专利名称：构图用于纳米压印图案化磁记录盘的母盘的系统和方法
技术领域：
本发明总地涉及图案化介质磁记录盘，其中每个数据位存储于盘上磁隔离的数据岛中，更特别地，涉及构图母盘的系统和方法，所述母盘用于纳米压印(nanoimprint)所述图案化介质盘。
背景技术：
已经提出具有图案化磁记录介质的磁记录硬盘驱动器以增大数据密度。在图案化介质中，盘上的磁记录层被构图为以同心数据道形式布置的小的隔离数据岛。为了产生图案化数据岛的所需磁隔离，所述岛之间的间隔的磁矩必须被破坏或显著减小从而使这些间隔表现为基本上是非磁的。在一类图案化介质中，如U.S.6440520所述，数据岛是升高的区域或柱，其延伸得高于所述间隔，磁材料覆盖所述岛和所述间隔，但是所述间隔离读/写头足够远从而不会对读和写产生负面影响，因此所述间隔可以被视为基本非磁的。图案化介质盘还具有无数据区域，其用于读/写头定位和数据同步。所述无数据区域是跨多个数据道径向延伸且被非磁间隔分隔开的无数据岛。图案化介质盘可以是纵向磁记录盘，其中磁化方向平行于记录层的平面或者在所述平面内，或者是垂直磁记录盘，其中磁化方向垂直于所述记录层或者离开所述平面。
制造图案化介质盘的一种已提出的方法是用具有表面形貌图案的母盘或“压模(stamper)”来压印。在该方法中，其表面具有聚合物膜的磁记录盘衬底被压在所述母盘上。所述聚合物膜接收所述母盘图案的图像且然后变成用于随后的盘衬底蚀刻的掩模。然后磁记录盘所需的磁层和其它层沉积到被蚀刻的盘衬底上从而形成图案化介质。
主要挑战在于用于纳米压印的母盘的构图。为了获得具有大于约300Gbit/in2的面数据密度的图案化介质盘，在顺道(downtrack)方向上图案周期一般小于约50nm，数据岛的直径小于约30nm。这些要求超出了常规光学光刻的能力，且将电子束(e束)光刻就最小特征尺寸和图案写时间两方面而言推进到其能力的极限。
需要一种不依赖于常规光学光刻或e束光刻而构图具有所需特征尺寸的母盘的系统和方法。
发明内容
一种构图将用于纳米压印磁记录盘的母盘的系统和方法，使用气垫滑块，其支承孔结构在旋转母盘衬底上抗蚀剂层的光学近场内。液态润滑剂和/或保护膜，例如碳膜，可以在抗蚀剂层上从而改善支承该孔结构的滑块的飞行能力。
引导到所述孔的输入面的激光脉冲被输出到所述抗蚀剂层。所述孔结构包括反射所述激光辐射的金属膜，所述孔形成在其中。所述孔具有比入射激光辐射的波长小的尺寸且通过气垫滑块维持在所述抗蚀剂附近且在辐射波长内。围绕该孔的该反射金属膜可具有周期性波纹或脊，当所述入射激光辐射与在波纹膜表面处的表面等离子体激元谐振时其导致增强的穿过孔的辐射透射。该孔可具有特定形状，例如“C”、“E”、“H”或“蝴蝶结”形状，这导致所述表面等离子体激元谐振激励从而增强所述辐照透射。
所述抗蚀剂层可以是热抗蚀剂层，例如铋/铟(Bi/In)金属双层，当通过曝光到激光辐照被加热时改变其化学蚀刻属性。所述曝光区域对氢氯酸混合物(HCl∶H2O2∶H2O，1∶1∶48)和硝酸混合物具有耐受性，而未曝光区域在相同的酸溶液中被去除。控制激光脉冲的定时(timing)从而在抗蚀剂层中形成曝光区域的图案，此图案最终导致记录盘中所需的数据岛和非数据岛的图案，当它们被母盘纳米压印时。在曝光抗蚀剂层从而形成图案之后，抗蚀剂层和母盘衬底可以被蚀刻，例如通过特定的化学药品或通过反应离子蚀刻(RIE)，现在耐蚀刻的曝光区域充当掩模。蚀刻进行到母盘衬底中，使得留下的抗蚀剂被去除之后，母盘衬底具有所需图案且可以用作纳米压印的压模。
为了全面理解本发明的实质和优点，应当参照下面结合附图的详细描述。
图1是构图将用于纳米压印图案化磁记录盘的母盘的系统的示意图；图2是部分母盘和气垫载具上孔结构的放大剖视图；图3是从母盘观察时孔结构的输出面的示图，示出具有围绕所述孔的周期表面波纹的金属膜；图4A示出C形孔；图4B示出H形孔；图4C示出蝴蝶结形孔；图5A示出带特征尺寸d的C形孔；图5B示出具有与图5A的C形孔相同的面积的方形孔；图5C示出具有与图5A的C形孔相同的面积的矩形孔；图5D示出具有一尺寸的方形孔，该尺寸计算来提供与图5A的C形孔相同的近场斑点大小；图6示出位于载具的体中的开口内的孔结构，其中该孔结构是固态浸没透镜(SIL)；图7示出包括在透辐射材料形成的载具内的孔结构，其中该孔结构是超半球SIL。
具体实施例方式
