TW201602732A - 奈米模板遮罩及形成奈米模板遮罩的方法 - Google Patents

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蕯拉 阿茲米
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Abstract

本發明係關於一種用於形成奈米模板遮罩的方法。本方法涉及輻射基板以增加基板的複數個第一部分相對於圍繞複數個第一部分的基板的一個或多個第二部分的阻抗。本方法也包含使一離子流通過該基板，離子流優先穿過且削弱基板的一個或多個第二部分。此偏好是由於基板的一個或多個第一部分中具較高阻抗造成離子流穿過相對較低阻抗的第二部分的結果。此方法也涉及使基板經受材料移除製程，材料移除製程優先移除被削弱的基板的一個或多個第二部分，且因而形成包含基板的複數個第一部分的奈米模板遮罩。

Description

奈米模板遮罩及形成奈米模板遮罩的方法
本發明相關於一種奈米模板遮罩，且具體地是關於一種用於形成奈米模板遮罩的方法。
奈米模板微影術是基於陰影遮罩蒸鍍的基板圖案化方法。通常，薄氮化矽膜在接觸或緊鄰蒸鍍的單一步驟期間被使用於作為固體遮罩以轉印該圖案至基板。
由於不需要光阻沉積、圖案化以及移除，奈米模板微影術比常規的微影術製程簡單。奈米模板亦可能可重覆使用多次以複製相同圖案於一批基板。
用於奈米模板微影術的薄氮化矽膜必須被支持，且支持通常是藉由在厚矽晶片結構中懸置膜來達成。圖案接著使用離子束濺射、反應性離子蝕刻以及電子束微影術而被形成在膜中。此程序提供了降至約50 nm的圖案化孔隙的生成。
最小的孔隙尺寸通常與氮化矽膜的厚度成比例。換句話說，針對50 nm孔隙的氮化矽膜應當大約是50 nm的厚度。氮化矽在熱應力下捲曲和彎曲。因此，較小的孔隙在成形期間更容易受到捲曲和彎曲的影響，且隨後在圖案轉印期間被材料沉積。
此捲曲和彎曲模糊孔隙尺寸和形狀。
控制模板與要轉印圖案的基板之間的距離也是困難的。缺乏控制可能降級轉印圖案的解析度。當距離控制困難時，則會進一步被孔隙的捲曲和彎曲所阻礙。
因此，所期望的是，提供奈米模板和用於形成奈米模板的方法，以賦予生成較小孔隙，其小於使用先前技術的奈米模板可重覆實現的，補救先前技術奈米模板的一或多個缺失或至少提供有用的替代方案。
根據本發明的第一態樣，所提供的是有用於形成奈米模板遮罩的方法，其包含：輻射一基板以增加基板的複數個第一部分相對於圍繞複數個第一部分的基板的一個或多個第二部分的阻抗；使一離子流通過基板，離子流優先通過且削弱基板的一個或多個第二部分；以及使基板經受材料移除製程，材料移除製程優先移除被削弱的基板的一個或多個第二部分，且因而形成包含基板的複數個第一部分的奈米模板遮罩。
基板的一個或多個第二部分的移除可導致至少一個孔隙被形成在複數個第一部分的第一部分之間。
基板的複數個第一部分可個別形成一格柵(bar)。每一個格柵可為矽格柵(silicon bar)。
根據本發明的第二態樣，所提供的是使用第一態樣的方法所形成的奈米模板遮罩，其中複數個第一部分大致上形成半圓形組件。換句話說，第一部分的截面是半圓形。
如本文所使用的，如被應用離子輻射的術語「通量」是旨在表示在一給定表面面積上離子入射的數目：單位離子/cm2 。此定義對於傳統的大面積輻射是理想的，其中輻射效應係為橫向均勻的。
然而輻射的表面線寬度(輻射的表面線可被用於形成複數個第一部分)相似於，或小於，在末端範圍的離子側向離散效應的尺寸，末端範圍區域內的平均缺陷密度減少，相比於輻射大面積而言，針對固定的通量。由於無法精確地應用「通量」的標準定義到輻射的表面線，在目前的情況更有用途的參數是「線通量」。
術語「線通量」係旨在指稱使用於照射每公分線長零寬度的線的離子數目。此定義在界定在生成格柵尺寸上的離子照射的效應更有用──即，複數個部分之每一個的尺寸。線通量獨立於表面上的照射線寬度。此外，線通量簡化製造格柵的實施態樣，具體地為小格柵，由於被決定的唯一參數是所使用的離子的總數，這些離子的能量以及離子的類型。
術語「奈米模板圖案轉印製程」、「圖案轉印」、「材料沉積」以及相似的術語將被採用以代表實施奈米模板遮罩製造的製程，從而使材料通過奈米模板遮罩被沉積在基板上，以將圖案從遮罩轉印到基板。
第1圖顯示根據本發明教示的奈米模板遮罩100。遮罩100包含精細遮罩部分，目前以精細遮罩特徵102體現，以及支持結構部分，目前以粗糙結構特徵104來體現。
精細遮罩特徵102的尺寸和在其間的空間係主要負責界定孔隙106在遮罩100內的尺寸，以及在後續圖案轉印期間結果沉積在奈米產物基板110上的特徵108的尺寸。
精細遮罩特徵102具有曲形表面112作為奈米模板遮罩成型製程的結果。目前，曲形表面112賦予各精細遮罩特徵102的半圓形狀。半圓形狀在各精細遮罩特徵102的縱方向上延伸。本發明的精細遮罩特徵102形成具有延伸入第1圖頁面的縱方向的延伸格柵。精細遮罩特徵102的曲形形狀與傳統奈米模板遮罩特徵的方形相對比。
