JP2008500914A - インプリント方法に使用する変性された金属製成形型 - Google Patents

インプリント方法に使用する変性された金属製成形型 Download PDF

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Abstract

本発明は、接着防止特性を有する新規な金属製の成形型に関し、該型は、ベース金属製成形型および接着防止層を含んでなり、該接着防止層は、リン原子およびアルキル鎖を包含する、フッ素化されたアルキルリン酸誘導体またはフッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体を含んでなる。接着防止層は、ベース金属製成形型の表面に直接結合する。ベース成形型は、例えばニッケルでよく、フッ素化されたアルキルリン酸誘導体または該フッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体は、リン原子がアルキル鎖に直接結合するように、ホスホン酸、ホスフィン酸、ホスホネートおよびホスホネート塩、ホスフィネートおよびホスフィネート塩、またはそれらのそれぞれのオリゴマーからなる群から選択することができる。

Description

発明の分野
本発明は、ナノ−インプリント方法に使用する、粘着防止特性を改良した、変性された金属製成形型に関する。
インプリント方法、例えばホットエンボス加工によるナノ構造の複製では、ナノ構造を有するマスターとエンボス加工すべき重合体との間に非粘着性界面を与える必要がある。これによって、複製忠実度を低減させることなく離型することができる。離型する際の接着は、レプリカの損傷を引き起こすことがある。さらに、残留重合体構造は、成形型の表面を汚染することがある。インプリント方法の成果を上げるための前提条件としては、使用する成形型が化学的および機械的に安定しており、成形型に重合体が付着しないように、重合体に対する接着性が低いことである。
近年、ナノ−インプリント平版印刷[1−3]におけるスタンプ/重合体界面の接着力を最少に抑えるための多大な努力が、主としてスタンプ表面上に堆積させた薄いフッ素化された被膜の形成[4−7]に関してなされている。これらの粘着防止フィルムは、スタンプの表面エネルギーを下げ、スタンプをインプリントされた重合体から剥離し易くする。金表面に関して、フッ素化されたアルキルチオールの自己集合した単層(SAM)被膜を吸着させることにより、水との接触角度が120°でありかつヘキサデカンとの接触角度が81°である、高い疎水性と高い疎油性との両方を示す表面となることが良く知られている[8]。米国特許第5,512,131号および第6,380,151号には、マイクロエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクス用途に使用するための、材料表面をパターン形成する方法の一部として、SAM形成化学種の使用が開示されている。しかしながら、いずれの特許も接着力を下げる目的にSAM被膜を使用していない。
接着力を下げようとする場合、現在、二通りの解決策が有望である。第一の方法では、構造化されたスタンプ上に、CF/HまたはCHFプラズマを使用してポリテトラフルオロエチレン(PTFE)被膜を堆積させる[4]。この場合、重合体は基材と弱く結合しているだけであり、インプリント品質を維持するには、数回のインプリント後、被膜を新たに形成する必要がある。第二目の選択肢としては、化学蒸着を使用し、単分子領域の被膜厚を有するフッ素化されたアルキルシランの粘着防止被膜を形成する[5−7]。特に、シリコンスタンプにおいて、シラン基と基材表面とを直接化学結合させることにより、サイズが20nm以下の微小構造を有するパターンの良好なインプリント結果を得ることができる[5]。
アルキルリン酸塩、アルキルリン酸、およびアルキルホスホン酸が、ホスフェート基と酸化されたメタル表面との間の強力なイオン結合の利点を活かして、十分に秩序付けられた自己集合性単層を、アルミニウム、タングステン、ニオブ、ジルコニウム、およびチタンの表面上に形成することが文献において知られている[9−13]。試料を加熱した後、それらの被膜は、機械的な力に対する強い耐性および溶剤に対する化学的安定性を示す[14]。最近では、フッ素化されたアルキルリン酸誘導体も、酸化されたアルミニウムおよびアルミナ表面上に堆積させている[15、16]。
基材に関し、スタンプ材料として、シリコンウェハーの代わりに多結晶質ニッケルシートを使用することが、工業的に適していると考えられている。ニッケル(Ni)スタンプが、ナノ−インプリント平版印刷(NIL)の幾つかの工業的な用途に一般的に使用されている。
Niは、特に、工業的に適した製法でのリン酸系界面活性剤の調製に非常に好適な材料であると考えられる。Ni−酸化物のイオン的性質により、別の接着性促進剤を塗布しなくても、ホスフェート基とNiスタンプ表面との間のイオン結合の可能性が高まり、構造サイズが100nmまで小さなパターンをインプリントすることができる。したがって、Ni−酸化物表面のイオン的性質は、酸系の界面活性剤または表面変性剤の用途に好適であると考えられ、シラン剤の使用が抑制されるが、逆に、シリコンスタンプまたはシリコン基材表面を使用する場合には、シラン剤がより多く使用されている[5、17−19]。
国際特許第WO2004/000567A1号には、ナノ−インプリント平版印刷に使用する、Niスタンプ上に堆積させた粘着防止被膜が開示されている。Niスタンプ上に接着促進剤として堆積させた金属被膜(Ti、Zr、Nb、Ta、Alおよびそれらの混合物)に対する結合基として、特にホスフェート基が使用されている(請求項3、2、10)。
問題点
行われた幾つかのインプリント試験および分光分析調査により、Niスタンプ上に吸着させた、リン酸またはホスフェートのアルキルエステルから構成され、図1Aおよび1Bに示すように、リン原子とアルキル鎖との間にOブリッジを有する粘着防止層は、数千回のインプリントを行う工業的インプリント製法に耐えるには、最適ではないことが立証されている。その上、スタンプの保存、すなわちNiスタンプを空気中の湿分に長期間露出することにより、これらスタンプの寿命がさらに短縮される。この理由は主として、空気湿分中での加熱−冷却サイクルにより、粘着防止フィルムの品質が低下し続けるためである。この挙動は、Ni酸化物/水酸化物表面層内部の変性により、強く引き起こされる。酸化された/水酸化されたNi表面層は、腐食および触媒作用活性の両方の場合で、非常に複雑な系である[26、27、28、29]。この層は、主としてNiOまたはNi2+、NiまたはNi3+、Ni(OH)およびNiO(OH)から構成され[26、27]、部分的にNi表面に弱く結合している。NiOは、最も一般的で、安定したNi酸化物であるのに対し、Niは、NiO格子中の格子欠陥と呼ばれることが多い。これらの格子欠陥は、酸化ニッケルの触媒作用反応の源であると見なすことができる[26、27]。NiO(OH)は、OHの脱離下での反応Ni(OH)→NiOにおける不安定な中間体と考えることができる[26]。
特に、Niスタンプを加熱することは、OHまたはOまたはHを含む化学種/ラジカルの、酸化された/水酸化されたNi表面からの脱離を開始し、ホスフェート/リン酸を基剤とする粘着防止分子中の結合を破壊する能力を有する。本明細書では、化学種とは、帯電しているか、または中性であってよい原子、分子および/または解離し得るように発生した原子のクラスターを意味する。空気湿分中で冷却することにより、空気中のHOおよび酸素の化学吸着のために、新しい酸化物/水酸化物層が成長する(下記の考察参照)。酸化されたNiとHOの不均質触媒作用により、反応性の高いガスが発生することの様々な例が文献から公知である[26]。HO露出、すなわち空気湿分中での貯蔵、と、表面格子欠陥が結び付くことにより、上記と類似の反応が起こる[26、27]。したがって、酸化されたNiスタンプ基材の化学的変性が、ホスフェートまたはリン酸を含んでなる粘着防止被膜の信頼性および耐久性の問題に対する理由である可能性が最も高い。
