Способ изготовления нано-пресс-форм для контактной пресс-литографии (варианты)
Владельцы патента RU 2308552:
"Общество с ограниченной ответственностью "НаноИмпринт" (RU)
Изобретение относится к области нанотехнологии для микроэлектроники. Способ заключается в том, что для каждого вида или типа повторяющегося элемента методом фокусированного ионного зонда изготавливают одну реплику в проводящем материале, на каждую реплику электрохимически наносят адгезивный слой, затем методом гальванопластики - слой металла толщиной 50-100 мкм для образования отдельной пресс-формы и отделяют ее от реплики, затем повторением операций с этой же реплики получают остальные отдельные пресс-формы этого вида или типа повторяющегося элемента, а для каждого неповторяющегося элемента методом фокусированного ионного зонда изготавливают одну реплику, с которой повторением операций для получения пресс-форм повторяющихся элементов получают единичную пресс-форму для неповторяющегося элемента, а мастер-пресс-форму образуют точным позиционированием на общей подложке. Способ заключающийся в том, что для каждого вида или типа повторяющегося элемента и для каждого неповторяющегося элемента методом фокусированного ионного зонда изготавливают одну реплику в проводящем материале, на каждую реплику электрохимически наносят адгезивный слой, затем слой металла толщиной 50-100 мкм для образования отдельного элемента, закрепляют его в пресс-манипуляторе и отделяют от реплики, а мастер-пресс-форму образуют перемещением подложки для точного позиционирования ее относительно пресс-формы, закрепленной в пресс-манипуляторе, при осуществлении контактной пресс-литографии в необходимых позициях число раз, равное числу повторяющихся элементов, и по одному разу для неповторяющихся элементов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области нанотехнологии для микроэлектроники и оптоэлектроники и может быть использовано для производства пресс-форм многократного применения площадью 1×1 см2 из повторяющихся элементов с размером каждого элемента до 20×20 нм2 с мультиплицированием повторяющихся базовых микроструктур внутри базовой микроструктуры для их дальнейшего использования в контактной литографии для производства компонентов электронных и оптических интегральных схем, записывающих устройств, а также других приложений (нано-биофильтров и.т.п.).
Существующая практика создания пресс-форм для компнентов микроэлектроники основана на формировании структур методом обратной литографии.
Например, известен способ формирования структур в микролитографии, включающий нанесение на подложку позитивного электронорезиста, экспонирование рисунка, проявление, нанесение дополнительного слоя материала и полное удаление резиста в растворителе (Моро У. Микролитография. Принципы, методы, материалы. - М.: Мир, 1990, с.747-748).
Однако размеры элементов структур, которые формируются этим способом, определяются возможностями применения литографического метода - электронно-лучевой или рентгеновской литографии, и при уменьшении их до 0,1-0,5 мкм производительность способа значительно снижается и соответственно возрастает себестоимость изготовленных структур. Более того, при размерах элементов структур либо зазоров между ними 0,1-0,5 мкм необходимо проводить специальную коррекцию эффектов близости в электронно-лучевой литографии и дифракционных искажений - в рентгеновской. Формирование следующего топологического слоя микроэлектронного прибора также требует повторного проведения всех этих операций с презиционным совмещением слоев в процессе экспонирования.
Известен способ, включающий нанесение на подложку позитивного электронорезиста, экспонирование рисунка, проявление, нанесение дополнительного слоя материала и удаление резиста, в котором после проявления облучают сформированные в резисте элементы пучком электронов с энергией 1-5 кэВ дозой, равной 2-10 чувствительности резиста, удаление резиста проводят на глубину облученного слоя проявлением (RU патент 2072644, кл. Н05К 3/06, 1997).
Недостатком этого способа является то, что он не позволяет снизить время экспонирования при формировании структур в резисте. Кроме того, дополнительное облучение резиста электронами приводит к уходу размеров формируемых субмикронных элементов от заданных и снижению защитных свойств резиста за счет деструкции резиста электронами при дополнительном облучении, а также обратнорассеянными электронами, рентгеновским и ультрафиолетовым светом (возникающим за счет торможения электронов).
С учетом данных ограничений в использовании известных способов ставится задача совершенствования способа формирования структур в микролитографии за счет применения новых технологий получения пресс-форм, в частности технологий пресс-литографии, то есть производства пресс-форм многократного применения площадью 1×1 см2 из повторяющихся элементов с размером каждого элемента до 20×20 нм.