傳統的奈米模板遮罩意在提供垂直孔隙側壁，其垂直地從氮化矽膜(或其他基板)的頂部表面和底部表面延伸，且在氮化矽膜(或其他基板)的頂部表面和底部表面之間。傳統的奈米模板遮罩孔隙可能無意中由於孔隙成型期間離子散射的結果而朝向底部表面加寬。在圖案轉印期間，可能隨著沉積持續在頂部表面上聚集材料且可能阻止材料的通過，其可能最終隱蔽孔隙和降級圖案轉印精確度。
本實施例的精細遮罩特徵102的半圓形狀表示在頂部上(在箭頭Y的方向中)沉積的材料，精細遮罩特徵102的曲形表面112如以箭頭X和X'指示的趨向移向孔隙106，以從而被沉積在奈米產物基板110上。因此當相比於使用傳統奈米模板遮罩的圖案轉印期間的可能性時，孔隙106被隱蔽的可能性降低。
孔隙106的尺寸取決於精細遮罩特徵102的尺寸，在這些特徵102之間的中心到中心的距離以及在精細遮罩特徵102之間中心到中心的距離以及粗糙結構特徵104。在用於形成奈米模板遮罩100的製程中為何「中心到中心的距離」是有用的參數的理由係相關於發展生成精細遮罩特徵102朝向彼此直到孔隙106降低至期望尺寸。
粗糙結構特徵104是支持特徵。這些特徵104支持精細遮罩特徵102且維持精細遮罩特徵102的相對位置。實際上，精細遮罩特徵102是被粗糙結構特徵104所懸持，其作用於維持精細遮罩特徵102的相對位置且也使奈米模板遮罩100能易於掌控及使用。此粗糙結構特徵104也可形成格柵且也可被延長。
粗糙結構特徵104具有矩形的橫截面。然而，任何期望形狀可被使用，只要其適於本文所描述的製造程序的應用。
本發明實施例顯示在精細遮罩特徵102的底部表面116和粗糙結構特徵104的底部邊緣118之間的間隙114。間隙114的尺寸可被控制，且可大如100 nm或小如零(即，沒有間隙)。這表示奈米模板遮罩100的孔隙106可被設置離基板110一預定已知距離。知道奈米模板遮罩100和基板110之間的距離可作用以減小或消除在圖案轉印期間的模糊、或維持模糊在可接受的程度。
注意的是，由於精細遮罩特徵102在參數中增加(直徑Q)以降低孔隙106的尺寸，當孔隙106降低尺寸孔隙106之間的距離增加。如此隨著孔隙106的尺寸減小，模糊將致使在圖案轉印期間所沉積的特徵108之間的串擾或干擾的可能性降低。
根據本發明教示有多種方法用於製造奈米模板遮罩100。參考第2A圖至第2E圖，這些方法可涉及： -         在基板202上製造一抗蝕層200─參閱第2A圖； -         透過抗蝕層200輻射該基板202以形成精細遮罩特徵205─將被理解的是，在此段中，輻射基板202可不涉及在其整體輻射基板202─參閱第2B圖； -         輻射基板202以形成粗糙結構特徵205─參閱第2C圖； -         使離子流通過基板202以削弱基板202的一個或多個第二部分─該第二部分包含基板202在精細遮罩特徵和粗糙結構特徵205、206周圍的材料208，其移除可使精細和粗糙特徵205、206釋出(free)以用於作為奈米模板遮罩─參閱第2D圖； -         實行材料移除程序以移除基板202的剩餘物208，留下從基板202脫離的精細和粗糙特徵205、206─參閱第2E圖。
有數個程序可用於製造抗蝕層200。本發明的抗蝕層200是旋轉塗佈在基板202上。生成抗蝕層200是大約1μm厚。然而，其他厚度可被使用，只要合適用於特定的奈米模板遮罩。
該抗蝕劑是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)抗蝕劑。然而，任何其他合適的抗蝕劑也可被使用。
在基板202上成形之後，抗蝕層200被圖案化。圖案化可以多種方式達成。本發明的圖案特徵204是使用電子束微影術來形成。電子束微影術是可控制的，以形成預定的特徵寬度W和深度D。
注意地是，雖然圖案特徵204擴展過抗蝕層200的整體厚度，且因此具有等同於抗蝕層200的厚度的深度D，圖案特徵可被形成為擴展小於抗蝕層200的整體深度。
第2A圖顯示抗蝕層200具圖案特徵204形成於其中。將被理解的是，這樣的特徵在其製造完(例如，被旋轉塗佈在基板202上)之後被形成在抗蝕層200中。
圖案特徵204大約100 nm寬。圖案特徵204通常為寬度W1 的線。特徵204的寬度W1 是可調整的以控制輻射線通量，且從而控制特徵205、206的尺寸。藉由增加圖案特徵的寬度W1 ，更多的離子輻射該基板且特徵205、206的尺寸增加。舉例來說，參考第3B圖，90 nm的線寬度W2 將允許較少的離子穿過抗蝕層200且進入基板202，且如此導致較精細的精細遮罩特徵205。相反地，180nm的線寬度W3 ，如第3A圖所顯示的，將允許更多離子穿過且導致較寬的精細遮罩特徵205。
