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CN1236360C - 在衬底上形成微图形的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在衬底(200)上形成微图形的方法，将具有溶剂的聚合物材料涂敷在衬底上，从而在衬底上形成一个聚合物薄膜。然后，通过应用预定的压缩工艺，将具有一预定形状的模型(204)压入衬底上的聚合物薄膜(202)中，使得聚合物薄膜发生塑性变形，从而在聚合物薄膜上构造出图形。在例如大约10℃-30℃的室温下进行压入步骤。在本发明中，在模型(204)被压入聚合物薄膜(202)之前，首先增加聚合物薄膜的自由体积，以便减小施加在聚合物材料上的、用于使聚合物薄膜产生塑性变形的压力。随后，通过将图形化的聚合物薄膜用作蚀刻掩模，以便在衬底上进行蚀刻，因此在衬底上形成微图形。

Description

在衬底上形成微图形的方法
技术领域
本发明涉及一种在衬底上形成微图形的方法；尤其涉及一种应用压缩构图工艺而在衬底上形成微图形的方法。
背景技术
一种传统的微图形构图方法是光刻工艺。在传统的光刻工艺中，因为微图形的宽度范围由照射到微图形的掩模上的光的波长所决定，所以要形成小于100纳米的结构非常困难。
另外，在传统的应用光刻工艺的技术中，构图工艺包括多个步骤，例如：图形的形成、蚀刻和清洗，这些步骤成本高而且费时。当形成图形的衬底表面不平时，就会发生光的衍射和/或反射，从而使得这种工艺难以控制。
为了改善上述问题，已经研究出了小于100纳米的微图形的构图方法。研制了一种刻印方法，其将一模型压入衬底上的热塑薄膜中，以便产生用于不同领域的微图形，诸如集成电路生产、光电磁元件制造以及其它类似过程。例如，Stephen Y.Chou等人于1995年11月20日在“应用物理学通讯(Appl.Phys.Lett.)”第67(21)期上揭示了一种微图形构图方法。
在该方法中，模型首先被压入衬底上的一个热塑聚合物薄膜中，薄膜例如由有机玻璃(PMMA)制成，衬底例如由硅制造，衬底在例如150℃-200℃的高温下被加热，比璃态转变温度要高，对于PMMA而言，璃态转变温度是104℃。高于此温度时，聚合物成为粘性流体并可在压力下流动，从而与模型相配合。然后模型被压向一个样品，直至温度降至低于玻璃温度。在例如100-150个大气压下，模型上的图形能够完全转移到聚合物薄膜，例如PMMA上。
但是，由于这种方法的压入步骤是在高温下进行的，因此该方法不能被反复或重复地操作。详细地说，在衬底的一个特定位置形成了一个图形以后，为了在衬底的另一个位置形成另一个图形，就必须再次将具有聚合物薄膜的衬底加热至璃态转变温度以上。
但是，当如上所述衬底再次在高温下被加热时，以前形成的聚合物薄膜的图形将会消失。因此，重复应用该工艺是不可能的。应当注意，上面所指出的另一个位置可以是前一图形化位置的相邻位置，或者是位于已经图形化的聚合物薄膜的顶部位置。
为了通过一次性进行压入步骤以避免上述问题，模型必须被制成具有更复杂的图形，例如一个粗糙图形与一个精细图形相连。但是在这种情况下，就会产生费用问题以及制作如此复杂模型的技术压力。
图5示出了一个应用传统的图形构图方法所形成的衬底500之上的图形化的聚合物薄膜501。当在室温下同时使图形化的聚合物受到例如大约50-150大气压的高压以进行压入步骤，则通常会在图形化的聚合物薄膜上产生一个不希望部分。例如如图5所示，由于所产生的塑性变形，因此在靠近图形化的聚合物薄膜501的顶端会出现一个不需要的突出部502。
在传统的压入步骤中，当在室温下向衬底上的聚合物薄膜施加一负载时，如果压力低于一定值，则聚合物薄膜上的自由体积通过减小其体积而吸收施加到它上面的压力。但是，如果压力大于一定值，则会在聚合物薄膜上产生不需要的塑性变形部分。
应当注意，自由体积表示聚合物薄膜中的空隙或中空部分的总体积。
综上所述，应用在室温下所进行的压入步骤，上述传统的微图形构图方法不能生成一个具有合适图形的微图形。
发明内容