图1是用于构图母盘的系统的示意图，所述母盘将用于纳米压印图案化磁记录盘。具有光致抗蚀剂层11的母盘10被支承在绕轴21旋转的主轴马达(spindle motor)20上。主轴马达20可以是商业可得的气垫主轴马达，具有非常低的不可重复振摆(runout)，例如在1000RPM小于约1nm，其具有提供精确的角定位信息的细线旋转编码器22。载具30具有面对母盘并且以非常接近的距离例如约10至20nm将载具30支承于母盘20之上的气垫面(ABS)31。载具30支承孔(aperture)结构50，孔结构50输出辐射到抗蚀剂层11。载具30连接到载具支承架40，载具支承架40包括刚性臂41和悬臂，悬臂包括负载梁42和挠曲件43。悬臂是常规悬臂，就像磁记录盘驱动器中所使用的，其中挠曲件43允许载具30在通过ABS 31被支承于旋转母盘10之上的同时可以“俯仰(pitch)”和“横转(roll)”。
载具30和母盘1可以沿与轴21垂直的径向方向彼此相对移动，如箭头44所示。在图1中，这通过使主轴马达20固定且使载具支承架40是径向定位器或致动器来实现，所述致动器或者为线性致动器，其沿完全径线方向移动载具30，或者为旋转致动器，例如旋转音圈马达(VCM)致动器，其沿基本上径向或弓形路径旋转载具30。所述致动器具有闭环绝对位置控制(利用高分辨率径向位置编码器45)从而将载具30定位在母盘10上期望半径处。供选地，载具支承架40可以被固定且旋转定位器可以是平移台，其上安装有主轴马达20且相对于固定的载具30沿径向方向移动母盘10。平移台还包括高分辨率编码器从而提供精确的径向定位信息。
构图系统包括将激光辐射引导到孔结构50的光学系统。在图1中，光学系统包括激光器60、调制器61、反射镜62和聚焦透镜63。如果载具支承架40被固定，则光学系统也可以被固定。如果载具支承架40是可动致动器，则在一个实施例中聚焦透镜和反射镜可以附着到所述致动器从而载具30一般地径向移动时激光辐射总是被引导到孔结构50。美国专利5497359中显示和描述了此类系统的一个例子。供选地，来自激光器60的辐射可以通过光纤传送到孔结构50。激光器60的辐射波长可以从一波长范围选择。一般使用的激光器是二极管泵浦固态激光器，例如Nd:YAG或Nd:YLF。这些可以是倍增的频率从而给出较高谐波的辐射。例如，具有频率倍增的Nd:YAG激光器可以用来产生1064nm、532nm、355nm或266nm的辐射。另外，来自激光器的辐射可以利用外部调制器调制。具有达50MHz频率的袖珍单元调制器(pocket cell modulator)是商业可得的。模式锁定激光器还提供频率达约100MHz的快速脉冲。还可以使用诸如脉冲二极管激光器的其它激光器。聚焦透镜63还可以位于载具30上或者被包括在其中。
如图1所示，控制器或控制系统70从旋转编码器22接收角位置信息且从编码器45(或者从平移台编码器，如果主轴马达20可动)接收径向位置信息。控制系统以将应用到母盘10的期望图案编程，所述图案对应于将纳米压印在磁记录盘中从而形成同心数据道形式的数据岛和无数据标记，例如伺服区和同步标记，所述无数据标记可以延伸跨过多个道。控制系统70控制径向定位器(图1中的可动致动器载具支承架40，或者如果主轴马达20可动则平移台)和定时激光脉冲的激光调制器61从而在母盘10的抗蚀剂层11中形成所期望的图案。在另一实施例中，激光器可以响应于触发信号在请求时发送脉冲。
图2是部分母盘10和载具30上的孔结构50以操作关系呈现时的放大剖视图。盘沿方向49旋转，使得载具30由于载具30上的ABS 31而保持为距母盘10非常接近，例如约1至50nm之间。
孔结构50的体(body)由诸如玻璃、石英或另外的电介质材料等的材料形成，其透射激光波长的辐射。基本反射激光波长的辐射的材料膜51形成在面向盘一侧且其中形成有孔52。孔结构50具有接收入射激光辐射54的输入面53以及在孔52的出口处的输出面55。膜51优选是金属，例如金、银、铬或其它合适的金属，或者是多层结构。孔52可以利用聚焦离子束(FIB)或电子束光刻通过蚀刻膜51而形成。膜51的被从孔52去除的区域可以回填以透射激光波长的辐射的电介质材料从而确保面向盘10的表面的平坦。供选地，孔52的面向盘10的面55可以通过首先利用例如FIB或电子束光刻蚀刻孔结构50的体至与稍后沉积的膜51的厚度对应的深度来制得与膜51的外表面平。然后膜51沉积至所需的厚度，导致孔52的表面55与膜51的外表面基本平，基本如图2所示。
