大面積納米圖案化方法和設備的製作方法

2023-05-30 05:19:41 2

專利名稱：大面積納米圖案化方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及可用於將大型襯底或襯底，例如可作為軋制商品出售的膜圖 案化的納米圖案化方法。本發明的其它實施例涉及可用來將襯底圖案化的設備，並且該設 備可用來執行方法實施例，其中包括描述的方法實施例。
背景技術：
該節描述了涉及本發明的公開實施例的背景主題。沒有意圖，表示或暗示該節中 描述的背景技術在法律上構成現有技術的意圖。納米結構化(nanostructuring)對許多現在的應用和產業是必需的，並且對正在 發展的新技術是必需的。例如且不作為限制，可以為在例如太陽能電池和LED領域中的目 前應用，以及在下一代數據存儲裝置中的目前應用實現功效上的改善。納米結構化襯底可使用以下技術製作，例如電子束直寫(e-beam direct writing)、深紫夕卜光亥 Ij (De 印 UV lithography)、納米球光亥 Ij (nanosphere lithography)、 納米壓印光刻(nanoimprint lithography)、近場相移光刻(near-field phase shift lithography)，以及例如等離子體光刻(plasmonic lithography)。納米壓印光刻(NIL)通過壓印抗蝕劑(imprint resist)的機械變形，繼之以後 續工藝，來創建圖案。壓印抗蝕劑通常是在壓印期間通過加熱或通過UV光固化的單體 (monomeric)或聚合體(polymeric)劑型。NIL具有許多變化。然而，工藝中的兩種似乎是 最重要的。這些工藝是熱塑性(Thermoplastic)納米壓印光刻(TNIL)和步進與閃光(step and flash)納米壓印光刻(SFIL)。TNIL是最早且最成熟的納米壓印光刻。在標準TNIL工藝中，壓印抗蝕劑(熱塑性 聚合物)的薄層旋轉塗敷到樣品襯底上。然後將具有預定義拓撲圖案的模具與樣品接觸， 並在給定壓力下擠壓樣品。在加熱到高於熱塑性聚合物的非晶相變(glass transition) 溫度的溫度時，模具上的圖案壓入熱塑性聚合物膜熔體。在具有壓印模具的樣品冷卻後，模 具從樣品分離，並且壓印抗蝕劑留在樣品襯底表面上。圖案不穿過壓印抗蝕劑；有未變化 的熱塑性聚合物膜的剩餘厚度餘留在樣品襯底表面上。圖案轉移工藝，例如反應離子蝕刻 (reactive ion etching)，可用於將抗蝕劑中的圖案轉移到下層襯底。未改變的熱塑性聚 合物膜的剩餘厚度中的變化提出了問題，該問題涉及用來將圖案轉移到襯底的蝕刻工藝的 均勻性和優化。在SFIL工藝中，可固化的UV液體抗蝕劑應用於樣品襯底，並且模具由透明襯底， 例如熔融石英製成。在模具和樣品襯底擠壓到一起後，使用UV光固化抗蝕劑，並且抗蝕劑 變為固體。在模具從固化的抗蝕劑材料分離後，與在TNIL中使用的圖案相似的圖案可用來 將圖案轉移到下層樣品襯底。SFIL和TNIL工藝在將圖案轉移到下層襯底期間都存在許多 挑戰，包括樣板壽命、吞吐率、壓印層公差，以及臨界尺寸控制。在壓印工藝後餘留的剩餘非 壓印層需要在主圖案轉移蝕刻前的附加蝕刻步驟。由於在大面積上保持均勻壓力的問題， 單場OTL在控制在大表面積襯底上的複製的圖案的均勻性方面具有困難。分步重複方法可
4潛在地遮蓋大面積，但在每個步驟中形成的微結構都獨立於其它步驟，並且在沒有拼接的 情況下在大面積上形成無縫微結構或納米結構是問題。拼接誤差在重複的圖案轉移不正確 調準時發生。如果可獲得均勻圖案化的軋輥表面，那麼卷對卷(roll-to-roll)工藝是可能的。 日本的未經審查的專利公開，No. 59200419A，公開於1984年11月13日，其標題為「Large Area Exposure Apparatus」，在該專利公開中，Toshio Aoki等人描述了透明圓柱形滾筒 (cylindrical drum)的使用，該圓柱形滾筒可以與內部光源和附加在該圓柱形滾筒外面的 圖案化光掩模(photomask)材料膜一道旋轉和平移。透明的熱反射材料膜存在於滾筒內。 具有在其表面上的鋁膜和覆蓋鋁膜的光刻膠(photoresist)的襯底與在滾筒表面上的圖 案化光掩模接觸，並且成像光穿過光掩模，從而使光刻膠在鋁膜表面上成像。光刻膠隨後顯 影(developed)，從而提供圖案化光刻膠。然後圖案化光刻膠用作存在於襯底上的鋁膜的蝕 刻掩模。沒有涉及用作光掩模薄膜，或用作在鋁膜表面上的光刻膠的材料種類的描述。 高壓汞燈光源(500W)用來將覆蓋鋁膜的光刻膠成像。使用圓柱形滾筒圖案轉移設備， 產生大約為210mm(8. 3英寸)X 150mm(5. 9英寸)，並且厚度大約為0. 2mm(0. 008英寸) 的玻璃襯底。使用該技術轉移的圖案的特徵尺寸大約為500 μ m2，外觀上是具有大約為 22. 2 μ mX 22. 2 μ m尺寸的正方形。該特徵尺寸基於該專利申請在1984年提交時LED顯示 器的近似像素尺寸。在圓柱形滾筒外面的光掩模薄膜據說持續近140，000次圖案轉移。