SE516414C2 - Metod vid tillverkning av en mall, samt mallen tillverkad därav - Google Patents

Description

avpnn 10 20 25 30 35 nu v.. 516 414 . - *å - IlÉf 2 _ krav på strukturernas storlek och upplösning. E-stråle och röntgenlitografi används vanligen för struktur dimensioner som är mindre än 300 nm. Direkt laserexponering och UV-litografi används för större strukturer. 2. Imprint: På ett plant substrat av kisel appliceras ett tunt skikt av en polymer, t.ex. polyamid. Lagret värms upp och vid en viss temperatur, den s.k. imprint temperaturen, trycks den fördefinierade mallen och substratet samman, varvid inversen av mallens struktur överförs i polymerlagret på substratet. Efier temperatursänkning separeras sedan mallen från substratet. 3. Struktur överföring: I de sammanpressade områdena i polymerskiktet kvarstår ett ttmt lager polymer. Det sista steget utgör en borttagning av detta tunna kvarstående lager på substratet. Detta utförs i en s.k. "RIE" eller O; plasma utrustning. Ju tunnare detta kvarstående lager är desto finare strukturer kan skapas med nanoimprint processen.

Vid steget 1, dvs tillverkningen av mallen är en känd utnyttjad metod så kallad plätering, närmare bestämt elektroplätering. Därvid belägges en plan platta av ett halvledarmaterial eller glas med ett skikt av ett polymert material, en så kallad resist, företrädesvis en positiv resist. En positiv resist definieras i detta sammanhang av att delar av det polymera resistmaterialet som exponerats ßr strålning kan avlägsnas medelst en framkallningsprocess, vanligen ett frarrikallningsbad. Genom bestrålning, t.ex. medelst elektronstråle, ultraviolett süålriing, laserexponering eller röntgen, definieras ett mönster i nanometerstorlek i resisten, varefter resisten framkallas i de bestrålade delarna, enligt mönstret, så att plattan framträder i dessa delar. Därefter appliceras ett tunt skikt av en metall, t.ex. Cr, Au, Ag eller Al, på de frarnträdda delarna av plattan samt även på de kvarstående delarna av resisten. Metallen lägges därvid på i ett tillräckligt jänmt och täckande skikt för att sedan kunna kontakteras jämnt för en jämn spänningsfördelning vid en efterföljande elektropläteringsprocess. Vid en sådan elektropläteringsprocess utgör således metallskiktet elektrod, på vilken ett tjockare skikt (typiskt omkring 300 um) av t. ex. Ni bygges upp under elektropläteringen. Därefter separeras det uppbyggda Ni-skiktet från plattan med resisten och det tunna metallskiktet, helt enkelt genom att de dras isär fiån varandra, varefter Ni-skiktet är klart för att utgöra den eftersträvade mallen. Strukturerna i mallen kan vid derma metod bringas att uppvisa en höjd av vanligen ca 110-130 mn, men möjligen upp till 300 mn.

Problemet med metoden är dock att den innefattar många steg, med många parametrar som mäste ställas in. Vidare är det ofia svårt att åstadkomma en tillräckligt jänm spänningsfördelning vid pläteringen och det går dessutom ej att tillverka mycket små strukturer, vilket alltmer erfordras i takt med utvecklingen inom området. annan :runs 20 30 35 516 414 =šïïí - *ïï§-'Iï* En annan metod som utnyttjas vid tillverkning av mall är så kallad etsning. Därvid belägges en plan platta av ett halvledarmaterial, kisel/kiseldioxid, med ett skikt av ett polymert material, en så kallad resist, företrädesvis en positiv resist. Genom bestrålning, t. ex. medelst elektronstråle, definieras ett mönsteri nanometerstorlek i resisten, varefter resisten framkallas i de bestrålade delarna, enligt mönstret, så att plattan fiamträderi dessa delar. Därefier appliceras en metall, t.ex. Cr, på de fiarnträdda delarna av plattan, varefter resterande delar av resisten avlägsnas i en lift-off process. I plattan kan nu den eftersträvade tredimensionella strukturen etsas fram, medelst plasmaetsning, varvid metallen enligt mönstret utgör mask. Etsningen utföres således i halvledarmaterialet och strukturen bildas i detta halvledarmaterial med metallen som ett översta skikt på de enskilda strukturelementen. Ett problem som ofia uppkommer härvid är att etsningen även verkar i viss del i lateral ledd, varvid metallmaterialet bildar en ”hatt” som sticker ut lite utanför varje enskilt strukturelernent. Denna ”hatt” riskerar att fastna i polymermaterialet på substratet i samband med imprintsteget 2 enligt ovan, vilket resulterar i ett oacceptabelt imprintresultat.

