PL199400B1 - Sposób wytwarzania stempla dla nanolitograficznego odciskania wzoru - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania stempli (ang. template) niezbędnych dla technologii nanolitograficznego odciskania wzoru w miękkiej warstwie pokrywającej płytkę podłożową (ang. nano-imprint).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania stempli (ang. template) niezbędnych dla technologii nanolitograficznego odciskania wzoru w miękkiej warstwie pokrywającej płytkę podłożową (ang. nano-imprint).

Podstawą współczesnej technologii mikroelektronicznej jest opanowanie umiejętności definiowania i wytwarzania na powierzchni obrabianego materiału (np. płytki krzemowej) wzorów o różnym kształcie i o jak najmniejszych rozmiarach. Poziom współczesnych technologii mikroelektronicznych ocenia się według zdolności do wytwarzania kształtów o określonym rozmiarze. Zdolność ta wynika z zastosowanej technologii definiowania wzoru. I tak, od począ tku rozwoju mikroelektroniki wykorzystywano technikę fotolitografii tj. naświetlania płytek krzemowych pokrytych warstwą światłoczułej emulsji (tzw. fotorezystu) poprzez maskę szklaną, pokrytą nieprzezroczystą warstwą (np. chromu), w której wytworzony był zaprojektowany wzór. Wzór ten w procesie naś wietlania przenoszony był do warstwy światłoczułej. Następnie, w procesie wywoływania usuwano fotorezyst z obszarów nie naświetlonych po czym podłoże np. krzemowe, poddawano procesowi selektywnej obróbki (np. trawieni czy implantacji itp.).

Klasyczna technika fotolitografii posiadała bardzo istotne ograniczenia. Zjawiska interferencji i dyfrakcji światł a sprawiał y, ż e moż na był o w ten sposób uzyskać wzór o szerokoś ci nie mniejszej niż ok. 2 - 3 mikrometry. Doprowadzenie do zetknięcia płytki z maską pozwalało uzyskać wprawdzie wzory o szerokości nawet poniżej 1 μm, lecz kosztem szybkiego uszkadzania maski.

Rozwiązaniem tego problemu było wprowadzenie technologii „step-and-repeat, w której pewien fragment wzoru był powiększony typowo 5-cio krotnie a następnie fragment ten był przenoszony w procesie naświetlania, za pomocą redukcyjnego układu optycznego, na płytkę pokrytą warstwą fotorezystu. Fotolitografia z wykorzystaniem techniki step-and-repeat i jej odmian pozwala na wytwarzanie w warunkach produkcji masowej wzorów o szerokości nawet rzędu 150 nm i stanowi obecnie podstawową technikę stosowaną w mikroelektronice. W najnowszych rozwiązaniach planuje się osiągnięcie wzorów o szerokości 100 nm. Poziom 100 nm jest jednak granicą trudną lub nawet niemożliwą do przełamania ze względu na fundamentalne ograniczenia fizyczne. Dodatkową barierą jest bariera ekonomiczna. Podczas gdy koszt urządzenia do fotolitografii klasycznej (wzory o szerokości do 3 μm) jest rzędu 100 tys. USD, ceny najnowszych urządzeń umożliwiających wytwarzanie wzorów o szerokości rzędu 100 -150 nm przekraczają 10 min. USD. (dane z r. 2003). Niezwykle istotnym ograniczeniem jest także wysoki koszt masek na których wytwarzany jest powielany wzór. Pomimo iż w technice step-and-repeat wzór na masce jest powiększony pięciokrotnie w stosunku do wzoru uzyskiwanego na płytce, konieczność kompensacji niekorzystnych zjawisk optycznych sprawia, iż koszt maski przekracza 30 000 USD.

