扫描探针纳米光刻系统和方法与流程

本发明涉及扫描探针纳米光刻系统和扫描探针纳米光刻过程的控制方法。

背景技术：

从多个现有技术文献，例如论述其他公开的us8261662已知扫描探针纳米光刻系统。

纳米光刻通常以开环的方式进行，这意味着必须在刻写/图案化过程之前设置所有的刻写/图案化参数。在刻写过程期间不从所刻写的纳米结构获取信息。因此，必须在刻写过程期间隔离、消除或考虑可能妨碍刻写/图案化过程的所有外部(温度、湿度、压力等等)或内部(温漂、噪音、波动、退化、老化等等)影响，以便获得高质量并且良好再现性的纳米结构。

在us8261662中所提及的反馈回路被用于控制刻写过程的系统刻写参数，例如通过测量刻写电流控制所述电流。

扫描探针光刻技术使用锐利的针头/探针以创建纳米结构。其能够例如通过机械相互作用(正如例如由yan等人在small，6(6):724-728，(2010)中所描述的纳米剃刮或纳米刻划)、利用针头和样本之间的电场(局部阳极氧化，参见例如chen等人的opticsletters，30(6):652-654，(2005)、场感应沉积，参见例如rolandi等人的angewandtechemieinternationaledition，46(39):7477-7480，(2007)、电子的场发射)、针头处的光增强(近场光刻，参见例如srituravanich等人的naturenanotechnology，3.12733-737，(2008))、自针头的材料沉积(蘸笔光刻，参见例如radha等人的acsnano，7.3:2602-2609，(2013))或者针头的局部加热(热化学、热解吸光刻，参见例如pires等人的science,328,732,(2010))实现。通常，扫描探针光刻法逐行扫描表面并且沿着线逐像素地刻写纳米结构。

在很多情况下，创建纳米结构的同一针头能够被用于逐行并且逐像素地成像/读取(例如原子力显微镜(afm)或扫描式隧道显微镜(stm))纳米结构。用于成像/读取具有纳米结构的表面的信息/属性多数情况下是形貌，但也能够是例如摩擦、导热性、导电性、静电势、磁矩、粘附性、弹性模量或是能够通过标准扫描探针显微技术测量的另外的表面属性。

us201126882a1是在图案化纳米结构之前需要如何测量并调整外部参数(在该情况下为衬底的校平)的示例。

与现有技术us201126882a1相比，本发明由图案化过程开始，并且从目标纳米结构的偏差获取信息以调整外部参数。这种闭环光刻原理也可潜在地适用于以更加简洁并且快捷的方式解决专利us201126882a1中所述的多个悬臂的校平问题。

us7060977b1描述了被用于许多扫描探针纳米光刻过程的典型的校准过程。首先制造“纳米级测试图案”。然后通过一些其它手段测量该测试图案，以便为实际的图案化推导相关校准参数。该方法允许“在同一天”执行校准和实际应用。

本发明持续地并且在光刻过程期间为每条线进行纳米结构的测量，并且因此测量通常在10ms到100ms内进行。

us5825670a描述了来自使用扫描探针显微镜对校准样本成像的信息是如何能够被用于减少由于扫描仪运动的非线性所引起的误差的方法。需提及，该校准也能够被用于更好地控制用于扫描探针光刻的定位，其中精准的定位比成像更为重要。

本发明在光刻过程期间成像。每条所成像的线的信息还能够被用于检测与xy位置的偏差，例如通过温漂检测，并且对其校正。

扫描探测显微镜技术已与如在us5327625a中的刻绘法相结合。这里，刻绘工具将纳米结构压印在表面中，并且独立的扫描探针显微镜被用于测量所述印痕。

在本发明中，同一探针被用于刻写和成像。

在扫描隧道显微镜(stm)中，成像速度很大程度上取决于成像过程的反馈回路。之前成像的线能够被用于预测下一条成像的线的形貌，并且因此能够如us4889988a中所描述的那样使反馈回路更快。