孔52是次波长大小，即如果它是圆形则其直径或者如果它是非圆形则其最小特征小于入射激光辐射的波长，且优选地小于激光辐射的半波长。抗蚀剂层11维持在孔输出的近场，即在小于辐射波长的距离内，如虚线56所示。
母盘10包括衬底12，其可以是任何合适的材料，例如单晶硅的晶片，具有或不具有可选的膜12a，例如SiO2或SiN膜。抗蚀剂层11优选是光致抗蚀剂，其一般对波长大于约400nm的光不灵敏，使得它可以在室内光中被处理。光致抗蚀剂是当曝露到激光辐射而被加热时改变其光学或化学蚀刻属性的材料。在一个优选实施例中，抗蚀剂层11是金属双层热抗蚀剂，例如铋(Bi)层11a在铟(In)层11b上。当抗蚀剂被曝光时，Bi/In膜的温度显著上升，使得其转变为具有与未曝光时十分不同的特性的新材料，使得未曝光区域可以在用蚀刻剂显影期间被去除。此蚀刻剂详细描述于G.Chapman等的“Wavelength Invariant Bi/In thermal Resist As A Si Anisotropic EtchMasking Layer and Direct Write Photomask Material”(Advances in ResistTechnology and Processing XX，(Theodore H.Fedynyshyn，Editor，Proceeding ofSPIE，Vol.5309(2003)pp.472-483)中。薄涂层13例如溅射沉积的基本非晶的“类金刚石”碳膜，与用作常规磁记录盘上的保护涂层的类似，可以可选地形成在抗蚀剂层11上。液态润滑剂层14例如与常规磁记录盘上所使用的类似的全氟聚醚(PFPE)，可以可选地用于抗蚀剂层11上，或者直接在抗蚀剂层11上或者在涂层13上。可选的涂层13和润滑剂层14可以改善载具30在母盘10上的飞行能力。
如图2所示，当激光脉冲输入到孔52，从孔52输出的辐射曝光近场56内的抗蚀剂层11的区域15。曝光之后区域15将被充分加热从而形成与层11的未曝光区域不同的新材料。当发出激光脉冲时母盘10正沿方向49旋转。因此区域16表示当区域16位于孔输出面55正下方时被激光脉冲先前曝光的区域。在图2中，区域15、16的尺寸描述为与从单个激光脉冲产生的尺寸对应。然而，沿方向49曝光区域的宽度可以通过改变激光器的开启时间而改变。这允许母盘10形成有所需的图案，从而除了数据岛之外还以无数据标记纳米压印磁记录盘，所述无数据标记例如伺服区和同步标记。抗蚀剂层被曝光之后，抗蚀剂层和母盘衬底可以被蚀刻，例如利用化学蚀刻剂或反应离子蚀刻(RIE)，现在耐蚀刻的曝光区域充当掩模。曝光区域对氢氯酸混合物(HCl∶H2O2∶H2O，1∶1∶48)和硝酸混合物有耐受性，同时未曝光的区域在相同的酸混合物中被去除。蚀刻进行到母盘衬底中，使得留下的抗蚀剂被去除之后，母盘衬底具有所需图案且可以用作纳米压印压模。
图3是从母盘观察时孔结构50的输出面55的视图，及示出孔结构的修改，其中围绕孔52的金属膜51具有周期性波纹或脊表面结构，如同心圆图案所示。公知地，当入射辐射与在围绕孔的波纹金属表面处的表面等离子体激元(plasmon)谐振时，通过金属膜中次波长孔的光学透射被增强。因此金属膜中诸如脊和槽的特征用作谐振结构从而进一步提高从孔发射的辐射输出，超过没有这些特征时的输出。效果是从孔发射的辐射的特定频率的谐振增强，其然后被引导到抗蚀剂层上，抗蚀剂层被定位在近场内。Thio等人的“Enhanced light transmission through a single subwavelength aperture”(OpticsLetters，Vol.26，Issue 24，pp.1972-1974(2001))和US 2003/0123335 A1中描述了此谐振增强。
图4A-4C示出孔的其它形状，特别地，C形孔(图4A)、H形孔(图4B)和蝴蝶结形孔(图4C)。这些类型的孔周围的表面等离子体激元谐振激励(resonant excitation)增强了辐射透射。
该谐振波长取决于孔的特性尺寸以及围绕孔的薄膜的电属性和厚度。J.A.Matteo等人在Applied Physics Letters，Volume 85(4)，pp 648-650(2004)中对图5A所示的C形进行了论述。利用160微米厚石英玻璃作为衬底，制成孔。5nm厚Cr膜沉积在衬底上，接着是200nm厚的Au膜。对于沿X轴偏振的入射辐射，获得最大光透射。对于在40至55nm范围内的尺寸d，发现谐振透射光的波长从560nm增大到620nm。还示出方形孔(图5B)、矩形孔(图5C)，每个具有与C形孔相同的面积。图5D示出方形孔，计算来提供与C形孔相同的近场斑点尺寸。发现矩形孔提供最大的光透射，而C形孔在其谐振提供透射率和小斑点尺寸的最佳结合。