我々のX線光電子分光分析(XPS)調査の中で、酸化されたNi表面上に吸着されたF−PS被膜の脱離および損傷が、UHV中で比較的低い温度(150〜200℃)における熱的アニーリングの後でも、観察できた。F−PSは、ヘプタデカフルオロ(1H,1H,2H,2H−テトラヒドロ)デシルモノホスフェート(CF−(CF−CH−O−P(O)−O 2−2+2NH)である。特に、150℃に加熱した後、ある量のF−PS被膜が表面から脱離しているのに対し、フッ素化されたアルキルホスフェート被膜は、大きく変化しない。ある量の粘着防止被膜が除去されるのは、同じ温度で起きている、酸化/水酸化されたNi表面のNiおよび/またはNi水酸化物がNiOに転化されることに関連する可能性が最も高い。フッ素化アルキルホスフェート分子内の強い損傷は、200℃に加熱した後に起こる。その温度で、フッ素化されたアルキル鎖の70%が表面から除去される。粘着防止被膜の大部分が確実に破壊される。200℃におけるスタンプ表面上のC−O、C−HおよびFを含む化学種の成長は、式CF→CF→CF→Cにより、CF鎖からフッ素が解離すると解釈される(そのような反応は、分子が弱いX線光に露出された時の、Ti上のフッ素化アルキルシランの光解離で公知である[28])。
XPS調査の概要で、熱処理により、分子内の結合は、極めて容易に破壊され得るのに対し、F−PS分子とNi基材表面との間のP−O−Ni結合は、極めて安定していることが観察されている。表面上に吸着されていないF−PS分子は、230℃までの熱的安定性を示すことから、上記の挙動は、Ni酸化物/水酸化物層の特性および変性に強く相関している。その温度で、分子は真空中で昇華され、核磁気共鳴(NMR)(核磁気共鳴)により調査された分子構造中での変性は観察されない。
酸化されたNi上に吸着されたF−PS被膜の分解温度低下は、特に低温でOH基またはH分子または他のOH含有化学種が表面から離れ、続いて高温で酸素が脱離することにより、引き起こされる可能性が最も高い[26]。これらの化学種は、F−PS分子の部分と反応し、その分子を破壊する。しかし、空気湿分に露出することにより、空気環境から来るHOおよび酸素の吸着により、酸化/水酸化されたNi表面が再生されるので、熱−冷却サイクルが連続的な分解過程を造り出す。XPS測定により、F−PS被膜は、酸化された金属から放出される光により発生した電子による、酸化されたNi表面上に吸着されたフッ素化アルキルシランのX線ビーム誘発される損傷ですでに観察されているのと類似の様式で、損傷を受けることが立証される[28]。したがって、吸着されたF−PS分子は、光により発生した電子に露出されるフッ素化アルキルシランで観察されるのと類似の様式で、酸化されたNi表面から逃げる帯電したラジカルまたは反応性の高い分子により、損傷を受ける、と推定される。
S.Y.Chou, P.R., P.R.Krauss, P.J.Renstrom, Appl.Phys.Lett. 67(1995) 3114 B.Heidari, I.Maximov, L.Montelius, J.Vac.Sci.Technol. B18(2000) 3557 L.Montelius, B.Heidari, M.Graczyk, I.Maximov, EL.Sarwe, T.G.I.Ling, Microelectron.Eng. 35(2000), 521 R.W.Jaszewski, H.Schift, P.Groening, G.Margaritondo, Microelectron.Eng. 35(1997) 381 M.Beck, M.Graczyk, I.Maximov, E.-L.Sarwe, T.G.I.Ling, L.Montelius, M.Keil, Microelectron.Eng. 61-62(2002) 441 M.Keil, M.Beck, T.G.I.Ling, M.Graczyk, B.Heidari, L.Montelius, Journ.Vac.Sci.Technol. (2004)印刷中 M.Keil, M.Beck, T.G.I.Ling, M.Graczyk, L.Montelius, B.Heidari, Journ.Vac.Sci.Technol. (2004)印刷中 H.Fukushima, S.Seki, T.Nishikawa, H.Takiguchi, K.Tamada, K.Abe, R.ColoradoJr., M.Graupe, O.E.Shmakova, T.R.Lee, J.Phys.Chem.B. 104,(2000) 7417 W.Gao, L.Dickinson, C.Grozinger, F.G.Morin, L.Reven, Langmuir 12(1996) 6429 D.Brovelli, G.Haehner, L.Ruiz, R.Hofer, G.Kraus, A.Waldner, J.Schloesser, P.Oroszlan, M.Ehrat, N.D.Spencer, Langmuir 15(1999) 4324 M.Textor, L.Ruiz, R.Hofer, A.Rossi, K.Feldman, G.Haehner, N.D.Spencer, Langmuir 16(2000) 3257 R.Hofer, M.Textor, N.D.Spencer, Langmuir 17(2001) 4014 G.Haehner, R.Hofer, I.Klingenfuss, Langmuir 17(2001) 7047 E.S.Gawalt, M.J.Avaltroni, N.Koch, J.Schwartz, Langmuir 17(2001) 5736 M.J.Pellerite, T.D.Dunnbar, L.D.Boardman, E.J.Wood, J.Phys.Chem. B107(2003) 11726 J.S.McNatt, J.M.Morgan, N.Farkas, R.D.Ramsier, T.L.Young, J.Rapp-Cross, M.P.Espe, T.R.Robinson, L.Y.Nelson, Langmuir 19(2003) 1148 M.D.Towler, N.L.Allan, N.M.Harrison, V.R.Saunders, W.C.Mackrodt, E.Apra, Phys.Rev. B50(1994) 5041 H.H.Kung, "Studies in Surface Science and Catalysis 45: Transition Metal Oxides-Surface Chemistry and Catalysis", Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam 1989 T.G.I.Ling, L.Montelius, M.Keil, M.Beck, スエーデン特許第SE0201917−2号、国際特許出願第2004/000567A1号) D.BriggsおよびM.M.Seah,「PracticalSurfaceAnalysis,Vol.1」、John Wileyand Sons, 第2版1993 J.F.Moulder, W.F.Stick, P.E.Sobol, K.D.Bomben, "HandbookofX-rayphotoelectronspectroscopy"、J.Chastain編集、Perking Elmer Corporation, Eden Prairie, MN 1992 G.Beamson, D.Briggs, High Resolution XPS of Organic Polymers, Wiley, New York, 1992 KS Kim,R.E.Davis, J.Electr.Spectrosc.Rel Phen. 1(1973) 251 A.D.Vogt, T.Han, T.B.BeebeJr, Langmuir 13(1997) 3397 D.T.Clark, H.R.Thomas, J.Polym.Sci., Polym.Chem.Ed., 15(1977), 2843 J.C.deJesusetal., Surface Science 397(1998) 34 A.Galtayries, J.Grimblot, Journ. Electr.Spec.Rel.Phen. 98-99 (1999) 267 M.Keil, M.Beck, T.G.I.Ling, M.Graczyk, L.Montelius, B.Heidari, Journ.Vac.Sci.Technol. B23 (2005) 575 M.Wangetal., MaterialsLetters 57 (2003) 2954 M.Saito, Y.Okudaira, W.Oshikawa, Journal of the electrochemical lSociety 150 (2003) C140 M.Ratzkeretal. Plating and Surface Finishing 73 (1986) 74 A.S.M.A.Haseebetal., Thin Solid Films 283 (1996) 144 E.Valovaetal., Journ.Appl.Electrochem. 