本发明使用的事实在于，对每条线而言，表示纳米结构的属性(例如在热扫描探针光刻中的形貌)的成像信息在实际成像过程之前就已经大致已知，这是因为刻写过程的纳米结构的目标属性在各条线处是已知的。因此，成像参数能够被优化以便快速且非破坏性地成像。例如就形貌而言，这能够意味着z位置根据目标刻写形貌移动，使得探针在不具有强烈的潜在破坏力的情况下仍旧接触以测量实际的形貌，这是因为悬臂在表面上施加较弱的力。

技术实现要素：

根据现有技术程序，所刻写的纳米结构的这种成像/读取在完全刻写所述纳米结构之后进行。所以，如果在刻写过程期间调整刻写参数(力、电流、接触时间、温度等)，则这是在反馈回路中通过测量刻写参数而完成的。

因此，本发明的目标在于提供一种改进的纳米光刻刻写方法和设备。

本发明特别地提供对刻写过程的改进的控制，并且特别提供在刻写过程中监视表面和所刻写的纳米结构并且使用该信息来实时改进刻写过程的方法。由此，根据本发明的方法提供闭环反馈。简言之，本发明提供一种替代方法：扫描探针闭环纳米光刻和现场检查系统及方法。

根据本发明的扫描探针纳米光刻系统包括探针，其用于通过在样本上沿着线逐像素地刻写纳米结构而逐行地创建所述纳米结构。所述系统具有被适配为提供将探针在一系列预定位置处定位到所述样本和提供其朝向所述探针的表面的定位系统，优选为xyz定位系统，和被适配为控制定位系统定位探针以通过刻写单元逐像素地刻写所述线的控制单元。刻写/致动机构用于创建纳米结构。传感器单元被适配为检测所刻写的纳米结构的预定属性，并且被连接到控制单元来改变待提供到刻写单元的控制信号以适合基于所测量的预定属性信号刻写后续线。后续应理解为在时间上的下一条线，而不必为相邻的线。

针头在样本的表面之上扫描。针头用于将结构刻写/创建/图案化在样本上/中，并且读取/成像结构和样本表面，并且可选地，还用于监视/读取针头到样本表面的距离。读取过程的信息作为反馈用于刻写过程，例如用于下一条线。因此，与外部或内部影响参数的不受控变动能够影响图案化过程的频率相比，刻写过程以更高的频率被直接控制并被稳定。此方法产生在整个刻写领域内的可靠的并且一致的图案，并且减少刻写之前所需要的校准。本方法还允许在刻写过程期间就将所刻写的纳米结构显示在电脑屏幕上。扫描运动是逐行(x＝行的方向)完成的，其中通常刻写过程在一个方向上并且读取过程在返回方向上。由于读取过程本身(读取像素的大小小于刻写像素的大小)以及后续的刻写线(有限的刻写像素大小)对结构的潜在影响，读取与之前所刻写的行相同的行可能无法提供关于刻写过程的充足的或者正确的信息。因此，跟在刻写线之后的读取线优选不在相同的线位置y处完成，而是在之前的刻写线的位置处或其间完成。所以，在y上的扫描运动能够根据下一条线是刻写线还是读取线而向前进和向后退。

换言之，控制单元被适配为控制定位系统的xy部分以将跟在刻写线之后的读取线定位在以恒定距离平行于之前的刻写线的位置处或在之前的刻写线的位置之间。距离能够为零，于是前一条刻写线被重写；或者距离能够是刻写线之间的距离的倍数；于是在刚刚所读取的线和待刻写的“下一条”线之间存在另外的之前所刻写的线。

控制单元能够被适配为使用来自传感器单元的信号以确定针头与样本表面之间的距离，并且使用从传感器单元所获取的数据改变待提供到定位系统的控制信号，并且因此通过调整z位置运动而控制在光栅扫描区域的所有位置xy处的距离。