由 Toshio Aoki等人使用的接觸光刻方案不能產生亞微米特徵。在芬蘭的技術研究中心VTT的Tapio Makela等人公開了關於定製的(custom built)實驗室規模卷對卷壓印工具的信息，該工具用於製造具有高吞吐量的亞微米結構。 Hitachi和其它公司發展了片材或卷對卷的NIL原型機，並展示了處理15米長的片材的能 力。目的是使用皮帶壓型(鍍鎳模具)創建連續壓印工藝，從而為大型的幾何形狀應用，例 如燃料電池的隔膜(membranes)、電池和可能的顯示器壓印聚苯乙烯片材。目前該原型工具 不供給要求的吞吐量。另外，需要改善關於壓印表面的可靠性和可重複性。Toshiba也公開 了關於據說產生亞微米特徵尺寸的卷對卷UV壓印工具的信息。包括卷對卷OTL的納米壓印光刻技術仍必須克服許多挑戰。缺陷可由負片圖案的 不完全充滿和經常關於聚合物材料發生的收縮現象產生。模具和襯底之間熱膨脹係數的不 同導致側向應變，並且該應變集中在圖案的轉角。在脫模步驟期間，該應變在圖案的基礎部 分引起缺陷並導致斷口缺陷。另外，在壓印工藝後餘留的剩餘非壓印層的非均勻厚度對於 獲得在壓印抗蝕劑層下面的大面積襯底中的均勻蝕刻圖案特別有害。軟光刻是作為微米和納米製作方法的光刻的替代實施例。該技術涉及自組裝單 層(monolayers)的複製模塑。在軟光刻中，在其表面上具有圖案化浮雕結構的彈性印章 (stamp)用來生成特徵尺寸在30nm到IOOnm範圍內的圖案和結構。最有希望的軟光刻技 術是具有自組裝單層(SAMS)的微接觸印刷(yCP)。yCP的基本工藝包括1.將聚二甲 矽氧烷(polydimethylsiloxane)模具浸入特殊材料液，其中特殊材料能形成自組裝單層 (SAM)。這樣的特殊材料可稱為墨水。該特殊材料將突出圖案粘貼在PDMS主表面上。2.具 有面朝下的材料塗敷表面的PDMS模具與金屬塗敷的襯底的表面，例如金或銀塗敷的襯底 的表面接觸，因此僅PDMS模具表面上的圖案接觸金屬塗敷的襯底。3.特殊材料形成具有金屬的化學鍵，因此僅在突出的圖案表面上的特殊材料在PDMS模具移除後仍餘留在金屬塗 敷的表面上。特殊材料在金屬塗敷的襯底上形成SAM，該金屬塗敷的襯底在金屬塗敷的表面 上方延伸近一到兩納米(就像一張紙上的墨水)。4. PDMS模具從襯底的金屬塗敷的表面上 移除，在金屬塗敷的表面上留下圖案化SAM。在金或銀塗敷的表面上形成SAM的確定最好的(best-established)特殊材料 是烷基硫醇鹽(alkanethiolate)。在襯底表面含有端羥基基團(Hydroxyl-terminated moieties)，例如Si/Si02、AVAl2O3、玻璃、雲母，以及等離子處理(plasma-treated)的聚 合物時，烷基矽氧烷(alkysiloxanes)作為特殊材料效果良好。關於烷基硫醇鹽，在金 或銀的蒸發薄(10-200nm厚)膜上的十六烷基硫醇(hexadecanethiol)的μ CP似乎是 最可再生的工藝。雖然這些是執行圖案形成的最著名的材料，但金和銀與基於矽技術的 微電子裝置並不相容，儘管可以使用含金或銀的電極或導線。目前，在31/5102表面上的 矽氧烷(siloxanes)的SAMS的μ CP並不和在金或銀上的烷基硫醇鹽的SAMS —樣易加 工。在Si/Si02上的矽氧烷的SAMS經常提供混亂的SAM，並且在一些情況下生成亞單層 (submonolayers)或多層。最後，μ CP的可用圖案化模具為平坦的「印章」表面，並且在大 面積上的可再生且可靠的印刷不僅需要源自模具的印刷圖案的非常精確的拼接，還需要具 有形成SAM的特殊材料的印章持續溼潤，這是很有問題的。一些新的基於倏逝效應(evanescent effect)的近場光學光刻技術已經在印刷亞 IOOnm結構中表現出了優點，，儘管只是在小面積上。近場相移光刻NFPSL包括將光刻膠層 曝光於紫外(UV)光，該紫外光在彈性相位掩模與光刻膠共形接觸(conformal contact)時 穿過該掩模。將彈性相位掩模與光刻膠薄層接觸導致抗蝕劑「弄溼」掩模的接觸表面的表 面。在掩模與光刻膠接觸時，將UV光穿過該掩模使該光刻膠曝光於在掩模表面顯影的光強 度分布。在掩模具有經設計以η調整透射光相位的浮雕深度的情況下，強度中的局部零值 出現在浮雕的階躍邊緣。在使用正性光刻膠時，通過使這樣的掩模曝光，繼之以顯影，產生 寬度與強度中零值的特徵寬度相等的光刻膠的線條。對於結合常規光刻膠的365nm(近紫 外)光，強度中零值的寬度為接近lOOnm。PDMS掩模可用來形成與光刻膠的平坦固態層的 共形的原子尺度的接觸。該接觸在接觸上面發建立，沒有應用壓力。普遍的粘附力引導該 工藝，並提供校準掩模在垂直於光刻膠表面的方向上的角度和部位的簡單且方便的方法， 從而建立完美接觸。沒有關於光刻膠的物理縫隙。PDMS對波長大於300nm的UV光透明。 在PDMS與光刻膠層共形接觸時，將光從汞燈(其中主譜線為355-365nm)穿過PDMS使光刻 膠曝光於在掩模上形成的強度分布。在2006年的第32屆國際微米和納米工程會議上，Yasuhisa Inao在標題為 "Near-Field Lithography as a prototype nano-fabrication tool，，的報告中描述了由 Canon, Inc.