JP4154529B2 - 微細構造転写装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面にナノメートル又はマイクロメートル単位の微細な凹凸が形成されたスタンパを用いて基板上に微細構造を形成する微細構造転写装置に関する。

近年、半導体集積回路などでは微細化，集積化が進んでおり、その微細加工を実現するための技術として下記特許文献１に記載された微細構造転写技術がある。

これは、基板上に形成したいパターンと同じパターンの凹凸を有するスタンパを、基板の被転写表面に型押しすることで所望のパターンを基板上に転写するものである。

スタンパにおける凹凸の断面積の大きさは数１００μｍから数ｎｍ程度であり、以下このような微細構造で基板に転写することをナノプリントと呼ぶこととする。

ナノプリントによれば、集積化された極微細パターンを効率良く転写できる，装置コストが安い，複雑な形状に対応できピラー形成なども可能である等の良さがあり、各種バイオデバイス，ＤＮＡチップ等の免疫系分析装置（使い捨てのＤＮＡチップ等），半導体多層配線，プリント基板やＲＦ ＭＥＭＳ，光または磁気ストレージ，光デバイス導波路，回折格子，マイクロレンズ，偏光素子等やフォトニック結晶，シート，ＬＣＤディスプレイ，ＦＥＤディスプレイなどへの応用が期待されている。

特表２００３−５２７２４８号公報

スタンパで型押しをした場合、基板の所望位置に正確にナノプリントをすることができないことがあった。

その原因を検討したところ、ナノプリント実現のためには対向させた基板とスタンパは平坦なステージに載置する必要があり、ステージを精密加工して平滑化しているために、ロボットハンドなどで基板とスタンパをステージ上に載置したときに、基板およびスタンパとステージの間の空気によるエアクッションによってエアホッケーのように基板やスタンパがずれることが確かめられた。

それゆえ本発明の目的は、ステージ上に正確に基板とスタンパを載置して基板の所望位置に正確に微細構造を転写することができる微細構造転写装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明微細構造転写装置の特徴とするところは、ステージの平坦な基板載置面に基板とスタンパを対向させて載置し、該スタンパで該基板に型押しをして該基板上に所望の凹凸のパターンを形成する微細構造転写装置において、該ステージの基板載置面よりも高い位置に対向させた基板とスタンパの仮載置面を備え、該仮載置面に対向させた基板とスタンパが載置されたら該仮載置面が該ステージの基板載置面と同一平面位置まで徐々に移動する仮置き部材を設けたことにある。

本発明によれば、ステージ上に仮置き部材により基板を位置ずれを起すことなく載置することができるために、基板の所望位置に正確にナノプリントをすることができる。

以下、図１乃至図３に示した実施形態について説明する。

図１乃至図３において、１は真空チャンバ、２は真空チャンバ１の開口部を気密に封止するゲート、３はロボットハンド４の操作機構部、５はヘッド本体５ａ，ヒータ６，ヘッド側アダプタ７からなるヘッド、８はステージ側アダプタである。

対向させたスタンパ１０と基板１１は円環形のホルダ１２に設置して、ロボットハンド４で真空チャンバ１の開口部からヘッド側アダプタ７とステージ側アダプタ８の間の空間に挿入して、ホルダ１２ごとステージ側アダプタ８上に載置する。この載置については図４で詳細に説明する。スタンパ１０と基板１１はどちらが上側になっていてもよい。

１３は、上記ステージ側アダプタ８およびステージ本体１３ａ，ボールジョイント１４，ステージ側ヒータ１５からなるステージである。

ステージ本体１３ａは、ヘッド５に対向する位置において真空チャンバ１に対し気密に移動する支柱１６上に設けてある。

１７はスクリューネジ１８を軸支するフレームで、スクリューネジ１８はモータ１９で正逆両方向に回転する。スクリューネジ１８の回転はプレート２０を上下させ、プレート２０上に支柱１６を載せてあるので、スクリューネジ１８の回転支柱１６が上下する。モータ１８は、ステップモータのように回転数，回転速度等が制御できるモータがステージの正確な位置制御を実現する上でより好ましい。

プレート２０には開孔があり、その開孔を通して、シリンダ２１の主軸２２が下方から接触しており、シリンダ２１によっても支柱１６は上下する。

なお、２３はヘッド側アダプタ７に対しステージ側アダプタ８を平行な状態に維持させるためのスプリングである。

ステージ側アダプタ８の周囲には図３（ａ）に示すように、１２０度の間隔をもって３個の仮置き部材２５〜２７を設けてある。仮置き部材２５〜２７は同一構造であるので、仮置き部材２５を代表として構造を説明する。

