CN101198903B - 利用中间印模的图案复制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将图案从模板(1)转移到基板的目标表面上的两步工艺，通过在初始步骤中从模板制造中间柔性聚合物印模(5)，并随后在第二步骤中使用该聚合物印模在位于目标表面上的对辐射敏感可模压层中进行压印。在第二步骤中，将聚合物印模和基板相对彼此压制的工艺步骤，通过聚合物印模对可模压层的紫外线曝光，以及对辐射后的可模压层的后烘干，都在受控的恒定温度下进行，以便消除由于热膨胀影响所引起的对形成在可模压层中的图案的损坏。

Description

利用中间印模的图案复制
技术领域
本发明涉及一种用于压印光刻技术的图案转移工艺，其涉及一种用于将图案从具有结构化表面的模板转移到基板的目标表面上的工艺。更特别地，本发明涉及一种两步工艺，其中通过压印使模板图案的复制品形成在柔性聚合物箔层中或形成在其上，以获得中间聚合物印模，之后在第二步骤中使用该聚合物印模将图案压印到被施加到基板目标表面上的可模压层中。在第二步骤中，压印工艺在受控的恒定温度下利用射线来固化可模压层。
背景技术
用于复制纳米结构-即，100nm级或更小的结构-的最有效技术之一就是纳米压印光刻技术(NIL)。在纳米压印光刻技术中，模板-通常叫做印模-的表面图案的反转复制品被转移到物体中，该物体包括基板以及施加到其上的通常叫做抗蚀剂的可模压层薄膜，例如聚合物材料。在将物体加热到聚合物薄膜的玻璃化转变温度以上的合适温度之后，将印模压向薄膜，此后，在将所需要的图案深度转移到薄膜中之后，进行印模的冷却和分离-通常叫做脱模。可替换地，基板被光刻胶材料(即，对辐射敏感的聚合物)覆盖，使得它在紫外线中曝光时会交联，或者被预聚物覆盖，当在射线中曝光时该预聚物固化成聚合物。这要求基板或印模对于所采用的射线是可透过的。在实现压印之后随后进行的工艺中，可以对物体-包 括基板和图案化的聚合物薄膜-进行后处理，例如通过在压印区域内蚀刻基板以将图案转移到基板的目标表面上。
上述的压印工艺存在一些难点，必须考虑这些难点以便实现将图案从模板完好地转移到覆盖基板的可模压层中。
如果模板和基板不是由相同的材料制成(它们通常都不是)，则它们将通常具有不同的热膨胀系数。这意味着在模板和基板的加热和冷却过程中，膨胀和收缩的程度会不同。即使尺寸变化很小，它在压印工艺中也可能是破坏性的，因为要被转移的图案特征是微米级或者甚至是纳米级的。结果可能因此而降低了复制保真度。
通常使用非柔性的印模或基板材料，并且当将印模压向基板时这可能导致印模与可模压层之间包含进空气，从而也降低了复制保真度。此外，压印工艺中在印模与可模压层之间包含进颗粒可能导致印模或基板的显著损坏，特别是当印模和基板都没有由柔性材料构成时。在将非柔性印模从非柔性基板上脱模时也可能造成印模或基板或这两者的物理损坏，并且在压印工艺之后难以使基板和包括了具有高纵横比图案的模板脱模。印模一旦被破坏通常就不能再利用了。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于改进压印工艺的解决方法，此方法具有高复制保真度，并且此方法简单且适于在工业上应用。
被设计以满足所述目的的本发明的一个实施例涉及一种用于将图案从具有结构化表面的模板转移到基板的目标表面上的方法，该方法包括：
初始压印步骤，包括：
-制造具有图案化表面的聚合物印模，包括将结构化模板表面压到第一聚合物箔层的表面层中以将反转图案压印到该表面层中的步骤；以及
第二压印步骤，包括：
-相互平行地布置聚合物印模和基板，使图案化表面面向基板的目标表面，并且设计中间层材料使其在射线中曝光时固化；
-将聚合物印模和基板加热到温度TP；并且
在保持所述温度TP的同时，进行如下步骤：
-将聚合物印模压向基板，以将图案化表面的图案压印到所述中间层中；和
-将所述层在射线中曝光以固化中间层。
在一个实施例中，该方法进一步包括如下步骤：
-在保持所述温度TP的同时，对中间层进行后烘干。
在一个实施例中，该方法进一步包括如下步骤：
-在保持所述温度TP的同时，从聚合物印模上分离基板。
在一个实施例中，从聚合物印模上分离基板的步骤包括以下步骤：当聚合物印模仍然被设置成与基板上已压印的中间层保持接触时，溶解该聚合物印模。
在一个实施例中，所述材料是具有初始玻璃化温度Tg的可交联的热塑性聚合物，其中TP高于Tg。
在一个实施例中，所述材料是具有玻璃化温度Tg的在紫外线下可交联的热塑性聚合物，其中温度TP高于温度Tg，并且其中所述射线是紫外线。
在一个实施例中，所述材料是光化学放大的。
在一个实施例中，该方法包括：
-在相互平行地布置所述聚合物箔层和基板的步骤之前，通过旋涂所述材料而在基板上施加所述中间层。
在一个实施例中，所述材料是紫外线下可固化的预聚物，并且其中所述射线是紫外线。
在一个实施例中，该方法包括：
-在止挡件(stop member)与柔性膜的第一侧面之间布置聚合物箔层和基板，并且其中
-将聚合物箔层压向基板涉及将超压力施加给存在于膜的第二侧面上的介质。
在一个实施例中，所述介质包括气体。
在一个实施例中，所述介质包括空气。
在一个实施例中，所述介质包括液体。
在一个实施例中，所述介质包括凝胶。
在一个实施例中，该方法包括：
-穿过聚合物箔层向所述中间层发射射线，其中聚合物箔层对于可用于固化所述材料的射线的波长范围而言是可透过的；以及
-通过直接接触所述加热器装置来加热所述基板。
在一个实施例中，该方法包括：
-穿过所述膜向所述中间层发射射线，其中该膜对于可用于固化所述材料的射线的波长范围而言是可透过的。
在一个实施例中，该方法包括：
-穿过所述膜并穿过与所述膜相对的透明壁向所述层发射射线，为用于所述介质的空腔确定后壁，其中后壁和膜对于可用于固化所述材料的射线的波长范围而言是可透过的。
在一个实施例中，曝光所述层的步骤包括：
-从辐射源发射100-500nm波长范围内的射线。
在一个实施例中，该方法包括：
-发射脉冲持续时间在0.5-10μs范围内并且脉冲率在每秒1-10个脉冲的范围内的脉动射线。
在一个实施例中，该方法包括：
-在所述聚合物印模与所述基板之间采用真空，以便在所述层在射线中曝光之前从所述表面层排出包含的空气。
在一个实施例中，温度TP在20-250℃的范围内。
在一个实施例中，初始压印步骤进一步包括：
-固化第一聚合物箔层的表面层，其中第一聚合物箔层是聚合物印模，并且该表面层确定聚合物印模的图案化表面。
在一个实施例中，初始压印步骤进一步包括：
-固化第一聚合物箔层的表面层；
-将第一聚合物箔层的反转图案压入第二聚合物箔层的表面层中，以在第二聚合物箔层的表面层中压印模板表面图案的复制品；以及
-固化第二聚合物箔层的表面层，其中第二聚合物箔层是聚合物印模并且它的表面层确定聚合物印模的图案化表面。
在一个实施例中，第一聚合物箔层由热塑性聚合物或共聚物材料制成。
在一个实施例中，第二聚合物箔层由热塑性聚合物或共聚物材料制成。
在一个实施例中，模板由金属、石英、聚合物、或硅制成。
在一个实施例中，在保持温度TP的同时，该方法包括：
-释放压力；以及
-从聚合物印模上分离目标表面上载有中间层的基板。
在一个实施例中，其中模板的图案被转移到多个基板上，该方法进一步包括：
-在第二压印步骤之后设置聚合物印模；
-使用所述模板重复第一压印步骤来形成新的聚合物印模；以及
-使用新的聚合物印模重复第二压印步骤来压印新的基板目标表面。
在一个实施例中，第一聚合物箔层由聚碳酸酯、COC(不饱和石蜡共聚物)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制成。
在一个实施例中，初始压印步骤是热压印工艺，包括：
-提供大块的聚合物箔层；
-将该聚合物箔层加热到它的玻璃化转变温度以上的温度；
-将结构化模板表面压入聚合物箔层的表面中；
-冷却聚合物箔层；以及
-从模板上分离图案化的聚合物箔层。
