SYSTEM FOR ALIGNING PATTERNS ON A SUBSTRATE USING STENCIL LITHOGRAPHY

28-01-2010 дата публикации
Номер:
WO2010010224A1
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Номер заявки: ES03-07-200911
Дата заявки: 24-07-2009

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SISTEMA DE ALINEACIÓN DE PATRONES EN UN SUSTRATO MEDIANTE LITOGRAFÍA POR ESTÉNCIL

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D E S C R I P C I Ó N

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OBJETO DE LA INVENCIÓN

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El objeto principal de Ia presente invención es un sistema para alinear patrones en un sustrato utilizando litografía por esténcil en vacío, de modo que se consigue una precisión de alineación óptima.

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ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

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La litografía por esténcil es una técnica bien conocida para fabricar patrones en una superficie que consiste, fundamentalmente, en Ia inyección o emisión de un material para su deposición selectiva sobre un sustrato, utilizándose un esténcil o máscara de sombra para delimitar las zonas en las que se permite el paso del material. El artículo "Quick and clean: advances and high resolution stencil lithography", de J. brugger et al. publicado en Ia revista E-nano (8), 207, p 22-28, describe brevemente esta técnica.

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Algunas aplicaciones de esta técnica están relacionadas con Ia ciencia de materiales combinatoria, Ia fabricación de dispositivos basados en materiales orgánicos o el prototipado rápido de estructuras nanométricas usando deposición por esténcil dinámica o casi-dinámica.

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Las principales ventajas de Ia litografía por esténcil son su limpieza, flexibilidad paralelismo y alta resolución. Estas especiales características permiten Ia obtención de superficies ultra limpias con deposiciones de alta pureza, que permiten generar estructuras mecánicamente frágiles y químicamente funcionalizadas, debido a Ia ausencia de etapas de procesos cíclicos típicos de litografía y a Ia ausencia de procesos de grabado. Además, Ia litografía permite el uso de una gran variedad de materiales y superficies para depositar selectivamente, y su paralelismo Ia hace más rápida que otras técnicas empleadas con el mismo objetivo, como por ejemplo técnicas de partículas cargadas (litografía por haz focalizado de iones o litografía por haz de electrones).

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Existen aplicaciones en las que Ia litografía por esténcil se debe llevar a cabo en condiciones de vacío, normalmente dentro de una cámara de evaporación, como en Ia fabricación de circuitos integrados. En estos casos, el proceso de definición de los patrones comprende las operaciones de: alinear el substrato y Ia máscara en Ia cámara de vacío; ponerlos en contacto; evaporar material a través de las aperturas nanostencil; parar Ia deposición; y separar los elementos. A continuación, se puede realizar un desplazamiento controlado, alinear y evaporar otra vez, eventualmente con otro material. Repitiendo n veces estas operaciones, se pueden obtener múltiples (n) patrones a escala nanométrica de múltiples (m) materiales.

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Otra ventaja importante de ésta técnica es Ia posibilidad de formar deposiciones de alta pureza, ya que el vacío no se rompe entre cada etapa del proceso: se pueden fabricar dispositivos muy específicos como

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"uniones túnel" usando éste método.

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Sin embargo, para conseguir precisión en los patrones creados sobre el sustrato utilizando litografía por esténcil es importante que las máscaras que se vayan a utilizar estén adecuadamente situadas sobre el sustrato, de forma que los patrones creados sobre el sustrato estén correctamente alineados. La capacidad de alineación condiciona el uso de substratos y máscaras a nivel de oblea completa en combinación con nanoposicionadores de alta precisión y de amplio rango de desplazamiento usando una aproximación casi-dinámica. El alineación debe proporcionar al menos una de las siguientes posibilidades 'in situ' (es decir, sin romper el vacío de Ia cámara de evaporación):

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a) Definir un patrón usando una sola etapa de litografía por esténcil en una superficie con patrones predefinidos y alineado respecto a motivos preexistentes.