當與第3B圖的90 nm的線寬度W2 比較時，第3A圖的180 nm的線寬度W3 導致在線通量中兩個差異的因素且也改變矽格柵的寬度。第3A圖和第3B圖因而顯示有用於在鄰近格柵之間控制孔隙尺寸的過程。
圖案化的抗蝕層300被顯示於第4圖中，在基板302上。抗蝕層300是1μm厚的PMMA抗蝕劑。抗蝕劑302是使用電子束微影術依90 nm的線寬度W4 圖案化。部分線304僅延伸透過抗蝕層300中途，然而其他線306延伸抗蝕層300的整個深度。作為均勻離子輻射的結果，複數個第一部分(即，精細和粗糙特徵205、206)透過線304將被形成於基板302的較淺深度，相較於透過線306而言。在此方式中，間隙114可藉由控制線304、306的滲入深度來控制。
參考第2B圖，一旦抗蝕層200被圖案化，基板202是輻射透過抗蝕層200以形成精細遮罩特徵205。輻射是使用離子輻射來執行。被發現普遍合適用於精細遮罩特徵205的形成的離子輻射使用有著大約50 keV或更小的離子能量的離子。這是因為50keV質子在矽晶片中具有大約470 nm的範圍──來自基板202的一個候選材料，且從而奈米模板遮罩，可被形成──且在PMMA中約820 nm。 如此1μm厚度的PMMA層200是足以防止50 keV離子的滲入進到圖案特徵204外側的基板202。離子能量和抗蝕層厚度可被選擇以適於特定應用。
輻射基板202導致在基板202中的缺陷的形成。缺陷是形成於基板的複數個第一部分中(即，精細遮罩特徵205和粗糙結構特徵206)。這些部分提供精細遮罩特徵205。基板202的部分，特別是矽晶片基板(例如，p-型矽)，其具有較高的缺陷密度也具有較高的阻抗。缺陷的許多種類有效地增加在離子輻射期間沿著離子軌跡的p型矽的阻抗。作為結果，若離子流被應用至基板的話，其將優先穿過基板202的其他，較少缺陷密度部分。
形成精細遮罩特徵205的缺陷係集中在離子輻射的末端範圍區域。參考第5圖，光離子的缺陷產生速率，諸如質子和氦離子，具大約50keV或較高的能量(第5圖顯示針對具約1MeV的能量之質子的缺陷產生)，峰值作為離子逼近進入基板的最大滲入距離(即，末端範圍)。如此，穿過前末端範圍區域的質子(低缺陷區域500)，在產生相同缺陷時，當與形成在末端範圍區域(高缺陷區域502)的缺陷相較時不會造成特定高缺陷集中。
若低通量線是輻射在基板表面上，格柵(例如，精細遮罩特徵205)將因而沿著該線形成，但僅在或圍繞該輻射離子的軌跡的末端範圍深度。增加線通量(例如，藉由加寬圖案特徵204)產生皆較寬於和較高於用於較低通量輻射的格柵。
此現象被描述於第11圖(A)部分至(D)部分，其顯示在0.02 Ω.cm p-型矽晶片中的個別格柵的橫截面，以50 keV質子輻射，有著： 第11圖(A)部分和第11圖(C)部分──550 nm 第11圖(B)部分和第11圖(D)部分──650 nm的週期， 以及： 第11圖(A)部分和第11圖(B)部分──3.2 x 109 /cm 第11圖(C)部分和第11圖(D)部分──7.2 x 109 /cm的線通量。
最右邊的格柵輪廓在第11圖(A)部分至(D)部分的每一個中強調，具在每個情況中虛線的白色線。針對描述的目的，在第11圖(C)部分中的白圈指示50nm的孔隙。
有著高能量的離子比那些較低能量的離子更容易散射。在較高能量的離子的較大散射造成缺陷分佈超過遠離輻射軸之較大側面距離(例如，離子束)。因此，為了製造小直徑格柵(例如，精細遮罩特徵205)，較低輻射能量是較佳的。
重要的，被輻射所造成的缺陷從輻射束軌跡朝外地側向散佈。如此，在輻射線產生矽格柵205下，這些格柵205之間的距離可藉由調整輻射線通量、圖案特徵204之間之間隔、當電化學陽極化處理該基板時所使用之離子流密度，以及其他因素而可控制地製作成較小。
參考第2C圖，除非精細遮罩特徵205被製作的特別厚，否則一旦基板202的周圍材料208(參見第2D圖)被移除時，其將不自我支持。為了形成合適的奈米模板遮罩，精細遮罩特徵205應被懸置在較粗糙、更堅硬、更厚的支持結構中。因此，在形成精細遮罩特徵204之後，基板202被輻射以形成粗糙結構特徵206。
精細遮罩特徵205的成形將通常需要不同的輻射以致粗糙結構特徵206的生成。為此，輻射可涉及一個以上輻射製程，造成不同特徵205、206的生成。舉例來說，輻射可涉及第一輻射製程，其中基板202使用第一能階的離子而輻射以形成精細遮罩部分205，以及第二輻射製程，其中基板202是使用第二能階的離子來輻射以形成支持結構部分206。一般來說，第二能階將高於第一能階。此外，多種輻射製程可分開或同時執行。
在生成之奈米模板遮罩中孔隙或多個孔隙將因而被精細遮罩部分205的位置以及那些部分205相對於粗糙結構部分206的位置而界定。