Известен способ контактной пресс-литографии, передающий рельеф в масштабе 1:1 при размере рельефного элемента до 20 нм, заключающийся в том, что изначально изготавливают из твердого материала рабочую пресс-форму, которую затем используют для изготовления электронных компонентов (US №6139713, C25D 11/16, опубл. 31.10.2000 или Н.Masuda et al. "Fabrication of Gold Nanodot Array Using Anodic Porous Alumina as and Evaporation Mask", Jpn. J. Appl. Phys. В 35, L 126 (1996) или изготавливают рабочую пресс-форму по фоторезисту (US №6869557, G28B 11/08, опубл. 22.03.2005 или Sub-10 nm imprint lithography and applications, Stephen Y. Chou, Peter R. Krauss, Wei Zhang, Lingjie Guo, and Lei ZhuangJ. Vac. Sci. Technol. В 15, 2897 (1997).
Известные способы относятся к категории трудоемких, сложно контролируемых при работе с макроплощадями, например, размером до 1×1 см2.
Для осуществления контактной литографии требуется пресс-форма, размер элементов которой варьируется от сотен до десятков нанометров с точностью до 10 нм. Самыми простыми способами изготовления нано-пресс-формы являются вытравливание заданного рисунка в материале пресс-формы фокусированным ионным пучком либо с применением электронно-лучевой литографии (см. US №6139713, C25D 11/16, данное техническое решение принято в качестве прототипа для обоих заявленных объектов). При таком способе можно получить требуемую точность и чистоту поверхности реплики. Но при изготовлении большого числа однотипных и неоднотипных реплик на общей подложке возникают трудности следующего плана: большие стоимость и времязатратность при работе с макроплощадями при изготовлении, инспектировании и ремонте. Указанные сложности и трудности обусловлены тем, что все известные способы направлены напрямую на получение конечного продукта.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию новой технологии изготовления пресс-формы макроскопического размера, обеспечивающей создание отпечатка с размером отдельного элемента, недоступным традиционным литографическим методам.
Достигаемый при этом технический результат заключается в упрощении способа изготовлении нано-пресс-формы при снижении времени и трудозатрат на контроль и ремонт.
Одним из путей уменьшения затрат на изготовление рабочей пресс-формы является использование мастер-пресс-формы, которая изготавливается с использованием перечисленных затратных технологий, однако не используется напрямую для изготовления конечного продукта. С мастер-пресс-формы изготавливается реплика, при этом используются более дешевые и быстрые технологии.
Существует несколько проблем (требований) при создании реплики.
Разделение реплики и мастер-пресс-формы, при котором рисунок мастер-пресс-формы с точностью до 10 нм должен воспроизводится в реплике после разделения; кроме того, в самой мастер-пресс-форме не должно происходить деформации формы, поскольку она предполагает многократное использование для воспроизводства реплик. Возможность применения пресс-формы для создания конечного продукта заданного макроскопического размера (для микроэлектроники, например, на пластинах до 200 мм). Мультиплицирование рисунка, создаваемого при помощи пресс-литографии. Получение реплики заданного материала (которая является в то же время рабочей пресс-формой) при наименьшем числе технологических операций.
Указанный технический результат для первого варианта достигается тем, что способе изготовления нано-пресс-форм для контактной пресс-литографии, заключающемся в том, что методом фокусированного ионного зонда изготавливают мастер-пресс-форму, для каждого вида или типа повторяющегося элемента из принципиальной схемы методом фокусированного ионного зонда изготавливают одну отдельную реплику в проводящем материале типа поликристаллический кремнийкристаллический кремнийсиликон или металл, на каждую отдельную реплику электрохимически наносят квазидвумерный адгезивный слой, повторяющий форму реплики и обладающий высокой адгезией к материалу рабочей части мастер-пресс-формы и слабой адгезией к материалу реплики, затем на эту реплику методом гальванопластики наносится слой металла, повторяющий рельеф реплики, толщиной 50-100 мкм для образования отдельной пресс-формы и отделяют эту отдельную пресс-форму от этой реплики, затем повторением операций с этой же реплики получают остальные отдельные пресс-формы этого вида или типа повторяющегося элемента, а для каждого неповторяющегося элемента из принципиальной схемы методом фокусированного ионного зонда изготавливают одну отдельную реплику, с которой повторением операций для получения пресс-форм повторяющихся элементов получают единичную пресс-форму для неповторяющегося элемента, а мастер-пресс-форму образуют точным позиционированием на общей подложке каждой отдельной пресс-формы.
