本发明总体上涉及一种硬化纳米压印印模的结构和方法。更特别地，本发明涉及利用等离子体碳化和/或氮化工艺硬化纳米压印印模的结构和方法。

纳米压印平版印刷工艺是一种用于获得纳米尺寸(小到几十个纳米)图案的有前途的技术。形成纳米尺寸图案的一个关键步骤是首先形成包含与将要通过印模压印的纳米尺寸图案互补的图案的压印印模。
在图1a中，一种先前的纳米压印平板印刷工艺包括一个上面形成有多个压印图案202的压印印模200。在图1b中，压印图案202包含简单线条和间隔图案，该图案具有被相邻线条204之间的多个间隔206分割的多个线条204。印制图案202以衬底211为载体。通过将压印印模200压入(参见虚线箭头201)专门设计的掩模层203，掩模层203的厚度相对于印制图案202进行调整(见图1a)，从而印制图案被复制到掩模层203中。
典型地，掩模层203由诸如聚合物之类材料制成。例如，光制抗蚀剂材料可用作掩模层203。掩模层203被淀积在支撑衬底205上。使用重复步进式工艺，将压印印模200重复压到掩模层203上以将印制图案202复制在掩模层203中并覆盖掩模层203的整个区域。
在图2中，在重复步进式工艺之后，掩模层203包含多个与压印图案202形状互补的纳米尺寸的印记207。接着，在图3中，掩模层203被各向异性刻蚀(即高度定向刻蚀)以在掩模层203中形成纳米尺寸图案209。典型地，支撑衬底205或位于掩模层203和支撑衬底205之间的另一层(未表示出)作为各向异性刻蚀的刻蚀停止。
在图4中，每个线条204包含相对的侧表面204s、上表面204t、相对正表面204f，以及棱边204e。间隔206将每个线条204分割开。典型地，压印印模200由硅(Si)之类材料制成。例如，衬底211可以是硅晶片，而线条和间隔部分(204，206)可由硅(Si)或多晶硅(α-Si)制成。硅是纳米压印印模的选择材料，这是由于具有完善建立的用于制造硅基结构和电路的微电子工艺，并且硅容易低价获得。
但是，现有的压印印模200的缺点之一是硅是一种软性材料，易由于重复压入掩模层203的步骤而断裂、损伤和磨损。在图4中，线条部分204的断面E-E特别容易由于重复的压制工艺而磨损、损伤和断裂。在图5中，图4的断面E-E的放大视图表示棱边204e、上表面204t、侧表面204s和正表面204f特别容易由于仅几次对掩模层203的压制而被磨损W。
在图6中，压印印模200被压入201掩模层203中，而线条部分204被布置到掩模层203中。重复的压制步骤在线条部分204的棱边204e和上表面204t产生表示为W的磨损、损伤和断裂。仅仅十次或不到十次的压制步骤就可导致压印印模200磨损到不能再用来形成一致、可重复且精确的压印图案209。
在图7a和7b中，线条部分204磨损的更详细的视图表明沿棱边204e和上表面204t的磨损最严重，它们是线条部分204首先接触掩模层203并且具有实际上垂直于压印方向201的表面部件的那些部分。因此，如图8a和8b所表明的，仅经过几次对掩模层203的压制循环，线条部分204很快从图8a中理想的线条部分204退化成图8b中磨损后的线条部分204。
在整个压印平板印刷工艺中，压印印模200的制造是最关键和花费最高的步骤之一。现有压印印模200的另一个缺点是制造压印印模200的成本得不到偿还，因为压印印模200在没有达到证明压印印模200的制造成本所要求的足够次数的印制步骤时就被损伤和/或磨损。因此现有压印印模200制造上不经济。
因此，需要一种耐磨、耐损伤、抗断裂的纳米尺寸压印印模。也有一种未满足的对经过多次压印循环后能保持一致、可重复且精确印制图案的压印印模的需求，使得纳米尺寸压印印模的制造成本可得到补偿。

