden omitirse.
El proceso PAINT se ha demostrado depositando películas altamente uniformes (Figura 3) y diferentes películas de perfiles de tipo sinusoide no monotónico (Figuras 4A-4B) con una excelente correlación con los modelos. La Figura 3 es un gráfico que representa los resultados experimentales para la deposición de películas uniformes utilizando PAINT, donde se han obtenido películas con menos del 2% de no uniformidad en una amplia gama de grosores de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La Figura 4A es un gráfico que ilustra la comparación de datos obtenidos experimentalmente con el modelo de predicción y el perfil deseado para un perfil sinusoidal representativo de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La Figura 4B es una imagen de la oblea que muestra la variación de grosor sinusoidal como variaciones de tono de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. Varios de estos perfiles se han obtenido mediante PAINT con diferentes longitudes de onda.
Además, también se han obtenido películas graduadas linealmente, así como perfiles convexos / cóncavos con un radio nominal de ~10 km de radio de curvatura, todos ellos con una excelente correlación con los modelos. Las películas de curvatura de alto radio y graduadas linealmente se describen más adelante en el presente documento.
Además, las superficies de forma libre también se pueden utilizar para corregir la topografía superficial arbitraria, lo que resulta muy valioso para el pulido de sustratos, tal como se explica más adelante en este documento. Por lo tanto, las áreas de aplicación potenciales abarcan dispositivos semiconductores, fotónica, aplicaciones biomédicas y nanofluídicas.
El flujo de fluido en dominios que tienen escalas de longitud lateral mucho más grandes en comparación con la altura (películas delgadas) se puede resolver utilizando la aproximación de lubricación que asume que el flujo es predominantemente paralelo a la superficie y el gradiente de presión perpendicular es cero. Despreciando la gravedad y utilizando esta aproximación, el volumen de fluido y la conservación del momento junto con la flexión de la placa delgada conducen a la siguiente ecuación que rige para una película de fluido delgada intercalada entre dos placas:
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donde j , h (x, y, t), D, V,ws (x, y) y wc (x, y) son la viscosidad del fluido, el grosor de la película, la rigidez a la flexión del superestrato, el vector de gradiente espacial, la topografía nominal invariante en el tiempo del sustrato y el superestrato, respectivamente.
Figure imgf000006_0002
La rigidez a la flexión se puede expresar como > donde E, b y v son el módulo de Young, el grosor y la relación de Poisson del superestrato, respectivamente. Tal como se describe más adelante, en una forma de realización, el superestrato 204 tiene una rigidez a la flexión con un intervalo óptimo definido por ser mayor que el mínimo requerido para crear la fusión de gotas 201 mientras que es menor que el máximo requerido para asegurar que la película contigua 206 no se equilibre antes de un período de tiempo designado después de hacer bajar el superestrato 204.
La geometría del sistema se ilustra en la Figura 5 de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. Se ha encontrado que una escala de tiempo de evolución característica del sándwich de película delgada, t pa in t, es directamente proporcional al área de deposición y viscosidad, e inversamente proporcional a la rigidez a la flexión y al grosor medio de la película. Por lo tanto, al aumentar el grosor del superestrato (b), el grosor medio de la película (h o) o el módulo de Young (E) del superestrato, t p a in t, disminuye, lo que conduce a una redistribución más rápida del fluido. Debido a esta redistribución, el perfil de grosor de película final evoluciona a su estado de equilibrio que también contiene firmas de las topografías subyacentes y superpuestas del sustrato 202 y el superestrato 204, respectivamente. Esta rápida redistribución es generalmente indeseable, tal como se describe a continuación. Esto se muestra en la Figura 6 para un sustrato nominalmente plano, donde la Figura 6 ilustra la redistribución del fluido 206 (véanse las Figuras 2D, 2E y 5) hasta que alcanza un estado de equilibrio de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. Sin embargo, el objetivo es minimizar esta redistribución de modo que el grosor final de la película pueda obtenerse a partir de la distribución inicial del material, de modo que la naturaleza "programable" de PAINT pueda lograrse mediante las ubicaciones y volúmenes predefinidos de las gotas de fluido inyectadas con tinta. En otras palabras, este modelo dinámico revela el hecho de que es imperativo capturar un estado transitorio de pre-equilibrio en la evolución del sándwich ya que el estado de equilibrio solo permite una solución posible que es habitualmente indeseable y está corrompida por la topografía del sustrato (no se muestra en la Figura 6). Ello frustra el propósito de la deposición programable de películas delgadas. Es este concepto de "capturar transitorios de pre-equilibrio que se correlaciona sustancialmente con las gotas de fluido inyectadas" y rechazar los efectos de la topografía del sustrato y superestrato lo que forma uno de los conceptos inventivos del proceso PAINT, que lo diferencia de los procesos anteriores. Es decir, un transitorio de pre-equilibrio de la película contigua 206 crea un perfil de grosor de película cuya distribución de volumen es una función de una distribución de volumen de gotas 201 dispensadas sobre el sustrato 202.
Con referencia a la Figura 6, la Figura 6 ilustra la evolución de una distribución de material inicial a través de un estado transitorio hasta su estado de equilibrio final. El estado de equilibrio tiene solo una solución, la de una película uniforme 206 en este caso, y ello también, debido a que las topografías del superestrato 204 y el sustrato 202 se han despreciado aquí. En general, el equilibrio no está correlacionado con los volúmenes / ubicación de las gotas de fluido originalmente inyectadas con tinta. Por lo tanto, PAINT necesita "capturar los transitorios de no equilibrio que se correlacionan sustancialmente con las gotas de fluido inyectadas con tinta".