在一个实施例中，初始压印步骤是辐射辅助式压印工艺，包括：
-提供聚合物箔层；
-在该聚合物箔层的表面上提供对辐射敏感的预聚物表面层；
-将结构化模板表面压入表面层中；
-在穿过聚合物箔层的射线中曝光表面层，以固化预聚物；以及
-从模板上分离图案化的聚合物箔层。
在一个实施例中，初始压印步骤进一步包括：
-在从模板上分离图案化的聚合物箔层之前，提供热量以便后烘干表面层。
在一个实施例中，初始压印步骤是辐射辅助式压印工艺，包括：-提供聚合物箔层；
-在聚合物箔层的表面上提供对辐射敏感的可交联聚合物表面层；
-将聚合物箔层加热到可交联聚合物的玻璃化转变温度以上的温度，并且在保持所述温度的同时，进行以下步骤：
-将模板压向表面层；和
-将表面层在用于交联表面层的射线中曝光。
在一个实施例中，初始压印步骤进一步包括：
-在保持所述温度的同时，对表面层进行后烘干。
在一个实施例中，该方法进一步包括以下步骤：
-从模板上分离图案化的聚合物箔层。
附图说明
将参照附图在下面更详细地描述本发明的实施例，附图中：
图1示意性地示出了根据本发明实施例的将复制品从模板加工到目标表面中的两步工艺；
图2示出了利用根据本发明实施例的方法被压印在SU8中的线条图案的AFM(原子力显微镜)轻敲模式图像；
图3示出了根据本发明实施例的被压印在SU8中的蓝光光盘图案(BluRay optical disk pattern)的AFM轻敲模式图像；
图4示出了由根据本发明实施例的压印法所提供的具有高纵横比微米尺度的柱形图案的SEM(扫描电子显微镜)图像；
图5-7示出了本发明实施例的工艺步骤；
图8示意性地示出了根据本发明的装置的实施例，用来进行大体在图1-3或图5-7中所描述的工艺；
图9示意性地示出了图8中的在工艺的初始步骤中装载有聚合物印模和基板时的装置；以及
图10示出了图8和9中的将图案从模板转移到基板的有效工艺步骤中的装置。
具体实施方式
本发明涉及此处所称的“两步压印工艺”。该术语被理解为这样一种工艺，其中在第一步骤中，通过压印工艺，在一个或多个柔性聚合物箔层中形成具有纳米和/或微米尺寸图案化表面的模板的一个或多个复制品。在第二步骤中，可以使用压印的聚合物箔层作为聚合物印模。可替换地，压印的聚合物箔层用作随后在第二步骤中所使用的另一个聚合物箔层上制作另一个压印的印模。这样，该工艺的第一步骤可以生成两个阴性聚合物复制品(其中图案被转化成原始模板的图案)以及柔性的阳性聚合物复制品(其中图案类似于原始模板的图案)。在第二步骤中，如此制作的复制品可以用作柔性聚合物印模，以通过随后执行的采用热压印、UV压印、或采用两者的压印工艺将图案复制到目标表面中。
此处所使用的术语“纳米压印工艺”或“压印工艺”表示这样一种工艺，用来形成模板或印模的纳米和/或微结构化表面图案的反转复制品，通过将印模压到可模压层(诸如聚合物或预聚物)中而形成该反转复制品，以便使所述层变形。该层可以是底板或基板顶部上的单独涂覆膜，而底板和该层可以是不同的材料。可替换地，该层可以简单地是单一材料物体的一部分，其中该层被限定为从物体表面向下拉伸一定深度到物体的体块(bulk)中的一部分。在压印(例如，热模压印浮雕图案)工艺期间，可以将可模压层加热到其玻璃化转变温度Tg以上，接着被冷却到所述玻璃化转变温度以下，和/或在压印工艺期间或之后，可以借助于UV光曝光将聚合物固化或交联。模板的图案化表面以及压印层的图案化表面可以在深度和宽度两方面具有微米或纳米级的结构。
术语“柔性聚合物箔层”表示柔性的且可延展的、多数情况下为可穿透的箔层，包括热塑性聚合物、热固性聚合物、和/或在射线 中曝光之后可交联的聚合物。聚合物箔层的优选实施例包括聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和不饱和石蜡共聚物(COC)。
术语“复制保真度”表示印模结构的反转复制品的制造，其中印模表面的反转形貌被完全复制。
根据本发明，提供了一种两步压印工艺，其中在该两步工艺的第一步骤中，通过压印在柔性聚合物箔层中形成具有图案化表面的模板的复制品。在第二步骤中，将该复制品用作柔性聚合物印模，以通过随后的压印工艺将图案复制到目标表面中。至少在第二步骤中，在受控的恒定温度下执行辐射辅助式压印，从而将热膨胀效应最小化。
这样，可以有利地使用耐用的且相对刚性的由诸如金属、石英、硅、或其它基本上刚性的材料制成的模板，用于将其图案压印到柔性的聚合物箔层中以形成聚合物印模，并且随后可以有利地使用该聚合物印模来压印到基板目标表面上的可模压层中。借助于本发明，使用相对较硬且刚性的模板来压印到相对更软和更柔性的聚合物箔层中，以形成中间聚合物印模，之后使用相对柔性和软的聚合物印模来压印到相对更硬且柔性差的基板(可以是例如硅制成的)上的可模压层中。从而有利地避免了两种基本上硬且刚性的材料(诸如金属与硅或者石英与硅)之间的压印步骤，结果是模板更不易磨损，并且更少的基板被损坏。
此外，通过使用聚合物箔层作为中间印模的基础，其中该中间印模对于采用交联或其它方式来固化对辐射敏感的可模压层的波长范围是可穿透的，可以选择性地使用辐射辅助式压印，以便形成聚合物印模以及使用该聚合物印模时在基板上进行压印，同时可以在对于可用波长范围的射线不可穿透的材料中设置模板和基板。
模板是制造上相对昂贵的元件，并且如所提及的，一旦模板损坏通常就不可能修复或再利用。但是，根据本发明的方法，聚合物印模很容易由相对廉价的材料制造，并且优选地在使用一段时间或者甚至仅使用一次之后被处置。该聚合物印模可以从基板上脱模或分离进而废弃，或者可以在聚合物印模仍旧附着于基板的目标表面时溶解在具有适当液体溶液的浴槽中，液体溶液被选择成溶解聚合物印模但不溶解基板或基板目标表面上的固化后的可模压层。
由于使用所形成的聚合物印模作为第二模板而在基板的目标表面上进行压印，并且基板一般不是聚合物材料的，所以聚合物印模和基板的热膨胀系数通常将不同。为了克服由这种预想所造成的上述缺陷，至少根据组合的照射和热辅助式压印工艺，来执行将聚合物印模压到基板上的可模压层中的第二压印步骤。根据该工艺，使用辐射敏感材料作为基板上的可模压层，并且在借助于温度控制装置所维持的升高的恒定温度下执行如下步骤：将聚合物印模和基板压制在一起、用射线大量照射可模压层、以及后烘干该层，并且优选地还执行释放压力以及将聚合物印模从基板上脱模的步骤。温度控制装置通常包括加热器装置和平衡热量供应以获得并维持预定温度的控制电路，可能的话还包括冷却装置。
现在，将参照附图中的图1a至1f描述两步工艺的第一或初始步骤。图1中示意性地示出了根据两个不同实施例的初始步骤的工艺。图1a至1f的工艺示出了使用热压印来形成中间聚合物印模。但是，还有其它可行技术来形成该聚合物印模，如下面所概述的。
图1a示出了由例如硅、镍或其它金属(诸如铝)、石英、或者甚至聚合物材料构成的模板1。模板1具有包括凸缘、凹槽、凸起或凹部(它们具有微米或纳米级的高度和宽度)的图案化表面2。模板1设有与柔性聚合物箔层3的表面4面对和接触的表面2，该柔性聚合物箔层由例如热塑性聚合物、热固性聚合物、和/或例如借 助于曝光于射线可交联的聚合物。适当聚合物箔层材料的更具体实例包括聚碳酸酯、COC和PMMA。在优选实施例中，模板表面2以及聚合物箔层3的表面4，由于它们的材料组分或设置于模板表面2和/或聚合物箔层表面4上的抗粘附层的特征，而呈现出彼此抗粘附的特性。
借助于图1b)中所示的适当的压印工艺，在柔性聚合物箔层3的表面4处的表面层中形成模板表面2的反转图案。在将模板表面2设成与聚合物箔层3的表面4相接触之后，将聚合物箔层加热到箔层表面层中所使用的聚合物的玻璃化温度Tg以上的温度。该聚合物箔层可以是大块的，即在整个聚合物箔层中具有或多或少的相同组分，或者该聚合物箔层可以在适于压印的另一组分的表面4处具有带应用表面层的实际聚合物箔层的基本组分。当表面层达到其玻璃化转变温度时，施加压力以将模板1和聚合物箔层3压制到一起，从而将表面2的图案压印到聚合物箔层3的表面4处的表面层中。可以利用通过薄膜提供的流体或气体压力并借助于软压制技术来实现压制，这些将参照根据本发明工艺的第二步骤更详细地解释。可替换地，可以使用更传统的硬压制技术。由于初始步骤中所形成的聚合物印模不是最终的产品，所以平行性(parallelism)不是以与第二步骤相同方式的初始步骤的关键因素。