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b) Definir un patrón usando dos o más etapas secuenciales de litografía por esténcil, cada una con un patrón diferente, de manera que las etapas estén alineadas entre sí.

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La solicitud de patente WO 2006/047305, de Brody et al., describe un sistema de alineación para litografía por esténcil con sensores térmicos y cámaras CCD. Sin embargo, este sistema es más complejo que el de Ia presente invención, y además no permite tanta precisión.

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DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

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La presente invención describe un sistema de alineación de patrones en un sustrato mediante litografía por esténcil que permite Ia definición secuencial de patrones en vacío usando varios esténciles. El sistema es útil para una gran variedad de sustratos, aunque aplicación más directa es instalar el sistema dentro de un equipo de evaporación de capas finas para definir motivos de diversos tipos de materiales (metales, dieléctricos, etc) sobre el substrato. El sistema podría instalarse igualmente en sistemas de grabado por iones o de implantación.

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Con este objetivo, Ia invención utiliza un sensor de masa nanoelectromecánico con resolución espacial, basado en una estructura mecánica resonante cuya frecuencia de resonancia cambia cuando se deposita una pequeña cantidad de material sobre el sensor. Así, monitorizando el cambio de frecuencia de resonancia, se puede conocer Ia deposición de masa en tiempo real. La ventaja de usar éste tipo de sensor es que permite realizar Ia detección de alineación usando el flujo de átomos a través de pequeñas aperturas en Ia membrana de Ia máscara, es decir, compartiendo los mismos elementos que un proceso de litografía por esténcil normal, obteniéndose además una precisión de posicionamiento a escala micrométrica.

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De acuerdo con un primer aspecto de Ia invención, se describe un sistema de alineación de patrones en un sustrato mediante litografía por esténcil que comprende los siguientes elementos:

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a) Al menos una fuente de material que emite el material a depositar en dirección al sustrato. Tanto el material emitido como Ia fuente de material pueden ser diversos en función de Ia aplicación particular a Ia que esté dirigido el sistema, aunque en realizaciones preferidas de Ia invención los materiales pueden ser metales, dieléctricos o haces de iones, y las fuentes de material pueden ser aquellas utilizadas en sistemas de deposición de capas finas o en sistemas de implantación iónica.

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b) Al menos un esténcil, dispuesto entre Ia fuente de material y el sustrato, que define un patrón del material a depositar sobre el sustrato. De este modo el esténcil bloquea selectivamente el paso del material emitido por Ia fuente de material, llegando al sustrato únicamente en las zonas definidas por el patrón del esténcil.

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c) Medios de desplazamiento, que desplazan el esténcil y/o el sustrato uno con relación a otro. Son posibles diferentes configuraciones de los medios de desplazamiento de modo que permitan el movimiento relativo entre esténcil y sustrato, tanto traslacional como rotacional. También es posible que los medios de desplazamiento puedan desplazar esténcil y/o sustrato de modo que se modifique Ia distancia entre ellos. Evidentemente, para conseguir una elevada precisión en Ia alineación de sustrato con esténcil es necesario que los medios de desplazamiento sean extremadamente precisos, como por ejemplo microposicionadores mecánicos, microposicionadores piezoeléctricos o sistemas de posicionamiento con control interferométrico.

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Además, es necesario que el sistema conozca Ia posición relativa exacta de esténcil y sustrato en cada momento. Esa información puede obtenerse, bien directamente de los medios de desplazamiento, o bien mediante otros medios dedicados.

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d) Un medio de procesamiento, conectado a los medios de desplazamiento y a Ia fuente de material, que controla el movimiento del esténcil y Ia emisión de material por Ia fuente de material. El medio de procesamiento recibe las señales de los diferentes elementos del sistema y las procesa, emitiendo en respuesta las señales de mando adecuadas. De acuerdo con realizaciones preferidas de Ia invención, el medio de procesamiento puede ser un ordenador, un microprocesador, un microcontrolador, una FPGA, un DSP, un ASIC, etc.