近场斑点尺寸还由特性长度d确定。Shi等人在Optics Letters，28(15)，1320(2003)中发现对于优选导电的金属屏蔽(metal screen)，具有约100nm的d的C形孔将产生136nm×128nm的斑点尺寸(半高宽，FWHM)。此斑点以图5A中的区域A为中心。此斑点可以通过加长C形孔的水平臂而被一定程度上锐化。
E.Jin等人的文章“Obtaining super resolution light spot using surfaceplasmon assisted sharp ridge nanoaperture”，Applied Physics Letters，Volume 86，111106(2005)计算出对于C和H形孔虽然可以获得表面等离子体激元增强的透射，但是对于这些孔损失了透射光的准直。他们报导说银膜制成的带有尖锐脊的蝴蝶结形孔(图4C)防止了准直的损失。他们描述这样的蝴蝶结结构产生12nm×16nm小的FWHM斑点尺寸。
在图2中，孔结构50附着到载具30的端部。然而，孔结构也可以是载具30的透辐射部分。孔结构还可以位于载具的体中的开口内，如图6所示，图6还描述了其中孔结构50′是固态浸没透镜(SIL)的实施例。围绕孔52的辐射反射膜51沉积在半球形SIL的平坦表面57上，平坦表面57还形成载具的ABS 31的一部分。孔结构还可位于透辐射材料形成的载具上或者被包括在其内，如图7所示。图7还示出其中孔结构50″是由半球形透镜和载具30的体的一部分形成的超半球(super-hemispherical)SIL的实施例。用于光学数据记录的具有半球形和超半球形SIL的气垫滑块描述于美国专利5497359和6055220中。用于孔结构附着到气垫滑块或载具的许多其它技术和结构是可行的。
表1列出用于构图纳米压印图案化磁记录盘所使用的母盘的系统的参数，所述磁记录盘具有约300Gb/in2的面位密度。对于具有大约该面密度的2.5英寸盘，沿环形数据道的线性位密度将在约0.5至1百万位/英寸(BPI)的范围且径向方向的道密度将在约300000至600000道/英寸(TPI)的范围。
表1
除了脉冲长度之外，抗蚀剂和衬底的热导率是与分辨率有关的因素。热扩散趋于增大热影响区域的大小。此传播可以通过减小激光脉冲的脉冲长度和抗蚀剂的厚度而减小。然后调整脉冲能以考虑到被处理的抗蚀剂的体积的变化。为此，可以使用提供短激光脉冲的激光器诸如q转换激光器或模式锁定激光器。q转换激光器可以是二极管泵浦固态(DPSS)激光器，例如具有频率倍增的Nd:YLF和Nd:YAG激光器。模式锁定激光器通常是Ti-蓝宝石激光器。激光脉冲长度可以在约10皮秒(10-12秒)至约10纳秒(10-9秒)的范围。虽然感兴趣的特定激光波长是1064nm、532nm、355nm、266nm和193nm，原理上任何波长可被使用，例如来自二极管激光器的680nm波长。
虽然参照其优选实施例特别显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的思想和范围的情况下，可作出形式和细节上的许多改变。因此，所公开的本发明仅是示例性的，其仅局限于所附权利要求指定的范围。
权利要求
1.一种用来构图用于纳米压印磁记录盘的母盘的系统，该系统包括母盘，包括具有基本平坦表面的衬底和在所述衬底表面上的抗蚀剂层；马达，用于绕基本垂直于所述衬底表面的轴旋转所述母盘；激光器；孔结构，包括实质上反射激光辐射的材料且其中具有孔，所述孔的尺寸小于所述辐射的波长且具有用于接收所述辐射的输入面以及输出面；载具，用于所述孔结构且具有面向所述母盘的气垫面(ABS)，所述载具相对于所述主轴马达旋转轴基本径向地可动；载具支承架，包括刚性臂和将所述载具连接到所述刚性臂的悬臂，在所述母盘的旋转期间，维持所述载具使得所述孔输出面距所述抗蚀剂层小于所述激光辐射波长；以及控制器，耦接到所述激光器用于定时激光脉冲到所述孔的输入面，所述控制器响应于所述孔的径向位置和所述母盘的角位置。
