СПОСОБ И УСТРОЙСТВО НАНЕСЕНИЯ НАНОРИСУНКА НА БОЛЬШИЕ ПЛОЩАДИ
METHOD AND DEVICE FOR APPLICATION OF NANO-PATTERN ON LARGE AREA

Область техники
Варианты осуществления изобретения относятся к способам нанесения нанорисунка, которые можно использовать для шаблонирования больших подложек или подложек, например, пленок, которые можно продавать рулонами. Другие варианты осуществления изобретения относятся к устройству, которое можно использовать для шаблонирования подложек и которое можно использовать для осуществления вариантов осуществления способа, включая описанные.
Уровень техники
В данном разделе описаны предпосылки, лежащие в основе раскрытых вариантов осуществления настоящего изобретения. Заявители не утверждают, ни прямо, ни косвенно, что технические предпосылки, рассмотренные в этом разделе, официально составляют уровень техники.
Наноструктурирование необходимо для многих существующих областей применения и отраслей промышленности, а также развивающихся новых технологий. Повышений эффективности можно достичь для текущих применений в таких областях, как солнечные элементы и СИД, а также, для примера, но не ограничения, к устройствам хранения данных следующего поколения.
Наноструктурированные подложки можно изготавливать с использованием таких методик, как непосредственное электронно-лучевое экспонирование, литография в дальнем УФ диапазоне, наносферная литография, наноимпринтная литография, ближнеполевая фазосдвиговая литография и плазмонная литография.
Наноимпринтная литография (NIL) создает рисунки путем механической деформации импринт-резиста и последующей обработки. Импринт-резист обычно является мономерным или полимерным соединением, которое отверждается под действием нагрева или УФ света в ходе импринтинга. Существует несколько разновидностей NIL. Однако два процесса выглядят наиболее важными. Это термопластическая наноимпринтная литография (TNIL) и наноимпринтная литография с пошаговым смещением и УФ экспонированием (SFIL).
TNIL - это самая ранняя и наиболее развитая наноимпринтная литография. В стандартном процессе TNIL, тонкий слой импринт-резиста (термопластичного полимера) наносится на подложку образца методом центрифугирования. Затем пресс-форма, имеющая предопределенные топологические рисунки в контакт с образцом, и прижимается к образцу под заданным давлением. При нагреве термопластичного полимера выше температуры стеклования, рисунок на пресс-форме вдавливается в расплавленную термопластичную полимерную пленку. После охлаждения образца с вдавленной пресс-формой, пресс-форма отделяется от образца, а импринт-резист остается на поверхности подложки образца. Рисунок не проходит через импринт-резист; на поверхности подложки образца существует остаточная толщина неизмененной термопластичной полимерной пленки. Процесс переноса рисунка, например, реактивное ионное травление, можно использовать для переноса рисунка в резисте на нижележащую подложку. Изменение остаточной толщины неизмененной термопластичной полимерной пленки представляет проблему в отношении однородности и оптимизации процесса травления, используемого для переноса рисунка на подложку.
В процессе SFIL, УФ-отверждаемый жидкий резист наносится на подложку образца, и пресс-форма изготавливается из прозрачной подложки, например из плавленого кварца (кварцевого стекла). После того как пресс-форма и подложка образца прижимаются друг к другу, резист отверждается с использованием УФ света, и становится твердым. После отделения пресс-формы от отвержденного материала резиста, рисунок, аналогичный тому, который используется в TNIL, можно использовать для переноса рисунка на нижележащую подложку образца. В процессах как SFIL, так и TNIL существует ряд проблем, в том числе долговечность трафарета, производительность, допуски на импринт-слой и контроль критического размера при переносе рисунка на нижележащую подложку. Остаточный, непропечатанный слой, который остается после процесса импринтинга, требует дополнительного этапа травления до основного травления с переносом рисунка. Однополевая NIL сталкивается с трудностью в контроле однородности тиражируемого рисунка по подложке большой площади поверхности, в связи с проблемами в поддержании равномерного давления на больших площадях. Пошаговый способ с повторением потенциально может охватывать большие области, но микроструктура, формируемая на каждом шаге, не зависит от других шагов, и формирование бесшовной микро- или наноструктуры на большой площади без совмещения составляет проблему. Ошибки совмещения возникают при неправильном выравнивании повторяемых переносов рисунка.
Если можно получить поверхность валика с однородно нанесенным рисунком, существует возможность обработки с рулона на рулон. В японской нерассмотренной патентной публикации № 59200419A, опубликованной 13 ноября 1984 г. под названием "Large Area Exposure Apparatus" ("Устройство для экспонирования больших областей"), Toshio Aoki и др., описано использование прозрачного цилиндрического барабана, который может совершать вращательное и поступательное движение, с внутренним источником света и пленкой материала фотомаски с нанесенным рисунком, присоединенной снаружи цилиндрического барабана. Внутри барабана присутствует пленка прозрачного теплоотражающего материала. Подложка с алюминиевой пленкой на своей поверхности и фоторезистом, нанесенным поверх алюминиевой пленки, контактирует с фотомаской с нанесенным рисунком на поверхности барабана, и свет формирования изображения проходит через фотомаску для формирования изображения в фоторезисте на поверхности алюминиевой пленки. Затем фоторезист проявляется, для обеспечения фоторезиста с нанесенным рисунком. Затем фоторезист с нанесенным рисунком используется как маска травления для алюминиевой пленки, присутствующей на подложке.
2
Не существует описания, касающегося видов материалов, которые использовались в качестве пленки фотомаски или фоторезиста на поверхности алюминиевой пленки. Для формирования изображения в фоторезисте, нанесенном поверх алюминиевой пленки, использовался ртутный ламповый источник света высокого давления (500 Вт). Стеклянные подложки толщиной около 210 мм (8,3 дюйма) ×150 мм (5,9 дюйма) и около 0,2 мм (0,008 дюйма) создавали с использованием устройства переноса рисунка с цилиндрическим барабаном. Размер элемента рисунка, перенесенного с использованием такой техники, составлял около 500 мкм, что, очевидно, представляет собой квадрат размерами около 22,2 мкм × 22,2 мкм. Этот размер элемента базировался на приблизительном размере пикселя ЖК дисплея на момент подачи патентной заявки (1984 г.). Было заявлено, что пленка фотомаски снаружи цилиндрического барабана, как упомянуто, выдерживает примерно 140000 переносов рисунка. Схема контактной литографии, используемая Toshio Aoki и др., не позволяет создавать субмикронные элементы.
