形成模板的衬底以及检测方法与流程

技术领域

本发明涉及一种用于形成具有包含拓扑图案的表面的模板的衬底，该衬底供制造电子器件、光学部件、存储部件、生物电子部件等的工艺中使用，以及一种检测该衬底的方法。

背景技术：

在电子器件、光学部件、存储部件、生物电子部件等部件的制造中，不仅要求较高的性能和进一步的小型化，同时还要求降低制造成本。在这种情况下，纳米压印光刻(NIL)变得突出，由于其相对于传统的光刻工艺，能够降低微图案化的成本。在NIL工艺中，通过机械方式形成拓扑图案。具体地，将在表面上具有预期拓扑图案的模板压入到接受衬底上给定厚度的树脂层中，由此将模板上的拓扑图案转移到树脂层。将已通过压制而转移拓扑图案的树脂层固化，由此将保留树脂层的形状。固化可以通过UV固化和热固化模式实施。在任一模式中，重要的是，将模板和接受衬底压制到一起同时保持模板和接受衬底之间的平行性以及在接触平面内提供均匀的压力。

引证列表：

专利文献1：JP-A 2002-318450(USP 6869732，EP1253117A1)

技术实现要素：

用于NIL工艺中的形成模板的衬底具有不同的外部形状，包括65mm正方形或152mm正方形的矩形形状，以及直径为50mm、100mm、150mm或200mm的圆形形状，根据预期的应用进行选择。另一方面，形成模板的衬底的一个区域经常具有比外部形状小的面积(典型小于4,000mm²)，并且通常位于形成模板的衬底的中心周围，该区域起到主要的模板的作用，并且要在其上形成拓扑或凸出/凹陷图案。一般而言，具有这样的趋势：要转移的图案的特征尺寸越细，形成图案的区域变得越窄。

原因是，随着图案特征尺寸变细，模板和接受衬底的平行性和压力均匀性的所需精度变得越高；并且如果形成图案的区域越窄，就越能够增加这些精度。另一方面，模板的外形大于形成图案的区域的趋势是因为制造NIL模板的工艺。NIL模板制造工艺通常包括：通过溅射沉积金属膜的步骤，使用EB描绘装置(writer)转移所需的纳米结构图案到金属膜的光刻步骤；干法蚀刻图案化的金属膜和接受衬底表面的步骤。从经济和可行性方面出发，这些步骤通常以共享方式利用这些用于传统光刻技术中的设备。因此，安装在这些设备上的形成模板的衬底的尺寸必然对应于用于传统光刻技术中的衬底尺寸，导致了这样的趋势：NIL模板的外部形状的尺寸大于形成图案的区域的尺寸。

近年来，光(UV)纳米压印光刻遇到了不断增长的需求，以提供具有更细尺寸图案或更复杂图案的模板用于转移。由这样的要求以及上面提到的原因，形成模板的衬底的平坦度，尤其是起到主要模板作用和要在其上形成图案的区域的平坦度是关键的。随着待转移的图案为更细尺寸和更复杂，出现了这样的较强可能性：在模板制造期间的图案和转移步骤期间的图案之间可能发生失准，导致图案错误，除非表面是完全平坦的。

本发明的一个目的是提供形成模板的衬底，其能够在接触平面内在均匀压力下将模板和接受衬底压制到一起，同时维持模板和接受衬底之间的平行性。

本发明人发现，该未解决的问题可以通过圆形的形成模板的衬底解决，该衬底的厚度在要形成拓扑图案的中心区域具有最小变化，该变化定义为最大厚度和最小厚度之间的差距。

在一方面，本发明提供了一种圆形的形成模板的衬底，该衬底具有要在其上形成拓扑图案的表面，并且具有125mm至300mm的直径以及一定厚度，其中在直径为至多125mm的圆内，衬底的厚度具有至多为2μm的变化。

在优选实施方案中，在整个表面上，衬底具有至多10μm的厚度变化。

假使该衬底在直径为至多125mm的圆内在最厚的点t处具有厚度T，在中心c处具有厚度C，在线t-c与具有125mm直径的圆的远离t的圆周之间的交叉点e处具有厚度E，那么这些衬底厚度优选满足关系：T≥C≥E。在更优选的实施例中，在直径为至多125mm的圆内的衬底厚度T和E满足关系0.6μm≥T-E≥0.3μm。

