JP4032105B2 - 低エネルギー電子ビームを利用した高解像度パターニング方法、前記方法を用いたナノ素子の調製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高解像度パターニング方法および前記高解像度パターンを用いたナノ素子の製造方法に関し、より詳細には、短時間でのマイクロまたはナノスケールの高解像度パターニング方法および前記方法を用いて形成されるナノ素子に関する。
近年、半導体産業の発展および高集積化半導体素子に対する要求とともに、微細パターニングのためのナノまたはマイクロ加工技術が注目を集めている。
本発明は、(a)基板上に、置換または非置換の末端環を有する芳香族イミン単分子層を形成する段階と;(b)前記芳香族イミン単分子層中のイミン結合を選択的に構造変化させる段階と;(c)前記芳香族イミン単分子層を加水分解する段階と;
を含む、高解像度パターニング方法を提供する。
図1は、シリカ基板上に低エネルギー電子ビームの照射により選択的な化学変化を生じ得る芳香族イミン単分子層を形成する本発明による方法を図示する;
図2は、金基板上に低エネルギー電子ビームの照射により選択的な化学変化を生じ得る芳香族イミン単分子層を形成する本発明による方法を図示する;
図3は、フォトマスクを用いて芳香族イミン単分子層に、本発明により高解像度のパターニングする工程を図示する;
図4は、本発明の実施例1において基板上に形成したパターンの10μm×10μmスケールでの原子間力顕微鏡写真である;および
図5は、本発明の実施例1において基板上に形成したパターンの80μm×80μmスケールでの原子間力顕微鏡写真である。
以下、本発明を、本発明の実施例が示される、添付した図面を参照しながらより具体的に説明する。しかしながら、本発明は、様々な他の形態で実施することができ、下記に記載する実施例に限定されるべきものではなく、むしろこれらの実施例は、この開示を介して完全にし、当業者が本発明の概念を完全に実施するために提供されるものである。
まず、洗浄されたシリカ基板を約20mtorrの減圧下で乾燥させた。窒素雰囲気下で、丸底フロスコに(3−アミノプロピル)ジエトキシメチルシランのトルエン溶液(10−3M)を入れた。この溶液に乾燥させたシリカ基板を浸漬させ、室温で反応させてシラン化した。
アミノチオール化のため、シリカ基板の代わりに金基板を使用し、(3−アミノプロピル)ジエトキシメチルシランの代わりに3−アミノプロパンチオールを使用したことを除いては、実施例1と同じ方法によりパターンを有する基板を製造した。洗浄した金基板を、アミノチオール化のため、エタノール中に3−アミノプロパンチオールを含む溶液(10ml)に浸漬させ、窒素雰囲気下、3時間反応させた。アミノチオール化後、前記基板を有機溶媒で洗浄し、減圧下で乾燥させた。
ベンズアルデヒドの代わりにシンナムアルデヒドを使用したことを除いては、実施例1と同じ方法により芳香族イミン分子層を基板上に形成した。パターニングにおいて、500eVの電子ビームを、0.153mC/cm2の放射線量で基板上に照射した。加水分解は、実施例1と同様にした。
トルエン中に対称のポリ(スチレン−ブロック−メチルメタクリレート)共重合体(Polymer Source Inc.製)を2質量%含む希釈溶液を、実施例1で製造されたパターンを有するシリカ基板上に、スピンコーティングを用いて2,500〜3,000rpmでコーティングした。得られた高分子薄膜を、真空乾燥器中で180℃、24時間、熱処理した。ナノスケールパターンを有する半導体素子を製造するため、熱処理後の基板を、CN−イオンを含む0.01M KCNおよび2M KOHのアルカリ溶液に浸漬させ、連続して攪拌させた。
実施例1で製造されたパターンを有するシリカ基板を、この基板上にリンカー分子を固定化するため、スクシンイミジル4−マレイミドブチレート(succinimidyl 4−maleimido butyrate、SMB)と反応させた。この固定化には、まずSMBをDMF溶媒に溶解させ、炭酸水素ナトリウム緩衝溶液(50mM、pH8.5)を用いて10倍に希釈して濃度20mMとした。3’−SH−15mer−Cy3−5’をスポッティング溶液(10mM HEPES、5mM EDTA、pH6.6)に溶解させ、次に、DMSO(40体積%)を添加した。バイオチップを製造するため、スポッティング溶液の混合液を、マイクロアレイ用のピンタイプのスポッティング装置を用いて、リンカー分子が固定された基板上にスポッティングし、室温、湿度70〜75%に、3時間放置した。