所刻写的纳米结构的编程属性和由此的期望属性的信息能够被用于调整z位置运动，将针头定位在用于读取所刻写的纳米结构的最佳高度处。

在从属权利要求中限定了另外的实施例。

附图说明

参照附图，在下面描述本发明的优选实施例，所述附图仅用于说明本发明的优选实施例的目的，而不用于对其限制的目的。在这些附图中：

图1为示出了根据本发明的一个实施例的扫描探针的设置的示意图；和

图2示出了根据本发明的一个实施例的、通过可视化刻写和读取过程进行的闭环光刻过程。

具体实施方式

图1为示出了根据本发明的一个实施例的扫描探针的设置的示意图。这样的设置包括扫描探针光刻系统，并且在电子部件中包括示出了根据本发明的方法的系统的控制元件。

扫描探针光刻系统包括用于将刻写元件(针头31)定位在样本20之上的平面中的定位系统10。在此，定位系统10为xyz定位系统10。这种xyz定位系统10能够包括例如压电级或磁性音圈级。所述级被示出为xy压电2d移位单元11和z压电移位单元12。该z压电移位单元12被定位于直接与用于样本20的xy压电台11相关，在所述样本中产生纳米结构。探针31被设置在例如悬臂30上。悬臂30与压电移位单元12连接，以在表面21之上移位。

应当注意，并非一定要进行z压电移位以刻写结构。在根据本发明的实施例的方法中，用于刻写的移位是通过静电致动机构完成的。z压电被用于将探针校平到正确的位置。

悬臂30还包括刻写/致动机构41以用针头31将纳米结构刻写在表面上或表面中。纳米结构的创建源于在针头31和样本表面21之间的、局部修改样本表面21的相互作用。这样的修改能够是源于机械刻划或研磨、将不同墨水从针头蘸笔沉积到样本、从针头到样本的热流动、针头与样本之间的电流、在针头与样本之间创建弯液面的电场、在针头与样本之间的液体或气体中改变和沉积分子的电场、从针头到样本的电子发射、样本磁矩通过磁性针头的局部翻转、通过所述针头或者任何其他针头的近场效应加强的光相互作用所感应出的样本表面的局部修改。所述相互作用以及由此的修改通过以下方式开始：施加电容力、接通加热电流、接通电子的场发射、接通聚焦于针头的激光、z压电移位、双压电晶片弯曲或接通针头与样本之间的电场。取决于刻写/致动机构41，诸如温度、相互作用的持续时间、电流、电势、针头的位移或光/激光的强度之类的参数能够被控制并且改变，并且因此在尺寸、形状和/或修改程度方面影响所产生的刻写像素。

设置有传感器单元40并且其被适配为对使用针头31刻写的纳米结构的特定属性/信号的读取/成像进行检测。与所刻写的纳米结构相关的属性能够通过任何合适种类的扫描探针显微镜技术(例如基于悬臂30的激光偏转或干涉法或者包括悬臂30内的热传感器或压阻式传感器)来检测。特定属性/信号能够是基于摩擦、导热性、导电性、静电势、磁矩、粘附性、弹性模量或形貌或通常使用扫描探针显微镜技术测量的其他属性的物理属性。

此外，设置有控制器单元50，其通常是作为实时系统工作的计算机。

xyz定位系统10移动样本20和/或针头31。控制器50命令在xyz定位系统10的xy52上的移动和在z53上的移动，并且因此控制针头31相对于样本表面21的位置。xyz定位系统10包括将在xy52上的位置和在z53上的位置的坐标发送到控制器单元50的定位传感器(未示出)。高度信号为示例性的读取信号，在其它实施例中其不必非得是压电信号。传感器单元40通过信息路径51将从针头31与样本表面21的相互作用测量的特定属性/信号发送给控制器单元50。

