JP2003145941A - 微細パターン描画材料及びそれを用いた微細加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高価で大がかりな装置を使用する必要がな
く、既存の低コストのレーザー光源を用い、回折限界を
はるかに超えた加工寸法を実現する微細加工用材料及び
それを用いた微細加工方法を提供する。 【解決手段】 基板上に、少なくとも１種の無機物質
（Ａ）の層と光照射により無機物質（Ａ）と反応する少
なくとも１種の無機物質（Ｂ）とからなる複合層で、か
つ反応後の物質が無機物質（Ａ）又は（Ｂ）と異なるエ
ッチング速度をもつ微細パターン描画材料であって、こ
れに絞ったビーム光を照射して無機物質（Ａ）又は無機
物質（Ｂ）と異なるエッチング速度をもつ物質を生成さ
せたのち、そのエッチング速度の差を利用してエッチン
グ加工して微細加工をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な微細パター
ン描画材料、さらに詳しくいえば、光を吸収して発熱す
る物質とその物質と加熱反応して異なるエッチング速度
をもつ反応生成物を生成しうる物質との間の加熱反応を
利用して描画しうる微細パターン描画材料及びその描画
材料を用いて微細加工する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光記録技術においては、さらに高
密度の記録が求められており、近い将来には１インチ角
あたり１００ギガビットの記録密度の実現が予想されて
いる。それに伴って、光記録媒体や技術についても、１
００ｎｍ又はそれ以下の寸法の微細パターンの形成や、
それを再生するための青色レーザー、近接場光の利用な
どの研究が行われている。

【０００３】ところで、光記録技術の１つにＲＯＭ（Ｒ
ｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、すなわち光ディス
ク内にピットを作成した読み出し専用の光記録媒体があ
るが、このＲＯＭについても記録の高密度化とともに、
さらにピットサイズの微小化が要求されることは当然で
ある。そして、このＲＯＭは、スタンパーによる複製に
より大量生産されるが、スタンバーにはピットに相当す
る構造体が含まれ、通常この構造体はホトレジストを用
いるリソグラフィー法によって作成されている。これま
で、この構造体の微細化は、レーザーの短波長化や高開
口化により対応してきたが、短波長化はそれを実現する
のにレーザー光源の開発が必要であり、かつ短波長用の
光学材料が必要となるため、コスト高になるのを免れな
い。また高開口化においても、それに用いるための光学
系を開発しなければならないというネックがある。その
ほか、電子線描画法を利用してビットを作成する方法も
知られているが、これには真空設備や高電圧電源を必要
とするためコスト高になる。

【０００４】このような方法の欠点を克服するために、
これまでレーザー光で発生させた熱を利用してカルコゲ
ン化合物の結晶状態を変化させ、結晶状態の違いに基づ
くエッチングレートの差を利用して微細加工を行う方法
（特願平８−２４９４９３号）や、レーザーにより直接
描画しうるレジスト層を有する積層材にレーザースポッ
トを照射して描画する方法（特願平１１−３５２４６
号）が提案されている。

【０００５】しかしながら、カルコゲン化合物の結晶状
態の違いを利用する方法は、結晶状態の違いに基づくエ
ッチングレートの差はそれほど大きくなく、またカルコ
ゲン化合物の均一な膜を形成させることが難しいため、
同じ結晶状態であっても部分的にエッチングレートに差
異を生じ、特に粒界部分が速くエッチングされるため、
所望の微細加工が行われないという欠点がある上に、カ
ルコゲン化合物は単独では毒性を有するので安全面でも
問題があった。

【０００６】また、レーザー光の直接露光による描画方
法における、その加工可能な寸法の限度は、回折限界に
より制限されるため、微細加工寸法に対応した波長をも
つレーザー光が必要不可欠である。したがって、加工寸
法を小さくするためには、レーザー光源そのものを開発
することが必要であり、またその光に対応したレジスト
の開発も不可欠となり、高コストになるのを免れない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情のもとで、高価で大がかりな装置を使用する必要が
なく、既存の低コストのレーザー光源を用い、回折限界
をはるかに超えた加工寸法を実現する微細加工用材料及
びそれを用いた微細加工方法を提供することを目的とし
てなされたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、新規な微
細パターン描画材料を開発するために鋭意研究を重ねた
結果、絞ったビーム光のスポット内に温度分布が生じる
ことを利用し、かつ広い範囲の波長の光を吸収して発熱
する物質からなる層と、その物質と反応して合金化しう
る物質からなる層とを積層し、これに光照射して加熱
し、合金化や複合化し、合金化又は複合化した部分と、
未変化部分とのエッチング速度の差を利用して微細パタ
ーンを形成すれば、高価で大がかりな装置や特殊な材料
を用いることなく、容易に微細加工できることを見出
し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

