CN101073034A - 固定温度下压印光刻方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将图案从具有有结构的表面(11)的模板(10)转移到承载了受辐射而固化的材料表面层(14)的基板(12)的方法，包含：将所述模板和基板在压印设备中布置成相互平行，所述有结构的表面面向所述表面层；使用加热装置(20)将该模板和该基板加热到温度Tp；以及在维持所述温度Tp的同时执行步骤：将该模板压向该基板以将所述图案压印到所述层中；将所述层曝光于辐射(19)以固化该层；以及后烘焙该层。

Description

固定温度下压印光刻方法
技术领域
本发明涉及用于在微米或纳米尺度上压印光刻结构的方法。具体而言，本发明涉及在固定温度下的固定温度压印光刻以改善精度。
背景技术
微电子以及微机械的趋势是朝向越来越小的尺寸发展。用于制造微米或亚微米结构的一些最令人感兴趣的技术包含不同类型的光刻。
光刻通常涉及使用光敏抗蚀剂材料涂敷基板以在基板表面上形成抗蚀剂层的步骤。该抗蚀剂层随后在选定部分，优选地通过使用掩模，曝光于辐射。后续显影步骤除去部分抗蚀剂，由此在抗蚀剂内形成对应于该掩模的图案。除去部分抗蚀剂则暴露基板表面，该表面可通过蚀刻、掺杂或金属化进行处理。对于精细尺度的复制，光刻受到衍射的限制，这种衍射依赖于所使用的辐射的波长。为了制备尺度小于50nm的结构，需要短波长，使得对于光学系统的材料要求变得突出。
一种备选技术为压印技术。在压印光刻工艺中，待图案化的基板被可模压(mouldable)层覆盖。在印模(stamp)或模板上预先三维地定义待转移到基板的图案。该模板与可模压层接触，该层优选地通过加热被软化。该模板随后被压到软化层中，由此在该模压层中形成该模板图案的压印。该层被冷却直到硬化至满意的程度，之后分离和除去该模板。可采用后续蚀刻以复制该基板内的模板图案。对结合的模板和基板进行加热和冷却的步骤会引起接合表面内由于热膨胀所致的移动。压印的面积越大，实际的膨胀和收缩越大，这使得对更大的表面积进行压印工艺变得更加困难。
Willson等在美国专利No.6334960中以及Mancini等在美国专利6,387,787中提出了一种不同形式的压印技术，通常称为分步和闪光(step andflash)压印技术。与上文简述的压印技术相似，该技术涉及具有有结构的表面的模板，该有结构的表面定义了待转移到基板的图案。该基板覆盖了一层可聚合的流体、预聚物，其中模板被压到该预聚物层内，使得液体填充该图案结构内的凹形。由对于辐射波长范围是透明的材料制成该模板，该辐射波长范围可用于聚合该可聚合的流体，典型地为紫外光。通过模板将辐射施加于该液体，液体固化。该模板随后被移除，之后该模板的图案被复制在由聚合液体形成的固态聚合物材料层内。进一步的工艺将该固态聚合物材料层内的结构转移到基板。
University of Texas System董事会的WO 02/067055公开了一种用于应用分步和闪光压印技术的系统。其中，该文件涉及生产规模的分步和闪光设备设备，也称为步进仪(stepper)。这种设备中使用的模板具有透明材料的刚性体，典型地为石英。由挠曲部件将模板制成在该步进仪内，该挠曲部件允许模板绕X和Y轴旋转，该X和Y轴在平行于待压印基板表面的平面内相互垂直。该机构还涉及用于控制模板和基板之间的平行度和间隙的压电致动器。然而，这种系统无法在单一压印步骤中处理大的基板面积。市场上提供的一种分步和闪光系统为IMPRIO 100，是由Molecular Imprints，Inc，1807-CWest Braker Lane，Austin，Tx 78758，U.S.A提供的。该系统的模板图像面积为25×25mm，马路宽度(street width)为0.1mm。尽管这种系统能够处理大到8英寸的基板晶片，必须通过下述步骤重复该压印工艺：使用X-Y平移台提高模板，侧向移动模板，以及将模板再次降低到基板。此外，对于各个这些步骤，必须执行再次对准以及重新分配可聚合的流体。因此这种技术非常耗时，且对于大规模生产而言不是最优的。此外，除了重复对准误差以及对平移台的高精度要求的问题之外，这种技术还遭受如下缺点，即，无法生产面积大于所述模板尺寸的连续结构。总之，这意味着这种技术的生产成本太高，不会令人兴趣地将其用于精细结构器件的大规模生产。
对于紫外辅助压印的现有技术的另一个缺点为，在许多情况下期望使用不透明的模板。镍由于其优良的材料性能而通常被用做模板材料。然而，镍模板当然是不透明的，因此必须通过基板供给紫外辐射。这种情况下，可以使用例如玻璃或石英或者合适的塑料材料的基板。此外，在模板和基板中使用不同材料通常意味着他们具有不同的热膨胀系数。这又会在加热和冷却步骤期间引发问题，限制该工艺的精度。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种方法和装置，用于改善包含微米或纳米尺度三维特征的结构的制造。该目标的方面涉及提供一种以改进的精度将图案转移到基板的改善的方法、涉及简化的生产工艺的方法、以及可以在宽度为1英寸以上，甚至是直径为8英寸、12英寸及更大的基板上压印的连续结构的方法。
根据本发明，通过用于将图案从具有有结构的表面的模板转移到承载了受辐射而固化的材料表面层的基板的方法而实现该目标，该方法包含：