如所提及的，所示出的实施例利用了热压印，因此在施加压力之前就将聚合物箔层3加热，以便将表面层软化。下面给出了根据上述热初始步骤的具体实例。可替换地或附加地，替换方法包括可以将聚合物箔层的选取部分曝光于射线。如果聚合物箔层的材料也是通过曝光于射线而交联的，则模板1的材料或聚合物箔层3的材料对于所应用的射线必须是可穿透的。替换实施例在聚合物箔层3的表面4处的表面层中包括热或UV固化的(UV-curable)预聚物组分。在这种实施例中加热到玻璃化转变温度以上是不必要的。
在UV-NIL(紫外线压印光刻)工艺中，在模板1的表面2上的合适位置处分配UV固化的预聚物，并且此预聚物随后被聚碳酸酯或PMMA薄片(sheet)覆盖，对应于图1中的箔层3。此薄片随后在第二压印工艺中作为紫外线可透过的基板而工作。由于载体底板由薄片(它对于紫外线是高度可穿透的)提供这一事实，由预聚物层提供的实际表面层的厚度可以保持在仅几纳米的最小水平。当使用预聚物材料时这个尤其有用，预聚物在固化后不会失去它们的紫外线吸收特性，比如来自日本Toyo Gosei的PAK01。另一种可用的紫外线固化的预聚物是来自日本Asahi Galss公司的NIF-1，但是任何其它紫外线固化的预聚物可能发挥一样好的或是更好的作用。良好的紫外线聚合物在固化之后失去它的紫外线吸收特性，以便在第二压印阶段增加紫外线透射性。然而，应该小心地选择预聚物和聚合物薄片的组合以避免薄片被预聚物化学溶解，但是预聚物和聚合物薄片之间具有足够良好的相互作用以保证它们之间良好的粘附。在将基板箔层置于在所分配的其中包含有气泡的预聚物滴的顶部上之后，将紫外线可透过的聚合物膜放置到聚合物薄片的顶部上。随后利用范围在1到20巴的相对较低的压力将这个膜压到相对侧面上，此压力由气体或液体压力提供，并且利用适合剂量的紫外线穿过聚合物薄片和聚合物膜来使预聚物曝光并固化，从而固化预聚物并将它与聚合物箔层结合。释放压力，随后移除压印膜并将由此生成的聚合物印模从模板上脱模。
在热NIL工艺中，用适合的聚合物薄片覆盖主板(master)，比如来自美国Ticona的Topas、或来自日本Zeon公司的Zeonor。在将压印膜放置到聚合物薄片的顶部上后，通过真空和受热吸住该夹层结构。当达到压印温度时膜被加压以20-80巴之间的压力。在将图案转移到聚合物薄膜上之后，将夹层结构冷却到玻璃化转变温度以下，随后移除压印膜并将IPS印模从主板上脱模。良好的热塑性薄片需要具有较窄的关于压印温度和分离温度的工艺窗口，以及需 要生成的纳米结构具有高的机械强度，此纳米结构必须在后续工艺中作为模具。对于紫外线的高度可透过性是非常有利的。
在结合加热和辐射的实例中，模板图案将被转移到其上的聚合物箔层(对应于图1中的3)必须是紫外线可透过的。紫外线下可交联聚合物(例如，负性光刻胶(比如来自美国MicroChem的SU8))被旋涂在聚合物箔层上。模板1和涂覆后的聚合物箔层被结合到一起并且被聚合物箔层之上的压印膜覆盖。在加热到压印温度之后，压印膜在整个剩下的压印工艺中保持恒定以消除热膨胀的影响。现现在对夹层结构加压，并且在典型的流变时间(例如30秒钟)之后，聚合物在紫外线中发生交联，随后进行例如30秒钟的后曝光烘干。不需要冷却，现在可以直接释放压力，随后移除压印膜并脱模。而且，良好的负性光刻胶在曝光后失去了它的紫外线吸收特性。
取决于所使用的具体工艺，就是说恒定温度下的热、紫外线或热和紫外线的结合，在进行压印工艺之后模板1和压印后的聚合物箔层3能够在聚合物箔层冷却之后或是在无需冷却的情况下分离，这取决于所选择的材料和它的特性。在将模板1从聚合物表面4上分离之后，压印后的聚合物箔层3(也叫做复制品)能够用作柔性聚合物印模5，如图1c)中所示在表面4中具有与原始模板1的图案相反的或是阴性的图案。
根据本发明，聚合物印模5或者用在第二步骤中以将表面4的图案转移到目标基板上，或者用在此外的初始步骤中以使用类似于上述的工艺将第二反转复制品9制造成根据图1d)到1f)的另一柔性聚合物箔层6。进一步采用初始步骤的目的是确保待生成在目标基板中的最终图案为模板表面图案的反转图案。在这个实施例中，使用由聚合物组成的聚合物箔层6，它的玻璃化转变温度和压印温度低于柔性聚合物印模5的玻璃化转变温度和压印温度。此外，聚合物箔层6和柔性聚合物印模5的接合表面4和7显现出相对于彼此 抗粘附的特性。由于所用的聚合物箔层的化学本质，抗粘附特性从开始就能够显示出来和/或此抗粘附特性能够通过沉积抗粘附层实现，其中抗粘附层在聚合物的一个或两个表面上包括适当的分离剂。此外，如果聚合物箔层6在射线中曝光之后应发生交联，则聚合物箔层5和6中的至少一个对于所施加的射线必须是可透过的或者可替换地可以传输足够的射线，以使箔层6的表面层，或者如果是大块的则整个箔层6，能够发生交联。
新的聚合物印模8(该聚合物印模从第一聚合物印模5反转而来并因此基本上与模板1一致)相对于图案的制造包括将聚合物印模5放置成其图案化表面4面向并接触第二聚合物箔层6的表面7。与之前一样，第二聚合物箔层6可能是大块的或具有载体薄片，在此表面7上施加有表面层。为了能够在箔层6的表面层中压印表面4的图案，如果采用热压印工艺，则将箔层6加热到其表面层的玻璃化转变温度以上。如图1e)中所示，随后施加压力以将第一聚合物印模5压入聚合物箔层6的表面层中。在进行压印之后，即通常在聚合物箔层6冷却之后，可将柔性聚合物印模5从聚合物箔层6上机械地移除，或者可替换地整个印模5或是它的一部分可以在适当的工艺中利用一种或多种适当的溶剂进行化学溶解。结果是生成了新的聚合物印模8，其具有图案与原始模板1的图案相对应的表面7。
所生成的复制品5或8分别具有与原始模板1反转的或一致的表面图案，该复制品在根据本发明的第二压印步骤中将用作柔性聚合物模板，这分别在左手侧和右手侧上的图1g)到1i)中示意性地示出。这里，柔性聚合物印模5或8中的一个的表面4或7将被放置成与包括物体12的表面16接触，该物体包括具有目标表面17的基板13，该目标表面被辐射敏感材料(例如在射线中曝光时会发生交联的预聚物或聚合物)的薄的可模压表面层14覆盖。由于表面 的材料成分，柔性聚合物印模5或8的表面4或7对可模压层14的表面16呈现出抗粘附特性。借助于施加压力，将柔性聚合物模板5或8中的一个与物体12压在一起，并且使聚合物薄膜14的所选部分在射线下曝光，在可模压层14中形成聚合物印模表面的反转图案，如图1h所示。柔性聚合物印模5或8对于所施加的射线是可透过的或显示出很微小的吸收性，以传输使表面层14的材料在射线下曝光时发生固化或交联所必需的足够量的射线。在进行如图1h)所示的压印和后烘干之后，柔性聚合物印模5或8能够从基板13上机械地移除，或者可替换地整个聚合物印模5或8或是它的一部分能够在适当的工艺中利用一种或多种适当的溶剂进行化学溶解。
图1i)示出了在分离柔性聚合物印模5或8之后所生成的压印后的物体12。为了将转移的图案永久地固定到基板上，通常采用进一步的工艺步骤来移除残留薄膜14的最薄部分，以使基板的目标表面17露出，随后或者蚀刻目标表面或者在它上面镀覆其它材料。但是该进一步工艺的实际细节对于理解本发明并不重要。
图1是根据本发明的工艺的相对简单的表达。在虚线上方示出的初始步骤可以使用热压印直接在大块的聚合物箔层中进行，在聚合物箔层上使用预聚物表面层进行紫外线辅助式压印，或者与此同时在受控的升高温度下使用紫外线下可交联的聚合物表面层在聚合物箔层上进行紫外线照射。如果在步骤1a)到1c)中使用热压印，则在模板1(例如其可以是镍)与聚合物箔层3之间通常会存在热膨胀差别。然而，聚合物箔层13的回弹性和柔性(而且该聚合物箔层具有的厚度基本上大于图案结构高度)保证聚合物箔层在施加于基板1上的热膨胀作用下可伸长和缩短，而不会破坏箔层表面4上的图案特征。聚合物箔层的厚度通常在50-500nm的范围内，然 而图案结构的高度或深度在5nm到20μm的范围内，这通过下面的实例示出。但是其它尺寸也是可行的。