Fram till nu har man ej kunnat utnyttja en mall där den tredimensionella strukturen består enbart av ett metallmaterial som pålägges enligt de första stegen i den nyss beskrivna etsningsmetoden, dvs stegen fram till och med lift-off processen. Detta beror på att metallen, som i så fall skulle läggas på i större tjocklekar, sitter alltför löst fast på plattan. Strukturdelarna lossnar därför fi-ån plattan och mallen blir snabbt obrukbar för dess ändamål.

KORTFATTAD REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning har till syfte att lösa ovanstående problemkomplex och att presentera en metod vid tillverkning av en mall, företrädesvis för nanoimprint litografi, vilken metod är enkel, billig samt repeterbar och som ger hållbara strukturer av liten storlek och med gynnsam profil för efterföljande imprintsteg.

Dessa och andra syften uppnås medelst metoden enligt uppfinningen, såsom den definieras i patentkraven. ~ Enligt uppfinningen tillverkas mallen genom att det andra, strukturbildande materialet pålägges på det första materialet, plattan, enligt i sig känd teknik, t.ex. genom bildande av ett mönster i ett resistmaterial följt av förångning av det andra materialet på plattan, varvid resistmaterialet utgör mask. Efter detta utföres, enligt uppfinningen, ett :nano moon: 20 25 30 35 516 41 4 _ _ fil; . i; f, 4 värmebehandlingssteg vid åtminstone 150°C, men under smältternperaturen för det andra materialet, varvid strukturdetaljema av det andra materialet fixeras vid plattan, för bildande av en hållbar mall.

Utan att binda upp uppfinningen till en viss teori, år det troligt att den eftersträvade fixeringen åstadkommes medelst kemisk interaktion mellan de mot varandra anliggande ytoma av det första respektive det andra materialet. Då exempelvis det första materialet utgöres av SiOz och det andra materialet av Cr, är det troligt att det, eventuellt enbart för ett fåtal atomer i gränsskiktet, bildas kromoxid vid värmebehandlingen, vilket effektuerar en bindning mellan de båda materialen.

DETALJERAD REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen kommer i det ßlj ande att beskrivas i större detalj med hänvisning till figurema, av vilka: Fig. l i tvärsnitt visar några olika tredimensionella strukturer på en mall, av vilka några är fördelaktiga och andra icke fördelaktiga, Fig. 2a-d i tvärsnitt visar processtegen för tillverkning av en mall enligt en första utföringsform av uppfinningen, Fig. 3a-c i tvärsnitt visar processtegen för tillverkning av en mall enligt en andra utföringsform av uppfinningen, Fig. 4a-c visar SEM-bilder i tvärsnitt och lätt perspektiv över tre olika mallar som tillverkats enligt uppfinningen.