Es necesario aumentar la escala de tiempo característica para retrasar el equilibrio y reducir la influencia de parásitos como la topografía de la superficie. Al mismo tiempo, se requiere un tiempo mínimo para completar la fusión de las gotas de fluido, para minimizar las burbujas parásitas causadas durante el proceso de fusión de las gotas y para que la película de fluido no tenga variaciones indeseables en el grosor de la película en las regiones intersticiales entre las gotas debido a la falta de tiempo para completar la fusión. Este tiempo mínimo que conduce a un proceso de fusión de gotas "robusto" se denominará en el presente documento ( t ro b u s t).
La escala de tiempo característica se puede aumentar de las siguientes formas posibles: (i) aumentando la viscosidad del fluido, (ii) reduciendo el grosor medio de la película, (iii) aumentando la escala de longitud lateral característica del área depositada, (iv) reduciendo el módulo de Young del material de superestrato, y (v) reduciendo el grosor del superestrato. La opción (i) puede no ser siempre factible dado que las propiedades del fluido deben optimizarse para extenderse, fusionarse y curarse junto con la evolución de la película y estas limitaciones pueden anular el requisito de viscosidad. El grosor medio de la película y la escala de longitud característica en las opciones (ii) y (iii) anteriores pueden regirse generalmente por el requisito de deposición y, por lo tanto, pueden no ser elegidos para ser controlados como un parámetro del proceso. El material de superestrato en la opción (iv) también se puede optimizar para curar, esparcir gotas y separar. Por tanto, el parámetro preferido que se puede modificar es la geometría del superestrato a través de su grosor u opción (v).
Desde el punto de vista de retrasar el equilibrio, es deseable hacer que el superestrato 204 sea lo más delgado posible. Sin embargo, hacer que el superestrato 204 sea arbitrariamente delgado no es factible tal como se ha descrito anteriormente en el contexto de la flexibilidad óptima. Además, los superestratos 204 delgados pueden ser difíciles de manipular para automatización, carga, etc. El diseño óptimo de superestratos puede basarse en los siguientes factores, (i) tipo de curado (fotónico / térmico / otro), (ii) escala de tiempo de proceso deseada, (iii) disponibilidad de superestratos existentes, (iv) necesidad de confinamiento de fluidos, y (v) escala de la topografía típica encontrada.
Como ejemplo, para las obleas de Si pulidas típicas, la escala de topografía se ilustra en la Figura 7. La Figura 7 es un gráfico que representa la distribución de amplitud para diferentes frecuencias espaciales medida a través de diferentes escaneos de líneas en una oblea de silicio pulida de 3” de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. Para un proceso de curado por UV, se pueden usar obleas de sílice fundida como superestrato 204. Dado que estas obleas no se pueden adelgazar arbitrariamente debido a su fragilidad, se pueden diseñar para que tengan un anillo exterior de mayor grosor donde puedan manipularse y un círculo interior de menor grosor donde interactúen con el fluido. La determinación del valor de grosor óptimo proviene de las amplitudes de la nanotopografía y el valor de la escala de tiempo deseada junto con los parámetros de proceso correspondientes en la ecuación 2. Para una escala de tiempo de ~100 s, grosor medio de película de ~100 nm, Monomat® resist de Molecular Imprints y una minimización de la corrupción debido a la topografía de ~10 nm a 2 mm de longitud de onda, el grosor óptimo del superestrato 204 está en el intervalo de 0,01-1 mm. Bajar por debajo de 0,01 mm puede evitar que las gotas con una separación de más de 5 mm entre sí se fusionen y, por lo tanto, provoca defectos como por ejemplo burbujas de aire y huecos. Sin embargo, si no es necesario colocar las gotas contiguas tan separadas, en ese caso ayuda a reducir aún más el grosor. Por otro lado, subir más de 1 mm provoca un rápido equilibrio y manifestación de la topografía parasitaria sobre la película depositada.
Con referencia ahora a la Figura 8, la Figura 8 ilustra un diseño de superestrato 204 que muestra la disposición de diferentes grosores de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. Se realizó un superestrato flexible 204 sobre una oblea estándar de 0,525 mm de grosor y tallando un círculo interior de 0,25 mm de grosor. Se pueden realizar más mejoras en el diseño utilizando tablas en el lado más delgado para fijar el frente del fluido y confinar el fluido en una región predefinida. Las geometrías de superestratos adicionales incluyen el uso de materiales plásticos que tienen un módulo de Young mucho más bajo en comparación con los superestratos de sílice fundida y, por lo tanto, pueden permitir un mayor grosor. Además, la naturaleza porosa de estos materiales se presta a una rápida disolución de los gases y a la minimización de las burbujas atrapadas. Dichos superestratos de plástico 204 se pueden utilizar como placas independientes, similares a sus contrapartes de sílice fundida, o en una configuración de bobina a bobina con tensión controlada. Las fuerzas y momentos del superestrato en el plano se pueden combinar con la rigidez de flexión existente para formar una rigidez de flexión efectiva del superestrato. Un enfoque de superestrato deseable implica el uso de un superestrato 204 que es bastante flexible, se mantiene en tensión con una rigidez de flexión efectiva que es lo suficientemente alta para garantizar una fusión sólida de las gotas, y la tensión se reduce una vez que las gotas se fusionan para minimizar la rigidez de flexión efectiva con el fin de mejorar la capacidad de capturar transitorios de pre-equilibrio. El superestrato flexible bobina a bobina 204 tiene el beneficio adicional de permitir una recarga rápida para evitar defectos repetidos por contaminación de partículas. Debido a que la forma de realización del superestrato está en una bobina de plástico, es relativamente económica, lo que conduce a una reducción significativa en el costo del proceso, tal como se ilustra en la Figura 9A.
La Figura 9A ilustra una configuración de bobina a bobina recargable del superestrato 204 de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. En esta forma de realización, el superestrato 204 es una bobina de plástico 901 que se mantiene bajo tensión (véanse las flechas 902). Solo una parte de la bobina 901 se utiliza como superestrato 204. Al repetir el proceso de PAINT, la pieza utilizada puede ser contaminada por partículas y defectos del proceso. Una vez que se identifica, los rodillos 901 pueden girarse para traer un área de superestrato más limpia. Una vez que se ha utilizado toda la bobina, se puede desechar y cargar una bobina nueva para un proceso de entrega rápido.