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e) Un sensor de masa, ubicado detrás del esténcil y conectado al medio de procesamiento, que detecta, cuando el esténcil está en una posición de alineación, el paso de material emitido a través de al menos un primer orificio de alineación de dicho esténcil. Así, el sensor de masa, que de acuerdo con realizaciones preferidas de Ia invención puede ser de tipo mecánico, piezoeléctrico, de cristal de cuarzo, va enviando al medio de procesamiento señales indicativas de Ia cantidad de material que se deposita sobre dicho sensor de masa. A partir de esta información, el medio de procesamiento calcula cuándo el primer orificio de alineación del esténcil está situado encima de dicho sensor. Preferiblemente, el primer orificio de alineación del esténcil tiene forma rectangular parecida a una ranura, y más preferiblemente el esténcil comprende además un segundo orificio rectangular de alineación, también con forma de ranura, situado a 90° del primero. Esta forma rectangular es especialmente adecuada para Ia alineación del esténcil con el sustrato.

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De acuerdo con realizaciones preferidas de Ia invención, el sensor de masa puede estar situado delante, detrás o coplanar con el sustrato. En estos dos últimos casos, el sustrato debe tener también un orificio de sensor o alojamiento para el sensor para no tapar Ia llegada de material.

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Además, en otra realización preferida de Ia invención el sistema de alineación descrito comprende un medio de bloqueo del material emitido por Ia fuente de material. El medio de bloqueo evita que se emita material en áreas no deseadas del sustrato.

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De acuerdo con un segundo aspecto de Ia presente invención, se define un procedimiento de alineación de patrones en un sustrato mediante litografía por esténcil, donde un esténcil bloquea selectivamente el material emitido por una fuente de material en dirección al sustrato, caracterizado porque comprende las siguientes operaciones:

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1. Realizar mediante unos medios de desplazamiento un movimiento de translación relativa entre el esténcil y el sustrato, manteniéndolos paralelos, deteniendo el movimiento cuando Ia señal de un sensor de masa ubicado detrás del esténcil que detecta el paso de material emitido por Ia fuente de material a través de un orificio de alineación del esténcil alcanza un primer valor determinado.

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Así, en función de Ia señal del sensor de masa el medio de procesamiento calcula cuándo el esténcil está situado en Ia posición deseada, es decir, cuando el primer orificio de alineación del esténcil está inmediatamente encima del sensor de masa. Normalmente es el esténcil el que es desplazado, por ejemplo realizando barridos longitudinales. En una realización preferida de Ia invención, esta operación se realiza primero una velocidad rápida, para conseguir un primer posicionamiento tosco del esténcil, y posteriormente se afina a una segunda velocidad más lenta.

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Los movimientos realizados en esta primera operación son únicamente de translación, y por Io tanto aún puede haber una incongruencia angular en Ia alineación.

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2. Realizar mediante unos medios de desplazamiento un movimiento de rotación relativa entre el esténcil y el sustrato, manteniéndolos paralelos, deteniendo el movimiento cuando Ia señal de un sensor de masa ubicado detrás del esténcil que detecta el paso de material emitido por Ia fuente de material a través de un primer orificio de alineación del esténcil alcanza un segundo valor determinado. Así, en esta segunda operación se alinea angularmente el esténcil. Normalmente, el orificio u orificios de alineación tienen forma de ranura delgada, de modo que se facilita en gran medida Ia alineación del orificio de alineación.

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También en este caso es posible realizar una primera alineación tosca a una primera velocidad, y luego afinar Ia alineación a una segunda velocidad más lenta.

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DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

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Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de Ia misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:

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Figura 1.- Esquema general de un primer ejemplo particular del sistema de alineación, donde el sensor es coplanar con el sustrato.

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Figuras 2 y 3.- Perfil y alzado del sistema de un segundo ejemplo particular del sistema de alineación, donde el sensor está ubicado detrás del sustrato.