31 (2001) 1367 C.A Holdenetal. IEEE Transactionon Components, Hybrids, and Manufacturing Technology 12 (1989) 58 J.-P.Boninoetal., Journ.Appl.Electrochem. 27 (1997) 1193 D.B.Lewis, G.W.Marshall, Surface and Coatings Technology 78 (1996) 150 Y.Shacham-Diamand, Y.Sverdlov, Micro electronic Engineering 50 (2000) 525
発明の概要
工業的インプリント製法で起こる高い機械的および熱的応力の周期的負荷、ならびに、空気湿分中におけるスタンプの数週間の貯蔵により、上記と同様の劣化が引き起こされる。工業的な能力を有する装置により行われる膨大な数のインプリントには、スタンプ表面の高い信頼性および耐久性、すなわち腐食、エージングおよび摩耗に対する耐性が必要である。
この目的に対して、本発明者は、粘着防止分子を変性することにより、スタンプ表面の腐食、エージングおよび摩耗に対する耐性を改良する方法を提供する。リン原子とアルキル鎖との間にOブリッジを有するリン酸またはホスフェートアルキルエステル分子は、酸に対する耐性を与えず、さらに、酸素および水素を含む化学種またはラジカル、例えば酸化されたNi表面から脱離するOH−および/またはH、に対する耐性も与えないことが分かった。本発明者は、最も低い安定性を示す部分はP−O−C単位の酸素ブリッジであり、この部分は、表面から脱離するそのようなラジカルとの相互作用の後、破壊される傾向があることを見出した。したがって、他の、Oブリッジを有していないリン酸誘導体、例えばアルキルホスホン酸/ホスフィン酸またはアルキルホスホネート/ホスフィネートを使用することを提案する。この場合、アルキル鎖の炭素原子がリン原子に直接結合しており、これによって、より安定した粘着防止被膜が得られる。
さらに、F8H2−PS分子のCH/CF結合も、反応性化学種により攻撃されることがある。したがって、別の実施態様として、リン原子と(CF鎖との間に(CHスペーサーを使用せずに、CF単位をリン原子と直接結合させることを提案する。
本発明では、型の表面との化学反応が関与することが多い、フッ素化されたアルキルリン酸の誘導体、またはフッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体を堆積させることにより、Niスタンプ上で効果的に作用し、現在使用されているPTFEまたはフッ素化されたアルキルシランよりも、優れた接着防止または粘着防止層が得られることが分かった。耐摩耗性はPTFE被膜より優れており、シランは、ニッケルと、またはほとんどの金属酸化物と結合しないので、その場合、ニッケルベース上に接着促進剤が必要になる。
本発明は、接着防止特性を与えるフッ素化されたアルキルリン酸誘導体を含んでなる、接着防止層を有する変性された金属製成形型を提供する。これら誘導体の幾つかを図1に示す。本明細書で使用する、異なるリン含有化合物の命名は、図1に示す分子構造に基づいている。用語「リン酸誘導体」は、酸化/水酸化された金属表面上に粘着防止被膜を形成するのに好適な、図1に示すすべての化合物を意味する。これらの誘導体としては、リン酸アルキルエステル(図1Aに示す)、ホスフェート−またはホスフェート塩−アルキルエステル(図1Bに示す)、アルキルホスホン酸(図1C、左側に示す)、アルキルホスフィン酸(図1C、右側に示す)、アルキルホスホネートまたはアルキルホスホネート塩(図1D、左側に示す)、およびアルキルホスフィネートまたはアルキルホスフィネート塩(図1D、右側に示す)がある。
使用するベース型の金属は、ニッケル、バナジウム、アルミニウム、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、チタン、2種類以上の金属の合金、および酸化された形態でよい。金属製成形型は、ベース型金属の上に、一つ以上の追加金属層をさらに含んでなることができる。
本発明は、接着防止特性を有する変性された金属製成形型を堆積方法により製造する方法であって、選択されたフッ素化されたアルキルリン酸誘導体または選択されたフッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体を、(a)溶液から、および/または(b)蒸気相から、および/または(c)超臨界流体相から、型金属上に堆積させることを含んでなる、方法をさらに提供する。
定義
本明細書中で使用する用語「ナノ−インプリント方法」とは、スタンプを重合体中に押し付け、重合体を変形させることにより、ナノ−構造化されたスタンプパターンの反転コピーを形成する方法を意味する。重合体は、インプリント(例えばホットエンボス加工)の際に、そのガラス転移温度より上に加熱し、続いて該ガラス転移温度より下に冷却する。あるいは、インプリント工程の際または後に、重合体をUV光に露出して硬化させることができる。
本明細書中で使用する用語「ナノ−インプリント平版印刷」とは、ナノ−構造化されたパターンを複製するための方法全体を意味する。この方法は、粘着防止層を備えたスタンプの製造、インプリント、および後処理、例えばインプリントされたパターンのエッチングによる転写、金属被覆および取り出し、を含む。
用語「ナノ−構造化されたマスター」または「スタンプ」とは、上記のナノ−インプリント方法によりパターンの転写を行うのに好適なすべてのパターン形成された材料を意味する。
用語「複製忠実度」とは、スタンプ表面の反転構造が完全に再現されている、スタンプ構造の反転コピーを形成することを意味する。
本明細書では、用語「堆積」および「接着防止層の堆積」は、「製造」または「形成」と互換的に使用することができる。この用語は、金型と(接着防止層を構成するフッ素化された化合物と)の化学反応も意味する。
ここで使用する用語「接着防止」とは、本明細書では「粘着防止」と互換的に使用することができる。
発明の詳細な説明
本発明は、金属製の成形型と、フッ素化されたアルキルリン酸誘導体、例えばリン酸、ホスフェートまたはホスフェート塩、ホスホン酸、ホスホネートまたはホスホネート塩、を含んでなる接着防止層とを含んでなる、接着防止特性を有する変性された金属製の成形型を提供する。フッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体、すなわち上記化合物のオリゴマー、も使用できる。
図1は、酸化された金属スタンプ表面上に粘着防止被膜を形成するのに好適な様々なリン酸誘導体の幾つかを示す。図1に示す誘導体は、(A)リン酸アルキルエステル、(B)ホスフェート−またはホスフェート塩−アルキルエステル、(C、左)アルキルホスホン酸、(C、右)アルキルホスフィン酸、(D、左)アルキルホスホネートまたはアルキルホスホネート塩、および(D、右)アルキルホスフィネートまたはアルキルホスフィネート塩の群を包含する。置換基RおよびR’は、部分的に、または過フッ素化された直鎖状または分岐鎖状のアルキル残基である。これらの残基は、脂肪族または芳香族でよい。二重置換されたリン酸の場合、残基の一方は、フッ素化されていなくてよい、および/または単一原子からなることができる。
接着防止層は、金型の表面に硬く結合することが期待される。図2は、(a)フッ素化されたアルキルリン酸二アンモニウム塩および(b)フッ素化されたアルキルリン酸と、酸化されたNiスタンプ表面との間の理想化された結合機構を示す「11」。