Указанный технический результат для второго варианта достигается тем, что способе изготовления нано-пресс-форм для контактной пресс-литографии, заключающемся в том, что методом фокусированного ионного зонда изготавливают мастер-пресс-форму, для каждого вида или типа повторяющегося элемента и для каждого неповторяющегося элемента из принципиальной схемы методом фокусированного ионного зонда изготавливают одну отдельную реплику в проводящем материале типа поликристаллический кремнийсиликон или металл, на каждую отдельную реплику электрохимически наносят адгезивный слой, повторяющий форму реплики и обладающий высокой адгезией к материалу рабочей части пресс-формы и слабой адгезией к материалу реплики, затем на каждую отдельную реплику методом гальванопластики наносится слой металла, повторяющий рельеф реплики, толщиной 50-100 мкм для образования отдельного элемента пресс-формы, затем каждый отдельный элемент пресс-формы закрепляют в пресс-манипуляторе и отделяют от реплики по адгезивному слою, а мастер-пресс-форму образуют перемещением подложки из мягкого функционального материала или из материала с нанесенным фоторезистом для точного позиционирования ее относительно пресс-формы, закрепленной в пресс-манипуляторе, при осуществлении контактной пресс-литографии в необходимых позициях число раз, равное числу повторяющихся элементов, и по одному разу для неповторяющихся элементов.
Заявленное изобретение позволяет решить ряд задач, а именно:
1. Разделение без искажения формы осуществляется за счет нанесения на мастер-пресс-форму адгезивного слоя методом электрохимического осаждения. Данный слой имеет хорошую адгезию к материалу мастер-пресс-формы и слабую к материалу реплики. Кроме того, материал адгезивного слоя позволяет проводить последующие электрохимические процессы на поверхности мастер-пресс-формы.
2. Реплика изготавливается из металла, который, так же как и адгезивный слой наносится на поверхность мастер-пресс-формы электрохимически (гальванопластикой).
3. Мультиплицирование является двухстадийным: сначала осуществляют набор кассеты из неповторяющихся элементов, а затем осуществляют прессование повторяющимися элементами при прецизионном позиционировании (перемещении) подложки.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - изображение реплики;
фиг.2 - реплика с адгезивным слоем;
фиг.3 - реплика с нанесенным слоем металла;
фиг.4 - закрепление удерживающей панели;
фиг.5 - пресс-форма;
фиг.6 - позиционирование на подложке повторяющихся элементов, полученных контактной пресс-литографией пресс-формы.
Первый вариант способа заключается в том, что для каждого вида или типа повторяющегося элемента из принципиальной схемы методом фокусированного ионного зонда изготавливают одну отдельную реплику в проводящем материале типа поликристаллический кремнийсиликон или металл, на каждую отдельную реплику электрохимически наносят адгезивный слой, повторяющий форму реплики и обладающий высокой адгезией к материалу рабочей части мастер-пресс-формы и слабой адгезией к материалу реплики, затем на эту реплику методом гальванопластики наносится слой металла, повторяющий рельеф реплики, толщиной 50-100 мкм для образования отдельной пресс-формы и отделяют эту отдельную пресс-форму от этой реплики, затем повторением операций с этой же реплики получают остальные отдельные пресс-формы этого вида или типа повторяющегося элемента, а для каждого неповторяющегося элемента из принципиальной схемы методом фокусированного ионного зонда изготавливают одну отдельную реплику, с которой повторением операций для получения пресс-форм повторяющихся элементов получают единичную пресс-форму для неповторяющегося элемента, а мастер-пресс-форму образуют точным позиционированием на общей подложке каждой отдельной пресс-формы.
Ниже приводится пример исполнения данного способа.
