JP2012212719A - パターン形成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置等の製造に用いられるインプリントリソグラフィ方法において、テンプレートパターンへの充填材料の充填特性を向上することができるパターン形成方法を提供する。
【解決手段】
被処理基板上に第一の膜を形成し、前記第一の膜の表面に空隙を形成し、空隙が形成された前記第一の膜表面上に光硬化剤を供給するし、前記光硬化剤と凹部パターンが形成されたテンプレートとを接触させて前記凹部パターンに前記光硬化剤を充填し、充填された前記光硬化剤に光を照射して前記光硬化剤を硬化し、前記テンプレートと前記光硬化剤を離型して光硬化剤パターンを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置の製造工程、ハードディスクの製造工程、フォトアレイの製造工程などに用いられるパターン形成方法に関する。
近年、半導体装置、ＨＤＤ及びフォトアレイ等のデバイスの製造において、被転写基板に原版の型（テンプレート）を転写するインプリント法が注目されている。インプリント法では、まず、凹部形状のパターンが形成されたテンプレートを基板上に塗布されている充填材料に押し付けてテンプレートパターンに充填材料を充填し、充填材料を硬化させた後、テンプレートを充填材料から離型することで基板上にパターンを形成する方法である（例えば、特許文献１参照。）。
しかし、このインプリント法を用いたパターン形成において、テンプレートパターンに充填材料を充填する際、充填材料とテンプレートパターンの間に介在する雰囲気が、テンプレートパターン空間に取り込まれ、充填材料の充填速度が遅くなる場合がある。
米国登録特許６３３４９６０号
本発明は、半導体装置等の製造に用いられるインプリント方法において、テンプレートパターンへの充填材料の充填特性を向上することができるパターン形成方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係るパターン形成方法は、被処理基板上に第一の膜を形成する工程と、前記第一の膜の表面に空隙を形成する工程と、空隙が形成された前記第一の膜の表面上に光硬化剤を供給する工程と、前記光硬化剤と凹部パターンが形成されたテンプレートとを接触させて前記凹部パターンに前記光硬化剤を充填する工程と、充填された前記光硬化剤に光を照射して前記光硬化剤を硬化する工程と、前記テンプレートと前記光硬化剤を離型して光硬化剤パターンを形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
第１及び第２の実施形態に係るパターン形成方法を実施するためのインプリント装置の概略図。 第1の実施形態に係るパターン形成方法を説明する工程断面図。 第２の実施形態に係るパターン形成方法を説明する工程断面図。
以下、図面を参照して本発明に係るパターン形成方法の実施形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るインプリント法によるパターン形成方法を、図１及び図２を用いて説明する。
まず、本実施形態に係るパターン形成方法に用いるインプリント装置の概略を説明する。図１は、本実施形態に係るパターン形成方法に用いるインプリント装置の概略構成図である。
インプリント装置１００は、被処理基板２００の主面（被パターン形成面）を上に向けて固定する被処理基板チャック１０４と、これを３次元的に移動させるための被処理基板用ステージ１０３と、被処理基板２００上に選択的に光硬化剤（充填材料）を供給する光硬化剤塗布手段１０５と、凹部パターンが形成されたインプリント用テンプレート３００を凹部パターン形成面が下方に向くように保持するテンプレート保持手段１０８と、テンプレート３００を介して光硬化剤を硬化するための光を照射する光源（例えば、UVランプ）１０６を具備している。インプリント用のテンプレート３００は、透明な石英基板にプラズマエッチングで凹部パターンが形成されたもの等である。なお、被処理基板２００及びテンプレート３００は、図１の装置１００を利用する際に装置内部にセットされるものであり、本装置１００の構成には含まれない。
次に、図２を参照して、前述のインプリント装置を用いたパターン形成方法を説明する。図３は、本実施形態に係るパターン形成方法を説明する工程断面図である。