Próbą rozwiązania problemu jest zastosowanie do wytwarzania wzorów wiązki elektronowej. Wiązka taka, sterowana przy użyciu układów odchylania w urządzeniu przypominającym mikroskop elektronowy, pozwala na „rysowanie na podłożu pokrytym warstwą elektrono-czułą wzorów o szerokości rzędu nawet kilkudziesięciu nanometrów. Dodatkową zaletą tej techniki (tzw. elektrono-litografii) jest to, iż nie jest tu potrzebna maska, co obniża koszt procesu. Decydującą wadą jest jednak bardzo długi czas ekspozycji (obróbka jednej płytki trwa nawet kilka godzin podczas gdy w urządzeniu optycznym typu wafer stepper czas procesu jest rzędu 1 - 2 min). Mała szybkość procesu predestynuje go do zastosowań badawczych, natomiast do zastosowań produkcyjnych technika ta się nie kwalifikuje. Jest ona jednak powszechnie wykorzystywana dla wytwarzania masek (ang. reticle) dla fotolitografii. Ze względu na efekty rozpraszania w materiale fotorezystu, wytwarzanie wzorów o szerokości poniżej 50 nm metodą elektronolitografii jest trudne a poniżej 20 nm - wątpliwe. Ponieważ, jak wynika z przedstawionego pokrótce przeglądu stanu techniki, technologie mikroelektroniczne docierają do bariery zarówno technologicznej jak i ekonomicznej, prowadzone są obecnie intensywne prace nad technologiami niestandardowymi, umożliwiającymi zejście poniżej bariery 100 nm, przy zadowalającej wydajności i akceptowalnym koszcie. Jak wskazują liczne doniesienia literaturowe, metodą rokującą największe sukcesy jest tzw. technika odciskania wzorów o geometrii nanometrowej w warstwie miękkiego polimeru pokrywającego podłoże na którym wytwarzany jest wzór. Metoda ta (ang. nanoimprint) przypomina powszechnie używana technikę druku z tym, że jej rozdzielczość sięga pojedynczych dziesiątek nanometrów. Koszt urządzenia jest tu znacznie niższy (dla urządzeń badawczych nawet poniżej 1 min USD) przy rozdzielczości sięgającej pojedynczych dziesiątek nanometrów. Tak jak to było w przypadku druku, kluczem do tej metody jest opanowanie umiejętności wytwarzania stempli

PL 199 400 B1 (ang. template) o odpowiedniej dokładności. Stempel taki spełnia rolę maski w tradycyjnym procesie fotolitografii. Niezbędne jest zatem aby jego wzór, oprócz wymaganej dokładności i rozdzielczości spełniał również takie wymagania jak stabilność chemiczna materiału, minimalny wpływ temperatury na geometrię wzoru i co równie ważne - przezroczystość. Ostatnie z wymienionych wymagań wynika z konieczności zgrywania (centrowania) wzoru już wytworzonego na podłoż u i wzoru na stemplu. W chwili obecnej podstawową metodą wytwarzania takich stempli jest technika stosowana dla wytwarzania masek fotolitograficznych, uzupełniona o proces trawienia podłoża szklanego. W metodzie tej na płycie ze szkła kwarcowego pokrytej warstwą chromu i z nałożonym materiałem (rezystem) elektrono-czułym wytwarza się wzór który następnie przenosi się na drodze trawienia do warstwy chromu. Tak więc, do tego etapu proces wytwarzania stempli jest praktycznie identyczny z procesem wytwarzania masek. W kolejnym kroku w szkle podłoża wytrawia się elementy wzoru który ma być odciskany. Maską dla tego procesu trawienia jest warstwa chromu. Ze względu na bardziej złożony proces wytwarzania, utrzymanie precyzji wzoru jest tu trudniejsze niż w przypadku masek fotolitograficznych. Dotyczy to szczególnie procesu trawienia wzoru wpierw w chromie a następnie - w szkle. Ze względu na efekty podtrawienia utrzymanie wymiarów w takim dwuetapowym procesie trawienia jest bardzo trudne. Trzeba przy tym podkreślić, że wzór na stemplu stanowi odwzorowanie 1:1 wzoru który ma być przenoszony a zatem wymagania co do jego dokładności są znacznie wyższe niż to ma miejsce w przypadku masek do fotolitografii metodą step-and-repeat, gdzie wzór na masce jest powię kszony pięciokrotnie. Znane są również pewne odmiany tej metody. Podłoże kwarcowe zastępowane bywa przez krzem. Wtedy jednak stabilność termiczna tak sporządzonego stempla jest gorsza a poza tym nie jest on przezroczysty, co utrudnia zgrywanie wzorów. Można również zamiast wytrawiać zdefiniowany elektrono-litograficznie wzór w warstwie metalu wytworzyć negatyw takiego wzoru w rezyście nałożonym na podłoże a następnie nakładać metal wykorzystując tzw. metodę lift-off lub też metodą osadzania elektrolitycznego. W obydwu jednak przypadkach kolejnym etapem jest trawienie podłoża kwarcowego przy wykorzystaniu ścieżek metalowych jako maski. Stopień złożoności procesu a zatem i możliwość zniekształcenia wzoru są we wszystkich tych metodach większe niż w przypadku masek fotolitograficznych, przy jednocześnie znacznie wyższych wymaganiach.