図1に示す別のリン酸誘導体は、図2に示す機構と同等の、酸化されたNi表面に対する結合機構を示すと考えられる。
使用するベース型金属は、ニッケル、バナジウム、アルミニウム、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、チタン、2種類以上の金属の合金、および酸化された形態でよい。金型は、ベース型金属の上に、一つ以上の追加金属層をさらに含んでなることができる。
表面化学種および結合の分子構造を、X線光電子顕微鏡法(XPS)を使用して分析し、下記の「X線光電子顕微鏡法(XPS)および原子力顕微鏡法(AFM)を使用する分析による接着防止被膜層の表面特性」と題する項でさらに説明する。図3〜7は、XPS結果を示したものであり、基材に対する接着防止化合物の結合が強力であることの証拠を示す。
本発明はさらに、選択されたフッ素化されたアルキルリン酸誘導体または選択されたフッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体を、(a)溶液から、および/または(b)蒸気相から、および/または超臨界流体相から、成形型の金属上に堆積させることを含んでなる、堆積方法により得られる接着防止特性を有する変性された金属製の成形型を提供する。
これらの誘導体を含んでなる接着防止層を、簡単な湿式化学反応により、水溶液から製造することができる実施態様(a)を使用することは、異なる二つの観点から好ましい。第一に、無機水系洗浄手順により、ニッケルスタンプから有機材料を洗浄し、空気と接触させずにホスフェート溶液に露出することができる。これによって、非常に純粋な被膜が得られ、時間を要する真空技術から回避される。第二に、清浄な、酸化されたNiの強力な親水性により、試料のナノ−構造化された区域を包含する表面全体が濡れ易くなり、表面全体が吸着されたリン酸被膜で確実に、均一に被覆される。
本発明は、ナノ−インプリント方法、例えばナノ−インプリント平版印刷、に使用するための、改良された接着防止特性を有する変性された金属製の成形型も提供する。この型により、ナノ−インプリントの際に非常に鮮明なインプリントが得られることは、接着防止特性が改良された型を使用することにより、完璧なインプリントが得られることを示す図8〜11のAFM写真から明らかである。これらの結果は、下記の「X線光電子顕微鏡法(XPS)および原子力顕微鏡法(AFM)を使用する分析による接着防止被膜層の表面特性」と題する項で詳細に説明する。
別の態様で、本発明は、少なくとも一種のフッ素化されたアルキルリン酸誘導体、例えばリン酸、ホスフェート塩、ホスホン酸、およびホスホネートまたはホスホネート塩、または他の、少なくとも一種のフッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体を含んでなる接着防止化合物を提供する。前記誘導体の幾つかの分子構造を図1に示す。
X線光電子顕微鏡法(XPS)および原子力顕微鏡法(AFM)を使用する分析による接着防止被膜層の表面特性
X線光電子顕微鏡法(XPS)を使用し、様々なフッ素化されたアルキルリン酸を基剤とする接着防止被膜の表面特性、すなわちそれらの厚さ、化学組成、および結合機構、を調査した。
フッ素化されたアルキルリン酸の3種類の異なった化合物を使用した。
1)鎖長が異なった、フッ素化されたモノ−およびジアルキルホスフェート二アンモニウム塩(F−PS)のブレンド。
2)ヘプタデカフルオロ(1H,1H,2H,2H−テトラヒドロ)デシル−モノホスフェート(F−PS)。
3)ヘプタデカフルオロ(1H,1H,2H,2H−テトラヒドロ)デシル−モノリン酸(F−PA)。
フッ素化された化合物をXPS調査するための基材として、我々は、多結晶質で、酸化されたNiシートの電気メッキでパターン形成されていない区域とパターン形成された区域を有し、かつ同一基材の表面上に、V/Ni比0.07の、厚さ約100nmの酸化されたニッケル−バナジウム(Ni−V)合金被膜を含む基材を使用した。AFMを使用するインプリント調査には、Niスタンプおよび上記のNi−V表面を有するスタンプの両方を使用した。
モデル化合物
フッ素化された化合物に加えて、フッ素化されていない誘導体である幾つかのモデル化合物もXPSで調査した。これらの化合物は、
4)1−オクチルホスホン酸(H−PA)および
5)モノドデシルエステルリン酸(H12−PA)
である。
これらの実験には、Ni堆積の前に、接着促進剤として機能させるために、厚さ1nmのTi被膜を先ずシリコン表面上に直接堆積させた。これらの試料を、「実験の具体的な説明」の項に記載する有機および無機洗浄手順により洗浄し、表面を空気にさらすことなく、MilliQwaterの1mM溶液中に移した。温置時間は約10時間であった。その後、試料をMilliQwaterで5分間すすぎ、窒素の穏やかな気流中で乾燥させた。
これらのモデル化合物は、薄い、原子的に平らで、非常に清浄な、酸化されたNi被膜(厚さ200nm、Si(100)ウェハー上に熱的に堆積)上に、非常に純粋な自己集合性単層として吸着することが観察され、フッ素化されたモノ−およびジアルキルホスフェート二アンモニウム塩、フッ素化されたモノ−アルキルリン酸、およびフッ素化されたモノ−アルキルホスフェート二アンモニウム塩に関して観察されるように、酸化された基材表面との類似の化学的挙動を示し、NiO基材上にも単分子厚さの非常に純粋な被膜を形成することが分かった(図6参照)。
XPS結果
図3は、電気メッキされた、パターン形成されていないNiシート上に堆積させた、非常に純粋な単分子状F−PS被膜の、XPS C1sスペクトルをVoigt関数分割(deconvolutions)と共に示す。より詳しくは、これらのNiシートは、(a)有機洗浄手順(トリクロロエチレン、アセトンおよびイソプロパノール、超音波浴中でそれぞれ5分間処理)により洗浄し、続いて酸素プラズマ洗浄(Oガスプラズマ(50mbar、100ワット、60秒間))した、酸化されたNi−V表面、および(b)同じ有機洗浄手順により、続いて無機洗浄手順(MilliQwater、過酸化水素およびアンモニアを含んでなる水溶液、80℃で10分間)により洗浄した、酸化されたNi表面である。
洗浄手順はすべて「実験の具体的な説明」の項に記載されている。吸着された被膜によるNi2p3/2信号の減衰から、図3a(Oプラズマ洗浄)の被膜厚は10〜16Åと推定され、図3b(無機洗浄手順により洗浄)の被膜厚は8〜14Åと推定される(この手順は、[6、7]に記載されている)。図3のC1sスペクトルの分割により、各スペクトルに対して5個のピークが得られ、それらのピークは、F−PS分子のCF末端基(スペクトルaおよびbに対して、それぞれ293.7および293.8eVにおける)、F−PS分子のCF鎖(スペクトルaおよびbに対して、それぞれ291.4および291.5eV)、C=O、COOHまたはO−(C=O)−Cを含む不純物化学種(スペクトルaおよびbに対して、それぞれ288.5および288.9eVにおける)、F−PS分子のCO基に加えて、COを含む不純物化学種(両スペクトルに対して、286.4における)、およびF−PS分子のCC基に加えて、CCまたはCHを含む不純物化学種(スペクトルaおよびbに対して、それぞれ284.7および284.8eVにおける)に割り当てることができる。これらのスペクトルを、1と設定するCFピークの面積に対して標準化する。分子の化学量論により、CFピーク、COピークおよびCC/CHピークに対して同じ面積を予想できよう。より正確には、フッ素化された鎖によりCOおよびCC/CHピークの信号が減衰するので、CO、CC/CHピークの面積は、CFピークの面積よりも僅かに小さいと予想される。この考察から、Oガスプラズマにより洗浄されたNi−V上のF−PS被膜の表面(図3a)は、分子1個あたり少なくとも1.1個の追加不純物炭素原子により汚染されており、無機洗浄手順により洗浄されたNi上のF−PS被膜の表面(図3b)は、分子1個あたり少なくとも4.6個の追加不純物炭素原子により汚染されており、それらの不純物は、炭化水素、炭素酸化物、および炭素水酸化物を含む化学種に割り当てられる。
図4は、電気メッキされた、パターン形成されていない、およびパターン形成されたNiシート(先ず、MilliQwater、過酸化水素およびアンモニアを含んでなる水溶液、80℃で10分間洗浄した)上に堆積させた、非常に純粋な単分子F−PS被膜のXPS C1sスペクトルをVoigt関数分割と共に示す。
