通過施加電場在光固化組合物中加工納米級圖形的方法和系統的製作方法
2023-09-22 00:15:25 2
專利名稱：通過施加電場在光固化組合物中加工納米級圖形的方法和系統的製作方法
背景技術：
本發明大體上涉及低成本，高解析度，高生產能力的光刻領域，它有生產尺度小於100nm結構的潛在能力。
相關技術光刻技術當前被用於生產微電子器件。但是這些方法正接近它們的解析度極限。亞微米尺度光刻一直是微電子工業的關鍵過程。採用亞微米光刻使使造者滿足將更小更密集地組合的電子元件置於晶片上的益增長的需要。當今微電子工業能產生的最精細結構在0.13μm的數量級上，預計在今後的幾年中微電子工業將尋求小於0.05μm(50nm)的結構。此外，在光電子和磁存儲器的領域會出現納米級光刻的應用。例如，每平方英寸數兆兆字節數量級的光子晶體和高密度圖形磁存儲器需要納米級光刻。
對於製造亞-50nm的結構而言，光刻技術會需要採用波長非常短的光(如13.2nm)。在這短的波長下，即使有的話，也很少有材料是光學上透明的，因此成象系統典型地必須使用複雜的反射光學來構造[1]。要獲得一個光源能在這些光波長下有足夠的輸出強度是困難的。這樣的系統導致極其複雜的設備和過程，看來昂貴得沒有人敢買。高解析度電子束光刻技術雖然非常精密，但典型地對高生產能力的工業應用來說太慢。
目前的壓印光刻技術面臨的主要挑戰是需要模板(原版)與基底的直接接觸。這樣會導致缺陷，產量低，模板壽命短。此外，壓印光刻的模板尺寸典型地與基底上最終的結構尺寸相同(IX)，而光刻中使用的掩模典型地是4X。製備模板的成本和模板壽命是使得壓印光刻不那末現實的難點。因此存在著一種需要來改進光刻技術以應對光刻，電子束光刻和壓印光刻所提出的挑戰來形成非常高的解析度的特徵。
發明綜述在一個實施例中，用壓印光刻在一基底上形成圖形結構。該過程涉及把一種可聚合的組合物施於基底的上表面上，基底可以是用於製造半導體器件的一種基底。基底的例子包括但不限於矽晶片，GaAs晶片，SiGeC晶片或InP晶片。可聚合的組合物可以是一種紫外光固化組合物。紫外光固化組合物可包括可聚合單體和光引發劑。該組合物可旋塗於基底上。
在基底被塗覆上可聚合組合物後，可將一塊模板置於可聚合組合物上。模板由一種導電材料製成。模板也可實質上對可見光和/或紫外光是透明的。模板可由導電材料結合非導電材料製成。該導電材料和非導電材料都基本上是對光透明的。在一個實施例中，模板可由氧化銦錫和熔凝石英製成。模板包含有結構圖形。該結構圖形與要在基底上生成的結構圖形互補。至少有一部分的結構會有小於約100nm的特徵尺度。
在模板與基底之間可施加電場。所加的電場可產生靜電力至少把一部分的可聚合組合物吸引向模板。這部分被吸引到模板的可聚合組合物與壓印在模板上的結構圖形互補。在一個實施例中，被吸引到模板的這部分可聚合組合物與模板接觸，而剩下的部分則不與模板接觸。或者可聚合組合物的被吸引的部分及剩下的部分都不與模板接觸。但是被吸引的部分朝著模板伸展，而未被吸引的部分不如被吸引的部分朝著模板的伸展程度那樣伸展。
可以採用一種合適的固化技術使可聚合組合物聚合。例如，可聚合組合物可包含有光引發劑，在對模板和基底施加電場的同時在活化光下曝光固化。這裡所用的「活化光」指的是可引起化學變化的光。活化光可包括紫外光(如波長在約300nm至400nm之間的光)，光合光，可見光或紅外光。通常能引起化學變化的任何波長的光都可歸入活化光。化學變化可以若干形式表現出來。化學變化可包括，但不限於任何引起聚合反應或交聯反應發生的化學反應。活化光可在達到組合物之前先穿過模板。用這種方式，可聚合組合物可被固化形成結構與在模板上形成了的結構互補。或者，可聚合組合物可通過對組合物加熱而被固化，而同時對模板和基底施加電場。
可聚合組合物固化後，結構可通過對固化了的可聚合合物進行蝕刻而被進一步確定。蝕刻可改善結構的寬高比。任何通常使用的蝕刻技術都可使用，包括反應性離子蝕刻。
在一個實施例中，模板被定位在離可聚合組合物不到約1μm。因此該基底的平坦度應小於約1μm，最好是小於0.25μm。這裡所用的平坦度被定義為在基底表面上曲率的偏差值。例如，1μm的平坦度指的是表面曲率的變化範圍為高於和/或低於決定平面表面的中心點1μm以內。
為了要實現表面的平坦度小於約1μm，可把基底放在構造成改變基底形狀的一種設備上。該設備可包括一個夾具，它與基底連接在一起並支撐著基底。該設備還可包括數個與夾具連在一起的加壓裝置。加壓裝置可被構造成向夾具施加形變力因而夾具的形狀被改變。基底可與夾具連接在一起，這樣夾具的形狀變化可以傳遞給基底。用這樣的方式可使基底的平坦度與所需要的平坦度一致。該設備可包括一個可編程控制器。可編程控制器可包括一個探測裝置來確定基底的平坦度。控制器還可進一步設置成來操作加壓裝置，它根據測得的平坦度來改變基底的平坦度。
