JP3372258B2 - リソグラフィ・プロセス用のスタンプ - Google Patents

リソグラフィ・プロセス用のスタンプ

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般に、リソグラフィ・プロセスに関す
る。より具体的には、本発明は、このようなリソグラフ
ィ・プロセスで使用するための弾性スタンプに関する。
発明の背景 集積回路（IC）および超小型機械装置の出現以来、そ
の大量生産のために光リソグラフィが非常に重要なもの
になっている。すなわち、その便利さ、並列操作、解像
度によって巨大な市場が作られている。増大する貯蔵お
よび消費の要求を満たすために必要なかなり小さい寸法
の装置の製作では、プロセスが回折によって主に設定さ
れた基本限界に着実に近づくと、可視光がますます問題
になってくる。このような認識がきっかけとなって、U
V、Ｘ線、電子ビーム、走査プローブ（SP）リソグラフ
ィにおける熱心な研究が始まった。このような方法は高
い解像度をもたらすが、成功度は様々であり、その経済
性はよく見ても依然として不確実なままである。このよ
うな不確実さの理由としては、波長依存現象による制
限、電子ビームおよびSPリソグラフィの書込み速度の遅
さ、適切なレジストを探す際の難しさなどがある。
現行リソグラフィの関連する別個の制限は、パターン
転写に必要なプロセスの複雑さであり、現在のリソグラ
フィは、装置の充填度が組立てより高くなるように、基
板の所与の領域を保護するためにマスクを使用して液相
または気相から材料を転写することを利用している。
リソグラフィに関する代替手法は、A.KumarおよびG.
M.WhitesidesによるAppl.Phys.Lett.63（14）、1993年1
0月４日、2002〜2004ページに公表されている。スタン
プ・リソグラフィと呼ばれるこのプロセスでは、所望の
パターンのネガによってマスタ上にポリ（ジメチルシロ
キサン）（PDMS）を鋳造することにより、スタンプが製
作される。PDMSスタンプは、硬化後にマスタから剥離さ
れ、スタンプとの過渡的な接触により基板に転写される
「インク」にさらされる。PDMSの弾性特性により、粗い
表面または湾曲した表面上でも接触が可能になる。この
方法により、１〜100ミクロンの範囲のフィーチャが実
施される。スタンプとフィーチャがこれより大きい（1c
m〜200ミクロン）場合、事前にUV光にさらされた領域を
溶解するために弱い石鹸液を使用する従来のUVリソグラ
フィにより、パターンがスタンプに直接エッチングされ
る。ミクロン未満のフィーチャを備えたリソグラフィに
この方法を適用する場合、Kumar他が普及させたタイプ
のスタンプでは、ICの大量生産に必要な再現性のある結
果がまったく得られないことが分かっている。このパタ
ーン転写方法の主な限界は、パターンの支持体として使
用するエラストマである。この材料は、変形可能なの
で、実用的なリソグラフィに必要な高い解像度で基板に
パターンを繰り返し正確に転写することが不可能であ
る。
したがって、スタンプ・リソグラフィが現行の最新リ
ソグラフィと競争できるようにKumar他による方法を改
善することが本発明の一目的であると見なす。具体的に
は、従来のウェハ・サイズを覆うためにも適した、幅が
0.1〜１ミクロンのフィーチャが再現可能な方法で達成
されるはずである。
発明の概要 本発明の目的は、請求の範囲に記載したスタンプによ
って達成される。この新しい複合スタンプは、先行技術
のスタンプの制約を回避するものである。新しいスタン
プを使用すると、１ミクロン未満のフィーチャ・サイズ
または「設計規則」を再現可能な方法で達成することが
できる。その新規な構造により、すべての重要な特性、
すなわち、剛性、共形接触（すなわち、表面形状に密接
に接触）正確なパターン転写に同時に整合するように最
適化することができる。
スタンプが、基板の厚さの変動とその表面上の不純物
に対処する、共形接触用の変形可能または弾性層と、所
望のパターンを帯びた第２の（パターン化）層とを含む
ことは、本発明の重要な特徴の１つであると見なす。こ
の層は、104〜107、より好ましくは、0.25＊106〜５＊1
06ダイン/cm2という範囲のヤング係数を有する材料から
作られることが好ましい。この特性を有する材料として
は、ポリ（ブチルジエン）、ポリ（ジメチルシロキサ
ン）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（ブチルスチレ
ン）、およびこのようなタイプのコポリマーが考えられ
る。所望の量の柔軟性を制御するように弾性層の特性を
最適化することが望ましい。
本発明によるスタンプには、既知の均一弾性スタンプ
