專利名稱：利用毛細作用力在基體上形成微型圖案的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在基體如硅片、陶瓷、金屬或聚合物層上形成微型圖案的方法；尤其涉及一種在制造集成電路、電子設備、光學儀器、表面消聲器等時利用毛細作用力形成尺寸為1μm至數(shù)十納米的超微型圖案的方法。
背景技術：
在基體上形成微型圖案以制造如半導體、電子、光電子和磁顯示設備，是本領域眾所周知的。傳統(tǒng)的微型圖案形成方法之一就是利用光的光刻技術。
在光刻技術中，將可與光反應的聚合材料如光致抗蝕劑涂覆在基體上，在該基體上層壓或沉積有待形成圖案的材料。然后，該聚合物材料暴露給通過已設計好的分劃板而照射在其上面的光線，以得到所需的圖案。其后，清除掉已曝光的聚合物材料并進行顯影步驟，使得帶有目標圖案的圖案形成掩膜(或蝕刻掩膜)形成在待形成圖案的材料上。接下來，通過使用圖案形成掩膜，利用蝕刻步驟使沉積或層壓在基體上的材料形成圖案，從而具有所需的圖案。
在傳統(tǒng)的光刻技術中，線寬或圖案寬度是由曝光步驟中照射在聚合物材料上的光的波長決定的。因此，鑒于相關領域的現(xiàn)有技術，很難通過光刻技術在基體上制作超微型如小于100nm的圖案。
作為另一種利用光的微型圖案形成方法，通過多步驟過程在大面積基體上形成三維形狀圖案。然而，該多步驟過程由于需要多個步驟，包括圖案形成、蝕刻和清洗步驟，因此耗時過多且較為復雜。因此，其制造費用較高，且其生產(chǎn)率較低。
此外，傳統(tǒng)的使用光的微型圖案形成方法存在一個缺點，即當形成圖案的基體表面不平整時，該生產(chǎn)過程可能由于光的反射、折射和強度變化而變得異常復雜。
為了改善上述問題，已經(jīng)開發(fā)出很多形成低于100nm的超微型圖案的方法。作為新的方法，微接觸印刷法(micro-contactprinting method)和壓印法(imprinting method)得到了廣泛的應用。
在微接觸印刷法中，將帶有目標圖案的聚合物模具壓印到基體上以獲得所需的圖案。聚合物模具如PDMS(聚二甲基硅氧烷)印模，使用合適濃度的鏈烷硫醇(alkanethiol)溶液進行上墨，并與基體表面進行接觸，從而將油墨分子轉移到與印模接觸的基體的區(qū)域。然后，進行蝕刻過程或沉積過程以得到所需的圖案。該傳統(tǒng)的微接觸印刷法有一個優(yōu)點就是不需要特殊的外力。然而，因為在微接觸印刷法的完成階段中需要進行化學蝕刻過程，因此得到的圖案比較粗糙。最終，得不到所需的微型圖案。
同時，壓印方法是對在聚合物層上帶有目標圖案的硬模具施加物理壓力，從而如使用反應離子蝕刻技術將微型圖案轉移到聚合物層上，以在聚合物層上形成微型圖案。然而，在傳統(tǒng)的壓印方法中，因為使用高壓，聚合物層或基體易于變形，甚至可能被損壞。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的一個目的就是提供一種能夠通過使用毛細作用力很容易地形成所需微型圖案的微型圖案形成方法。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案提供了一種使用帶有預定圖案結構的模具在基體上形成微型圖案的方法，該方法包括以下步驟制備一個模具，該模具帶有包括凹陷部分和突起部分的預定圖案結構；在基體上沉積聚合物材料；使模具的突起部分與聚合物材料接觸；利用聚合物材料的毛細作用力，使與模具的突出部分接觸的聚合物材料滲入到其凹陷部分的敞空部分，從而去除與模具的突起部分接觸的聚合物材料；和通過拆除該模具使基體的頂表面的部分暴露出來，從而在基體上形成聚合物微型圖案。