将所述模板和基板在压印设备中布置成相互平行，所述有结构的表面面向所述表面层；
使用加热装置将该模板和该基板加热到温度Tp；以及
在维持所述温度Tp的同时执行步骤：
将该模板压向该基板，从而将所述图案压印到所述层中；
将所述层曝光于辐射以固化该层；以及
后烘焙该层。
在一个实施例中，所述材料为可交联的热塑性聚合物，其玻璃温度为Tg，且其中Tp大于Tg。
在一个实施例中，所述材料为紫外可交联的热塑性聚合物，其玻璃温度为Tg，其中温度Tp大于温度Tg且其中所述辐射为紫外辐射。
在一个实施例中，所述材料被光化学放大。
在一个实施例中，该方法包含：
在将所述模板和基板布置成相互平行之前，通过旋涂所述材料而将所述表面层涂敷到该基板上。
在一个实施例中，所述材料为紫外固化热塑性预聚物，且其中所述辐射为紫外辐射。
在一个实施例中，该方法包含：
将该模板和该基板夹在阻挡构件(stop member)和柔性膜第一例之间，且其中
将该模板压向该基板涉及对该膜的第二侧上的介质施加过压，以实现。
在一个实施例中，所述介质包含气体。
在一个实施例中，所述介质包含空气。
在一个实施例中，所述介质包含液体。
在一个实施例中，所述介质包含凝胶。
在一个实施例中，该方法包含：
通过所述模板向所述层发射辐射，该模板对于用于固化所述材料的辐射的波长范围是透明的；以及
通过直接接触所述加热装置而加热所述基板。
在一个实施例中，该方法包含：
通过所述基板向所述层发射辐射，该基板对于用于固化所述材料的辐射的波长范围是透明的；以及
通过直接接触所述加热装置而加热所述模板。
在一个实施例中，该方法包含：
通过所述膜向所述层发射辐射，该膜对于用于固化所述材料的辐射的波长范围是透明的。
在一个实施例中，该方法包含：
通过所述膜并通过与所述膜相对的透明壁向所述层发射辐射，该壁界定了用于所述介质的腔体的后壁，该后壁和膜对于用于固化所述材料的辐射的波长范围是透明的。
在一个实施例中，曝光所述层的步骤包含：
从辐射源发射波长范围为100至500nm的辐射。
在一个实施例中，该方法包含：
发射脉冲持续时间范围为0.5至10μs且脉冲速率范围为1至10个脉冲每秒的脉冲辐射。
在一个实施例中，该方法包含：
在将所述模板和基板布置在所述阻挡构件和所述柔性膜之间之前，将所述基板和模板夹持(clamp)在一起。
在一个实施例中，该方法包含：
在将所述层曝光于辐射之前，在所述模板和所述基板之间施加真空，从而从所述表面层提取空气夹杂。
在一个实施例中，所述有结构的表面包含界定图案的凸起，这些凸起对于所述辐射是不透明的，由此将所述层曝光于辐射的步骤涉及固化所述层的介于所述凸起之间的部分。
在一个实施例中，所述凸起包含不透明材料层。
在一个实施例中，不透明材料层被涂敷在所述凸起上作为最外层。
在一个实施例中，温度Tp介于50至250℃的范围内。
附图说明
将参考附图在以下更详细地描述本发明，在附图上：
图1-3示意性示出了将图案从模板转移到基板的主要工艺步骤，其中通过透明模板施加辐射以在基板表面上固化可聚合的流体；
图4-6示意性示出了将图案从模板转移到基板的对应工艺步骤，其中通过透明模板施加辐射以在基板表面上固化可聚合的流体；
图7示意性示出了根据本发明的实施例的设备，用于进行一般如图1-3或4-6所述的工艺；
图8示意性示出了在该工艺的初始步骤装载有模板和基板时的图7的设备；
图9示出了在将图案从模板转移到基板的有效工艺步骤的图7和图8的设备；
图10-12示出了根据本发明的压印工艺的替换实施例；和
图13-14示出了采用根据本发明的单一压印步骤的压印的2.5”基板的测试结果，AFM照片分别接近基板的中心和边缘摄取。
具体实施方式
一般而言，本发明涉及一种通过在基板的表面上的模板的表面上产生结构的浮雕像而将图案从模板转移到基板的方法。模板的表面和基板的表面在本工艺中一般彼此平行排列，且通过将有结构的模板表面压入设置于基板表面上的可成形层中从而实现图案的转移。可成形层被处理以固化，从而其形状被迫使以类似模板的表面。其后可以从基板和其层去除模板，现在所述层是模板的反转形貌复制物。为了固定基板中的转移的图案，可需要进一步处理。通常，进行湿法或干法蚀刻来选择性地在被固化层下的基板的表面，由此将固化的层中的图案转移到基板表面。这些是现有技术，且在现有技术的文献中得到详细描述，比如前述的美国专利No.6334960。
图1-3示意性表现了本发明的实施例的实际图案转移步骤、或压印步骤的基本工艺步骤。
在图1中，示出了模板10，模板表面11具有结构，其中形成了三维凸起和凹形，高度和宽度的特征尺寸在1nm到几μm的范围内，且可能更小和更大。模板10的厚度通常在10和1000μm之间。基板12具有表面17，其基本平行于模板表面11排列，在图1所述的初始步骤在表面之间具有中间的间距。基板12包括基板基体13，对其将转移模板表面11的图案。虽然未显示，基板还可以包括基板基体13下的支撑层。在通过聚合物材料中的压印从而模板10的图案被直接转移到基板12的工艺中，所述材料可以直接被涂敷到基板基体表面17上作为表面层14。在替换实施例中，由虚线所示，还使用了例如第二聚合物材料的转移层15。在US 6334960中还描述了这样的转移层的示例和如何将它们用于将压印的图案转移到基板基体13的随后的工艺中。在包括转移层15的实施例中，基板表面17表示了转移层15的上或外表面，其又排列在基板基体表面18上。