を上回る利点がいくつかある。両方の層の材料は、かな
りの程度まで互いに独立して最適化することができる。
したがって、リソグラフィ・プロセスによってミクロン
未満のフィーチャを容易に書き込めるパターン化層を設
けることが望ましい。また、このパターン化層は、特定
の「インク」材料に容易に接着するかまたはその材料を
吸収するはずである。さらに、リソグラフィ・プロセス
で繰り返し適用した後でもパターン・フィーチャを正確
に保持するような、好ましくは非変形可能な材料からパ
ターン化層を生成することが望ましい。このパターン化
層は、ヤング係数が高く、好ましくは106ダイン/cm2を
上回る材料から作ることができる。適当な材料として
は、所望の特性および応用分野に応じて、ポリ（スチレ
ン）またはポリ（メタクリル酸メチル）などの有機絶縁
体、金、白金、パラジウム、ニッケル、チタン、および
その酸化物などの金属絶縁体、アルミナ、シリコン、シ
リカ、ペロブスカイトなどの無機絶縁体が考えられる。
本発明の好ましい実施例の弾性層は、10ミクロン未
満、好ましくは１ミクロン〜1nmの範囲の許容誤差の範
囲内で、剛性サポート構造上に取り付けられる。好まし
いサポート材料は、基板材料に近い熱膨張率を備えてい
る。このサポートは、ガラス、石英ガラス、剛性プラス
チック材料、シリコンなどの基板またはウェハ材料から
なるグループから選択されることが好ましい。サポート
構造上に取り付ける場合、弾性層自体を薄くすることが
できる。その厚さは、10〜1000ミクロンの範囲内である
ことが好ましい。この厚さの範囲では、いかなる変形も
弾性層によって吸収することができ、リソグラフィ・プ
ロセス中にスタンプを押し付けてもパターンのフィーチ
ャはその寸法を維持する。以下に記載するように突出し
た自動位置合せ手段を使用すると、弾性層の厚さは、好
ましいことに10〜10000ミクロンの範囲から選ぶことが
できる。上記のサポート構造がKumar他による既知の１
層スタンプにも有利に適用できることは明らかである。
他の好ましい実施例のスタンプは、自動位置合せを達
成するための手段を含む。この手段は、たとえば、円錐
またはピラミッド形の突出部と穴など、キー／ロック・
タイプのトポロジ・フィーチャを含むことが可能であ
り、これはステッピング・ドライブにより十分正確に事
前位置決めした後、スタンプを所望の最終位置まで案内
する。しかし、スタンプと基板を自動位置合せするため
の好ましい手段は、スタンプまたは基板あるいはその両
方の表面上に設けられた表面張力勾配を利用する。この
ような勾配は、たとえば、基板とスタンプの表面上にパ
ッドを配置することによって達成され、前記パッドはオ
イルまたは水などの液体に対する親和性の高さを示す、
改変された表面を特徴とする。
本発明に特有と思われる上記およびその他の新規の特
徴は、請求の範囲に記載する。しかし、本発明自体なら
びに好ましい使用態様と、その他の目的および利点につ
いては、以下に示す実施例の詳細な説明を添付図面に関
連して読むと最もよく理解できるだろう。
図面の説明 以下の図面に関連して、本発明について詳しく説明す
る。
第1A図ないし第1E図は、本発明によるスタンプを生成
するための第１の方法の基本ステップを示す図である。
第2A図ないし第2D図は、本発明によるスタンプを生成
するための第２の方法の基本ステップを示す図である。
第３図は、スタンプと基板との自動位置合せのための
キー／ロック・タイプの手段を示す図である。
第4A図および第4B図は、表面張力勾配に基づくスタン
プと基板との自動位置合せのための手段を示す図であ
る。
第５図ないし第７図は、スタンプ・リソグラフィ用の
スタンプと基板を調製するための基本ステップを示す図
である。
第８図は、リソグラフィ・プロセスにおける本発明に
よる新しいスタンプの使い方を示す図である。
発明の実施の形態 第1A図ないし第1E図を参照して、本発明の第１の例に
ついて説明する。このプロセスは、シリコン・ウェハ10
から始まるが、このウェハは非常に平らな表面を呈して
いる。この表面は、過フッ素化シランの薄い層11でコー
ティングされている。過フッ素化シランは、以下の層が
シリコン表面に固着または結合するのを防止する。次
に、正確にパターンを保持できる脆性材料の層を層11上
に付着する。この脆性材料は、スピンコーティングによ
って付着されるポリメタクル酸メチル（PMMA）または化
学蒸着によって付着されるポリシリコンのいずれかであ
る。どちらの付着方法も当技術分野では周知のものであ
る。層の厚さは、平均フィーチャ・サイズ、いわゆる約
1:1の比率の「設計ポイント」に応じて選択する。この
層12は、従来のUVリソグラフィまたは電子ビーム・リソ
グラフィによって構築される。ウェハ10上にスペーサ要