Tapio Makela и др. из VTT, центра технических исследований в Финляндии, опубликовали сведения о заказном инструменте импринтинга с рулона на рулон лабораторного масштаба, предназначенного для изготовления субмикронных структур с высокой производительностью. Hitachi и другие разработали листовую или с рулона на рулон NIL машину-прототип, и продемонстрировали возможность обрабатывать листы длиной 15 метров. Задача состояла в создании непрерывного импринт-процесса с использованием ленточного формования (никелированных пресс-форм) для импринта полистирольных листов для применений с большой геометрией, например, мембран топливных элементов, батарей и, возможно, дисплеев. В настоящее время инструменты-прототипы не обеспечивают желаемой производительности. Кроме того, необходимо повысить надежность и воспроизводимость в отношении отпечатываемой поверхности. Toshiba также опубликовала информацию об инструменте УФ-импринтинга с рулона на рулон, предназначенного для создания элементов субмикронных размеров.
Техника наноимпринтной литографии, в том числе NIL с рулона на рулон, тем не менее, должна решить ряд проблем. Дефекты могут возникать вследствие неполного заполнения негативных рисунков и явления усыхания, которое часто происходит в отношении полимерных материалов. Разность коэффициентов теплового расширения между пресс-формой и подложкой вызывает поперечное напряжение, и напряжение концентрируется в углу рисунка. Напряжение порождает дефекты и приводит к дефектам разломов в основной части рисунка на этапе освобождения пресс-формы. Кроме того, неоднородность толщины остаточного, непропечатанного слоя, который остается после процесса импринтинга, особенно вредна в отношении получения равномерно протравленного рисунка в подложке большой площади под впечатанным слоем резиста.
Мягкая литография является альтернативой фотолитографии в качестве способа микро- и нанопроизводства. Эта технология относится к формованию копии самособирающихся монослоев. В мягкой литографии, эластомерный штамп со структурами узорного рельефа на своей поверхности используется для генерации рисунков и структур с размерами элемента в диапазоне от 30 нм до 100 нм. Наиболее перспективной техникой мягкой литографии является микроконтактная печать (µCP) с самособирающимися монослоями (SAM). Основной процесс µCP включает в себя: 1. Пресс-форма из полидиметилсилоксана (PDMS) погружается в раствор особого материала, причем особый материал способен образовывать самособирающийся монослой (SAM). Такие особые материалы можно называть чернилами. Особый материал прилипает к выступающему рисунку на поверхности PDMS мастера. 2. Пресс-форма из PDMS, с поверхностью, покрытой материалом, обращенной вниз, контактирует с поверхностью подложки, покрытой металлом, например, золотом или серебром, благодаря чему только рисунок на поверхности пресс-формы из PDMS контактирует с подложкой с металлическим покрытием. 3. Особый материал образует химическую связь с металлом, так что только особый материал, находящийся на выступающей поверхности рисунка, все еще остается на поверхности с металлическим покрытием после удаления пресс-формы из PDMS. Особый материал образует SAM на подложке с металлическим покрытием, который тянется над поверхностью с металлическим покрытием примерно на один-два нанометра (совсем как чернила на листе бумаги). 4. Пресс-форма из PDMS удаляется с поверхности с металлическим покрытием подложки, оставляя SAM с нанесенным рисунком на поверхности с металлическим покрытием.
2
2
3
2
2
Наиболее приемлемыми особыми материалами для формирования SAM на поверхностях, покрытых золотом или серебром, являются алкантиолаты. Когда поверхность подложки содержит вещества, заканчивающиеся гидроксильной группой, например, Si/SiO, Al/AlO, стекло, слюда и полимеры, обработанные плазмой, в качестве особых материалов удобно использовать алкилсилоксаны. В отношении алкантиолатов, μCP гексадекантиола на испаренных тонких пленках (толщиной 10-200 нм) золота или серебра выглядит наиболее воспроизводимым процессом. Хотя это наиболее известные материалы для осуществления формирования рисунка, золото и серебро не совместимы с микроэлектронными устройствами, базирующимися на кремниевой технологии, хотя можно использовать электроды или провода, содержащие золото или серебро. В настоящее время, µCP для SAM из силоксанов на поверхностях Si/SiO не столь податливы, как SAM из алкантиолатов на золоте или серебре. SAM из силоксанов на Si/SiO часто обеспечивают беспорядочные SAM и в ряде случаев генерируют субмонослои или мультислои. Наконец, узорные пресс-формы, доступные для µCP, представляют собой плоские поверхности "штампа", и воспроизводимая, и надежная печать на больших площадях требует не только очень точного совмещения отпечатанного рисунка из пресс-формы, но и постоянного смачивания штампа особым материалом, образующим SAM, что весьма затруднительно.
Некоторые новые методы оптической литографии, основанные на крайне слабых эффектах в ближнем поле, уже продемонстрировали преимущества в печати суб-100 нм структур, хотя только на малых площадях. Ближнеполевая фазосдвиговая литография NFPSL предусматривает экспозицию слоя фоторезиста ультрафиолетовым (УФ) светом, который проходит через эластомерную фазовую маску, пока маска находится в конформном контакте с фоторезистом. Приведение эластомерной фазовой маски в контакт с тонким слоем фоторезиста заставляет фоторезист "смачивать" поверхность контактной поверхности маски. Прохождение УФ света через маску, находящуюся в контакте с фоторезистом, подвергает фоторезист распределению интенсивности света, которое развивается на поверхности маски. В случае маски с глубиной рельефа, которая предназначена для модуляции фазы пропускаемого света на π, локальный нуль интенсивности возникает на краю ступеньки рельефа. При использовании позитивного фоторезиста, экспозиция через такую маску, с последующей проявкой, дает линию фоторезиста, ширина которой равна характеристической ширине нуля по интенсивности. Для света 365 нм (ближний УФ) в сочетании с традиционным фоторезистом, ширина нуля интенсивности составляет около 100 нм. Маску из PDMS можно использовать для формирования конформного контакта атомарного масштаба с плоским твердым слоем фоторезиста. Этот контакт устанавливается спонтанно при контакте, без приложения давления. Обобщенные силы адгезии направляют этот процесс и обеспечивают простой и удобный способ выравнивания маски по углу и позиции в направлении, нормальном к поверхности фоторезиста, для установления хорошего контакта. Физического зазора с фоторезистом нет. PDMS прозрачен для УФ-света с длинами волны свыше 300 нм. Прохождение света от ртутной лампы (главные спектральные линии которой лежат в диапазоне 355-365 нм) через PDMS, находящийся в конформном контакте со слоем фоторезиста, подвергает фоторезист распределению интенсивности, образующемуся на маске.