该衬底通常为石英玻璃衬底，更典型为具有用于形成转移图案的金属薄膜或抗蚀膜的石英玻璃衬底。

在优选实施方案中，在直径为至多125mm的圆内的衬底表面上存在具有至多0.5μm尺寸的缺陷。

通常，该衬底用于纳米压印光刻。

在另一方面，本发明提供了一种用于检测形成模板的衬底的方法，包括检查衬底是否符合前面定义的要求用以由此判断衬底合格或不合格。

本发明有益效果

使用具有要在其上形成拓扑图案的表面的圆形的形成模板的衬底，防止了在形成模板的衬底上形成图案的步骤和转移步骤之间出现图案失准或图案错误，其中衬底的厚度在直径为至多125mm的圆内的变化小于或等于2μm。转移细尺寸和/或复杂图案成为可能。

附图概述

图1示意性地说明了在本发明一个实施方案中的形成模板的衬底，图1A为平面图，图1B为侧面图。

图2A、2B和2C是具有不同厚度变化的形成模板的衬底的横截面图；图2A和2B说明了根据本发明满足关系T≥C≥E的衬底的外形；图2C说明了本发明优选实施方案之外的满足关系T>E>C的衬底的外形。

本发明的详细描述

本发明的一个实施方案是圆形的形成模板的衬底，该衬底具有要在其上形成拓扑图案的表面，并具有125mm至300mm的直径以及一定厚度，其中在直径为至多125mm的圆中，衬底的厚度具有小于或等于2μm的变化。该衬底尤其适合于形成用于纳米压印光刻的模板。

图1说明了根据本发明的一个实施方案的形成模板的衬底。如平面图1A所示，该衬底为圆形形状，并且如侧面图1B所示，具有上表面2、下表面3和侧表面4。通常，由上表面2或下表面3与侧表面4确定的棱角5是倒棱的。可以将金属薄膜或抗蚀膜预先沉积在形成模板的衬底的一个表面(2或3)上，尽管没有示出。要注意，圆形衬底1具有上表面2和下表面3之间的厚度以及中心。

在该实施方案中，形成模板的衬底厚度在直径为至多125mm的圆内具有小于或等于2μm，优选小于或等于1μm，更优选小于或等于0.6μm的变化。这里使用的术语“圆”是指关于衬底中心的圆。如果厚度变化或平坦度超过2μm，图案位置的失准或图案错误可出现在形成模板的衬底上形成图案的步骤和将图案转移到模板的步骤之间。例如，在将模板压到接受衬底上的给定厚度的树脂层的转移步骤中，这体现为使模板与接受衬底之间的平行性变差和接触平面内的压力不均匀性。结果，在移除模板之后留下的树脂层厚度不均匀。即使在随后步骤例如干法刻蚀和金属膜移除之后，整个工艺都不能形成所需的图案。尽管形成模板的衬底的厚度变化的下限并不重要，但是在直径为至多125mm的圆内，低较的变化值导致较低的厚度变化值。形成模板的衬底的厚度通常在0.1至30mm的范围，并且优选0.5至10mm的范围内。将规定厚度变化范围的区域定义为直径为至多125mm的圆形，因为从整个工艺的准确性和效率角度来说，对于要形成图案的形成NIL模板的衬底的面积是尺寸为约125mm以下的区域。可通过在多个点使用探针型厚度测量仪测量衬底的厚度来确定厚度变化或平坦度，而更精确的测量设备可以由光学干涉仪或激光位移传感器制成。这里所指的厚度是使用具有光学干涉系统的平坦度测试仪(Nidek有限公司的FT90)的测量值。