粗糙結構特徵206使用1 MeV到2 MeV質子來成形。舉例來說，UV微影術和厚的(例如20 μm)抗蝕層、或直接刻寫(例如，質子束刻寫)可被使用──此製程可需要抗蝕劑的重複應用以形成用於粗糙結構特徵206的成型的期望厚度的新圖案化抗蝕層800(參閱第8圖，其中多孔矽陽極化前側802基蝕高通量輻射區域804)。這樣的1MeV至2MeV質子在矽中具有15到50 μm的範圍。因此，被使用於形成粗糙結構特徵206的離子能量定義最終奈米模板厚度。
作為形成額外的抗蝕層的替代方案，抗蝕層200可在該基板202被輻射以形成精細遮罩特徵205之前，全部被圖案化(即，適合用於精細和粗糙特徵205、206兩者)，且如此用以形成粗糙結構特徵206的輻射可立即緊接在後。另外，抗蝕層200僅可包括需要用以產生精細遮罩特徵205、或那些特徵205的子集之那些圖案特徵，且進一步圖案特徵可形成於一或多個順序圖案化步驟中，其可或可不包括額外的抗蝕層形成步驟，接續各別輻射步驟。
參考第2D圖，一旦精細及粗糙特徵205、206被形成，其應該從周圍的基板材料208移除。為達此，周圍基板材料208被削弱。藉由使離子流穿通過基板202來產生削弱。由於精細和粗糙特徵205、206具有較高的阻抗，離子流較佳地穿過周圍基板材料208。針對矽晶片，離子流將形成周圍材料208的多孔矽。
離子流可使用電化學陽極化製程來施加。基板202係經電化學陽極處理通過被用於形成粗糙結構特徵206的高能離子的末端範圍，以使得奈米模板遮罩特徵205、206被完整地基蝕。一旦陽極化是在大於高能、高通量輻射區域的末端範圍的深度時，陽極化係各向同性地(即，在所有方向都相同速率)繼續。因此寬度W2 的輻射粗糙結構特徵206需要通過末端範圍被陽極化處理至W2 /2的深度以產生合適的基蝕。舉例來說，若粗糙結構特徵206使用離子依矽15 μm和20 μm寬的末端範圍來形成，那麼最小的陽極化深度應為25 μm (係為15 μm末端範圍深度加上粗糙結構特徵206的10 μm或寬度的一半──參閱第8圖)。
陽極處理該基板202削弱基板202。針對矽晶片基板，陽極化離子流在圍繞精細和粗糙遮罩特徵205、206的材料208中形成多孔矽。一旦材料208已經被削弱，其經受材料移除製程以使得其可被移除。
注意地，當精細遮罩特徵205被描述為具有一般曲形截面圖(參見，例如第2B圖)時，電化學陽極化製程平坦化在離子流中電子流E的上游的遮罩特徵205的側邊──此現象被描述在第6圖。結果是，在生成奈米模板遮罩中的精細遮罩特徵205的截面圖將為半圓形(見第2E圖)。
第6圖描述缺陷生成的效應以及在輻射p-型矽的阻抗上的最終增加。特別是，第6圖顯示，矽基板的離子輻射通常造成在後續的電化學蝕刻期間，流通過p-型矽的輻射區域的電洞離子流的減少，如此減慢或完全停止蝕刻，留下未蝕刻的區域，然而在其他被蝕刻的區域，多孔矽將被形成。在低通量，只有離子軌跡的末端範圍區域在陽極化之後維持未蝕刻，然而在末端範圍區域以上和以下的區域被蝕刻。此創造在陽極化後被多孔矽600圍繞的埋入矽格柵205(其中使用矽基板)。
若低通量線被輻射在矽晶片的表面上，矽格柵將沿著線形成，但只在末端範圍深度。增加線通量產生較寬和較高的格柵，且用於輻射作用所使用的質子能量增加導致在基板更深處創造格柵。此方法可被用於創作三維圖案化的表面以及隨意形狀的三維結構，如顯示於第7圖(A)部分和第7圖(B)部分。
在第7圖(A)部分的情況中，有著低線通量的1MeV質子輻射被用於形成末端範圍格柵700，且有著高通量的2 MeV質子被使用以形成支持壁702，因而造成3D自由站立結構。
第7圖(B)部分的實例是相似的，除了使用1 MeV和250 keV質子來創造多重層格以外。
進一步參考第2D圖和第2E圖，本發明基板202是p-型矽且削弱的材料208是多孔矽。多孔矽係特別易由酸和鹼(諸如KOH)溶解。在沉浸於稀釋的KOH中之後，多孔矽溶解掉，留下奈米模板遮罩210完整且完全地從基板分離(即自由站立)，如顯示於第2E圖。
其可能特別困難於合宜地從精細遮罩特徵205的下面移除削弱的基板材料而無損害精細遮罩特徵205。使用包含低阻抗p-型矽的基板202的一個有益的特徵在於，多孔性趨向低於被相似地陽極處理的低摻雜矽所產生的多孔性。較低的多孔性是有利的，由於其最小化如壓力所造成的多孔層分裂的變化。藉由最小化分裂，有較低的精巧的精細遮罩特徵205將在多孔矽移除期間壞掉的可能性。此也表示更厚的多孔層可被產生，合適用於幾十微米的深度陽極處理以基蝕奈米模板支持結構，且添加精細遮罩特徵的多重層而無分裂。
注意地，KOH劇烈地溶解多孔矽，造成可能損害非常精細尺度奈米格柵(例如，100 nm寬)或精細遮罩特徵205的泡泡。為了保護非常精細尺度的奈米特徵205，在基板的削弱之後其可溫和地被氧化。氧化作用導致多孔矽被轉換至二氧化矽，其可接著使用稀釋的HF來移除。此過程不造成泡泡。
