JP2008065223A - パターン形成方法、パターン形成装置、記録媒体の製造方法および部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上への微細パターン形成時に、感光性樹脂が反応する部位をより微小に制御するとともに、感光性樹脂層の厚み管理をより簡易化することを可能とするパターン形成方法の実現を目的とする。
【解決手段】特に極短パルスレーザを、その焦点が基板と感光性樹脂層との界面に位置するように集光して、感光性樹脂層を反応させて微細パターンを形成する。その際に、極短パルスレーザは基板側から照射される。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板上への微細パターン形成方法に関する。また、本発明は、微細パターンを有した基板の製造方法に関する。

近年、さまざまな分野において、各種基板上に微細パターンを形成することが要望されており、より幅の細いパターンの形成が必要となってきている。

基板上への微細パターンの形成では、必要となるパターンが形成されたガラスマスクを感光性樹脂が塗布された基板上に載置して、ガラスマスクの上から並行光線を照射して基板上の感光性樹脂を露光・現像することによって、ガラスマスクに形成されたパターンと同一のパターンを基板上に形成するという方法が広く用いられている。

しかし、このようなパターン形成方法では、基本的にマスクサイズと同一寸法のパターンしか基板上に形成することが出来ず、パターン形成上制約があった。また、ガラスマスクを用いたパパターン形成では、形成できるパターンの最小幅は１μｍ程度のものであった。ところが、近年ではナノメータサイズのパターン形成が強く要望されており、ガラスマスクを用いたパターン形成方法ではこのような要望に応えることが困難であった。

このほかに、基板上に塗布された感光性樹脂に対してレーザ光や電子ビームなどの各種エネルギービームを集光照射し、感光性樹脂を走査することで微細パターンを形成する方法が知られている。このようなパターン形成方法では、予めパターンが形成されたガラスマスクなどを用いる必要が無いことから、形成可能なパターンの制約は小さく、任意のパターンを形成することが出来る。

図１は、従来のレーザ光を用いたパターン形成を説明する図面である。図１に示されるパターン形成方法では、レーザ光を集光レンズにより集光し、感光性樹脂に照射させる。レーザ光が照射された感光性樹脂の領域は、光と反応することによって硬化する。一方、レーザ光が照射されていない感光性樹脂の領域は、光とは反応しないことから硬化しない。

レーザ光によって所望のパターン描画が終了した後は、現像処理を施すことによって感光性樹脂の未硬化部分が除去され、これによって基板上に必要な微細パターンが形成される。
特開２００６−１０６２７７号公報 特開２００２−１６００７９号公報

図１に示されたレーザ光を用いたパターン形成方法では、形成されるパターンのサイズは、照射されるレーザ光の照射スポット径にほぼ等しいものとなる。ここで、図１に示されたパターン形成方法の場合、最小パターン幅は集光レンズの回折限界値である数μｍ程度の大きなものとなってしまう。

一方、電子ビームを用いた露光・パターン形成では、ナノメートルサイズのパターン形成は可能ではある。しかし、パターン形成に要する露光装置などの設備の価格が非常に高いため、コスト面でデメリットを生じてしまう。

また、これまでのパターン形成方法で感光性樹脂を感光させる場合、レーザ光などを照射したときには感光性樹脂の表面部分（レーザ光の入射側）から感光性樹脂の硬化が始まってしまう。パターンは基板表面に形成されるものであるため、感光性樹脂が基板の表面にくっついた状態でパターン形成を安定的に行う必要がある。このためには、感光性樹脂と基板との境界面に至るまでレーザ光が十分に照射される必要があるが、感光性樹脂層が厚すぎるとレーザ光の照射が不十分となってしまい、境界面にレーザ光が十分に照射されなくなる可能性があるため、感光性樹脂層の厚みを厳密に管理しなければならないという問題もある。