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案提供了一種使用帶有預定圖案結構的模具在基體上形成微型圖案的方法，該方法包括以下步驟制備一個模具，該模具帶有包括凹陷部分和突起部分的預定圖案結構；在基體上沉積薄膜層；在薄膜層的整個表面上形成聚合物材料；使模具的突起部分與聚合物材料接觸；通過使用聚合物材料的毛細作用力，使與模具的突起部分接觸的聚合物材料進入到其凹陷部分的敞空部分中，以去除與模具的突起部分接觸的聚合物材料，從而形成具有預定形狀的聚合物圖案；通過使用作為掩膜的聚合物圖案來蝕刻薄膜層，從而選擇性去除薄膜層的一部分；和去除聚合物圖案，從而形成所需的薄膜微型圖案。


通過以下結合附圖的描述，本發(fā)明的上述和其他目的和特征將變得明顯，其中圖1A到1I顯示了按照本發(fā)明第一優(yōu)選實施方案通過使用毛細作用力在基體上形成薄膜微型圖案的方法的順序步驟；圖2A到2F描述了按照本發(fā)明第二優(yōu)選實施方案通過使用毛細作用力在基體上形成薄膜微型圖案的方法的順序步驟；圖3提供了一個示意圖，顯示將流化材料滲透到制備在密封容器中的基體上的聚合物材料中，從而使聚合物材料具有流動性，該密封容器包括位于其中且充滿流化材料的槽。
具體實施例方式
本發(fā)明的技術要點在于使用毛細作用力在基體上形成微型圖案。首先，制備帶有所需圖案的聚合物模具。然后，將該聚合物模具與涂覆在基體上的聚合物材料相接觸，以使得通過使用毛細作用力使聚合物材料進入到聚合物模具的敞空部分即凹陷部分，從而在基體上形成目標微型圖案。
以下介紹按照本發(fā)明的、使用毛細作用力的各種微型圖案形成方法。
首先，當基體上的聚合物材料如聚苯乙烯具有流動性時，將聚合物模具與在基體上制備的聚合物材料相接觸，從而誘導出毛細作用力，并在基體上形成目標圖案。
第二步，當聚合物材料變成缺乏流動性的材料時，使聚合物模具與該聚合物材料接觸，然后在預定溫度范圍內對聚合物材料進行熱處理如加熱，從而誘導出毛細作用力并在其上得到所需的微型圖案。
第三步，當聚合物材料變成缺乏流動性的材料時，在基體上制備的聚合物材料中滲透或吸收一種溶劑如PGMEA(丙二醇單甲醚酸酯)，從而使該聚合物材料具有流動性。之后，使聚合物材料與聚合物模具相接觸，從而引發(fā)毛細作用力并得到目標的微型圖案。也可以使用無機模具如SiO2模具來代替聚合物模具(PDMS聚合物模具)。
圖1A到1I顯示了按照本發(fā)明第一優(yōu)選實施方案通過使用毛細作用力在基體上形成薄膜微型圖案的方法的順序步驟。
參照圖1A，在含有三氯乙烯溶液102的槽100里以預定的時間如5分鐘超聲清洗硅基體104。然后，如圖1B所示，將該硅基體102放入到含有甲醇溶液的槽106中，再次以預定的時間如5分鐘進行超聲清洗。之后，甲醇清洗過的硅基體104最終使用蒸餾水進行清洗。雖然該優(yōu)選實施方案中示例性使用硅基體作為形成圖案的基體，但也可以使用由其他材料如陶瓷、金屬和聚合物制成的基體。
接下來，如圖1C所示，利用本領域公知的旋涂技術將溶于甲苯中的聚合物材料108’如聚苯乙烯涂覆在硅基體104上，其中涂覆在基體104上的聚合物材料108’的厚度控制在如大約100nm。
如圖1D中所描述，將帶有所需微型圖案的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具110與聚合物材料108’接觸。圖1D中的標記110’代表PDMS聚合物模具110的敞空部分即凹陷部分。