第9A圖至第9C圖顯示藉由溶解來自使用描述於第2A圖至第2E圖中的製程所形成的精細和粗糙遮罩特徵附近的周圍材料製造的一些奈米模板遮罩。
一旦該奈米模板遮罩210已經從周圍多孔矽釋出來準備使用。為了使用遮罩210，其被翻轉(參見第2F圖)以使其上表面212緊鄰在其上要沉積該材料之基板214。另外，若需要大距離在遮罩210和基板214之間，則遮罩210不需要被翻轉。
根據本發明教示而形成之奈米模板遮罩可採取如上討論的各種形式。第10圖顯示具有被寫入由較厚、較粗糙的支持結構1002(係為粗糙結構特徵)所圍繞和支持的自由站立區域中的精細奈米尺度格柵1000(係為精細遮罩特徵)之最終奈米模板遮罩的示意圖。使用本文所描述的製程，奈米模板遮罩可根據需要被放大，較大的遮罩僅需要額外的時間用於電子束寫入較大圖案陣列入抗蝕層。
奈米模板遮罩1400的進一步實例係顯示於第14圖。在第14圖中，墊圈1402被用於作為以鉗子1404升起奈米模板遮罩1400的裝置。奈米模板遮罩1400係鋪設在墊圈1402的中心孔隙1406。奈米模板遮罩1400包括非常精細遮罩部分1408的規律圖案，在支持結構部分1410的較大規律圖案內。
然而根據本發明教示，數個步驟被描述為有用於奈米模板遮罩的形成，以廣義的概念而言，諸如遮罩可藉由下列步驟來形成： -         輻射基板以增加基板的複數個第一部分(例如，精細遮罩特徵和粗糙結構特徵──術語「第一部分」可針對這些特徵單獨地或共同地取代，在整個上述描述中)，相對於基板的一個或多個第二部分(例如，第2D圖的周圍材料208)──通常將有多於一個第一部分，但其可設想的是，在一些應用中，單一第一部分將是適合的； -         使一離子流經過該基板，該離子流優先穿經過且削弱該基板的該一個或多個第二部分；以及 -         使基板經受材料移除製程，材料移除製程較佳移除被削弱的基板的一個或多個第二部分，且因而形成包含基板的複數個第一部分的奈米模板遮罩。
一個或多個第二部分(即材料208)的移除導致至少一個孔隙106被形成在複數個第一部分205、206的第一部分205、206之間。孔隙106在後續如第1圖所示的奈米模板圖案轉印製程期間允許材料通過奈米模板遮罩。
在這些步驟被執行的方法中，該方法是設想以隨著發展不同的寫入、蝕刻和其他製程而變化。此外，一些步驟可以不同的順序發生。舉例來說，當兩個或多個輻射步驟被執行時，交換這些步驟的順序或在一些情況中同時地執行這些步驟是可能的。因此無特定順序意在被推斷，其中這樣的順序對於產生奈米模板遮罩的方法的表現是不必然的。
以上的程序可延伸以產生遮罩格柵205的三維排列，藉由結合具多種不同離子能量之輻射以誘導在末端範圍深度的變異。促使以末端範圍深度穿過圖案化聚合物表面遮罩的週期變化使用兩種離子能量的製程係顯示於第12圖(A)部分至(C)部分。電子束微影術被用於圖案化1 μm厚PMMA層在0.02 Ωcm矽晶片的頂部，具大約 0.2至1 μm的溝寬度和1 至 2 μm的週期。晶片係接著藉由100 keV和500 keV H2 + 的分子氫離子被輻射，如第12圖(A)部分所顯示。分子氫離子分離以給予兩次50 keV (I2 )和250 keV (I1 )質子的通量。PMMA抗蝕層停止50 keV的質子，所以只有暴露的表面被輻射，這造成在表面下方大約0.4 µm的末端範圍核心1200。250 keV質子束滲入PMMA，導致末端範圍核心1202是在晶片表面下方約~1.7 µm處，其中在暴露表面，該區域核心1204是位在約~2.4 μm的深度。此生成三層核心，雖然若第三質子能量也被使用則可添加更多。
在蝕刻之後，三個層次的格柵核心1200、1202、1204被產生具在其之間的幾奈米到數十奈米寬度的清晰路徑。即便沒有清晰的路徑通過多重層次結構， 那麼一個結構可藉由小心地熱氧化該結構來輕易地創造。在稀釋HF中的氧化物移除之後，間隙寬度可以數個奈米來增加。注意的是設計具有特定一般特徵，即，窄的幾個或幾十個奈米的間隙可被產生，雖然在1至2 µm的期間。其應因而可能圖案化狹窄線。應更困難的是在此方式中圖案化窄線的緻密陣列。
上述描述的製程是反直覺的，有幾個理由。首先，輻射導入缺陷於基板。本發明所屬技術領域具有通常知識者將通常期望移除其中缺陷被集中之基板的區域。此是因為本發明所屬技術領域具有通常知識者係意圖依奈米尺度生產穩定、堅硬結構。然而，在本發明的方法中，充滿缺陷區域的變換特質(例如，阻抗)導致這些區域的保留以形成奈米模板遮罩，且在輻射製程之後具有較少缺陷的區域的移除。第二，本發明的方法集中在形成格柵和支持特徵而非形成孔隙本身。在傳統的奈米模板遮罩製造中，本發明所屬技術領域中具有通常知識者將藉由材料移除來形成在基板中的孔隙。孔隙的尺寸是單純藉由控制材料移除製程來掌控。在本發明的方法中，圖案來自於形成格柵和支持，且生長這些格柵和支持物以窄化其間的空間。此空間在削弱的基板材料藉由容易管理的材料移除製程被移除之後變成孔隙。換句話說，在傳統奈米模板製造中，生長孔隙(即，增加尺寸)直到期望圖案被形成，然而，本發明方法生長遮罩結構(即，減少孔隙尺寸)直到孔隙被縮小到期望尺寸。第三，在傳統奈米模板製造中，較小的孔隙需要較少的電子束微影術(以及其他方法)。在本發明的方法中，為了減小孔隙尺寸，精細遮罩特徵205必須變得較大。此保證在線通量中的增加，其代表用於創造奈米模板遮罩的電子束微影術的數量係反比於孔隙尺寸，廣義來說。
