JP2006327007A - 微細加工用型 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐久性が高く、平面度の値が小さく、離型性の良い型およびその作製方法を提供すること。
【解決手段】 加工対象物２００の被成型面に押圧してパターンを転写するための型１００であって、第１の材料によって形成され、所定の平面度以下の平面１１を有する型本体部１と、第１の材料より耐久性の高い第２の材料によって平面１１に形成され、加工対象物にパターンを転写するためのパターン部２と、を具備する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、微細な形状を形成するための微細加工用型に関するものである。

ＬＳＩ(大規模集積回路)に代表される微細回路パターンを半導体基板(以下、単に基板と称する)上に形成するには、フォトリソグラフィーと呼ばれる技術が一般に用いられている。しかしながら、この方法では、形成するパターンの微細化にともない、装置の大型化やコストの増大を招いていた。

また、微細な成型物を得るために、加熱されて溶融した樹脂を、この樹脂のガラス転移温度以下に加熱された金型に高速・高圧で流し込み、圧力をコントロールしながら凝固させて成型する射出成型も用いられている。しかしながら、この方法では、供給された樹脂が金型に熱を奪われながら凝固するため、金型の微細なパターンの中に樹脂が侵入し難く、微細な形状を形成することは困難であった。また、金型を加熱し、微細なパターン内に樹脂が侵入するのを待った後、金型を冷却し成型することも考えられる。しかしながら、射出成型では、金型に樹脂を高圧で流し込む必要があるため、高圧に耐えられる大きな金型が必要であり、金型の熱容量が大きくなる結果、加熱・冷却に時間がかかるという問題があった。

近年、上記問題を解決するものとして、超微細なパターンを基板上に形成するナノインプリンティングプロセス技術が注目されている（例えば、特許文献１参照。）。このプロセスは、簡単に説明すると以下の手順で行われる。

まず、形成したいパターンが表面に作りこまれた型を準備し、ガラス転移温度以下の温度に保持された樹脂に、ガラス転移温度以上に加熱された型を押圧する。すると、樹脂表面が溶融、流動し、型のパターンが樹脂に転写される。次に、型を冷却して樹脂を凝固させ、型を離型する。これにより、樹脂にパターンが形成される。

この方法では、高価な電子ビーム光源や光学系を必要とせず、加熱用ヒータとプレス装置を基本とした簡易な構造を用いることができる。

また、この方法では、樹脂が型に熱を奪われて凝固するという問題もなく、樹脂を型の微細なパターン内に侵入させることができる。また、射出成型のような高圧に耐える大型の金型は不要であるため、高速に昇降温が可能であり、スループットの問題は生じない。

実際、ナノインプリンティングプロセス技術を用いることで、回折格子、フォトニック結晶、導波路、等の光デバイスや、マクロチャネル、リアクター等の流体デバイスのような、各種のマイクロチップ、マイクロデバイスの製作も可能な状況が実現しつつある。

このようなナノインプリンティングプロセスに用いられる型としては、電子ビームやフォトリソグラフィー技術を用いてＳｉ基板の表面にパターンを形成したものがある（例えば特許文献２）。また、このように形成された型をマスターとし、その表面に電気鋳造(エレクトロフォーミング)法を用いて金属メッキを施し、マスターからこの金属メッキ層を剥離して形成したものもある。

米国特許第５７７２９０５号明細書（第４段落第４６−４７行） 国際公開第２００４／０６２８８６号パンフレット（第１２頁第１９−２３行）

しかしながら、Ｓｉ材料を用いた型は、靭性等の耐久性が低いためナノインプリンティングプロセス中に壊れやすく、大量生産用の型には向かないという問題がある。

また、金属材料を用いた型は、Ｓｉ材料に比較して耐久性は高いがパターン面の平面度の値は大きく、加工するパターンの深さが小さくなる程、パターンを正確に転写するのが難しくなるという問題がある。

更に、型の熱膨張係数と加工対象物の熱膨張係数に大きな差があると、型を冷却した際に、型と加工対象物との収縮率（膨張率）の差によってパターンと加工対象物が噛み合うため、離型をすることができなかったり、無理に剥がすと形成されたパターンが崩れたりするなどの問題があった。

そこで本発明は、耐久性が高く、平面度の値が小さく、離型性の良い型およびその作製方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の型は、加工対象物の被成型面に押圧してパターンを転写するための型であって、第１の材料によって形成され、所定の平面度以下の平面を有する型本体部と、前記第１の材料より耐久性の高い第２の材料によって前記平面に形成され、前記加工対象物に前記パターンを転写するためのパターン部と、を具備することを特徴とする。