Yasuhisa Inao, в презентации, озаглавленной "Near-Field Lithography as a prototype nano-fabrication tool", на 32-й Международной конференции по микро- и нано-технологиям в 2006 г., описал ближнеполевую нанолитографию пошагового экспонирования, разработанную Canon, Inc. Ближнеполевая литография (NFL) используется, когда расстояние между маской и фоторезистом, на который должен переноситься рисунок, настолько мало, насколько это возможно. Начальное расстояние между маской и пластиной подложки было установлено около 50 нм. Техника нанесения рисунка была описана как "обработка трехслойного резиста", с использованием очень тонкого фоторезиста. Маска для переноса рисунка присоединялась к дну камеры давления и прижималась для обеспечения "хорошего физического контакта" между маской и поверхностью пластины. Маска "деформировалась в соответствии с пластиной". Было указано, что начальное расстояние 50 мкм между маской и пластиной допускает перемещение маски в другую позицию для экспонирования и нанесения рисунка на области свыше 5 мм ×5 мм. Система нанесения рисунка использовала i-линейное (365 нм) излучение ртутной лампы в качестве источника света. Такой способ пошагового экспонирования позволил успешно нанести рисунок на 4-дюймовую кремниевую пластину со структурами менее 50 нм.
2
В статье под названием "Large-area patterning of 50 nm structures on flexible substrates using near-field 193 nm radiation", JVST B 21 (2002), на страницах 78-81, Kunz и др. описали применение ближнеполевой литографии с фазосдвигающей маской для нанесения нанорисунка на гибкие листы (полиимидные пленки) с использованием жестких масок из кварцевого стекла и экспонирования в дальнем УФ диапазоне. В последующей статье под названием "Experimental and computational studies of phase shift lithography with binary elastomeric masks", JVST B 24(2) (2006) на страницах 828-835, Maria и др. представили экспериментальные исследования и расчеты фазосдвигающей фотолитографической техники, которая использует двоичные эластомерные фазовые маски в конформном контакте со слоями фоторезиста. В работе рассмотрены оптимизированные маски, сформированные путем отливки и отверждения форполимеров в эластомерный поли(диметилсилоксан) на анизотропно травленых структурах монокристаллического кремния на SiO/Si. Авторы сообщают о возможности использования фазовой маски из PDMS для формирования в резисте элементов, в полной геометрии рельефа на маске.
В патенте США №6753131, выданном Rogers и др. 22 июня 2004 г., под названием "Transparent Elastomeric, Contact-Mode Photolithography Mask, Sensor, and Wavefront Engineering Element", описана фазовая маска для контактной фотолитографии, которая включает в себя дифракционную поверхность, имеющую множество углублений и выступов. Выступы приводят в контакт с поверхностью позитивного фоторезиста, и поверхность подвергается воздействию электромагнитного излучения через фазосдвигающую маску. Фазовый сдвиг, обусловленный прохождением излучения через углубления в противопоставлении с выступами, является, по существу, полным. Таким образом, на границах между углублениями и выступами образуются минимумы интенсивности электромагнитного излучения. Эластомерная маска хорошо согласуется с поверхностью фоторезиста, и после проявки фоторезиста можно получить детали менее 100 нм. (Реферат). В одном варианте осуществления, отражающие пластины используются вне подложки и контактной маски, в результате чего излучение возвращается в нужное место со сдвигом фазы. В другом варианте осуществления, подложке можно придать форму, которая приводит к деформации фазосдвигающей маски, что влияет на поведение фазосдвигающей маски в ходе экспонирования.
В патентной заявке США № U.S. 2006/0286488, Rogers и др., опубликованной 21 декабря 2006 г. под названием "Methods And Devices For Fabricating Three-Dimensional Nanoscale Structures", описаны способы изготовления 3D структур на поверхностях подложек. 3D структуры можно генерировать с использованием способной быть конформной эластомерной фазовой маски, способной к конформному контакту с материалом, чувствительным к излучению, который подвергается фотообработке (для создания 3D структур). 3D структуры могут не проходить через весь материал, чувствительный к излучению. (Реферат).
Ближнеполевая литография на основе поверхностных плазмонов (NFSPL) использует ближнеполевое возбуждение для индуцирования фотохимических или фотофизических изменений, для создания наноструктур. Основная ближнеполевая техника базируется на увеличении локального поля вокруг металлических наноструктур, освещаемых на резонансной частоте поверхностного плазмона. Плазменная печать состоит из использования исчезающей волны, ведомой плазмонами, через металлические наноструктуры для создания фотохимических и фотофизических изменений в слое под металлической структурой. В частности, видимая экспозиция (λ=410 нм) наночастиц серебра в непосредственной близости к тонкой пленке фоторезиста g-линии (AZ-1813, доступного от AZ-Electronic Materials, MicroChemicals GmbH, Ульм, Германия) может создавать области избирательного экспонирования диаметром менее λ/20. W. Srituravanich и др. в статье под названием "Plasmonic Nanolithography", Nanoletters V4, N6 (2004), стр.1085-1088, описывают использование света ближнего УФ-диапазона (λ=230 нм - 350 нм) для возбуждения SP на металлической подложке, для повышения пропускания через периодические апертуры суб длины волны с эффективно меньшими длинами волны по сравнению с длиной волны возбуждающего света. Плазмонная маска, предназначенная для литографии в УФ-диапазоне, состоит из слоя алюминия, перфорированного 2-мерными периодическим массивами отверстий, и двух окружающих слоев диэлектрика, по одному с каждой стороны. Алюминий выбран по той причине, что он может возбуждать SP в УФ-диапазоне. Кварц применяется в качестве подложки для поддержки маски, с промежуточным слоем из поли(метилметакрилата), который действует как адгезив для алюминиевой фольги и как диэлектрик между алюминием и кварцем. Поли(метилметакрилат) используется в сочетании с кварцем по причине их прозрачности для УФ-света на длине волны экспонирования (i-линия на 365 нм) и сравнимыми диэлектрическими постоянными (2,18 и 2,30 для кварца и PMMA, соответственно). Рисунок в виде массива точек размером менее 100 нм и периодом 170 нм был успешно сгенерирован с использованием экспозиционного излучения с длиной волны 365 нм. Очевидно, полная область нанесения рисунка имела размеры около 5 мкм × 5 мкм, без каких-либо проблем масштабируемости, рассмотренных в статье.