I Fig. l visas i tvärsnitt några olika strukturdetaljer som kan åstadkommas på en mall, enligt känd teknik. På en platta 1 har olika tänkta strukturdetaljer 3a-e fiamställts av ett material 2. Detaljen 3a uppvisar en ej fördelaktig profil, vilken efter imprint i en genom uppvärmning mjukgjord och efter avsvalning stelnad, resist på ett icke visat substrat riskerar att fastna i resisten på substratet. Detta gör även strukturdetaljen 3b, vilken fiarnställts medelst etsning enligt beskrivning av känd teknik ovan, och vilken uppvisar en utskjutande ”hatt”. Strukturdetaljema 3c, 3d och möjligen även 3e är däremot gynnsamma för irnprint. Dylika strukturdetaljer kan åstadkommas medelst elektroplätering enligt beskrivning av känd teknik ovan, men inte i tillräckligt små storlekar och inte tillräckligt enkelt. Enligt uppfinningen kan strukturdetaljer enligt de föredragna exemplen 3c och 3d gynnsamt fiamställas på en mall i önskade små dimensioner, på ett enkelt, billigt, hållbart och repeterbart sätt. annan :ansa 20 30 35 sta 414 5 I F ig. 2a visas, i tvärsnitt, en platta 1 av ett första material, t.ex. ett metalhnaterial, ett halvledarmaterial, ett keramiskt material eller ett polymeit material. Plattan 1 har i ett tidigare steg belagts, på dess ena sida, med ett skikt 4 av ett resistmaterial, lämpligen en positiv resist. Resistmaterialet 4 exponeras för bestrålning 5 som definierar ett mönster för den önskade strukturen, varvid bestrålningen 5 lärnpligen utgöres av en elektronstråle. Det är dock också tänkbart att utnyttja bestrålning i form av t.ex. röntgensträlning, laserstrålning eller UV-strålníng. Mönstret kan t.ex. utgöras av linjer eller prickar i resistmaterialet 4. I Fig. 2b visas mallen efier det att resistmaterialet 4 framkallats på i sig känt sätt, så att plattan 1 framträder enligt mönstret, i de bestrålade delarna av mönstret, och efter det att det andra materialet 6 enligt uppfinningen applicerats, företrädesvis genom förångning, på de på så sätt framträdda delarna av plattan 1. Det andra materialet 6 utgöres därvid av ett metallmaterial, företrädesvis valt ur gruppen som består av Al, Ni, Cr, W, Ti, Au eller legeringar av dessa, t.ex. Ti-Au, och lägges på i en tjocklek av omkring 15OÅ - 300 nm för bildande av en tredimensionell struktur. Även ovanpå resistmaterialet 4 kommer naturligtvis metall 6' att lägga sig vid förångningen, vilket dock ej är av relevans för uppfinningen. En fördel med uppfinningen är i detta sammanhang att tjockleken hos den tredimensionella strukturen är mycket lätt att styra vid förångriingen.

I Fig. 2c har resterande del av resistmaterialet 4 avlägsnats, liksom på detta liggande metallmaterial 6'. Därvid har företrädesvis utnyttjats en lift-off process, t.ex. upplösning i aceton, vilken process är känd i sig. Metallrnaterialet 6 kvarstår på plattan l och bildar den önskade tredimensionella strukturen, vilken dock sitter alltför löst fast på plattan 1 i detta läge för att plattan 1 med materialet 6 skall kunna utnyttjas som mall.

I Fig. 2d visas hur metallmaterialet 6 ändrats något i profil efter ett uppfinningsenligt värmebehandlingssteg, som symboliskt angivits med ”Q”. Profilen har därvid blivit något mer gynnsamt lutande och dessutom, vilket är viktigast, har metallmaterialet 6 fixerats vid plattan 1, troligen genom kemisk interaktion i gränssnittet mellan metallmaterialet 6 och plattan 1. Enligt uppfinningen utföres värmebehandlingen Q vid en temperatur vilken är lägre än en smälttemperatur för metalhnaterialet 6 och naturligtvis även lägre än en smälttemperatur för plattans 1 material. Lämpligen är temperaturen åtminstone 200°C, företrädesvis åtminstone 250°C och än mer föredraget åtminstone 350°C, men högst 800°C, företrädesvis högst 7 50°C och än mer föredraget högst 650°C vid värmebehandlingen. Vidare utßres värmebehandlingen under en tidsperiod av åtminstone l minut, företrädesvis åtminstone 2 rninuter och än mer. föredraget åtminstone 5 minuter, men högst 2 timmar, ßreträdesvis högst 1,5 timmar :trio :rara 10 20 25 30' 35 o | v ø nu nu u n o n :o 516 414 6 f s» con och än mer föredraget högst l timme. Värmebehandlingen kan äga rum i en syreinnehållande atmosfär, men också i en atmosfär av kvävgas och kan utföras i ugn, på värmeplatta eller på annat sätt.