如果在硅基體104上形成的聚合物材料108’如聚苯乙烯具有流動性，則聚合物模具110與聚合物材料108’進行保形接觸，同時保持了聚合物材料的流動性。然后，產(chǎn)生了毛細現(xiàn)象，使得聚合物材料108’滲透到聚合物模具110的敞空部分110’。結果使得，聚合物模具110的突起部分與硅基體104進行了直接接觸。需要指出的是，聚合物模具110上的敞空部分110’需要足夠大以容納在硅基體104上形成的所有聚合物材料108’。
然而，當聚合物材料108’如所謂酚醛清漆樹脂是不具有流動性的材料時，需要額外的步驟使聚合物具有流動性，從而誘導出毛細作用力。本優(yōu)選實施方案提出了兩種使非流動性的聚合物材料產(chǎn)生流動性的方法。
第一種方法，如圖1E中所示，通過在爐中約110℃下對與聚合物模具110接觸的硅基體104熱處理約3小時，使非流動性聚合物材料具有流動性，并進入到聚合物模具110的敞空部分110’。
如本領域所公知，大部分聚合物材料具有其玻璃化轉變溫度。當加熱到玻璃化轉變溫度以上時，聚合物材料是流化的。相應地，如果模具具有能夠牽引聚合物材料的一個形狀且與聚合物材料進行保形接觸，則該聚合物材料會移到聚合物模具的敞空部分中。
圖3提供了一個示意圖，其顯示以下情況，即流化材料滲透到在密封容器中制備的基體上的聚合物材料中，從而使聚合物材料獲得流動性，其中在該密封容器中帶有一個充滿流化材料的槽。
在圖3中，將流化材料如PGMEA等溶劑放入到密封容器300中的槽302內，以使流化材料滲透到在基體104上形成的非流化聚合物材料108’中。當從槽302中蒸發(fā)的流化材料被聚合物材料108’吸收時，聚合物材料108’具有了流動性。結果使得，聚合物材料108’是流化的。
雖然在圖3中并沒有顯示，但密封容器300還進一步包括一個用于加熱該槽302的加熱裝置，用以加快槽302中的流化材料蒸發(fā)，并促進流化材料被聚合物材料108’吸收。相應地，使聚合物材料108’具有流動性所需要的時間也大大地減少，其反過來減少了在基體上形成圖案的整體處理時間。
如上所述，通過使用上述各種方法誘導出的毛細作用力，使聚合物材料108’可以進入聚合物模具110的敞空部分110’。
如圖1F所示，當聚合物材料108’利用毛細作用力全部進入到聚合物模具110的敞空部分110’中時，移去聚合物模具110，在硅基體104上可得到所需的聚合物圖案108即微型圖案。
通過使用上述方法得到的聚合物圖案，可以在基體上制備如金屬布線的微型圖案。
例如，在圖1G中所示，將其上形成有聚合物圖案108的硅基體104放入含有化學鍍溶液112的反應器120中。結果如圖1H所示，在硅基體104表面的某些不具有聚合物圖案的部分上面，產(chǎn)生例如由Al或Cu組成且具有所需厚度的薄膜微型圖案114’。。
其后，使用溶劑去除硅基體104上的聚合物圖案108。然后通過使用吹入氮氣來干燥硅基體104，在由如導體、絕緣體、半導體或有機材料制成的基體上形成目標薄膜微型圖案。
相應地，不像傳統(tǒng)的微接觸印刷法和壓印方法一樣，按照本發(fā)明的、通過使用毛細作用力的簡單方法，可以在基體上容易并精確地形成所需的微型圖案。
圖2A到2F描述了按照本發(fā)明第二個優(yōu)選實施方案、利用毛細作用力在基體上形成薄膜微型圖案的方法的順序步驟。
在第一個實施方案中，通過使用帶有所需圖案和毛細作用力的聚合物模具在硅基體上形成聚合物圖案，來獲得薄膜微型圖案。在基體表面某些沒有形成聚合物圖案的部分處生長出薄膜層，然后從基體上去除聚合物圖案。
與此形成對比，在本發(fā)明第二個實施方案中，通過使用帶有所需圖案的聚合物模具和毛細作用力在硅基體上形成聚合物圖案，使所需微型圖案形成在硅基體上。然后，通過使用所需微型圖案作為蝕刻掩膜來進行蝕刻過程。