【０００９】すなわち、本発明は、基板上に、少なくと
も１種の無機物質（Ａ）の層と光照射により無機物質
（Ａ）と反応する少なくとも１種の無機物質（Ｂ）とか
らなる複合層で、かつ反応後の物質が無機物質（Ａ）又
は（Ｂ）と異なるエッチング速度をもつことを特徴とす
る微細パターン描画材料、及びこの微細パターン描画材
料に、絞ったビーム光を照射して無機物質（Ａ）又は無
機物質（Ｂ）と異なるエッチング速度をもつ物質を生成
させたのち、そのエッチング速度の差を利用してエッチ
ング加工することを特徴とする微細加工方法を提供する
ものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に添付図面に従って、本発明を
詳細に説明する。図１は、本発明の原理を説明するため
の拡大断面図であって、この図において、透明基板１の
上に、光照射により発熱する無機物質（Ａ）の層３と加
熱により無機物質（Ａ）と反応して、例えば合金化する
無機物質（Ｂ）の層４とからなる複合層が保護層２を介
して積層され、微細パターン描画材料を構成している。
なお、上記の条件を満たす限り、無機物質（Ｂ）も光照
射により発熱するものであっても差し支えない。

【００１１】この微細パターン描画材料に基板１の側か
らレーザー光６をレンズ７を通して照射すると、集光さ
れた光は無機物質（Ａ）の層３に吸引され、熱に変換さ
れ、発熱する結果、無機物質（Ａ）と無機物質（Ｂ）と
が加熱反応して合金５を生成する。保護層２は、レーザ
ー光の照射により発生した熱から基板１を保護するため
に設けられたものであるから、基板１が耐熱性を有する
ものであれば、保護層２は省略することもできる。ま
た、この構造例においては、基板１として透明な材料を
用いているので、レーザー光の照射を基板側から行って
いるが、不透明な基板材料を用いた場合には、無機物質
（Ａ）の層３と無機物質（Ｂ）の層４の配置を逆にして
構成し、基板１と反対側からレーザー光を照射して行う
ことになる。この際、無機物質（Ｂ）として光吸収性物
質を用いれば、特に逆にする必要はない。

【００１２】次に図２は、無機物質（Ａ）の層３上に集
光された光のスポット内の光強度の分布を示すグラフで
あるが、これは典型的なガウス分布を構成しており、ス
ポット中心の光強度は強く、中心から離れるに従って光
強度が弱まる。そして、このビーム光スポットの強度分
布がガウス分布を形成することを利用すれば、ある温度
以上の熱発生領域を光スポットよりはるかに小さくし
て、回折限界以下の微細加工寸法を実現することができ
る。

【００１３】そして、合金化は、所定以上の温度におい
て進行するため、光の強度を調整してスポット中心部の
狭い領域のみで起させることができるので、回折限界を
遥かに越えた微細な領域で熱による反応を行わせ、微細
パターンを描画したのち、エッチングにより微細加工す
ることができる。

【００１４】この場合、反応領域と未反応領域とのエッ
チング速度の関係は、前者が大、後者が小であってもよ
いし、また逆に前者が小、後者が大であってもよい。い
ずれにしても、このエッチング速度の差により、エッチ
ングによりレーザー光の照射領域又は非照射領域のいず
れか一方を除去し、他方を残留させることができる。

【００１５】本発明の微細パターン描画材料における基
板１としては、一般にリソグラフィー法により電子、電
気部品を製造する際に、基板として通常用いられている
ものの中から任意に選んで用いることができる。このよ
うなものとしては、例えば、ケイ素、タンタル、アルミ
ニウム、ガリウム−ヒ素、ガラス板のような無機質基板
やポリプロピレン、アクリル樹脂、ポリカーボネート、
スチレン系樹脂、塩化ビニル系樹脂などのプラスチック
基板などがある。そのほかアルミニウム、タンタル、酸
化ケイ素などの無機質基板やガラス板上にアルミニウム
やタンタルを蒸着したものや光硬化性樹脂層で被覆した
ものも用いることができる。