本发明的硬化的纳米压印印模解决了现有纳米压印印模的前述缺点和局限。通过等离子体碳化和/或氮化工艺，该工艺沿硬化的纳米压印印模的外表面形成碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)或氮碳化硅(SiCN)硬化的外壳，本发明的硅基硬化的纳米压印印模被做得强度更高且韧性更大。等离子体碳化和/或氮化工艺很容易地将硬化纳米压印印模的反应硅(Si)材料转化成碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)或氮碳化硅(SiCN)，它们导致产生比现有仅用硅制成的纳米压印印模强度更大的硬化纳米尺寸压印印模。
硬化的纳米压印印模具有延长的寿命，并因此本发明的硬化纳米压印印模的制造成本可得到补偿，因为硬化纳米压印印模与现有纳米压印印模不同，它可经受更多次额外的压印循环而不被磨损，断裂或损伤。
从以下结合附图的详述中，通过举例说明本发明原理，本发明的其它方面和优点会变得更清楚。

图1a和1b分别是现有压印印模和现有印制图案的轮廓和顶视图；图2是通过图1a中的现有压印印模在其中形成纳米尺寸压印的掩模层的轮廓图；图3是各向异性刻蚀步骤后图2中的现有掩模层的轮廓图；图4和图5分别是描述最容易磨损、断裂或损伤的现有压印印模部分的横截面图和轮廓图；图6是描述被压入掩模层的现有压印印模的横截面图；图7a和7b描述由图6的压制步骤导致的现有压印印模的磨损；图8a和8b描述仅几次压制循环后对现有压印印模磨损的迅速发展；图9是根据本发明在硬化工艺进行之前的包含多个纳米尺寸部件的纳米压印印模的轮廓图；图10a是描述图9中被暴露的纳米尺寸部件的棱边和表面的轮廓图；图10b是描述根据本发明用于硬化图10a中被暴露的棱边和表面的等离子体硬化工艺的横截面视图；图11是根据本发明被硬化的纳米压印印模的硬化外壳的横截面视图；图12a和12b是描述根据本发明用于形成硬化外壳的等离子体碳化工艺的示意图；图13a和13b是描述根据本发明用于形成硬化外壳的等离子体氮化工艺的示意图；图14是描述根据本发明被压印并与掩模层接触的硬化纳米压印印模的横截面视图；图15a和15b是描述根据本发明用于形成硬化外壳的等离子体碳化工艺和等离子体氮化工艺的示意图；图16是根据本发明包含多个硬化纳米尺寸部件的硬化纳米压印印模的轮廓图。

在以下详述中以及附图的几个图中，相同的元件用相同的参考数字表示。
如用于图解说明的图所示，本发明体现在硬化纳米压印印模及其制造方法中。硬化纳米压印印模包含多个硅基纳米尺寸部件，该纳米尺寸部件包含由等离子体碳化工艺和/或等离子体氮化工艺形成的硬化外壳。含碳和/或氮的气体的等离子体轰击纳米尺寸部件的被暴露表面并渗透到这些表面中与硅反应形成碳化硅、氮化硅或氮碳化硅材料。碳和/或氮原子只渗透到被暴露表面有限的深度，从而只有沿被暴露表面的一部分硅被转化成碳化硅、氮化硅或氮碳化硅材料的外壳。结果，纳米尺寸部件具有硬化外壳(即硬壳)，它使纳米尺寸部件对于由对要被纳米压印印模压印的介质进行重复压制循环所产生的磨损和损伤更具耐压性。
本发明的硬化纳米压印印模节约成本，因为硬化纳米尺寸部件持久耐用，因此具有更长的使用寿命，在使用寿命结束前可收回硬化纳米压印印模的制造成本。
此外，本发明的硬化纳米压印印模比现有纳米压印印模更精确，因为硬化纳米尺寸部件更耐用并且用将被印刷介质经过重复压印后保持它们的压印外形。
图9中，在下面将要描述的硬化工艺之前，衬底11包括一个基面13和多个与衬底11接触并从基面13向外延伸的纳米尺寸部件12。衬底11可由包含但不限于此的硅(Si)、单晶硅、多晶硅(α-Si)、氧化硅(SiO2)和氮化硅(SiNX)的材料制成。例如衬底11可以是像通常用于微电子器件和结构制造一类的单晶硅晶片。
纳米尺寸部件12具有典型地约在1.0μm或更小范围内的尺寸(即宽度W和高度H)。纳米尺寸部件12的长度L也可以是约1.0μm或更小。几百纳米或更小的尺寸是理想的。纳米尺寸部件12可由包含但不限于此的硅(Si)和多晶硅(α-Si)的硅基材料制成。例如使用公知的微电子加工技术，纳米尺寸部件12的形成可通过在衬底11的基面13上淀积一层多晶硅(未示出)，随后通过利用掩模层对多晶硅层进行光刻制作图案，然后通过掩模层刻蚀以形成多晶硅纳米尺寸部件12。