控制器单元50将用于刻写过程的指令持续地发送到在xy52和z53上进行控制的定位单元10，并且通过信息路径54将指令发送到刻写/致动机构41并且因此发送到刻写针头31(这是根据本领域中的通常且已知的程序而进行的)，并且随后持续地接收xyz系统10的位置以及与读取过程相关的传感器单元40的一个或更多个信号。

这样的扫描探针系统设置被提供用于在全部被认为包含于本发明原理的不同实施例中以不同的方式监视刻写过程。

一种监视刻写过程的方法是在一条或更多条刻写线之后、即在已经刻写了一条或更多条刻写线的预定数量像素之后测量/读取。对每条线或者在几条线之间进行刻写和读取之间的转换提供了关于刻写过程的信息，所述信息能够作为用于刻写参数的反馈信号。在所述线之间的简单转换(扫迹(trace)与回扫(retrace))可能不足以测量最终的刻写结果，这是因为读取像素66的延伸部分通常与刻写像素62具有不同的尺寸，并且如果刻写线之间在y上的距离小于刻写像素62的延伸部分的话，则下一条线的刻写像素可能影响最终的纳米结构。

图2特别在右侧示出了扫描路径60的方案，其克服了前述局限并且真正地仅使用最终的刻写线(所刻写的像素的延伸部分62)的信息作为用于进行中的刻写过程的输入。扫描路径60在y方向上向前进61且向后退65，而不是像在所有常规的扫描探针技术中那样只是向前进。在一个更简单的实施例中，向前的刻写路径61和向后的读取路径包括作为反馈实施的基本方法的、在读取和刻写线之间的简单转换。在另一个实施例中，刻写路径61和读取路径65的方向为同一方向，其中，在读取路径65之后的下一条刻写路径能够包括将如下阐释的在侧部区域23中的转向。

热解吸纳米光刻是示例性的扫描探针纳米光刻技术，其适合于并且已被证明可用于所提出的闭环纳米光刻方案。该技术使用可加热的针头31和响应于热的抗蚀材料，例如聚邻苯二甲酰胺(ppa)。抗蚀剂在其与热针头接触的地方蒸发。刻写/致动机构(在这种情况下为将被加热的针头拉至与样本接触一定时间的静电力)确定针头进入抗蚀剂的深度，并且因此确定图案的深度。力例如根据位图的灰度而改变。因此，位图能够被转化为抗蚀剂中的凹凸，其中，在每个位置处的深度对应于位图的灰度。然而，诸如在z方向上的漂移、扫描平面和样本平面之间的非平行性或者在针头、悬臂30和样本20内的物理和化学变化之类的一些效果影响图案化的力(如通过控制信号54所施加的)和针头31与样本21之间的距离，并且因此影响刻写过程期间的深度。在从0.1μm²到100000μm²的典型大小的刻写过程期间，对所有这些效果完全控制是几乎不可能的。因此，在本实施例中，在刻写过程期间根据所测量的之前的线的形貌调整力和z压电位置。

图2还显示了根据本发明的一个实施例的、用于通过可视化刻写和读取过程而进行热解吸纳米光刻的示例的闭环光刻过程。通过使用可加热的针头31将物理学家richardfeynman的灰度位图写入作为样本20的ppa中。压电马达被用于以光栅扫描的方式在表面21之上在x和y上扫描针头31。图案图像24被写入压电扫描仪运动的中心区域22中，其中，所述运动是线性的，意味着在x上的通常为0.1到10mm/s的扫描速度是恒定的。在周围的转向区域23中，x上的扫描移动转向。针头31处于该区域中的时间(通常为1ms到100ms)并非用于图案化，而是用于在y上的定位(转到下一条线)和用于处理反馈数据。转向区域23是示例的一部分并且并不是本发明不可缺少的部分，这是因为数据处理和在y上的定位也能够在中心区域22内完成，但是，在定位准确度上可能有损失。