在按照本發(fā)明第二個實施方案的微型圖案形成方法中，硅基體清洗方法與圖1A到1B描述的第一個實施方案中使用的那些清洗方法基本上相同。
參照圖2A，通過沉積方法將具有預定厚度的薄膜層204’形成在硅基體202上。然后，如圖2B所示，通過使用如旋涂技術，將具有預定厚度的聚合物材料206’涂覆在薄膜層204’的整個表面上。需要指出的是，雖然在第二個實施方案中以硅基體作為最佳實施例，但是本發(fā)明也可以應用到由陶瓷、金屬、聚合物及其類似物制成的基體。
然后，如果聚合物材料206’具有流動性，使聚合物模具208與聚合物材料206’進行保形接觸；如果聚合物材料206’不具有流動性，對聚合物材料采用如第一個實施方案中所述的另一方法如熱處理步驟或溶劑滲透步驟，以使聚合物材料在與聚合物模具208進行保形接觸前具有流動性。然后，使聚合物材料206’進入到聚合物模具208的敞空部分208’。
在這里，所有聚合物材料206’均可以進入到聚合物模具208的敞空部分208’，或者通過調整聚合物材料206’的厚度使部分聚合物材料206’可以留在薄膜層204’上。
一些聚合物材料206’保留在薄膜層204’上而沒有進入到聚合物模具208的敞空部分208’中，以控制以下所述蝕刻過程中的蝕刻速度。
當所有的或部分的聚合物材料206’進入到聚合物模具208的敞空部分208’后，使聚合物模具208從基體202上面的薄膜層204’拆除，從而在薄膜層204’上形成帶有所需圖案結構的聚合物圖案206。接下來，使用聚合物圖案206作為蝕刻掩膜來進行蝕刻過程。相應地，如圖2E所示，有選擇性地去除薄膜層204’的某些部分，并因此有選擇性地使硅基體202的某些部分暴露。
之后，通過使用溶劑去除形成在薄膜層204’上的聚合物圖案206，并且使用吹入的氮氣來干燥帶有薄膜層204’的硅基體202，從而最終在硅基體202上獲得導體、絕緣體、半導體或有機體的目標微型圖案204。
相應地，按照本發(fā)明第二個實施方案的微型圖案形成方法可以得到與第一個實施方案相同的效果。
如上所述，不像傳統(tǒng)微接觸印刷法和壓印方法，通過使用按照本發(fā)明的聚合物模具(或無機模具)和毛細作用力的簡單方法，可以容易并精確地在基體上形成聚合物微型圖案。進一步，通過使用在基體上制備的聚合物微型圖案來作為薄膜層生長抑制體或蝕刻掩膜，可以成功地在由如硅、陶瓷、金屬、聚合物等等制成的基體上形成目標微型圖案。
本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實施方案進行了說明和描述，可以理解在不違背以下權利要求中所限定的本發(fā)明精神和范圍的情況下，本領域普通技術人員可以做出多種變化和修改。
權利要求
1.一種使用帶有預定圖案結構的模具在基體上形成微型圖案的方法，該方法包括以下步驟a)制備一個模具，該模具帶有包括凹陷部分和突起部分的預定圖案結構；b)在基體上沉積聚合物材料；c)使模具的突起部分與聚合物材料接觸；d)利用聚合物材料的毛細作用力，使與模具的突出部分接觸的聚合物材料滲入到其凹陷部分的敞空部分，從而去除與模具的突起部分接觸的聚合物材料；和e)通過拆除該模具使基體的頂表面的部分暴露出來，從而在基體上形成聚合物微型圖案。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其進一步包括步驟c1)在所述步驟c)之后但在所述步驟d)之前，在預定溫度范圍內對聚合物材料進行熱處理。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其進一步包括步驟b1)在所述步驟b)之后但在所述步驟c)之前，將流化材料滲透到聚合物材料中，以使聚合物材料具有流動性。
4.根據(jù)權利要求1的方法，其中模具是聚合物模具。