Не создается впечатление, что способ импринтинга (с тепловым или УФ-отверждением) или мягкой литографии с использованием печати с SAM материалами являются высокотехнологичными процессами. В общем случае, способ импринтинга создает деформацию материала подложки из-за тепловой обработки (например, тепловой NIL) или усыхания деталей рисунка при отверждении полимера (детали в УФ-отвержаемом полимере). Кроме того, вследствие приложения давления (жесткий контакт) между штампом и подложкой, дефектов, по существу, невозможно избежать, и штамп имеет очень ограниченный срок службы. Мягкая литография имеет преимущество в том, что она является технологией печати без нагрева и напряжений. Однако использование SAM в качестве "чернил" для суб-100 нм рисунка весьма проблематично вследствие дрейфа молекул по поверхности, и применимость этой технологии на больших площадях не нашла экспериментального подтверждения.
Сущность изобретения
2
2
Варианты осуществления изобретения относятся к способам и устройству, полезным при нанесении нанорисунков на подложки большой площади в пределах от около 200 мм до около 1000000 мм, в порядке примера, но не ограничения. В ряде случаев подложка может представлять собой пленку, которая имеет заданную ширину и неопределенную длину и продается рулонами. Техника нанесения нанорисунка использует ближнеполевую УФ-фотолитографию, где маска, используемая для нанесения рисунка подложки, находится в динамическом контакте или в непосредственной близости (в переменном поле затухающих колебаний, менее 100 нм) от подложки. Ближнеполевая фотолитография может включать в себя технологию фазосдвигающей маски или поверхностных плазмонов. Размер элемента, получаемого с использованием описанных способов, варьируется от около 1 мкм ниже до около 1 нм, и часто от около 100 нм до около 10 нм.
В одном варианте осуществления, экспозиционное устройство включает в себя фазосдвигающую маску в виде УФ-прозрачной вращаемой маски, имеющей особый фазосдвигающий рельеф на своей наружной поверхности. В другом варианте осуществления технологии фазосдвигающей маски, прозрачная вращаемая маска, которая обычно является цилиндром, может иметь полимерную пленку, которая является фазосдвигающей маской, и маска присоединена к наружной поверхности цилиндра. Когда трудно добиться хорошего и однородного контакта с поверхностью подложки, в особенности для больших областей обработки, выгодно, чтобы полимерная пленка представляла собой конформную эластомерную полимерную пленку, например, из PMDS, которая образует хороший конформный контакт с подложкой благодаря вандерваальсовым силам. Фазосдвигающая маска из полимерной пленки может состоять из множественных слоев, где наружный слой имеет нанорисунок для более точного представления предписанных размеров элементов в слое, чувствительном к излучению (светочувствительном слое).
Другой вариант осуществления экспозиционного устройства использует мягкий эластомерный материал фотомаски, например, пленку PDMS, имеющий изготовленные непрозрачные элементы на одной из своих поверхностей, которая присоединена к наружной поверхности цилиндра. Такими элементами могут быть хромовые детали, создаваемые на пленке PDMS с использованием одного из методов литографии, известных в технике.
Согласно варианту осуществления экспозиционного устройства, которое включает в себя технологию поверхностных плазмонов, металлический слой или пленка наслаивается или осаждается на наружную поверхность вращаемой маски, которая обычно представляет собой прозрачный цилиндр. Металлический слой или пленка имеет особую последовательность сквозных наноотверстий. В другом варианте осуществления технологии поверхностных плазмонов, слой металлических наночастиц осаждается на наружную поверхность прозрачной вращаемой маски для достижения нанесения нанорисунка, улучшенного поверхностными плазмонами. Внутри прозрачного цилиндра предусмотрен источник излучения. Например, но не ограничение, внутри цилиндра может быть установлена УФ-лампа. В порядке альтернативы, источник излучения может располагаться вне цилиндра, со светом от источника излучения, передаваемым по трубкам внутрь цилиндра через один или оба торца цилиндра. Излучение можно направлять снаружи цилиндра или внутри цилиндра к конкретным областям внутри цилиндра с использованием оптической системы, включающей в себя, например, зеркала, линзы или их комбинации. Излучение, присутствующее в цилиндре, можно направлять на контактную область подложки маски с использованием оптической дифракционной решетки. Излучение можно направлять на область подложки маски (соединенную) через волновод с дифракционной решеткой. Волновод или дифракционная решетка обычно располагается внутри цилиндра, для перенаправления излучения на контактные области между наружной поверхностью цилиндра и поверхностью подложки, на которой нужно формировать изображение.
В специализированном варианте осуществления источника света излучения, гибкий дисплей на ОСИД может быть присоединен вокруг внешней поверхности вращаемой маски, для излучения света от каждого из пикселей к подложке. В этом случае вращаемая маска не должна быть прозрачной. Кроме того, конкретный рисунок, переносимый на материал, чувствительный к излучению, на поверхности подложки можно генерировать в зависимости от применения, управляя светом, излучаемым от ОСИД. Переносимый рисунок можно изменять "на ходу" без необходимости останавливать производственную линию.