本発明は、上記のような課題に鑑み、より微細なパターンの形成を、よりローコストに行うことを可能とすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、パターンが形成される基板上に感光性部材を配置する工程と、極短パルスレーザを集光する工程と、集光された極短パルスレーザを基板側より、その焦点が基板と感光性部材との界面に位置するように位置決めして照射する工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明は、溝状パターンが形成される基板上に感光性部材を配置する工程と、基板と感光性部材との界面に焦点が位置するよう、パルスレーザ光をパターンが形成される基板の領域に位置決めする工程と、基板側から、基板を透過するように界面に向けてパルスレーザを照射する工程と、感光性部材のうち、パルスレーザに反応した部分と反応していない部分との一方を選択的に除去する工程とを備えたことを特徴とする。

更に、本発明は、パターンが形成される、感光性部材が配置された基板が載置される載置部と、パルスレーザを発振する発振器と、発振器から発振されたパルスレーザを集光する集光手段と、発振器のオン・オフを制御するとともに、基板とパルスレーザとを相対的に移動させる制御部とを備え、パルスレーザの焦点が感光性部材と基板の界面に位置し、且つ基板側から界面に向けて照射されるパターン形成装置であることを特徴とする。

また、本発明は、基板上に感光性部材を配置する工程と、集光された極短パルスレーザを、基板側から、基板と前記感光性部材との界面に焦点が位置するように照射して、基板上にパターンを形成する工程と、極短パルスレーザ照射によって反応した感光性部材の領域と反応していない感光性部材の領域との一方を選択的に除去する工程と、感光性部材が除去された基板上に金属層を形成する工程と、金属層を基板から剥離する工程と、金属層を型として記録媒体上にパターンを形成する工程とを備えた記録媒体の製造方法であることを特徴とする。

そして、本発明は、パターンが形成される部材上に感光性部材を塗布する工程と、部材と感光性部材との界面に、部材側から部材を透過するようにパルスレーザを照射する工程と、パルスレーザの照射により、感光性部材の反応した領域と反応していない領域との一方を選択的に除去する工程と、を有する部材の製造方法であることを特徴とする。

上記の構成により、本発明では、より微細な溝などのパターンを、よりローコストで基盤上に形成することが可能となる。

図２は、本発明の一実施形態による、レーザ光を用いたパターン形成方法を簡略的に示した図面である。本実施形態では、感光性樹脂を露光する光源として、極短パルスレーザ光を用いる。

極短パルスレーザは、フェムト秒〜ピコ秒といった、非常に短い発光時間・パルス幅を有することを特徴とするレーザであり、そのパルス幅の短さから、１０¹⁰Ｗ／ｃｍ²以上の非常に高い強度を得ることが出来る。このような極短パルスレーザを材料加工に用いた場合、照射した領域からの熱拡散がほとんどなく、レーザ光が照射された領域のみに吸収されるために、周囲への熱影響がなく、高品質の加工が可能となっている。

また、極短パルスレーザを用いた場合、多光子吸収プロセスを介するため、レーザ光が全ての物質に吸収され、加工の際の物質依存性が少ないという特徴を有する。

さらに、極短パルスレーザでは、プラズマを介したエネルギの授受による材料変質のプロセスを介することが無いため、安定した加工形状を得ることができるというメリットもある。

本実施形態は、上記特徴のうち、多光子吸収プロセスを活用したものである。多光子吸収プロセスでは、極短パルスレーザをレンズなどの集光光学系を用いて微細なスポットに集光させた場合、図２に示されるように焦点位置近傍のみを選択的に加工することが出来る。このため、集光光学系の回折限界で決まる最小スポット径よりもより小さな領域のみの加工が可能となっている。極短パルスレーザ光を用いた場合の最小加工径は数１０〜数１００ナノメートルとなることが知られている。これに関連する記述は、特開２００６−１０６２７７号公報に開示されている。