基板12设置于加热装置20上。加热装置20优选地包括金属例如铝的加热体21。加热元件22连接到或包括在加热体21中，用于将热能转移到加热体21。在一个实施例中，加热元件22是插入加热体21中的插座中的电浸没式加热器。在另一实施例中，电加热线圈设置于加热体21内部，或贴附到加热体21的下表面。在另一实施例中，加热元件22是加热体21中成形的通道，用于通过所述通道输送加热流体。加热元件22进一步设置有连接器23，用于连接到外部能量源(未显示)。在电加热的情形中，连接器23优选地为用于连接到电流源的电流接触。对于具有用于输送加热流体的成形的通道的实施例，所述连接器23优选地为用于贴附到加热流体源的管道。加热流体例如可以为水或油。另一个选择是使用IR辐射加热器作为加热元件22，设计为将红外辐射发射到加热体21上。另外，温度控制器包括在加热体20中(未显示)，包括用于将加热元件22加热到选择的温度且将温度保持在一定温度容限之内的装置。不同类型的温度控制器在本领域中是公知的，且因此不再进一步详细讨论。
加热体21优选地为一件铸造金属，比如铝、不锈钢或其他金属。另外，一定质量和厚度的体21是优选使用的，从而实现了在加热装置20的上侧的热的均匀分布，其上侧连接到基板12，用于通过基板12转移来自体21的热以加热层14。对于用于压印2.5”基板的压印工艺，使用了直径为至少2.5”、优选为3”或更大，厚度为至少1cm、优选至少2或3cm的加热体21。对于用于压印6”基板的压印工艺，使用了直径为至少6”、优选为7”或更大，厚度为至少2cm、优选至少3或4cm的加热体21。加热体20优选地能够将加热体21加热到高达200-300℃的温度，尽管对于大多数工艺更低的温度是足够的。
为了提供有控制地冷却层14的目的，加热装置20还可以进一步提供有连接到或包括在加热体21中的冷却元件24，用于转移来自加热体21的热能。在优选实施例中，冷却元件24包括加热体21中的成形的一个或多个通道，用于传输通过所述通道或多个通道的冷却流体。冷却元件24还提供有连接器25，用于连接到外部冷却源(未显示)。优选地，所述连接器25是用于贴附到冷却流体源的管道。所述冷却流体优选为水，但备选地可以为油，例如绝缘油。
本发明的优选实施例利用了辐射可交联的热塑性聚合物溶液材料以用于层14，其优选为可旋涂。这些聚合物溶液还可以为光化学放大。这种材料的一个示例为来自Micro Resist Technology的mr-L6000.1XP，其为紫外可交联的。这种辐射可交联的材料的其他示例包括负性光致抗蚀剂材料，比如Shipley ma-N 1400、SC100、和MicroChem SU-8。可旋涂的材料是有利的，因为其允许整个基板的完全和准确的涂布。
另一实施例利用了液体或近液体的预聚物材料以用于层14，其通过辐射是可交联的。层14的现有且可用的可聚合材料的示例包括来自ZENPhotonics，104-11 Moonj i-Dong，Yusong-Gu，Daejeon 305-308，South Korea的NIP-K17、NIP-K22和NIP-K28。NIP-K17具有丙烯酸脂的主要组分且在25℃具有约9.63cps的粘度。NIP-K22也具有丙烯酸脂的主要组分且在25℃具有约5.85cps的粘度。这些物质被设计为在12mW/cm2持续2分钟的紫外辐射曝光下被固化。
层14的现有且可用的可交联聚合物材料的另一示例是来自Micro ResistTechnology GmbH，Koepenicker Strasse 325，Haus 211，D-12555 Berlin，Germany的Ormocore。该物质具有无机-有机混合聚合物、未饱和、具有1-3％光交联引发剂的组成。在25℃的3-8mPas的粘度相当高，且该流体可以在365nm的波长500mJ/cm2的辐射的曝光下被固化。在US 6334960中提到了其他可用的材料。
对于这些材料以及对于进行本发明可用的任何其他材料共同的是，它们具有当曝光于辐射特别是紫外辐射时能够固化的能力，例如通过交联聚合物溶液材料或固化预聚物。这里，用于层14的这样的材料被共称为辐射可聚合的。
当沉积在基板表面上时层14的厚度通常为10nm-10μm，取决于应用领域。可聚合材料优选地以液体形式优选地通过旋涂、或可选地通过辊涂、浸涂等涂敷在基板12上。本发明相对于通常当使用可交联聚合物材料时的现有技术的分步和闪光法而言的一个优点在于聚合物材料可以被旋涂在整个基板上，其是提供了优异层均匀度的有利和快速的工艺。比如那些所述的可交联材料在通常室温下通常是固体，且因此已经在高温预涂的基板可以被方便地使用。另一方面，分步和闪光法必须通过在重复的表面部分上滴落来利用重复的分配，因为该方法不能在单一步骤中处理大的表面。这使得分步和闪光工艺和进行这样的工艺的机器复杂并难于控制。
现将参考图1-3描述根据本发明的方法的优选实施例。根据本发明，在固定温度下进行压印、通过辐射固化压印材料以及后烘焙材料的工艺步骤。