より詳しくは、図4は、(a)パターン形成された(ラインパターン、間隔260nm、幅150nm、高さ100nm)表面上にあるF−PS被膜のスペクトルを、(b)パターン形成されていない表面上にある被膜のスペクトルと共に含んでなる。
図4aのパターン形成された表面上にあるF−PS被膜の、基材表面に対して90°の厚さは、30〜40Åと推定される。図3bおよび4bのスペクトルは類似している。しかし、ホスフェート単位の極性が高いために、図4a)のすべてのF−PS関連のピークは、図3および4b)のそれらと比較して、約0.4〜0.5eV低い結合エネルギーで現れている。これらのシフトにより、図3および4bで観察される5個の代わりに、図4aでは6個のVoigt関数ピークが得られている。6個のVoigt関数ピークは、F−PS分子のCF末端基(293.3eVにおける)、F−PS分子のCF鎖(291.1eV)、C=O、COOHまたはO−(C=O)−Cを含む不純物化学種(288.5eVにおける)、COを含む不純物化学種(286.7eVにおける)、F−PS分子のCO基に加えてCCおよびCHを含む不純物化学種(285.6における)、およびF−PS分子のCC基(284.4eVにおける)に割り当てることができる。図4aのC1sスペクトルは、分子1個あたり約1.3個の、炭素含有不純物化学種に割り当てられる炭素原子により汚染されている、非常に純粋な被膜を示す。F−PS分子のCC基に割り当てられるピークの、分子1個あたり、1の代わりに0.5C原子の小さな面積の理由は、無論、フッ素化された鎖によるCCピーク信号の減衰によるものである。それにも関わらず、図4aにおける、フッ素化された炭素化学種の、フッ素化されていない炭素化学種に対して観察される比2.4は、観察したすべての被膜の中で最大の比である。
図5は、両方とも、電気メッキされた、パターン形成されていないNiシート上に堆積させた、非常に純粋な単分子(a)F−PA被膜および(b)F−PS被膜のXPS C1sスペクトルをVoigt関数分割と共に示す。
図5は、パターン形成されていない、電気メッキされた、酸化Niシート(有機および洗浄手順により、続いて酸素プラズマ洗浄により洗浄した)上に堆積させた、(a)F−PA被膜および(b)F−PS被膜の、2つのC1sXPSスペクトルを、より詳細に示したものである。2つの被膜の皮膜厚は、Ni2p3/2信号の減衰から、10〜16Åと推定される。スペクトル3および4(b)と同様に、図5のC1sスペクトルの分割により、各スペクトルに対して5個のピークが得られ、それらのピークは、図3および4に関してすでに説明したのと同じ様式で割り当てることができる。図3および4と反対に、図5のスペクトルは、7に設定するCFピークの面積に対して標準化される。観察されるピークの結合エネルギーは、下記の通りである。スペクトルaおよびbのそれぞれに対して、CFピークは293.6および293.3eVに、CFピークは291.2および291.1eVにある。両スペクトルの場合、C=O、COOHまたはO−(C=O)−C不純物化学種は288.5に現れている。2個のリン酸分子およびCOを含む不純物化学種のCOピークが、スペクトルaおよびbに対して、それぞれ286.3および286.2に現れ、2個のリン酸分子のCC基およびCCまたはCHを含む不純物化学種のピークが、スペクトルaおよびbに対して、それぞれ284.7および284.9eVに現れている。
−PAおよびF−PS分子の化学量論により、異なったピークの予想されるCF/CF/CO/CC面積比は、炭素含有不純物化学種により汚染されていない純粋な吸着された被膜に対して1/7/1/1である。適合の結果、観察されるCF/CF/CO/CC面積比は、図5(a)のF−PA被膜の場合、1.2/7/1.5/2.5であり、図5(b)のF−PS被膜の場合、1.1/7/1.7/1.3である。さらに、これらの表面は、1個の酸素原子に対する二重結合を有する、および/または2個以上の酸素原子に結合した、1.3(図5(a))および0.6(図5(b))個の炭素原子により覆われている(C=O、COOHまたはO−(C=O)−C不純物ピーク参照)。したがって、図5a)のNi上のF−PA被膜の表面は、分子1個あたり少なくとも3.3個の追加炭素原子により汚染されており、図5(b)のNi上のF−PS被膜の表面は、分子1個あたり少なくとも1.6個の追加炭素原子により汚染されており、それらの炭素原子は、炭素含有不純物化学種に割り当てられる。
一般的に、ここで観察されるすべてのフッ素化されたアルキルホスフェート被膜は、より一般的なフッ素化されたアルキルシラン粘着防止被膜[6、7]に関して観察されるより、有機不純物による汚染がはるかに少ない。さらに、すべてのフッ素化されたアルキルホスフェート被膜により被覆された表面(図3、4および5参照)は、フッ素化されたアルキルシランで被覆された表面[6、7]で観察されるより、フッ素化された炭素化学種の、フッ素化されていない炭素化学種に対する比が大きいのが特徴である。
図6は、Si(100)ウェハー上の2000ÅNi上に堆積させた、非常に純粋な単分子(a)H12−PA被膜および(b)H−PA被膜のXPS C1sスペクトルを示す。フッ素化されていないリン酸またはホスホン酸(後者は、リン原子とアルキル鎖との間に酸素ブリッジが無い)の非常に純粋な自己集合性単層被膜を、清浄な酸化されたNi被膜上に水溶液から堆積させることができることを立証するために、フッ素化されていないモデル化合物H−PAを、Si(100)ウェハー上に熱的に堆積させた厚さ200nmのNi被膜上で調製した。酸化されたNi表面上の2種類の異なった被膜の皮膜厚は、非常に類似しており、11.6±2.4Åと推定される。図6は、XPS C1sスペクトルに基づき、これらの皮膜の高い純度を示している。各スペクトルで、それぞれのアルキル鎖に割り当てられる284.7〜284.8eVにおける主要ピークに加えて、CO、C=O、COOHまたはC−(C=O)−Cに割り当てられる非常に小さなピークが認められる。2種類の試料表面上の炭素不純物部分は、各表面上に吸着された炭素原子の部分の13%未満である。この被膜の高純度は、非常に効率的な洗浄手順および試料調製技術の結果である。
様々な分子のリン原子が、無論、基材と吸着された被膜との間の界面にある境界原子であるので、これらの分子とそれぞれの表面との間の結合機構は、P2pレベルの位置を解明することにより、最も効率的に研究することができる。
図7(a)および(b)は、それぞれ、Si(100)ウェハー上の2000ÅNi被膜上に堆積させた、非常に純粋な単分子H−PAおよびH12−PA被膜のXPS P2pスペクトルをVoigt関数分割と共に示す。図7(c)および(d)は、それぞれ、電気メッキされた、パターン形成されていない、およびパターン形成されたNiシート上に堆積させた、F−PS被膜のXPS P2pスペクトルをVoigt関数分割と共に示す。
したがって、図7は、Si(100)ウェハー上の2000ÅNi上で調製したH−PAおよびH12−PAのP2pスペクトルを、パターン形成されていない、およびパターン形成された、電気メッキされたNiシート上のF−PS被膜と比較している。全スペクトルの主ピークは、吸着された被膜のホスフェート基、リン酸基またはホスホン酸基に割り当てられる。0.84eVのP2pピークのスピン−軌道分裂は、図7のすべての分割で考慮している。図7a)のH−PA被膜は、132.7eVで1.2eVのFWHMを有する鮮明な構造を含み、ホスホン酸基の非常に良く限定された化学的環境を立証する付随特徴が無い。H12−PA被膜(図7(b))の主ピークは、確実にリン原子とアルキル鎖との間に結合された追加の酸素原子のために、0.2eVでより高い結合エネルギーにシフトしている。しかし、この特徴はFWHM=1.3eVで極めて小さい。このスペクトルは、2個の付随構造を含み、これはリン含有不純物に属する可能性がある。図7bの3個の分離したピークの原因は、ホスフェート基とNi表面との間の異なった結合機構により、異なった、化学的にシフトしたP2pピークが生じたと説明できよう。Textoretal.[11]は、酸化されたTa表面上のオクタデシルリン酸に対するTOF−SIMS測定から、一座および二座配位の2種類の異なったホスフェート/Ti化学種の存在を仮定している。しかし、これらの異なった結合機構により予想される化学的シフトは、P2pスペクトル中の個々のピーク間で観察される約3eVの非常に顕著な分離を説明するには小さ過ぎる。したがって、この説明は、可能性が極めて低い。