5.根據(jù)權利要求1的方法，其中模具是無機模具。
6.根據(jù)權利要求1的方法，其中通過旋涂技術將聚合物材料形成在基體上。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其進一步包括以下步驟f)在基體的頂部的暴露部分上沉積薄膜層；和g)去除聚合物微型圖案，從而形成所需的薄膜微型圖案。
8.根據(jù)權利要求3的方法，其中所述步驟b1)包括加熱流化材料以促使其蒸發(fā)的步驟，從而增強流化材料對聚合物材料的滲透。
9.根據(jù)權利要求7的方法，其中通過使用溶劑來去除聚合物微型圖案。
10.根據(jù)權利要求7的方法，其中基體選自導體膜、絕緣膜、半導體膜和有機膜。
11.根據(jù)權利要求8的方法，其中聚合物材料是酚醛清漆樹脂，流化材料是PGMEA(丙二醇單甲醚酸酯)。
12.一種使用帶有預定圖案結構的模具在基體上形成微型圖案的方法，該方法包括以下步驟a)制備一個模具，該模具帶有包括凹陷部分和突起部分的預定圖案結構；b)在基體上沉積薄膜層；c)在薄膜層的整個表面上形成聚合物材料；d)使模具的突起部分與聚合物材料接觸；e)通過使用聚合物材料的毛細作用力，使與模具的突起部分接觸的聚合物材料進入到其凹陷部分的敞空部分中，以去除與模具的突起部分接觸的聚合物材料，從而形成具有預定形狀的聚合物圖案；f)通過使用作為掩膜的聚合物圖案來蝕刻薄膜層，從而選擇性去除薄膜層的一部分；和g)去除聚合物圖案，從而形成所需的薄膜微型圖案。
13.根據(jù)權利要求12的方法，其進一步包括步驟h)在所述步驟d)之后但在所述步驟e)之前，在預定的溫度范圍內對聚合物材料進行熱處理。
14.根據(jù)權利要求12的方法，其進一步包括步驟h)在所述步驟c)之后但在所述步驟d)之前，使流化材料滲透到聚合物材料中，以便在模具與聚合物材料接觸之前使聚合物材料具有流動性。
15.根據(jù)權利要求12的方法，其中模具是聚合物模具。
16.根據(jù)權利要求12的方法，其中模具是無機模具。
17.根據(jù)權利要求12的方法，其中通過使用旋涂技術使聚合物材料形成在基體上。
18.根據(jù)權利要求12的方法，其中通過使用溶劑去除聚合物圖案。
19.根據(jù)權利要求12的方法，其中基體選自導體膜、絕緣膜、半導體膜和有機膜。
20.根據(jù)權利要求13的方法，其中通過熱處理使部分聚合物材料進入到模具的敞空部分中，從而使聚合物的保留部分留在薄膜層的頂部上。
21.根據(jù)權利要求14的方法，其中所述步驟h)包括加熱流化材料以促使其蒸發(fā)的步驟，從而增強流化材料對聚合物材料的滲透。
22.根據(jù)權利要求17的方法，其中聚合物材料是酚醛清漆樹脂，流化材料是PGMEA(丙二醇單甲醚酸酯)。
23.根據(jù)權利要求20的方法，其中留在薄膜層頂部上的聚合物材料的保留部分通過蝕刻過程進行去除。
全文摘要
在使用帶有預定圖案結構的模具在基體上形成微型圖案的方法中，制備一個模具，該模具帶有包括凹陷部分和突起部分的預定圖案結構。在基體上沉積聚合物材料。然后，控制模具的突起部分與聚合物材料接觸，且利用聚合物材料的毛細作用力，使與模具的突出部分接觸的聚合物材料滲入到其凹陷部分的敞空部分，從而去除與模具的突起部分接觸的聚合物材料。之后，拆除該模具使基體的頂表面的部分暴露出來，從而在基體上形成聚合物微型圖案。
文檔編號G03F7/00GK1633523SQ01823662
公開日2005年6月29日 申請日期2001年9月25日 優(yōu)先權日2001年9月25日
發(fā)明者李弘熙, 徐甲亮, 金然祥, 劉弼珍 申請人:米盧塔技術株式會社