I Fig. 3a-c visas processtegen för tillverkning av en mall enligt en andra utföringsform av uppfinningen. Plattan l, som kan vara av samma material som plattan i Fig. 2a-d har i Fig. 3a belagts med ett 150Å - 300 nm tjockt skikt av ett polymert material 7, företrädesvis en resist och än mer föredraget en negativ resist, t.ex. en negativ resist som saluförs av Micro Resist Technology GmbH under namnet SU8. En negativ resist definieras i detta sammanhang av att det polymera resistmaterialet tvärbinds vid exponering för värme eller bestrålning, varefier icke exponerade delar kan avlägsnas medelst en frarnkallningsprocess, vanligen ett fiamkallningsbad av olika typ beroende på resisttyp. Resisten 7 exponeras för bestrålning 5 som definierar ett mönster för den önskade strukturen, varvid bestrålningen 5 lämpligen utgöres av en elektronsnåle. Det är dock också tänkbart att utnyttja bestrålning i form av t.ex. röntgenstrålning, lasersträlning eller UV-strälrring. Mönstret kan t. ex. utgöras av linjer eller prickar i resistmaterialet 7.

I Fig. 3b visas mallen efter det att resistrnaterialet 7 framkallats på i sig känt sätt så att de icke exponerade delarna av resisten 7 avlägsnats. De kvarstående delarna 8 härdas genom värmebehandling vid en temperatur som är lägre än temperaturen för den uppfinningsenliga värmebehandlingen, varefter struktur-detalj erna 8 utsättes för den uppfinningsenliga värmebehandlingen, symboliskt angivet med ”Q”. Även i detta fall resulterar värmebehandlingen i en något mer lutande profil (Fig. 3c) och i att strukturdetaljerna 8 bindes till plattan 1. Värmebehandlingen Q utföres på samma sätt som beskrivits med hänvisning till Fig. 2d, men företrädesvis vid en temperatur som ligger i en undre del av det angivna intervallet, t.ex. vid omkring 260-300 °C.

I Fig. 4a-c visas tre olika mallar som tillverkats enligt den första utföringsfomien av uppfinningen, och som därvid värmebehandlats i 10 minuter vid 200°C, 400°C respektive 600°C. Den tredimensionella strukturen utgöres av linjer av aluminium som applicerats på en platta av kisel. Redan vid en värmebehandling vid 200°C (Fig. 4a) fäster metallen väl vid plattan och profilen är fullgod för imprintändarnålet. Vid en värmebehandling av 400°C (Fig. 4b) har profilen hos strukturelernenten blivit något mer gynnsamt lutande, och vid 600°C (Fig. 4c) framgår det tydligt att profilen lutar avsevärt. aupxv n | > . v n ' . . . .n .o n. s... »o c o . n. s. on u o u. u a. no oo V ua o. o. u u v n. . n o . o c . . . .n .. ... . .. . .n-f. . . . . a .. . o . . . . n . u u . . u. .n 0100 I 0 .. ..- Föredraget, men definitivt ej nödvändigt, utnyttjas den tillverkade mallen i en anordning vid litografi av strukturer i nanometerstorlek, såsom beskrives i sökandens parallella ansökning SE-A0-9904517-1 .

Uppfinningen är ej begränsad till ovan beskrivna uttöringsforrner utan kan varieras inom ramen ßr de efterföljande patentkraven. Således inses t.ex. att metoden för tillverkning av mall kan utnyttjas även i samband med tillverkning av andra föremål än halvledarkomponenter, biosensorer etc., t.ex. i samband med tillverkning av CD-skivor (compact discs). Det inses också att det andra, strukturbildande, materialet kan läggas på på det första materialet på andra, eventuellt ärmu icke utvecldade, sätt. Det är därvidlag även tänkbart att det firsta och det andra materialet kan utgöras av samma material. Vidare inses att resistskiktet som utnyttjas i samband med appliceringen av det andra materialet enligt beskrivningen med hänvisning till F ig. 2a, då detta andra material utgöres av ett metallrnaterial, kan bildas av mer än ett lager, t. ex. ett undre lager av en positiv resist och ett övre lager av en negativ resist, i syfte att åstadkomma gynnsamma underskurna profiler i resistmaterialet på så sätt som beskrives i sökandens parallella minskning sE-A0-ooo143o-s. '

Claims (1)