图1的箭头示出了将模板表面11压入可聚合材料层14的表面16。在该步骤，加热器装置20被优选地用于控制层14的温度，用于在层14的材料中获得适当的粘度。对于层14的可交联材料，因此控制加热装置20以将层14加热到超过层14的材料的玻璃温度Tg的温度Tp。在本文中，Tp代表了工艺温度，表示其是对于压印、曝光和后烘焙工艺步骤的共同的一个温度水平。当然，固定温度Tp的水平取决于对于层14所选择的材料的类型，因为其必须超过对于可交联材料的情形的玻璃转变温度Tg且还适于后烘焙辐射固化的材料层。对于辐射可交联材料，Tp通常范围在50-250℃。对于mr-L6000.1XP的示例，贯穿100-120℃的压印、曝光和后烘焙，在固定温度下已经进行了成功的测试。对于使用辐射可固化预聚物的实施例，这样的材料在室温下通常为液体或接近液体，且因此需要很少的加热或不需加热就变得对于压印而言足够软。然而，在从模板分离之前，所有的这些材料通常经历后烘焙，以用于在曝光之后完全硬化。因此工艺温度Tp被设定为已经在始于图1的步骤的压印步骤中的适当的后烘焙温度水平。
图2示出了模板表面11的结构如何在材料层14中形成压印，材料层14为流体或至少为软的形式，在压印处流体被迫使填充模板表面11中的凹形。在示出的实施例中，模板表面11中最高的凸起不向下穿透到基板表面17。这对于保护基板表面17且特别是模板表面11免于损伤是有益的。然而，在替换的实施例中，比如包括转移层的一个实施例中，压印可以被进行向下一直到转移层表面17。在图1-3所示的实施例中，模板由对于预定波长或波长范围的辐射19透明的材料制成，其可用于固化选择的可聚合材料。这样的材料可以例如为石英或各种形式的聚合物，取决于辐射波长。因为模板通常是极薄的，通常小于一毫米，而且即使在层14中使用紫外敏感材料也可以使用玻璃模板，因为在模板材料中将会有非常小的吸收。当以模板10和基板12之间的适当的对准将模板10压入层14中时通常施加辐射19。当曝光于该辐射19时，引发了可聚合材料的固化，用于固化到采用由模板10决定的形状的固体14’。在将层14曝光于辐射的步骤的过程中，控制加热器20来将层14的温度保持在温度Tp。
在曝光于辐射之后，进行了后烘焙步骤，以完全硬化层14’的材料。在该步骤中，加热器装置20被用于对层14’提供热，用于在分离模板10和基板12之前将层14’烘焙为硬化体。另外，通过保持前述的温度Tp而进行了后烘焙。这样，从曝光于辐射以固化材料14开始到最终的后烘焙，且可选地还直到模板10和基板12的分离，模板10和材料层14、14’将保持相同的温度。这样，消除了由于用于基板和模板的任何材料中的热膨胀差异引起的精确度限制。
例如通过剥皮和牵拉(peeling and pulling)工艺，移除了模板10。成形的和固化的聚合物层14’保留在基板12上。这里将不详细讨论进一步处理基板和其层14’的各种不同的方法，因为如所述的本发明不仅不涉及这样的进一步处理，而且也不取决于这样的进一步处理是如何实现的。一般而言，用于将模板10的图案转移到基板基体13的进一步处理可例如包括蚀刻或镀覆和随后的剥离步骤。
图4-6示意性表现了本发明的替换实施例的实际图案转移步骤或压印步骤的基本工艺步骤。与图1-3的实施例的实际不同仅在于在该实施例中，辐射19通过基板12施加，而不是通过模板10，同时使用了相同的参考标记。另外，加热装置20连接到模板10，用于通过模板10加热层14。在如图4-6所示的一个实施例中，可以使用不透明模板，其具有一定的优点。其一是，这使得可以使用适于压印的镍模板。图4-6的加热装置20包括与图1-3的加热装置相同的特征，对于其使用了相同的参考标记。因此将不再进一步说明图4-6的特征。
图7示意性示出了根据本发明的设备的优选实施例，也可用于进行根据本发明的方法的实施例。应注意到该附图仅是示意性的，为了区分其不同的特征的目的。具体而言，不同特征的尺寸不在共同的比例上。
设备100包括第一主部分101和第二主部分102。在示出的优选实施例中，这些主部分如此排列从而第一主部分101在第二主部分102的顶上，在所述主部分之间具有可调的空间103。当通过如图1-6所述的工艺形成表面压印时，极为重要的是模板和基板在横向方向上，通常被称为X-Y平面上正确地对准。如果压印被形成在基板10中的在先存在的图案的顶上或与其接近，则尤为重要。然而，这里并没有讨论对准的具体问题以及解决它们的不同的方法，但是当然可以在需要时结合本发明。
第一上主部分101具有面向下表面104，且第二下主部分102具有面向上表面105。面向上表面105或其一部分是基本平的，且放置在板106上或形成为板106的部分，该板106作为在压印工艺中使用的模板或基板的支撑结构，如将结合图8和9更全面地描述。加热体21放在板106上，或形成板106的一部分。加热体21形成了部分的加热体106，且包括加热元件22且优选地还包括冷却元件24，如图1-6所示。加热元件22通过连接器23连接到能量源26，例如提供有电流控制装置的电源。另外，冷却元件24通过连接器25连接到冷却源27，例如冷却流体容器和泵，且具有用于控制冷却流体的流动和温度的控制装置。
在示出的实施例中，用于调整空间103的装置由活塞构件107提供，活塞构件107在其外端贴附到板106。活塞构件107可位移地连接到圆柱构件108，其优选地被保持与第一主部分101相对固定。如图中的箭头所示，将用于调整空间103的装置设计以通过基本垂直于基本平的表面105即Z方向的移动，将第二主部分102移位更接近或更远离第一主部分101。可手动实现移位，但是优选地通过使用液压或气动设置来辅助。示出的实施例可以在该方面以许多方法来变化，例如通过将板106贴附到围绕固定的活塞构件的圆柱构件。应进一步注意的是第二主部分102的移位主要用于对设备100装载和卸载模板和基板，和用于将设备设置在初始工作位置。然而，第二主部分102的移动优选地不包括在示出的实施例中如所述的实际压印工艺中，如将所述的。