發展的步進與重複近場納米光刻。近場光刻(NFL)被使用，其中圖案在掩模和 光刻膠之間轉移的距離儘可能的近。掩模和晶圓襯底之間的初始距離設定為大約50 μ m。 圖案化技術被描述為使用非常薄的光刻膠的「三層抗蝕劑工藝」。圖案轉移掩模附加到壓力 容器底部並增壓，從而在掩模和晶圓表面之間實現「完美的物理接觸」。該掩模「被變形從 而適於該晶圓」。掩模和晶圓之間初始的50 μ m距離據稱允許掩模移動到另一部位，以使大 於5mmX5mm的面積曝光和圖案化。圖案化系統利用源自作為光源的汞燈的i線(i-line) (365nm)輻射。具有小於50nm的結構的4英寸矽晶圓的成功圖案化通過這樣的步進與重複方法實現。在標題 % "Large-area pattering of 50nm structures on flexible substrates using near-field 193nm radiation" ^ ΚΦ, JVST B 21 (2002), ^ 78-81 頁，Kimz等人使用硬熔融石英掩模和深UV波長曝光，將近場相移掩模光刻應用於柔性片材 (聚醯亞胺膜)的納米圖案化。在標題為"Experimental and computational studies of phase shift lithography with binary elastomeric masks，，的隨後的文獻中，JVST B 24(2) (2006)，在828-835頁，Maria等人提出了使用與光刻膠層共形接觸的雙彈性相位掩 模的相移光刻技術的經驗的和計算的研究。該工作結合優化的掩模，該掩模通過將預聚合 物，鑄造和固化為貼在Si02/Si上的單晶矽的各向異性蝕刻結構的彈性體聚(二甲基矽氧 烷(dimethylsiloxane))來形成。作者報告了使用PDMS相位掩模，從而在掩模上的雕塑的 全部幾何形狀中形成抗蝕劑特徵的能力。Rogers等人的美國專利編號No. 6，753，131，公開於2004年6月22日，其標題 為"Transparent Elastomeric, Contact-Mode Photolithography Mask, Sensor, and Wavefront Engineering Element",該專利描述了接觸模式的光刻相位掩模，該光刻相位 掩模包括具有多個凹陷和凸出的衍射表面。將該凸出與正性光刻膠表面接觸，並且該表面 曝光於穿過相移掩模的電磁輻射。由於穿過和凸出相反的凹陷的輻射，相移基本完成。因 此電磁輻射強度的最小量在凹陷和凸出之間的邊界處產生。彈性掩模良好地符合光刻膠表 面，並隨著光刻膠的顯影，可獲得小於IOOnm的特徵。(摘要)在一個實施例中，反射板在襯 底和接觸掩模外部使用，所以輻射被反射到在移相的要求位置。在另一實施例中，襯底可用 導致相移掩模變形的方式成形，該變形在曝光期間影響相移掩模的特性。Rogers等人的美國專利申請公開No. U. S. 2006/0286488，公開於2006年12月21 日，其標題為「Methods And Devices For Fabricating Three-Dimensional Nanoscale Structures",該公開描述了在襯底表面上製作3-D結構的方法。該3-D結構可使用適合的 彈性相位掩模生成，該彈性相位掩模能夠與經受光學處理(從而產生該3-D結構)的輻射 敏感材料共形接觸。該3D結構不可完全貫穿輻射敏感材料。(摘要)近場表面等離子體光刻(NFSPL)利用近場激發引起光化學或光物理變化，從而產 生納米結構。主要的近場技術基於在以表面等離子體共振頻率照射金屬納米結構時，在金 屬納米結構周圍的局部場增強。等離子體印刷由等離子體的使用組成，該等離子體的使用 通過金屬納米結構引導倏逝波，從而在金屬結構下面的層中產生光化學和光物理變化。特 別地,接近g線光刻膠薄膜(源自德國Ulm的AZElectronic Materials, MicroChemicals GmbH的AZ-1813)的銀納米顆粒的可見曝光(λ = 41 Onm)可產生直徑小於λ/20的有選擇 曝光的區域。W. Srituravanich等人在標題為「Plasmonic Nanolithography」的文獻中， Nanoletters V4，N6 (2004)，在 1085-1088 頁描述了使用近 UV 光(λ = 230nm 250nm)在 金屬襯底上激發SP，從而通過亞波長周期孔徑用與激勵光波長相比有效較短的波長增強傳 輸。為在UV區中光刻設計的等離子體掩模由鑿有2維周期性孔陣的鋁層和兩個包圍鋁層 的絕緣層組成，鋁層每側都有一個絕緣層。由於鋁可以在UV區中激發SP，所以選擇鋁。石 英被用作掩模支持襯底，該掩模支持襯底具有充當鋁片粘合劑和鋁與石英之間的絕緣體的 聚(甲基丙烯酸甲酯)分隔層。由於聚(甲基丙烯酸甲酯)和石英對于波長為曝光波長 (波長為365nm的i線)的UV光的透明度和可比介電常數(石英和PMMA分別為2. 18和