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Figura A - Esquema general más detallado de un tercer ejemplo particular del sistema de Ia invención que además comprende un emisor de material adicional.

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Figura 5.- Comparación entre los resultados de un procedimiento de alineación si corrección angular y con ella.

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REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

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Un sistema de litografía por esténcil casi-dinámico se basa en Ia creación de patrones usando esténciles (4) mediante un proceso de paso- y-repetición. Éste proceso consiste en Ia evaporación de uno o más materiales dentro de una cámara de vacío (12), que forman patrones en un substrato (3). Es muy importante para Ia creación de patrones complejos que el substrato (3) y el esténcil (4) estén correctamente alineados. Además puede ser necesario usar diferentes esténciles (4) sin exponer el substrato (3) al aire, de manera que se requiere un sistema (1 ) de alineación.

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El sistema (1 ) de alineación de Ia invención comprende un sensor de masa (5) situado detrás del esténcil (4), el cual tiene un primer y un segundo orificios de alineación (10, 14). Se utiliza el propio material de creación de patrones que atraviesa dichos primero y segundo orificios de alineación (10, 14) para alinear el esténcil (4) y el substrato (3). En estos ejemplos se ha usado un sensor de masa (5) con desplazamiento de frecuencia y resolución espacial, cuya frecuencia de resonancia varía cuando se deposita material sobre él.

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Así, Ia figura 1 muestra un primer ejemplo de un sistema (1 ) de alineación que comprende los siguientes elementos:

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- Un sustrato (3), situado sobre una base (2), que a su vez está fijada a Ia cámara de evaporación (12).

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Un esténcil (4), con un primer orificio de alineación (10) y un segundo orificio de alineación (14), ambos con forma de ranura rectangular que forman 90° entre sí. El esténcil (4) también tiene unos orificios (11 ) que forman parte del patrón a formar sobre el sustrato (3). El esténcil (4) está situado en paralelo con respecto al sustrato (3).

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Unos medios de desplazamiento (7), que en este ejemplo sirven para desplazar el esténcil (4), y que están fijados a Ia cámara de evaporación (12). En este ejemplo se trata de un posicionador X/Y/Z.

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Un sensor de masa (5) para detectar el flujo de átomos a través de los orificios de alineación (10, 14). En este primer ejemplo el sensor de masa (5) está situado coplanar con el sustrato (3).

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Una o más fuentes (6, 6') de material, que emiten el material a depositar en dirección al sustrato.

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- Un medio de bloqueo del flujo (8), que bloquea parte del flujo emitido por la/las fuentes (6, 6') de material, de manera que el material no impacta en el esténcil (4) ni en el sustrato (3). También puede ser útil para depositar materiales diferentes en el mismo substrato (3), y para proteger partes específicas del substrato (3) durante el proceso de alineación.

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- Un medio de procesamiento (9), conectado a los diferentes elementos del sistema (1 ) de alineación. El medio de procesamiento (9) puede ser un ordenador o conjunto de controladores individuales, y también puede proporcionar monitorización o un interfaz de control.

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El funcionamiento de este sistema (1 ) de alineación sería el siguiente: en primer lugar los medios de desplazamiento (7) desplazan longitudinalmente el esténcil (4) en un primer barrido a una velocidad rápida, mientras el sensor de masa (5) envía Ia información acerca de su frecuencia de resonancia en cada momento al medio de procesamiento (9), el cual deduce de esa información en qué momento el primer y segundo orificios de alineación (10, 14) están situados encima del sensor de masa (5). Una vez hecho esto, se realiza un segundo barrido, más lento, que afina Ia alineación del primer y segundo orificios de alineación (10, 14) con el sensor de masa (5).

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En segundo lugar, los medios de desplazamiento (7) hacen girar el esténcil (4), recibiendo igualmente el medio de procesamiento (9) Ia información del sensor de masa (5) hasta conseguir también una alineación angular precisa.