まず、図２（ａ）に示すように、本実施形態に係る被処理基板２００を準備した。被処理基板２００は、シリコンウェハ等である。被処理基板２００の処理表面には、酸化シリコン膜等の層間絶縁膜、ポリシリコンや銅配線等の導電膜等が形成されている場合もある。
次に、図２（ｂ）に示すように、被処理基板２００上に回転塗布法により第一のスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）膜２１０を膜厚４０ｎｍ程度で形成した。更にその表面に、第一のＳＯＧ膜２１０と比較して炭素含有量が高い第二のＳＯＧ膜２２０を膜厚２ｎｍ程度で形成した。
更に、図２（ｃ）に示すように、第二のＳＯＧ膜２２０の表面を酸素プラズマに晒して、第二のＳＯＧ膜２２０の炭化水素部位を除去した。これにより、微細な空隙、例えばクラックを第二のＳＯＧ膜２２０に発生させることができ、クラックが表面に形成された第二のＳＯＧ膜２２５を形成した。ここで、空隙は、例えば幅１ｎｍ以下のスリット形状であるが、ホール形状等であってもよい。空隙の幅を１ｎｍ以下とすることで、後述する光硬化剤の第二のＳＯＧ膜２２０への進入を効果的に防止することができる。空隙は、イオンミリング法により第二のＳＯＧ膜２２０の表面にＡｒを衝突させることで形成することもできる。
その後、被処理基板２００を図１に示した装置１００に移動し、インプリントリソグラフィを用いて、被処理基板２００上にパターンを形成した。光が照射されることで硬化する光硬化剤、例えばエポキシ樹脂を充填材料として用いた。光硬化剤としては、エポキシ樹脂以外にも、ＳＯＧ膜のエッチング加工時にエッチング耐性を有する材料で、一般的にインプリントリソグラフィで使用される光硬化剤、例えばアクリル系ポリマー剤などを用いることができる。
図２（ｄ）に示すように、インプリント装置１００内の被処理基板チャック１０４（図示を省略）で被処理基板２００を主面を上に向けた状態で保持し、被処理基板２００を光硬化剤塗布手段１０５（図示を省略）の直下に移動し、第二のＳＯＧ膜２２５上の被パターン形成領域に光硬化剤塗布手段１０５を走査して光硬化剤２３０を塗布形成した。光硬化剤２３０は液滴状に第二のＳＯＧ膜２２５上に塗布形成してもよい。
第二のＳＯＧ膜２２５表面のクラック部分（空隙）はプラズマ処理で親水化しているため、疎水成分を含有した疎水性光硬化剤２３０は第二のＳＯＧ膜２２５の表面に形成されたクラックに浸入することはなかった。
さらに、図２（ｅ）に示すように、被処理基板用ステージ１０３とテンプレート３００を相対的に移動させて、被処理基板２００上に形成した光硬化剤２３０とテンプレート３００の凹部パターン面を接触させる。このとき光硬化剤２３０は、流動性を有するため、毛細管現象によりテンプレート３００の凹部パターン内に充填される。
従来のインプリントリソグラフィでは、充填の初期課程において、テンプレートの凹部パターンと光硬化剤の間に介在する雰囲気が凹部パターンの空間に取り込まれ、毛細管現象による充填圧が上昇し、取り込まれた雰囲気が圧縮される。従来の光硬化剤の充填では、凹部パターン内の空気を圧縮しつつ行われるため、完全充填までにかなりの時間を要していた。
本実施例に係るパターン形成方法では、光硬化剤２３０のテンプレート３００の凹部パターンへの充填時において、凹部パターンの空間に取り込まれた雰囲気の一部を、光硬化剤２３０内に拡散させ、光硬化剤２３０下の第二のＳＯＧ膜２２５の空隙に排出することができる。このため、光硬化剤２３０をテンプレート３００の凹部パターンへ容易に充填することができ、充填時間を大幅に短縮することができた。
光硬化剤２３０をテンプレートパターンへ充填した後、被処理基板２００とテンプレートパターンとの位置あわせを行った。位置あわせを実施した後、光源１０６（図示を省略）からテンプレート３００を介して光硬化剤２３０に光を照射し、光硬化剤２３０を硬化させた。光源１０６には、波長３００ｎｍから４００ｎｍの範囲で発光するランプを用いた。光源１０６の波長は、光硬化剤２３０が光を吸収して架橋反応を生じる波長を含むものであれば良く、高圧水銀ランプ、タングステンランプ、ＵＶ−ＬＥＤ、紫外線レーザーなど、光硬化剤２３０の吸収帯に応じて選定することができる。
次に、図２（ｆ）に示すように、被処理基板ステージ１０３（図示を省略）とテンプレート３００を相対的に移動させて、光硬化剤２３０からテンプレート３００を離型して被処理基板２００上に光硬化剤パターン２４０を形成した。