为了方便处理，形成模板的衬底的直径经常为至多300mm，优选125mm至200mm。如果衬底的厚度在整体上具有显著的变化，那么在直径为至多125mm的圆内难以减小厚度的变化。甚至在形成图案的区域以外的衬底区域，衬底厚度的显著变化也可影响转移的精度。因为这个原因，在整个衬底表面的厚度变化应优选为至多10μm，更优选为至多5μm。尽管下限不重要，但是变化值优选地尽可能的低。严格意义上，其中规定了在整个表面上的衬底厚度的变化的范围是其中可基本精确测量的范围，也就是说，排除了从圆周向内延伸3mm的外部环形区域的圆形区域。因为从圆周向内延伸3mm的环形区域位于倒棱的棱角附近，所以该区域的厚度可能不会被探针型厚度测量仪准确地测量，该厚度测量仪需要可能部分地覆盖倒棱的棱角的宽的测量区域。甚至在光学干涉仪或激光位移传感器的情况下，从圆周向内延伸3mm的外部环形区域(其位于边缘或倒棱的棱角的附近)的测量可能由于散射光的影响而不那么准确。

如图2A和2B所示，在直径为至多125mm的圆内，衬底在最厚的点t处具有厚度T，在中心c处具有厚度C，在线t-c(即连接点t与c的线)与具有125mm直径的圆的远离t的圆周之间的交叉点e处具有厚度E。在优选实施方案中，这些衬底厚度优选满足关系：T≥C≥E。在这些附图中，虚线6穿过具有125mm直径的圆的圆周，虚线7穿过衬底(以及具有125mm的直径的圆)的中心c。

模板图案转移步骤存在这样的问题：因为要转移的图案具有细的尺寸，所以在图案特征之间可能引入气泡，最终在转移图案中导致缺陷。通过对设备调整使得转移步骤可以在接近真空的气氛中进行可以避免这个问题。因为气氛不是完全真空，所以气泡引起的缺陷就不能被完全消除。如果将形成模板的衬底成形(profiled)为使得衬底厚度可满足关系：T≥C≥E，那么可以减轻在转移步骤中由气泡形成缺陷。当衬底厚度满足关系：T≥C≥E时，模板表面上首先与接受衬底上的树脂层接触的位置是具有最大厚度T的点，并且模板表面上最后与接受衬底上的树脂层接触的位置是具有厚度E的点。由于具有厚度E的点在形成图案的区域的边界处，树脂层中的气泡或外来颗粒(如果有的话)将逃逸形成图案的区域，不会影响所转移的图案。另一方面，如果将形成模板的衬底配置为衬底厚度可满足关系：T>E>C的外形，如图2C所示，那么模板表面上最后与接受衬底上的树脂层接触的位置是具有厚度C的点。在这种情况下，树脂层中的气泡或外来颗粒(如果有的话)将聚集于形成图案的区域的中心附近，对转移图案引起缺陷。

在配置为满足关系：T≥C≥E的衬底中，期望厚度T和E之间的特定差值对于防止图案上的缺陷形成有效，因为气泡或外来颗粒更容易逃逸。特别地，将衬底配置为满足如下关系：在优选实施方案中，0.6μm≥T-E≥0.3μm，以及在更优选实施方案中，0.4μm≥T-E≥0.3μm。如果差值大于0.6μm，这表明大于0.6μm的厚度变化，那么在要形成于形成模板的衬底上的图案和转移时的图案之间可发生失准，导致图案错误。如果差值小于0.3μm，该衬底厚度差值不足以让气泡或外来颗粒逃逸出去，并且气泡或外来颗粒将会聚集于形成图案的区域的中心，可能在转移图案中形成缺陷，尽管满足关系T≥C≥E。

在一个优选实施方案中，形成模板的衬底是石英玻璃衬底。由于其UV透射，石英玻璃衬底经常用在纳米压印技术中，该纳米压印技术利用UV来固化树脂层。尽管利用热来固化树脂层的NIL技术也是公知的，但该技术对热膨胀是敏感的。因此，声称利用UV的NIL技术适合于转移较细尺寸的图案。由于石英玻璃也对可见光谱透明，因此其具有在转移步骤中容易对准的另一优点。除了石英玻璃，用于NIL技术的适于形成模板的衬底的材料还包括：硅，氧化硅膜，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，镍(Ni)，蓝宝石以及它们的混合材料。