附圖簡述閱讀以下的詳細說明以及參照附圖，即可明暸本發明的其他目的和優點，附圖中
圖1描繪一個置於基底上的模板上施加電場並採用紫外固化組合物的光刻；圖2描繪採用與模板直接接觸形成納米級結構的過程示意圖；圖3描繪採用與模板不直接接觸形成納米級結構的過程示意圖；圖4描繪一個基底夾具，構造成可改變基底的平坦度；圖5描述一個把摸板定位在基底上的設備。
儘管本發明能容許多種改變和變形，其具體實施方案以舉例形式示於附圖並詳細說明。但是應該理解，附圖和詳細說明並無意把本發明限制於披露的具體形式，相反，本發明將涵在權利要求出所規定的本發明的精神和範圍之內的所有的改變，等價物和替換。
發明的詳細說明最近已經描述了用紫外固化液體[2、3、4、5]和用聚合物[6]的壓印光刻技術來製備納米級結構。這些技術的成本對亞-50nm解析度來說可能潛在地要比光刻技術低得多。最近的研究[7，8]也已研究了在具有表面形貌拓撲的模板與含有聚合物的基底之間施加電場和範德瓦爾引力來形成納米級結構的可能性。該研究一直是針對聚合物系統，它可以被加熱到稍高於其玻璃化轉變溫度的溫度。這些粘性的聚合物傾向於對電場作出很緩慢的反應(要好幾分鐘)這使得它們作為工業的應用是不理想的。
這裡介紹的實施例可潛在地迅速形成光刻圖形結構(在不到1秒鐘的時間裡)。結構的尺度可以是數十納米。在電場存在下可通過使可聚合組合物(如一種旋塗的紫外固化液體)固化來形成結構。固化可聚合組合物然後把結構的圖形印到基底上去。圖形的產生可以通過將具有特定納米級表面形貌拓撲的模板放在基底上來實現，模板離開基底上的薄層液體表面的距離是經過仔細控制的納米級。如果需要的結構的全部或部分是有規則地重複的圖形(如點的陣列)，模板上的圖形要比想要的重複結構的尺寸可以大得多。模板可通過採用直接寫入電子來光刻來形成。可以在高生產能力的過程中反覆使用該模板來將納米結構複製到基底上。在一個實施例中，模板可從加工對紫外光也透明的如氧化銦錫那樣的導電材料得到。模板加工方法與移相掩模光刻的方法相類似；移相掩模需要一個蝕刻步驟在模板上形成表面形貌拓撲圖。
通過在模板與基底之間施加電場可實現模板上圖形的複製。因為液體與空氣(或真空)的介電常數不同，以及由於存在模板的表面形貌拓撲引起的電場的局部變化，會產生一靜電力把液體的區域往模板吸引。在高電場強度下，可聚合組合物會附著在模板上並在某些點上會從基底上發生去溼潤現象。通過組合物的聚合反應，可聚合組合物會在適當位置上硬化。可以用低能量自組裝單層膜(如一種氟化表面活性劑)來處理模板以幫助從模板上除去已聚合了的組合物。
還可能控制電場，模板表面形貌拓撲的設計以及模板對液體表面的貼近來在不與模板表面接觸的可聚合組合物中形成圖形。該技術可不需要將模板與可聚合組合物進行機械分離。該技術也消除了圖形缺陷的潛在來源。但是在不接觸時，液體可能不象接觸時能那樣明確形成清晰的高解析度結構。這個問題可這樣來解決，即先在可聚合組合物中形成結構，在一定電場下這些結構是部分確定的。接著可增加模板與基底間的間隙且同時加大電場把液體「拉出來」以形成十分確定的結構而無需接觸。
可聚合組合物可沉積在硬的耐烘烤材料的頂部導致一種雙層工藝。這樣的雙層工藝可以用電場形成低寬高比高解析度的結構，然後通過各向異性蝕刻形成高寬高比高解析度結構。還可以用這樣的雙層工藝來進行一「金屬剝離工藝」把金屬沉積在基底上，這樣的話金屬在剝離之後就被留在原來已形成的結構的溝道區域中。
通過採用低粘度的可聚合組合物，由於電場作用的圖形形成很快(不到1秒鐘)，結構可迅速固化。避免基底和可聚合組合物中的溫度偏差可避免不希望發生的圖形畸變，這種畸變使得納米級解析度的層與層的對準變得不現實。此外，如上所述，有可能不與模板接觸而迅速形成圖形，這樣就消除了與壓印方法相關的缺陷，壓印方法是需要直接接觸的。
圖1描繪了模板與基底設計的一個實施例。模板可用對活化光透明的材料製成，可以通過對活化光曝光來使可聚合組合物固化。用透明材料製成模板還可允許用已確立的光學技術來測量模板與基底間的間隙以及測量覆蓋標記以進行結構形成過程中的覆蓋對準和放大校正。模板可以是熱穩定和機械穩定的以提供形成納米級解析度圖形的能力。模板還可包含有導電材料使得在模板-基底界面上產生電場。
在圖1描繪的一個實施例中，一塊厚的熔凝石英毛坯被選作模板的基材。可把氧化銦錫(ITa)沉積在熔凝石英上。ITa對可見光和紫外光是透明的，還是一種導電材料。可用高解析度電子束光刻術來使ITa形成圖形。可將一種低表面能的塗料(如一種含氟的自組裝單層)塗覆在模板上以改善模板與已聚合的組合物之間的剝離特性。基底可包括標準的晶片材料，如Si，GaAs，SiGeC和InP。紫外固化液體可用作可聚合組合物。可將可聚合組合物旋塗到晶片上。一個可選的過渡層可置於晶片與液體層之間。該過渡層可被用於雙層工藝。選擇該過渡層材料的性質和厚度使從固化了的液體材料中產生的低寬高比結構形成高寬高比結構。通過使ITO與電壓源連接可在模板與基底之間產生電場。
