专利名称：在衬底上图形化结构的装置和方法
技术领域：
本发明提供了在衬底上图形化结构的装置和方法。
背景技术：
通常用光刻方法来对衬底进行图形化。用这种技术能够产生的最小图形受到光刻分辨率的限制，亦即受到光刻中所用光源发射的光的波长以及所用光抗蚀剂的图形化最小尺度的限制。用已知的157nm光刻技术所能够产生的最小尺度约为50nm。但要得到这一尺度是很费劲的，因而仅仅当衬底图形化数量不大时才值得去做。
因此，由于目前还无法获得能够产生波长小于100nm的光的光源和相应的光抗蚀剂，故通常用电子束光刻或聚焦电子束或离子束技术来得到尺度小于100nm的结构的图形化。相对于经典抗蚀剂基工艺来说，聚焦电子束(FEB)、聚焦离子束(FIB)、以及激光束和扫描隧道显微镜(STM)探针提供了独一无二的优点。金属或介质的原位淀积以及选择性腐蚀就是这些优点之一。通常用STM对其上要图形化的衬底进行扫描，然后用电子束或离子束瞄准衬底。除了激光束之外，所有技术都具有nm尺寸淀积的分辨率，亦即产生nm尺度结构的分辨率[1]。
FEB和FIB是非常昂贵的。所有上述各技术中所采用的基本工艺是束位置处的局部化学气相淀积(CVD)工艺，但气相的分解随输入能量的性质而剧烈变化。除了高的成本之外，所述各方法的另一缺点是，衬底必须是导电的或至少衬底的某些部分必须是导电的，以便能够在使用STM时能够开始衬底的图形化[2]。这就对能够使用的衬底施加了很大的限制。
上述现有技术的另一缺点在于，虽然用低的电流密度来执行衬底的扫描，但为了产生电子束或离子束，必须采用高的电流密度。因此，仅仅也可能以开关方式，亦即，为了衬底的图形化，一时以低电流密度执行扫描，而另一时产生电子束或离子束。这就导致了衬底被扫描之后必须再次找到要图形化的扫描区域的问题。
而且，由于用通常使用的STM无法在恒定工作中得到必须的高电流密度，故电子束或离子束的产生是在脉冲工作中执行的。而且，由于以高电流密度脉冲工作，故显微镜尖端很快就损坏。
确定尺度小于100nm的结构的一种变通技术是例如[3]中所述的所谓纳米模版喷刷方法。根据[3]，原子力显微镜(AFM)尖端悬臂中的孔径结合物理气相淀积(PVD)被用作模版喷刷掩模。
此方法的缺点是采用仅仅具有有限的操作可能性的物理气相淀积(PVD)。
从文献[4]已知一种用来对光抗蚀剂进行曝光的方法，在此方法中，采用金属化的AFM尖端来提高电磁场。根据此方法，外部光源被用来以不能进行光转换的低强度紫外光照射金属化的尖端。然后，经由等离子体振子共振，此低强度紫外光被增强成强度高得足以进行光转换的电磁场。仅仅在AFM尖端的紧邻，强度才足以转换光抗蚀剂。
本发明的目的是克服现有技术系统和方法的至少部分缺点，并以能确定亚100nm尺度图形的装置和方法来确定彼此紧邻的复杂形状的图形。
发明内容
本发明针对的是一种用来在衬底上图形化结构的装置，此装置包含成像装置，此成像装置具有扫描尖端、发光器件、以及尖端周围的空间，此空间包含适合于在分解时化学气相淀积到衬底上的材料蒸汽，且其中激光器件被用来发射激光束，此激光束所具有的强度不能分解蒸汽，此激光束以这样的方式来到尖端，即在尖端附近由激光束诱发的电磁场高得足以分解蒸汽。可以提供一个夹具来承载衬底。
在本发明的另一情况下，提供了一种方法，此方法用包括成像装置和发光器件的装置来在衬底上图形化结构。此方法包含下列步骤在显微镜尖端下方，优选在显微镜夹具上，提供衬底；在尖端与衬底之间的空间内，提供适合于在分解时化学气相淀积到衬底上的材料蒸汽；以及将尖端暴露于激光器件发射的激光束，其中，激光束的强度不足以分解蒸汽，但以尖端使附近电磁场增强到蒸汽被分解的程度的方式分解蒸汽。
本发明的独特特点在于，光束被用来产生尺度约为几个纳米的结构。弱的光束从发光器件被发射到成像装置的扫描尖端上，弱光束从中被放大到扫描尖端皱附近的电磁场强得足以分解蒸汽的程度。在成像装置的扫描尖端附近的蒸汽或气体分解之后，蒸汽的一种组分被淀积到衬底上。这样，根据本发明，移动成像装置的扫描尖端就能够将几个纳米尺度的纳米结构形成到衬底上，例如导电材料线条能够被淀积到衬底上。