形成模板的衬底可以在其上具有金属薄膜或抗蚀膜以形成转移图案。优选地，在使用EB描绘工具在形成模板的衬底上形成图案之前，将金属薄膜或抗蚀膜沉积在形成模板的衬底上。可通过任何标准方法将金属薄膜或抗蚀膜沉积到5nm至5μm的厚度。当测量已在其上形成膜的衬底厚度时，在具有至多125mm的直径的圆内，优选厚度变化小于或等于2μm。

当形成模板的衬底可能具有一些表面缺陷时，在直径为至多125mm的圆内，这些表面缺陷应优选具有至多0.5μm，更优选至多0.25μm，甚至更优选至多0.1μm的尺寸。理由是：因为在形成模板的衬底的表面上形成具有亚微米级到纳米级的特征尺寸的图案，在形成模板的衬底的表面上的缺陷(如果有的话)能够被转移到接受衬底，并且以相同的尺寸。要注意，表面缺陷的尺寸通过原子力显微镜(AFM)测量。

本发明的形成模板的衬底可以通过抛光衬底的上表面和下表面获得，使得在直径为至多125mm的圆内，衬底的厚度可具有至多2μm的变化。抛光可以通过如下方式来实现：由双面抛光机对上下表面同时抛光，或者通过单面抛光机对每一表面抛光，同时供给包含磨料的抛光浆料。单面抛光机使用一个抛光板，该抛光板可大于或者小于形成模板的衬底。在合成石英玻璃衬底的情况下，其可以通过根据标准程序切割合成石英玻璃原料和研磨来准备。

抛光步骤通常包括初级或粗抛光步骤和最终或精抛光步骤。为了配置形成模板的衬底的表面外形从而具有所需范围内的厚度变化，在精抛光步骤之前的粗抛光步骤是重要的。例如，通过双面抛光机同时抛光衬底的上下表面进行粗抛光步骤。此时，上下抛光板中应当优选具有较高平坦度，所述抛光板各自具有附于其上的抛光垫。抛光垫可以由硬质的聚氨酯泡沫塑料等制成。为了使抛光垫总是在其表面上维持高平坦度，每几个批次进行丸粒精整(dressing)是有效的。丸粒精整可优选通过如下方式进行：使用精整载体例如负载有金刚石丸粒的精整载体，供给水流和磨粒，并且施加平衡压力载荷到30gf/cm²。特别地，使用为适应所选的抛光机齿轮而设计的精整载体，为平坦度而精整抛光垫表面持续几分钟至几十分钟，以与常规抛光相同的方式进行。

通常用于粗抛光步骤的硬质聚氨酯泡沫塑料的抛光垫优选具有沟槽，使得抛光浆料可以散布到整个衬底上。用抛光浆料完全覆盖整个衬底使平面内的抛光不均匀性最小化，导致衬底具有最小的厚度变化。抛光垫上的沟槽形状可以是具有多个平行间隔的线条或沟槽的条纹阵列。

用于粗抛光的抛光浆料可以包含氧化硅，氧化铈、刚铝石、白刚玉、FO(Fujimi有限公司的氧化铝基磨料)、氧化锆、SiC、金刚石、氧化钛、氧化锗等的磨粒。这些磨粒优选具有0.1至10μm，更优选为0.5至3μm的颗粒尺寸。浆料可以是这些磨粒的水浆料。

当最终精抛光旨在配置衬底的外形使得衬底厚度T、C和E满足关系：T≥C≥E，其中T、C和E如上面所定义，在最终精抛光期间的表面外形控制是重要的。衬底表面外形可以以其它方式控制，例如通过控制载体旋转与盘旋转的比率，或者控制用于接收工件的抛光载体中的孔位置(即载体中心和孔中心之间的偏移)。为了有效的外形控制，优选在研磨和粗抛光结束时确认厚度的变化或外形。可以通过使用光学干涉仪或激光位移传感器的测量进行确认，其中优选光学干涉仪。