因此，本发明的一个主要目的是提供一种方法，该方法通过在室温下应用压缩构图工艺，从而在衬底上形成一个微图形。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种在衬底上形成微图形的方法，所述方法包括以下步骤：(a)制备衬底，在衬底上具有带有孔的聚合物薄膜；(b)通过应用预定的压缩工艺，将具有一预定形状的模型压入聚合物薄膜中，使得聚合物薄膜发生塑性变形，从而在聚合物薄膜上构造出图形；以及(c)通过将图形化的聚合物薄膜用作蚀刻掩模，对衬底进行蚀刻，从而在衬底上形成一个微图形。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种在衬底上形成微图形的方法，所述方法包括以下步骤：(a)制备衬底，在衬底上具有带有孔的聚合物薄膜；(b)通过逐步-反复工艺，反复地将具有一预定形状的模型压入聚合物薄膜中，使得聚合物薄膜发生塑性变形，从而在聚合物薄膜上构造出图形，其中衬底的长度大于模型的长度；以及(c)通过将图形化的聚合物薄膜用作蚀刻掩模，对衬底进行蚀刻，从而在衬底上形成一个微图形。
在本发明的一个优选实施例中，在所述步骤(a)中包括如下步骤：(a1)制造具有孔结构的聚合物薄膜；以及(a2)将该聚合物薄膜覆盖在衬底上。
在本发明的另一个优选实施例中，在所述步骤(a)中包括如下步骤：(a1)将具有溶剂的聚合物材料涂敷在衬底上；以及(a2)对聚合物薄膜进行真空干燥或者敞开式干燥，以在聚合物薄膜上提供所述孔，从而增加聚合物薄膜内的自由体积。
在本发明的又一个优选实施例中，在所述步骤(a)中包括如下步骤：(a1)将具有聚合物薄膜的衬底安装在一个包括一容器的反应器中，其中容器内具有溶剂；(a2)对容器进行加热，使得容器内的溶剂蒸发，从而使得蒸发的溶剂进入聚合物薄膜内；以及(a3)对聚合物薄膜进行真空干燥或者敞开式干燥，以在聚合物薄膜上提供所述孔，从而增加聚合物薄膜内的自由体积。
在本发明的再一个优选实施例中，在所述步骤(a)中包括如下步骤：(a1)将该聚合物薄膜覆盖在衬底上；(a2)将溶剂直接喷洒到聚合物薄膜上；以及(a3)对聚合物薄膜进行或者真空干燥或者敞开式干燥，以在聚合物薄膜上提供所述孔，从而增加聚合物薄膜内的自由体积。
附图说明
通过下面参考附图对优选实施例所进行的描述，本发明的上述目的以及其它目的和特征将变得明显，其中附图包括：
图1示出了根据本发明的一个优选实施例的用于在衬底上形成微图形的微图形构图装置100；
图2A-2D示出了根据本发明的一个优选实施例的微图形构图工艺；
图3A-3B示出了根据本发明的另一个优选实施例的微图形构图工艺；
图4A-4B示意性地描述了一种在衬底上的聚合物薄膜中形成自由体积的方法；
图5示出了应用一种传统的图形构图方法而在衬底上形成的图形化的聚合物薄膜。
本发明的实施方式
参考图1，示出了一种根据本发明的一个优选实施例的用于在衬底上形成微图形的微图形构图装置100。该装置100包括：两个固定轴102和103、上下压板104和105、压力传输轴108以及压入件110。上压板104通过螺栓106、107分别装配在固定轴102、103的顶端，如图1所示。下压板105装配在压力传输轴108的一端，以便板105可滑动地与轴102、103相连。压入件110装配在轴108的另一端，以便垂直地移动轴108。
在微图形构图装置100中，彼此相对的具有预定形状的模型204和衬底200被安放在上压板104和下压板105之间，其中在衬底200上涂敷有聚合物薄膜202。应当注意，模型204的图形侧与衬底200上的聚合物薄膜202相对，如图1所示。
在装置100中，通过从压入件110传输至下压板105上的压力，轴108向着上压板104提升下压板105，这时模型204被压入聚合物薄膜中，从而随后在聚合物薄膜202上构造出图形。
现在参考图2A-2D、图3A-3B和图4A-4B，以便描述根据本发明优选实施例的在衬底上形成微图形的方法。
图2A-2D示出了根据本发明的一个优选实施例的微图形构图工艺。图2A示出了模型204和衬底200，在衬底200上涂敷有聚合物薄膜202。在根据本发明的一个优选实施例的在衬底上形成一个微图形的方法中，首先制成具有预定形状的模型204。模型的一侧，例如图2A中的下侧首先成型为一预定形状。衬底200可以由硅或二氧化硅制成。
通过应用一种预定的涂敷工艺，例如旋转涂敷工艺，在衬底200上涂敷聚合物材料，从而形成聚合物薄膜202。通常聚合物材料由聚苯乙烯和有机玻璃(PMMA)等组成，但也不仅仅局限于此。在聚合物材料中通常加入甲苯或三氟乙烯(TCE)等溶剂，以便使聚合物材料具有流动性。
可以增加聚合物薄膜202的自由体积，从而施加到聚合物材料上的、使聚合物薄膜塑性变形的压力被减小。现在描述各种增加聚合物薄膜的自由体积的方法。