Для обеспечения высокой производительности переноса рисунка на материал, чувствительный к излучению, и увеличения площади с нанесенным рисунком поверхности, полезно перемещать подложку или вращаемую маску, например, цилиндр, относительно друг друга. Цилиндр вращается на поверхности подложки, когда подложка неподвижна, или подложка перемещается к цилиндру, когда цилиндр неподвижен. По причинам, рассмотренным ниже, существуют преимущества перемещения подложки к цилиндру.
Важно иметь возможность регулировать величину силы, которая возникает на линии контакта между цилиндром и материалом, чувствительным к излучению, на поверхности подложки (например, на линии контакта между эластомерной пленкой с нанесенным рисунком, присутствующей на поверхности цилиндра, и фоторезистом на поверхности подложки). Для управления этой линией контакта, цилиндр может поддерживаться натяжным приспособлением, например, пружинами, компенсирующими вес цилиндра. Подложка или цилиндр (или оба) перемещаются (вверх и вниз) друг к другу, в результате чего промежуток между поверхностями уменьшается, пока не возникнет контакт между поверхностью цилиндра и материалом, чувствительным к излучению, (например, эластомерной пленкой с нанесенным рисунком и фоторезистом на поверхности подложки). Эластомерная пленка с нанесенным рисунком будет создавать связь с фоторезистом посредством вандерваальсовых сил. Затем позиция подложки перемещается обратно (вниз) в позицию, при которой пружины растянуты, но эластомерная пленка с нанесенным рисунком остается в контакте с фоторезистом. Затем подложку можно перемещать к цилиндру, заставляя цилиндр вращаться, поддерживая динамический контакт между эластомерной пленкой с нанесенным рисунком и фоторезистом на поверхности подложки. Альтернативно, можно вращать цилиндр, а подложка может двигаться независимо, но синхронно, что будет гарантировать контакт без проскальзывания в ходе динамического экспонирования.
Множественные цилиндры можно объединить в одну систему и разместить для последовательного экспонирования чувствительной к излучению поверхности подложки для обеспечения двойного, тройного и многократного нанесения рисунка на поверхность подложки. Эту технику экспонирования можно использовать для обеспечения более высокого разрешения. Относительные позиции цилиндров можно регулировать с помощью интерферометра и подходящей компьютеризированной системы управления.
В другом варианте осуществления, экспозиционная доза может влиять на литографию, в связи с чем, краевая литография (где могут формироваться узкие детали, соответствующие, например, сдвигу фазы в маске из PDMS) может превращаться в традиционную контактную литографию, и размер детали в фоторезисте, где формируется изображение, может определяться экспозиционной дозой. Такое управление экспозиционной дозой возможно путем управления мощностью источника излучения или скоростью вращения цилиндра (временем экспонирования). Размер элемента, создаваемого в фоторезисте, также можно регулировать, изменяя длину волны экспозиционного излучения, например, источника света.
Маски на цилиндрах можно ориентировать по углу к направлению движения подложки. Это позволяет формировать рисунок в разных направлениях относительно подложки. Для обеспечения 2D рисунков можно последовательно располагать два цилиндра или более.
В другом варианте осуществления, прозрачная цилиндрическая камера не обязана быть жесткой, но может быть сформирована из гибкого материала, в котором может поддерживаться давление оптически прозрачного газа. Маска может представлять собой стенку цилиндра или конформный материал, присутствующий на поверхности стенки цилиндра. Это позволяет катать цилиндр по подложке, которая не является плоской, обеспечивая конформный контакт с поверхностью подложки.
Краткое описание чертежей
Каким образом можно реализовать иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения, будет подробно разобрано, со ссылкой на вышеприведенное частное описание и со ссылкой на подробное описание иллюстративных вариантов осуществления, которое заявители снабдили иллюстративными чертежами. Очевидно, что чертежи обеспечены только тогда, когда необходимо понять иллюстративные варианты осуществления изобретения, и что некоторые общеизвестные процессы и устройства здесь не проиллюстрированы, чтобы не затемнять изобретательскую сущность предмета раскрытия.
На фиг.1А показан вид в разрезе одного варианта осуществления устройства 100, полезного при нанесении рисунка на большие области материала подложки, где прозрачный для излучения цилиндр 106 имеет полую внутренность 104, в которой находится источник 102 излучения. В этом варианте осуществления, внешняя поверхность 111 цилиндра 106 имеет рисунок с особым рельефом 112 поверхности. Цилиндр 106 катится по материалу 108, чувствительному к излучению, который лежит на подложке 110.
На фиг.1B показан вид сверху устройства и подложки, показанных на фиг.1A, где в материале 108, чувствительном к излучению, сформировано изображение 109 с помощью излучения (не показано), проходящего через рельеф 112 поверхности.
На фиг.2 показан вид в разрезе другого варианта осуществления устройства 200, полезного при нанесении рисунка на большие области материала подложки. Согласно фиг.2, подложка представляет собой пленку 208, на которой изображается рисунок с помощью излучения, которое проходит через рельеф 212 поверхности на первом (прозрачном) цилиндре 206, пока пленка 208 перемещается с бобины 211 на бобину 213. Второй цилиндр 215 предусмотрен на задней стороне 209 пленки 208 для управления контактом между пленкой 208 и первым цилиндром 206.
На фиг.3 показан вид в разрезе другого варианта осуществления устройства 300, полезного при нанесении рисунка на большие области материала подложки. Согласно фиг.3, подложка представляет собой пленку 308, которая перемещается с бобины 311 на бобину 313. Первый прозрачный цилиндр 306 с рельефом 312 поверхности используется для нанесения рисунка на верхнюю сторону 310 пленки 308, а второй прозрачный цилиндр 326 с рельефом 332 поверхности используется для нанесения рисунка на нижнюю сторону 309 пленки 308.
На фиг.4A показан вид в разрезе варианта осуществления 400 прозрачного цилиндра 406, который включает в себя полую центральную область 404 с внутренним источником излучения 402. Область 412 рельефа поверхности представляет собой конформную структуру, которая включает в себя полимерную пленку 415 с узорной поверхностью 413, что особенно полезно для ближнеполевой литографии.