【００１６】次に、光照射により発熱する無機物質
（Ａ）としての、金、銀、銅、アルミニウム、チタン、
スズ、鉛、亜鉛、インジウムなどの金属と組み合わせて
用いる無機物質（Ｂ）は、基本的に熱で無機物質（Ａ）
と反応して、例えば合金化、化合物化、複合化しうるも
のであればどのようなものでもよい。これらの選択は、
既知の状態図や化学量論的組成を参考にして行うことが
できる。このように、加熱により上記の無機物質（Ａ）
と反応して合金化する無機物質（Ｂ）の例としては、ス
ズ、アンチモン、ビスマス、カドミウムなどの金属やケ
イ素、炭素などの非金属を挙げることができる。

【００１７】金とケイ素やチタンと炭素とは容易に合金
化するため、無機物質（Ａ）として金又はチタンを、ま
た無機物質（Ｂ）としてケイ素又は炭素を組み合わせて
用いるのが好ましい。そのほか、金属と合金の組合せ
は、比較的に低融点で合金化するのでレーザーパワーが
少なくて済み有利である。この無機物質（Ａ）の層３と
無機物質（Ｂ）の層４は、合金化したときに安定的な組
成比となるような層厚比、又は低活性化エネルギーで合
金化する組成比となるような層厚比、或いは化学量論的
組成になるような層厚比で用いるのが好ましい。

【００１８】次に、保護層２としては、例えばＺｎＳ・
ＳｉＯ₂のような無機化合物やポリイミドのような有機
化合物が用いられる。この保護層の厚さとしては、通常
５０〜５００ｎｍの範囲内で選ばれるが、この厚さは使
用する光の波長及び保護層の材質に依存するため、場合
によっては、この範囲外になることもある。

【００１９】本発明の微細パターン描画材料を用いて微
細加工するには、ビーム光を照射して、所望の領域に合
金部分を生成させ、合金部分と非合金部分との間のエッ
チング速度の差を利用して、一方を除去し、他方を残す
ことにより、微細構造を形成させる。

【００２０】図３は、本発明による微細加工を説明する
ための断面説明図である。すなわち、図２の方法により
合金化部分を形成させた微細パターン描画材料をエッチ
ングガス８に暴露し、エッチングする。この際、無機物
質（Ｂ）の層４のエッチング速度が大きいエッチングガ
スを用いれば、左の経路をたどって、合金化部分が残る
し、逆に合金化部分のエッチング速度が大きいエッチン
グガスを用いれば、右の経路をたどって合金化部分が除
かれる。このように、エッチングガスの種類を選ぶこと
により、合金部分のエッチング、非合金部分のエッチン
グを任意に選択して行うことができる。なお、ガスによ
るエッチングの代りに溶液中でのエッチングを用いるこ
ともできる。図３では、無機物質（Ｂ）の層４だけをエ
ッチングした例を示したが、無機物質（Ａ）の層３もエ
ッチング可能であるし、反応後の物質５を全てエッチン
グすることも可能である。

【００２１】本発明の微細パターン描画方法における光
源としては、一般の微細パターン描画の際に使用されて
いる各種活性光の中から必要に応じ適宜選んで用いるこ
とができる。このような活性光としては、可視光、深紫
外光、電子線、ｉ線、ｇ線、ＫｒＦエキシマレーザー、
ＡｒＦエキシマレーザーなどがある。

【００２２】また、本発明の微細パターン描画材料は、
図４に示すように、ヒーター９により全体を加温しなが
ら描画することもできる。このようにすると、レーザー
光の出力を低下させることができるので、急激な温度上
昇やレーザー光により発生する熱による材料の急激な膨
張その他の変形を防止することができる。この加温は、
ヒーターを用いる代りに、さらに別のレーザー光の照射
によって行うこともできる。

【００２３】

【実施例】次に、実施例により本発明をさらに詳細に説
明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定され
るものではない。