根据本发明，由于采用光和成像装置的扫描尖端来代替了使用施加到显微镜尖端的电位亦即如现有技术所知那样的电子束和离子束，故有可能采用非导电的衬底。
另一优点是根据本发明的方法不必以开关的方式执行，而是有可能同时对衬底进行扫描和图形化。由于根据本发明现在有可能容易地找到图形化的结构例如导电线条，故这是特别有优点的。
而且，根据本发明有可能采用化学气相淀积(CVD)代替物理气相淀积(PVD)，因而有可能淀积比PVD范围更广得多的颗粒。
由于扫描尖端增强了从发光器件发射到成像装置扫描尖端上的低强度光场，故本发明仅仅依赖于扫描尖端附近的蒸汽的化学反应。扫描尖端周围的这一附近电磁场容易地将扫描尖端紧邻的温度提高到了蒸汽被分解的程度。这一仅仅在扫描尖端紧邻中的分解导致了仅仅在扫描尖端紧邻中的分解了的蒸汽的组分发生淀积。淀积的分辨率受限于衬底的热导率、分解阈值的锐度亦即蒸汽分解范围限制的陡度如何、以及入射光的波长。
由于根据本发明不需要高的电流密度的事实，故能够以连续工作模式而不像根据现有技术那样以脉冲工作模式来执行分解蒸汽的淀积。于是，根据本发明的方法使成像装置的扫描尖端的损坏更小。
在从属权利要求中公开了进一步的优选实施方案。结合根据本发明的装置描述了这些实施方案，类推了根据本发明的方法。
在一个实施方案中，发光器件是激光器。
在另一实施方案中，成像装置是原子力显微镜或扫描隧道显微镜。
利用通常具有直径约为5-20nm的显微镜尖端的原子力显微镜(AFM)或扫描隧道显微镜(STM)，能够提供一种容易的方法来达到例如直至5nm的几个纳米的亚光刻范围内的衬底扫描和图形化分辨率。
在另一实施方案中，激光器件被用来以偏振平行于尖端纵轴的方式将激光束发射到尖端上。
借助于以这种方式对准激光束的偏振与显微镜的尖端，有可能有效地提高尖端周围附近电磁场的强度。
在另一实施方案中，尖端的尺度最大为5-20nm。
当尖端与衬底之间的距离处于5-10nm范围内时，利用这种尺度的尖端，亦即例如5nm的尖端，有可能在衬底上形成尺度相同的结构，亦即亚光刻结构。这种尺度适合于分子尺寸电子器件。
在另一实施方案中，此装置包含多个基本上平行的尖端。
利用多个平行的尖端。有可能同时亦即在单个步骤中在衬底上形成多个平行的结构。从而能够容易而快速地在衬底上形成复杂的结构。例如能够在衬底上形成多组几个平行导电线条。
在另一实施方案中，激光束的波长被用来匹配尖端的尺寸，以便达到发射的激光束的充分放大。
将尖端的尺寸适配于激光波长，能够沿尖端纵向产生驻波。从而能够提供激光束电磁场初级强度更有效的放大。
在另一实施方案中，显微镜的尖端被金属化。
在另一实施方案中，蒸汽是选自卤化物、氢化物、以及金属有机化合物的气体。
可能的金属有机化合物是烷基金属、金属醇盐、金属二烷基酰胺(Metal Dialylamides)、金属双酮酸盐(Metal Diketonates)、以及金属碳酰(Metal Cabonyls)。
在一个优选实施方案中，蒸汽是选自AuClPF3、W(CO)6、TiCl4、TaCl5、WF6、SiH4、GeH4、AlH3(NMe3)2、NH3、AlMe3、Ti(CH2tBu)4、Ti(OiPr)4、Ti(NMe2)4、Cu(acac)2、以及Ni(CO)4的气体。
这些气体适合于化学气相淀积，因而在根据本发明的装置中使用这些气体能够容易地形成衬底上的结构。能够用于衬底上这些结构例如金属线条的材料是金、钨、铝、碱土金属、Ca、或Mg。