然而，图1中虚线下方示出的第二步骤优选地采用热和辐射的结合来进行。这样做的原因是当在基板上进行压印时，基板目标表面上剩余的或残留的表面层通常极薄，在几纳米级。加热并冷却具有不同热膨胀性的印模和聚合物的夹层对通常会因此对精细结构造成破坏，此精细结构会被完全剥掉。然而，由于根据本发明的工艺，其中压制、辐射和后烘干的步骤全部在受控的恒定温度下进行，消除了热膨胀的影响。
图5-7示意性地示出了本发明实施例的第二步骤中的实际图案转移步骤的基本工艺步骤，或者说是压印步骤。这些图对应于图1 g)到1h)，或者但更详细地说是左手侧或右手侧的实例。
图5中示出了聚合物印模10，它因此可以对应于图1中的聚合物印模5或8。聚合物印模10具有对应于表面4或7的结构化表面11，表面11具有将被转移的预定图案，其中形成高度和宽度的特征尺寸在1nm到几μm范围内，并且有可能两者更小和更大的三维凸起和凹部。聚合物印模10的厚度通常在10到1000μm之间。基板12具有基本上平行于聚合物印模表面11而设置的目标表面17，在图5所示的初始阶段表面之间具有中间间隔。基板12包括基板底板13。在直接通过聚合物材料中的压印将聚合物印模10的图案转移到基板12的工艺中，所述材料可以作为表面层14直接施加到基板目标表面17上。在替换实施例中，还采用例如第二聚合物材料的转移层15，其由虚线示出。在US 6,334,960中描述了这种转移层的实例以及它们如何用在后续的将压印后的图案转移到基板底板13上的工艺中。在包括转移层15的实施例中，目标表面17表示转移层的上或外表面，该上或外表面依次被布置在基板底板表面18上。
基板12位于加热器装置20上。加热器装置20优选地包括金属(例如铝)的加热器主体21。加热器元件22连接于加热器主体21或包括在加热器主体21中，用于将热能传输到加热器主体21。在一个实施例中，加热器元件22是插入到加热器主体21内的插槽中的电浸渍加热器。在另一个实施例中，在加热器主体21内部提供有电加热线圈，或者电加热线圈连接于加热器主体21的下表面。在又一个实施例中，加热元件22是形成在加热器主体21中的通道，用来使加热流体穿过所述通道。加热器元件22进一步具有连接件23用来连接到外部能源(未示出)。在电加热的情况下，连接件23优选地是电化(galvanic)接触以连接到电源。对于形成有用来传输加热流体的通道的实施例，所述连接件23优选地是管道用以与加热流体源相连接。加热流体例如可能是水或油。另一个选择是采用IR(红外)线加热器作为加热器元件22，其被设计成发射红外线到加热器主体21上。此外，在加热器装置20中包括温度控制器(未示出)，此温度控制器包括用于将加热器元件22加热到所选温度并将该温度保持在一定温度容差范围内的装置。不同类型的温度控制器在本领域是广为知晓的，因此就不进一步详细讨论了。
加热器主体21优选地是铸造金属片，比如铝、不锈钢、或其它金属。此外，优选地使用一定质量和厚度的主体21，从而达到热量在加热器装置20的上侧面中的均匀分布，其中上侧面连接于基板12用以将热量从主体21通过基板12传输到加热层14。对于用来压印2.5”基板的压印工艺，使用直径至少为2.5”，优选地为3”或更大，厚度至少为1cm，优选地至少为2或3cm的加热器主体21。对于用来压印6”基板的压印工艺，使用直径至少为6”，优选地为7”或更大，厚度至少为2cm，优选地至少为3或4cm的加热器主体21。优选地，加热器装置20能够将加热器主体21加热到高达200-300℃的温度，尽管对于大多数工艺较低的温度就足够了。
为了对层14提供受控的冷却，加热器装置20可以进一步设置有连接到加热器主体21或包括在加热器主体21中的冷却元件24，用于从加热器主体21传输热能。在优选的实施例中，冷却元件24包括形成在加热器主体21中的一个或多个通道，用以将冷却流体通过所述一个或多个通道传输。冷却元件24进一步设置有连接件25用于连接到外部冷却源(未示出)。优选地，所述连接件25是管道用于连接到冷却流体源。所述冷却流体优选地是水，但是可替换地可以为油，例如绝缘油。
本发明的优选实施例对于层14使用辐射可交联的热塑性聚合物溶液材料，层14优选地是可旋涂的。这些聚合物溶液也可以是光化学放大的。此种材料从实例是来自Micro Resist Technology的mr-L6000.1 XP，其是紫外线下可交联的。这种辐射可交联材料的其它实例是负性光刻胶材料，如Shipley ma-N 1400、SC100、和MicroChem SU-8。可旋涂的材料是有利的，因为它能够实现对整个基板完整且精确的涂覆。
另一个实施例对于层14使用液体或近似液体的预聚物材料，层14通过辐射是可聚合的。对于层14可获得的且可用的可聚合材料的实例包括来自ZEN Photonics的NIP-K17、NIP-K22、和NIP-K28，来自南韩的104-11 Moonj i-Dong、Yusong-Gu、Daejeon305-308。NIP-K17的主要成分为丙烯酸盐，并且在25℃时具有约9.63cps的粘度。NIP-K22的主要成分也为丙烯酸盐，并且在25℃时具有约5.85cps的粘度。这些物质被设计成曝光于12mW/cm2紫外线下2分钟后进行固化。对于层14可获得的且可用的可聚合材料的另一个实例是来自德国Koepenicker Strasse 325，Haus 211，D-12555 Berlin的Micro Resist Technology GmbH的Ormocore。此物质具有无机-有机混合型不饱和聚合物的成分，具有1-3％的光聚合诱发剂。在25℃时具有3-8mPas的粘度是相当高的，并且流体 在曝光于500mJ/cm2波长为365nm的射线中后可以固化。其它可用的材料在US 6,334,960中提及。
对于所有这些材料以及用于实施本发明的任何其它可用材料的共性是，它们都是可模压的并且当曝光于射线(特别是紫外线)时具有固化的能力，例如通过聚合物溶液材料的交联或预聚物的固化。
当沉积到基板表面上时层14的厚度通常为10nm-10μm，这取决于施加区域。可固化或可交联的材料优选地以液体形式施加到基板12上，优选地通过旋涂，或可选地通过辊压涂覆、浸渍涂覆等。相较现有技术步骤和闪蒸(flash)方法，本发明的一个优点是(通常是在使用可交联的聚合物材料时)聚合物材料可以旋涂在整个基板上，旋涂是有利且快速的工艺，可提供出色的覆层均匀性。可交联的材料，诸如那些所提及的，通常在正常的室温下固化，并且因此可以方便地使用在升高的温度下进行了预涂覆的基板。另一方面，工艺步骤和闪蒸方法必须在重复的表面部分上采用重复的分配，因为那种方法不能在单个步骤中处理较大的面积。这就使得工艺步骤和闪蒸工艺以及用于执行这种工艺的机器十分复杂，并浪费周期时间，且难以控制。
根据本发明，压印、通过辐射固化压印层材料、及后烘干材料的工艺步骤都在恒定的温度下进行。
图5的箭头示出了聚合物印模表面11被压入可模压材料层14的表面16中。在这个步骤中，优选地使用加热器装置20来控制层14的温度，以在层14的材料中获得适当的流动性。对于层14的可交联材料，因此控制加热器装置20以将层14加热到温度Tp，该温度Tp高于层14的材料的玻璃化温度Tg。在本文中，Tp代表工艺温度或压印温度，表明它是一个对于压印、曝光和后烘干工艺步骤都 通用的温度水平。恒定温度Tp的水平当然取决于层14所选材料的类型，因为它对于可交联材料的情况必须超过玻璃化转变温度Tg，并且还要适于对层的辐射固化材料进行后烘干。对于辐射可交联材料，Tp通常在20-250℃的范围内，或更常用地在50-250℃的范围内。对于mr-L6000.1 XP的例子，在100-120℃下的整个压印、曝光和后烘干过程中对恒定温度进行了成功测试。对于使用辐射可固化预聚物的实施例，这些材料在室温下通常为液体或近似液体，因此需要很少的热量或不需要热量以变得足够软从而进行压印。然而，在从聚合物印模上分离之前，这些材料通常还必须经历后烘干以在曝光后完全硬化。因此将工艺温度Tp设置到适合的后烘干温度水平，Tp已经在图5步骤中起始的压印步骤中使用了。