72. 30)，聚(甲基丙烯酸甲酯)結合石英使用。在170nm周期上的亞IOOnm(Sub-IOOnm)點 陣列圖案使用波長365nm的曝光輻射成功生成。顯然圖案的全部面積大約為5 μ mX 5 μ m， 沒有論文中論述的可量測性問題。看來壓印方法(熱固化或UV固化)或使用具有SAM材料的印刷的軟光刻不是高 可製造性工藝。通常，由於熱處理(例如熱NIL)或關於聚合體固化的圖案特徵(UV固化的 聚合物特徵)收縮，壓印方法創建襯底材料的變形。此外，由於在印章和襯底之間應用壓力 (硬接觸)，缺陷基本上不可避免，並且印章壽命非常有限。軟光刻沒有熱印刷和無壓力印 刷技術中的優點。然而，由於在表面上的分子的漂移，所以將SAM用作「墨水」對於亞IOOnm 圖案化是很有問題的，並且將SAM用作「墨水」在大面積上應用還沒有在實驗上證明。

發明內容
本發明的實施例涉及大約200mm2到大約1，000, OOOmm2範圍內的大面積襯底的納
米圖案化中有用的方法和設備，該範圍僅是例子且不作為限制。在一些例子中，襯底可以是 具有給定寬度和未定義長度的銷售良好的膜。納米圖案化技術利用近場UV光刻，其中用來 將襯底圖案化的掩模與襯底動態接觸，或非常接近(在倏逝場中，小於IOOnm)襯底。近場 光刻可包括相移掩模或表面等離子體技術。使用描述的方法可獲得的特徵尺寸範圍是從大 約1 μ m降至大約lnm，並且範圍經常是從大約IOOnm降至大約lOnm。曝光設備的一個實施例包括相移掩模，該相移掩模的形式為在外表面上具有特殊 相移浮雕的UV透明的可旋轉掩模。在相移掩模技術的另一實施例中，通常是圓柱體的透 明可旋轉掩模可具有是相移掩模的聚合物膜，並且該掩模附加到該圓柱體的外表面上。在 難於獲得與襯底表面的優良且均勻的接觸，尤其是大的處理面積時，使聚合物膜成為通過 Van-der Waals力產生與襯底的出色共形接觸的共形彈性聚合物膜，例如PMDS是有利的。 聚合物膜相移掩模可由多個層構成，其中外層被納米圖案化，從而更精確地表現在輻射敏 感(光敏)層中規定的特徵尺寸。曝光設備的另一實施例採用軟彈性光掩模材料，例如PDMS膜，該軟彈性光掩模材 料具有在其表面中的一個上製作的非透明特徵，該表面附加到圓柱體外表面上。這樣的特 徵可以是使用本領域已知光刻技術中的一種在PDMS膜上產生的鉻特徵。在包括表面等離子體技術的曝光設備的實施例中，金屬層或膜層合併沉澱到通常 是透明圓柱體的可旋轉掩模的外表面上。金屬層或膜具有一系列特殊納米通孔。在表面等 離子體技術的另一實施例中，金屬納米顆粒層沉澱在透明可旋轉掩模的外表面上，從而實 現表面等離子體增強的圖案化。輻射源在透明圓柱體內部提供。例如且不作為限制，UV燈 可安裝在圓柱體內部。在可替換實施例中，輻射源可以放置在圓柱體外面，源自輻射源的光 線通過圓柱體的一端或兩端輸送到圓柱體內部。使用包括例如反射鏡、透鏡或其組合的光 學系統可以將源自圓柱體外或圓柱體內的輻射集中到圓柱體內的特定區域。使用光柵可 以將存在於圓柱體內的輻射集中到掩模襯底接觸區域。可以將輻射通過具有光柵的波導管 (waveguide)集中到掩模襯底區域(耦合的)。波導管或光柵通常放置在圓柱體內，從而將 輻射重集中到被成像的圓柱體外表面和襯底表面之間的接觸區域。在輻射的光源的特殊化實施例中，柔性OLED顯示器可圍繞可旋轉掩模外部附加， 從而從像素中的每個朝襯底發光。在該例子中，可旋轉掩模不需要是透明的。另外，通過控制OLED發出的光，轉移到襯底表面上的輻射敏感材料的特殊圖案可以根據應用生成。被轉 移的圖案可在不需要關閉生產線的情況下「在運行中」改變。使襯底或可旋轉掩模，例如圓柱體互相相對移動，有助於向輻射敏感材料提供圖 案轉移的高吞吐量，並提高納米圖案化表面區域的質量。在襯底靜止或襯底朝圓柱體移動 而圓柱體靜止時，圓柱體在襯底表面上旋轉。根據下面論述的原因，將襯底朝圓柱體移動是 有利的。能夠控制在襯底表面上的圓柱體和輻射敏感材料之間的接觸線(例如在存在於 圓柱體表面上的彈性納米圖案化膜和襯底表面上的光刻膠之間的接觸線)發生的力的量 是重要的。該圓柱體可由張緊裝置，例如補償圓柱體重量的彈簧支撐，從而控制該接觸線。 襯底或圓柱體(或兩者全部)互相朝著對方移動(向上或向下)，因此表面之間的間隔減 少，直到圓柱體表面和輻射敏感材料(例如，在襯底表面上的彈性納米圖案化膜和光刻膠) 之間產生接觸。彈性納米圖案化膜經Van-der Waals力創建具有光刻膠的聯結。然後襯底 部位(向下)移回彈簧伸長的部位，但彈性納米圖案化膜保持接觸光刻膠。然後襯底可朝 圓柱體移動，迫使圓柱體旋轉，保持在襯底表面上的彈性納米圖案化膜和光刻膠之間的動 態接觸。可替換地，圓柱體可旋轉並且襯底可獨立移動，但在同步移動中，圓柱體可旋轉並 且襯底可獨立移動在動態曝光期間確保自由滑移(slip-free)接觸。多個圓柱體可以結合到一個系統中，並且經排列以按序模式將襯底的輻射敏感表 面曝光，從而提供襯底表面的雙重、三重，以及多重圖案化。該曝光技術可用來提供更高分 辨率。圓柱體相關部位可由幹涉儀(interferometer)和適當的計算機化控制系統控制。在另一實施例中，曝光劑量可影響光刻，因此邊緣光刻(例如，其中可以形成狹窄 的特徵，該特徵符合PDMS掩模中相位的移動)可變為常規接觸光刻，並且成像的光刻膠中 的特徵尺寸可通過曝光劑量控制。通過控制輻射源功率或圓柱體轉速(曝光時間)，這樣控 制曝光劑量是可能的。在光刻膠中產生的特徵尺寸也可通過改變例如曝光輻射、光源的波 長來控制。在圓柱體上的掩模可以與襯底移動方向成一定角度取向。這使得圖案能在與襯底 相反的不同方向上形成。兩個或更多的圓柱體可以放置在序列中，從而使2D圖案化成為可 能。在另一實施例中，透明圓柱室不必是堅硬的，但可以由可用光學透明氣體加壓的 柔性材料形成。掩模可以是圓柱牆或可以是存在於圓柱牆表面上的共形材料。這允許圓柱 體在與襯底表面共形接觸時在不平坦的襯底上滾動。