根据本发明的一个优选实施例，通过公知的孔状结构形成方法，在聚合物薄膜202上形成孔状结构，例如空隙，以便增加聚合物薄膜的自由体积，随后具有孔状结构的聚合物薄膜202被涂敷在衬底200上。
根据本发明的另一个优选实施例，聚合物薄膜202被涂敷到衬底200上，聚合物薄膜202具有溶剂，之后通过应用真空干燥技术或者敞开式干燥技术，对衬底200进行干燥，从而增加聚合物薄膜的自由体积。
图4A-4B描述了根据本发明的一个优选实施例的用于在衬底上的聚合物薄膜中形成自由体积的方法。根据本发明的另一个优选实施例，涂敷有聚合物薄膜202的衬底200被安装在一个具有容器402的反应器400上，容器402内有溶剂401，如图4A所示。然后，容器402在一定的温度范围下被加热，以便使得容器内的溶剂401蒸发，从而使得蒸发的溶剂进入聚合薄膜202中；然后涂敷有聚合物薄膜202的衬底200通过真空干燥技术或者敞开式干燥技术而被干燥，这样就增加了聚合物薄膜的自由体积。
根据本发明的另一个优选实施例，在压入模型之前，具有聚合物薄膜的衬底被安装在一个包括容器402的反应器400中，容器402内具有溶剂401。然后，容器402在一定的温度范围下被加热，以便使得容器内的溶剂401蒸发，从而使得蒸发的溶剂进入聚合物薄膜中，并因此将进入的溶剂留在聚合物薄膜中，也就是说，在溶剂所处的环境下，例如被称作潮湿状态的条件下，聚合物薄膜202可被压入。
根据本发明的另一个优选实施例，如图4B所示，通过应用喷洒装置404，溶剂被直接喷洒到具有聚合物薄膜202的衬底200上。随后，涂敷有聚合物薄膜202的衬底200通过真空干燥技术或者敞开式干燥技术而被干燥，从而增加其自由体积。
在应用上述其中一种方法而形成了具有自由体积的聚合物薄膜202以后，通过应用压入装置，例如微图形构图装置100，如图2A所示的模型204被压入衬底200的聚合物薄膜202中，使得聚合物薄膜产生塑性变形，从而在聚合物薄膜上构造出图形，例如第一图形化聚合物薄膜。参考图2B，其示出了衬底200上的第一图形化聚合物薄膜203。
通常，压入步骤在溶剂的璃态转变温度之下进行，通常为室温，例如10℃-30℃。在这种情况下，所施加的外界负载通常为1个大气压；但是聚合物材料所受到的压力由它的面积所决定，例如施加到聚合物材料上的压力范围为20-30个大气压。
根据本发明的一个优选实施例，具有例如比图2B中的模型204的形状更加精细的一预定形状的另一个模型205也被构造，然后压入第一图形化聚合物薄膜203中，从而在衬底200上形成第二图形化聚合物薄膜206，以形成图2C中所示的图形化的聚合物薄膜。
也就是说，在根据本发明的一个优选实施例的微图形构图方法的压入步骤中，通过应用预定的压入工艺，具有相应的预定形状的N个模型可以依次被压入衬底上的聚合物薄膜中，以便使得聚合物薄膜产生塑性变形，从而在聚合物薄膜上构造出图形，其中N是预定的正整数，一般为2。
在这种情况下，当使用不同的模型时，具有高的纵横尺寸比的模型通常比具有低的纵横尺寸比的模型更早地被压入；具有较粗糙图形的模型通常比具有较精细图形的模型更早地被压入。
根据本发明，因为聚合物薄膜202内具有自由体积，在室温下，例如10℃-30℃，模型204和205的两个图形可以被依次转移至聚合物薄膜202上。应当注意，借助于聚合物薄膜202内的增加的自由体积，施加到聚合物材料上的、用于使聚合物薄膜产生塑性变形的压力减小了。
在得到合适的图形化的聚合物薄膜，例如图2C所示的衬底200上的第二图形化聚合物薄膜206以后，通过将合适的图形化的聚合物薄膜用作蚀刻掩模，以便进行蚀刻，从而形成一个微图形，例如图2D所示的衬底200上的图形207。图2D示出了通过物理蚀刻工艺，例如无功离子蚀刻(RIE)，而得到的衬底200上的图形207。但是，蚀刻也可以为化学蚀刻。
同时，参考图3A和3B，其示出了根据本发明的另一个优选实施例的微图形构图工艺。在该实施例中，衬底200的长度大于模型204的长度，其中具有自由体积的聚合物薄膜202被涂敷在衬底200上。该实施例的微图形工艺基本上与上面参考图2A-2D和4A-4B所描述的工艺相同，除了模型204是反复地被压入衬底的聚合物薄膜上以外。
例如，图3A所示的具有预定形状的模型204被反复地压入衬底200的聚合物薄膜202中，使得聚合物薄膜产生塑性变形，从而在聚合物薄膜202上构造出图形，其中衬底200的长度大于模型04的长度。在这种情况下，每次模型204都被压入聚合物薄膜的不同位置，从而聚合物薄膜202的整个表面均被构造出图形。这种工艺在平版印刷术中被称作逐步-反复工艺。