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En las figuras 2, y 3 se representan sendas vistas de un segundo ejemplo de un sistema (1 ') de alineación donde el sensor de masa (5) está situado detrás del sustrato (3). En las figuras 2 y 3 se aprecian con detalle el primer y el segundo orificios de alineación (10, 14) y los orificios (11 ) de definición de patrones. El sensor de masa (5) detecta cuándo los orificios de alineación (10, 14) del esténcil (4) están exactamente sobre él, proporcionando una referencia de posición. La exactitud depende de las dimensiones de los orificios de alineación (10, 14) del esténcil (4) y de las dimensiones del sensor de masa (5): cuanto más pequeños sean, más exacta será Ia detección de Ia posición. Disminuyendo estas dimensiones se reduce también Ia cantidad de señal (material) que llega al sensor de masa (5), requiriendo sensores de alta sensibilidad (masa).

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El esténcil (4) y el substrato (3) deben estar muy próximos para realizar patrones de alta resolución, y en algunos casos puede no ser posible tener el sensor de masa (5) co-planar con el substrato. Este segundo ejemplo de sistema (1 ') de alineación muestra una solución a este problema, que consiste en practicar uno o varios orificios de sensor (13) en el substrato (3) que conservan Ia resolución espacial de Ia alineación.

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La figura 4 describe un tercer ejemplo de un sistema (1 ") de alineación con mayor detalle, apreciándose los medios de desplazamiento (7): uno horizontal que proporciona una forma de desplazar el esténcil (4) paralelamente al substrato (3), y uno vertical que permite controlar el espacio entre el esténcil (4) y el substrato (3). Ambos medios de desplazamiento (7) horizontal y vertical están controlados por un primer controlador (15). Además, los elementos directamente relacionados con Ia evaporación (esto es, las fuentes (6, 6') de material y el medio de bloqueo (8)), son controlados por un segundo controlador (16).

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En este ejemplo, el medio de procesamiento (9) monitoriza y controla las diferentes partes, es decir el sensor de masa (5), el primer controlador (15) y el segundo controlador (16). La realimentación entre todos los elementos del sistema (1 ") es importante para el proceso de alineación, ya que los medios de desplazamiento (7) deben ser controlados en tiempo real dependiendo de Ia posición relativa entre esténcil (4) y substrato (3). Para ello se necesita un software específico que proporcione monitorización, control e incluso interacción humana.

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Finalmente, Ia Fig. 5a muestra el resultado de tres deposiciones sucesivas en un substrato (3) sin pre-alineación del esténcil (4) respecto los ejes X/Y de los medios de desplazamiento (7) (se puede asumir que el substrato (3) está perfectamente alineado con los ejes XY). El resultado es un patrón desconectado. La Fig. 5b muestra Ia señal proveniente de sensor de masa (5) nano-electromecánico mientras el esténcil (4) se desplaza en Ia dirección X en dos posiciones Y distintas. Como se muestra en el dibujo adyacente, el punto del desplazamiento en X donde ocurre el cambio de Ia frecuencia de resonancia depende del ángulo relativo entre el esténcil (4) y el movimiento X/Y de los medios de desplazamiento (7). Si se conoce éste valor, se puede corregir mediante software, de manera que Ia siguiente deposición muestre patrones alineados. La Fig. 5c muestra Ia segunda deposición usando corrección angular, donde los patrones están correctamente posicionados y conectados.



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The invention relates to a system for aligning two or more patterns on a substrate using vacuum stencil lithography, such as to obtain optimum alignment precision. More specifically, the invention relates to a pattern-alignment system in which a mass sensor, which can detect material emitted, is placed in a known position behind the stencil, such that the position of the stencil can be ascertained as a function of the signal emitted by the sensor.