1. ;r,>| :tron 10 15 20 25 30 35 516 414 . . å? - “ï - Ilšï 8 _ PATENTKRAV . Metod vid tillverkning av en mall, ñreträdesvis ßr nanoimprint litografi, vilken mall innefattar en plan platta (1) av ett första material samt en på derma platta anordnad tredimensionell struktur (6, 8) av ett andra material, varvid vid metoden sagda andra material inledningsvis pålägges på sagda platta för bildande av sagda struktur, k ä n n e t e c k n a d a v att sagda andra material därefter fixeras vid plattan av sagda första material medelst värmebehandling (Q) vid åtminstone l50°C, fór bildande av sagda mall. . Metodenligtkrav l,kännetecknad av attsagdaförstamaterialväljesur gruppen som består av metalhnaterial, halvledarmaterial, keramiska material eller polyrnera material. . Metod enligt krav 1 eller 2, känn ete ckn ad av att sagda andra material utgöres av ett metallrnaterial, företrädesvis valt ur gruppen som består av Al, Ni, Cr, W, Ti, Au och legeringar av dessa. . Metodenligtkravleller2,kännetecknad av attsagdaandramaterial utgöres av ett polymert material, företrädesvis ett resistmaterial. . Metod enligt något av ovanstående krav, k ä n n e t e c k n a d a v att sagda värmebehandling (Q) utföres vid en temperatur vilken är lägre än en smältternperatllr för sagda andra material, lämpligen en temperatur av åtminstone 200°C, företrädesvis åtminstone 250°C och än mer föredraget åtminstone 350°C, men högst 800°C, företrädesvis högst 750°C och än mer föredraget högst 650°C. . Metod enligt något av ovanstående krav, k ä n n e t e c k n a d a v att sagda värmebehandling (Q) utföres under en tidsperiod av åtminstone 1 minut, företrädesvis åtrninstone 2 minuter och än mer föredraget åtminstone 5 minuter, men högst 2 timmar, företrädesvis högst 1,5 timmar och än mer föredraget högst 1 timme. . Metod enligt något av ovanstående krav, k ä n n e t e c k n a d a v att sagda värmebehandling (Q) utföres i en syreinnehållande atmosfär. .uran nnxan 20 25 30 35 8. 10. ll. 12. ann n nn nn n n s n fn 0 nn on nn n n n» n n nu no nn v n :nn nn nnn nn n» nnn u nn nnn nnn n nn n n n n n 9 . _ n n nn nn Inn Metod enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d a v att sagda värmebehandling (Q) utföres i en atmosfär av kvävgas. Metod enligt krav 3, k ä n n et e c k n a d a v att sagda inledande påläggning av sagda andra material innefattar stegen att (a) sagda platta (1) belägges med ett skikt (4) av ett resistrnaterial på dess ena sida, (b) resistrnaterialet (4) i steg (a) exponeras fór en strålning (5) som definierar ett mönster fór sagda struktur, företrädesvis medelst en elektronstråle, (c) resistrnaterialet (4) i steg (b) frarnkallas så att plattan (1) framträder enligt mönstret, företrädesvis i de bestrålade delarna av mönstret, (d) sagda andra material appliceras, företrädesvis genom förångning, på de frarnträdda delarna av plattan (1), samt att (e) resterande del av resistmaterialet avlägsnas, företrädesvis i en lifi-oñ' process, varvid sagda andra material kvarstår på plattan (1) och bildar sagda struktur (6). Metod enligt krav 4, k å n n e t e c k n a d a v att sagda inledande påläggning av sagda andra material innefattar stegen att (a) sagda platta (1) belägges med ett skikt (7) av det andra materialet på dess ena sida, (b) det andra materialeti steg (a) exponeras för en strålning (5) som definierar ett mönster för sagda struktur, företrädesvis medelst en elektronstråle, (c) det andra materialet i steg (b) framkallas så att plattan (1) framträder enligt mönstret, företrädesvis i de icke bestrålade delarna av mönstret, samt att (d) det kvarstående andra materialet enligt mönstret härdas vid en temperatur som är lägre än temperaturen för sagda värmebehandling, varvid sagda andra material bildar sagda struktur (8). Metod enligt något av ovanstående krav, k ä n n e t e c k n a d a v att sagda andra material pålägges i en tjocklek av l50Å - 300 mn för bildande av sagda struktur (6, 8). Mall för nanoimprint litografi, vilken mall innefattar en plan platta (1) av ett första material samt en på denna platta anordnad tredimensionell struktur (6, 8) av ett andra material, k ä n n e t e c k n a d a v att sagda mall tillverkats med utnyttjande av metoden enligt något av kraven l-l l.