JP2010530126A - エッチングレジストを用いたミクロ構造およびナノ構造の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2006年12月18日出願の仮出願第60/875,447号、および2007年1月26日出願の仮出願第60/886,839号の優先権の恩典を主張し、それぞれの全体が参照により本明細書に組み入れられる。
これらの発明は、一部において陸軍研究局(ARO)契約番号28065-3-A2//W9 1 1NF-04-1-07 1、および国立衛生研究所(NIH)契約番号DPI OD 000285-02の支援により開発されたものである。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
アルキルチオールおよびデンドリマーは、100nm以下(sub-100nm)から数ミクロンまでの形状サイズ(feature size)を有する任意構造物を生成するために、湿式化学エッチングのレジスト分子として用いられてきた。例えば、Geissler et al., Adv. Mater. 2004, 16, 1249(非特許文献1)、Perl et al., Langmuir 2006, 22, 7568(非特許文献2)、Rolandi et al., Nano Lett. 2004, 4, 889(非特許文献3)、Zhang et al., Nano Lett. 2003, 3, 43(非特許文献4)、およびDucker et al., J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 392(非特許文献5)を参照されたい。
本明細書において、とりわけ製造方法、物品、使用方法、および組成物が記載される。
本明細書において引用したすべての文献はその全体が参照により本明細書に組み入れられる。
ナノリソグラフィ装置類はNanoInk, Chicago, ILから得てもよく、または従来のAFM装置を用いてもよい。直接描画法はDirect-Write Technologies for Rapid Prototyping Applications, Ed. By Pique and Chrisey, 2002に記載されている。例えば第1章の概説、およびチップベースの方法に関しては第10章を参照されたい。
一態様において、パターン形成組成物は、オリゴマー化合物またはポリマー化合物を含む。一例において、この組成物は溶媒も含むように配合することもできる。溶媒は、チップの先端またはスタンプ表面でパターン形成組成物の分配時に除去することができる。他の例において、パターン形成組成物は、オリゴマー化合物および/またはポリマー化合物の混合物を含む。該オリゴマーおよび/またはポリマーは、異なる分子量、官能基、主鎖構造、または他の変形を有してもよい。他の例において、パターン形成組成物は、コオリゴマーおよび/またはコポリマーを含む。
基板表面は、パターン形成組成物および当面の適用に伴って機能するように適合させることができるが、基板表面は任意の基板の表面であり得る。基板は一般に好ましくは高解像度パターンを提供する。例えば基板表面は、例えばガラスなどの絶縁体、または例えば金を含む金属などの伝導体の表面であってよい。さらに基板は、金属、半導体、磁性材料、ポリマー材料、ポリマー被覆基板、または超伝導体材料であってよい。基板は1種類または複数種類の吸着質であらかじめ処理することができる。さらに、適切な基板の例には、これに限定されるわけではないが、金属、セラミック、金属酸化物、半導体材料、磁性材料、ポリマー被覆基板またはポリマー被覆基板、超伝導体材料、ポリスチレン、およびガラスが含まれる。金属には、これに限定されるわけではないが、金、銀、アルミニウム、銅、白金、およびパラジウムが含まれる。化合物をパターン化することのできる他の基板には、これに限定されるわけではないが、シリカ、酸化ケイ素SiOx、GaAs、InP、およびInAsが含まれる。
一態様において、パターン形成組成物は、基板表面に弱く結合している。好ましくは、パターン形成組成物は、基板表面に物理吸着している。本明細書において、「物理吸着」とは、実質的な化学吸着または共有結合を伴わない相互作用を表す。物理吸着したパターン形成化合物は、適切な溶媒によって基板表面から除去することができる。
本態様は、ポジティブエッチングおよびネガティブエッチングの両方に関する。本態様において、基板表面に形成されたパターンは、エッチングレジストとして機能する。好ましい態様において、前記パターンは、湿式化学エッチングレジストとして機能する。しかしながらいくつかの態様は、非湿式エッチング工程を含み得る。