図３（ｂ）において、仮置き部材２５はステージ側アダプタ８に設けた空間８ａをシリンダとしたピストン２５ａを備えており、空間８ａには真空チャンバ外部への連通管３０を接続してあり、連通管３０の途中には絞り弁３１を設けてある。３２はピストン２５ａをヘッド５側に偏倚させておくバネである。

ステージ側アダプタ８の上面はステージ１３の基板載置面Ｓａであり、３個の仮置き部材２５〜２７が形成する面は対向させたスタンパ１０と基板１１の仮載置面Ｓｂを構成し、仮載置面Ｓｂはステージ１３における基板載置面Ｓａよりもヘッド５側の浮いた位置に設定される。ロボットハンド４は対向させたスタンパ１０と基板１１をこの仮載置面Ｓｂに載置する。

スタンパ１０と基板１１の合算した重量はピストン２５ａにより空間８ａの空気を圧縮し連通管３０，絞り弁３１を通して、外部にゆっくり放出し、対向させたスタンパ１０と基板１１は徐々に下降し、図３（ｃ）に示すように仮載置面Ｓｂはステージ側アダプタ８における基板載置面（ステージ側アダプタ８の上面）Ｓａに一致する。バネ３２も対向させたスタンパ１０と基板１１を徐々に下降させる一助になっている。

以下、図１乃至図３に示した装置によるナノプリントについて図４を参照しつつ説明する。なお、図４では図１の装置構成を概略化して示している。

スタンパ１０は、転写されるべき微細なパターンを有するものであり、スタンパ１０に微細なパターンを形成する方法は特に制限されない。例えば、フォトリソグラフィや電子線描画法等、所望する加工精度に応じて選択される。

スタンパ１０の材料としては、シリコンウエハ，各種金属材料，ガラス，石英，セラミック，プラスチック等、強度と要求される精度の加工性を有するものであれば良い。具体的には、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＳｉＮ，多結晶Ｓｉ，ガラス，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｕ及びこれらを１種以上含むものが好ましく例示される。また、これらスタンパ表面には基板１１として用いる樹脂との接着を防止するための離型処理が施されていることがより好ましい。表面処理の方法としてはシリコーン系の離型剤の他、フッ素系のカップリング剤が好ましい。

次に基板１１であるが、常温常圧で又は加熱状態でスタンパ１０の凹凸に追従して変形可能な軟質性のものである。基板自体がそのような材料でも良いし、基板の表面にそのような材料を保持させても良い。この材料は常温常圧において、又は転写工程において必要に応じて、加熱などにより軟質性が付与される。

その材料としては、各種合成樹脂例えば熱可塑性樹脂，光硬化性樹脂，スタンパ１０の材質よりも軟化点の低いガラスなどがある。これらの材料そのもので基板を作るか、別の基板例えば金属，ガラス，セラミックスなどの表面又は一部に上記材料を接着又嵌合等の方法により、基板に固定・保持する。基板に保持した材料を、転写後取り外すこともできる。

微細な構造が転写される熱可塑性樹脂は特に限定されないが、所望する加工精度に応じて選択される。具体的には、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリビニルアルコール，ポリ塩化ビニリデン，ポリエチレンテレフタレート，ポリ塩化ビニール，ポリスチレン，ＡＢＳ樹脂，ＡＳ樹脂，アクリル樹脂，ポリアミド，ポリアセタール，ポリブチレンテレフタレート，ガラス強化ポリエチレンテレフタレート，ポリカーボネート，変性ポリフェニレンエーテル，ポリフェニレンスルフィド，ポリエーテルエーテルケトン，液晶性ポリマー，フッ素樹脂，ポリアレート，ポリスルホン，ポリエーテルスルホン，ポリアミドイミド，ポリエーテルイミド，熱可塑性ポリイミド等の熱可塑性樹脂や、フェノール樹脂，メラミン樹脂，ユリア樹脂，エポキシ樹脂，不飽和ポリエステル樹脂，アルキド樹脂，シリコーン樹脂，ジアリルフタレート樹脂，ポリアミドビスマレイミド，ポリビスアミドトリアゾール等の熱硬化性樹脂及びこれらを２種以上混合した材料を用いることが可能で、これら樹脂膜の厚さは数ｎｍから数十μｍであるが、これより厚くても問題はない。