Согласно настоящему изобретению способ по первому варианту исполнения заключается в том, что сначала методом фокусированного ионного зонда изготавливается реплика 1 (негатив) первого повторяющегося элемента размером не более 50×50 мкм в проводящем материале (например, поликристаллический кремнийсиликон, металл) (фиг.1). С вопросом применения метода фокусированного ионного зонда для получения высокой точности нанорельефа можно ознакомиться на сайте «Учебно-методический центр» в Интернет в режиме он-лайн по адресу: http://www.eks.fel.mirea.ru/PhCMIndex/PhysCMScience/PhysCMEdSc/MishinaSite/Foto-structs.html (04.05.2006), раздел «Нанотехнологии для сверхскоростной телекоммуникации. Фото-структуры» и раздел «материалы и методы нанотехнологии».
Затем на рабочую поверхность реплики 1 со стороны нанорельефа наносится адгезивный слой 2, повторяющий форму реплики 1 (фиг.2). Материала этого квазидвумерного слоя, наносимый электрохимически, может представлять собой углерод (если поверхность матрицы адсорбционно активна), сульфид или селенид (если поверхность адсорбционно неактивна). Иначе говоря, на нанорельеф реплики наносится пленочный слой материала, обладающего высокой адгезией к материалу рабочей части мастер-пресс-формы и слабой адгезией к материалу реплики. Технические решения разделения мастера и реплики или пресс-формы и конечного продукта решены в следующих работах: US №20030127580, G03F 7/00, опубл. 10.07.2003 или статья авторов R.W.Jaszewski и др. в журн. «Microelectronic Engineering». 35 (1977), стр.381-384 (перевод: «...создана ультратонкая антиадгезивная пленка (слой) из поликристаллического кремнийтетрафлюоретана (PTFE) ... которая может быть применена для разделения двух различных технических материалов...»).
На следующем этапе методом гальванопластики на нанорельеф реплики 1 поверх адгезивного слоя 2 наносится слой 3 металла, повторяющий рельеф реплики, толщиной 50-100 мкм - создается рабочая пресс-форма (фиг.3). Металлическая пресс-форма описана в US №6923930, В29С 33/66, опубл. 02.08.2005 (нанесение на поверхность кремния), а металлизация пресс-формы гальванопластикой описана в US №20040247732, В29С 33/40, опубл. 09.12.2004. Наиболее универсальными вариантами являются нанесение никеля и меди из стандартных электролитов, совместимых с широким кругом материалов.
А потом на заднюю поверхность рабочей пресс-формы приклеивается (или наносится другим способом) удерживающая панель 4 для придания жесткости пресс-форме и возможности ее прикрепления к общей подложке.
Пресс-форма отделяется от реплики 1 по адгезивному слою 2 (фиг.5) с получением отдельной пресс-формы для одного электронного компонента.
Данная реплика 1 используется для получения требуемого количества пресс-форм для одного типа повторяющихся элементов. Аналогичным образом изготавливается реплика для другого типа повторяющихся элементов и на основе этой реплики образуют пресс-формы этого элемента в требуемом количестве. А для неповторяющихся элементов изготавливают отдельную реплику и с нее получают единичную пресс-форму для этого неповторяющегося элемента. Таким образом, получают набор пресс-форм элементов в строгом соответствии с принципиальной схемой электронного устройства.
Затем из набора пресс-форм создается мастер-пресс форма (с использованием прецизионного позиционирования с точностью, необходимой для требуемого приложения:
Оптические интегральные схемы - точность совмещения до 0.5 мкм
Нанофильтры - точность до 100 мкм.
Электронные интегральные схемы для интерконнекции - до 20 нм.
Мастер-пресс-форма образуется точным позиционированием каждой отдельной пресс-формы на общей подложке в соответствии с принципиальной схемой электронного устройства и прикреплением их к этой подложке. Естественно, что при этом должны быть выполнены условия плоскостности финальной пресс-формы макромасштаба.
Второй вариант способа заключается в том, что для каждого вида или типа как повторяющихся элементов, так и не повторяющихся элементов изготавливается одна единичная реплика, с которой потом, следуя операциям, описанным применительно к первому варианту способа, получают единичные пресс-формы для каждого вида или типа повторяющихся и не повторяющихся элементов.
Затем берут отдельную пресс-формы, например, для повторяющегося элемента одного вида или типа и закрепляют ее в пресс-манипуляторе.