Sin embargo, la adición de tensión en el plano cambia la dinámica de evolución del sándwich superestrato-fluidosustrato. Para lograr la misma medida de rendimiento que los superestratos de sílice fundida 204, la tensión en el plano requerida es de aproximadamente 0,1-100 kN / m. En general, con un grosor de superestrato plástico de 100 |jm o menos, las tensiones en el plano con este intervalo de valores de tensión pueden exceder potencialmente los límites de tensión de tracción del material, lo que lleva a la posibilidad de rotura crítica por tracción o incluso deformación. Por tanto, aunque es deseable un superestrato 204 delgado para hacer que el superestrato 204 sea más flexible y tenga una escala de tiempo de proceso alta, no debería ser tan fino que falle en tensión.
Además de que el superestrato 204 es una bobina de retícula de polímero, el sustrato 202 también puede realizarse como otra bobina de plástico en una configuración R2R. PAINT da mejores resultados cuando el sustrato 202 es más rígido en comparación con el superestrato 204. Para evitar que el sustrato 202 se deforme menos que el superestrato 204, la relación entre la rigidez efectiva a la flexión del sustrato 202 y el superestrato 204 debe mantenerse por debajo de 5. Para tolerancias más estrictas en la manifestación de la topografía parásita, este límite de relación debe ser correspondientemente más alto. Para sustratos en forma de placa, se realiza un sustrato rígido 202 sujetándolos en un plato de sujeción contra el vacío. Lo mismo se puede utilizar para sustratos altamente flexibles, como PET, PC, PEN, etc. en una configuración R2R, sujetándolos parcial o completamente en un plato de sujeción poroso o de vacío con una superficie altamente pulida y permitiendo el deslizamiento como bobinas de sustrato 202 hacia adelante. Esto se puede obtener incluso con el superestrato 204 como una de bobina, siempre que el superestrato 204 sea mucho más flexible en comparación con el sustrato 202 tal como se ilustra en la Figura 9B.
La Figura 9B ilustra un superestrato 204 recargable con el sustrato 202 también en configuración R2R de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. Tal como se ilustra en la Figura 9B, el sustrato 202 es una bobina de plástico 903 que se mantiene bajo tensión (véanse las flechas 904). El sustrato 202 altamente flexible se puede mantener contra un plato de sujeción de vacío o poroso 905 para aumentar su rigidez a la flexión efectiva durante el proceso de PAINT.
El modelo de lubricación de película delgada dado en la ecuación 1 es altamente no lineal y complicado debido a la inclusión de entradas de topografía extrañas, por lo que requiere costosas simulaciones numéricas. Sin embargo, las propiedades de primer orden del modelo se pueden obtener analíticamente realizando un análisis lineal con h (r, t) = 1 É (r, t) donde //£// << 1 y sin topografía. Este nuevo modelo linealizado se compara con los datos experimentales y la solución del modelo no lineal completo con topografía para películas uniformes. La evolución de la falta de uniformidad se resume en la Figura 10. La Figura 10 es un gráfico que representa la comparación de la evolución temporal de la no uniformidad que indica la viabilidad del modelo linealizado sin topografía para tiempos de proceso pequeños de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. A partir de los resultados, se puede observar que los datos experimentales presentan una coincidencia óptima con ambas versiones del modelo para tiempos de proceso más pequeños. Sin embargo, para tiempos de proceso más altos, el modelo linealizado sin topografía no concuerda bien con los datos experimentales o el modelo no lineal que concuerda mejor con los datos experimentales. Esto revela que si el tiempo de proceso (t) se mantiene "relativamente pequeño" ( < t lin e a r), la diferencia entre los dos modelos puede ser insignificante. Esto resulta muy deseable ya que el modelo linealizado sin topografía puede resolverse analíticamente, reduciendo drásticamente la complejidad computacional y permitiendo resolver un aspecto clave de PAINT: unas ubicaciones y unos volúmenes de gotas de fluido óptimos para un perfil de grosor de película deseado.
Ahora, el valor de □ lineal depende de la rigidez a la flexión efectiva del superestrato 204, ya que un superestrato 204 más flexible permitirá una mayor ventana antes de que pueda producirse la corrupción del modelo linealizado debido a la topografía. Sin embargo, a partir de las descripciones anteriores, la escala de tiempo mínima del proceso debería ser lo suficientemente grande para permitir una fusión robusta de las gotas discretas 201 y crear una película contigua 206 con burbujas mínimas. Por lo tanto, es evidente que t linea r > t robust y también permite una ventana de proceso razonable para capturar el transitorio de pre-equilibrio deseado.
También es importante señalar aquí que mientras que t linear depende de la rigidez a la flexión del superestrato, t robust no lo es, siempre que las gotas 201 estén separadas a distancias razonables, por ejemplo, a menos de 5 mm. La dispersión y fusión óptimas de las gotas 201 también dependen de la rigidez del superestrato 204. Si las gotas 201 están muy separadas entre sí, el superestrato 204 necesitará transportar más energía de deformación para impulsar a las gotas 201 a extenderse y fusionarse, impulsando así el diseño del superestrato 204 hacia un material más rígido o una geometría más gruesa. Este problema puede aliviarse reduciendo los volúmenes de las gotas individuales y manteniendo las gotas 201 cerca una de la otra.
Si se utiliza el enfoque anterior para elegir un (t) óptimo en el intervalo de ( t robust, t linear), para sustratos con perfiles de topografía similares, es suficiente utilizar el modelo linealizado sin topografía. Este enfoque puede hacer que el proceso PAINT sea sustancialmente independiente con respecto a la topografía tanto del sustrato como del superestrato. Este es un aspecto importante de PAINT, ya que es muy difícil controlar la topografía de los sustratos 202 y / o superestratos 204 a pequeñas amplitudes, particularmente a costos de pulido aceptables. Por lo tanto, el control del perfil de grosor de película obtenido no se ve afectado sustancialmente por la calidad de pulido de los sustratos 202 y / o superestratos 204. En otras palabras, la precisión del perfil de grosor de película obtenido usando PAINT puede exceder con mucho la topografía no deseable del sustrato 202 y / o del superestrato 204.