优选在粗抛光步骤之后的衬底外形使得最终精抛光之后的衬底可以具有规定范围内的厚度变化并且满足厚度关系：T≥C≥E。具体地，在粗抛光步骤结束时，具有C≥E的C和E的关系的衬底在直径为至多125mm的圆内具有优选至多为1.5μm，更优选0至1.0μm的厚度变化。如果厚度变化超过该范围，由于最终抛光步骤的如下趋势：在边缘处的材料移除量大于衬底中心处，因此有时在直径为至多125mm的圆内厚度变化可能不落在2μm内。如果厚度E和C大致相等，也就是说，厚度E和C的差值大约为0.1μm，或如果E>C，那么优选在直径为至多125mm的圆内的厚度变化等于或小于2μm，更优选0至1.5μm。如果厚度变化太大，由于最终抛光步骤的如下趋势：在边缘处的材料移除量大于在衬底中心处，因此主要厚度变化在最终抛光后保持基本不变或显著减小。然后，在粗抛光步骤后的衬底外形具有相比C>E的情况大的容许的厚度变化值。但是，如果太大，在最终抛光步骤之后，在直径为至多125mm的圆内，厚度变化有时可能不落入2μm内。如之前顺便提到的，由于最终抛光步骤具有在边缘处的材料移除量大于衬底中心处的材料移除量的趋势，在粗抛光结束时厚度C和E大致相等或E>C对于在最终抛光步骤之后减小厚度变化是有利的。

在粗抛光步骤之后的最终精抛光步骤使用抛光垫，可根据所需表面品质选择该抛光垫，例如从绒面革、浸渍聚氨酯的无纺织物、柔性聚氨酯泡沫塑料等选择。如果抛光浆料没有均匀分布在整个表面上，或者如果所磨蚀的碎屑被捕获在抛光垫中而没有快速移出，那么抛光速率在衬底内变得不均匀，导致显著的厚度变化。这可通过提供在其整个表面上具有沟槽的抛光垫得到避免。沟槽有助于均匀输送抛光浆料，抛光浆料在整个衬底上均匀散布，并且碎屑可以通过沟槽快速移出。然后，可以控制抛光速度以改善厚度变化。沟槽的形状可以是条纹的阵列。

精抛光浆料可以包括氧化硅，氧化铈、刚铝石、白刚玉(WA)、FO(Fujimi有限公司的氧化铝基磨料)、氧化锆、SiC、金刚石、氧化钛、氧化锗等的磨粒。这些磨粒可优选具有5至1,000nm的颗粒尺寸，更优选为10至150nm。优选的浆料可以是这些磨粒的水浆料。

如果即使在最终抛光步骤之后衬底厚度变化也不落入所需的范围，或者如果对于要形成的非常细尺寸的图案需要极低的厚度变化，通过实施能够局部地蚀刻掉额外的厚度部分用于平坦化的等离子蚀刻技术，或者利用小型的抛光工具用于局部抛光的抛光技术可进一步使厚度变化减小。这样的局部抛光技术公开在例如JP-A 2002-318450中。

本发明的另一个实施方案是一种通过检测衬底是否满足上面提及的要求以由此来判断衬底合格或不合格来检测形成模板的衬底的方法。具体地，通过光学干涉系统的平坦度测试器测量衬底的厚度，由此确定厚度的变化，以及当该变化落入范围内或者范围外时，判断衬底是否合格。

实施例

在下面通过说明而不是限定的方式给出本发明的实施例。

实施例1

切割并研磨合成石英玻璃原料，获得直径为约6英寸而厚度为1.0mm，且具有研磨玻璃表面的中间晶片。使用硬质聚氨酯泡沫塑料垫结合具有相对粗的颗粒尺寸(平均颗粒尺寸1.4μm，商品名SHOROX，Showa Denko K.K.)的氧化铈磨粒对中间晶片进行粗抛光步骤。使用双面抛光机进行粗抛光。通过在硬质聚氨酯泡沫塑料垫表面中形成沟槽(沟槽间距3cm，沟槽宽2mm)，以及在预定量的批次之后，对该垫进行金刚石丸粒精整来控制抛光垫的表面，使得晶片可具有所需的外形和厚度变化。

作为粗抛光的结果，完成了所需设计的晶片衬底，其具有约0.5mm的厚度以及整体上凸起的外形。使用光学干涉系统的平坦度测试器(Nidek有限公司的FT90)测量晶片衬底的厚度。现在规定在具有125mm的直径的圆内，衬底在最厚的点t处具有厚度T，在中心c处具有厚度C，且在线t-c与具有125mm直径的圆的远离t的圆周之间的交叉点e处具有厚度E。晶片衬底在粗抛光结束时具有满足C>E的厚度C和E，并且在具有125mm的直径的圆内厚度变化[(最大衬底厚度)-(最小衬底厚度)]为0.3μm。