Подложка из функционального материала (мягкий функциональный материал либо материал с нанесенным фоторезистом) закрепляется на устройстве прецизионного позиционирования, обеспечивающем перемещение подложки в системе координат Х и Y. При помощи пресс-манипулятора осуществляют пресс-импринт-литографию контактным тиснением пресс-формы в необходимых позициях число раз, равное числу повторяющихся элементов. Затем в пресс-манипуляторе закрепляется другая единичная пресс-форма другого вида или типа повторяющегося элемента, и проводят импринт-литографию контактным тиснением этой пресс-формы в необходимых позициях число раз, равное числу этих повторяющихся элементов. А для неповторяющихся элементов тиснение осуществляют только один раз.
Таким образом, мастер-пресс-форму образуют перемещением подложки для точного позиционирования ее относительно пресс-формы, закрепленной в пресс-манипуляторе, при осуществлении контактной пресс-литографии в необходимых позициях число раз, равное числу повторяющихся элементов, и по одному разу для неповторяющихся элементов.
Мультиплицирование рисунка, создаваемого при помощи пресс-литографии, описано в US №6757116, G11B 5/86, опубл. 29.06.2004, US №20050094298, G11B 5/86, опубл. 05.05.2005. Мультиплицирование рисунка, однако в другом масштабе (микроскопическом, а не наноскопическом), описано в US №20060110890, Н01L 21/76, опубл. 25.05.2006.
В этом варианте проблема плоскостности минимальна, поскольку совмещение осуществляется на площади 50-100 мкм, минимальны также затраты на инспектирование и ремонт в случае необходимости.
Настоящее изобретение промышленно применимо, так как может быть реализовано с использованием ставших сегодня известными и доступными новыми технологиями контактной нано-литографии.
1. Способ изготовления нано-пресс-форм для контактной пресс-литографии, включающий изготовление мастер-пресс-формы методом фокусированного ионного зонда, отличающийся тем, что для каждого вида или типа повторяющегося элемента из принципиальной схемы методом фокусированного ионного зонда изготавливают одну отдельную реплику в проводящем материале типа поликристаллический кремнийсиликон или металл, на каждую отдельную реплику электрохимически наносят адгезивный слой, повторяющий форму реплики и обладающий высокой адгезией к материалу рабочей части мастер-пресс-формы и слабой адгезией к материалу реплики, затем на эту реплику методом гальванопластики наносится слой металла, повторяющий рельеф реплики, толщиной 50-100 мкм для образования отдельной пресс-формы и отделяют эту отдельную пресс-форму от этой реплики, затем повторением операций с этой же реплики получают остальные отдельные пресс-формы этого вида или типа повторяющегося элемента, а для каждого неповторяющегося элемента из принципиальной схемы методом фокусированного ионного зонда изготавливают одну отдельную реплику, с которой повторением операций для получения пресс-форм повторяющихся элементов получают единичную пресс-форму для неповторяющегося элемента, а мастер-пресс-форму образуют точным позиционированием на общей подложке каждой отдельной пресс-формы.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на оборотную сторону каждой отдельной пресс-формы прикрепляют удерживающую панель для придания жесткости этой пресс-форме и возможности ее прикрепления к общей подложке.
3. Способ изготовления нано-пресс-форм для контактной пресс-литографии, включающий изготовление мастер-пресс-формы методом фокусированного ионного зонда, отличающийся тем, что для каждого вида или типа повторяющегося элемента и для каждого неповторяющегося элемента из принципиальной схемы методом фокусированного ионного зонда изготавливают одну отдельную реплику в проводящем материале типа поликристаллический кремнийсиликон или металл, на каждую отдельную реплику электрохимически наносят адгезивный слой, повторяющий форму реплики и обладающий высокой адгезией к материалу рабочей части пресс-формы и слабой адгезией к материалу реплики, затем на каждую отдельную реплику методом гальванопластики наносится слой металла, повторяющий рельеф реплики, толщиной 50-100 мкм для образования отдельного элемента пресс-формы, затем каждый отдельный элемент пресс-формы закрепляют в пресс-манипуляторе и отделяют от реплики по адгезивному слою, а мастер-пресс-форму образуют перемещением подложки из мягкого функционального материала или из материала с нанесенным фоторезистом для точного позиционирования ее относительно пресс-формы, закрепленной в пресс-манипуляторе, при осуществлении контактной пресс-литографии в необходимых позициях число раз, равное числу повторяющихся элементов, и по одному разу для неповторяющихся элементов.