用加热针头31刻写是在沿着线61的扫迹(向右、x正)方向上进行的，并且创建刻写像素的延伸部分62。在区域23中的转向63期间，针头31被冷却并且向后(y负方向)移动。在沿着线65的回扫(向左、x负)方向上，冷却针头31被用于通过作为传感器单元40的集成热传感器测量样本表面21的形貌。这被示出于图2的左下部分上的示例性的高度图中(在richardfeynman的眼睛位置处的横截面)，其中高度0是表面位置，并且双箭头75示出了朝向较低虚线的形貌深度幅值(在这种情况下为大约30nm)，其中两条平行的虚线的中间线与平均深度(在这种情况下为大约12nm)相关联。在针头高度71的刻写步骤中，通过使用被加热的针头31和刻写/致动机构41(在这种情况下为图案化的力)刻写图案的编程深度而使样本20结构化。在降低的冷却针头31返回的路径上，所述针头遵循由所刻写的结构预先确定的、作为所测量的/所读取的深度的实线73，并且传感器单元(在这种情况下为集成的热传感器)将形貌信号发送到控制单元(50)。

将所测量的形貌与在这条线(y位置)处的编程/目标深度作对比。检测与目标的偏差。这能够为每个x位置(对应于所施加的图案化的力)执行或者能够计算全局偏差、比如平均深度的偏差(以调整平均刻写力)和/或深度幅值75的偏差(以调整力值范围)。在下一个转向区域中，针头向前(y正方向)移动到下一条刻写线。哪一条刻写线61是下一条刻写线能够取决于所测量的偏差(例如，线能够被重复)。对于该下一条刻写线61而言，图案化的力根据所测量的偏差被调整。在该实施例中，如果深度太浅，则图案化的力相应地增大以便达到目标深度。因此，对于整个纳米结构24而言，图案化深度73以非同一般的精度与目标深度74相匹配。

刻写和读取像素62和66都具有有限的延伸部分(通常为0.1nm到100nm，取决于针头的尺寸和与样本表面21相互作用的种类)。重要的是，读取发生在刻写已经“完成”的区域中，这意味着无法达到能够在该y位置处仍影响纳米结构的、还未刻写的线。因此在读取之前的后退步应当足够大，使得确保后来的刻写线的延伸部分不与这条读取线的延伸部分相交。读取线66不必非得读取之前所刻写的线61(在本实施例中测量其深度)，而是读取在一个或更多个步骤之前已经刻写的线。如果应监视特定的刚刚所刻写的线，那么如在图2的实施例中所示的，在读取之前的后退步则应当小于刻写像素的延伸部分62的一半与读取像素的延伸部分66的一半之和。这里，每个读取像素66都小于相邻的刻写像素62。然而，在刻写线61和读取线65之间的平行距离是足够小的，使得这样的圆圈相交。

传感器40也能够被用于获取另外的信息，所述信息用于反馈控制除了读取所刻写的图案以外的刻写过程，并且用于将所述图案与上述目标图案作比较。如果传感器40能够测量针头31与样本表面21之间的距离，比如利用热高度传感器能够实现的，则关于距离的这种信息就能够作为另外的反馈输入用于刻写过程。为了这种反馈，在图2的实施例中，在线性的扫描仪运动的区域22中留下了围绕图像图案24的框。

该读取框用于确定在写入高度71处，表面72和针头31之间的距离81。在该示例中，针头31被冷却并且读取传感器40在所述框内被启动。在读取线65的框中，针头与表面相接触，并且由此测量表面位置72。在刻写线61中，针头在相应的写入高度71处没有接触，并且因此确定了相应的刻写距离81。这能够在刻写区域24的左侧和右侧上并且对每条线进行，这意味着为所有的y位置进行。因此，如果例如样本平面并非正好平行于扫描平面(几乎总是这种情况)或者如果在所述过程期间发生在z上的漂移，那么这可以通过所测量的距离81在x或y方向上的偏差而被检测。这样的偏差因此能够被补偿以改进对刻写过程的控制。在本实施例中，使用z压电级12已经校正了偏差，使得刻写距离81在整个刻写过程期间保持恒定并且因此实现更加精确地控制在整个刻写区域24之上的图案化的力。