因此根據上面提供的特別描述，並根據提供了圖解視圖的示範性實施例、申請者 的詳述，在方法中得到本發明的示範性實施例的方法是明確的並可詳細理解。人們會認識 到，視圖僅在需要理解本發明的示範性實施例時提供，而且某些著名的工藝和設備並未在 此圖解，以免本公開的主題的發明性質晦澀。圖IA示出在襯底材料大面積圖案化中有用的設備100的一個實施例的剖面圖，其 中輻射透明的圓柱體106具有中空的內部104，輻射源102存在於該內部104中。在該實 施例中，圓柱體106的外表面111通過特殊表面浮雕112圖案化。圓柱體106在覆蓋襯底110的輻射敏感材料108上面滾動。圖IB示出圖IA中圖解的設備和襯底的俯視圖，其中輻射敏感材料108已被穿過 表面浮雕112的輻射(未示出)成像109。圖2示出在襯底材料大面積圖案化中有用的設備200的另一實施例的剖面圖。在 圖2中，襯底是膜208，在膜208從卷211運動到卷213時，在該膜208上的圖案被穿過在 第一(透明)圓柱體206上的表面浮雕212的輻射成像。第二圓柱體215在膜208的背部 209上提供，從而控制膜208和第一圓柱體206之間的接觸。圖3示出在襯底材料大面積圖案化中有用的設備300的另一實施例的剖面圖。在 圖3中，襯底是從卷311運動到卷313的膜308。具有表面浮雕312的第一透明圓柱體306 用來將膜308的頂部310圖案化，而具有表面浮雕332的第二透明圓柱體326用來將膜308 的底部309圖案化。圖4A示出包括具有內部輻射源402的空心區域404的透明圓柱體406的實施例 400的剖面圖。表面浮雕區域412是包括具有在近場光刻中特別有用的圖案化表面413的 聚合物膜415的共形結構。圖4B示出表面413的放大，該表面413是在聚合物基材料415上面的表面浮雕聚 合物結構413。在圖4B中，聚合物基材料415可以是與圖案化表面材料413相同的聚合物 材料，或可以是與圖案化表面材料413不同的聚合物材料。圖5A示出存在於中空的透明圓柱體506上的表面浮雕512的可替換實施例500 的剖面圖。圖5B示出表面浮雕512的放大，該表面浮雕512是通過一系列納米孔513圖案化 的薄金屬層514，其中該金屬層在中空的透明圓柱體506的外表面511上面應用。圖5C示出可用在透明圓柱體506的表面上的可替換表面浮雕522。表面浮雕522 由金屬顆粒526形成，該金屬顆粒526可直接應用在中空的透明圓柱體506的外表面511 上，或可應用在附加到中空的透明圓柱體506的外表面511的透明膜524上。圖6A是具有圖案化表面608的透明圓柱體604的三維示意圖600，其中使用作為 彈簧圖解的張緊裝置602將圓柱體604懸掛在襯底610上面。圖6B是實施例620的示意圖，其中用來實現成像的輻射從在圓柱體604外部的輻 射源612供應，輻射在圓柱體604的中空部分裡面內部分布615和616。圖6C是實施例630的示意圖，其中用來實現成像的輻射從外部輻射源612供應， 該輻射聚焦617到波導管618內，並從波導管618分布到存在於圓柱體604內表面601上 的光柵621。圖6D是實施例640的示意圖，其中用來實現成像的輻射從兩個外部輻射源612A 和612B供應，並且在存在於圓柱體604內表面601上的光柵621上分別聚焦621和619。圖7A是示出多個圓柱體，例如兩個圓柱體702和704的使用的示意圖，例如，連續 提供可用來獲得例如更高解析度的多重圖案化。圖7B是剖面示意圖，示出在輻射敏感材料710成像和顯影后由第一圓柱體702創 建的圖案706。改變的圖案708在輻射敏感材料710成像和顯影之後，其中改變的圖案708 通過使用與第二圓柱體704結合的第一圓柱體702創建。圖8示出可變形圓柱體800的剖面示意圖，使用供應光學透明氣體的設備813向
10該可變形圓柱體800的內部804加壓。可變形圓柱體800的外表面811可以是適合材料的 納米圖案化/納米結構膜812，該膜812可以在不平坦的襯底805上滾動，因此源自輻射源 802的輻射可以精確地應用在襯底805的表面816上。