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R E I V I N D I C A C I O N E S

1 ) Sistema (1 ) de alineación de patrones en un sustrato (3) mediante litografía por esténcil (4) que comprende:

al menos una fuente (6) de material, que emite el material a depositar en dirección al sustrato (3);

al menos un esténcil (4), dispuesto entre Ia fuente (6) de material y el sustrato (3), que define un patrón del material a depositar sobre el sustrato (3);

medios de desplazamiento (7), que desplazan el esténcil (4) y/o el sustrato (3) uno con relación a otro;

un medio de procesamiento (9), conectado a los medios de desplazamiento (7) y a Ia fuente (6) de material, que controla el movimiento del esténcil (4) y Ia emisión de material por Ia fuente (6) de material;

caracterizado porque además comprende un sensor de masa (5), ubicado detrás del esténcil (4) y conectado al medio de procesamiento (9), que detecta, cuando el esténcil (4) está en una posición de alineación, el paso de material emitido a través de al menos un primer orificio de alineación (10) de dicho esténcil (4).

2) Sistema (1 ) de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el primer orificio de alineación (10) es rectangular. 3) Sistema (1 ) de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 2, caracterizado porque además comprende un segundo orificio rectangular de alineación (14) que forma un ángulo de 90° con el primer orificio de alineación (10).

4) Sistema (1 ) de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el sensor de masa (5) está ubicado delante del sustrato (3).

5) Sistema (1 ) de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el sensor de masa (5) está ubicado coplanar con el sustrato (3).

6) Sistema (1 ) de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el sensor de masa (5) está ubicado detrás del sustrato (3), comprendiendo dicho sustrato (3) al menos un orificio (13) de sensor.

7) Sistema (1 ) de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende al menos un medio de bloqueo (8) del material emitido por Ia fuente (6) de material.

8) Sistema (1 ) de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el sensor de masa (5) se elige de Ia siguiente lista: mecánicos, piezoeléctricos, de cristal de cuarzo.

9) Sistema (1 ) de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque los medios de desplazamiento (7) se eligen de Ia siguiente lista: microposicionadores mecánicos, microposicionadores piezoeléctricos o sistemas de posicionamiento con control interferométrico. 10) Sistema (1 ) de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el material se elije de Ia siguiente lista: metales, dieléctricos o haces de iones.

11 ) Sistema (1 ) de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el emisor de material es igual que el utilizado en sistemas de deposición de capas finas o en sistemas de implantación iónica.

12) Sistema (1 ) de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el medio de procesamiento (9) se elige de Ia siguiente lista: un ordenador, un microprocesador, un microcontrolador, una FPGA, un DSP y un ASIC.

13) Procedimiento de alineación de patrones en un sustrato (3) mediante litografía por esténcil (4), donde un esténcil (4) bloquea selectivamente el material emitido por una fuente (6) de material en dirección al sustrato (3), caracterizado porque comprende las siguientes operaciones:

realizar mediante unos medios de desplazamiento (7) un movimiento de translación relativa entre el esténcil (4) y el sustrato (3), manteniéndolos paralelos, deteniendo el movimiento cuando Ia señal de un sensor de masa (5) ubicado detrás del esténcil (4) que detecta el paso de material emitido por Ia fuente (6) de material a través de un primer orificio de alineación (10) del esténcil (4) alcanza un primer valor determinado; y

realizar mediante unos medios de desplazamiento (7) un movimiento de rotación relativa entre el esténcil (4) y el sustrato (3), manteniéndolos paralelos, deteniendo el movimiento cuando Ia señal de un sensor de masa (5) ubicado detrás del esténcil (4) que detecta el paso de material emitido por Ia fuente (6) de material a través de un primer orificio de alineación (10) del esténcil (4) alcanza un segundo valor determinado.

14) Procedimiento de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 13, caracterizado porque las operaciones de realizar movimientos de translación y rotación relativa entre el esténcil (4) y el sustrato (3) se realizan varias veces a diferentes velocidades.

15) Procedimiento de alineación de patrones de acuerdo con Ia reivindicación 13, caracterizado porque el esténcil (4) comprende dos orificios de alineación (10, 14).