上記実施例において、芳香族アルデヒド化合物との反応前に、アミノシリル化単分子層の厚さ、および、前記分子層表面のアミン基の密度を測定した。その結果、前記分子層の厚さは8Åから10Åの範囲であり、アミノ基の密度は約3.5アミン/nm2であった。前記アミノシリル化単分子層とベンズアルデヒドおよびシンナムアルデヒドとの縮合後、厚さはそれぞれ3〜5Åおよび4〜6Å増加した。
実施例1において製造したパターンを有する基板を、図4に示すように、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて分析した。10μm×10μmスケールの図4の写真は、5−μm幅のTEMグリッドパターンが横断する基板部分を表す。図4において、この横断面の外側の領域は明るく見える。この明るい領域は、横断面の高さより約4Å程度高いと思われる。特に、この明るい領域には、フォトマスクとして用いたTEMグリッドを介して電子ビームが照射されるため、これらの領域においてイミン基が非加水分解性の化学種に変化し、これにより芳香環を有する疎水性表面が得られる。従って、照射領域の高さは、光を遮蔽するための5−μmグリッドパターンが横断する非照射領域の高さよりも、芳香族環の大きさに等しい程度高かった。
本発明によれば、交互に親水性と疎水性領域とを有する高解像度パターンを、短時間で基板表面に所望の形状で形成させることができる。かような高解像度パターンを有する前記基板は、共重合体でコーティングして選択的に表面がエッチングされることにより、半導体分野におけるベース基板として非常に有用である。パターン中の反応性のある親水性アミン基があるため、酵素または様々な機能的物質との結合を、ナノスケールで制御することができる。従って、本発明による高解像度パターニングは、高集積バイオチップや小型化バイオセンサーの開発に大いに貢献することができる。
Claims (11)
- (a)基板上に、自己組織化アミノシリル化またはアミノチオール化単分子層を形成し、前記自己組織化アミノシリル化またはアミノチオール化単分子層の表面を置換または非置換の末端環を有する芳香族アルデヒドで処理し、これにより前記基板上に前記置換または非置換の末端環を有する芳香族イミン単分子層を形成する段階と;
(b)前記芳香族イミン分子層中のイミン結合を選択的に構造変化させる段階と;
(c)前記芳香族イミン分子層を加水分解する段階と;
を含む、高解像度パターニング方法。 - 前記置換または非置換の末端環を有する芳香族アルデヒドが、共役芳香族アルデヒドまたは非共役芳香族アルデヒドである、請求項1に記載の方法。
- 前記置換または非置換の末端環を有する非共役芳香族アルデヒドが、下記式(1)の化合物である:
- 前記置換または非置換の末端環を有する共役芳香族アルデヒドが、下記式(2)、(3)、または(4)の化合物である:
- 前記基板が、シリカまたは金から形成される、請求項1に記載の方法。
- (b)前記芳香族イミン分子層中のイミン結合を選択的に構造変化させる段階が、
前記基板上に設置されたフォトマスクを介して、前記基板に5,000eV以下のエネルギーレベルを有する低エネルギー電子ビームを照射する段階を含む、請求項1に記載の方法。 - ベースプレート上に芳香族イミン単分子層からなる単分子層を形成する段階と、
前記単分子層の一部に5,000eV以下のエネルギーレベルを有する低エネルギー電子ビームを照射することにより疎水性芳香族イミン単分子層を形成し、前記単分子層の残りの部位に親水性アミン単分子層を形成する段階と、
を含み、前記疎水性芳香族イミン単分子層と前記親水性アミン単分子層とが相互に高解像度パターンを形成することを特徴とする、高解像度パターンを有する基板の製造方法。 - 請求項7に記載の製造方法により得られる基板上にジブロック共重合体をコーティングする段階と、
前記ジブロック共重合体でコーティングされた前記基板を熱処理及びエッチングする段階と、
を含む、半導体素子の製造方法。 - 前記ジブロック共重合体が、ポリ(スチレン−ブロック−メチルメタクリレート)である、請求項8に記載の方法。
- 請求項7に記載の製造方法により基板を製造する段階と、
前記親水性アミン単分子層のアミン基に生体分子を結合させる段階と、
を含む、バイオチップの製造方法。 - 前記生体分子が、タンパク質、DNAまたはRNAである、請求項10に記載のバイオチップの製造方法。
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