本実施形態では、このような極短パルスレーザ光を集光照射して、レーザ光に対して透明な光硬化性樹脂などの感光性樹脂を被加工材として、その材料内部に焦点を設定することによってスポット径より小さな領域のみを硬化させる。そして、基板上に形成された感光性樹脂層と基板との界面部分に焦点が来るように極短パルスレーザ光を集光照射するように設定して、極短パルスレーザ光の照射が終了した後に未硬化樹脂層を洗浄除去、あるいは現像処理することで、基板表面にナノメートルサイズの微細パターンを形成する。

以下、図面を用いてより具体的なパターン形成手順について説明する。

図３は、本実施形態によるディスク状部材へのパターン形成の手順を説明する図面である。ここで、ディスク状部材は、同心円状の溝が形成されるものであり、より具体的には、溝が形成された磁気記録媒体の型として用いることが想定されたものである。

図３（ａ）に示されるように、パターンが形成されるガラス円盤（基板）は、回転軸上に固定される。ガラス円盤は平坦で、その厚みが均一になるように加工されたものとする。回転軸は、ベルトによって接続されたモータによって、図示矢印方向に回転する。ここで、ガラス円盤を回転させながら、ガラス円盤の表面に液体状の感光性樹脂を滴下する。円盤が回転することによって、ガラス円盤表面に均一な感光性樹脂層が形成される（ｂ）。

続いて、ガラス円盤表面に感光性樹脂層が形成された状態でガラス円盤を回転させながら、ガラス円盤表面と感光性樹脂層との界面に焦点をあわせるように、極短パルスレーザを位置あわせした上で照射する（ｃ）。極短パルスレーザは、図示矢印（１）方向に、ガラス円盤に対して相対的に移動可能となっており、ガラス円盤の所望の位置へ極短パルスレーザの位置決めを行った後、極短パルスレーザを照射させる。これによって、極短パルスレーザが照射された部分の感光性樹脂層が反応・硬化する。

図４は、極短パルスレーザをガラス円盤に照射している状態の要部を拡大した図面である。極短パルスレーザは集光レンズにより集光され、その焦点が感光性樹脂とガラス円盤との界面に当たるようにセットされる。極短パルスレーザが照射された感光性樹脂層の部分は、レーザ光と反応して硬化する。一方、極短パルスレーザが照射されていない感光性樹脂層の部分は未反応／未硬化部として残る。

本実施形態では、極短パルスレーザはガラス円盤の側から、言い換えれば感光性樹脂層が形成されていない側から照射される。感光性樹脂層はその厚みが均一となるように形成されてはいるが、微小の範囲では感光性樹脂層の厚みが不均一となる可能性が非常に高い。したがって、感光性樹脂層側から極短パルスレーザを照射した場合、部分によって極短パルスレーザの照射が不十分になる可能性がある。

これに対し、ガラス円盤の厚みは感光性樹脂層よりもより高い精度で均一にすることが出来る。ガラス円盤の側から極短パルスレーザを照射することによって、感光性樹脂層厚みの不均一から生じる屈折による集光位置の変化の影響を受けることなく、感光性樹脂を十分に感光させることができ、より安定した寸法の硬化パターンの形成が可能となる。

また、本実施形態では極短パルスレーザがガラス円盤側から照射されるため、ガラス円盤の側から感光性樹脂を感光させることができ、感光性樹脂はまずガラス円盤に接した側から硬化し始める。このため、感光性樹脂層の厚みの管理は、従来のパターン形成方法と比較してその厳密さを低くすることが可能となる。

このように感光性樹脂を硬化させることによって、図３（ｄ）のように感光性樹脂層に硬化部と未硬化部とが形成される。この後、感光性樹脂層の未硬化部を洗浄除去することで、図３（ｆ）に示されるように、同心円状の溝が形成された円盤を製造することが出来る。

図３の例では同心円上の溝を形成したが、円盤の回転の同期させて極短パルスレーザをガラス円盤の半径方向に沿って一定速度でガラス円盤に対して相対的に移動させることによって、らせん状の溝をガラス円盤上に形成することが可能となる。