從上述描述中，將可以理解的是，根據本發明教示，用於製造奈米模板遮罩的方法以及藉由這些方法所形成的奈米模板遮罩，提供了一個途徑以製造用於奈米模板微影術的小孔隙，基於，舉例來說，矽塊材，其比矽晶片上的氮化矽要便宜得多。
本發明教示的方法能夠製造針對奈米模板微影術小至10 nm的孔隙，由於孔隙尺寸不被長寬比的幾何考量所限制，其中此限制了在100 nm厚度的氮化矽膜中使用常規圖案化製程所能夠達到的程度。
奈米尺度孔隙和基板表面之間的距離可在使用本發明方法的遮罩製造期間被界定。距離可被製作成大到200 nm，以及小到零。此有助於降低和控制與橫跨較大距離的圖案轉印相關聯的模糊。
界定小孔隙的格柵的截面圖(即，複數個第一部分及/或一個或多個第二部分)是非矩形的，反而其為曲形的。在最厚中心部位，格柵可達到高達400 nm的厚度。格柵如此可提供強大的剛性給圖案化的孔隙陣列，其移除對於製造支持樑於氮化矽基膜的需求。
使用如上所描述的此方法的修飾形式，用以製造3D奈米模板特徵是可能的。這樣的3D特徵可具有非常小清晰的開口穿過約十奈米。此外，這樣的3D結構可轉印有著非常小的由於在模板和樣本表面之間的間隙所致使之模糊的奈米尺度圖案。
3維結構諸如顯示在第12圖(A)部分中的，或3維格柵幾何形狀，可被用於移除具有明顯從傳送的粒子束軌道分歧的入射粒子。作為結果。射束在角度以及位置中變得高度準直。
此方法可使用相位空間表示法來示性。此概念會在帶電粒子光學中遇到。空間相位表示法代表在位置座標 x、y、z的六維空間相位體積的框架內移動粒子的分佈，且三個角座標x’、y’、z’係相對於這些位置座標。 這樣的表示法可提供有用的框架，用於示性在帶電粒子的分佈和發射上的電磁鏡頭和加速元件的影響。其也可被使用以描述粒子穿過晶體材料的路徑。
以下描述的是1維相位空間表示法，其使用通過奈米模板的平行格柵的陣列(1300, 1302, 1304)的每一個粒子之位置x和角座標x’。發明人分別地在格柵的陣列第一層1300之前和之後隨即定義束相位分佈為(x1o ,x1o ’ )以及(x1i ,x1i )，記號相對應於格柵的每個陣列或層1300、1302、1304的物體和影像側。
在模板表面，粒子的相位空間分佈是均勻地填充，參閱第13圖(B)部分。電子束依通常被來源尺寸和到模板的距離所界定的角度範圍分佈在模板表面。在此情況下，來源具有± 15∘的大角度擴散，以描述多重結構如何允許只有有著非常低發散度的那些顆粒被傳送。
這裡模擬的奈米模板幾何形狀包含格柵的三列或陣列(1300、1302、1304)，相似於顯示於第12圖(A)部分中的。在模擬的每一個層次(1300、1302、1304)是被500 nm的深度分開。格柵位置被指定在相位空間映像中作為較淡陰影區域且顆粒作為較重陰影區域。
橫跨格柵1300的第一層(參考第13圖(B)部分和第13圖(C)部分)以及格柵1304的第三層(參考第13圖(F)部分和第13圖(G)部分)，其位於相同的側面位置但在不同的深度，格柵具有在其間之400 nm間隙。其集中地橫跨相位空間映像的2 µm寬度，如在圖中所顯示的。
格柵1302的第二層(參見第13圖(D)部分和第13圖(E)部分)包含360  nm寬的格柵，集中在上部及下部層中的間隙上，生成縱貫全部三個層結構之20  nm的開口間隙。
只有有著軌跡在間隙之內的位置之那些顆粒被從物體轉印到模板列的圖像側(在各別的圖案的底部)，然而有著重疊格柵的陣列1300、1302、1304位置座標的那些顆粒則被停止。在第13圖(C)部分的相位空間映像中的三個垂直流動帶內的那些軌跡被傳送透過格柵的第一層1300中的間隙，接著偏移z12的距離到格柵的第二層1302。相位空間座標係因而根據下列來轉變： X2 、X'2 =1  Z12 0    10X1 X'1
每個顆粒的角座標不變，但位置座標在相位空間映像之內，轉至在格柵的第二列1302，相較於存在於格柵的第一層1300之間的間隙的分佈以較大寬度分佈。第二層1302的格柵移除中心束部分，留下只有三角形狀的相位空間區域，其仍含有第13圖(E)部分的映像所顯示之高度分歧軌跡。
這些軌跡傳遞穿過在格柵的第二層1302內之間隙，接著偏移到格柵的第三層1304，如顯示於第13圖(F)部分之映像。這些使得相位空間分佈被進一步偏斜。