Celem wynalazku jest zaproponowanie prostego sposobu wytwarzania stempli wzorów o wymiarach elementów sięgającej pojedynczych dziesiątek nanometrów i poniżej, dla technologii nanolitograficznego odciskania wzoru (nanoimprint), o dobrej stabilności chemicznej i termicznej oraz umożliwiających łatwe zgrywanie wzorów.

Sposób wytwarzania stempla według wynalazku polega na tym, że najpierw na podłoże, korzystnie przezroczyste, pokryte warstwę podstawową stanowiącą materiał wyjściowy elementów przyszłego wzoru nanosi się warstwę ochronną a później w obydwu warstwach, ochronnej i podstawowej definiuje się, korzystnie za pomocą litografii, kształt którego krawędzie wyznaczają położenie przyszłych elementów wzoru i odsłania się krawędź warstwy podstawowej. Odsłoniętą krawędź warstwy podstawowej poddaje się znanemu procesowi fizykochemicznemu, w którym obszar przykrawędziowy warstwy podstawowej zostaje przekształcony do postaci odpornej na czynniki fizykochemiczne powodujące usuwanie warstwy ochronnej i nie przekształconych obszarów warstwy podstawowej. Później usuwa się z powierzchni podłoża warstwę ochronną i nie przekształcone obszary warstwy podstawowej, pozostawiając jedynie te obszary warstwy podstawowej które uległy przekształceniu. Obszary te stanowią wzór który może być odciskany w procesie nanolitografii. W sposobie tym warstwę podstawową może stanowić warstwa krzemu, warstwa usieciowanego polimeru lub warstwa monomeru, a warstwą ochronną (w przypadku krzemowej warstwy podstawowej) jest warstwa azotku krzemu. W zależności od zastosowanej warstwy podstawowej odsłoniętą jej krawędź poddaje się utlenianiu lub usieciowaniu na drodze reakcji chemicznej (np. polimeryzacji lub polikondensacji). Po zakończeniu procesu przekształcania obszaru przykrawędziowego, również w zależności od użytej warstwy podstawowej, za pomocą trawienia, sublimacji lub rozpuszczalnika usuwa się z powierzchni podłoża warstwę ochronną oraz nie przekształcone obszary warstwy podstawowej.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku.

Figura 1 pokazuje przekrój przyszłego stempla zawierający podłoże kwarcowe pokryte warstwą podstawową, którą stanowi cienka warstw krzemu, pokryte następnie osadzoną przy użyciu techniki osadzania chemicznego z fazy gazowej warstwą ochronną azotku krzemu. Na fig. 2 pokazano przekrój po zdefiniowaniu przebiegu przyszłej ścieżki. Fig. 3 przedstawia przekrój po przekształceniu obszaru przykrawędziowego warstwy podstawowej za pomocą procesu fizykochemicznego. Natomiast

PL 199 400 B1 na fig. 4. pokazano widok elementu wzoru struktury po usunięciu warstwy ochronnej i nie przekształconych obszarów warstwy podstawowej.

Na podłożu 1 pokrytym cienką warstwą podstawową 2, która będzie podlegała modyfikacji właściwości krawędzi należy wytworzyć w tej warstwie lub na jej powierzchni warstwę ochronną 3 nie podlegającą procesowi modyfikacji. Ważne jest również, aby powierzchnia podłoża 1, na której osadzone są te warstwy nie ulegała procesowi modyfikacji lub ulegała mu w nieznacznym stopniu. Podłoże z wytworzoną warstwą podstawową i warstwą ochronną poddaje się procesowi litografii (np. z użyciem techniki elektronolitografii) wytwarzając w niej wzór określający ułożenie elementów wzoru szablonu lecz nie ich szerokość. Następnie warstwę ochronną i podstawową poddaje się procesowi trawienia w ten sposób, aby wytrawiona krawędź 4 była jak najbardziej prostopadła do powierzchni podłoża 1. Tak przygotowaną strukturę poddaje się oddziaływaniu czynnika, który w sposób kontrolowany przekształca warstwę podstawową 2 z tym, że jej przemiana postępuje od krawędzi w głąb. Warstwa ochronna 3 chroni powierzchnię warstwy podstawowej 2 przed oddziaływaniem czynnika powodującego proces przemiany tak, iż przemianie ulega wyłącznie obszar przykrawędziowy warstwy podstawowej 3. Wynikająca z warunków procesu szybkość procesu przemiany oraz czas w którym proces jest prowadzony w precyzyjny sposób określają szerokość obszaru 5 powstałego w wyniku przekształcenia przykrawędziowego obszaru warstwy 3, a w efekcie - szerokość wytwarzanych elementów wzoru. Następnie strukturę poddaje się procesowi usuwania warstwy ochronnej 3 i nieprzekształconego obszaru warstwy 2. Na powierzchni podłoża pozostaje przykrawędziowa część warstwy podstawowej przetworzona w wyniku przeprowadzonego procesu fizykochemicznego.