本発明の態様に従って形成されたナノ構造およびミクロ構造は、エッチングの品質および形状物の解像度の両方に関して、エッチングレジストとしてアルキルチオール分子を用いて形成されたものに匹敵し得る。
本明細書において特許請求する態様を、非限定的な実施例を用いてさらに例示する。
ディップペンナノリソグラフィ(DPN)[1、2]は、50nm以下から数マイクロメートルの解像度でソフトマターおよびハードマターを表面にプリンティングするための強力なツールとして浮上してきた。実際に種々の有機小分子[3〜5]、ポリマー[6〜8]、タンパク質[9〜12]、ゾルゲル[13]、ナノ粒子[14、15]、高溶融温度分子[16]、およびウイルス[17]のリソグラフパターンが、Au[2、18、19]、Ag[20]、GaAs[21]、およびSiOx[4、22]を含む多種多様な基板上で生成されている。カンチレバーアレイ(線状A-26ペン[23]および二次元55,000ペンアレイシステム[24])の開発に伴って、この技法は並行法[25]に発展しており、これは一部の場合において電子ビームリソグラフィなどの一連のナノリソグラフ技法の処理能力を超えている。実際、湿式化学エッチングプロトコルと併せて二次元55,000ペンアレイを用いることによって、30分未満で1平方センチメートルの領域に数100万の固体ナノ構造を生成できることが示されている[24]。
DPNを用いて、PEG型板を生成した。A-26チップアレイAFMプローブを、5mg/mlポリエチレングリコールアセトニトリル溶液に10秒間浸漬被覆した。次いで、このポリマー被覆カンチレバープローブをNSCRIPTOR(商標)に載せ、10nm Cr接着層を用いてSiO2基板に熱蒸着したAuの薄層にポリエチレングリコール形状物を書き込んだ。最初に1mMの1-オクタデカンチオールで15分間不動態化し、ジクロロメタン溶液で洗浄し、その後、20mMチオ尿素および30mM硝酸鉄九水和物を含有するエッチング溶液でインキュベートしたPEG型板を用いて、ネガティブナノ構造を生成した。同じ水性エッチング溶液で基板を直接インキュベートすることによって、ポジティブ固体ナノ構造が生成された。次いで、基板を多量の水で洗浄してPEGを除去した。
1. 以下の工程を含む、ナノ構造またはミクロ構造を形成する方法:
オリゴマー化合物またはポリマー化合物を用いて基板の表面をパターン化し露出基板を提供するために、直接描画ナノリソグラフィを実行する工程;および
ナノ構造またはミクロ構造を形成するために、パターン化された表面の露出基板をエッチングする工程。
2. オリゴマー化合物またはポリマー化合物をナノ構造から除去する工程をさらに含む、態様1記載の方法。
3. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、水溶性オリゴマーまたは水溶性ポリマーを含む、態様1記載の方法。
4. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、主鎖にヘテロ原子を含む、態様1記載の方法。
5. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ルイス塩基として作用する酸素原子を含む、態様4記載の方法。
6. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ポリエチレングリコール(PEG)を含む、態様4記載の方法。
7. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ポリエチレンオキシドを含む、態様4記載の方法。
8. 基板が、金属、半導体、または絶縁体材料を含む、態様1記載の方法。
9. 基板が、絶縁体上の金属層を含む、態様1記載の方法。
10. 基板が、酸化ケイ素上の金の層を含む、態様9記載の方法。
11. 以下の工程を含む、ナノ構造またはミクロ構造を形成する方法:
オリゴマー化合物またはポリマー化合物を用いて基板の表面をパターン化しかつ露出基板を提供するために、マイクロコンタクトプリンティングを実行する工程;および
ナノ構造またはミクロ構造を形成するために、パターン化された表面の露出基板をエッチングする工程。
12. オリゴマー化合物またはポリマー化合物をナノ構造またはミクロ構造から除去する工程をさらに含む、態様11記載の方法。
13. ポリマー化合物が、水溶性オリゴマーまたは水溶性ポリマーを含む、態様11記載の方法。
14. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ヘテロ原子を含む、態様11記載の方法。
15. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ルイス塩基として作用する酸素原子を含む、態様14記載の方法。
16. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ポリエチレングリコール(PEG)を含む、態様14記載の方法。
17. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ポリエチレンオキシドを含む、態様14記載の方法。
18. 基板が、金属、半導体、または絶縁体材料を含む、態様11記載の方法。
19. 基板が、絶縁体上の金属層を含む、態様11記載の方法。
20. 基板が、酸化ケイ素上の金の層を含む、態様19記載の方法。
21. 以下の工程を含む、ナノ構造またはミクロ構造を形成する方法:
オリゴマー化合物またはポリマー化合物を用いて基板の表面をパターン化するために、直接描画ナノリソグラフィを実行する工程;
基板表面のパターン化されていない領域を不動態化化合物で被覆する工程;
露出基板を提供するために、オリゴマー化合物またはポリマー化合物を除去する工程;および
ナノ構造またはミクロ構造を形成するために、露出基板をエッチングする工程。
22. 不動態化化合物を除去する工程をさらに含む、態様21記載の方法。
23. 不動態化化合物が、チオール化合物を含む、態様21記載の方法。
24. 不動態化化合物が、オクタデシルチオール(ODT)を含む、態様23記載の方法。
25. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、水溶性ポリマーを含む、態様21記載の方法。
26. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ヘテロ原子を含む、態様21記載の方法。
27. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ルイス塩基として作用する酸素原子を含む、態様26記載の方法。
28. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ポリエチレングリコール(PEG)を含む、態様26記載の方法。
29. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ポリエチレンオキシドを含む、態様26記載の方法。
30. 基板が、金属、半導体、または絶縁体材料を含む、態様21記載の方法。
31. 基板が、絶縁体上の金属層を含む、態様21記載の方法。
32. 基板が、酸化ケイ素上の金の層を含む、態様31記載の方法。
33. 以下の工程を含む、ナノ構造またはミクロ構造を形成する方法:
オリゴマー化合物またはポリマー化合物を用いて基板の表面をパターン化するために、マイクロコンタクトプリンティングを実行する工程;
基板表面のパターン化されていない領域を不動態化化合物で被覆する工程;
オリゴマー化合物またはポリマー化合物を除去し、かつ露出基板を提供する工程;および
ナノ構造またはミクロ構造を形成するために、露出基板をエッチングする工程。
34. 不動態化化合物を除去する工程をさらに含む、態様33記載の方法。
35. 不動態化化合物が、チオール化合物を含む、態様33記載の方法。
36. 不動態化化合物が、オクタデシルチオール(ODT)を含む、態様35記載の方法。
37. 残存するオリゴマー化合物またはポリマー化合物を除去する工程をさらに含む、態様33記載の方法。
38. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、水溶性オリゴマーまたは水溶性ポリマーを含む、態様33記載の方法。
39. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ヘテロ原子を含む、態様33記載の方法。
40. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ルイス塩基として作用する酸素原子を含む、態様39記載の方法。
41. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ポリエチレングリコール(PEG)を含む、態様39記載の方法。
42. オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、ポリエチレンオキシドを含む、態様39記載の方法。