また、本発明の別の型は、加工対象物の被成型面に押圧してパターンを転写するための型であって、第１の材料によって形成され、所定の平面度以下の平面を有する型本体部と、前記第１の材料より耐久性の高い第２の材料によって形成され、前記加工対象物に前記パターンを転写するためのパターン部と、前記第１の材料との密着性および前記第２の材料との密着性が、前記第１の材料と前記第２の材料との間の密着性よりも高い第３の材料によって前記平面と前記パターン部との間に形成される中間層と、を具備することを特徴とする。

この場合、前記型本体部の前記平面とは反対側の面に、前記パターン部と同一材料によって形成された反り防止膜を具備する方が好ましい。また、型本体部とパターン部との間に中間層を有する場合には、前記型本体部の前記平面とは反対側の面に、前記中間層と同一材料によって形成された第１の反り防止膜と、前記第１の反り防止膜上に、前記パターン部と同一材料によって形成された第２の反り防止膜と、を具備する方が好ましい。また、前記平面は、平面度が１００ｎｍ以下に形成される方が好ましい。また、前記第１の材料は、前記加工対象物を構成する材料のうち前記被成型面の熱膨張に支配的な材料の熱膨張係数との差が１００Ｋ^−１以下である方が好ましい。また、前記第１の材料は、前記加工対象物を構成する材料のうち前記被成型面の熱膨張に支配的な材料と同一の材料である方が好ましい。また、前記第１の材料は、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＳｉＣ，セラミックス，金属，金属間化合物，金属酸化物，金属窒化物，ガラス状カーボンのいずれかである方が好ましい。また、前記第２の材料は、金属である方が好ましい。

請求項１，５，８，９記載の発明によれば、型を型本体部とパターン部とに分け、型の平面度を型本体部で調整し、型の耐久性をパターン部で調整するので、正確なパターンを転写することができる高寿命な型を提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、型本体部とパターン部との間に、中間層を設けるので、型本体部の材料とパターン部の材料との密着性が低い場合であっても、型を形成することができる。

請求項３，４記載の発明によれば、型本体部のパターン部が形成されている面とは反対側の面に、反り防止膜又は第１の反り防止膜及び第２の反り防止膜を設けるので、型本体部とパターン部の熱膨張率の差による応力によって型が反ってしまうのを防止することができる。

請求項６，７記載の発明によれば、加工対象物を構成する材料のうち被成型面の熱膨張に支配的な材料の熱膨張係数との差が１００Ｋ^−１以下の材料又は加工対象物を構成する材料のうち被成型面の熱膨張に支配的な材料と同一の材料を型本体部に用いるので、型を冷却した際の型と加工対象物の収縮率（膨張率）の差を小さくすることができ、離型性を向上することができる。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の型１００は、図１に示すように、加工対象物２００（図９参照）の被成型面に押圧して所定のパターンを転写するための型１００であって、第１の材料によって形成される型本体部１と、第１の材料より耐久性（靭性や耐摩耗性等）の高い第２の材料によって形成され、加工対象物２００にパターンを転写するためのパターン部２と、で主に構成される。

ここで、型１００のパターンが転写される加工対象物２００としては種々のものがあり、例えばシリコンやガラス等からなる基板本体２０１の表面に、「配線パターンを形成するためのアルミニウム、金、銀などの金属薄膜」や、「樹脂、フォトレジスト等の被覆層」等の薄膜２０２が形成されたものがある｛図９（ａ）参照｝。また、「ポリカーボネート、ポリイミド等の樹脂」、「アルミニウム等の金属」、「ガラス、石英ガラス、シリコン、ガリウム砒素、サファイア、酸化マグネシウム等の無機材料」などの成形素材が、そのまま基板形状をなしているものもある｛図９（ｂ）参照｝。更に、加工対象物２００は、基板以外の形状、例えばフィルム状に形成されるものもある（図示せず）。

型本体部１は、所定の平面度以下の平面１１を有する略平板状に形成される。この平面１１の平面度は、加工対象物２００に型１００を押圧した際に、型１００のパターンを転写できる許容値以下に形成される。例えば、加工対象物２００が、基板とこの基板上に形成された薄膜とで構成される場合には、平面度を、少なくとも薄膜の厚さ以下に形成しなければならない。具体的には、平面度は１μｍ以下である方が好ましく、更に１００ｎｍ以下である方が好ましく、更に１０ｎｍ以下である方が好ましく、更に１ｎｍ以下である方が好ましい。型本体部１の平面１１を平坦にする方法としては、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）等の平坦化技術を好適に用いることができる。