圖2和圖3呈現了上述工藝的兩個變體。在每個變體中都假定在模板與基底之間可維持所要求的均勻間隙。可加上一個所要求強度的電場使得可聚合組合物朝著模板的凸起部分吸引過去。圖2中，間隙和場強使得可聚合組合物與模板直接接觸並粘附在模板上。採用紫外固化法將液體硬化成那種結構形式。結構一旦形成就用增加均勻間隙直至分離的方法，或用剝拉動作，即從模板的一條邊緣開始把模板從基底上剝離的方法來使模板與基底分離。在使用這些方法之前，假定模板用低表面能量的單層處理以幫助分離。
圖3中，間隙和場強被選擇成使液體實現基本上與模板表面形貌拓撲相同的表面形貌拓撲。該表面形貌拓撲的實現是不讓與模板直接接觸。可採用紫外固化法將液體硬化成那種結構形式。在圖2和圖3的兩個工藝中都可再接著用蝕刻工藝來除去被紫外光固化的材料的殘留層。如圖2和圖3所示，若紫外固化了的材料與晶片之間存在過渡層則可使用進一步的蝕刻。如前所述，這樣的過渡層可用來從紫外固化了的材料中產生的低寬高比結構中獲得高寬高比的結構。
圖4說明可提高基底平坦度和機械裝置。模板可形成自熔凝石英的高質量光學平面，在熔凝石英上沉積有氧化銦錫。因此，模板典型地具有極高的平坦度。基底典型地具有低平坦度。基底的低平坦度源自於各種差異包括晶片背面精加工不良，俘獲在晶片與晶片吸盤之間特殊汙染物的存在，以及晶片熱加工造成的晶片形變。在一實施例中可將基底裝在一吸盤上，吸盤的頂表面形狀可被一長列的壓電執行元件來改變。吸盤厚度可以實現準確校正表面的表面形貌拓撲至幾個微米。基底可這樣裝在吸盤上使得它實質上與吸盤的形狀一致。等把基底置於吸盤上之後可用一傳感系統(如光學表面形貌拓撲測量系統)來準確地勘測基底的頂部表面。一旦知道了表面形貌拓撲，便操縱一列的壓電執行元件來矯正表面形貌拓撲的差異使基底的上表面呈現出小於1μm的平坦度。因為假定模板是用光學平面材料製成，這就導致模板與基底都是高質量的平坦表面。
可用圖5中的機械裝置來執行模板-基底界面的高解析度間隙控制。該裝置可控制兩個傾斜自由度(模板平面上大致正交的兩個軸)和模板的垂直平移自由度。實時測量模板與基底之間的間隙大小。這些實時測量值可用來識別有關傾斜自由度和垂直位移自由度所需的矯正模板動作。用寬帶光學幹涉儀方法可獲得三個間隙測量值，該儀器類似於用來測量薄膜和薄膜組厚度的儀器。這種電容式傳感方法也可用於測量此三個間隙。
鑑於這些描述，本發明各個方面的進一步的修改和替換的實施例對業內的技術人士將是顯而易見的。因此，該描述只是用作說明的，目的是教會技術人員執行本發明的一般方式。需要理解的是，此地顯示的和描述的本發明的各種形式將作為目前優選的實施例。元件和材料可代替這裡說明和描述的元件和材料，另件和工藝可變得相反，本發明的某些特點可被獨立運用，在得益於本發明的該描述之後，對技術技術人員來說所有都會是顯而易見的。只要不違反如下權利要求書所述的本發明的精神和範圍，對這裡所描述的各要素可以進行變化。
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權利要求
1.在基底上形成圖形結構的方法，它包括將可聚合組合物塗覆在該基底的表面上；將模板定位於近接該可聚合組合物，其中模板的至少一部分是導電的；以及在模板與基底之間施加電場，其中施加的電場產生靜電力，把一部分的可聚合組合物往模板吸引。
2.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述方法還包括使可聚合組合物聚合的過程。
3.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述可聚合組合物是一種液體。
4.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述可聚合組合物是一種低粘度液體。
5.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述可聚合組合物是一種低粘度液體，該可聚合組合物的粘度為當施加不到約1秒種時間的電場時在可聚合組合物中形成圖形。
6.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述方法還包括使可聚合組合物聚合，其中在使可聚合組合物發生聚合反應時在導電的模板和基底上施加電場。