第一主部分101包括围绕表面104的周边密封构件108。优选地，密封构件108是比如O形环的环形密封，但是或者可以由几个一起形成连续密封108的互连密封构件组成。密封构件108设置于向表面104外的凹陷109中，且优选地与所述凹陷可分离。该设备还包括辐射源110，在示出的实施例中设置在表面104后的第一主部分101中。辐射源110可连接到辐射源驱动器111，其优选地包括或连接到功率源(未显示)。辐射源驱动器111可以被包括在设备100中，或可以为外部可连接的构件。设置接近辐射源110的表面104的表面部分112形成于对于辐射源110的一定波长或波长范围的辐射透明的材料中。这样，从辐射源110发出的辐射透射向第一主部分101和第二主部分102之间的空间103，通过所述表面部分112。作为窗口的表面部分112可以用可获得的熔融石英、石英或蓝宝石来形成。
在工作中，设备100还提供有柔性膜113，其基本是平的且接合密封构件108。在优选的实施例中，密封构件113是与密封构件108分开的构件，且仅通过从板106的表面105施加相反压力来与密封构件接合，如将说明的。然而，在替换的实施例中，膜113例如通过接合剂贴附到密封构件108，或作为密封构件108的一体部件。另外，在这样的替换实施例中，膜113可牢固地贴附到第一主部分101，而密封构件108设置于膜113外部。对于比如所示的实施例，膜113还用对于辐射源110的一定波长或波长范围的辐射透明的材料形成。这样，从辐射源110发射的辐射通过所述腔体115和其边界壁104和113透射到空间103中。对于图7-9的实施例的膜113的可用的材料的示例包括聚碳酸酯、聚丙稀、聚乙烯、PDMS和PEEK。膜113的厚度通常为10-500μm。
管道114形成于第一主部分101中，以允许流体介质，或者是气体、液体或凝胶传输到由表面104、密封构件108和膜113界定的空间，该空间作为用于所述流体介质的腔体115。管道114可连接到压力源116，比如泵，其可以在设备100的外部或内置作为设备100的一部分。压力源116被设计以对于所述腔体115中容纳的流体介质施加可调的压力特别是过压。如所示的实施例适于采用气体压力介质。优选地，所述介质选自包含空气、氮气和氩气的组。如果使用了液体介质，优选地使得膜贴附到密封构件108。这样的液体可以是液压油。如所述，另一个可能性是使用凝胶作为所述介质。
图8示出了当为了光刻工艺装载有基板和模板时的图7的设备实施例。为了更好地理解该附图，还参考了图1-3。第二主部分102从第一主部分101向下移位，用于敞开空间103。如图1-6所示，模板或基板对于辐射源110的一定波长或波长范围的辐射透明。图8所示的实施例显示了装载有基板12的顶上的透明模板10的设备。基板12放置在第二主部分102上或其中，以其背侧在加热体21的表面105上。由此，基板12具有面向上的其基板表面17，其具有例如紫外可交联聚合物溶液的可聚合材料的层14。为了简单起见，如图1-6所示的加热装置20的所有特征在图8中未示出。模板10放置在基板12上或与其接近，其有结构的表面11面对基板12。可以提供用于将模板10与基板12对准的装置，但是在该示意性附图中未显示。然后将膜113放置在模板10的顶上。对于膜113贴附到第一主部分的实施例，当然可以省略将膜113实际放置在模板113上的步骤。在图8中，仅为了清晰起见显示了模板10、基板12和膜113完全分开，而在实际的情形，它们会堆叠在表面105上。
图9示出了设备100的操作位置。第二主部分102被升高到膜113被夹持在密封构件108和表面105之间的位置。实际上，模板10和基板12非常薄，通常小于一毫米，且如所示的膜片113的实际弯曲是最小的。但是，表面105可以可选地设计具有升高的周边部分，在该处其通过膜113接触密封构件108，用于补偿模板10和基板12的组合的厚度。
一旦主部分101和102接合以夹持膜113，则密封了腔体115。然后将压力源116设计为对于腔体115中的流体介质施加过压，所述介质可以是气体、液体或凝胶。腔体115中的压力被膜113转移到模板10，其被压向基板12，用于将模板图案压印在层14中，参看图2。对于在通常室温下，通常在20和25℃之间下具有足够粘度的层14的预聚物材料，可以直接形成压印。然而，可交联聚合物溶液通常需要预热来克服其玻璃转变温度Tg，其可以为约60℃。这样的聚合物的一个示例是前述的mr-L6000.1XP。当使用这样的聚合物时，具有组合的辐射和加热能力的设备100尤其有用。然而，对于这些类型的材料，通常需要后烘焙工艺来硬化辐射固化的层14’。如前所述，因此本发明的方面是将升高的温度Tp施加到层14的材料，对于可交联材料的情形，Tp高于Tg，且还适于后烘焙辐射曝光的材料。加热装置20被激活以通过基板12由加热体21加热层14，直到达到Tp。Tp的实际值自然取决于对于层14选择的材料。对于mr-L6000.1XP的示例，可以使用50-150℃范围内的温度Tp，取决于材料中的分子量分布。然后将腔体115中的介质的压力增加到5-500bar，有利地到5-200bar，且优选地到20-100bar。由此用相应的压力将模板10和基板12压在一起。由于柔性膜113，在基板和模板之间的整个接触表面上获得了绝对均匀分布的力。由此使得模板和基板绝对相对于彼此平行排列，且消除了基板或模板的表面中任何凹凸的影响。
