[发明专利]用于通过油墨光刻生成图案的器件和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年10月27日提交的美国临时专利申请 60/863,248和2007年2月16日提交的美国非临时专利申请 11/675,659的权益，这两份文献通过引用全部纳入本说明书。

发明背景

微米尺寸结构和器件的设计和制造对多种重要技术——包括微电 子、光电子、微流体和微传感——有巨大影响。例如，制作微米尺寸 电子器件的能力已经革新了电子领域，导致了性能更快更高且能量要 求明显少的电子构件(component)。随着这些技术持续快速发展，已 经日益明显的是：通过发展对纳米尺度物质进行操纵和组织的能力， 会实现更多收益。纳米科学和技术的进步注定会显著影响许多技术领 域，从材料科学到生物技术应用工程学。

纳米尺度器件的制造不仅是小型化概念的自然延伸，而且是根本 不同的体系，其中的物理和化学行为与较大尺度系统大相径庭。例如， 许多材料的纳米尺度组件的性能大大为它们的大界面体积分数和由电 子禁闭造成的量子机械效应所影响。在纳米尺度上制作具有明确规定 的部件(feature)的结构的能力已经使得基于仅出现在纳米尺度的属 性和过程——诸如单电子隧穿、库仑阻塞和量子尺寸效应——来制作 器件成为可能。然而，用多种材料制造亚微米尺寸结构的商业实用方 法的发展，对纳米科学和技术的继续进步至关重要。

光刻(photolithography)是目前最普遍的微制造方法，几乎所 有集成电子电路都是使用这种技术制作的。在常规投影式光刻中，使 用光掩模生成对应于选定的二维图案的光学图像。该图像被光学地缩 小并被投射在被旋涂在衬底上的光致抗蚀剂薄膜上。替换性地，在“直 接写到晶片(Direct Write to Wafer)”光刻技术中，光致抗蚀剂在 不使用光掩模的情况下直接曝光于激光、电子束或离子束。光、电子 和/或离子和组成光致抗蚀剂的分子之间的相互作用以一方式对选定 的光致抗蚀剂区域进行了化学改造，使得制造具有明确规定的物理尺 度的结构成为可能。光刻格外适于在平坦衬底上生成二维部件分布。 此外，使用其他涉及了多层堆叠的形成的制造方法，光刻能够在平坦 衬底上生成更复杂的三维部件分布。

光刻的最近进步已经将它的可应用性扩展到具有亚微米范围尺度 的结构的生产上。例如，纳米光刻术——诸如深紫外投射式光刻、软 X射线光刻、电子束光刻和扫描探针方法——已经被成功采用，以制 造具有10至100纳米数量级部件的结构。虽然纳米光刻提供了制造纳 米尺度结构和器件的可行方法，但是这些方法具有某些限制，阻碍了 它们实际集成到那些能够对纳米材料提供低成本、高体积处理的商业 方法中。首先，纳米光刻方法要求精细且昂贵的步进机或写工具来将 光、电子和/或离子引导到光致抗蚀剂表面上。其次，这些方法仅限于 对非常狭窄范围的特殊材料进行图案化，而不适于将特定的化学功能 引入纳米结构。第三，常规纳米光刻仅限于在小面积的超平坦刚性表 面上制造纳米尺寸部件，这样，就不太适合在玻璃、碳和塑料表面进 行图案化。最后，包含在三维上具备选定长度的部件的纳米结构难以 制造，因为纳米光刻方法提供的聚焦深度有限，并通常要求对多个层 作劳动密集型的重复处理。

光刻方法在应用到纳米制造时的实际限制，已经充分激发了人们 对开发用于制造纳米尺度结构的替换性非光刻方法的兴趣。近年来， 基于模塑、接触印刷和压印——其统称为软光刻(soft lithographic)——的新技术已经被开发出来。这些技术使用具有包 含明确规定的浮雕图案的转印表面的适合的图案化器件，诸如模板 (stamp)、模具或掩模。微米尺寸和纳米尺寸结构是通过材料处理形 成的，所述材料处理涉及衬底和图案化器件的转印表面之间的分子尺 度的共形接触(conformal contact)。用在软光刻中的图案化器件通 常包含弹性材料，诸如聚二甲基硅氧烷(poly(dimethylsiloxane)) (PDMS)，并且一般通过将预聚物浇铸在使用常规光刻生成的母板上 来制备。该图案化器件的机械特性对在具有良好的保真度和布局准确 度的转印表面上制造机械上稳固的图案至关重要。