总之，可以看到本发明的一种情况利用成像装置例如显微镜特别是原子力显微镜(AFM)与弱光束特别是激光束一起在衬底上形成亚光刻结构。激光器件的弱激光束被发射到AFM的扫描尖端亦即显微镜尖端上。通常，显微镜尖端的直径为5-20nm。但根据本发明，显微镜尖端不局限于此范围。本文中的弱激光束意味着激光束的电磁场强度不是高得足以分解适合于分解时发生化学气相淀积(VCD)的气体。也可以用扫描隧道显微镜(STM)来代替AFM。借助于将弱的激光束投影到AFM的尖端上，所述尖端附近的电磁场被放大到所提供的适合于CVD的气体被分解且分解的气体组分被淀积到衬底上的程度。根据本发明，可以采用不同的CVD技术，例如大气压化学气相淀积(APCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、金属有机化学气相淀积(MOCVD)、激光化学气相淀积(LPCVD)、或光化学气相淀积(PCVD)。
下面参照附图表示的实施方案来解释本发明，其中图1示出了原子力显微镜尖端周围的场分布；图2示出了根据本发明一个实施方案用来在衬底上图形化结构的装置；而图3示出了根据本发明另一实施方案用来在衬底上图形化结构的装置。
具体实施例方式
图1示出了原子力显微镜(AFM)尖端100周围电磁场的场分布。所示电磁场是三维复合多极方法模拟的结果。图1所示的是尖端100和周围附近场的一个象限，此尖端100沿其纵轴被切割。此尖端100被波长为810nm的单色激光束例如蓝宝石激光器照射。而且，在图1中用坐标系101来表示入射激光束的方向和偏振亦即波的E矢量和k矢量。在此模拟中，采用了半径为5nm的金尖端，此尖端被从侧面照射。而且，激光束的偏振平行于尖端轴，亦即，激光束的E矢量平行于尖端轴。
在图1中，用尖端周围电磁场的E2的等高线示出了场分布。在所示的等场强线图中，二个相继线之间的差值是因子2，这意味着当接近尖端时，电磁场的强度从一个等场强线到下一个等场强线增大了因子2。右边给出了比例尺来说明尺度。图1所示尖端和周围电磁场的总高度表示约为75nm的高度。此模拟表明尖端最前部处电磁场的强度增量约为激光束照射强度的3000倍。而且，从模拟得到，电磁场在尖端附近几乎是旋转对称的。
此模拟所显示的结果说明，借助于照射AFM的尖端，有可能提高弱电磁场例如激光束的场的强度。
在图2中，示出了根据本发明一个实施方案的装置200的示意图，此装置适合于图形化结构，例如将尺度小的导电线条淀积到衬底201上。此装置包含示意地示出的AFM 202。AFM 202包含金属化的尖端203。在此实施方案中，尖端203是直径为5nm的金尖端，但可以用适用于AFM尖端的任何其它材料来制作此尖端。其上要形成导电线条的衬底201可以被安置在尖端203下方。而且，装置200包含激光器204，激光器204能够以低强度的激光束，亦即以强度不高得足以使引入在尖端203与衬底201之间的蒸汽或气体发生分解的激光束，来照射尖端203。AFM 202因而也是AFM的尖端203和/或衬底201能够三维移动，图2所示的坐标系205示出了这一点。
为了对衬底201进行图形化，上述装置200被插入到普通的化学气相淀积设备(CVD设备)中。这种CVD设备通常包含反应器工作室，其中发生淀积；气体供给系统，用来将前体亦即适合于CVD的气体供应到反应工作室中；衬底装载机构，用来引入和引出衬底和心轴等；能源，用来提供使前体反应和/或分解所需的能量/热；真空系统，用来清除除了反应/分解所需的气体之外的所有其它气态物质；排气系统，用来从反应工作室清除挥发性副产品；排气处理系统，在某些排出的气体不适合于排放到大气中而要求处理或转化为安全/无害化合物的情况下，需要此系统；以及工艺控制设备，例如测量仪表、控制、报警、以及安全装置等，以便监测诸如压力、温度、时间之类的工艺参数。为了清晰起见，图2中未示出这种已知的CVD设备。
适合于CVD的气体，亦即前体材料，有很多种类，例如卤化物诸如TiCl4、TaCl5、WF6；氢化物诸如SiH4、GeH4、AlH3(NMe3)2、NH3；金属有机化合物；烷基金属 诸如AlMe3、Ti(CH2tBu)4；金属醇盐 诸如Ti(OiPr)4；金属二烷基酰胺诸如Ti(NMe2)4；金属双酮酸盐 诸如Cu(acac)2；金属碳酰 诸如Ni(CO)4。