当模板10和基板12通过施加的流体介质压力被压在一起时，触发辐射源来发生辐射19。辐射透过作为窗口的表面部分112，通过腔体115、膜113和模板10。辐射在层14中部分地或完全被吸收，由此层14的材料被交联或硬化而被固化，通过压力和膜辅助的压缩力提供而在模板10和基板12之间具有完全平行排列。辐射曝光时间取决于材料层14中的材料的类型和数量、与材料的类型以及辐射源的类型相关的辐射波长。固化这样的可聚合材料的特征是如所述公知的，且所述参数的相关组合类似地对于本领域的技术人员而言也是公知的。一旦流体固化以形成层14’，进一步曝光就没有显著的效果。然而，在曝光之后允许层14’的材料在预定固定的温度Tp被后烘焙，或硬烘焙持续例如1-10分钟的一定的时间。对于mr-L6000.1XP的示例，后烘焙通常在100-120℃的共同工艺温度Tp下进行1-10分钟，优选地约3分钟。
采用根据本发明的设备100，在压印机100中进行了后烘焙，其意味着不需将基板取出设备且放入单独的炉子中。这节约了一个工艺步骤，其使得在压印工艺中可以节省时间和成本。提供进行后烘焙工艺而且仍将模板10保持在固定温度Tp，且可能还具有向基板10的选择的压力，还可以在层14中所得的结构图案中实现高准确度，其使得可以产生更精细的结构。在加压、曝光和后烘焙之后，减小了腔体115中的压力且将两个主部分101和102彼此分开。在一个实施例中，加热装置20的冷却元件24可以被用于在分离主部分之后冷却基板112。之后，将基板从模板分离，且使其经历依据对于压印光刻在前公知的进一步处理。
图8和9示出了与图1-3相似的工艺。再次，应注意到，采用透明基板12，模板10可以放置在加热体21的表面105上，基板在模板10的顶上，如图4-6所示。
图10-12示出了根据本发明的实施例的利用设备100的替换方法。相同的参考标记被用于与图1-3中类似的特征。然而，在图10-12中，使用了透明模板200，其优选的由玻璃或石英制成。模板200具有面对基板12的有结构的表面，具有不透明的凸出图案界定的凸起201。优选地，这通过在凸起中包括不透明材料层来实现。所示的优选实施例包括覆盖凸起201的外端表面的不透明层202。优选地，层202是金属层。在一个实施例中，通过在模板表面的选择的区域上首先施加金属掩模202，从而制造了模板200，之后使用蚀刻工艺用于界定遮蔽部分之间的凹槽。在蚀刻步骤之后不移除掩模，而是在模板上保留掩模202以界定模板凸起201的非透明的外端表面。通过该工艺来制造模板200，还保证了实现凸起201的外端表面的接近完全均匀共同平面，因为模板制造工艺适于具有平面表面的平模板体。应注意到图1-12中所示的尺寸为了容易理解的目的而被放大。例如，层202可以仅为几个原子单层厚。
在图10中，优选地通过使用参考图7-9所述的设备，将模板200压在基板12上的层214中。层214的材料在该情形例如为紫外可固化预聚物或紫外可交联负性抗蚀剂，其可以为任何公知的类型。控制加热装置20以升高基板12的温度到适当的工艺温度Tp。对于可交联的材料的情形，加热装置20被设置以通过基板12预热层214，以使得层214的材料超过玻璃转变温度Tg而达到升高的温度Tp。由于如上所述的使用膜和气压的压印技术，在模板200和基板12的整个接合表面上实现了均匀压力。优选地，将模板200压入层214中，从而凸起201的外端极度接近基板层17，优选地仅为几纳米。
在图11中，模板200已经完全被压入层214，辐射19通过模板200施加向基板12。到达层202的辐射被阻挡并反射，且不到达位于其下的层部分214’。然而，落在凸起201之间的辐射将到达层214，且在层部分214”中开始了硬化或固化工艺，而且保持层214在温度Tp。优选地，使用加热装置20在相同的温度Tp进行后烘焙工艺，用于完成固化工艺。
在图12所示的步骤中，模板200从模板12分离并移除，留下压印的层214。以该形状，基板12暴露于负性抗蚀性显影剂流体。流体的具体类型可以为任何公知的类型，尽管本领域的技术人员认识到显影剂类型必须根据所使用的抗蚀剂聚合物来选择。显影剂将仅移除不曝光于辐射的部分214’，且仅在由凸起201形成的聚合物层中的凹形的底部保留为非常薄的层。在现有技术中，必须施加灰化或蚀刻工艺来去除凹形中保留的而且为固体的聚合物部分214’，与现有技术工艺相比，该工艺明显容易和快速。另外，图案化聚合物层14的灰化或蚀刻将从层214的所有部分即部分214和部分214’去除材料，而所提出的方法仅去除没有曝光于辐射的部分214’。
根据本发明的系统的一个实施例还包括机械夹持装置，用于将基板12和模板10夹持在一起。这在具有外部对准系统的实施例中尤其为优选，该外部对准系统用于在图案转移之前对准基板和模板，其中对准的叠层包括模板和基板，且该对准的叠层必须被转移到压印设备中。该系统还可以包含用于在模板和基板之间施加真空的装置，以在通过紫外辐射硬化可聚合材料之前从堆叠的叠层(sandwich)的可聚合层提取空气夹杂。