在第13圖(G)部分的映像中，所有留下高度分歧的軌跡相交第三層1304的格柵，僅留下20 nm的窄寬度射束以離開具低分歧的模板。在左側和右側分佈有輕微不對稱，是由於3D結構以對一側的角度準直第一電子束顆粒，接著以另一側，依不同深度。
在此方式中，高分歧射束在該表面的分佈係以位置和角度兩者過濾以產生高準直的傳送分佈，其對模板出口表面和樣本表面之間的小間隙是不敏感的。
100、210、1400‧‧‧奈米模板遮罩
102、205‧‧‧精細遮罩特徵
104、206‧‧‧粗糙結構特徵
106‧‧‧孔隙
108‧‧‧特徵
110、202、302‧‧‧基板
112‧‧‧曲形表面
114‧‧‧間隙
116‧‧‧底部表面
118‧‧‧底部邊緣
200、300、800‧‧‧抗蝕層
208‧‧‧材料
304、306‧‧‧線
500‧‧‧低缺陷區域
502‧‧‧高缺陷區域
600‧‧‧多孔矽
700‧‧‧格柵
702‧‧‧支持壁
802‧‧‧多孔矽陽極化前側
804‧‧‧高通量輻射區域
1000‧‧‧精細奈米尺度格柵
1002‧‧‧支持結構
1200、1202、1204‧‧‧核心
1300‧‧‧第一層
1302‧‧‧第二層
1304‧‧‧第三層
1402‧‧‧墊圈
1404‧‧‧鉗子
1406‧‧‧中心孔隙
1408‧‧‧非常精細遮罩部分
1410‧‧‧支持結構部分
Q‧‧‧直徑
X、X'、Y‧‧‧箭頭
W2、W3、W4‧‧‧寬度
現將僅藉由非限制性示例的方式來描述較佳的實施例，參考附圖，其中：
第1圖係為根據本發明教示在材料沉積製程期間使用的奈米模板的示意圖；
第2A圖至第2F圖係為根據本發明教示用於製造奈米尺度模板遮罩的方法的示意圖，其中第2A圖顯示沉積和圖案化依90 nm的線寬度所圖案化之1μm厚電子束抗蝕劑，第2B圖顯示低能量(50 keV)質子輻射以轉印圖案到基板以損害或造成在基板中的缺陷，第2C圖顯示高能量(例如 1MeV質子)，在基板內用於生成粗糙支持特徵的高通量輻射圖案化轉印，第2D圖顯示在稀釋的HF電解質中該基板的電子化學陽極化的結果，達至超出粗糙支持特徵之末端範圍之深度，第2E圖顯示具多孔矽被移除之薄、圖案化奈米模板遮罩，以及第2F圖顯示在「使用」位置中的奈米模板，反向置於基板上；
第3A圖和第3B圖示意地比較在抗蝕層中使用電子束微影術所形成的較寬(180 nm)和較窄(90 nm)的線寬度的效應；
第4圖係為具90 nm的線寬度之1 µm厚的電子束圖案化抗蝕劑的剖面圖；
第5圖顯示針對1MeV 質子的缺陷密度相對深度(在矽基板中)；
第6圖是末端範圍區域周圍偏離的陽極化電洞離子流的示意圖；
第7圖(A)部分和(B)部分顯示使用根據本發明教示之方法所產生的奈米模板遮罩；
第8圖係為對於分離矽微結構的基蝕的產生的示意圖；
第9A圖至第9C圖顯示使用根據本發明教示的方法所形成的自由站立矽格；
第10圖是最終奈米模板遮罩的示意圖，其包含被微尺度支持結構支持的奈米尺度的圖案化區域；
第11圖(A)部分至(D)部分顯示對於不同輻射線期間和線通量的基板的剖面圖；
第12圖(A)部分至(C)部分顯示用於製造3維奈米模板遮罩的方法，其包含格柵的多重層或精細遮罩特徵；
第13圖(A)部分至(G)部分顯示有別於示意地顯示於第12圖(A)部分中的3維結構的圖片(參考第13圖(A)部分)，且在第13圖(A)部分的3維結構中緊接每一個接續的遮罩特徵列前後的顆粒束相分佈(見第13圖(B)部分至(G)部分)；以及
第14圖係為根據本發明揭露所形成的奈米模板遮罩的放大視圖。
100‧‧‧奈米模板遮罩
102‧‧‧精細遮罩特徵
104‧‧‧粗糙結構特徵
106‧‧‧孔隙
108‧‧‧特徵
110‧‧‧基板
112‧‧‧曲形表面
114‧‧‧間隙
116‧‧‧底部表面
118‧‧‧底部邊緣
Q‧‧‧直徑
X、X'、Y‧‧‧箭頭

Claims (25)

  1. 一種用於形成奈米模板遮罩的方法，其包含： 輻射一基板以增加該基板的複數個第一部分相對於圍繞該複數個第一部分的該基板的一個或多個第二部分的阻抗； 使一離子流通過該基板，該離子流優先穿過且削弱該基板的該一個或多個第二部分；以及 使該基板經受一材料移除製程，該材料移除製程優先移除被削弱的該基板的該一個或多個第二部分，且因而形成包含該基板的該複數個第一部分的一奈米模板遮罩。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基板的該一或多個第二部分的移除導致至少一個孔隙被形成在該複數個第一部分的第一部分之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該孔隙允許在一後續奈米模板圖案轉印製程期間材料通過該奈米模板遮罩之路徑。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中輻射步驟涉及輻射一圖案至該基板，該圖案包含該基板的該複數個第一部分。