为了对衬底201进行图形化，由激光器204发射激光束206来照射尖端203，同时，适合于CVD的气体或蒸汽被引入到尖端203与衬底201之间的空间中。在图2的实施方案中，AuClPF3被用作引入到尖端203与衬底201之间的空间中的气体。AuClPF3分解的阈值温度约为150℃。诸如发射波长为810nm的光的蓝宝石激光器之类的弱红外源，可以被用作激光器件204亦即激光源。如已经指出的那样，所述激光束206亦即初级激光束的强度亦即能量，不是高得足以分解所述的气体或蒸汽，致使不可能由这一初级激光束淀积金属线条亦即导电线条。
但如图1所示，初级激光束206的电磁场被AFM 202的尖端203放大，致使尖端203紧邻附近的电磁场的强度亦即能量高得足以分解所述气体或蒸汽，致使能够完成CVD而将线条207形成到衬底201上。亦即，尖端紧邻的温度被提高到150℃以上，从而分解AuClPF3。这导致金在AFM尖端扫描衬底时被淀积在衬底上。由于电磁场仅仅在尖端203的紧邻高得足以分解所述蒸汽，故尺度非常小的金属线条207能够被形成在衬底201上。利用直径为5nm的尖端203，能够在衬底上形成直径相同的亦即尺度为5nm的线条207。为了达到这一尺度，尖端203与衬底201之间的典型距离为5-10nm。
由于所述蒸汽的分解集中在尖端203的非常紧邻内，故金属线条207基本上形成在尖端203下方。于是，借助于对应所希望的安排而彼此相对地移动AFM尖端203与衬底，就有可能在衬底上得到具有所希望的排列的金属线条207。以说明的方式，可以说尖端203将金属线条207“写”到衬底上。由于电磁场仅仅在尖端203的紧邻强得足以分解蒸汽，故金属线条207将参与尖端203的每个转向，导致一种对衬底201进行图形化的简易方法。
在图3中，示出了根据本发明另一实施方案的用来图形化衬底，例如用来将尺度小的导体线条淀积到衬底301上的装置300的示意图。与图2所示的装置200形成对照，图3所示的装置300包含具有几个尖端303a、303b、303c、303d的AFM 302。数目4不是限制性的。根据本发明，可以采用各种所需和合适的尖端数目。
装置300包含仅仅示意地示出的AFM 302。AFM 302包含多个金属化的尖端303a、303b、303c、303d。在图3的实施方案中，尖端303a、303b、303c、303d是直径为5nm的金尖端，但可以用适用于AFM尖端的任何其它材料来制作这些尖端。其上要形成线条例如导电线条的衬底301可以被安置在尖端303a、303b、303c、303d的下方。而且，装置300包含激光器304，激光器304能够以低强度的激光束，亦即以强度不高得足以使引入在尖端303a、303b、303c、303d与衬底301之间的蒸汽或气体发生分解的激光束，来照射尖端303a、303b、303c、303d。AFM 302因而也是AFM的尖端303a、303b、303c、303d和/或衬底301能够三维移动，图3所示的坐标系305示出了这一点。
如参照图2所述，为了对衬底301进行图形化，上述装置300被插入到普通的化学气相淀积设备(CVD设备)中，图3中也未示出此情况。
在对衬底301进行图形化的过程中，由激光器304发射初级激光束306来照射尖端303a、303b、303c、303d，同时，适合于CVD的气体或蒸汽被引入到尖端303a、303b、303c、303d与衬底301之间的空间中。在图3的实施方案中，AuClPF3被用作引入到尖端303a、303b、303c、303d与衬底301之间的空间中的气体。AuClPF3分解的阈值温度约为150℃。诸如发射波长为810nm的光的蓝宝石激光器之类的弱红外源，可以被用作激光器件304亦即激光源。如已经指出的那样，所述初级激光束306的强度亦即能量，不是高得足以分解所述的气体或蒸汽，致使不可能由这一初级激光束淀积金属线条亦即导体线条。