图6示出了聚合物印模表面11的结构是如何在材料层14中进行压印的，该材料层是流体或者至少是软化的形式，其中流体受压以填满聚合物印模表面11中的凹部。在示出的实施例中，聚合物印模表面11中的最高凸起并没有一直向下穿透基板表面17。这对于保护基板表面17不被破坏是有益的，特别是保护聚合物印模表面11。然而，在可替换的实施例中，诸如包括转移层的实施例，压印可以一直向下进行到转移层表面17。在图5-7所示的实施例中，聚合物印模由可被具有预定波长或波长范围的射线19透过的材料制成，这些波长的射线可用于固化所选的可模压材料。这些材料例如可以是聚碳酸酯、COC或PMMA。对于利用上述射线形成的聚合物印模，其中形成有图案的辐射敏感表面层的剩余层优选地对于紫外线也是可穿透性，或可替换很薄以使它的紫外线吸收性低得足以使足量的射线透过。通常在聚合物印模10已经被压入层14中时施加射线19，该层在聚合物印模10与基板12之间进行了适当的校准。当在该射线19中曝光时，可模压材料的固化被诱发，以固化成具有由聚合物印模10确定的形状的固体14’。在层14于射线中 曝光的步骤中，加热器20被温度控制器控制以将层14的温度保持在温度Tp。
在射线中曝光之后，进行后烘干步骤，以完全硬化层14’的材料。在这个步骤中，使用加热器装置20向层14’提供热量，以在分离聚合物印模10和基板12之前将层14’烘干成硬化体。此外，在保持前述温度Tp的情况下进行后烘干。这样，聚合物印模10和材料层14，14’从材料14利用射线曝光进行固化开始到最终的后烘干，并且可选地还在聚合物印模10和基板12的整个分离过程中将保持相同的温度。这样，就消除了由于基板和聚合物印模所用的任何材料的热膨胀差异而带来的精度限制。
例如，聚合物印模10通过剥离和拉拔工艺被移除，如图7所示。所形成的和固化的聚合物层14’保留在基板12上。这里不再详细描述基板和它的层14’的后续工艺的多种不同方式，因为本发明既不与这种后续工艺相关，又不取决于此后续工序是如何实现的。一般而言，用于将聚合物印模10的图案转移到基板底板13的后续工艺可以例如包括蚀刻或镀覆，随后是提升(lift-off)步骤。
图8示意性地示出了根据本发明装置的优选实施例，其还用于执行根据本发明的方法的实施例。应该注意这幅图是纯示意性的，目的是清楚的表明它的不同特征。特别地，不同特征的尺寸不在共同的比例上。此装置对于执行本发明的第二步骤尤其有用，但是用于执行初始步骤可能也同样很好。
装置100包括第一主部件101和第二主部件102。在示出的优选实施例中这样布置这些主部件，第一主部件101在第二主部件的顶部上，在所述主部件之间具有可调整的间隔103。当利用图5-7所示的工艺进行表面压印时，很重要的一点是模板和基板在横向方向上适当的对准，横向方向通常叫做X-Y平面。如果压印要在基板 中之前存在图案的顶部上或邻近的区域进行，这点尤其重要。然而，这里没有说明对准的具体问题和克服它们的不同方法，但是当需要时当然可以与本发明结合在一起进行说明。
上部的第一主部件101具有向下的对立面104，并且下部的第二主部件102具有向上的对立面105。向上的对立面105基本是(或有一部分是)平的，并且它放置在板106上或形成该板的一部分，其中该板作为用于在压印工艺中使用的模板或基板的支撑结构，这将结合图9和10进行更详细的描述。加热器主体21被设置成与板106接触，或形成板106的一部分。加热器主体21构成加热器装置20的一部分，并且包括加热元件22以及优选地还包括冷却元件24，如图5-7所示。加热元件22通过连接件23连接于能源26，例如具有电流控制装置的电源。此外，冷却元件24通过连接件25连接于冷却源27，例如冷却流体容器和泵，其具有用于控制冷却流体的流动和温度的控制装置。
在图示的实施例中，用于调整间隔103的装置由活塞件107提供，该活塞件的外端连接于板106。活塞件107可移动地连接于气缸件108，该气缸件优选地与第一主部件101保持固定关系。如图中箭头所示，用于调整间隔103的装置被设计用来移动第二主部件102，使其更靠近或更远离第一主部件101，这通过基本垂直于基本上平的表面105的移动来进行，也就是在Z方向上。移动可以由人工实现，但是优选地借助采用水力或气动装置来实现。图示的实施例在这个方面可以以多种方式变化，例如将板106连接到围绕固定活塞件的气缸件上。进一步应注意第二主部件102的移动主要用来加载和卸载具有模板和基板的装置100。然而，与图示的实施例一样，第二主部件102的移动优选地不包括在实际压印工艺中，如下将进行描述。
第一主部件101包括外围密封件108，此密封件围绕表面104。优选地，密封件108是诸如OP形环的环形密封件，但是可替换地可以由几个相互连接的密封件组成，这些相互连接的密封件一起构成连续的密封件108。密封件108设置在表面104外部的凹部109中，并且优选地可从所述凹部上拆卸。该装置进一步包括辐射源110，在图示实施例中该辐射源设置在第一主部件101中并在表面104后面。辐射源110可连接到辐射源驱动器111，该辐射源驱动器优选地包括电源或连接于电源(未示出)。辐射源驱动器111可以包括在装置100中，或者可以是外部连接件。表面104的表面部分112(其邻近辐射源110而设置)由可被辐射源110的一定波长或波长范围的射线穿透的材料形成。这样，从辐射源110发射出的射线通过所述表面部分112朝向第一主部件101与第二主部件102之间的间隔103传输。作为窗口的表面部分112可以由可获得的熔融的二氧化硅、石英、或蓝宝石形成。
根据本发明的装置100的一个实施例进一步包括机械夹紧装置，用于将基板和印模夹紧(未示出)在一起。这对于具有用来在图案转移之前校准基板和印模的外部校准系统来所尤其是优选的，其中包括印模和基板的校准后的叠层被输送到压印装置中。
在操作中，装置100进一步设置有柔性膜113，该柔性膜基本上是平的并且与密封件108接合。在优选的实施例中，密封件113是与密封件108分离的元件，并且通过从板106的表面105施加反向压力仅与密封件108接合，如下将进行解释。然而，在替换的实施例中，膜113附着在密封件108上，例如利用接合剂，或者该膜就是密封件108的构成部分。此外，在这个替换实施例中，膜11 3可以牢固地附着在主部件101上，然而密封件108设置在膜113的外部。对于如这个实施例一样的实施例，膜113还由可被辐射源110的一定波长或波长范围的射线穿透的材料制成。这样，从辐射源110 发射出的射线就通过所述空腔115及其边界壁104和113传入间隔103内。对于图7-9的实施例，膜113的可用材料的实例包括聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯、PDMS和PEEK。膜113的厚度通常可以是10-500μm。
优选地，装置100进一步包括用于在印模与基板之间施加真空的装置，以便在通过紫外线对层硬化之前从层叠夹层结构的可模压层中抽出进入的空气。这在图8中由真空泵117示例性的说明，该真空泵通过管道118可通信地连接于表面105与膜113之间的空间。
管道114形成在第一主部件101中以使流体介质(气体、液体或凝胶)流过从而到达由表面104、密封件108和膜113限定的空间，该空间作为用于所述流体介质的空腔115。管道114可连接到压力源116，比如泵，该压力源可以是外部部件或者装置100的内置部件。压力源116被设计成将可调节的压力(特别是超压)施加于包含在所述空腔115中的流体介质。如所示的这个实施例适于使用气态压力介质。优选地，所述介质选自包括空气、氮气和氩气的组。如果使用液体介质作为替换，优选地使膜附着在密封件108上。这种液体可以是液压油。另一种可能是使用凝胶作为所述介质。