7.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述模板對可見光和紫外光基本上是透明的。
8.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述基底對可見光和紫外光基本上是透明的。
9.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述模板還包含低表面能塗層。
10.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述模板還包含低表面能塗層，所述低表面能塗層是一含氟塗層。
11.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述可聚合組合物是熱固化組合物。
12.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述可聚合組合物是活化光固化組合物。
13.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述可聚合組合物包含光引發劑。
14.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述導電模板包含氧化銦錫。
15.如權利要求1的方法，其特徵在於，在模板和基底上施加電場使一部分可聚合組合物接觸部分模板。
16.如權利要求1的方法，其特徵在於，當在模板與基底上施加電場時，可聚合組合物被吸引往模板但不接觸模板。
17.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述方法還包括使可聚合組合物聚合，並蝕刻已聚合了的可聚合組合物。
18.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述基底是矽晶片。
19.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述基底是GaAs晶片。
20.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述基底是SiGeC晶片。
21.如權利要求1的方法，其特徵在於，所述基底是InP晶片。
22.一種基底，它包含有用權利要求1的方法形成的圖形結構。
23.一種在基底上形成圖形結構的方法，包括把可聚合組合物塗覆在基底的表面上；將導電模板定位於近接該可聚合組合物；以及在導電模板與基底之間施加電場，該施加的電場產生靜電力把一部分可聚合組合物往模板吸引。
24.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述方法還包括使可聚合組合物聚合。
25.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述方法還包括使可聚合組合物聚合，在使可聚合組合物聚合時，在導電模板和基底上施加電場。
26.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述可聚合組合物是一種活化光固化組合物。
27.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述模板對活化光基本上是透明的。
28.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述基底對活化光基本上是透明的。
29.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述模板還包含低表面能塗層。
30.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述模板還包含低表面能塗層，所述低表面能塗層是含氟塗層。
31.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述可聚合組合物是熱固化組合物。
32.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述導電模板包含氧化銦錫。
33.如權利要求23的方法，其特徵在於，在模板和基底上施加電場使一部分的可聚合組合物接觸部分的模板。
34.如權利要求23的方法，其特徵在於，當電場被施加到模板與基底時，可聚合組合物被吸引往模板但不接觸模板。
35.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述方法還包括使可聚合組合物聚合，並蝕刻已聚合的可聚合組合物。