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中輻射步驟是使用一離子輻射來執行。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該離子輻射使用具50keV或更強的能量的離子。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該複數個第一部分被形成在該離子輻射的一末端範圍區域。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中輻射步驟包含輻射該基板以形成在該基板的該複數個第一部分中的缺陷，且因而增加該基板的該複數個第一部分的阻抗。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中輻射步驟包含在該複數個第一部分被形成的該基板中控制一輻射能量以控制一深度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中輻射步驟包含控制一輻射線通量以控制在該基板的該複數個第一部分中的每一個第一部分的尺寸。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該複數個第一部分的每一個第一部分係為延長的，且尺寸係以切向該基板的各別該第一部分或該複數個第一部分的一縱向方向來測量。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中輻射線通量是被控制以控制在該基板的該複數個第一部分的鄰近該第一部分之間的一間隙的尺寸。
  13. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該複數個第一部分包括一個或多個精細遮罩部分，以用於界定在該奈米模板遮罩中的至少一個孔隙、以及一個或多個支持結構部分，以用於支持該一個或多個精細遮罩部分，且輻射步驟包含一第一輻射製程，其中該基板係使用一第一能階的離子而輻射以形成該精細遮罩部分；以及一第二輻射製程，其中該基板係使用一第二能階的離子來輻射以形成該支持結構部分。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該第二輻射製程的一輻射線通量係高於該第一輻射製程的一輻射線通量。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該第一輻射製程使用具大約 50 keV的能量的離子。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中削弱該基板包含在該基板中形成孔洞。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中使該離子流通過該基板形成孔洞於該基板的該一個或多個第二部分，且因而削弱該基板的該一個或多個第二部分，且輻射步驟包含使用足夠高以至少部分地停止當該離子流通過該基板時在該基板的該複數個第一部分中形成孔洞的一輻射線通量來輻射該基板。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中使該離子流通過該基板的步驟包含電化學地陽極處理該基板。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基板是一矽晶片。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中削弱該基板的該一或多個第二部分涉及形成多孔矽於該基板的該一個或多個第二部分中。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中使該基板經受該材料移除製程的步驟涉及在溶液中溶解該基板的該一個或多個第二部分。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中輻射步驟涉及透過一圖案化抗蝕層的一圖案來輻射該基板。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該圖案化抗蝕層的該圖案的特徵的寬度係影響所使用在輻射步驟中的輻射的輻射線通量。
  24. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中在該奈米模板遮罩中之間隙形成一孔隙，且該間隙具有10 nm的寬度。
  25. 一種使用如申請專利範圍第1項所述之方法所形成的奈米模板遮罩，其中該複數個第一部分大致上形成半圓形組件。
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