图9示出了图8的装置装载有用于光刻工艺的基板12和聚合物印模10时的实施例。为了更好地理解这幅图，还要参照图5-7。第二主部件102已经从第一主部件101向下移动了，为了打开间隔103。图8所示的实施例示出了在基板12的顶部上装载有可穿透的聚合物印模10的装置。将基板12放置成使它的背面在加热器主体21的表面105上，该加热器主体位于第二主部件102上或其中。因此，基板12使它的具有可聚合材料层14(例如紫外线下可交联的聚合物溶液)的目标表面17面向上方。为了简单起见，加热器装置20的全部特征(在图5-7中可见)没有在图9中示出。聚合物印模10被放置在基板12上或邻近该基板，并使其结构化表面11面 向基板12。可以设置用于将聚合物印模10和基板12进行校准的装置，但是没有在这个示意图中示出。膜113随后被放置在聚合物印模10的顶部上。对于膜113附着在第一主部件上的实施例，将膜113放置在聚合物印模上的实际步骤当然是可以省去的。在图9中，聚合物印模10、基板12和膜113仅为了清楚的原因被显示是完全分离的，然而在实际情况下它们会层叠在表面105上。
图10示出了装置100的操作位置。第二主部件102上升到膜113被夹在密封件108与表面105之间的位置。实际上，聚合物印模10和基板12非常薄，通常仅不到一毫米，并且如图所示的膜113的实际弯曲是很微小的。并且，表面105可选择地被设计成在它通过膜113与密封件108接触的点处具有上升的外围部分，用于补偿聚合物印模10和基板12的组合厚度。
一旦主部件101和102接合以夹住膜113，空腔115就被密封了。通过真空泵117的抽吸来实现真空，以从基板12的表面层排出包含的空气。压力源116随后被设计用来将超压力施加到空腔115中的流体介质上，该流体介质可以是气体、液体或凝胶。空腔115中的压力被膜113转移到聚合物印模10，该聚合物印模被压向基板12以在层14中压印聚合物印模图案，参见图6。可交联的聚合物溶液通常需要预热以克服它的玻璃化转变温度Tg，Tg可以约为60℃。此聚合物的实例是之前的mr-L6000.1 XP。当使用这种聚合物时，装置100(结合了辐射和加热能力)尤其有用。然而，对于这两种类型的材料通常需要后烘干步骤以硬化辐射固化后的层14’。如前所面提及的，本发明的一个方面因而是向层14的材料施加升高的温度TP，对于可交联的材料TP高于Tg并且还适于射线曝光后的材料的后烘干。驱动加热器装置20以利用加热器主体21通过基板12加热层14，直到达到TP。TP的实际值自然取决于层14所选择的材料。对于mr-L6000.1 XP的例子，可以使用范围在50-150℃ 内的温度TP。这取决于材料中的分子重量分布。空腔115中的介质压力随后增加到5-500巴，有利地为5-200巴，并且优选地为20-100巴。聚合物印模10和基板12因此利用相应的压力被压在一起。由于柔性膜113，在基板和聚合物印模之间的整个接触表面上方可以获得绝对均匀的力分布。因此使得聚合物印模和基板自身相对布置成彼此绝对平行，并且消除了基板表面或聚合物印模中的任何不规则的影响。
当利用被施加的流体介质压力将聚合物印模10和基板12压在一起时，辐射源被触发从而发射射线19。射线传输穿过作为窗口的表面部分112，进而穿过空腔115、膜113和聚合物印模10。射线被部分或完全地吸收到层14中，因此该层的材料在聚合物印模10与基板12之间的完全平行设置中通过交联或硬化而固化，该完全平行设置由压力和辅以压缩的膜提供。辐射曝光时间取决于层14中材料的类型和数量、与材料的类型和辐射能的类型相结合的射线波长。固化这种可聚合材料的特征众所周知就是这样的，并且所提及参数的相关结合对于普通技术人员也是广泛知晓的。一旦流体固化形成了层14’，进一步的曝光就没有显著效果了。然而，在曝光之后，如果后烘干对于固化层是必需的，则允许层14’的材料在预定的恒定温度下进行后烘干或硬烘干一段时间，例如1-10分钟。对于mr-L6000.1 XP的例子，在TP一般为100-120℃的工艺温度下，后烘干通常进行1-10分钟，优选地约3分钟。对于SU8，在射线中的曝光时间在1到10秒钟之间，其中3-5秒钟的范围已经成功的测试过了，并且随后在约70℃的TP下进行30-60秒钟的后烘干。
利用根据本发明的装置100，在压印机100中进行后烘干，这意味着不需要将基板从装置中取出并进入单独的炉中。这节省了一个工艺步骤，使得在压印工艺中时间和成本都可能得到节省。通过在聚合物印模10仍然保持在恒定温度TP，并且还潜在地伴随有朝 向基板12的所选压力时，进行后烘干步骤，并且还可在层14中的生成结构图案中达到更高的精度，这使得它能够生产更精细的结构。在压缩、曝光和后烘干之后，空腔115中的压力降低并且两个主部件101和102彼此分离。在此之后，基板与聚合物印模分离并且经受根据之前对于压印光刻已知的进一步的处理。
本发明的第一模式涉及硅基板12，该硅基板被厚度为1μm的NIP-K17的层14覆盖。在通过膜13以5-100巴的压力压缩30秒钟之后，辐射源110被开启。辐射源110通常被设计成至少在400nm以下的紫外线区域中发射射线。在优选的实施例中，采用具有200-1000nm的发射光谱范围的氙气灯作为辐射源110。此优选的氙气型辐射源110提供1-10W/cm2的射线，并且被设计成以每秒1-5个脉冲的脉冲率来快速发出1-5μs的脉冲。在表面104中形成石英的窗口112用于射线的穿过。曝光时间优选地在1-30秒钟之间，以使流体层14聚合成为固体层14’，但是曝光时间可以达到2分钟。
对mr-L6000.1 XP的测试已经在200-1000nm范围中约1.8W/cm2并结合1分钟曝光时间的条件下进行了。在本文中，应该注意所用的射线不必限制在施加到层14中的聚合物发生固化的波长范围内，所用的辐射源当然也可以发射出那个范围之外的射线。在成功的曝光并随后在恒定的工艺温度下进行后烘干之后，第二主部件102被降低到与图9类似的位置处，随后将模板10和基板12从装置上移除以对基板进行分离和进一步处理。
对于术语恒定温度意味着基本恒定，这就是说即使设置温度控制器以维持一定的温度，获得的实际温度将不可避免地有一定程度的波动。恒定温度的稳定性主要取决于温度控制器的精度以及整个机构的惯性。此外，应该理解尽管根据本发明的方法能用于压印单个纳米以下的极其精细的结构，只要模板不太大则轻微的温度变化不会有显著影响。假设模板外围处的结构具有宽度x，并且合理的 空间容差是那个宽度的分数，比如y＝x/10，则y就变成了设定温度容差的参数。事实上，通过采用模板和基板材料各自的热膨胀系数、模板的尺寸(通常为半径)、及空间容差参数y，能够容易地计算出热膨胀中会有哪种影响偏差。从这种计算，能够计算出温度控制器的适当的温度容差并将此温度容差应用到执行工艺的机器中。
在上述和图1中示出的“两步”压印工艺中采用的柔性聚合物箔层包括如下的优点：
所用聚合物箔层的柔性特性减少了由于在压印工艺中使用的印模和基板材料的热膨胀系数不同而造成的图案转移的复杂性。因此，此技术提供了在以不同热膨胀系数为特征的材料表面之间转移图案的可行性。然而，所采用的大部分聚合物都具有范围通常在60到70×10-6C-1之间的很小的热膨胀因数，使得图1(e)中示出的两种不同聚合物箔层之间的压印在制作上更加容易。
所用聚合物箔层的柔性和延展特性防止了在压印期间聚合物箔层(具有图案化或非图案化的表面)与其它物体(例如被聚合物薄膜或模板(含有硅、镍、石英或聚合物材料)覆盖的基板)之间进入空气。如果箔层被压向图1b、1e、1h中所示的这些物体中的一个，则聚合物箔层的作用就像膜一样，它将空气从压印区域的中心压到其边缘，空气从压印区域的边缘处可以离开压印区域。