36.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述基底是矽晶片。
37.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述基底是GaAs晶片。
38.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述基底是SiGeC晶片。
39.如權利要求23的方法，其特徵在於，所述基底是InP晶片。
40.一種基底，它包含採用權利要求23的方法形成的圖形結構。
41.一種在基底上形成圖形結構的方法，包括把液體可聚合組合物塗覆在基底的表面上；將模板定位於近接該可聚合組合物，其特徵在於，至少一部分的模板是導電的；以及在模板與基底之間施加電場，該施加的電場產生靜電力把一部分可聚合組合物往模板吸引。
42.如權利要求41的方法，其特徵在於，所述方法還包括使可聚合組合物聚合步驟。
43.如權利要求41的方法，其特徵在於，所述液體可聚合組合物是活化光固化組合物。
44.如權利要求41的方法，其特徵在於，所述液體可聚合組合物是低粘度液體。
45.如權利要求41的方法，其中液體可聚合組合物是低粘度液體，該液體可聚合組合物的粘度為當施加不到約1秒種時間的電場時，在可聚合組合物中形成圖形。
46.一種在基底上形成圖形結構的方法，包括把一種可聚合組合物塗覆在基底的表面上；向基底施加多個力，使基底的形狀發生改變；把一塊模板定位近接該可聚合組合物，其中至少一部分的模板是導電的；以及在模板與基底之間施加一電場，該施加的電場產生靜電力把一部分可聚合組合物往模板吸引。
47.如權利要求46的方法，進一步還包括使可聚合組合物發生聚合反應。
48.如權利要求46的方法，其中可聚合組合物是活化光固化組合物。
49.如權利要求46的方法，其中可聚合組合物是低粘度液體。
50.如權利要求46的方法，其中可聚合組合物是液體。
51.如權利要求46的方法，其中液體可聚合組合物是低粘度液體，該液體可聚合組合物的粘度為當電場被施加不到約1秒鐘的時間在可聚合組合物中形成圖形。
52.一種在基底上形成圖形結構的方法，包括把一種可聚合組合物塗覆在基底的表面上；將數個力施加在基底上使基底形狀改變；把一塊導電模板定位近接可聚合組合物；以及在導電模板與基底之間施加電場，該施加的電場產生靜電力把一部分可聚合組合物往模板吸引。
53.如權利要求52的方法，其特徵在於，所述方法還包括使可聚合組合物聚合步驟。
54.如權利要求52的方法，其特徵在於，所述可聚合組合物是活化光固化組合物。
55.如權利要求52的方法，其特徵在於，所述可聚合組合物是低粘度液體。
56.如權利要求52的方法，其特徵在於，所述可聚合組合物是液體。
57.如權利要求52的方法，其特徵在於，所述液體可聚合組合物是低粘度液體，該液體可聚合組合物的粘度為當施加不到約1秒鐘時間的電場時，在可聚合組合物中形成圖形。
58.一種改變基底形狀的裝置，包括夾具，構造成與基底連接並支撐著基底；數個與夾具連在一起的加壓裝置，其中加壓裝置被構造成向夾具施加形變力使得夾具的形狀在使用時發生變化；其中基底與夾具連在一起，使得在使用時基底的形狀基本上與夾具的形狀一致。
59.如權利要求58的裝置，其特徵在於，所述夾具包括真空吸盤。
60.如權利要求58的裝置，其特徵在於，所述加壓裝置包括壓電執行元件。
61.如權利要求58的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括一個探測器，構造成測量基底在使用中的平坦度。
62.如權利要求58的裝置，其特徵在於，所述基底是矽晶片。
63.如權利要求58的裝置，其特徵在於，所述基底是GaAs晶片。
64.如權利要求58的裝置，其特徵在於基底是SiGeC晶片。
65.如權利要求58的裝置，其特徵在於，所述基底是InP晶片。
全文摘要
描述了一種高生產能力的光刻過程，通過使用仔細控制的電場再令可聚合組合物固化，在可聚合的組合物中產生高解析度的圖形。該過程採用包含有所要圖形的模板。令該模板精密地近接基底上的可聚合組合物。在模板——基底的界面上施加外電場同時保持模板與基底之間存在均勻的仔細控制的間隙。這使得可聚合的組合物被吸引到模板的凸出部分。通過適當地選擇過程參數，如可聚合組合物的粘度，電場的大小和模板與基底之間的距離，在該液體中形成的結構的解析度可被控制成與模板結構的解析度一致。
文檔編號G03F7/00GK1729428SQ02810019
公開日2006年2月1日 申請日期2002年5月16日 優先權日2001年5月16日
發明者C·G·威爾森, S·V·斯裡尼維聖, R·T·博納卡茲 申請人:德克薩斯州大學系統董事會