型本体部１の材料（第１の材料）としては、平面１１を形成できると共に、パターン転写時の押圧力に耐えられる強度を有するものが良い。例えば、「Ｓｉ等の元素半導体」、「ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＳｉＣ等の化合物半導体」、「セラミックス」、「金属」、「金属間化合物」、「金属酸化物」、「金属窒化物」、「ガラス状カーボン等の炭素素材」などから適宜選択することができる。

また、型１００の熱膨張係数と加工対象物２００の熱膨張係数に大きな差があると、加熱された型１００を冷却した際に、型１００と加工対象物２００との収縮率（膨張率）の差によって、型１００のパターンと加工対象物２００が噛み合い、離型をすることができなかったり、無理に剥がすと形成されたパターンが崩れたりするなどの問題がある。したがって、型本体部１の材料（第１の材料）として更に好ましくは、加工対象物２００を構成する材料のうち被成型面の熱膨張に支配的な材料の熱膨張係数と近い材料を用いる方が好ましい。具体的には、熱膨張係数の差が１００Ｋ^−１以下である材料を用いる方が好ましく、更に好ましくは、５０Ｋ^−１以下である材料を用いる方が良く、更に好ましくは、１０Ｋ^−１以下である材料を用いる方が良く、更に好ましくは、５Ｋ^−１以下である材料を用いる方が良く、更に好ましくは、１Ｋ^−１以下である材料を用いる方が良い。また、加工対象物２００を構成する材料のうち被成型面の熱膨張に支配的な材料と同一の材料を用いるのが最も好ましい。例えば、加工対象物２００がＳｉ基板とその表面に形成された薄膜から成り、加工対象物の温度を変化させた際に、薄膜の成型面の熱膨張がＳｉ基板の熱膨張に支配される場合には、型本体部１の材料（第１の材料）をＳｉによって形成すれば良い。型本体部１をこのように構成することにより、型１００と加工対象物２００の膨張率（収縮率）の差を小さくすることができるので、型１００を冷却した際に、型１００のパターンと加工対象物２００とが噛み合うのを極力防止することができる。したがって、離型性を向上することができる。

パターン部２は、加工対象物に転写するパターンとしての凹凸からなるもので、第１の材料より耐久性（靭性、耐摩耗性、疲労強度、耐熱性等）の高い第２の材料によって型本体部１の平面１１に形成される。ここで、パターン部２の凹凸の幅は、加工される製品の種類によって異なり、１００μｍ以下、１０μｍ以下、１μｍ以下、１００ｎｍ以下、１０ｎｍ以下等種々の大きさに形成される。また、第２の材料としては、例えば、「Ｓｉ等の元素半導体」、「ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＳｉＣ等の化合物半導体」、「セラミックス」、「金属」、「金属間化合物」、「金属酸化物」、「金属窒化物」、「ガラス状カーボン等の炭素素材」などを選択することができる。

このパターン部２の形成方法としては、どのようなものでも良いが、例えばフォトリソグラフィープロセスやリフトオフプロセスを用いればよい。

また、型本体部１とパターン部２との間の密着性が低い場合には、図２に示すように、型本体部１とパターン部２との間に、型本体部１の材料（第１の材料）との密着性およびパターン部２の材料（第２の材料）との密着性が、型本体部１の材料（第１の材料）とパターン部２の材料（第２の材料）との間の密着性よりも高い第３の材料からなる中間層３を形成することもできる。例えば、シリコン（Ｓｉ）とタングステン（Ｗ）は密着性が低いため、シリコン基板（型本体部１）上に直接タングステン（Ｗ）からなるパターン部２を形成することは難しい。しかし、シリコン（Ｓｉ）及びタングステン（Ｗ）の両方に対して密着性の高いチタン（Ｔｉ）を第３の材料として中間層３を形成すれば、タングステン（Ｗ）からなるパターン部２を形成することができる。また、第３の材料として、パターン部２の材料（第２の材料）が拡散し難いものを用いれば、パターン部２の材料（第２の材料）が型本体部１の材料（第１の材料）に拡散するのを抑制し、パターン部が劣化するのを防止することもできる。

また、型本体部１の一方の面（平面１１）だけにパターン部２を形成すると、型１００の温度が変化した際に、型本体部１とパターン部２の熱膨張率の差による応力によって、型１００が反って平面度が大きくなり、パターンを正確に転写することができなくなるという問題がある。したがって、図３に示すように、型本体部１の平面１１と反対側の面１２にパターン部２と同一材料によって反り防止膜４を形成する方が好ましい。また、型本体部１とパターン部２との間に中間層３を形成する場合には、図４に示すように、型本体部１の平面１１とは反対側の面１２に、中間層３と同一材料によって形成された第１の反り防止膜４１と、第１の反り防止膜４１上（第１の反り防止膜４１の型本体部１とは反対側の面）にパターン部２と同一材料によって形成された第２の反り防止膜４２と、を形成する方が好ましい。これにより、型１００の温度が変化しても、熱膨張率の差によって生じる応力を型本体部１の両面でほぼ等しくすることができるので、型１００が反るのを防止することができる。
次に、本発明の型１００の作製方法について説明する。