Las afirmaciones anteriores con respecto a que PAINT es independiente de la topografía del sustrato 202 y / o del superestrato 204 se describen a continuación con mayor detalle. El sándwich superestrato-fluido-sustrato muestra un rico comportamiento dinámico que se puede predecir utilizando el modelo directo de la ecuación (1), dada una condición inicial. Sin embargo, dada la naturaleza disipativa y las condiciones de contorno de simetría utilizadas para el sistema, el estado de equilibrio t~™ es siempre el mismo para cualquier condición inicial dada. Este estado de equilibrio se realiza mediante el superestrato 204 logrando un estado de deformación cero con el perfil de grosor de película de fluido determinado por h (x, x ) = h o - ws (x) wc (x), donde ho es el grosor medio de la película. Tal como puede apreciarse, tanto la topografía del superestrato 204 como el sustrato 202 determinan el perfil de equilibrio del grosor de la película. Para la deposición de películas con variación espacial prescrita, se desea que el sistema esté muy alejado del equilibrio, ya que el equilibrio solo puede producir una única solución posible, que nuevamente está influenciada solo por la topografía del sustrato 202 y el superestrato 204.
Se ha afirmado la necesidad de avanzar hacia tiempos de proceso más pequeños o escalas de tiempo características más altas para minimizar la influencia de la topografía parásita, a la vez que se mantienen los tiempos de proceso lo suficientemente altos para una fusión de gotas robusta que conduzca a un tiempo de proceso óptimo ( t o p tim a l) en el intervalo ( t ro b u s t, t lin e a r). Por tanto, para poder programar un perfil de grosor de película no uniforme deseado, el problema se convierte en encontrar el transitorio de no equilibrio deseado, de modo que se cumpla el perfil espacial prescrito. El uso de superestratos 204 delgados, como el superestrato 204 con núcleo de 250 |jm, ayuda a alargar la escala de tiempo, de modo que hay más espacio en el dominio físico para capturar el transitorio deseado. Este aspecto, junto con la solución de las ubicaciones / volumen óptimos de las gotas de fluido discretas 201, forma la base de la formulación del modelo inverso que forma la base para programar la deposición de perfiles de grosor de película no uniformes prescritos.
La formulación del modelo inverso tiene varios aspectos importantes que culminan en la obtención del transitorio de no equilibrio deseado, tal como se ilustra en la Figura 11. La Figura 11 ilustra el marco de optimización inverso 1100 de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. Los parámetros de inyección de tinta 1101 y el tiempo de dispersión 1102 son las salidas, mientras que los otros parámetros de proceso 1103, la topografía 1104 y el perfil de grosor de película prescrito 1105 forman las entradas. Alcanzar este estado de no equilibrio deseado requiere en primer lugar determinar una condición inicial óptima 1106 para el sistema y a continuación, un tiempo óptimo hasta el cual esta condición inicial 1106 evoluciona mediante el solucionador de optimización 1107. El solucionador de optimización 1107 puede incluir algoritmos genéticos, búsqueda con patrones, recocido simulado y otras técnicas o combinaciones de las mismas. El núcleo de la formulación viene dado por el modelo linealizado 1108 sin topografía debido a su simplicidad analítica, que proporciona el perfil final 1109 dada una condición inicial 1106. Sin embargo, el estado inicial 1106 del sistema, en sí mismo, es el resultado de la propagación y fusión de miles de gotas 201. Por tanto, prescribir el estado inicial 1106 equivale a prescribir el volumen y la ubicación x e y de cada una de estas miles de gotas 201. Junto con los parámetros relacionados con las gotas de inyección de tinta, el tiempo óptimo hasta el que debe evolucionar el sistema también forma una salida del modelo 1108. Las entradas primarias incluyen la escala de tiempo del proceso, determinada por la ecuación 2 y los parámetros del sistema asociados, y cualquier información topográfica. Los parámetros del sistema también pueden incluir cualquier parásito sistemático, como por ejemplo los perfiles de evaporación de las gotas, los efectos de contracción o las firmas de grabado no uniformes, de modo que se puedan compensar al obtener el grosor de película deseado. Por lo tanto, en general, el modelo inverso se puede configurar como una rutina de optimización con la función objetivo determinada como una minimización del error entre el perfil de grosor de película real, incluidas sus integrales y derivadas, y el perfil de grosor de película deseado, incluidas sus integrales y derivadas. Este error puede definirse mediante una norma adecuada que pueda dar la desviación adecuada del grosor de película real y el grosor de película deseado. Por ejemplo, cuando es importante una diferencia "promediada" entre los valores de grosor de película reales y deseados, la norma L2 resulta apropiada ya que calcula la raíz cuadrada de la suma de cuadrados de la desviación en cada ubicación. Por otro lado, cuando la diferencia máxima se convierte en importante, se vuelve más apropiado utilizar la norma L-infinito. Los mismos principios se pueden aplicar a los gradientes (por ejemplo, cuando es necesario minimizar el error de pendiente) o integrales (por ejemplo, cuando es necesario minimizar las desviaciones de volumen total) en los perfiles de grosor de película real y deseado.
La función objetivo está sujeta a varias restricciones derivadas del hardware del sistema, así como a los supuestos relacionados con el modelado del proceso. Las limitaciones principales se manifiestan en la naturaleza discreta de los parámetros de las gotas de inyección de tinta, es decir, el volumen y la ubicación de las gotas. Dado que el volumen y las ubicaciones xey de cada gota 201 son resultados deseados del modelo inverso y que hay varios miles de gotas 201 involucradas para una deposición de grosor de película típica, el número de estas limitaciones íntegras es increíblemente grande. Esto aumenta drásticamente la complejidad de la optimización y hace que el problema sea altamente no lineal. Aunque la función objetivo es una norma estándar de minimización de errores, una solución analítica no es manejable debido a la presencia de estas restricciones íntegras.