在优选的实施例中，模板表面11优选地用抗粘结层处理以防止固化的聚合物层14’在压印工艺之后对其粘住。这样的抗粘结层的示例包括含氟族，如WO 03/005124呈现并由本发明的发明人之一发明。WO 03/005124也引入于此作为参考。
具有透明模板的本发明的第一模式已经被本发明人成功地测试，其涉及由具有1μm厚的NIP-K17的层14覆盖的硅的基板12。使用了具有600μm厚度的玻璃或熔融石英/石英的模板。
具有透明模板的本发明的第二模式已经被本发明人成功地测试，其涉及由具有1μm厚的NIP-K17的层14覆盖的硅的基板12。使用了具有约600μm厚度的例如镍或硅的模板，尽管可以使用任何其他的适当的非透明材料。
在通过膜113用5-100bar持续约30秒的压紧之后，打开了辐射源110。辐射源110通常被设计以至少在400nm以下的紫外区发射。在优选的实施例中，使用了发射光谱范围在200-1000nm的空气冷却的氙灯作为辐射源110。优选的氙型辐射源110提供了1-10W/cm2的辐射，且被设计为闪烁1-5μs脉冲，脉冲频率为1-5脉冲每秒。石英的窗口112形成于表面104中用于通过辐射。曝光时间优选地在1-30秒之间，用于将流体层聚合为固体层14’，但是可以曝光直到2分钟。
mr-L6000.1XP的测试已经采用从200-1000nm累计为约1.8W/cm2并采用1分钟曝光时间来进行。在本文中，应注意到所使用的辐射不需限制于其中施加在层14中的聚合物固化的波长范围，在该范围之外的辐射当然也可以从所使用的辐射源发射。在固定的工艺温度的成功的曝光和随后的后烘焙之后，第二主部分102被降低到与图8类似的位置，随后模板10和基板12从设备移除，用于分离和进一步处理基板。
本发明带来了一种新的压印方法，其组合了紫外和热NIL，允许在固定的温度对于紫外可可交联的热塑性聚合物进行完全压印工序。由此，根据本发明的方法克服了模板和基板材料中不同的热膨胀的问题。结果，可以利用不同的模板和基板材料进行高精确度大面积压印。另外，该方法允许使用具有在晶片级上的均匀厚度分布的可旋涂紫外可交联聚合物，其难于采用分配低粘度紫外可硬化预聚物实现。
一般工艺方案包括三个主要步骤：热压印工序，随后的紫外后曝光和硬烘焙以完全硬化聚合物。在优选实施例中，使用了光化学放大聚合物，比如mr-L6000.1XP。
在固定的温度组合并进行三个步骤，给出了以下的工艺方案。将模板和基板加热到温度Tp，对于可交联材料的情形Tp大于Tg。优选地，这通过将模板以叠层的设置与基板接触且任何通过加热装置加热模板或者基板来进行。这样，通过热传导，将模板和基板，尤其是将被压印的基板上的层加热到共同的温度。然后模板-基板叠层被暴露于高压以将模板图案压印到聚合物层中。在一段时间之后，通常30-60秒之后，开始紫外整片曝光以引发聚合物的硬化。在释放压力之前，将温度保持固定在Tp以硬烘焙聚合物直到其完全被固化。可以容易的使用不同的模板和基板材料以产生高精确度大面积压印。可以使用廉价复制的镍模板使得大面积压印显著地更加有成本效率，且容易实施，显示了本方法的良好的前景。
发明人成功地利用蓝光镍模板压印了2.5”玻璃基板的整个面积，线宽为约140nm。压印质量显示当移向基板的边缘时没有由热效应引起的降低的趋势。这在图13和14中清楚地被形象化，图13和14显示了所获得的结果的AFM(原子力显微镜)图像。
图13示出了接近2.5”玻璃基板上的蓝光压印的中心的区域的AFM图像137。在图13的左边，显示了在137的面积上的AFM深度分析结构，其沿图137中水平线测量。沿该线的选择的点由参考标记131-136指示，显示在图137和深度分析图中。从后者可以看出，根据本发明的在压印工艺中形成的凹槽深且平滑。
另外，图14示出了同一压印基板的位于基板向内边缘几个毫米的区域对应的图147。与图13相似，沿图147的水平线选择的点由参考标记141-146指示，显示在图147和图147左边的深度分析图中。而且在图14中，可以看出，根据本发明的在压印工艺中形成的凹槽在接近2.5”玻璃基板边缘处也深且平滑，而且显示没有由于热膨胀引起的不均匀或变形的趋势。
通过在一个工艺和同一机器中进行包括三个主要工艺步骤的单一工艺，而不需在这些主要步骤之间将基板从机器中取出，可以在大基板表面上进行优异质量的压印。因为整个基板表面以一个步骤压印，聚合物层14可被旋涂在基板上，且可以在整个基板表面上产生连续的结构。对于所谓的分步和闪光方法所有这些均是不可能的。因此所披露的设备和方法对于大面积压印尤其有利，且对于分步和闪光方法具有所述的巨大的优势，通过使用膜转移流体压力，本发明可以被用于8英寸、12英寸和甚至更大的盘的一步压印。采用本发明的单一压印和曝光步骤，甚至可以构图具有约400×600mm尺寸以上的全平板显示器。
发明因此提供了一种首次使得辐射辅助聚合压印对于大规模生产具备吸引力的技术。本发明适用于在基板中形成图案，用于生产例如印刷线路板或电路板、电子电路、微型机械或机电结构、磁学和光学存储介质等。这里所描述的实施例涉及紫外交联聚合物或紫外固化预聚物的辐射曝光与加热器的组合。然而，从提供一种解决方案以克服由于使用不同模板和基板材料引起的热膨胀所致的问题的目标考虑，技术人员将会意识到，本发明可以同等有效地实施于包含其他波长范围的辐射的方法，在曝光于该波长范围的辐射时，用于基板上的压印层的抗蚀剂材料相应地固化。此外，尽管本发明特别优选用于包含有不同材料形成的模板和基板的压印工艺，当在该模板和基板内使用相同的材料时也可以获得技术效果，该技术效果在于在后烘焙期间无需从压印机器除去该基板，且使用固定温度而实现的便利控制。