W pierwszym przyk ł adzie na kwarcowym podł o ż u 1 przy uż yciu techniki osadzania chemicznego z fazy gazowej przy obniżonym ciśnieniu (LPCVD) osadzono warstwę podstawową 2 z krzemu nano-krystalicznego o grubości ok. 100 nm. Następnie warstwę 2 pokryto przy użyciu techniki LPCVD warstwą ochronną azotku krzemu 3 o grubości ok. 40 nm i przy użyciu fotolitografii zdefiniowano kształt, którego krawędź wyznaczy układ przyszłych elementów (nano-ścieżek) stempla na powierzchni podłoża. W kolejnym procesie za pomocą trawienia odsłonięte krawędź 4 warstwy krzemu 2 leżącej na podłożu 1. Po odsłonięciu krawędzi 4 obszar przykrawędziowy poddano procesowi utleniania przy czym powierzchnia krzemu nano-krystalicznego 2, chroniona odporną na utlenianie warstwą azotku krzemu 3 nie ulega temu procesowi, natomiast przemianie w dwutlenek krzemu ulega przykrawędziowy obszar krzemu. Temperatura procesu utleniania, jego atmosfera oraz czas trwania ściśle określają postęp reakcji w głąb warstwy krzemu a w efekcie - szerokość przyszłej ścieżki dwutlenku krzemu. W kolejnym procesie usuwa się warstwę ochronną 3 i nieprzekształcone obszary warstwy 2. Proces trawienia prowadzono w reaktorze plazmowym w atmosferze CF4 + O2 a także w atmosferze SF6 + O2 selektywnie w stosunku do dwutlenku krzemu, dzięki czemu usunięto warstwy azotku krzemu i krzemu nano-krystalicznego natomiast wytworzona w procesie utleniania warstwa dwutlenku krzemu oraz podłoże kwarcowe pozostały nienaruszone. Rezultatem przeprowadzonego procesu była ścieżka 5 wytworzona w dwutlenku krzemu (fig. 4) przy czym jej wysokość wynika z grubości osadzonej na wstępie warstwy krzemu polikrystalicznego 2 natomiast jej szerokość określona jest przez warunki i czas trwania procesu utleniania. Biorąc pod uwagę kinetykę i łatwość kontroli procesu utleniania można w ten sposób wytwarzać elementy o szerokości nawet rzędu 10 nanometrów i poniżej. Wzór ten może służyć jako stempel odciskany w procesie nanolitografii.

Ze względu na polikrystaliczny charakter osadzanej warstwy krzemu stanowiącej warstwę podstawową w przykładzie pierwszym wystąpić może niekorzystne zjawisko nierównomiernego utleniania wynikające z odmiennych właściwości materiału w obrębie ziarna i w obszarze pomiędzy ziarnami warstwy krzemowej. Dla uniknięcia tego efektu, prowadzącego do pogorszenia kontroli szerokości wytwarzanych elementów wzoru (ścieżek), jako podłoże wyjściowe w przykładzie drugim zastosowano płytki kwarcowe pokryte cienką warstwą krzemu monokrystalicznego, wytworzone przy użyciu techniki bondingu (tzw. podłoża SOQ - Silicon on quartz, krzem na kwarcu). Pozostałe kroki procesu są w tym przypadku identyczne jak w przykładzie pierwszym z tym, że dzięki jednorodnej strukturze krzemu monokrystalicznego nie występuje wspomniany efekt nierównej szerokości elementów struktury.