纳米尺寸部件12包含确定压印轮廓的外表面。例如，在图9中，纳米尺寸部件12具有确定矩形压印轮廓的外表面。因此，当衬底11被压制与要被压印的介质(未表示出)接触时，纳米尺寸部件12的压印轮廓被转移到介质上。纳米尺寸部件12的压印轮廓将随应用改变，本发明不限于此处所示的纳米尺寸部件12的压印轮廓。
在图10a中，纳米尺寸部件12的外表面包括相对的侧表面12s、上表面12t、前表面12f、后表面12b、棱面12e和基面13。所有前述表面都可能是暴露表面，它们在纳米压印印模印刷中经过一次或多次的压印循环就易于被磨损、损伤或断裂。
棱面12e特别容易磨损和损伤。此外，纳米尺寸部件12彼此分隔，间距为S，在纳米尺寸部件12中S可以变化。间距S也被传递到压印纳米尺寸部件12的介质上。因此，对侧表面12s的磨损将使间距S增加，由此减小压印精度。对基面13的磨损或损伤也可能导致压印精度的减小。基本上，由纳米尺寸部件12所作的压印轮廓和印记的精度取决于被暴露表面和棱边的机械稳定性(即韧性)。
在图10b中，纳米尺寸部件12的前述外表面(12s、12e、12t、12f、12b)及基面13被暴露于等离子体P中。等离子体P轰击这些表面，并且等离子体P中材料的原子渗透到这些表面中预定深度d。例如，碳(C)和/或氮(N2)原子能通过如扩散机制渗透暴露表面。等离子体P包含用于等离子体碳化工艺的碳(C)、用于等离子体氮化工艺的氮(N2)，以及用于等离子体碳化和氮化的碳(C)和(N2)的气体。因此，碳原子和/或氮原子渗透到那些表面中预定深度d，并与纳米尺寸部件12的材料进行化学反应。预定深度d可沿前述表面变化，而不必沿所有表面都相等。例如，预定深度d在上表面12t和基面13可大于(即深于)侧表面12s。
在图11中，从等离子体碳化工艺、等离子体氮化工艺，或等离子体碳化和氮化工艺得到硬化纳米压印印模10。作为那些等离子体工艺的结果，纳米尺寸部件12包含从外表面向内延伸预定深度d的硬化外壳20。当等离子体工艺为等离子体碳化工艺时，硬化外壳20由碳化硅(SiC)构成。相反，当等离子体工艺为等离子体氮化工艺时，硬化外壳20由氮化硅(SiN)构成。如果等离子体碳化工艺和氮化工艺两种工艺都使用时，则，硬化外壳20由氮碳化硅(SiCN)构成。由此产生的碳化硅硬化外壳20、氮化硅硬化外壳20，或氮碳化硅硬化外壳20比位于纳米尺寸部件12的硬化外壳下的较软的硅基材料内核更硬且更耐磨损、损伤和断裂。实际上，硬化外壳20形成一个包围较软的硅(Si)基材料内核的SiC、SiN或SiCN坚硬外壳。结果，经过反复用硬化纳米压印印模10压印需要被硬化纳米压印印模10压印的介质后，纳米尺寸部件12的压印轮廓可以保持。
预定深度d将随应用变化，并可由包括工艺时间和温度等在内的因素决定，这里只列举几个。预定深度d相对于纳米尺寸部件12的尺寸而言小。例如，纳米尺寸部件12的宽度(见图11中D1和D2)可能在几百个纳米数量级。另一方面，预定深度d可能在几百个埃()数量级。硬化外壳20的预定深度d可在约10.0～约300.0范围内。但是，对于此处描述的实施例，不要认为预定深度d限于此范围，而正如上面所说的，预定深度d随不同应用而变化。
在图14中，硬化纳米压印印模10被加压与压印对象50接触，压印对象50包括支撑衬底51和压印介质53。压印介质53可由多种材料构成。例如，压印介质53可以是聚合物如用于光致刻蚀技术的光致抗蚀剂材料。硬化纳米压印印模10的纳米尺寸部件12被压入压印介质53形成与纳米尺寸部件12的压印轮廓互补的压印。前述暴露表面与压印介质53在Cp处接触并且那些接触点Cp由于有硬化外壳20而耐磨损和损伤。