Otro aspecto inusual del proceso es la facilidad con la que se pueden depositar películas multicapa, ya sea del mismo material o de diferentes materiales. A partir del modelo de película delgada, es evidente que manteniendo el grosor medio de la película (ho) pequeña ayuda a mantener alta la escala de tiempo, lo que es deseable para capturar transitorios que no están en equilibrio (ecuación 2). Por tanto, puede resultar problemático depositar películas gruesas uniformes o películas con grandes variaciones de grosor en un solo paso. Esto se puede aliviar descomponiendo el perfil deseado en una suma de incrementos unitarios más pequeños, lo que asegura que la escala de tiempo sea deseablemente alta para cada paso unitario y, por lo tanto, conserva el conocimiento y la precisión correspondiente establecidos para un proceso de un solo paso. Esto se da brevemente en la Figura 3, donde se muestra que, para películas uniformes, se han obtenido películas con grosores tan altos como 450 nm con excelente uniformidad depositando películas de 150 nm tres veces seguidas.
Debido a que el método preferido para la deposición es la inyección de tinta, un proceso de múltiples etapas puede ampliarse a la deposición de capa de múltiples materiales utilizando diferentes materiales para inyección de tinta, de modo que cada capa de la acumulación tenga un perfil preestablecido. Esto permite la deposición de películas con material, así como gradientes de grosor en su dirección de profundidad, una característica que no se encuentra fácilmente disponible en el estado actual de la técnica. Este proceso podría lograrse teniendo un conjunto de multichorros con distintos materiales en cada uno de los multi-chorros, o incluso diferentes materiales en un solo multichorro. Todo el proceso podría lograrse sin que se retire el sustrato de la herramienta entre los distintos pasos de PAINT individuales.
Con respecto a las aplicaciones potenciales de PAINT, las películas de polímero de grosor uniforme a nanoescala se utilizan para una gran cantidad de aplicaciones, que incluyen, pero no se limitan a, recubrimientos antirreflexión en ópticas y semiconductores, películas precursoras para producir nanopartículas monodispersas en biomedicina, etc. La deposición de películas que varían espacialmente también tiene algunas aplicaciones novedosas que se describen a continuación. Estas no son de ninguna manera una lista exhaustiva de aplicaciones para PAINT.
Superficies en Gradiente
Las superficies en gradiente representan un cambio continuo en una o más propiedades de los materiales en el espacio, lo que permite la exploración de un inmenso conjunto de condiciones experimentales. La influencia de espacios de parámetros completos se puede capturar simultáneamente en una sola muestra, lo que lleva a una experimentación de materiales más rápida con menos desperdicio. De hecho, los enfoques combinatorios de caracterización de materiales a menudo se usan indistintamente con "experimentos de alto rendimiento", lo que resalta la fuerza y la utilidad de estas técnicas para el científico de materiales experimentales. Esta expresión simultánea del comportamiento del material se puede amplificar combinando más de un gradiente en la misma muestra, lo que genera ahorros aún mayores. Las propiedades de interés para las superficies en gradiente pueden ser químicas (por ejemplo, composición, humectabilidad, etc.) así como físicas (por ejemplo, temperatura, grosor de película, etc.). Estas superficies se pueden utilizar para caracterizar y cribar las propiedades del material, así como para impulsar fenómenos relacionados con el proceso. Por ejemplo, solo con gradientes de grosor, se pueden lograr todos los objetivos anteriores. Los grosores de película de copolímero de bloque graduados pueden ayudar a comprender y caracterizar la morfología o la deshumectación de los copolímeros de bloque en función del grosor de la película. Al mismo tiempo, los mismos gradientes de grosor pueden ser útiles en el descubrimiento y cribado de materiales de detección, como por ejemplo tintes fluorescentes con respecto a una muestra determinada. Además, las energías interfaciales que varían espacialmente que son concomitantes con películas de variación de grosor de nanoescala prescrita pueden utilizarse para mejorar o interrumpir el movimiento de gotas de ciertos materiales. Por lo tanto, se puede apreciar que incluso con gradientes de grosor de película solo, existe una gran oportunidad para dichas superficies, particularmente en el campo biomédico, farmacéutico y de biomateriales, donde existe la necesidad de una creación rentable y de alto rendimiento de bibliotecas de gradientes. Esto se ha resuelto mediante el uso de PAINT para obtener perfiles de grosor de película graduados linealmente con un grosor que varía de 25 nm a 100 nm en un área de 40 mm, tal como se ilustra en las Figuras 12A y 12B.
La Figura 12A es un gráfico de los grosores de película graduados linealmente de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La gráfica revela que el modelo tiene algunos errores al coincidir exactamente con el perfil deseado. Esto se atribuye a las limitaciones de la resolución de las gotas, así como a las ubicaciones de las gotas discretas. La Figura 12B es un esquema del patrón de gotas de acuerdo con una forma de realización de la presente invención.