但如图1所示，初级激光束306被AFM 302的尖端303a、303b、303c、303d放大，致使尖端303a、303b、303c、303d紧邻附近的电磁场的强度亦即能量高得足以分解所述气体或蒸汽，致使能够完成CVD而将金属线条307a、307b、307c、307d形成在衬底301上。亦即，尖端紧邻的温度被提高到150℃以上，从而分解AuClPF3。这导致金在AFM尖端扫描衬底时被淀积在衬底上。由于电磁场仅仅在尖端303a、303b、303c、303d的紧邻高得足以分解所述蒸汽，故尺度非常小的金属线条307a、307b、307c、307d能够被形成在衬底301上。利用直径为5nm的尖端303a、303b、303c、303d，能够将直径相同的亦即尺度为5nm的金属线条307a、307b、307c、307d形成到衬底301上。尖端303a、303b、303c、303d与衬底301之间的典型距离为5-10nm。
利用根据图3的装置300，能够用单个步骤在衬底301上形成多个平行的金属线条。从而能够提高用来对衬底进行图形化的装置和方法的效率。
总之，可以看到本发明的一种情况利用原子力显微镜(AFM)与弱激光束一起在衬底上形成亚光刻结构。激光器件的弱激光束被发射到AFM的金属化尖端上。也可以用扫描隧道显微镜(STM)来代替AFM。借助于将弱的初级激光束投射到AFM的尖端上，所述尖端附近的电磁场被放大到所提供的适合于化学气相淀积(CVD)的气体被分解且分解的气体组分被淀积到衬底上的程度。
本发明超越现有技术的优点如下。仅仅在附近亦即金属化尖端周围几个纳米处进行放大，致使仅仅尖端紧邻内的气体被分解，因而分解的气体仅仅淀积在尖端的紧邻。于是，能够在衬底上形成尺度为几个纳米的结构例如金属线条。利用直径为5nm的尖端以及尖端与衬底之间5-10nm的距离，能够得到尺度为5nm的线条。这种尺度适合于分子微电子学。但尖端的直径不局限于5nm，而是能够为任何适当的直径。尖端的直径优选对应于所希望的线条尺度，例如在所希望的线条尺度为10nm，亦即线宽为10nm的情况下，尖端的直径可以约为10nm。
另一优点是，由于衬底的扫描和线条在衬底上的形成是同时进行的，故能够容易地找到形成在衬底上的结构。由于尖端由外部激光束激发而不是如根据现有技术的方法那样由尖端中的强电场激发，故这是可能的。与使用相当快地损坏尖端的强电场的现有技术相比，根据本发明，不使用强电场，尖端的寿命因而得到了提高。
另一优点是，像分解那样的化学反应仅仅存在于强度因而也是能量足够高的尖端处，从而在衬底和AFM周围导致更不具化学活性的环境。
虽然已经详细地描述了本发明及其优点，但应该理解的是，此处能够作出各种改变、替换、以及变通而不偏离所附权利要求定义的本发明的构思与范围。
在本申请中提到了下列文献[1]“Focused electron beam induced deposition of gold”，I.Utkeet al.，J.Vac.Sci.Technol.(Nov/Dec 2000)，American Vacuum Society，pp.3168-3171. “Single-Step Nanopatterning with a Non-Contact SFM byElectrically Induced Local CVD”，M.D.Croitoru et al.，MNE 2002Lugano，pp.290-291. US 6 313 905[4]“Scanning near-field ellipsomeric microscope-imagingellilsometry with a leteral resolution in nanometer range”，P.Karageorgiev et al.，Applied Physics letters，Vol.79，No.11(2001)，pp.1730-1732.