素13を配置する。スペーサ要素によって規定される容積
になるように、ポリジメチルシロキサン（PDMS）のプレ
ポリマーを鋳造し、硬化プロセス後にパターン化PMMAま
たはポリシリコン12の上に弾性層14を形成する。第２の
シリコン・ウェハ16をスペーサ要素の上におろし、スペ
ーサ要素間のギャップから過剰な量のPDMSを絞り出す。
この第２のシリコン・ウェハは、PDMSに結合するために
接着剤状の層15をもたらす、オレフィンを末端基とする
シランで前処理されている。このアセンブリを持ち上げ
ることにより、シリコンの下部層10が残りの部分から分
離される。その後、露出域を溶解またはエッチングする
ことにより、PMMAまたはポリシリコンのパターン化層を
生成し、その結果、第1D図に示す複合スタンプ構造が得
られる。
パターン化PMMA層12と変形可能層14との間には、その
生成後にパターンの追加サポートとなるように追加の層
17を導入することができる。第1E図に示す例では、この
中間層がPMMAから構成されている。しかし、この層は、
導電性材料である酸化インジウムスズ（ITO）の層で置
き換えることができる。この追加の層は、パターンの安
定性（および導電性）を強化することに加え、層14の弾
性材料がパターン化層12の開口部から突出することを防
止する。
複合スタンプを生成するための第２の方法については
第2A図ないし第2D図に示す。まず、従来のリソグラフィ
方法（または本明細書に記載するスタンプ・リソグラフ
ィ）によりマスタ基板20を設ける。このマスタ・パター
ンは、分離剤としての過フッ素化シラン21で処理する。
その後、PMMAの層22をアセンブリ上にスピンコーティン
グする。以降のステップ（第2C図、第2D図）は、前の例
のステップに対応するものである。アセンブリを持ち上
げることにより、スタンプとマスタが分離され、その後
のスタンプの複製のためにマスタ20を残しておく。
次に第３図を参照すると、同図には、リソグラフィ・
パターン（図示していない）から離れた位置でスタンプ
31および基板30上にそれぞれ形成したくさび形突出部31
1およびその対応へこみ301から成るロック／キー・タイ
プの第１の自動位置合せ手段が示されている。突出部31
1は、対応する基板のへこみ301にぴったりはまる。これ
は、基板と、スタンプが複製されるマスタとにへこみ30
1を生成する際に同じ位置合せスタンプを使用すること
によって達成することができる。ただし、基板が同じ材
料で作られ、すべてのエッチング・パラメータが等しけ
れば、くさび311とへこみ301が正確に一致する。基板と
スタンプ上に一致マークを設けるというこの概念につい
ては、以下に詳述する。
ロック／キー・タイプの自動位置合せでは、フィーチ
ャの幾何学的形状、たとえば、傾斜側壁により、スタン
プと基板との精密調整を行なうのに対して第4A図および
第4B図に示すように自動位置合せ手段の以下の例は、そ
の表面を最小限にするような液体の特性または傾向に基
づいている。水分量の調節とともに、基板40とスタンプ
41両方の表面上の親水性パッド401、411により、これら
のパッド上およびパッド間に小さい液滴が形成され、効
率のよい自動位置合せ機構が実現される。基板に対して
スタンプの位置合せ不良が小さい場合、間に挟まれた液
滴420により、正規の形状に戻る復元力が得られ、それ
により、スタンプがその所望の位置まで移動する。この
液滴は、加湿した不活性ガス（給湿窒素）にパッドをさ
らすことにより、調節した状態で生成することができ
る。ただし、第４図のフィーチャは、他のすべての図面
と同様、一定の縮尺で描かれているわけではないことに
留意されたい。液滴のサイズは、ほぼ設計規則の３乗程
度になるはずである。
この方法の効力は、各パッド401の周囲に疎水性ゾー
ン402を付着するか、または第4B図に示すように柱状サ
ポート412上にパッドを配置することにより、増大する
ことができる。第4B図にも示すように、間に挟まれた液
滴420のもう１つの有利な特性は、アセンブリに圧力が
かかったときにそれが弾性クッションとして機能するこ
とである。したがって、変形した液滴420または柱412の
ばね力によってかかっている圧力を解放すると、ただち
にスタンプが基板から持ち上がる。
自動位置合せ手段は、ウェハの裂開線の付近に配置
し、その結果、最小限の使用可能ウェア領域を占有する
ようにしなければならない。この場合も自動位置合せ手
段の横方向寸法はほぼ設計規則程度になる。
以降の図面は、ウェハ基板と１つまたは複数のスタン
プから構成される位置合せ済みアセンブリを調製するた
めの基本スタンプを示すものである。
第１のステップでは、第５図に示す位置合せマスタ50
を調製するが、これはあらかじめ選択した位置にへこみ