続いて、図２（ｇ）に示すように、酸素プラズマを用いて光硬化剤パターン２４０をエッチバックし、第二のＳＯＧ膜２２５上に薄膜として残存する光効果剤パターン２４０を除去し、第二のＳＯＧ膜２２５の一部を露出させた。
更に、図２（ｈ）に示すように、光硬化剤パターン２４０をマスクにして、フロロカーボン系のガスと酸素ガスによる異方性エッチングを行い、第二のＳＯＧ膜２２５及び第一のＳＯＧ膜２１０の一部を除去した。
本実施形態に係るパターン形成方法では、被処理基板２００上に第一のＳＯＧ膜２１０および第二のＳＯＧ膜２２０を順に積層した積層膜を形成した。しかし、ＳＯＧ膜に浅いクラックを形成できる場合は、被処理基板２００上に一層のＳＯＧ膜を設け、そのＳＯＧ膜表面に浅いクラックを形成してもよい。
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係るインプリント法によるパターン形成方法を、図１及び図３を用いて説明する。
図３を参照して、図１に示したインプリント装置１００を用いた本実施形態に係るパターン形成方法を説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、被処理基板２００を準備した。被処理基板２００は、第１の実施形態で説明した被処理基板と同様、シリコン基板である。表面には、各種絶縁膜等が形成されている。
次いで、図３（ｂ）に示すように、被処理基板２００上に回転塗布法により第一の塗布型カーボン膜４１０を膜厚２００ｎｍ程度で形成した。更にその表面に、第一の塗布型カーボン膜４１０と比較して引っ張り応力の強い第二の塗布型カーボン膜４２０を膜厚１０ｎｍ程度で形成した。
更に、図３（ｃ）に示すように、第二の塗布型カーボン膜４２０表面をフッ素プラズマに晒して、第二の塗布型カーボン膜４２０にスリット幅１ｎｍ以下の微細な空隙、例えばクラックを発生させ、クラックを有する第二の塗布型カーボン膜４２５を形成した。ここで空隙は、例えば幅１ｎｍ以下のスリット形状であるが、ホール形状等であってもよい。空隙の幅を１ｎｍ以下とすることで、後述する光硬化剤の第二の塗布型カーボン膜４２０への進入を効果的に防止することができる。
第二の塗布型カーボン膜４２０は、水素を含んでおり、水素含有率がカーボン含有率よりも低い膜である。このカーボン膜４２０の表面を炭化フッ素系のエッチングガスを用いてプラズマ処理することで、カーボン膜４２０表面の水素がフッ素に置換して、カーボン膜４２０の体積が膨張する。この体積膨張により、カーボン膜４２０に空隙を発生することができる。
続いて、図３（ｄ）に示すように、被処理基板２００を図１に示すインプリント装置１００に移動し、インプリントリソグラフィを実施した。
テンプレート３００の凹部パターンに充填する光硬化剤（充填材料）としてシロキサン系樹脂を用いた。なお、本実施形態において光硬化剤としても用いることができる樹脂はシロキサン系樹脂に限るものではなく、第一及び第二の塗布型カーボン膜のそれぞれとエッチング選択比を有する光硬化剤であれば、その他の光硬化剤を用いることができる。
まず、被処理基板２００の主面を上に向けた状態で被処理基板チャック１０４（図示を省略）に保持した後、被処理基板２００を光硬化剤塗布手段１０５の直下に移動させて、被処理基板２００上の第二の塗布型カーボン膜４２５の被パターン形成領域に光硬化剤４３０を塗布形成した。光硬化剤４３０の塗布は、光硬化剤塗布手段１０５を走査させることで行った。また、光硬化剤４３０を液滴状に塗布することもできる。
第二の塗布型カーボン膜４２５の表面に形成されたクラック部分（空隙）は疎水化されているため、親水成分を含有した親水性シロキサン系光硬化剤４３０は塗布型カーボン膜４２５表面に形成されたクラックに浸入することはなかった。
さらに、図３（ｅ）に示すように、被処理基板用ステージ１０３（図示を省略）とテンプレート３００を相対的に移動させて、被処理基板２００上に形成した光硬化剤４３０とテンプレート３００の凹部パターン面を接触させる。このとき光硬化剤４３０は、流動性を有するため、毛細管現象によりテンプレート３００の凹部パターン内に充填される。
本実施例に係るパターン形成方法では、光硬化剤２３０のテンプレート３００の凹部パターンへの充填時において、凹部パターンの空間に取り込まれた雰囲気の一部を、光硬化剤２３０内に拡散させ、光硬化剤２３０下の第二の塗布型カーボン膜４２５の空隙に排出することができる。このため、光硬化剤２３０をテンプレート３００の凹部パターンへ容易に充填することができ、充填時間を大幅に短縮することができた。