因此，将与压印介质53接触的硬化纳米压印印模10的表面变得坚硬抗磨和抗损伤，正如图16所示，其中纳米尺寸部件12的暴露表面(用交叉影线表示的12s、12e、12t、12f、12b)和基面13包含硬化外壳20。因为纳米尺寸部件12的磨损与用于纳米尺寸部件12的材料的硬度密切相关，本发明的硬化纳米压印印模10的使用寿命可增加10倍以上。
图12a和12b图解说明使用等离子体碳化工艺使纳米压印印模10硬化的方法。在图12a中，纳米压印印模10包含多个以衬底11为载体的硅基纳米尺寸部件12。纳米尺寸部件12包括多个暴露表面(见图10a和10b中12s、12e、12t、12f、12b和13)。纳米尺寸部件12可由包括但不限于硅(Si)和多晶硅(α-Si)的材料构成。
纳米尺寸部件12在包括含碳(C)气体的等离子体(在图12a中用圆圈环绕的C表示)中被碳化。在图12b中，碳C原子轰击暴露表面并渗透到这些表面中。碳C原子与纳米尺寸部件12的硅发生化学反应形成碳化硅(SiC)。
碳化过程持续进行直到碳化硅(SiC)硬化外壳20形成在暴露表面上并从表面向内延伸至预定深度d。最终形成了如上参考图11、14和16所述的硬化纳米压印印模10。
含碳气体可以是包括但不限于甲烷(CH4)和乙烷(C2H6)的碳氢化合物。等离子体碳化工艺可在约300℃到约900℃的温度范围内进行。
类似地，图13a和13b图解说明了使用等离子体氮化工艺使纳米压印印模10硬化的方法。在图13a中，纳米压印印模10包含以衬底11为载体的多个硅基纳米尺寸部件12。纳米尺寸部件12包括多个暴露表面(见图10a和10b中12s、12e、12t、12f、12b和13)。纳米尺寸部件12可由包括但不限于硅(Si)和多晶硅(α-Si)的材料构成。
纳米尺寸部件12在包括含氮(N2)气体的等离子体(在图13a中用圆圈环绕的N表示)中被氮化。在图13b中，氮N原子轰击暴露表面并渗透到这些表面中。氮N原子与纳米尺寸部件12的硅发生化学反应形成氮化硅(SiN)。
氮化过程持续进行直到氮化硅硬化外壳20形成在暴露表面上并从表面向内延伸至预定深度d。最终形成了如上参考图11、14和16所述的硬化纳米压印印模10。
含氮气体可以是包括但不限于氮(N2)或氨(NH3)的材料。等离子体氮化工艺可在包括但不限于室温(即25℃)的温度或高于室温的温度下进行。
图15a和15b图解说明了使用等离子体碳化和等离子体氮化工艺使纳米压印印模10硬化的方法。在图15a中，纳米压印印模10包含以衬底11为载体的多个硅基纳米尺寸部件12。纳米尺寸部件12包括多个暴露表面(见图10a和10b中12s、12e、12t、12f、12b和13)。纳米尺寸部件12可由包括但不限于硅(Si)和多晶硅(α-Si)的材料构成。
纳米尺寸部件12在包括含碳(C)气体的等离子体(在图15a中用圆圈环绕的C表示)中被碳化并在包括含氮(N2)气体的等离子体(在图15a中用圆圈环绕的N表示)中被氮化。在图15b中，碳C原子和氮N原子轰击暴露表面并渗透到这些表面中。碳C和氮N原子与纳米尺寸部件12的硅发生化学反应形成氮碳化硅(SiCN)。碳化和氮化过程持续进行直到氮碳化硅(SiCN)硬化外壳20形成在暴露表面上并从表面向内延伸至预定深度d。最终形成了如上参考图11、14和16所述的硬化纳米压印印模10。
含碳气体可以是包括但不限于甲烷(CH4)和乙烷(C2H6)的碳氢化合物。等离子体碳化工艺可在约300℃到约900℃的高温范围内进行。含氮气体可以是包括但不限于氮(N2)或氨(NH3)的材料。等离子体氮化工艺可在包括但不限于室温(即25℃)的温度或高于室温的温度下进行。可首先进行等离子体碳化工艺随后再进行等离子体氮化工艺反之亦可。在包括含碳(C)气体和含氮(N2)气体的等离子体中，等离子体碳化工艺和等离子体氮化工艺基本上可以同时进行。这些气体(C、N2)在被引入到发生等离子体碳化和等离子体氮化的室之前可被混合在一起(即预混合)。
虽然本发明的几个实施例被公开并做了图解说明，但本发明不限于所描述和说明部分的具体形式或方案。本发明仅受限于权利要求。