P2p主ピークの、より高い結合エネルギーへのシフトは、図7aから7bに、さらに7bから7cを経由して7dに続く。F−PS分子のP2pピークは、133.7eVおよび133.7eV結合エネルギーにあり、パターン形成されていない(図7c)、およびパターン形成された表面(図7d)上の被膜に対して、それぞれFWHM1.8および2eVが観察される。これらのシフトは、観察される広い線幅と共に、恐らく、F−PS被膜が、ホスフェート基に結合した1または2個のアルキル鎖を含む異なった分子の混合物から構成されるためであろう。観察されるシフトおよび広い特徴の両方に対する一つの説明は、化学的シフトに関連する。すなわち、ホスフェート基が1個のNi原子および2個のアルキル鎖に結合している場合、ホスフェートが2個のNi原子および1個のアルキル鎖に結合している場合に観察されるよりも、炭素原子と比較して、ニッケル原子の電気陰性度が低いために、NiのP2pピークは、より高い結合エネルギーで現れる筈である。第二の説明は、ホスフェート分子とNi第三の間の界面における双極子に関連する。ここで、ホスフェート単位が、2個ではなく、1個のNi原子に結合している場合、双極子はより弱く、ホスフェート単位が、2個のNi原子および1個のアルキル鎖によってではなく、1個のNi原子および2個のアルキル鎖によって取り囲まれている場合に、NiP2pピークは、より高い結合エネルギーにシフトする。これら2通りの異なった説明により、1および2個のアルキル鎖の混合物により、観察される広いピークが得られ、そのピークは、さらに、単一のアルキル鎖を含むリン酸におけるホスフェートのスペクトル(図7(b))のP2pピークと比較して、より高い結合エネルギーにシフトする。図(7c)および(7d)に示すスペクトルで観察される付随構造は、無論、リン含有不純物によるものである。
まとめると、図3〜7に開示するXPS結果は、フッ素化されたモノ−およびジアルキルホスフェート二アンモニウム塩(F−PS)、ヘプタデカフルオロ(1H,1H,2H,2H−テトラヒドロ)デシル−モノホスフェート(F−PS)、ヘプタデカフルオロ(1H,1H,2H,2H−テトラヒドロ)デシル−モノリン酸(F−PA)、1−オクチルホスホン酸(H−PA)およびモノドデシルエステルリン酸(H12−PA)は、非常に純粋な、単分子直径の皮膜厚を有する被膜を、酸化されたNiまたはNi−V基材表面上に形成する。
さらに、Ni基材は、空気環境から、汚染された炭化水素により驚く程僅かにしか覆われず、非常に好ましい試料洗浄およびNi表面に対するホスフェート基の強い結合の両方を立証している。
アルキルリン酸の様々な誘導体、例えばリン酸、ホスフェート塩、ホスホン酸およびホスホン酸塩、を使用することにより、強力な吸着体/基材の結合が得られる。
最後に、観察されたすべての、フッ素化されたアルキルリン酸により被覆された表面(図3、4および5参照)は、フッ素化された炭素化学種の、フッ素化されていない炭素化学種に対する比が大きいのが特徴であり、これらすべての表面で好ましい接着防止特性が存在することを示している。
AFM結果
フッ素化されたアルキルリン酸誘導体の様々な被膜で覆われたスタンプによるインプリントの品質を、原子力顕微鏡(AFM)をタッピングモードで使用して調査した。
図8は、(a)Micro Resist Technology GmBH(独国)から得たPMMA50kC6中のブルー−レイDVDスタンプの第三インプリント、(b)図8aのパラメータで5回インプリントした後の同じブルー−レイDVDスタンプのAFM画像を示す。このスタンプは、F−PA粘着防止層で被覆した。ピット寸法は、トラック幅150nm、高さ100nmおよび書き込み方向に対して直角のトラックピッチ320nmである。インプリントは、160℃、70バールで20秒間行い、離型温度は100℃であった。
図9は、Micro Resist Technology GmBH(独国)から得たPMMA50kC6上のmrl6000.1中のAFM画像を示す。このスタンプは、F−PA粘着防止層で被覆した。線構造寸法は、間隔230nmおよび高さ200nmである。インプリントは、65℃、8バールで60秒間、続いて40バールで120秒間行った。
図10は、UV硬化性レジスト(韓国のZen Photonics CO.,LTDから得たNIP-K28)中の試験構造のインプリントのAFM画像を示す。このスタンプは、F−PA粘着防止層で被覆した。インプリントパラメータは、P=8バール、T=20秒間、その後、UV光露出で硬化。最小の構造は直径250nmである。
図11は、Micro Chem Corp.,(米国)から得たPMMA50kA5中のブルー−レイDVDスタンプの10回目のインプリントのAFM画像を示す。このスタンプは、F−PA粘着防止層で被覆した。ピット寸法は、トラック幅150nm、高さ100nmおよび書き込み方向に対して直角のトラックピッチ320nmである。インプリントは、145℃および50バールで60秒間行い、離型温度は97℃であった。
まとめると、図8〜11は、様々にパターン形成し、F−PSまたはF−PA粘着防止層により被覆したNiおよびNi−Vスタンプで行った様々なインプリント結果の品質を特徴付けるAFM画像を示す。インプリントは、様々なレジスト材料で、様々なインプリント処理パラメータを使用して行った(上記図参照)。
図8〜11は、構造サイズが100nmまで小さなパターンのインプリントを一定して再現できることを示している。幾つかのF−PS被覆した、構造サイズが100nmまで小さな、酸化されたNiスタンプで、インプリント品質を落とさずに、少なくとも50回、良好なインプリントを行うことができた。
したがって、粘着防止被膜としてフッ素化されたアルキルリン酸誘導体の湿式化学堆積は、特に工業的目的に、より一般的なCVD(化学蒸着)によるシラン堆積に代わる有望な方法であると考えられる。
実験
実験および詳細な説明の両方に記載した例または図が本発明を例示する。これらの例は、本発明を例示するが、請求項において規定する本発明を制限するものではない。
I.リン酸系粘着防止層の可能な堆積方法の一般的な説明
a.スタンプの予備洗浄
一般的に、様々な好適なスタンプ洗浄および製造技術を使用し、高品質接着防止単層を製造することができる。試料は、水系溶液中で電気化学的に洗浄することができる。ここで、電流供給源のスイッチを入れることにより、処理溶液に電流を通す。これによって、陰極で水素気泡および陽極で酸素気泡が生じる。スタンプを試料ホルダーを経由して電流供給源の陰極に接続すると、形成された水素気泡が、汚染物を有するNi表面から離れる。スタンプを試料ホルダーによって電流供給源の陽極に接続すると、形成された酸素気泡が、陽極不動態化し、さらに表面を浄化する。この処理は、20〜100℃の様々な温度で、0〜100アンペアで5〜600秒間行う。試料は、有機溶剤(例えばトリクロロエチレン、アセトンおよびイソプロパノールまたは他の有機溶剤で)を使用して洗浄、および/または水、過酸化水素、アンモニアまたは他の無機試薬が関与する無機手順を使用して洗浄、および/または様々な水系溶液で洗浄、および/または様々なプラズマ(例えば酸素プラズマ、希ガスプラズマ、水素プラズマ)を使用して洗浄、および/またはオゾン処理を使用して洗浄する必要がある。試料の湿式化学的洗浄は、様々な温度(約20〜約100℃)で、所望により超音波浴中での処理を補足して行うことができる。最後の洗浄工程と(b)に記載する堆積処理との間では、試料を不活性ガスに露出するか、または不活性流体で覆う。
b.接着防止層の堆積
フッ素化されたアルキルリン酸誘導体またはフッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体を含んでなる接着防止層は、(i)溶液から、(ii)蒸気相から、または(iii)超臨界流体相から調製する/堆積させることができる。