図５は、フォトリソグラフィープロセスを用いた型１００の作製方法を示す図である。ここでは、型本体部１の材料（第１の材料）が単結晶シリコン、パターン部２の材料（第２の材料）がＮｉ−Ｃｒ合金である型１００の作製方法について具体的に説明する。

まず、平面度が型１００のパターンを転写できる許容値以下、例えば１００ｎｍ以下の平面１１を有する略平板状の単結晶シリコン基板（型本体部１）を用意し｛図５（ａ）｝、この平面１１上に単結晶シリコンより耐久性の高いＮｉ−Ｃｒ合金からなるパターン用膜２１を形成する｛図５（ｂ）｝。このパターン用膜２１は、例えばＰＶＤ法（Physical Vapor Deposition）やＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）等を用いて形成すればよい。

次に、パターン用膜２１上にコータ等を用いて感光性のあるポジ型のレジスト膜５を形成し｛図５（ｃ）｝、ステッパや電子ビーム（ＥＢ）によって形成したいパターンをレジスト膜上に露光する｛図５（ｄ）｝。
次に、レジスト膜５を現像して感光した部分５１を除去し｛図５（ｅ）｝、続いてパターン用膜２１の露出している部分２２をエッチングにより除去する｛図５（ｆ）｝。
最後に、残っているレジスト膜５を除去してパターン部２を形成する｛図５（ｇ）｝。
これにより、所望のパターンが形成された型１００を作製することができる。

また、図６は、リフトオフプロセスを用いた型１００の作製方法を示す図である。

まず、平面度が型１００のパターンを転写できる許容値以下、例えば平面度が１００ｎｍ以下の平面１１を有する略平板状の単結晶シリコン基板（型本体部１）を用意し｛図６（ａ）｝、この平面１１上にコータ等を用いて感光性のあるポジ型のレジスト膜５を形成する｛図６（ｂ）｝。

次に、ステッパや電子ビーム（ＥＢ）によって形成したいパターンをレジスト膜５上に露光し｛図６（ｃ）｝、レジスト膜５を現像して感光した部分５２を除去する｛図６（ｄ）｝。

この基板（型本体部１）上に、単結晶シリコンより耐久性の高いＮｉ−Ｃｒ合金からなるパターン用膜２１を形成する｛図６（ｅ）｝。このパターン用膜２１は、例えばＰＶＤ法（Physical Vapor Deposition）やＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）、めっき法等を用いて形成すればよい。

最後に、レジスト膜５をエッチングして除去し、パターン部２を形成する｛図６（ｆ）｝。
これにより、所望のパターンが形成された型１００を作製することができる。

図７は、中間層３を有する型１００の作製方法を示す図である。型本体部１の材料（第１の材料）には単結晶シリコン、パターン部２の材料（第２の材料）にはタングステン（Ｗ）、中間層３の材料（第３の材料）にはチタン（Ｔｉ）を用いた場合について説明する。

まず、平面度が型１００のパターンを転写できる許容値以下、例えば平面度が１００ｎｍ以下の平面１１を有する略平板状の単結晶シリコン基板（型本体部１）を用意し｛図７（ａ）｝、この平面１１上にチタン（Ｔｉ）からなる中間層３を形成し｛図７（ｂ）｝、続いてタングステン（Ｗ）からなるパターン用膜２１を形成する｛図７（ｃ）｝。パターン用膜２１及び中間層３は、例えばＰＶＤ法（Physical Vapor Deposition）やＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）等を用いて形成すればよい。

次に、パターン用膜２１上にコータ等を用いて感光性のあるポジ型のレジスト膜５を形成し｛図７（ｄ）｝、ステッパや電子ビーム（ＥＢ）によって形成したいパターンをレジスト膜５上に露光する｛図７（ｅ）｝。

次に、レジスト膜５を現像して感光した部分５３を除去し｛図７（ｆ）｝、続いてパターン用膜２１の露出している部分２２をエッチングにより除去する｛図７（ｇ）｝。
最後に、残っているレジスト膜５を除去してパターン部２を形成する｛図７（ｈ）｝。
これにより、中間層３を有する型１００を作製することができる。