例如，如图3A所示，从聚合物薄膜202的左端开始，模型204在室温下被依次地压入聚合物薄膜202中。结果，聚合物薄膜202被完全图形化。可以对同一个模型或者对不同的模型进行这种反复的压入，即图形构造步骤。应当注意，本领域的普通技术人员能够容易地制作并应用某种装置以水平地移去模型204。
在得到合适的图形化的聚合物薄膜以后，通过将合适的图形化的聚合物薄膜用作蚀刻掩模，以便进行蚀刻，从而形成一个微图形，例如图3B所示的衬底200上的图形207。
虽然已经参考一定的优选实施例对本发明进行了描述，但是可以理解，在不脱离本发明的权利要求书的范围和精神的前提下，可以作出各种改变和变型。

Claims (12)

1、一种在衬底上形成微图形的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)制备衬底，在衬底上具有带有孔的聚合物薄膜；
(b)通过应用预定的压缩工艺，将具有一预定形状的模型压入聚合物薄膜中，使得聚合物薄膜发生塑性变形，从而在聚合物薄膜上构造出图形；以及
(c)通过将图形化的聚合物薄膜用作蚀刻掩模，对衬底进行蚀刻，从而在衬底上形成一个微图形。
2、一种在衬底上形成微图形的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)制备衬底，在衬底上具有带有孔的聚合物薄膜；
(b)通过逐步-反复工艺，反复地将具有一预定形状的模型压入聚合物薄膜中，使得聚合物薄膜发生塑性变形，从而在聚合物薄膜上构造出图形，其中衬底的长度大于模型的长度；以及
(c)通过将图形化的聚合物薄膜用作蚀刻掩模，对衬底进行蚀刻，从而在衬底上形成一个微图形。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中包括如下步骤：
(a1)制造具有孔结构的聚合物薄膜；以及
(a2)将该聚合物薄膜覆盖在衬底上。
4、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中包括如下步骤：
(a1)将具有溶剂的聚合物材料涂敷在衬底上；以及
(a2)对聚合物薄膜进行真空干燥或者敞开式干燥，以在聚合物薄膜上提供所述孔，从而增加聚合物薄膜内的自由体积。
5、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中包括如下步骤：
(a1)将具有聚合物薄膜的衬底安装在一个包括一容器的反应器中，其中容器内具有溶剂；
(a2)对容器进行加热，使得容器内的溶剂蒸发，从而使得蒸发的溶剂进入聚合物薄膜内；以及
(a3)对聚合物薄膜进行真空干燥或者敞开式干燥，以在聚合物薄膜上提供所述孔，从而增加聚合物薄膜内的自由体积。
6、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中包括如下步骤：
(a1)将该聚合物薄膜覆盖在衬底上；
(a2)将溶剂直接喷洒到聚合物薄膜上；以及
(a3)对聚合物薄膜进行或者真空干燥或者敞开式干燥，以在聚合物薄膜上提供所述孔，从而增加聚合物薄膜内的自由体积。
7、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述步骤(c)中，所述蚀刻或者是等离子蚀刻或者是化学蚀刻。
8、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在低于聚合物材料的玻璃态转变温度下进行所述步骤(b)。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，在10℃-30℃的温度范围内进行所述步骤(b)。
10、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述溶剂为三氯乙烯。
11、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述溶剂为三氯乙烯。
12、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述溶剂为三氯乙烯。
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