第一の選択肢(i)では、スタンプを、様々な濃度(約0.1mM〜約5mM)の、水系、アルカリ性、酸性および/または有機リン酸溶液またはその対応する塩に、様々な温置時間(少なくとも30分間)露出し、所望により様々な温度(約20〜約100℃)で超音波処理を補足する。あるいは、接着防止層は、リン酸溶液を通って流れる電流の助けにより、Niスタンプ上に電気化学的に堆積させる。堆積の際、堆積工程を促進するために、スタンプを電流供給源の陽極に接続する必要がある。その後、スタンプを不活性液体ですすぎ、所望により超音波処理により補足および/または不活性ガスの流れで乾燥させる。これは、粘着防止分子の電気化学的堆積をスタンプの電気化学的洗浄に結びつけるためである。これによって、一つの効率的な方法が得られる。これは、好ましくないOH基をNi表面から除去する方法でもある(スタンプにプラスを印加すると、水素を酸素イオンと共にスタンプから除去することになる)。
第二の場合(ii)、スタンプを、化学蒸着(CVD)用の反応室に入れる。この室は、異なった基底圧(1バール未満)を有し、分子の昇華または蒸発によるリン酸分子の堆積を、様々な反応圧(約1バール〜10ミリバール)下で、様々なスタンプ温度(約20〜約300℃)で、様々なリン酸分子の温度(約100〜約350℃)で、様々な堆積速度(約0.01nm/分〜約2nm/分)で、様々な反応時間(約1分間〜約2時間)行うべきである。フッ素化されたアルキルホスフェート分子を水溶液から調製することは、熱的に不安定なNi(OH)およびNiO−OH基を型の表面上に発生するので、最適ではないことが分かった。したがって、Ni水酸化物の還元温度より高い温度に加熱した試料上に真空CVDの支援により調製する技術を提案する。Ni表面上に酸化物層を得るが、OHの残基を形成しないために、フッ素化されたアルキルホスフェート分子の化学蒸着を、好ましくは少なくとも120℃の、ただし250℃を超えない温度で行う。さらに好ましい温度は150〜200℃である。CVD製法は、高真空下で、あるいはさらに10−8〜10−11のミリバールの超高真空条件下で行うべきである。この製法は、自己集合性単層の堆積に関連するので、意図する表面が被覆された時に、この処理は終わる。実際の時間は反応圧によって異なる。
一作業例では、金属製成形型をCVD室中に入れ、約10−5ミリバールの、さらには少なくとも10−3〜10−6ミリバールの真空反応圧にさらすことにより、粘着防止層を金型上に成長させた。型を約150℃に加熱し、フッ素化されたアルキルリン系化合物を含む粉末供給源を約230℃に加熱した。粉末供給源中のリン系化合物は、ホスホン酸、ホスフィン酸、ホスホネート、ホスホネート塩、ホスフィネートまたはホスフィネート塩を含んでなることができる。表面を完全に塗布するには、実際には約10〜20分間かかるが、明らかにより長い処理時間、例えば30分間、を予め設定するのが好ましい。
第三の場合(iii)、スタンプを、様々な濃度(約0.1mM〜約5mM)を有し、圧力セル中に入れたリン酸溶液(例えば、溶剤として二酸化炭素を含む)に露出する。リン酸溶液を圧縮(約100バール〜約1000バールに)し、超臨界流体相からスタンプ上へのリン酸分子の堆積は、様々な反応圧(約100バール〜約1000バール)下で、様々なスタンプ温度(約20℃〜約300℃)で、様々な反応時間(約10秒間〜約1時間)行う。その後、スタンプを不活性液体ですすぎ、所望により超音波処理により補足および/または超音波処理しながら、またはせずに、不活性ガスの流れで乾燥させる。
さらに、ホスフェート分子の電気メッキ、および/または酸を水溶液に混合し、Ni表面から水酸化物を除去することを試験することができる。
c.後処理
接着防止層を堆積させた後、加熱炉中またはホットプレート上で、スタンプを様々な温度(約20℃〜300℃)、様々な時間、様々な圧力下で焼き付けることができる。
II.実験の具体的な説明
フッ素化されたモノ−およびジアルキルホスフェート二アンモニウム塩(F−PS)、フッ素化されたモノ−アルキルリン酸(F−PA)、およびモノ−アルキルホスフェート二アンモニウム塩(F−PS)のブレンドの被膜を、水溶液から、酸化された多結晶質ニッケルスタンプの表面上に堆積させた。X線光電子顕微鏡法(XPS)を行い、被膜特性、すなわち化学的組成、純度、および厚さを検査した。
酸化されたニッケル上のF−PS、F−PA、およびF−PS被膜をXPS調査するための基材として、電気メッキされた、多結晶質Niスタンプのパターン形成されていない、およびパターン形成された区域を使用した。
−PS(商品名Zonyl FSP)は、DuPontから市販されており、鎖長が異なったフッ素化されたモノ−およびジアルキルホスフェート二アンモニウム塩の混合物である。化学構造は下記の通りである。
Figure 2008500914
および
Figure 2008500914
式中、R=(CH−(CF−CFであり、n=1、3、5、...13である。
Niスタンプのパターンは、e−線平版印刷により限定された間隔260nm、幅150nm、高さ100nmを有する線からなる。
Niスタンプは、トリクロロエチレン、アセトンおよびイソプロパノールを含む標準的な有機超音波浴手順に続いて、試料を、MilliQwater、過酸化水素およびアンモニアの混合物に80℃で10分間さらし、MilliQwaterですすぐ、無機洗浄手順を行うことにより、洗浄した。
試料を空気中で移動させる間、空気にさらすことなく、すなわち表面を薄い水被膜で覆いながら、1mMF−PSのMilliQwater溶液中に試料を移した。
さらに、Ni−V表面を含んでなる、パターン形成されていないNiスタンプをXPS検査に使用した。
Ni−V試料は、上記の標準的な有機超音波浴手順に続いて酸素プラズマ洗浄により、洗浄した。これらの試料を真空プラズマ室から1mMF−PSのMilliQwater溶液中に移す間中、試料は穏やかなN気流にさらした。F−PS水溶液中の温置時間は、約12時間であった。その後、試料をMilliQwaterですすぎ、穏やかな窒素気流中で乾燥させ、ホットプレートまたは加熱炉中、150℃で2時間アニーリングし、ホスフェート被膜と表面との間の結合を強化した[17]。
さらに、純粋(pristine)電気メッキした、多結晶質NiプレートをXPS検査に使用した。これらの試料は、先ず、上記と同じ有機および無機洗浄手順により洗浄した。
さらに、追加で調査したフッ素化されたアルキルリン酸誘導体F−PSおよびF−PAの化学構造は下記の通りである。
Figure 2008500914
酸化されたNiスタンプを、上記のように、有機および無機洗浄手順により、または有機洗浄手順に続いてOプラズマ処理により洗浄し、1mMF−PSまたはF−PAのMilliQwater溶液中に、表面を空気にさらさずに、または最少限の露出で移動させた。温置時間は約12時間であった。その後、試料をMilliQwaterですすぎ、窒素気流中で乾燥させ、上記のように150℃で2時間アニーリングした。
フッ素化されていないモデル化合物H−PAおよびH12−PAは、シリコンウェハー上に熱的に堆積させた厚さ200nmのNi被膜上に調製した。これらの薬品は、英国のLancaster synthesisから市販されている。これらのモデル化合物は下記の化学構造を有する。
Figure 2008500914
Ni堆積の直前に、接着促進剤として作用する厚さ1nmのTi被膜をシリコンウェハー上に堆積させた。試料を上記の有機および無機洗浄手順で洗浄し、表面を空気に露出せずに、1mMのMilliQwater溶液中に移した。温置時間は約10時間であった。その後、試料をMilliQwaterで5分間すすぎ、穏やかな窒素気流中で乾燥させた。
XPS測定は、基底圧2x10−10ミリバールで、単色AlKαX線をhv=1486.6eVで使用する多室ScientaESCA200分光計を使用して行った。実験条件は、Au4f7/2ピークの半極大の全幅(FWHM)が約1eVになるようにした。スペクトルは、80%ガウスおよび20%ローレンツ分担(contribution)を有するVoigt関数により分割した。F−PS、F−PA、F−PS、H−PAおよびH12−PAに関連するピークのFWHMは1.2〜1.3eVであり、不純物に関連するピークのFWHMは1.3〜2eVである。バックグラウンドとして、Shirleyバックグラウンドを使用した。スペクトル中の様々なピークを、文献[20−23]にしたがって割り当てた。吸着された分子の原子比を決定するために、各Voigtピークを、AlKα 放射線の光電気断面積および使用した半球分析器の透過率関数に基づく特定の感度ファクターにより分割した[22]。様々な吸着された被膜の厚さは、Vogtetal.の電子平均自由行程およびClarkおよびThomasの電子平均自由行程の両方を使用して決定した[24、25]。