光硬化剤２３０をテンプレートパターンへ充填した後、被処理基板２００とテンプレートパターンとの位置あわせを行った。位置あわせを実施した後、光源１０６（図示を省略）からテンプレート３００を介して光硬化剤２３０に光を照射し、光硬化剤２３０を硬化させた。光源１０６には、波長３００ｎｍから４００ｎｍの範囲で発光するランプを用いた。光源１０６の波長は、光硬化剤２３０が光を吸収して架橋反応を生じる波長を含むものであれば良く、高圧水銀ランプ、タングステンランプ、ＵＶ−ＬＥＤ、紫外線レーザーなど、光硬化剤２３０の吸収帯に応じて選定することができる。
次に、図３（ｆ）に示すように、被処理基板ステージ１０３（図示を省略）とテンプレート３００を相対的に移動させて、光硬化剤２３０からテンプレート３００を離型して被処理基板２００上に光硬化剤パターン２４０を形成した。
続いて、図３（ｇ）に示すように、フッ素プラズマを用いて光硬化剤パターン２４０をエッチバックし、第二の塗布型カーボン膜４２５上に薄膜として残存する光効果剤パターン２４０を除去し、第二の塗布型カーボン膜４２５の一部を露出させた。
更に、図３（ｈ）に示すように、光硬化剤パターン２４０をマスクにして、フッ素ガスと酸素ガスによる異方性エッチングを行い、第二の塗布型カーボン膜４２５の一部を除去し、第一の塗布型カーボン膜４１０の一部を露出させた。続いて、エッチングガスをフロロカーボンガスと酸素ガスに切り替えて異方性エッチングを行い、光硬化剤パターン２４０をマスクにして、露出した第一の塗布型カーボン膜４１０を除去した。
本実施形態に係るパターン形成方法では、被処理基板２００上に第一のカーボン膜４１０および第二の塗布型カーボン膜４２０を順に積層した積層膜を形成した。しかし、カーボン膜に浅いクラックを形成できる場合は、被処理基板２００上に一層のカーボン膜を設け、そのカーボン膜表面に浅いクラックを形成してもよい。
なお、上記２つの実施形態に係るパターン形成方法は、半導体装置の製造工程、ハードディスクの製造工程またはフォトアレイの製造工程におけるパターン形成方法として利用することができる。
２００…被処理基板
２１０…第一のスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）膜
２２０…第二のスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）膜
２２５…空隙が形成された第二のスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）膜
２３０…光硬化剤
２４０…光硬化剤パターン
３００…テンプレート
４１０…第一の塗布型カーボン膜
４２０…第二の塗布型カーボン膜
４２５…空隙が形成された第二の塗布型カーボン膜

Claims (5)

  1. 被処理基板上に第一の膜を形成する工程と、
    前記第一の膜の表面に空隙を形成する工程と、
    空隙が形成された前記第一の膜表面上に光硬化剤を供給する工程と、
    前記光硬化剤と凹部パターンが形成されたテンプレートとを接触させて前記凹部パターンに前記光硬化剤を充填する工程と、
    充填された前記光硬化剤に光を照射して前記光硬化剤を硬化する工程と、
    前記テンプレートと前記光硬化剤を離型して光硬化剤パターンを形成する工程と、
    を備えたことを特徴とするパターン形成方法。
  2. 前記空隙は親水化しており、前記光硬化剤は疎水成分を含むことを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
  3. 前記空隙は疎水化しており、前記光硬化剤は親水成分を含むことを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
  4. 前記空隙は、前記第一の膜をプラズマに晒すことにより形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載のパターン形成方法。
  5. 前記空隙の幅は、１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載のパターン形成方法。
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