Superficies para Ópticas de Forma libre de Baja Curvatura
La óptica de forma libre de baja curvatura encuentra aplicaciones en varios campos de formación de imágenes de baja longitud de onda. Se ha descrito en el contexto de la óptica de rayos X en este documento. La formación de imágenes de rayos X ha sido una herramienta muy útil en los campos astronómico y médico. Recientemente, se ha producido un impulso hacia la habilitación de la formación de imágenes a nanoescala utilizando rayos X, particularmente con el propósito de la nanoscopia. La nanoscopia fiable que utiliza rayos X puede tener un impacto significativo en los campos de la obtención de imágenes biomédicas, la fabricación de semiconductores y la identificación de materiales, entre otros. Los rayos X ofrecen ventajas sobre los microscopios de haz de electrones de última generación debido a su capacidad para penetrar más profundamente en la muestra y su versatilidad para obtener imágenes de diferentes materiales. Sin embargo, existen importantes desafíos técnicos para lograr de manera fiable la resolución a nanoescala requerida para habilitar verdaderamente las aplicaciones basadas en nanoscopia. La mayoría de estos desafíos se derivan de los estrictos requisitos para fabricar la óptica de enfoque y / o de formación de imágenes para nanoscopios de rayos X. Estos requisitos se amplifican cuando se trata de ópticas reflectantes para rayos X duros, en comparación con las placas de zona para rayos X blandos.
La óptica reflectante para rayos X se basa en espejos recubiertos de metal para fines de enfoque. También se ha demostrado que los espejos de silicio se integran en aplicaciones de astronomía de rayos X. Sin embargo, los espejos reflectantes deben usar una incidencia rasante, es decir, ángulos de incidencia próxima a cero, para lograr la resolución y el enfoque deseados, aunque este requisito se relaja para los espejos multicapa que dependen de la reflexión relacionada con la interferencia. Por ejemplo, se requieren ángulos críticos de aproximadamente 2 grados, 0,6 grados y 0,1 grados para una muestra de iridio con rayos X de energía de 1, 10 y 100 keV, respectivamente, con el fin de lograr una reflexión externa total. Dada esta limitación, se puede imaginar que estos espejos requieren un estricto control espacial sobre la rugosidad y la figura de la superficie (-A / 10), que es análoga a la nanotopografía de las obleas. La longitud de onda de los rayos X es <10 nm, lo que implica que el control espacial deseado es <1 nm. Cualquier perturbación en la rugosidad y la figura por encima de este límite de tolerancia puede provocar efectos de dispersión no deseados. Por lo tanto, la corrección de figura adaptativa es un elemento importante para obtener la calidad deseada de los elementos ópticos. Además, el perfil deseado de una superficie de espejo suele ser una sección cónica (parabólica, hiperbólica o elíptica), de modo que una disposición de múltiples espejos de este tipo puede lograr las propiedades de enfoque deseadas. Dichos perfiles se han demostrado mediante técnicas de revestimiento preferencial al vacío o de deposición diferencial en superficies que no son secciones nominalmente cónicas. PAINT, potencialmente, tiene la capacidad de hacer ambas cosas, corregir las imperfecciones de la figura y modificar de manera adaptativa la figura para que se asemeje a superficies de sección cónica depositando películas con variaciones apropiadas en el grosor espacial. Esto se ha probado depositando una película elíptica convexa con un radio de curvatura cercano a los 10 km, tal como se ilustra en las Figuras 13A-13B.
La Figura 13A es un gráfico de un radio de 10 km de un perfil elíptico de curvatura de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. Tal como se ilustra en la Figura 13A, los datos experimentales concuerdan bien con las predicciones del modelo. La Figura 13B es un esquema del patrón de gotas de acuerdo con una forma de realización de la presente invención.
Una deposición de una película de este tipo puede ir seguida de un "grabado posterior combinado", en el que la capa protectora y el grabado de la superficie del sustrato se graban a la misma velocidad. Esto puede continuar hasta que la capa protectora se elimine por completo, de modo que el perfil de la superficie se convierta en el de un espejo de rayos X. Para habilitar la funcionalidad, se pueden depositar una o varias capas de metal utilizando PVD o ALD.
Pulido de Topografía de Sustrato
Dado que la topografía y la rugosidad de cualquier superficie pueden presentar problemas para el procesamiento posterior del sustrato, se han desarrollado varias técnicas durante muchos años para mitigarlos. Hay tres técnicas básicas que se describen brevemente aquí.
El esmerilado, lapeado y pulido se utilizan habitualmente en las instalaciones de fabricación para eliminar la aspereza en una variedad de sustratos, incluidos metales, vidrios, semiconductores, ópticas y cerámicas. Dependiendo de la calidad y rugosidad del acabado superficial final, las propiedades mecánicas del sustrato y las irregularidades o topografía de mayor alcance, se pueden utilizar uno o más de estos procesos para lograr el objetivo deseado. Se basan en montar los sustratos en ruedas giratorias o plantillas y utilizar partículas abrasivas de diferentes tamaños para corregir la rugosidad y la topografía. Mientras que el pulido se utiliza para la corrección de nivel grueso con altas velocidades y partículas grandes, el lapeado, el pulido y sus variantes pueden producir acabados superficiales mucho más finos con una calidad óptica de precisión.
En este punto, resulta instructivo considerar una aplicación de alta gama que requiere una excelente calidad de superficie, es decir, la fabricación de máscaras en blanco para Litografía Ultravioleta Extrema (EUVL), que se lleva a cabo con luz de longitud de onda de 13,5 nm. Se han sugerido técnicas, como por ejemplo el Acabado Magneto-Reológico (MRF) y la figuración por haz de iones (IBF), para corregir la planitud en los espacios en de la máscara en blanco para EUVL. Sin embargo, ambas técnicas adolecen de tiempos de respuesta muy lentos debido a los rendimientos inherentemente bajos o debido a los pasos de pulido adicionales necesarios para corregir de forma continua la planitud. Por lo tanto, estas técnicas son costosas y se limitan solo a piezas que pueden exigir un valor muy alto.