501を備え、その位置は製造すべきウェハの裂開線にな
るように設計された領域に位置することが好ましい。こ
の位置合せマスタから、位置合せマーク611が付いたレ
プリカとして、複数の位置合せスタンプ61を生成するこ
とができる（第6A図）。ウェハ上に親水性パッドを設け
るため、位置合せスタンプのレプリカは16−メルカプト
ヘキサデカノール酸612または16−メルカプトヘキサデ
カノールと結合し、この物質は薄い金のフィルム601で
覆われたウェハ60上にスタンプ接触印刷（第６図Ｂ）に
よって転写され、チオールに固着する。次に、覆いのな
い金のフィルムを除去し、チオール・パッド602を保護
コーティングとして利用する。マスクによってパッド周
辺をシールドしながら別の金のフィルムを蒸着した後、
後続処理のためにウェハを調製する（第6C図）。
次に第7A図を参照すると、同図には、過フッ素化シラ
ン702で覆われたシリコン・スタンプ・マスタ70が示さ
れている。リソグラフィ・パターン703の前に、第５図
に示すように位置合せマスタから得られた位置合せスタ
ンプを使用して、位置合せへこみ701をシリコンにマー
クし、エッチングする。リソグラフィ・パターン703
は、従来の電子ビーム・リソグラフィによって生成さ
れ、位置合せマーク701に対する座標を使用して書き込
まれる。様々なスタンプ・マスタに対して同じ位置合せ
スタンプを使用し、位置合せマークに対して相対的にリ
ソグラフィ・パターンを位置決めすることにより、様々
なリソグラフィ・パターンを備えたスタンプを製造する
ことができる。このようなスタンプは、既知のリソグラ
フィ方法で使用するマスクに置き換えることができる。
上記の製造手順のため、これらのスタンプは本質的に互
いに位置合せされる。第6A図ないし第6C図を参照して前
述したように、ウェハに対して同じ位置合せスタンプを
使用することにより、このように生成したすべてのスタ
ンプは、自動位置合せ方式でウェハ上に配置することが
できる。
スタンプ・マスタは、第7B図に示す複合スタンプ712
（PMMA）のパターン層がスピンコーティングされる。弾
性層714（PDMS）を付着する前に、へこみ701内のレジス
トが露光され、エッチングで除去され、薄い金の層718
で置き換えられる（第7C図）。次に、スタンプ・マスタ
の外辺部にスペーサ要素713を取り付け、このようにし
て作った容積をエラストマ714で充填する（第7D図）。
前述のように、第２のシリコン・プレート716を支持層
として付着する。スタンプ・アセンブリを持ち上げ、そ
のリムのトリミングした後（第7E図）、カルボキシル
（COOH）を末端基とするチオール705の溶液にスタンプ7
1を浸漬し、位置合せ突出部711に親水性パッド718を付
着させる。スタンプ71の調製は、ウェハに転写すべき物
質719によってリソグラフィ・パターンを備えた層712を
湿潤することで完了する（第7F図、第7G図）。
実際のリソグラフィ・プロセスの場合、第８図に示す
ように、前のステップ（第6C図）で調製したウェハ60の
表面上の親水性パッド601に対して、水分含有ガスを吹
き付ける。その親水性パッド718がウェハ上のものとほ
ぼ並置されるように、既知の位置合せ手段によってスタ
ンプ71を位置決めする。次に、親水性パッド間に挟まれ
た液滴820の表面張力により、最終位置合せが達成され
る。
湿潤した層712がウェハの表面層601に触れるまでスタ
ンプ71に圧力を加えることにより、リソグラフィ・パタ
ーンをウェハ60に転写する。物質719は、反応物、エッ
チング液、保護コーティングなどである可能性がある
が、すべての接触領域に転写される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−168874（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−185777（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−25993（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−314871（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−16323（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−118205（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−8166（ＪＰ，Ｕ) ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬ Ｓ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．