然后对衬底进行精抛光至平坦的镜面光洁度。通过如下方式进行抛光：使用双面抛光机，对其安装具有间距为3cm的沟槽阵列的绒面革抛光垫，并且供给抛光浆料，该抛光浆料包括氧化铈基的磨粒(平均颗粒尺寸0.8μm，MirekR○，Mitsui Mining&Smelting有限公司)。在抛光结束时，在确定其厚度变化之前，小心清洁并干燥衬底。使用光学干涉系统的平坦度测试器(Nidek有限公司的FT90)测量在直径为125mm的圆内的衬底厚度，发现非常小的厚度变化值，[(最大衬底厚度)-(最小衬底厚度)]为0.6μm。在整个表面上的厚度变化为2.1μm。衬底具有整体上凸起的外形，在中心处具有最大厚度。在检查厚度T、C和E的关系时，得到T-E＝0.6μm，并且满足关系T≥C≥E，在此基础上判断衬底通过测试。在具有125mm直径的中心区域发现尺寸为至多0.25μm的表面缺陷。

实施例2

通过与实施例1相同的工序，制备并加工起始衬底直到粗抛光。在粗抛光结束时，衬底具有满足C>E的厚度C和E，并且在直径为125mm的圆内厚度变化为1.2μm。然后如实施例1那样对衬底精抛光。使用小型的抛光工具，对凸起外形的中心部分进行局部抛光，以降低中心部分的厚度。

测量衬底的厚度，在直径为125mm的圆中，发现0.3μm的非常小的厚度变化。在整个表面上的厚度变化为1.8μm。衬底具有通常的梯形外形，在中心附近具有基本上恒定的厚度，其大于圆周处的厚度。在检查厚度T、C和E的关系时，得到T-E＝0.3μm，并且满足关系T≥C≥E，在此基础上判断衬底通过测试。在具有125mm直径的中心区域发现尺寸为至多0.25μm的表面缺陷。

实施例3

通过与实施例1相同的工序，制备并加工起始衬底直到粗抛光。在粗抛光结束时，衬底具有满足C>E的厚度C和E，并且在直径为125mm的圆内，厚度变化为1.2μm。然后如实施例1那样对衬底进行精抛光，但不同的是，使用已经使用了几十个抛光批次的绒面革抛光垫和氧化铈基磨粒。

测量衬底的厚度。尽管在整个表面上的厚度变化具有12.5μm的勉强合格的值，但在直径为125mm的圆内的厚度变化具有1.8μm的相对好的值。在检查厚度T、C和E的关系时，它们满足关系T≥C≥E，在此基础上判断衬底通过测试。

比较例1

对合成石英玻璃原料进行切割、研磨并粗抛光。注意，粗抛光步骤使用硬质聚氨酯泡沫塑料的抛光垫，其已经使用了几十个抛光批次，而不用金刚石丸粒进行中间精整，并且在其表面上具有不良的平坦度，具体为50μm的平坦度。晶片衬底在粗抛光结束时具有满足E>C的厚度C和E，在具有125mm的直径的圆内厚度变化为6.3μm。

然后，将衬底进行精抛光到平坦的镜面光洁度。通过如下方式进行抛光：使用双面抛光机，对其安装具有间距为3cm的沟槽阵列的绒面革抛光垫，并且供给抛光浆料，该抛光浆料包含氧化铈基的磨粒(平均颗粒尺寸0.8μm，，Mitsui Mining&Smelting有限公司)

在抛光结束时，在确定其厚度变化之前，小心清洁并干燥衬底。使用光学干涉系统的平坦度测试器(Nidek有限公司的FT90)测量衬底厚度。在具有125mm的直径的圆内，衬底具有8.7μm的厚度变化[(最大衬底厚度)-(最小衬底厚度)]，并且在整个表面上的厚度变化为24.2μm。判断该衬底未通过测试。