具體實施例方式作為詳述的前言，應該指出，在該說明書和權利要求中使用的單數形式「一」、「一 個」，以及「該」包括複數對象，在上下文中明確指定的除外。當單詞「大約」在此使用時，這意指表示提出的標稱值精確到士 10 %範圍內。本發明的實施例涉及在大面積襯底的納米圖案化中有用的方法和設備，其中掩模 用於將輻射敏感材料成像。通常旋轉掩模包含圓柱體。納米圖案化技術利用近場光刻，其 中用來將在襯底上的輻射敏感層成像的輻射的波長為438nm或更短，並且其中用來將襯底 圖案化的掩模與襯底接觸。近場光刻可利用相移掩模，或利用在透明旋轉圓柱體的表面上 的納米顆粒，或可採用等離子體技術，其中在旋轉圓柱體表面上的金屬層包含納米孔。下面 提供的詳述僅是可以被閱讀了此公開的本領域技術人員理解的可能性的樣本。儘管用來在輻射敏感材料層內生成納米圖案的旋轉掩模可具有任意有益的配置， 並且下面描述了許多這些有益的配置，但中空的圓柱體在以最低的維護成本製造成像的襯 底方面特別有利。圖IA示出在襯底材料大面積圖案化中有用的設備100的一個實施例的 剖面圖，其中輻射透明的圓柱體106具有中空的內部104，輻射源102存在於該內部104中。 在該實施例中，圓柱體106的外表面111通過特殊表面浮雕112圖案化。圓柱體106在覆蓋 襯底110的輻射敏感材料108上面滾動。圖IB示出圖IA中圖解的設備和襯底的俯視圖， 其中輻射敏感材料108已被穿過表面浮雕112的輻射(未示出)成像109。圓柱體以箭頭 118示出的方向旋轉，並且源自輻射源102的輻射穿過存在於旋轉圓柱體106的外表面103 上的納米圖案112，從而將在襯底108上的輻射敏感層(未示出)成像，在該輻射敏感層內 提供成像的圖案109。輻射敏感層基本上顯影，從而提供在襯底108的表面上的納米結構。 在圖IB中，可旋轉圓柱體106和襯底120被示出彼此相對獨立驅動。在另一實施例中，襯 底120可維持與可旋轉圓柱體106的動態接觸，並且以朝著或遠離可旋轉圓柱體106的接 觸表面的方向移動，從而向另外的靜止的可移動圓柱體106提供移動。在另一實施例中，當 襯底靜止時，可旋轉圓柱體106可以在襯底120上旋轉。特殊表面浮雕112可以蝕刻到透明旋轉圓柱體106的外表面內。在可替換實施例 中，特殊表面浮雕112可存在於粘附到透明旋轉圓柱體106外表面的聚合物材料膜上。該 聚合物材料膜可通過將聚合物材料沉澱到模具(母板)上產生。該母板，例如在矽襯底上 創建的母板，通常使用將圖案電子束直寫到存在於矽襯底上的光刻膠內。隨後該圖案蝕刻 到矽襯底內。然後在矽母板模具上的圖案複製到沉澱在模具表面上的聚合物材料內。該聚 合物材料優選為共形材料，該共形材料展示出足夠的硬度，從而在用作與襯底相對的接觸 掩模時耐用，但該共形材料也可產生與在襯底表面上的輻射敏感材料的出色接觸。該共形 材料通常用作轉移掩蔽材料的一個例子是PDMS，該PDMS可以在母板模具表面上鑄造，用UV 輻射固化，並且從模具上剝落，從而產生模具表面的出色複製。圖2示出在襯底材料大面積圖案化中有用的設備的另一實施例的剖面圖200。在 圖2中，襯底是膜208，在膜208從卷211運動到卷213時，在該膜208上的圖案被穿過在
11第一(透明)圓柱體206上的表面浮雕212的輻射成像。第二圓柱體215在膜208的背部 209上提供，從而控制膜208和第一圓柱體206之間的接觸。輻射源202存在於在透明圓柱 體206裡面的中空空間204內，該輻射源202可以是提供波長為365nm或更短的輻射的汞 蒸氣燈或其它輻射源。表面浮雕212可以是例如相移掩模，其中該掩模包括具有多個凹陷 和凸出的衍射表面，如背景技術中所述。該凸出與正性光刻膠(輻射敏感材料)的表面接 觸，並且該表面通過相位掩模曝光於電磁輻射。由於穿過與凸出相反的凹陷的輻射，相移基 本完成。因此電磁輻射強度中的最小量在凹陷和凸出之間的邊界處產生。彈性相位掩模良 好地符合光刻膠表面，並且繼之以光刻膠的顯影，可獲得小於IOOnm的特徵尺寸。圖3示出在襯底材料大面積圖案化中有用的設備的另一實施例的剖面圖300。襯 底是從卷311運動到卷313的膜308。在膜308的頂部310和底部309上都具有輻射敏感 層(未示出)。具有包括輻射源302的空心304的第一透明圓柱體306具有表面浮雕312， 該第一透明圓柱體306用於將膜308的頂部310圖案化。具有包括輻射源332的空心324 的第二透明圓柱體326具有表面浮雕332，該第二透明圓柱體326用於將膜308的底部309 圖案化。圖4A示出包括具有內部輻射源402的空心區域404的透明圓柱體406的實施例 的剖面圖400。表面浮雕412是包括具有對於近場光刻特別有用的圖案化表面413的聚合 物膜415的共形結構。圖案化表面413的聚合物材料需要足夠堅硬，以使圖案接觸襯底表 面從而在合適位置成像。同時，聚合物材料必須符合被成像的輻射敏感材料(未示出)的表面。圖4B示出表面413的放大，該表面413是在聚合物基材料415上面的表面浮雕聚 合物結構413。在圖4B中，聚合物基材料415可以是與圖案化表面材料413相同的聚合物 材料，或可以是與圖案化表面材料413不同的聚合物材料。透明的共形材料，例如矽樹脂 (silicone)或PDMS，例如，可以結合材料的更堅硬的透明覆蓋層用作聚合物膜415，該材料 例如具有不同的混合組成比的PDMS，或例如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。