Para cumplir con el estricto requisito de planaridad en tecnologías de dispositivos submicrónicos, el Pulido Químico Mecánico (CMP) es la tecnología de pulido más utilizada. Utiliza una combinación de lodo químico cargado de abrasivo y una almohadilla mecánica para lograr perfiles planos. La mayor preocupación en relación con el CMP es la dependencia de la tasa de eliminación de material de la densidad del patrón del material, lo que lleva a la formación de un paso entre la densidad alta y la densidad baja. El paso se muestra como una variación de grosor de largo alcance en la película planarizada, similar en escala a la nanotopografía de la superficie. Se pueden utilizar técnicas preventivas como por ejemplo el relleno ficticio y la capa protectora con patrón para reducir la variación en la densidad del patrón. Estas técnicas aumentan la complejidad del proceso de planarización y limitan significativamente la flexibilidad del diseño del dispositivo. El CMP también se ha demostrado en superficies no planas. Sin embargo, el material y el hardware necesarios para planarizar dichos sustratos son diferentes de los necesarios para las superficies planas, lo que limita la flexibilidad en los diferentes perfiles.
Se ha informado que la Planarización de Contactos (CP) es una alternativa al procesamiento de CMP. Un sustrato se reviste por centrifugación con un material fotocurable y se hornea previamente para eliminar el disolvente residual. Se presiona una superficie ultraplana o un plano óptico sobre la oblea recubierta por rotación. El material se ve obligado a refluir. La presión se utiliza para distribuir el material de manera uniforme y lograr una planarización global. A continuación, el sustrato se expone a radiación ultravioleta para endurecer el material fotocurable. Aunque atractivo, este proceso no es adaptativo, ya que no tiene en cuenta las diferencias en la topografía de la superficie de la oblea y el plano óptico, ni puede abordar todos los parásitos que surgen durante el proceso en sí. Además, la utilización de un material de alta viscosidad ralentiza el reflujo y limita el rendimiento que se puede lograr.
PAINT es una alternativa potencialmente ideal para el pulido de sustratos, ya que puede depositar películas de diferentes grosores para compensar la topografía de cualquier sustrato y obtener una superficie superior nominalmente plana. Un proceso para utilizar PAINT como alternativa para el pulido del sustrato se describe a continuación en relación con las Figuras 14 y 15A-15F. La Figura 14 es un diagrama de flujo de un método 1400 para pulir la topografía del sustrato usando PAINT de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. La Figura 14 se describirá junto con las Figuras 15A-15F, que representan las vistas en sección transversal para pulir la topografía del sustrato utilizando los pasos descritos en la Figura 14 de acuerdo con una forma de realización de la presente invención.
Con referencia a la Figura 14, en el paso 1401, se deja caer un patrón de gotas de un material orgánico líquido precursor 1502 en varias ubicaciones sobre una oblea 1501 en base a la topografía de la oblea 1501 por medio de uno o más multi-chorros 1503 tal como se ilustra en las Figuras 15A-15B, donde la Figura 15A ilustra el sustrato 1501 antes del patrón de gota y la Figura 15B ilustra el patrón de gota basado en la topografía.
En el paso 1402, se hace bajar un superestrato 1504 (similar al superestrato 204 de las Figuras 2A-2F) sobre las gotas dispensadas 1502 tal como se ilustra en la Figura 15C.
Tal como se ha descrito anteriormente, en una forma de realización, el superestrato 1504 se utiliza para formar una película contigua 1506 capturada entre la oblea 1501 y el superestrato 1504 en el paso 1403 tal como se ilustra en las Figuras 15D y 15E. La forma del superestrato 1504 y la velocidad a la que desciende pueden elegirse para permitir que las gotas 1502 se fusionen lateralmente para minimizar cualquier atrapamiento de burbujas de aire con el fin de formar una película contigua 1506 tal como se ha descrito anteriormente.
En el paso 1404, se permite que el sándwich de superestrato-fluido-oblea evolucione a un estado transitorio de no equilibrio después de un período de tiempo de modo que las gotas 1502 formen una película contigua 1506 con una capa de superestrato 1504 en la parte superior de la película contigua 1506 tal como se ilustra en la Figura 15E.
En el paso 1405, el sándwich de superestrato-fluido-oblea se cura a partir de la exposición a UV 1507 para reticular la película contigua 1506 en una película de polímero tal como se ilustra en la Figura 15E.
En el paso 1406, el superestrato 1504 se separa del polímero dejando así una película de polímero 1508 sobre la oblea 1501 tal como se ilustra en la Figura 15F.
En el paso 1407, la película depositada 1508 y el sustrato 1501 se pueden grabar simultáneamente a la misma velocidad para transferir el perfil superior plano al sustrato 1501, o tal como se muestra, se pueden depositar películas uniformes adicionales sobre la superficie superior ahora plana para permitir un pos-procesamiento posterior.
En algunas implementaciones, el método 1400 puede incluir otros pasos y / o pasos adicionales que, para mayor claridad, no se describen. Además, en algunas implementaciones, el método 1400 puede ejecutarse en un orden diferente al presentado. Asimismo, en algunas implementaciones, ciertos pasos del método 1400 pueden ejecutarse de manera sustancialmente simultánea o pueden omitirse.
Tal como se ha descrito anteriormente en relación con las Figuras 14 y 15A-15F, la idea aquí es obtener un patrón de gota tal que el perfil del grosor de la película sea un negativo de la topografía del sustrato. Con metrología de nanotopografía de alta calidad y resolución de volumen de picolitros, se puede depositar un negativo preciso de la topografía del sustrato para lograr una superficie superior sustancialmente plana.
Con el fin de demostrar esta capacidad de pulido de PAINT, se exploró el proceso utilizando tres obleas de Si pulidas de un solo lado de 3 pulgadas. Con esto, se ha logrado una reducción de casi el 50% en la topografía del sustrato en un solo paso, tal como se ilustra en la Figura 16. La Figura 16 es un gráfico que muestra la migración de topografía en un solo paso en 3 obleas de silicio usando PAINT de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. Potencialmente, pueden ser posibles reducciones mucho mayores con más iteraciones del proceso PAINT, resolución mejorada del volumen de gota y metrología mejorada de la nanotopografía inicial.