术语固定温度是指基本上固定的，意味着即使温度控制器被设定成维持特定温度，所获得的实际温度将不可避免地在一定范围内波动。该固定温度的稳定性主要依赖于温度控制器的精度以及整个装置的惰性。此外，应该理解，即使根据本发明的方法可用于压印直至1纳米的极端精细结构，只要模板尺寸不太大，则轻微的温度变化将不会产生显著影响。假设模板外围的结构的宽度为x，且合理的空间容限为该宽度的一小部分例如y＝x/10，则y成为设置温度容限的参数。实际上，通过应用该模板和基板的材料的各自热膨胀系数、通常指的是半径的模板的尺寸、以及空间容限参数y，可以容易地计算热膨胀差异将产生的影响。通过该计算，可以计算出温度控制器的合适温度容限并将其应用于机器以执行该工艺。
本发明由所附权利要求界定。

Claims (23)

1.一种用于将图案从具有有结构的表面的模板转移到承载了受辐射而固化的材料表面层的基板的方法，包含：
将所述模板和基板在压印设备中布置成相互平行，所述有结构的表面面向所述表面层；
使用加热装置将该模板和该基板加热到温度Tp；以及
在维持所述温度Tp的同时执行步骤：
将该模板压向该基板，从而将所述图案压印到所述层中；
将所述层曝光于辐射以固化该层；以及
后烘焙该层。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述材料为可交联的热塑性聚合物，其玻璃温度为Tg，且其中Tp大于Tg。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述材料为紫外可交联的热塑性聚合物，其玻璃温度为Tg，其中温度Tp大于温度Tg，且其中所述辐射为紫外辐射。
4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述材料被光化学放大。
5.如权利要求1所述的方法，包含：
在将所述模板和基板布置成相互平行之前，通过旋涂所述材料而将所述表面层涂敷到该基板上。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述材料为紫外固化热塑性预聚物，且其中所述辐射为紫外辐射。
7.如权利要求1所述的方法，包含：
将该模板和该基板夹在阻挡构件和柔性膜第一侧之间，且其中
将该模板压向该基板涉及对该膜的第二侧上的介质施加过压，以实现。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述介质包含气体。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述介质包含空气。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述介质包含液体。
11.如权利要求7所述的方法，其中所述介质包含凝胶。
12.如权利要求1所述的方法，包含：
通过所述模板向所述层发射辐射，该模板对于用于固化所述材料的辐射的波长范围是透明的；以及
通过直接接触所述加热装置而加热所述基板。
13.如权利要求1所述的方法，包含：
通过所述基板向所述层发射辐射，该基板对于用于固化所述材料的辐射的波长范围是透明的；以及
通过直接接触所述加热装置而加热所述模板。
14.如权利要求7所述的方法，包含：
通过所述膜向所述层发射辐射，该膜对于用于固化所述材料的辐射的波长范围是透明的。
15.如权利要求7所述的方法，包含：
通过所述膜并通过与所述膜相对的透明壁向所述层发射辐射，该壁界定了用于所述介质的腔体的后壁，该后壁和膜对于用于固化所述材料的辐射的波长范围是透明的。
16.如权利要求1所述的方法，其中曝光所述层的步骤包含：
从辐射源发射波长范围为100至500nm的辐射。
17.如权利要求16所述的方法，包含：
发射脉冲持续时间范围为0.5至10μs且脉冲速率范围为1至10个脉冲每秒的脉冲辐射。
18.如权利要求7所述的方法，包含：
在将所述模板和基板布置在所述阻挡构件和所述柔性膜之间之前，将所述基板和模板夹持在一起。
19.如权利要求1所述的方法，包含：
在将所述层曝光于辐射之前，在所述模板和所述基板之间施加真空，从而从所述表面层提取空气夹杂。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述有结构的表面包含定义图案的凸起，这些凸起对于所述辐射是不透明的，由此将所述层曝光于辐射的步骤涉及固化所述层的介于所述凸起之间的部分。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述凸起包含不透明材料层。
22.如权利要求20所述的方法，其中不透明材料层被涂敷在所述凸起上作为最外层。
23.如权利要求1所述的方法，其中温度Tp介于50至250℃的范围内。
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