這提供了圖案化表面 413，該圖案化表面413幫助避免與在襯底(未示出)的輻射敏感表面上的位置接觸的特徵 的失真，儘管聚合物基底材料通常同時提供具有該襯底的一致性。圖5A示出具有包括輻射源502的空心區域504的透明圓柱體506的剖面圖500， 其中表面511表示表面浮雕512的可替換實施例。圖5B示出表面浮雕512的放大，該表面 浮雕512是通過一系列納米孔513圖案化的薄金屬層514，其中金屬層存在於中空的透明 圓柱體506的外表面511上。該金屬層可以是粘附到透明圓柱體506的外表面的圖案化 層。在可替換實施例中，通過蒸發或濺射或本領域另一已知技術，金屬層可沉澱在透明圓柱 體表面上，於是隨後可以用雷射蝕刻或燒蝕，從而提供圖案化的金屬外表面511。圖5C示 出可用在透明圓柱體506表面上的可替換表面浮雕522。表面浮雕522由金屬顆粒526形 成，該金屬顆粒526可應用在中空的透明圓柱體506的外表面511上，或可應用在附加到中 空的透明圓柱體506的外表面511的透明膜524上。圖6A是具有圖案化表面608的透明圓柱體604的三維示意圖600。輻射源(未 示出)存在於透明圓柱體604內部。透明圓柱體604使用作為彈簧在圖解600中示出的張 緊裝置602懸掛在襯底610上面。機械工程領域專業技術人員會熟悉許多張緊裝置，該許 多張緊裝置可用來獲得在透明圓柱體604的外表面608和襯底610的表面之間的接觸的合適量。在使用圖6A中示出的設備的一個實施例方法中，該設備用來將輻射敏感材料(未 示出)在襯底610上成像，其中襯底610是在圖2中示出的該種卷對卷系統上供應和收回 的聚合物膜。透明圓柱體604朝聚合物膜襯底下降(或聚合物膜襯底上升)，直到與輻射 敏感材料產生接觸。通常是彈性體的聚合物膜創建與輻射敏感材料聯結的Van-der-Walls 力。然後透明圓柱體604可以上升(或聚合物膜下降)到透明圓柱體604的表面608和輻 射敏感材料表面之間保持接觸的部位，但兩個表面之間的張力是設置在表面608上最小的 力。這使得在透明圓柱體604的表面608上使用非常精細的納米圖案化特徵成為可能。在 襯底610開始移動時，透明圓柱體604也會移動，迫使透明圓柱體604旋轉，保持輻射敏感 材料和下層聚合物膜襯底610之間的動態接觸。在動態曝光的任何時候，圓柱體和光敏層 之間的接觸被限制為一條窄線。由於例如在圓柱體外表面上的彈性膜和在襯底上的輻射敏 感(光敏)層之間的強Van-der Waals力，在全部工藝中接觸始終保持均勻，並且沿在圓柱 體表面上的掩模(長度)的全部寬度保持均勻接觸。在Van-der Waals力不在圓柱體接觸 表面和光敏層之間提供足夠強的粘附力的例子中，可以使用致動(旋轉)圓柱體，該致動圓 柱體使用與襯底的平移同步的步進馬達。這提供了聚合物圓柱體表面材料或其它圓柱體表 面材料的自由滑移曝光工藝，該圓柱體表面材料不提供關於襯底的強粘附力。圖6B是實施例620的示意圖，其中用來實現成像的輻射從在圓柱體604外部的輻 射源612供應，輻射在圓柱體604的中空部分裡面內部分布615和616。該輻射可以被引導 朝向各種透鏡、反射鏡或其組合的襯底608的輻射敏感材料表面(未示出)，穿過透明圓柱 體604，穿過圖案化掩模表面608。圖6C是實施例630的示意圖，其中用來實現輻射敏感材料成像的輻射從在透明圓 柱體604外部的位置供應。外部輻射源612聚焦617到波導管618內，並從波導管618分 布到存在於圓柱體604內表面601上的光柵620。圖6D是實施例640的示意圖，其中用來實現成像的輻射從兩個外部輻射源612A 和612B供應，並且在存在於圓柱體604內表面601上的光柵620分別聚焦621和619。圖7A是示出多個圓柱體，例如兩個圓柱體702和704的使用的示意圖700，例如， 連續提供可用於獲得例如更高解析度的多重圖案化。例如可以使用源自與計算機化控制系 統(未示出)結合的幹涉儀(未示出)的數據來控制圓柱702和704的相關部位。圖7B是剖面示意圖720，示出在輻射敏感材料710成像和顯影后由第一圓柱體 702創建的圖案706。改變的圖案708在輻射敏感材料710成像和顯影之後，其中改變的圖 案708通過使用與第二圓柱體704結合的第一圓柱體702創建。圖8示出可變形圓柱體800的剖面示意圖，使用供應光學透明氣體，例如氮氣的設 備813向該可變形圓柱體800的內部804加壓。可變形圓柱體800的外表面811可以是適 合材料的納米圖案化/納米結構膜812，該膜812可以在不平坦的襯底805上滾動，因此源 自輻射源802的輻射可以精確地應用在襯底805的表面816上。在另一實施例中，折射率高於可在圓柱體表面和輻射敏感(例如，光敏)材料之間 使用的折射率的液體存在於襯底表面上。例如，可以使用水。這增強了在光敏層中的圖案 特徵的對比度。儘管已經為上面的多個實施例詳細描述本發明，但本發明的範疇和精神內的各種 改變對本技術領域專業技術人員來說是明顯的。因此，本發明的範疇應該由權利要求界定。
權利要求