由于用在聚合物箔层与模板或被压向的物体之间的聚合物箔层颗粒的柔软性，以及模板或物体显著的表面粗糙度，因此将防止在图1b)、1e)、及1h)中所示的压印工艺过程中聚合物箔层或一个所涉及物体的明显损坏。
由于所用聚合物箔层对于例如紫外线的高透过性，在上述的压印工艺中还可使用紫外线下可固化的聚合物，甚至在使用非透过性模板和基板时。
大部分所用聚合物箔层的非常低的表面能导致了对于其它材料的显著的抗粘附特性，使得在压印工艺中采用聚合物箔层是非常理想的。在低表面能聚合物上沉积额外的抗粘附层在大部分情况下是不需要的，从而使得上述工艺简化并且可在工业上应用。清楚地说，可以在抗粘附材料中制造聚合物复制印模。
如果用在此工艺中的不同聚合物材料的材料特性(例如玻璃化转变温度，光透性和在射线中曝光后的固化)相互适应，则上述的和图1中示出的工艺非常适于生产阳性复制品(图案与原始模板的图案类似)和阴性复制品(图案与原始模板的图案相反)。
所用柔性聚合物印模的抗老化和抗磨损性使得可以在压印工艺的第二步骤中多次使用它们。可替换地，聚合物印模仅使用一次并随后被丢弃。在任何情况下，这都增加了原始模板1的寿命，而这对于压印硬质且非柔性的材料都是不可用的。
所用聚合物箔层的柔性和延展特性使非柔性印模或基板从柔性箔层上脱模更轻松，减小了印模或基板上的物理损坏。
作为进行压印之后将聚合物箔层从基板上机械脱模的代替，聚合物箔层可替换地利用合适的溶液被化学溶解。这个步骤在转移具有高纵横比图案(就是说，图案结构的深度基本上大于它的宽度)的情况下是优选的，这种情况下机械脱模可能会损坏基板或印模。
不仅原始模板表面上的图案而且原始模板的物理尺寸都可以容易地转移到聚合物箔层中。在一些应用中图案在最终基板上的定 位是很关键的。例如，对于硬盘驱动器(hard disk drives)，图案应该被复制并与磁盘的中心对准。这里，主板印模可具有中心孔。在压印之后，中心孔的浮出部(relief)形成在柔性聚合物箔层中，此浮出部可用来将箔层上的图案与最终的复制磁盘对准。
聚合物薄片中形成的复制品能够带来新颖的家族式发展工艺，而利用普通的镍到镍的镀覆方法这是不可行的。这里，压印后的聚合物薄片首先利用例如紫外线辅助式压印工艺与钢性基板结合在一起。随后利用种子层对此薄片进行金属化并进行电镀以获得原始物的镍复制品。通过所述的发明可以获得许多其它的变化工艺。
实例
所使用的一些聚合物箔层是：
来自德国Ticona GmBH的Topas 8007：热塑性随机共聚物，具有80℃的玻璃化温度。Topas对于波长300nm以上的光是可穿透的，并且以低表面能为特征。可获得厚度为50-500μm的箔层。这里使用130-140μm厚的箔层。
来自日本Zeon Chemicals的Zeonor ZF14：热塑性聚合物，具有136℃的玻璃化温度，并且对于300nm以上的波长具有92％的光透性。所用的箔层具有188μm的厚度但是范围在50-500μm的其它厚度的箔层也可以获得。
来自日本Zeon Chemicals的Zeonex E48R：热塑性聚合物，具有139℃的玻璃化温度，并且对于350nm以上的波长具有92％的光透性。所用的箔层具有75μm的厚度。
来自德国Bayer AG的聚碳酸酯(双酚-A聚碳酸酯)：热塑性聚合物，具有150℃的玻璃化温度，并且对于350nm以上的波长具有91％的光透性。所用的箔层具有300μm的厚度并且可以获得高达1mm的许多其它厚度。
使用的抗蚀剂材料是来自美国MicroChem公司的SU8，它是光阻材料，在波长为350-400nm之间的光中曝光后可固化。在SU8薄膜与硅基板之间使用来自美国MicroChem公司的LOR0.7薄膜作为粘附促进剂。
例1
表面具有线条图案(该线条图案具有80nm的线宽和90nm的高度)的镍模板在150℃和50巴的条件下被压印到Zeonor ZF14中3分钟。没有表面利用任何额外的涂覆处理过，例如抗粘附层。分离温度是135℃，在此温度下Zeonor箔层能够从镍表面上机械地移除而不会损坏模板或复制品的图案。Zeonor箔层用作新的模板被压印到100nm厚的SU8薄膜中。在将SU8薄膜旋涂在硅基板上之前，先将其旋涂在20nm的LOR薄膜上。这里还是一样，没有表面利用额外的涂覆处理过，目的是提高SU8薄膜与Zeonor箔层之间的抗粘附行为。在70℃和50巴的情况下进行压印3分钟。SU8薄膜在穿过光透的Zeonor箔层的紫外线中曝光4秒钟并进行多于2分钟的烘干。在整个压印顺序中，温度和压力分别在70℃和50巴下保持恒定。分离温度为70℃，在此温度下Zeonor箔层能够从SU8薄膜上机械地移除而不会损坏聚合物模板箔层或复制薄膜的图案。图2中示出了沉积到硅晶片上的SU8薄膜中的压印结果的AFM图像。
例2
使用与上述例1相同的工艺和相同的参数，将表面具有蓝光图案(该图案具有100nm的结构高度和150nm的宽度-由AFM检测)的镍模板压印到Zeonor ZF14中。Zeonor箔层被用作新的模板，其被压印到100nm厚的SU8薄膜中。这里还是使用与上述例1相同的工艺和相同的参数。图3中示出了沉积到硅晶片上的SU8薄膜中的压印结果的AFM图像。
例3
使用表面包括范围为1-28的高纵横比的微米级图案的镍模板。特征尺寸从600nm到12μm，高度为17μm。表面在压印之前被碳酸盐基的抗粘附薄膜覆盖。该镍模板在190℃和50巴的条件下被压印到聚碳酸酯箔层中3分钟。该聚碳酸酯箔层的表面没有被额外的涂覆处理过，目的是提高Ni模板与聚碳酸酯薄膜之间的抗粘附行为。分离温度是130℃，在此温度下聚碳酸酯箔层能够从镍表面上机械地移除而不会损坏模板或复制品的图案。使用聚碳酸酯箔层作为新的模板用来压印到Topas箔层中。该压印在120℃和50巴的条件下进行3分钟。没有表面被额外的涂覆处理过，目的是提高聚碳酸酯和Topas箔层之间的抗粘附行为。分离温度是70℃，在此温度下Topas能够从聚碳酸酯箔层上机械地移除而不会损坏模板箔层或复制品箔层的图案。随后使用Topas箔层作为新的模板，其被压印到旋涂在硅基板上的6000nm厚的SU8薄膜中。这里还是一样，没有表面被任何额外的涂覆处理过，目的是提高SU8薄膜与Topas箔层之间的抗粘附行为。该压印在70℃和50巴的条件下进行3分钟。SU8薄膜在穿过可光透的Topas箔层的紫外线中曝光4秒钟，并且在整个工艺过程中在不改变70℃的温度或50巴的压力的情况下将SU8薄膜烘干多于两分钟的时间。分离温度是70℃。随后将Topas箔层在60℃下于p-xylene中完全溶解一个小时。图4示出了SEM(扫描电子显微镜)图像的结果。
实验
上述例子中给出的压印工艺已经针对不同的图案化的Ni模板使用不同的工艺参数进行过了，在某些情况下Ni模板被磷酸盐基抗粘附薄膜覆盖。基板(2到6英寸的硅晶片)在旋压LOR和SU8薄膜之前已经直接用异丙醇和丙酮漂洗清理过了。所采用印模的尺寸为2到6英寸。使用Obducat-6英寸-NIL设备进行压印，此设备具有紫外线模块。
进行轻敲模式的原子力显微镜(AFM)检测，并辅以纳米显微镜IIIa(来自Digital Instruments的显微镜)检测，以在进行压印之后检测压印结果和印模。
使用Obducat CamScan MX2600显微镜在25 kV的条件下进行扫描电子显微镜(SEM)检测。

Claims (35)

1.用于将图案从具有结构化表面的模板转移到基板的目标表面的方法，所述方法包括：
初始压印步骤，包括：
-制造具有图案化表面的聚合物印模，包括将所述模板的结构化表面压到第一聚合物箔层的表面层中以将反转图案压印到所述表面层中的步骤；以及
第二压印步骤，包括：
-相互平行地布置所述聚合物印模和基板，使所述图案化表面面向所述基板的目标表面，并且设计中间层材料使其在射线中曝光时固化；
-将所述聚合物印模和所述基板加热到温度TP；并且
在保持所述温度TP的同时，进行如下步骤：