図５は、図３・図４に示された手順により溝が形成された円盤を用いた、磁気記録媒体（磁器ディスク）の基板を製造する手順を示した図面である。図５の例で対象とする磁気記録媒体では、媒体表面に同心円状の溝が形成されている。この溝を形成するために、本実施形態によるパターン形成方法が用いられる。

図５（ａ）は、図３・図４に示された工程によって溝が形成されたガラス円盤を示している。ガラス円盤の上には、感光性樹脂が光に反応して形成された硬化部が載置されている。

続いて、図５（ｂ）に示すように、（ａ）に示されたガラス円盤の上に、一例としてニッケル層を形成する。ニッケル層は、スパッタリングやメッキなどによって形成される。次に、ガラス円盤上に形成されたニッケル層を、ガラス円盤から剥離する（ｃ）。剥離されたニッケル層は、スタンパとして利用される。

その後、剥離されたニッケル層を型として用いて、磁気記録媒体上に溝を形成する（ｄ）。そして、ニッケル層を記録媒体から外す。さらに、記録媒体上に磁気記録層、各種コーティングを施すことで、磁気記録媒体が生成される。

上記の例では記録媒体として磁気記録媒体に関する事項を説明したが、記録媒体種別は磁気記録媒体には限定されない。媒体表面に溝などのパターンを形成する必要がある記録媒体であれば、図５において説明した記録媒体の製造方法を応用することは容易であり、例えば光学的な記録を行う記録媒体の製造などにも適用可能である。

なお、上記の例では円盤上の基板にみぞを形成する構成を説明したが、溝を形成する対象は回転する円盤状の基板には限定されない。図６は、基板を回転させることなく、基板上に溝を形成する手順を示す図面である。

図６（ａ）は、手順の原理的な構成を示す図面である。図６（ａ）では、ガラス基板上に感光性樹脂層を形成する。このような基板に対し、光ファイバで光源から導かれた極短パルスレーザを集光レンズにより集光し、ガラス基板と感光性樹脂層との界面に焦点が位置するように照射する。この後、極短パルスレーザ光とガラス基板とを相対的に移動させることによって、任意のパターンで感光性樹脂を硬化することが可能となる。

図６（ｂ）は、ワーク（ガラス基板）を移動させるための装置構成を示す図面である。図６（ｂ）の例では、ガラス基板が窓付きのＸＹテーブル上に載置されている。ここで、ガラス基板上に形成されるべきパターンに対応する情報が付加されたＣＡＤデータが、ＮＣ装置に供給される。ＮＣ装置は、ＣＡＤデータに示されたパターンに従ってＸＹテーブルを移動させる。

一方、ＮＣ装置は、ＸＹテーブルの移動に合わせて、レーザ出射口がガラス基板のパターンが形成されるべき位置にあるときにレーザ発振器をオンにして、ガラス基板の所望の部分に向けて極短パルスレーザ光を照射する。また、パターンを形成する必要のないガラス基板の部分がレーザ出射口に位置している場合には、ＮＣ装置はレーザ発振部をオフにする。このような構成によって、ガラス基板上に任意のパターンを描画することが出来る。

極短パルスレーザ光の焦点がガラス基板と感光性樹脂との界面に位置するように、極短パルスレーザが照射されることは、図３に示された実施形態と同様である（図７参照）。

図６（ｃ）は、ワークではなく、レーザ光を移動させるための装置構成例を示す図面である。図６（ｃ）の例では、集光レンズを含むレーザ出射口が、平面方向に移動可能な機構に取り付けられている。一方、ワーク／ガラス基板はワーク固定枠に固定されている。図６（ｂ）の例と同様に、ＮＣ装置にはガラス基板上に形成されるパターンに対応するデータが吹かされたＣＡＤデータが供給され、ＮＣデータはＣＡＤデータに従ってレーザ出射口を移動させる。これに合わせて、ＮＣ装置はガラス基板のパターンが形成されるべきところにレーザ出射口が位置しているときにレーザ発振器をオンにし、これ以外の場合にはレーザ発振器をオフとする。