На фиг.4B показан увеличенный вид поверхности 413, которая представляет собой полимерную структуру 413 рельефа поверхности, расположенную поверх полимерного материала основы 415. Согласно фиг.4B, полимерный материал основы 415 может представлять собой тот же полимерный материал, что и материал узорной поверхности 413, или другой полимерный материал.
На фиг.5A показан вид в разрезе альтернативного варианта осуществления 500 рельефа 512 поверхности, который присутствует на полом прозрачном цилиндре 506.
На фиг.5B показан увеличенный рельеф 512 поверхности, который представляет собой тонкий металлический слой 514, на которой нанесен рисунок из последовательностей наноотверстий 513, где металлический слой нанесен на внешнюю поверхность 511 полого прозрачного цилиндра 506.
На фиг.5C показан альтернативный рельеф 522 поверхности, который можно использовать на поверхности прозрачного цилиндра 506. Рельеф 522 поверхности образован металлическими частицами 526, которые могут быть нанесены непосредственно на внешнюю поверхность 511 полого прозрачного цилиндра 506 или на прозрачную пленку 524, которая присоединена к внешней поверхности 511 полого прозрачного цилиндра 506.
Фиг.6A - схематичная трехмерная иллюстрация 600 прозрачного цилиндра 604, имеющего поверхность 608 с нанесенным рисунком, где цилиндр 604 подвешен над подложкой 610 с использованием натяжного приспособления 602, проиллюстрированного в виде пружин.
На фиг.6B схематически показан вариант осуществления 620, где излучение, используемое для осуществления формирования изображения, поступает от источника 612 излучения вне цилиндра 604, причем излучение внутренне распределяется 615 и 616 в полой части цилиндра 604.
На фиг.6C схематически показан вариант осуществления 630, где излучение, используемое для осуществления формирования изображения, подается от внешнего источника 612 излучения, фокусируется 617 в волновод 618 и распределяется от волновода 618 на оптическую дифракционную решетку 621, присутствующую на внутренней поверхности 601 цилиндра 604.
На фиг.6D схематически показан вариант осуществления 640, где излучение, используемое для осуществления формирования изображения, подается от двух внешних источников 612A и 612B излучения, и фокусируется 621 и 619, соответственно, на оптическую дифракционную решетку 621, присутствующую на внутренней поверхности 601 цилиндра 604.
На фиг.7A показан схематический вид, демонстрирующий использование множественных цилиндров, например, двух цилиндров 702 и 704, например, последовательно, для обеспечения многократного нанесения рисунка, которое можно использовать, например, для получения более высокого разрешения.
На фиг.7В показан схематический вид в разрезе, демонстрирующий рисунок 706, созданный первым цилиндром 702 после формирования изображения и проявки материала 710, чувствительного к излучению. Измененный рисунок 708 получается после формирования изображения и проявки материала 710, чувствительного к излучению, причем измененный рисунок 708 создается использованием первого цилиндра 702 в сочетании со вторым цилиндром 704.
На фиг.8 показан схематический вид в разрезе деформируемого цилиндра 800, во внутренности 804 которого создается давление с использованием устройства 813, подающего оптически прозрачный газ. Наружная поверхность 811 деформируемого цилиндра 800 может представлять собой наноструктурированную/с нанесенным нанорисунком пленку 802 из способного быть конформным материала, который можно катить по неплоской подложке 805, что позволяет точно применять излучение от источника 802 излучения на поверхность 816 подложки 805.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Приступая к подробному описанию, заметим, что использование названий элементов в описании изобретения и формуле изобретения в единственном числе не исключает наличия нескольких таких элементов, если из контекста явно не следует обратное.
Используемое здесь слово "около", означает, что номинальное значение представлено с точностью ±10%.
Варианты осуществления изобретения относятся к способам и устройству, полезным при нанесении нанорисунков на подложки большой площади, где вращаемая маска используется для формирования изображения в материале, чувствительном к излучению. Обычно вращаемая маска содержит цилиндр. Техника нанесения нанорисунков использует ближнеполевую фотолитографию, где длина волны излучения, используемого для формирования изображения в слое, чувствительном к излучению, на подложке составляет 438 нм или менее, и где маска, используемая для нанесения рисунка на подложку, находится в контакте с подложкой. Ближнеполевая фотолитография может использовать фазосдвигающую маску, или наночастицы на поверхности прозрачного вращающегося цилиндра, или может использовать технологию поверхностных плазмонов, где металлический слой на поверхности вращающегося цилиндра содержит наноотверстия. Нижеприведенное подробное описание лишь иллюстрирует возможности, которые станут понятны специалистам в данной области техники по прочтении этого раскрытия.
Хотя вращающаяся маска, используемая для генерации нанорисунка в слое материала, чувствительного к излучению, может быть любой полезной конфигурации, и некоторые из них описаны ниже, полый цилиндр особенно предпочтителен в отношении возможностей производства подложки, снабженной изображением, при минимальных эксплуатационных расходах. На фиг.1A показан вид в разрезе одного варианта осуществления устройства 100, полезного при нанесении рисунка на большие области материала подложки, где прозрачный для излучения цилиндр 106 имеет полую внутренность 104, в которой находится источник 102 излучения. В этом варианте осуществления, внешняя поверхность 111 цилиндра 106 имеет рисунок с особым рельефом 112 поверхности. Цилиндр 106 катится по материалу 108, чувствительному к излучению, который лежит на подложке 110. На фиг.1B показан вид сверху устройства и подложки, показанных на фиг.1A, где в материале 108, чувствительном к излучению, сформировано изображение 109 с помощью излучения (не показано), проходящего через рельеф 112 поверхности. Цилиндр вращается в направлении, показанном стрелкой 118, и излучение от источника 102 излучения проходит через нанорисунок 112, присутствующий на внешней поверхности 103 вращающегося цилиндра 106, для формирования изображения в слое, чувствительном к излучению, (не показан) на подложке 108, для обеспечения изображенного рисунка 109 в слое, чувствительном к излучению. Затем слой, чувствительный к излучению, проявляется для обеспечения наноструктуры на поверхности подложки 108. На фиг.1B показано, что вращаемый цилиндр 106 и подложка 120 приводятся в движение независимо друг от друга. В другом варианте осуществления, подложка 120 может удерживаться в динамическом контакте с вращаемым цилиндром 106 и перемещаться в направлении к или от контактной поверхности вращаемого цилиндра 106 для обеспечения движения к неподвижному вращаемому цилиндру 106. В еще одном варианте осуществления, вращаемый цилиндр 106 можно вращать на подложке 120, пока подложка неподвижна.