目标深度和所测量的深度还能够作为前馈输入以为每条线确定在z上的理想的读取位置。如果针头31的读取z位置被选择的不够深，则针头31可能会脱离与样本21的接触，并且因此不再读取样本的形貌。另一方面，对于浅结构来说，如果针头31的读取z位置被选择的太深，那么针头31和样本21可能由于针头31和样本21之间的增大压力而被损伤。在本示例中，在读取过程期间使用了z压电以将针头31移动到编程的深度幅值75，所述幅值是所期望的最大幅值。这防止针头31失去与表面的接触以及因此不充分的读取，并且使针头31和样本21由于读取过程带来的退化最小化。

图2在左边示出了所刻写的并且成像的richardfeynman的纳米凹凸。围绕图像24的方格22图示了具有和不具有转向区域23的xy定位系统10的扫描区域。在图像下面的图70示出了穿过形貌图像的一条示例性线的横截面。虚线74是图案的编程深度，而实线73是所测量的/所读取的深度。图示了诸如平均深度或者深度幅值之类的反馈参数。在刻写和读取之间的z移动12(压电行程80)也被图示在图像中。在右边部分上，扫描路径被图示为具有部分61、63、65和从运动的意义上说的最终的部分64的实线。圆圈62和66图示了刻写和读取像素的延伸部分(刻写和读取的相互作用的空间)；在此的像素的大小能够与结合图2中的实施例描述的值完全不同。应当注意，可以的但不是优选的，所刻写的线的读取在与刻写方向相同的方向上进行，然后在针头31冷却之后返回到线的起始点，并且到下一条读取线的转换要么发生在读取结束时，要么发生在当针头31在刻写然后读取的线的起始处再次移位时。

图2中的示例使用抗蚀材料通过加热针头的热致蒸发，并且使用静电力作为刻写/致动机构41，并且使用集成在悬臂30中的热传感器元件作为传感器单元40以使用同一针头读取作为所刻写的纳米结构的特殊属性的形貌。

使用同一针头用于刻写和读取的许多不同的刻写和读取过程的许多组合将会是适合于本发明的：例如，szoszkiewicz等人(在nanoletters，7(4)：1064-1069，2007中)通过使用加热针头进行局部化学改性，在疏水聚合物上刻写亲水性纳米结构，以及在刻写过程之后通过使用侧向力显微镜测量样本表面上的摩擦力从而对所刻写的纳米结构成像。通过局部阳极氧化所刻写的纳米结构，如例如由martinez等人(在nanotechnology，21(24)：245301，2010中)所完成的那样，能够通过使用开尔文探针显微镜读取形貌或者电势而成像。蘸笔光刻术是广泛流传的纳米光刻技术，并且通常通过将覆有墨水的针头引至与样本表面相接触，并且由此将墨水沉积在样本的表面上而刻写纳米结构。nelson等人(在appliedphysicsletters，88:033104，2006中)示出了能够用热蘸笔光刻术刻写金属油墨，并且在刻写纳米结构之后用同一针头对所刻写的结构成像。因此，使用同一针头读取所刻写的墨水纳米结构是可能的，这是因为能够避免墨水在读取过程期间被再次沉积。

附图标记列表

10xyz定位系统54刻写信号

11xy移位单元60扫描路径

12z移位单元61刻写路径

20样本62刻写像素延伸部分

21待纳米结构化的表面63转向部分

22中心区域64移动到下一条线部分

23边缘区域/转向区域65读取路径

24图案图像66读取像素的延伸部分

30悬臂67刻写方向

31针头71刻写高度

40传感器单元72读取高度

41刻写/致动机构73所测量的深度(实线)

50控制器单元74编程深度(虚线)

51读取信号75深度幅值

52xy运动的控制80z压电行程

53z运动的控制81刻写距离