インプリント
インプリントは、様々にパターン形成し、F−PSおよびF−PA粘着防止被膜で被覆したNiおよびNi−Vスタンプで行った。スタンプはすべて、サイズが4インチであった。インプリントは、Obducat4インチインプリント機械を使用し、様々なレジスト材料で様々な処理パラメータを使用して行った。
原子力顕微鏡検査(AFM)を、タッピングモードで、Digital Instruments製のNanoScope IIIa顕微鏡を使用して行い、インプリント結果およびインプリントを行った後のスタンプの両方を調査した。
酸化された金属表面上に粘着防止被膜を形成するのに好適な、幾つかのリン酸誘導体を示す。 参考文献11により確立された、(a)フッ素化されたアルキルホスフェート二アンモニウム塩および(b)フッ素化されたアルキルリン酸と、酸化されたNiスタンプ表面との間の、理想化された結合機構を示す。 電気メッキされた、パターン形成されていないNiおよびNi−Vシート上に堆積させた、非常に純粋な単分子F−PS被膜のXPS C1sスペクトルをVoigt関数分割と共に示す。 電気メッキされた、パターン形成されていない、およびパターン形成されたNiシート上に堆積させた、非常に純粋な単分子F−PS被膜のXPS C1sスペクトルをVoigt関数分割と共に示す。 電気メッキされた、パターン形成されていないNiシート上に堆積させた、非常に純粋な単分子(a)F−PA被膜、および(b)F−PS被膜のXPS C1sスペクトルをVoigt関数分割と共に示す。 Si(100)ウェハー上の2000ÅNi上に堆積させた、非常に純粋な単分子(a)H12−PA被膜および(b)H−PA被膜のXPS C1sスペクトルを示す。 (a)および(b)は、Si(100)ウェハー上の2000ÅNi被膜上に堆積させた、非常に純粋な単分子H−PA、およびH12−PA被膜のXPS P2pスペクトルを示し、(c)および(d)は、電気メッキされた、パターン形成されていない、およびパターン形成されたNiシート上に堆積させた、F−PS被膜のXPS P2pスペクトルをVoigt関数分割と共に示す。 (a)独国のMicro Resist Technology GmBHから得たPMMA50kC6中のブルー−レイDVDスタンプの第三インプリント、(b)図8aのパラメータで5回インプリントした後の同じブルー−レイDVDスタンプのAFM画像を示す。 独国のMicro Resist Technology GmBHから得たPMMA50kC6上のmrl6000.1中のAFM画像を示す。 UV硬化性レジスト(韓国のZen Photonics CO.,LTDから得たNIP-K28)中の試験構造のインプリントのAFM画像を示す。 米国のMicro Chem Corp.から得たPMMA50kA5中のブルー−レイDVDスタンプの10回目のインプリントのAFM画像を示す。

Claims (15)

  1. ベース金属製成形型と、
    リン原子およびアルキル鎖を含有する、フッ素化されたアルキルリン酸誘導体またはフッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体を含んでなる接着防止層と、を含んでなる改良金属成形型であって、
    前記接着防止層が、前記ベース成形型の表面に直接結合してなることを特徴とする、成形型。
  2. 前記フッ素化されたアルキルリン酸誘導体または前記フッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体が、リン酸、ホスフェートおよびホスフェート塩、ホスホン酸、ホスホネートおよびホスホネート塩、またはそれらのそれぞれのオリゴマーからなる群から選択される、請求項1に記載の成形型。
  3. 前記フッ素化されたアルキルリン酸誘導体または前記フッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体が、リン原子がアルキル鎖に直接結合するように、ホスホン酸、ホスフィン酸、ホスホネートおよびホスホネート塩、ホスフィネートおよびホスフィネート塩、またはそれらのそれぞれのオリゴマーからなる群から選択される、請求項1に記載の成形型。
  4. 前記ベース成形型の金属が、ニッケル、バナジウム、アルミニウム、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、またはチタンである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の成形型。
  5. 前記ベース成形型の金属がニッケルである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の成形型。
  6. 前記ベース成形型の金属が、2種類以上の金属の合金である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の成形型。
  7. 前記ベース成形型の金属が酸化されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の成形型。
  8. 前記接着防止層が、選択されたフッ素化されたアルキルリン酸誘導体または選択されたフッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体を、(a)溶液から、(b)蒸気相から、および/または(c)超臨界流体相から、前記成形型の金属上に堆積させることを含んでなる堆積方法により、得られる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の成形型。
  9. 表面上に粘着防止層を有する成形型を製造する方法であって、
    金属製の成形型を化学蒸着室の中に入れる工程、
    前記化学蒸着室に反応圧をかける工程、
    前記成形型を120〜250℃の温度に加熱する工程、
    フッ素化されたアルキルリン酸誘導体またはフッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体を含んでなる化合物を含む粉末原料を加熱して、前記化合物を少なくとも部分的に蒸発させる工程、および
    フッ素化されたアルキルリン系化合物の自己集合性単層を、化学蒸着により前記成形型の表面に形成する工程、
    を含んでなる、方法。
  10. 表面上に粘着防止層を有する成形型を製造する方法であって、
    金属製の成形型を、水性、アルカリ性および/または酸性溶液中に入れる工程、
    フッ素化されたアルキルリン酸誘導体またはフッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体を含んでなるリン系化合物を、前記溶液中に注入する工程、
    フッ素化されたアルキルリン系化合物の自己集合性単層を、湿式化学的方法により前記成形型の表面に形成する工程、および
    前記金属製成形型を溶液から取り出して洗い流す工程、
    を含んでなる、方法。
  11. 前記溶液中に電流を印加して、前記自己集合性単層の形成を促進する工程を含んでなる、請求項10に記載の方法。
  12. 前記フッ素化されたアルキルリン酸誘導体または前記フッ素化されたアルキルポリ−リン酸誘導体が、ホスホン酸、ホスフィン酸、ホスホネート、ホスホネート塩、ホスフィネートおよびホスフィネート塩から選択される、請求項9〜11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記反応圧が低圧である、請求項9に記載の方法。
  14. 前記反応圧が、10−3〜10−11ミリバールの真空である、請求項9に記載の方法。
  15. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の成形型の、ナノ−インプリント方法における使用。
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