Особый рельеф 112 поверхности можно вытравливать во внешней поверхности прозрачного вращающегося цилиндра 106. В порядке альтернативы, особый рельеф 112 поверхности может присутствовать на пленке из полимерного материала, прилепленной к внешней поверхности вращающегося цилиндра 106. Пленку из полимерного материала можно создавать путем осаждения полимерного материала на форму (мастер). Мастер, созданный на кремниевой подложке, например, обычно генерируется с использованием непосредственного электронно-лучевого экспонирования рисунка на фоторезист, присутствующий на кремниевой подложке. Затем рисунок вытравливается в кремниевой подложке. Рисунок на кремниевой мастер-форме воспроизводится в полимерном материале, осажденном на поверхность формы. Полимерный материал, предпочтительно, является конформным материалом, который демонстрирует достаточную жесткость, чтобы противостоять износу при использовании в качестве маски, контактирующей с подложкой, но который также может обеспечивать хороший контакт с материалом, чувствительным к излучению, на поверхности подложки. Одним примером конформных материалов, обычно используемых в качестве материала маскирования переноса, является PDMS, который можно отливать на поверхности мастер-формы, отверждать УФ излучением и отслаивать от формы для создания хорошей копии поверхности формы.
На фиг.2 показан вид в разрезе 200 другого варианта осуществления устройства 200, полезного при нанесении рисунка на большие области материала подложки. Согласно фиг.2, подложка представляет собой пленку 208, на которой изображается рисунок с помощью излучения, которое проходит через рельеф 212 поверхности на первом (прозрачном) цилиндре 206, пока пленка 208 перемещается с бобины 211 на бобину 213. Второй цилиндр 215 предусмотрен на задней стороне 209 пленки 208 для управления контактом между пленкой 208 и первым цилиндром 206. Источник излучения 202, присутствующий в полом пространстве 204 внутри прозрачного цилиндра 206, может представлять собой ртутную лампу или другой источник излучения, который обеспечивает излучение с длиной волны 365 нм или менее. Рельеф 212 поверхности может представлять собой фазосдвигающую маску, например, где маска включает в себя дифракционную поверхность, имеющую множество углублений и выступов, как рассмотрено выше в разделе «уровень техники». Выступы приводят в контакт с поверхностью позитивного фоторезиста (материала, чувствительного к излучению), и поверхность подвергается воздействию электромагнитного излучения через фазовую маску. Фазовый сдвиг, обусловленный прохождением излучения через углубления в противопоставлении с выступами, является, по существу, полным. Таким образом, на границах между углублениями и выступами образуются минимумы интенсивности электромагнитного излучения. Эластомерная фазовая маска хорошо согласуется с поверхностью фоторезиста, и после проявки фоторезиста можно получить детали менее чем 100 нм.
На фиг.3 показан вид в разрезе 300 другого варианта осуществления устройства 300, полезного при нанесении рисунка на большие области материала подложки. Подложка представляет собой пленку 308, которая перемещается с бобины 311 на бобину 313. Слой материала, чувствительного к излучению (не показан), предусмотрен как на верхней стороне 310 пленки 308, так и на нижней стороне 309 пленки 308. Предусмотрен первый прозрачный цилиндр 306, с полым центром 304, который включает в себя источник 302 излучения, имеющий рельеф 312 поверхности, который используется для нанесения рисунка на верхнюю сторону 310 пленки 308. Предусмотрен второй прозрачный цилиндр 326, с полым центром 324, который включает в себя источник излучения 322, имеющий рельеф 332 поверхности, который используется для нанесения рисунка на нижнюю сторону 309 пленки 308.
На фиг.4A показан вид в разрезе 400 варианта осуществления прозрачного цилиндра 406, который включает в себя полую центральную область 404 с внутренним источником излучения 402. Рельеф 412 поверхности представляет собой конформную структуру, которая включает в себя полимерную пленку 415 с узорной поверхностью 413, что особенно полезно для ближнеполевой литографии. Полимерный материал узорной поверхности 413 должен быть достаточно жестким, чтобы рисунок контактировал с поверхностью подложки, на которой формируется изображение, в надлежащем месте. В то же время, полимерный материал должен согласовываться с поверхностью материала, чувствительного к излучению (не показан), в котором формируется изображение.
На фиг.4B показан увеличенный вид поверхности 413, которая представляет собой полимерную структуру 413 рельефа поверхности поверх полимерного материала основы 415. Согласно фиг.4B, полимерный материал основы 415 может представлять собой тот же полимерный материал, что и материал 413 узорной поверхности, или другой полимерный материал. Прозрачный конформный материал, такой как силикон или PDMS, например, можно использовать в качестве полимерной пленки 415, в сочетании с более жестким прозрачным вышележащим слоем материала, таким как PDMS с другим отношением смешивающихся компонентов или, например, полиметилметакрилата PMMA. Это обеспечивает узорную поверхность 413, которая позволяет избежать искажения элементов после контакта с местом на чувствительной к излучению поверхности подложки (не показана), пока полимерный материал основы одновременно обеспечивает согласование с поверхностью подложки в целом.
На фиг.5A показан вид в разрезе 500 прозрачного цилиндра 506, с полой центральной областью 504, включающей в себя источник излучения 502, где поверхность 511 представляет альтернативный вариант осуществления рельефа 512 поверхности. На фиг.5B показан увеличенный вид рельефа 512 поверхности, который представляет собой тонкий металлический слой 514, на который нанесен рисунок из последовательностей наноотверстий 513, где металлический слой присутствует на внешней поверхности 511 полого прозрачного цилиндра 506. Металлический слой может представлять собой узорный слой, прилепленный к внешней поверхности прозрачного цилиндра 506. В порядке альтернативы, металлический слой может быть осажден на поверхность прозрачного цилиндра путем испарения или напыления или другим методом, известным в технике, и затем может быть последовательно вытравлен или выжжен лазером для обеспечения узорной металлической внешней поверхности 511. На фиг.5C показан альтернативный рельеф 522 поверхности, который можно использовать на поверхности прозрачного цилиндра 506. Рельеф 522 поверхности образован металлическими частицами 526, которые наносятся на внешнюю поверхность 511 полого прозрачного цилиндра 506 или на прозрачную пленку 524, которая присоединена к внешней поверхности 511 полого прозрачного цилиндра 506.