-将所述聚合物印模压向所述基板，以将所述图案化表面的图案压印到所述中间层中；和
-将所述中间层在射线中曝光以固化所述中间层，
所述方法还包括：在止挡件与柔性膜的第一侧面之间布置所述聚合物箔层和所述基板，并且其中
将所述聚合物箔层压向所述基板涉及将超压力施加给存在于所述膜的第二侧面上的介质。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
-在保持所述温度TP的同时，对所述中间层进行后烘干。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：
-在保持所述温度TP的同时，从所述聚合物印模上分离所述基板。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，从所述聚合物印模上分离所述基板的步骤包括以下步骤：当所述聚合物印模仍然被设置成与所述基板上已压印的所述中间层保持接触时，溶解所述聚合物印模。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料是具有初始玻璃化温度Tg的可交联的热塑性聚合物，并且其中TP高于Tg。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料是具有玻璃化温度Tg的紫外线下可交联的热塑性聚合物，其中温度TP高于Tg，并且其中所述射线是紫外线。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述材料是光化学放大的。
8.根据权利要求1所述的方法，包括：
在相互平行地布置所述聚合物箔层和基板的步骤之前，通过旋涂所述材料而在所述基板上施加所述中间层。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料是紫外线下可固化的预聚物，并且其中所述射线是紫外线。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述介质包括气体。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述介质包括空气。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述介质包括液体。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述介质包括凝胶。
14.根据权利要求1所述的方法，包括：
-穿过所述聚合物箔层向所述中间层发射射线，其中所述聚合物箔层对于可用于固化所述材料的射线的波长范围而言是可透过的；以及
-通过直接接触所述加热器装置来加热所述基板。
15.根据权利要求1所述的方法，包括：
-穿过所述膜向所述中间层发射射线，其中所述膜对于可用于固化所述材料的射线的波长范围而言是可透过的。
16.根据权利要求1所述的方法，包括：
-穿过所述膜并穿过与所述膜相对的透明壁向所述层发射射线，为用于所述介质的空腔确定后壁，其中所述后壁和膜对于可用于固化所述材料的射线的波长范围而言是可透过的。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，曝光所述层的步骤包括：
-从辐射源发射100-500nm波长范围内的射线。
18.根据权利要求17所述的方法，包括：
-发射脉冲持续时间在0.5-10μs范围内并且脉冲率在每秒1-10个脉冲的范围内的脉动射线。
19.根据权利要求1所述的方法，包括：
-在所述聚合物印模与所述基板之间采用真空，以便在所述中间层在射线中曝光之前从所述表面层排出包含的空气。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述温度TP在20-250℃的范围内。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述初始压印步骤进一步包括：
-固化所述第一聚合物箔层的所述表面层，其中所述第一聚合物箔层是所述聚合物印模，并且所述表面层确定所述聚合物印模的所述图案化表面。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述初始压印步骤进一步包括：
-固化所述第一聚合物箔层的所述表面层；
-将所述第一聚合物箔层的反转图案压入第二聚合物箔层的表面层中，以在所述第二聚合物箔层的所述表面层中压印所述模板表面图案的复制品；以及
-固化所述第二聚合物箔层的所述表面层，其中所述第二聚合物箔层是所述聚合物印模，并且它的表面层确定所述聚合物印模的所述图案化表面。
23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一聚合物箔层由热塑性聚合物材料制成。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二聚合物箔层由热塑性聚合物材料制成。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其中，所述热塑性聚合物为共聚物。
26.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模板由金属、石英、聚合物、或硅制成。
27.根据权利要求1所述的方法，在保持所述温度TP的同时包括以下步骤：
-释放压力；以及
-从所述聚合物印模上分离目标表面上载有所述中间层的所述基板。
28.根据权利要求1所述的方法，其中所述模板的图案被转移到多个基板上，所述方法进一步包括：
-在所述第二压印步骤之后设置所述聚合物印模；
-使用所述模板重复所述第一压印步骤来形成新的聚合物印模；以及
-使用所述新的聚合物印模重复所述第二压印步骤来压印新的基板目标表面。
29.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一聚合物箔层由聚碳酸酯、不饱和石蜡共聚物或PMMA制成。
30.根据权利要求1所述的方法，其中，所述初始压印步骤是热压印工艺，包括：
-提供大块的聚合物箔层；
-将所述聚合物箔层加热到它的玻璃化转变温度以上的温度；
-将所述结构化模板表面压入所述聚合物箔层的表面中；
-冷却所述聚合物箔层；以及
-从所述模板上分离所述图案化的聚合物箔层。
31.根据权利要求1所述的方法，其中，所述初始压印步骤是辐射辅助式压印工艺，包括：
-提供聚合物箔层；
-在所述聚合物箔层的表面上提供对辐射敏感的预聚物表面层；
-将所述结构化模板表面压入所述表面层中；
-将所述表面层在穿过所述聚合物箔层的射线中曝光，以固化所述预聚物；以及
-从所述模板上分离所述图案化的聚合物箔层。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述初始压印步骤进一步包括：
-在从所述模板上分离所述图案化的聚合物箔层之前，提供热量以便后烘干所述表面层。
33.根据权利要求1所述的方法，其中，所述初始压印步骤是辐射辅助式压印工艺，包括：
-提供聚合物箔层；
-在所述聚合物箔层的表面上提供对辐射敏感的可交联聚合物表面层；
-将所述聚合物箔层加热到所述可交联聚合物的玻璃化转变温度以上的温度，并且在保持所述温度的同时，进行以下步骤：
-将所述模板压向所述表面层；以及
-将所述表面层在用于交联所述表面层的射线中曝光。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述初始压印步骤进一步包括：
-在保持所述温度的同时，对所述表面层进行后烘干。
35.根据权利要求34所述的方法，进一步包括以下步骤：
-从所述模板上分离所述图案化的聚合物箔层。
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