权利要求
1.一种用来在衬底(201，301)上图形化结构(207，307)的装置(200，300)，此装置包括成像装置(202，302)，此成像装置(202，302)具有扫描尖端(203，303)；发光器件(204，304)；以及扫描尖端周围的空间，此空间包含适合于在分解时化学气相淀积到衬底(201，301)上的材料蒸汽，其中，发光器件(204，304)被用来发射光束(206，306)，此光束所具有的强度不能分解所述蒸汽，此光束(206，306)以这样的方式发射到尖端(203，303)上，使得在尖端(203，303)附近由该光束(206，306)诱发的电磁场足够高以分解所述蒸汽。
2.根据权利要求1的装置，其中，发光器件(204，304)是激光器。
3.根据权利要求1或2的装置，其中，成像装置(202，302)是原子力显微镜和扫描隧道显微镜之一。
4.根据权利要求2或3的装置，其中，激光器(204，304)被用来以偏振平行于尖端(203，303)纵轴的方式将光束(206，306)发射到尖端(203，303)上。
5.根据权利要求1-4中任何一个的装置，其中，尖端(203，303)的尺度在5-20nm之间。
6.根据权利要求1-5中任何一个的装置，其中所述装置包含多个基本上平行的尖端(303a，303b，303c，303d)。
7.根据权利要求1-6中任何一个的装置，其中，光束(206，306)的波长被用来匹配尖端(203，303)的尺寸，使得实现发射光束的充分放大。
8.根据权利要求1-7中任何一个的装置，其中，一个或多个尖端(203，303a，303b，303c，303d)被金属化。
9.根据权利要求1-7中任何一个的装置，其中所述蒸汽是选自包括卤化物、氢化物、金属有机化合物的气体。
10.根据权利要求1-9中任何一个的装置，其中所述蒸汽是选自包括AuClPF3、W(CO)6、TiCl4、TaCl5、WF6、SiH4、GeH4、AlH3(NMe3)2、NH3、AlMe3、Ti(CH2tBu)4、Ti(OiPr)4、Ti(NMe2)4、Cu(acac)2、Ni(CO)4的气体。
11.一种通过包括成像装置(202，302)和发光器件(204，304)的装置在衬底(201，301)上图形化结构(207，307)的方法，此方法包括下列步骤在成像装置(202，302)的尖端(203，303)下方，提供衬底(201，301)；在尖端(203，303)与衬底(201，301)之间的空间内，提供适合于在分解时化学气相淀积到衬底(201，301)上的材料蒸汽；以及将尖端(203，303)暴露于发光器件(204，304)发射的光束(206，306)，使得所述尖端(203，303)增强附近的电磁场达到使所述蒸汽分解的程度，其中该光束(206，306)的强度不足以分解所述蒸汽。
全文摘要
一种用来在衬底上图形化结构的装置，此装置包含成像装置，此成像装置具有扫描尖端、发光器件、以及扫描尖端周围的空间，此空间包含适合于在分解时化学气相淀积到衬底上的材料蒸汽，其中，发光器件被用来发射光束，此光束所具有的强度不能分解蒸汽，此光束以这样的方式发射到扫描尖端，即在扫描尖端附近由光束诱发的电磁场高得足以分解蒸汽。
文档编号C23C16/04GK1878722SQ200480033219
公开日2006年12月13日 申请日期2004年11月9日 优先权日2003年11月12日
发明者谢弗列德·F·卡格, 海克·E·里耶尔, 沃尔特·雷耶斯, 雷托·施里特勒, 罗纳德·W·格曼 申请人:国际商业机器公司