2.如权利要求1所述的系统，其中该载具支承架被固定且所述主轴马达可动。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述主轴马达被固定且所述载具支承架包括致动器，用于移动所述刚性臂和所连接的悬臂和载具。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述母盘还包括在所述抗蚀剂层上的液态润滑剂。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述母盘还包括在所述抗蚀剂层上的主要包括碳的保护膜。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述母盘上的抗蚀剂层包括铋和铟的双层。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述孔结构透射所述激光辐射且具有面向所述母盘的基本平坦的表面，且其中所述反射材料包括形成在所述孔结构平坦表面上的膜。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述载具透射所述激光辐射且所述孔结构包括所述载具的一部分，所述反射膜形成在所述载具的ABS上。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述反射膜是具有周期性波纹的金属膜。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述孔具有选自包括C形、E形、H形和蝴蝶结形的组的形状。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述孔结构包括固态浸没透镜(SIL)。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述激光器是具有在约10皮秒至约10纳秒范围中的脉冲长度的脉冲激光器。
13.一种用来构图用于纳米压印磁记录盘的母盘的方法，该方法包括提供待构图的母盘，所述母盘包括具有热抗蚀剂层的基本刚性的衬底；提供孔结构，所述孔结构包括基本反射在特定波长的激光辐射的材料且其中具有孔，所述孔具有比所述特定波长小的尺寸；绕基本垂直于所述衬底的轴旋转所述母盘；支承所述孔结构在具有面向所述旋转母盘的气垫面(ABS)的气垫滑块上，在所述母盘的旋转期间保持所述孔为距离所述抗蚀剂层小于所述特定波长；以及引导所述特定波长的激光辐射的脉冲到所述孔从而加热所述抗蚀剂的区域。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述提供包括其中具有孔的材料的孔结构包括提供围绕所述孔的具有周期性波纹的金属膜。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述提供包括其中具有孔的材料的孔结构包括提供具有孔的金属膜，所述孔具有选自包括C形、E形、H形和蝴蝶结形的组的形状。
16.如权利要求13所述的方法，其中提供具有热抗蚀剂层的母盘包括提供具有铋和铟双层的母盘。
17.如权利要求13所述的方法，其中引导所述激光脉冲包括以一比率引导激光脉冲从而产生每英寸约0.5百万至1百万之间的热抗蚀剂加热区域。
18.如权利要求13所述的方法，其中引导所述激光脉冲包括产生具有在约10皮秒至约10纳秒范围内的脉冲长度的激光脉冲。
全文摘要
本发明涉及一种用来构图将用于纳米压印磁记录盘的母盘或“压模”的系统和方法，其使用气垫滑块，该气垫滑块支承孔结构在旋转母盘衬底上的抗蚀剂层的光学近场内。被引导到所述孔的输入面的激光脉冲被输出到所述抗蚀剂层。所述孔结构包括反射激光辐射的金属膜，膜中形成有孔。所述孔具有比入射激光辐射的波长小的尺寸且通过气垫滑块维持在所述抗蚀剂附近而在辐射波长内。控制激光脉冲的定时从而在所述抗蚀剂层内形成曝光区域的图案，此图案最终导致所述磁记录盘当它们被母盘纳米压印时其中数据岛和无数据岛的所需图案。
文档编号G11B5/86GK1941093SQ20061015922
公开日2007年4月4日 申请日期2006年9月22日 优先权日2005年9月29日
发明者托马斯·R·阿尔布雷克特, 丹尼斯·R·马克基恩, 古林德·P·辛, 杨宏渊 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司