上記の例では、光硬化性樹脂を用いて基板上に溝を形成する例について説明した。これ以外にも、半導体装置の製造に用いられるフォトレジストのように、基板への塗布後にベーキングを行ってフォトレジストを硬化させた上で露光を行う材料や、あるいはドライフィルムのように固体状の感光性材料を用いても極短パルスレーザによる微細パターンの形成は可能である。
（付記１）
基板上にパターンを形成するパターン形成方法において、
基板上に感光性部材を配置する工程と、
極短パルスレーザを集光する工程と、
集光された極短パルスレーザを、前記基板側より、その焦点が前記基板と前記感光性部材との界面に位置するように位置決めして照射する工程と、
を備えることを特徴とする、パターン形成方法
（付記２）
基板上に溝状パターンを形成するパターン形成方法において、
基板上に感光性部材を配置する工程と、
前記基板と前記感光性部材との界面に焦点が位置するよう、極短パルスレーザ光をパターンが形成される前記基板の領域に位置決めする工程と、
前記基板側から、前記基板を透過するように、前記界面に向けて前記極短パルスレーザを照射する工程と、
前記感光性部材のうち、前記極短パルスレーザに反応した部分と、前記極短パルスレーザに反応していない部分との一方を選択的に除去する工程と、を備えたことを特徴とする、パターン形成方法。
（付記３）
基板上にパターンを形成するために用いられるパターン形成装置において、
パターンが形成される、感光性部材が配置された基板が載置される載置部と、
極短パルスレーザを発振する発振器と、
前記発振器から発振された極短パルスレーザを集光する集光手段と、
前記発振器のオン・オフを制御するとともに、前記基板と前記極短パルスレーザとを相対的に移動させる制御部と、
を備え、前記極短パルスレーザは、前記感光性部材と前記基板の界面に焦点が位置するように、且つ前記基板側から前記界面に向けて照射されることを特徴とする、パターン形成装置。
（付記４）
前記パターン形成装置において、
前記基板が載置された載置部を移動させる移動手段を更に備え、前記制御部は前記移動手段を制御することを特徴とする、付記３に記載のパターン形成装置。
（付記５）
前記パターン形成装置において、
前記極短パルスレーザを移動させる移動手段を更に備え、前記制御部は前記移動手段を制御することを特徴とする、付記３に記載のパターン形成装置。
（付記６）
前記パターン形成装置において、
前記移動手段には、前記集光手段が取り付けられ、前記集光手段の位置を移動させるように前記制御部は前記移動手段を制御することを特徴とする、付記５に記載のパターン形成装置。
（付記７）
記録媒体の製造方法において、
基板上に感光性部材を配置する工程と、
集光された極短パルスレーザを、前記基板側から、前記基板と前記感光性部材との界面に焦点が位置するように照射して、前記基板上にパターンを形成する工程と、
前記極短パルスレーザ照射によって反応した前記感光性部材の領域と、反応していない前記感光性部材の領域との一方を、選択的に除去する工程と、
前記感光性部材が除去された基板上に、金属層を形成する工程と、
前記金属層を前記基板から剥離する工程と、
前記金属層を型として、記録媒体上にパターンを形成する工程と、を備えることを特徴とする、記録媒体の製造方法。
（付記８）
前記記録媒体の製造方法において、
前記記録媒体は磁気記録媒体であり、
前記記録媒体上に磁気記録層を形成する工程を更に備えることを特徴とする、付記７に記載の記録媒体の製造方法。
（付記９）
パターンが形成される部材の製造方法において、
前記部材上に感光性部材を塗布する工程と、
前記部材と前記感光性部材との界面に、前記部材側からパルスレーザを照射する工程と、
前記パルスレーザの照射により、前記感光性部材の反応した領域と反応していない領域との一方を選択的に除去する工程と、を有することを特徴とする部材の製造方法。
（付記１０）
前記部材の製造方法において、
前記パルスレーザ照射の工程は、形成しようとする所望のパターンに応じて、前記部材と前記パルスレーザとを相対的に移動させる工程と、
前記パターンに対応する位置に前記パルスレーザが移動した場合に、前記パルスレーザを前記部材と前記感光性部材との界面に照射する工程とを備えることを特徴とする、付記９に記載の部材の製造方法。