43. 基板が、金属、半導体、または絶縁体材料を含む、態様39記載の方法。
44. 基板が、絶縁体上の金属層を含む、態様33記載の方法。
45. 基板が、酸化ケイ素上の金の層を含む、態様44記載の方法。
46. 態様1〜45のいずれか一態様に従って形成されたナノ構造のアレイ。
47. 態様1〜45のいずれか一態様に従って形成されたミクロ構造のアレイ。
48. 基板に形成されたナノ構造を含む物品であって、該ナノ構造が金属を含み、かつ該基板が絶縁体を含む、物品。
49. ナノ構造が金を含む、態様48記載の物品。
50. 基板が酸化ケイ素を含む、態様48記載の物品。
51. ナノ構造が、直接描画ナノリソグラフィおよび金属層のエッチングによって形成される、態様48記載の物品。
52. 基板に形成されたミクロ構造を含む物品であって、該ミクロ構造が金属を含み、かつ該基板が絶縁体を含み、かつ該ミクロ構造がマイクロコンタクトプリンティングおよび金属層のエッチングによって形成される、物品。
53. 以下の工程を含む、ナノ構造またはミクロ構造を形成する方法:
オリゴマー化合物またはポリマー化合物を用いて基板の表面をパターン化し露出基板を提供するために、直接描画ナノリソグラフィを実行する工程であって、パターン化が、オリゴマー化合物またはポリマー化合物をチップから基板の表面へと転写することを含む、工程;および、
ナノ構造またはミクロ構造を形成するために、パターン化された表面の露出基板をエッチングする工程。
54. チップが、走査プローブ顕微鏡チップである、態様53記載の方法。
55. チップが、原子間力顕微鏡チップである、態様53記載の方法。
56. チップが、中空チップである、態様53記載の方法。
57. 以下の工程を含む、ナノ構造またはミクロ構造を形成する方法:
オリゴマー化合物またはポリマー化合物を用いて基板の表面をパターン化するために、直接描画ナノリソグラフィを実行する工程であって、前記オリゴマー化合物またはポリマー化合物がチップから基板の表面へと転写される、工程;
基板表面のパターン化されていない領域を不動態化化合物で被覆する工程;
露出基板を提供するために、オリゴマー化合物またはポリマー化合物を除去する工程;および
ナノ構造またはミクロ構造を形成するために、露出基板をエッチングする工程。
58. チップが、走査プローブ顕微鏡チップである、態様57記載の方法。
59. チップが、原子間力顕微鏡チップである、態様57記載の方法。
60. チップが、中空チップである、態様57記載の方法。
60の態様は以上である。
Claims (38)
- 以下の工程を含む、ナノ構造またはミクロ構造を形成する方法:
オリゴマー化合物またはポリマー化合物を含むパターン形成組成物(patterning composition)を用いて基板の表面をパターン化しかつ露出基板を提供するために、直接描画(direct-write)ナノリソグラフィを実行する工程であって、前記パターン形成組成物が基板表面に物理吸着している、工程;および
ナノ構造またはミクロ構造を形成するために、パターン化された表面の露出基板をエッチングする工程。 - パターン形成組成物が、水溶性オリゴマー化合物または水溶性ポリマー化合物を含む、請求項1記載の方法。
- オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、主鎖にヘテロ原子を含む、請求項1記載の方法。
- オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、酸素原子を含む、請求項1記載の方法。
- パターン形成組成物が、ポリエチレングリコール(PEG)またはポリエチレンオキシド(PEO)を含む、請求項1記載の方法。
- パターン形成組成物が、ポリプロピレングリコール、ロウ、ポリエチレンイミン、またはそれらの組み合わせを含む、請求項1記載の方法。
- パターン形成組成物をチップに適用する工程を含む、請求項1記載の方法。
- 基板の表面のパターン化が、パターン形成組成物をチップから基板の表面へと転写することを含む、請求項1記載の方法。
- チップが、走査プローブ顕微鏡チップである、請求項8記載の方法。
- チップが、原子間力顕微鏡チップである、請求項8記載の方法。
- チップが、中空チップである、請求項8記載の方法。
- チップが、非中空チップである、請求項8記載の方法。
- 基板の表面のパターン化が、少なくとも約40%の相対湿度で行われる、請求項8記載の方法。
- 以下の工程を含む、ナノ構造またはミクロ構造を形成する方法:
オリゴマー化合物またはポリマー化合物を含むパターン形成組成物を用いて基板の表面をパターン化しかつ露出基板を提供するために、マイクロコンタクトプリンティングを実行する工程であって、前記パターン形成組成物が基板表面に物理吸着している、工程;および
ナノ構造またはミクロ構造を形成するために、パターン化された表面の露出基板をエッチングする工程。 - パターン形成組成物が、水溶性オリゴマー化合物または水溶性ポリマー化合物を含む、請求項14記載の方法。
- オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、主鎖にヘテロ原子を含む、請求項14記載の方法。
- オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、酸素原子を含む、請求項14記載の方法。
- パターン形成組成物が、ポリエチレングリコール(PEG)またはポリエチレンオキシド(PEO)を含む、請求項14記載の方法。
- 以下の工程を含む、ナノ構造またはミクロ構造を形成する方法:
オリゴマー化合物またはポリマー化合物を含むパターン形成組成物を用いて基板の表面をパターン化するために、直接描画ナノリソグラフィを実行する工程であって、前記パターン形成組成物が基板表面に物理吸着している、工程;
基板表面のパターン化されていない領域を不動態化化合物(passivating compound)で被覆する工程;
露出基板を提供するために、パターン形成組成物を除去する工程;および
ナノ構造またはミクロ構造を形成するために、露出基板をエッチングする工程。 - パターン形成組成物が、水溶性オリゴマー化合物または水溶性ポリマー化合物を含む、請求項19記載の方法。
- オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、主鎖にヘテロ原子を含む、請求項19記載の方法。
- オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、酸素原子を含む、請求項19記載の方法。
- パターン形成組成物が、ポリエチレングリコール(PEG)またはポリエチレンオキシド(PEO)を含む、請求項19記載の方法。
- パターン形成組成物が、ポリプロピレングリコール、ロウ、ポリエチレンイミン、またはそれらの組み合わせを含む、請求項19記載の方法。
- パターン形成組成物をチップに適用する工程を含む、請求項19記載の方法。
- 基板の表面のパターン化が、パターン形成組成物をチップから基板の表面へと転写することを含む、請求項19記載の方法。
- チップが、走査プローブ顕微鏡チップである、請求項26記載の方法。
- チップが、原子間力顕微鏡チップである、請求項26記載の方法。
- チップが、中空チップである、請求項26記載の方法。
- チップが、非中空チップである、請求項26記載の方法。
- 基板の表面のパターン化が、少なくとも約40%の相対湿度で行われる、請求項26記載の方法。
- 以下の工程を含む、ナノ構造またはミクロ構造を形成する方法:
オリゴマー化合物またはポリマー化合物を含むパターン形成組成物を用いて基板の表面をパターン化するために、マイクロコンタクトプリンティングを実行する工程;
基板表面のパターン化されていない領域を不動態化化合物で被覆する工程であって、前記パターン形成組成物が基板表面に物理吸着している、工程;
パターン形成組成物を除去し、かつ露出基板を提供する工程;および
ナノ構造またはミクロ構造を形成するために、露出基板をエッチングする工程。 - パターン形成組成物が、水溶性オリゴマー化合物または水溶性ポリマー化合物を含む、請求項32記載の方法。
- オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、主鎖にヘテロ原子を含む、請求項32記載の方法。
- オリゴマー化合物またはポリマー化合物が、酸素原子を含む、請求項32記載の方法。
- パターン形成組成物が、ポリエチレングリコール(PEG)またはポリエチレンオキシド(PEO)を含む、請求項32記載の方法。
- 以下の段階を含む方法:
ポリ(エチレングリコール)またはポリ(エチレンオキシド)を含むインク組成物を、チップに配置する工程;
付着物を形成するために、インク組成物を基板表面に転写する工程;
基板をエッチング条件に暴露する工程。 - 転写が、走査プローブコンタクトプリンティングまたはディップペンナノリソグラフィによって行われる、請求項37記載の方法。
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