En la demostración experimental anterior, se depositó una película delgada de metal altamente uniforme para hacer que la superficie de la oblea fuera reflectante para la perfilometría óptica. En general, esto puede no ser factible para aplicaciones, como semiconductores, donde no es deseable una superficie de metal. Otra alternativa potencial es realizar un "grabado posterior combinado", en el que el grabado de la capa protectora y el sustrato avanza a la misma velocidad. Esto asegura que la superficie final obtenida sea del mismo material que la oblea. Este método también tiene sus inconvenientes, ya que el grabado puede degradar la calidad de la superficie del semiconductor, particularmente para aplicaciones críticas de extremo frontal. Si es así, PAINT se puede utilizar para corregir la topografía de la parte trasera de la oblea semiconductora, que tiene el mismo propósito de mantener la planitud en toda la oblea. Es posible que no sea necesario un grabado posterior combinado, ya que puede no ser importante revelar la superficie del semiconductor en la parte posterior. Durante el pulido de la parte posterior con PAINT, la parte frontal de la oblea se puede proteger con una película de polímero que se puede eliminar fácilmente con un solvente.
Las descripciones de las diversas formas de realización de la presente invención se han presentado con fines ilustrativos, pero no pretenden ser exhaustivas o limitadas a las formas de realización descritas. Muchas modificaciones y variaciones serán evidentes para los expertos en la técnica sin apartarse del alcance y espíritu de las formas de realización descritas. La terminología utilizada en este documento se eligió para explicar mejor los principios de las formas de realización, la aplicación práctica o la mejora técnica sobre las tecnologías que se encuentran en el mercado, o para permitir que otras personas con conocimientos ordinarios en la técnica comprendan las formas de realización descritas en este documento.

Claims (18)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso para depositar películas delgadas, en que el proceso comprende:
dispensar gotas de un material orgánico líquido precursor en una pluralidad de ubicaciones sobre un sustrato mediante una serie de boquillas de chorro de tinta;
cerrar un espacio entre dicho sustrato y un superestrato permitiendo así que dichas gotas formen una película contigua capturada entre dicho sustrato y dicho superestrato;
seleccionar parámetros de dicho superestrato o dicha película contigua o dicho sustrato para permitir un mayor tiempo hasta un estado de equilibrio, permitiendo así la captura de estados transitorios de no equilibrio de dicho superestrato, en que dicha película contigua y dicho sustrato;
curan dicha película contigua para solidificarla en un sólido; y
separan dicho superestrato de dicho sólido dejando así una película de polímero sobre dicho sustrato.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además:
crear dicha película contigua utilizando un superestrato poroso para minimizar el atrapamiento de burbujas de aire o una atmósfera local de dióxido de carbono o helio o inclinar dicho superestrato para iniciar un frente líquido que se extiende hacia afuera fusionándose con dichas gotas.
3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en que dicho superestrato es una bobina de plástico mantenida bajo tensión.
4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 3, en que una primera parte de dicha bobina de plástico se utiliza como primer superestrato, en que una segunda parte de dicha bobina de plástico se utiliza como segundo superestrato.
5. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en que dicho sustrato es más rígido que dicho superestrato.
6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en que dicho superestrato comprende obleas de sílice fundida, en que un anillo exterior de dichas obleas tiene un grosor mayor en comparación con un anillo interior de dichas obleas que interactúa con dichas gotas de dicho material orgánico líquido precursor.
7. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además:
depositar capas de múltiples materiales sobre dicho sustrato utilizando diferentes materiales para inyección de tinta.
8. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en que dicho superestrato tiene una rigidez a la flexión efectiva con un intervalo óptimo definido por ser superior al mínimo requerido para crear la fusión de dichas gotas, a la vez que es inferior al máximo requerido para garantizar que dicha película contigua no se equilibre antes de una duración de tiempo designada después de dicho cierre de dicho espacio entre dicho sustrato y dicho superestrato.
9. El proceso de acuerdo con la reivindicación 8, en que un transitorio de pre-equilibrio de dicha película contigua crea un perfil de grosor de película cuya distribución de volumen es una función de una distribución de volumen de dichas gotas dispensadas sobre dicho sustrato.
10. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en que una ubicación y un volumen de dichas gotas dispensadas sobre dicho sustrato se obtienen resolviendo una optimización inversa para minimizar una norma de error entre un perfil de grosor de película real y un perfil de grosor de película deseado.
11. El proceso de acuerdo con la reivindicación 10, en que dicha optimización inversa incluye variables discretas asociadas con volúmenes de gota y / o ubicaciones de gota.
12. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además:
grabar dicha película de polímero para permitir una transferencia de un perfil de grosor de película a una película funcional subyacente o dicho sustrato.
13. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además:
especificar un perfil de grosor de película no uniforme para las películas delgadas;
resolver un programa de optimización inversa para obtener un volumen y una ubicación de las gotas dispensadas de manera que se minimice una norma de error entre dicho perfil de grosor de película no uniforme y un perfil de grosor de película final tal que una distribución de volumen de dicho perfil de grosor de película final sea una función de dicho volumen y dicha ubicación de dichas gotas dispensadas; y
obtener un tiempo hasta un estado transitorio de no equilibrio de dicho superestrato, dicha película contigua y dicho sustrato utilizando dicho esquema de optimización inversa.
14. El proceso de acuerdo con la reivindicación 13, en que dicho perfil de grosor de película no uniforme se especifica para compensar la topografía no deseada de dicho sustrato.
15. El proceso de acuerdo con la reivindicación 13, en que dicho perfil de grosor de película no uniforme se especifica como una diferencia entre una topografía de superficie sobre dicho sustrato y una topografía medida del sustrato inicial.
16. El proceso de acuerdo con la reivindicación 13, en que dicho proceso se utiliza para compensar los parásitos del proceso que comprenden uno o más de los siguientes: evaporación, contracción y grabado posterior.
17. El proceso de acuerdo con la reivindicación 13, en que una forma de dicho sustrato es nominalmente plana.
18. El proceso de acuerdo con la reivindicación 13, en que una forma de dicho sustrato no es nominalmente plana.
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