なお、パターン部２の形成方法はこれに限られるものではなく、例えば、単結晶シリコン基板（型本体部１）の平面１１上に中間膜３を形成し、その後リフトオフプロセスを用いてパターン部２を形成することも勿論可能である。

図８は、反り防止膜４を有する型１００の作製方法を示す図である。
まず、平面度が型１００のパターンを転写できる許容値以下、例えば平面度が１００ｎｍ以下の平面１１を有する略平板状の単結晶シリコン基板（型本体部１）を用意し｛図８（ａ）｝、この基板の平面１１に単結晶シリコンより耐久性の高いＮｉ−Ｃｒ合金からなるパターン用膜２１を形成すると共に、平面１１とは反対側の面１２にパターン用膜２１と同一の材料であるＮｉ−Ｃｒ合金からなる反り防止膜４を形成する｛図８（ｂ）｝。このパターン用膜２１及び反り防止膜４は、例えばＰＶＤ法（Physical Vapor Deposition）やＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）等を用いて形成すればよい。

次に、パターン用膜２１上にコータ等を用いて感光性のあるポジ型のレジスト膜５を形成し｛図８（ｃ）｝、ステッパや電子ビーム（ＥＢ）によって形成したいパターンをレジスト膜５上に露光する｛図８（ｄ）｝。

次に、レジスト膜５を現像して感光した部分５４を除去し｛図８（ｅ）｝、続いてパターン用膜２１の露出している部分２２をエッチングにより除去する｛図８（ｆ）｝。
最後に、残っているレジスト膜５を除去してパターン部２を形成する｛図８（ｇ）｝。
これにより、反り防止膜４を有する型１００を作製することができる。

なお、上記説明では、レジストとしてポジ型のものを用いて説明したが、これに限られるものではなく、ネガ型のレジストを用いることも勿論可能である。
また、型１００の作製方法は、実施例１〜４に記載のものに限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。

本発明の型を示す概略断面図である。 本発明の中間層を有する型を示す概略断面図である。 本発明の反り防止膜を有する型を示す概略断面図である。 本発明の中間層、第１の反り防止膜及び第２の反り防止膜を有する型を示す概略断面図である。 本発明の型作製方法を示す説明図である。 本発明の別の型作製方法を示す説明図である。 本発明の中間膜を有する型の型作製方法を示す説明図である。 本発明の反り防止膜を有する型の型作製方法を示す説明図である。 加工対象物を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 型本体部
２ パターン部
３ 中間層
４ 反り防止膜
５ レジスト膜
１１ 平面
１２ 面
２１ パターン用膜
４１ 第１の反り防止膜
４２ 第２の反り防止膜
１００ 型
２００ 加工対象物

Claims (9)

1. 加工対象物の被成型面に押圧してパターンを転写するための型であって、
   第１の材料によって形成され、所定の平面度以下の平面を有する型本体部と、
   前記第１の材料より耐久性の高い第２の材料によって前記平面に形成され、前記加工対象物に前記パターンを転写するためのパターン部と、
   を具備することを特徴とする型。
2. 加工対象物の被成型面に押圧してパターンを転写するための型であって、
   第１の材料によって形成され、所定の平面度以下の平面を有する型本体部と、
   前記第１の材料より耐久性の高い第２の材料によって形成され、前記加工対象物に前記パターンを転写するためのパターン部と、
   前記第１の材料との密着性および前記第２の材料との密着性が、前記第１の材料と前記第２の材料との間の密着性よりも高い第３の材料によって前記平面と前記パターン部との間に形成される中間層と、
   を具備することを特徴とする型。
3. 前記型本体部の前記平面とは反対側の面に、前記パターン部と同一材料によって形成された反り防止膜を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の型。
4. 前記型本体部の前記平面とは反対側の面に、前記中間層と同一材料によって形成された第１の反り防止膜と、
   前記第１の反り防止膜上に、前記パターン部と同一材料によって形成された第２の反り防止膜と、
   を具備することを特徴とする請求項２記載の型。
5. 前記平面は、平面度が１００ｎｍ以下に形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の型。
6. 前記第１の材料は、前記加工対象物を構成する材料のうち前記被成型面の熱膨張に支配的な材料の熱膨張係数との差が１００Ｋ^−１以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の型。
7. 前記第１の材料は、前記加工対象物を構成する材料のうち前記被成型面の熱膨張に支配的な材料と同一の材料であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の型。
8. 前記第１の材料は、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＳｉＣ，セラミックス，金属，金属間化合物，金属酸化物，金属窒化物，ガラス状カーボンのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の型。
9. 前記第２の材料は、金属であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の型。
   

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