Фиг.6A - схематичная трехмерная иллюстрация 600 прозрачного цилиндра 604, имеющего поверхность 608 с нанесенным рисунком. Источник излучения (не показан) присутствует во внутренности прозрачного цилиндра 604. Прозрачный цилиндр 604 подвешен над подложкой 610 с использованием натяжного приспособления 602, которое показано в виде пружин на иллюстрации 600. Специалисту в области механики известно несколько натяжных приспособлений, которые можно использовать для обеспечения надлежащей величины контакта между наружной поверхностью 608 прозрачного цилиндра 604 и поверхностью подложки 610. В одном варианте осуществления способа использования устройства, показанного на фиг.6A, устройство используется для формирования изображения в материале, чувствительном к излучению (не показан), на подложке 610, где подложка 610 является полимерной пленкой, которую можно подавать в систему перемотки наподобие показанной на фиг.2, и извлекать из нее. Прозрачный цилиндр 604 опускается к подложке из полимерной пленки (или подложка из полимерной пленки поднимается), пока не возникнет контакт с материалом, чувствительным к излучению. Полимерная пленка, которая обычно является эластомерной, будет образовывать связь на основе вандерваальсовой силы с материалом, чувствительным к излучению. Затем прозрачный цилиндр 604 может подниматься (или подложка из полимерной пленки может опускаться) в позицию, где сохраняется контакт между поверхностью 608 прозрачного цилиндра 604 и поверхностью материала, чувствительного к излучению, но натяжение между двумя поверхностями таково, что сила, прилагаемая к поверхности 608, минимальна. Это позволяет использовать очень мелкие элементы нанесенного нанорисунка на поверхности 608 прозрачного цилиндра 604. Когда подложка 610 начинает движение, прозрачный цилиндр 604 также приходит в движение, что заставляет прозрачный цилиндр 604 вращаться, поддерживая динамический контакт между материалом, чувствительным к излучению, и нижележащей подложкой 610 из полимерной пленки. В любой момент динамического экспонирования, контакт между цилиндром и светочувствительным слоем ограничивается одной узкой линией. Благодаря значительным вандерваальсовым силам между эластомерной пленкой, например, на внешней поверхности цилиндра и слоем, чувствительным к излучению (светочувствительным слоем), на подложке, контакт поддерживается однородным в течение всего процесса и на протяжении всей ширины (длины) маски на поверхности цилиндра. В случаях, когда вандерваальсовы силы не обеспечивают достаточно сильного слипания между контактной поверхностью цилиндра и светочувствительным слоем, можно использовать приводящий в действие (вращающийся) цилиндр с использованием шагового двигателя, синхронизированного с поступательным движением подложки. Это обеспечивает процесс экспонирования без проскальзывания для полимерного или другого материала поверхности цилиндра, который не обеспечивает больших сил слипания с подложкой.
На фиг.6B схематически показан вариант осуществления 620, где излучение, используемое для осуществления формирования изображения, подается от источника 612 излучения вне цилиндра 604, причем излучение внутренне распределяется 615 и 616 в полой части цилиндра 604. Излучение можно направлять через прозрачный цилиндр 604 через узорную поверхность 608 маски к поверхности, чувствительной к излучению (не показана), подложки 608 с использованием различных линз, зеркал и их комбинаций.
На фиг.6C схематически показан вариант осуществления 630, где излучение, используемое для осуществления формирования изображения в материале, чувствительном к излучению, подается из местоположения снаружи прозрачного цилиндра 604. Внешний источник 612 излучения фокусируется 617 в волновод 618 и распределяется из волновода 618 на оптическую дифракционную решетку 620, присутствующую на внутренней поверхности 601 цилиндра 604.
На фиг.6D схематически показан вариант осуществления 640, где излучение, используемое для осуществления формирования изображения, подается от двух внешних источников 612A и 612B излучения, и фокусируется 621 и 619, соответственно, на оптическую дифракционную решетку 620, присутствующую на внутренней поверхности 601 цилиндра 604.
На фиг.7A показан схематический вид 700, демонстрирующий использование множественных цилиндров, например, двух цилиндров 702 и 704, например, последовательно, для обеспечения многократного нанесения рисунка, которое можно использовать, например, для получения более высокого разрешения. Относительными позициями цилиндров 702 и 704 можно управлять, например, с использованием данных от интерферометра (не показан) в сочетании с компьютеризированной системой управления (не показана).
На фиг.7В показан схематический вид в разрезе 720, демонстрирующий рисунок 706, созданный первым цилиндром 702 после формирования изображения и проявки материала 710, чувствительного к излучению. Измененный рисунок 708 получается после формирования изображения и проявки материала 710, чувствительного к излучению, причем измененный рисунок 708 создается с использованием первого цилиндра 702 в сочетании со вторым цилиндром 704.
На фиг.8 показан схематический вид в разрезе деформируемого цилиндра 800, во внутренности 804 которого создается давление с использованием устройства 813, подающего оптически прозрачный газ, например азот. Наружная поверхность 811 деформируемого цилиндра 800 может представлять собой наноструктурированную/с нанесенным нанорисунком пленку 812 из способного быть конформным материала, который можно катить по неплоской подложке 805, что позволяет точно приложить излучение от источника излучения 802 на поверхность 816 подложки 805.
В другом варианте осуществления, жидкость, имеющую показатель преломления больше единицы, можно использовать между поверхностью цилиндра и материалом, чувствительным к излучению (например, светочувствительным), присутствующим на поверхности подложки. Можно, например, использовать воду. Это повышает контраст элементов рисунка в светочувствительном слое.
Хотя изобретение было подробно описано для различных вышеприведенных вариантов осуществления, специалисты в данной области техники могут предложить различные модификации в пределах сущности и объема изобретения. Соответственно, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.