一種近場納米光刻的方法，包含a)提供襯底，所述襯底具有在所述襯底表面上的輻射敏感層；b)提供可旋轉掩模，所述可旋轉掩模具有在所述可旋轉掩模的外表面上的納米圖案；c)使所述納米圖案與所述襯底表面上的所述輻射敏感層接觸；d)使所述可旋轉掩模在所述輻射敏感層上面旋轉時，通過所述納米圖案將輻射分布，由此在所述輻射敏感層中創建具有範圍從小於1μm下至大約1nm的特徵尺寸的圖像。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述特徵尺寸的範圍是從大約IOOnm下至大約 IOnm0
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述輻射的波長為436nm或更小。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述納米圖案是可適合納米圖案，其適合於所述 襯底表面上的所述輻射敏感層。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述可適合納米圖案是成形的聚合物材料或納米 結構的聚合物材料。
6.根據權利要求3所述的方法，其中所述可旋轉掩模是導致輻射在所述輻射敏感層中 形成幹涉圖案的相移掩模。
7.根據權利要求3所述的方法，其中所述掩模採用表面等離子體特性。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述可旋轉掩模是圓柱體。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述圓柱體具有柔性壁，由此所述圓柱形可因接 觸所述襯底表面而變形。
10.根據權利要求9所述的方法，其中光學透明氣體被用於充滿所述圓柱體。
11.根據權利要求3所述的方法，其中所述可旋轉掩模是透明圓柱體，由此輻射可從所 述圓柱體的內部位置傳輸。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述掩模是作為浮雕存在於所述透明圓柱體的 表面上的相移掩模。
13.根據權利要求11所述的方法，其中所述掩模是存在於在所述圓柱體表面上方應用 的層上的相移掩模。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述相移掩模由多個層組成，並且外層被納米 圖案化，從而更精確地表現在所述光敏層中規定的特徵尺寸。
15.根據權利要求8所述的方法，其中在來自所述圓柱體的所述接觸表面的輻射的分 布期間，所述襯底維持與所述可旋轉圓柱體的動態接觸，並以朝向或遠離所述可旋轉圓柱 體的接觸表面的方向移動。
16.根據權利要求8所述的方法，其中所述圓柱體在所述襯底靜止時在所述襯底上旋轉。
17.根據權利要求1到權利要求16中任意一項所述的方法，其中多個旋轉掩模與輻射 敏感層接觸。
18.根據權利要求1所述的方法，其中所述可旋轉掩模和所述襯底表面使用步進馬達 和機動化襯底平移機械獨立移動，並且其中所述可旋轉掩模和所述襯底的移動互相同步， 由此實現所述輻射敏感層的無滑移接觸曝光。
19.根據權利要求1或權利要求18所述的方法，其中液體被供應到所述可旋轉掩模和所述襯底表面之間的界面。
20.一種執行近場光刻的設備，包含a)可旋轉掩模，在所述可旋轉掩模外表面上具有納米圖案；b)輻射源，在所述納米圖案與材料的輻射敏感層接觸時，所述輻射源從所述納米圖案 供應波長為436nm或更小的輻射。
21.根據權利要求20所述的設備，其中所述可旋轉掩模是透明的。
22.根據權利要求21所述的設備，其中所述可旋轉掩模是相移掩模。
23.根據權利要求21所述的設備，其中所述可旋轉掩模採用使用表面等離子體技術生 成的輻射。
24.根據權利要求22所述的設備，其中所述掩模的表面包含包括納米孔的金屬層。
25.根據權利要求20到權利要求24中任意一項所述的設備，其中所述可旋轉掩模是圓 柱體。
26.根據權利要求25所述的設備，其中所述圓柱體是柔性圓柱體。
27.根據權利要求26所述的設備，其中所述柔性圓柱體充滿光學透明氣體。
28.根據權利要求25所述的設備，其中多個圓柱體存在於排列中，因此所述多個圓柱 體依次越過襯底。
29.根據權利要求25所述的設備，其中存在多個圓柱體，並且其中圓柱體存在於由所 述設備成像的襯底的頂部和底部。
30.根據權利要求29所述的設備，其中傳輸成像輻射的至少一個圓柱體存在於由所述 設備成像的襯底的頂部和底部。
31.根據權利要求20所述的設備，其中可旋轉掩模由張緊裝置懸掛在所述襯底上面， 所述張緊裝置可以被調節，從而控制施加到與所述可旋轉掩模接觸的表面的力的大小。
全文摘要
本發明的實施例涉及在大面積襯底的納米圖案化中有用的方法和設備，其中可旋轉掩模用來將輻射敏感材料成像。可旋轉掩模通常包含圓柱體。納米圖案化技術利用近場光刻，其中用來使襯底圖案化的掩模與襯底動態接觸。近場光刻可利用彈性相移掩模，或可採用表面等離子體技術，其中可旋轉圓柱體表面包含金屬納米孔或納米顆粒。
文檔編號H01L21/027GK101911249SQ200880124519
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月18日 優先權日2008年1月22日
發明者B·柯賓, B·沃爾夫, I·蘭道 申請人:羅利詩公司