７（1995）, Ｐ．649−652「Ｌｉｔ ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬ Ｓ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．５（1995）, Ｐ．471−473「Ｒｅｄ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23F 1/00 B41K 1/02 G03F 7/00 501 H01L 21/306 H05K 3/00

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】変形可能な材料の第１の層（たとえば14,2
    4,714）と、該第１の層の表面に一体化され、転写すべ
    きミクロン未満サイズのリソグラフィ・パターンを表面
    に有する非変形可能な材料の第２の層（たとえば12,22,
    712）とを含むリソグラフィ・プロセス用の複合層型ス
    タンプ層構造体（たとえば31,41,71）であって、 前記第１の層は、 リソグラフィ・プロセス中における前記スタンプ層構造
    体への押圧力の印加時に前記第２の層の前記転写表面を
    基板（たとえば30,40,60）の表面上に表面形状に密接に
    接触させてミクロン未満サイズ・リソグラフィ・パター
    ンを正確に転写するのに必要な弾性を有し、かつ、前記
    リソグラフィ・パターンの前記基板上への転写の際に該
    基板上の位置合わせ対応手段との協同作用の下に正確な
    相対位置決めまたは変形あるいはその両方を行なうため
    の自動位置合せ手段を有する、 ことを特徴とするミクロン未満サイズ・リソグラフィ・
    プロセスに適合する複合層型スタンプ層構造体。
  2. 【請求項２】スタンプ押圧力の印加による不要な変形を
    防止するために前記第１の層が剛性支持板に固定されて
    いることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
  3. 【請求項３】前記自動位置合せ手段が、突出要素（31
    1）と、好ましくは傾斜側壁を備えたそれに対応するへ
    こみ要素（301）とを含むことを特徴とする請求項１に
    記載の構造体。
  4. 【請求項４】前記自動位置合せ手段が表面張力勾配を含
    むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
  5. 【請求項５】表面張力勾配が、液体（420,820）に対す
    る親和性がその周辺領域より高いパッド（401/411,602/
    718）によって達成されることを特徴とする請求項４に
    記載の構造体。
  6. 【請求項６】リソグラフィ・プロセス中に基板（30,40,
    60）の表面をスタンプ構造体の表面上に表面形状に密接
    に接触させてミクロン未満サイズのリソグラフィ・パタ
    ーンを正確に転写するのに必要な弾性を有する変形可能
    材料の第１の層（14,24,714）と、前記基板に転写すべ
    きミクロン未満サイズのリソグラフィ・パターンを備え
    前記第１の層上に一体化された実質的に非変形可能な材
    料の第２の層（12,22,712）と、前記第１の層上の自動
    位置決め手段とを含む複合層型スタンプ層構造体を生成
    するステップと、 前記第２の層に物質（719）を塗布するステップと、 リソグラフィ・プロセス中において、前記自動位置決め
    手段の作用の下に前記スタンプ構造体および前記基板間
    の正確な相対位置決めまたは変形あるいはその両方を行
    なうと共に前記スタンプ層構造体への押圧力印加により
    前記第２の層を前記基板の前記表面上に表面形状に密接
    に接触させるステップと、 を含むことを特徴とするミクロン未満サイズのリソグラ
    フィ・プロセス。
  7. 【請求項７】位置合せマーク（611）を備えたマスタ位
    置合せスタンプ（60）を用意するステップと、 前記マスタ位置合せスタンプを使用することにより、正
    確に対応する位置で基板とパターン化層上に自動位置合
    せ手段（602,718）を複製するステップと、 をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のリソグ
    ラフィ・プロセス。
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