W przykładzie trzecim rolę warstwy podstawowej 2 pełniła warstwa typowego fotorezystu negatywowego, w przykładzie - SU8, nakładana w niskiej temperaturze metodą rozwirowania na podłoże. Następnie na warstwę tą nałożono, podobnie jak w poprzednim przykładzie, warstwę ochronną 3. Warstwą tą była osadzana przy użyciu technik niskotemperaturowych warstwa nieorganiczna - rozpylana warstwa dwutlenku krzemu (może to być również nanoszona techniką rozwirowania warstwa polimerowa ale o właściwościach odmiennych niż warstwa podstawowa to znaczy nie wrażliwa na

PL 199 400 B1 zastosowany w dalszym kroku czynnik sieciujący). Następnie, przy użyciu konwencjonalnej techniki litograficznej oraz trawienia plazmowego zdefiniowany został w wytworzonej warstwie podwójnej kształt przebiegu przyszłych elementów wzoru. W rezultacie tak przeprowadzonych zabiegów na powierzchni podłoża powstała struktura warstwowa, w której górna powierzchnia warstwy podstawowej 2 jest chroniona warstwą 3, podczas gdy jej krawędź boczna 4 jest odkryta. Strukturę tą poddano następnie oddziaływaniu czynnika powodującego usieciowanie polimeru warstwy podstawowej, w przykładzie - atmosfery gazowej zawierającej reagenty o charakterze silnych kwasów takich jak gazowy chlorowodór lub fluorowodór. Powoduje to, że obszar krawędziowy warstwy podstawowej ulega przemianie - polimeryzacji, a jej zasięg w głąb warstwy podstawowej będzie uzależniony od warunków procesu w tym przede wszystkim od czasu oddziaływania czynnika sieciującego. W następnym kroku usunięto warstwę ochronną 3 poprzez trawienie w roztworze kwasu fluorowodorowego oraz usunięto nie spolimeryzowaną warstwę podstawową 2 poprzez rozpuszczenie jej w rozpuszczalniku. W wyniku tych operacji uzyskujemy wytworzony w polimerze wzór o szerokości wynikającej z warunków i czasu przeprowadzonego procesu.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania stempla dla nanolitograficznego odciskania wzoru, znamienny tym, że najpierw na podłożu (1) pokrytym warstwą podstawową (2) stanowiącą materiał wyjściowy elementów wzoru stempla wytwarza się warstwę ochronną (3), później w obydwu warstwach (2) i (3) definiuje się, korzystnie za pomocą litografii, kształt, którego krawędź wyznacza położenie elementów wzoru stempla i odsłania się krawędź (4) warstwy podstawowej (2), następnie odsłoniętą krawędź (4) poddaje się znanemu procesowi fizykochemicznemu, w którym obszar przy-krawędziowy warstwy (2) zostaje przekształcony do postaci odpornej na czynniki fizykochemiczne powodujące usuwanie warstwy ochronnej (3) i nie przekształconych obszarów warstwy podstawowej (2), po czym usuwa się warstwę ochronną (3) i nie przekształcone obszary warstwy (2).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podłoże (1) stanowi płytka z przezroczystego materiału pokryta warstwą krzemu (2) którą z kolei pokrywa się warstwą ochronną (3) w postaci warstwy azotku krzemu, później odsłoniętą po wyznaczeniu kształtu przyszłych elementów wzoru krawędź (4) warstwy (2) poddaje się procesowi utleniania, po czym usuwa się warstwę ochronną (3) oraz nie utlenione obszary krzemu z warstwy (2).
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na podłoże (1) nanosi się warstwę podstawową (2) w postaci materiału polimeryzującego pod wpływem gazowych reagentów, a później odsłoniętą po wyznaczeniu kształtu przyszłych elementów wzoru krawędź (4) warstwy (2) poddaje się usieciowaniu na drodze polimeryzacji.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, 2, 3, znamienny tym, że podłożem (1) pokrytym warstwą krzemu jest płyta kwarcowa.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, 2, 3, 4, znamienny tym, że usuwanie warstwy ochronnej (3) oraz nie przekształconej warstwy podstawowej (2) prowadzi się za pomocą trawienia.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, 3, 4, znamienny tym, że usuwanie warstwy ochronnej (3) oraz nie przekształconej warstwy podstawowej (2) prowadzi się za pomocą sublimacji.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, 3, 4, znamienny tym, że usuwanie warstwy ochronnej (3) oraz nie przekształconej warstwy podstawowej (2) prowadzi się w rozpuszczalniku.