本発明は、従来と比較してより微細なパターンを、よりローコストで、より高精度で形成することが可能となる。

従来のレーザ光を用いたパターン形成方法を示す図面である。 本発明の一実施形態によるパターン形成方法を示す図面である。 本発明の一実施形態によるディスク上基板へのパターン形成方法を示す図面であ る。 図３に示されたパターン形成方法の要部拡大図である。 本発明の一実施形態による磁気記録媒体の製造方法を示す図面である。 本発明の他の実施形態によるパターン形成方法を示す図面である。 図６に示されたパターン形成方法の要部拡大図である。

Claims (5)

1. 基板上にパターンを形成するパターン形成方法において、
   基板上に感光性部材を配置する工程と、
   極短パルスレーザを集光する工程と、
   集光された極短パルスレーザを、前記基板側より、その焦点が前記基板と前記感光性部材との界面に位置するように位置決めして照射する工程と、
   を備えることを特徴とする、パターン形成方法
2. 基板上に溝状パターンを形成するパターン形成方法において、
   基板上に感光性部材を配置する工程と、
   前記基板と前記感光性部材との界面に焦点が位置するよう、パルスレーザ光をパターンが形成される前記基板の領域に位置決めする工程と、
   前記基板側から、前記基板を透過するように、前記界面に向けて前記パルスレーザを照射する工程と、
   前記感光性部材のうち、前記パルスレーザに反応した部分と、前記パルスレーザに反応していない部分との一方を選択的に除去する工程と、を備えたことを特徴とする、パターン形成方法。
3. 基板上にパターンを形成するために用いられるパターン形成装置において、
   パターンが形成される、感光性部材が配置された基板が載置される載置部と、
   極短パルスレーザを発振する発振器と、
   前記発振器から発振された極短パルスレーザを集光する集光手段と、
   前記発振器のオン・オフを制御するとともに、前記基板と前記極短パルスレーザとを相対的に移動させる制御部と、
   を備え、前記極短パルスレーザは、前記感光性部材と前記基板の界面に焦点が位置するように、且つ前記基板側から前記界面に向けて照射されることを特徴とする、パターン形成装置。
4. 記録媒体の製造方法において、
   基板上に感光性部材を配置する工程と、
   集光された極短パルスレーザを、前記基板側から、前記基板と前記感光性部材との界面に焦点が位置するように照射して、前記基板上にパターンを形成する工程と、
   前記極短パルスレーザ照射によって反応した前記感光性部材の領域と、反応していない前記感光性部材の領域との一方を、選択的に除去する工程と、
   前記感光性部材が除去された基板上に、金属層を形成する工程と、
   前記金属層を前記基板から剥離する工程と、
   前記金属層を型として、記録媒体上にパターンを形成する工程と、を備えることを特徴とする、記録媒体の製造方法。
5. パターンが形成される部材の製造方法において、
   前記部材上に感光性部材を塗布する工程と、
   前記部材と前記感光性部材との界面に、前記部材側から前記部材を透過するようにパルスレーザを照射する工程と、
   前記パルスレーザの照射により、前記感光性部材の反応した領域と反応していない領域との一方を選択的に除去する工程と、を有することを特徴とする部材の製造方法。

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