【００２４】実施例 ポリカーボネート製ディスク基板（直径１２０ｍｍ、厚
さ０．６ｍｍ）上に、スパッタリング法によりＺｎＳ・
ＳｉＯ₂を厚さ２００ｎｍで積層し保護層としたのち、
スパッタリング法により金１４ｎｍ及びその上にケイ素
６ｎｍを積層し、微細パターン描画材料を製造した。次
に、この微細パターン描画材料を光ディスクドライブテ
スターに装着し、線速６ｍ／ｓで回転させながら、６Ｍ
Ｈｚ、デューティー５０％のパルスレーザー光を照射し
て、５００ｎｍのサイズの金−ケイ素合金領域を形成さ
せた。次いで、最上層のケイ素層をエッチングガスとし
て四フッ化炭素を用いてエッチングしたところ、ケイ素
部分は除かれ、合金部分が残留して微細パターンが形成
された。この実験系における開口数＝０．６、レーザー
光波長６３０ｎｍなので、回折限界は５３０ｎｍとな
る。従って、それより小さい構造物が形成されたことが
分る。このようにして得た試料の表面を原子間力顕微鏡
で観察した結果を図５に示す。

【００２５】

【発明の効果】本発明の微細パターン描画材料及び微細
パターン描画方法は、全く新しい原理に基づくものであ
り、これによれば、大規模な装置を用いる必要がなく、
しかも回折限界よりもはるかに小さい微細加工を行うこ
とができる。また、本発明によれば、使用する光の回折
限界より遥かに小さいサイズまで加工可能な上に、無機
物質からなる材料を用いているため、吸収させる光の波
長範囲を赤外域から紫外域にわたる広い範囲で選ぶこと
ができるという利点がある。すなわち、このような広い
領域での光が用いられると、既存のレンズや鏡のような
光学系器材を使用できるので、低コストである。さら
に、集中光により発生させた熱を利用し、微小領域に合
金を形成させる材料であるため、合金形成可能な物質同
士の組合せを広い範囲で選択しうるため、目的に応じた
材料を作成しうるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の微細パターン描画材料の構造例を示
す拡大断面図。

【図２】 照射光により熱を発生する無機物質層におけ
る光スポット内の光強度分布を示すグラフ。

【図３】 本発明方法中のエッチング過程を示す拡大断
面図。

【図４】 加温しながら行う本発明の描画方法の説明
図。

【図５】 実施例で得た微細パターンの原子間力顕微鏡
写真図。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 保護層 ３ 光照射により発熱する無機物質（Ａ）の層 ４ 無機物質（Ａ）と加熱反応して合金化する無機物質
（Ｂ）の層 ５ 合金層 ６ 照射光 ７ レンズ ８ エッチングガス ９ ヒーター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桑原 正史 茨城県つくば市東１丁目１番地１ 独立行 政法人産業技術総合研究所つくばセンター 内 (72)発明者 富永 淳二 茨城県つくば市東１丁目１番地１ 独立行 政法人産業技術総合研究所つくばセンター 内 (72)発明者 阿刀田 伸史 茨城県つくば市東１丁目１番地１ 独立行 政法人産業技術総合研究所つくばセンター 内 (72)発明者 藤 寛 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 菊川 隆 東京都中央区日本橋一丁目13番１号 ティ ーディーケイ株式会社内 Ｆターム(参考） 2H025 AB14 AB20 AC08 AD01 FA39 2H111 EA03 EA12 EA25 EA32 FA02 FA14 FB02 FB04 FB16 FB17 FB29 GA03 GA11 5D121 AA01 BB21 BB31 GG04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、少なくとも１種の無機物質
   （Ａ）の層と光照射により無機物質（Ａ）と反応する少
   なくとも１種の無機物質（Ｂ）とからなる複合層で、か
   つ反応後の物質が無機物質（Ａ）又は（Ｂ）と異なるエ
   ッチング速度をもつことを特徴とする微細パターン描画
   材料。
2. 【請求項２】 複合層が、照射された光を吸収し発熱す
   る無機物質（Ａ）の層と、加熱により無機物質（Ａ）と
   反応する無機物質（Ｂ）からなり、かつ反応後の物質が
   無機物質（Ａ）又は（Ｂ）と異なるエッチング速度をも
   つ請求項１記載の微細パターン描画材料。
3. 【請求項３】 光の照射条件を変えることにより発熱領
   域を光の照射領域より小さくしうる請求項２記載の微細
   パターン描画材料。
4. 【請求項４】 基板と複合層との間に保護層を有する請
   求項１記載の微細パターン描画材料。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の微
   細パターン描画材料に、絞ったビーム光を照射して無機
   物質（Ａ）又は無機物質（Ｂ）と異なるエッチング速度
   をもつ物質を生成させたのち、そのエッチング速度の差
   を利用してエッチング加工することを特徴とする微細加
   工方法。