スタンパ１０と基板１１は対向させて重ね、高精度の位置合わせが必要な場合は位置合わせユニットで位置合わせし、高い精度な位置合わせを必要としない場合はそのまま重ねてホルダ１２に載せて、ロボットハンド４でゲート２がある開口部を通して真空チャンバ１内におけるステージ側アダプタ８上の仮載置面Ｓｂに搬送する（図４（ａ）参照）。

スタンパ１０と基板１１をホルダ１２ごと仮置き部材２５〜２７で形成する仮載置面Ｓｂ上に設置して（図４（ｂ）参照）、ロボットハンド４は真空チャンバ１外に退避し、ゲート２を閉め、真空チャンバ１内を図示していない真空源に連通させて減圧させる。

この間、空間８ａにおける空気は絞り弁３１で連通管３０での流れを絞られているため徐々にしか排気されず、スタンパ１０と基板１１は自重で徐々に降下して、図３（ｃ）に示すようにステージ側アダプタ８の基板載置面Ｓａ上に載置される（図４（ｃ）参照）。

従って、スタンパ１０および基板１１のステージ側アダプタ８間の空気は真空チャンバ１内の減圧し沿って排出され、スタンパ１０および基板１１が降下するときには空気によるエアクッションによってエアホッケーのようにスタンパ１０および基板１１がステージ側アダプタ８に対し位置ずれを起すことはない。

スタンパ１０と基板１１がステージ側アダプタ８上に載置されること見計らって、モータ１９でスクリューネジ１８を回転させてプレート２０を上昇させ、基板とスタンパ２をステージ側アダプタ７とヘッド側アダプタ８で挟んだ位置で止める。

ステージ側アダプタ７とヘッド側アダプタ８はそれぞれヒータ６，１５で基板１１の樹脂などをそのガラス転移温度Ｔｇ以上の設定温度に加熱し、軟化させる。

この場合の加熱方法としては、電熱線やインダクティブヒータ，赤外線ヒータを用いることができる。

基板１１の軟化に合せてシリンダ２１で更にステージ１３を上昇させ、ヘッド５との間でスタンパ１０と基板１１を所望の加圧力で所望時間しっかり押圧し（図４（ｄ）参照）、スタンパ１０の微細なパターンを基板１１に転写させる。加圧機構に用いられるエアシリンダはパスカルの原理により駆動し、元圧を制御することにより最終的な推力を制御するものである。

このスタンパと基板を加圧する工程は真空中で行っており、転写時のボイド発生を抑制している。

その後、ヒータ６，１５による加熱は停止させ、ヘッド本体５ａやステージ本体１３ａもしくは両アダプタ７，８に内蔵させてある冷却手段でスタンパ１０と基板１１を冷却させ、シリンダ２１の主軸２２を降下させて加圧を解き、モータ１９を逆回転させてステージ１３を降下させ、真空チャンバ１の減圧を開放してからゲート２を開き、ロボットハンド４でホルダ１２ごと一体になっているスタンパ１０と基板１１を取り出して、スタンパ１０と基板１１を適宜な方法で分離させ、所望の微細パターンを転写した基板１１を得る。

基板１１の材料として光硬化性樹脂を用いた場合は、スタンパ１０として透光性のものを用い、超高圧水銀灯やキセノンランプ等の光照射装置により光を照射し樹脂を硬化させる。

図５（ａ）は本発明における他の実施形態を示しており、特に図３（ｂ）と同様にステージ側アダプタ８における仮置き部材２５を部分的に示している断面図である。

この実施形態では連通管３０と絞り弁３１を用いる代わりにシリンダとして働く空間８ａの内面とピストン２５ａの気密性を高め、空間８ａにおけるピストン２５ａの下側の空間は真空チャンバ1内と開孔８ｂで連通しておき、ピストン２５ａに上方向の差圧が働くようにし、弾性を高めたバネ３２を配設している。

仮置き部材２５（２６，２７）上に対向させて重ねたスタンパ１０と基板１１をホルダ１２とともにロボットハンド４で載置すると、それらの自重でバネ３２を圧縮し、バネ力に抗して徐々に降下していく。空間８ａにおけるピストン２５ａの上側の空間は減圧していき、ピストン２５ａの下側の空間は大気下にあるので、ピストン２５ａに上方向の差圧が働いて仮置き部材２５の降下を押し止めろうとして、降下は徐々に進む。

その間に、ロボットハンド４は真空チャンバ１外に退避し、ゲート２は閉じて真空チャンバ１が真空源に繋がると、ステージ側アダプタ８とスタンパ１０の間の空気は排除され、対向させて重ねたスタンパ１０と基板１１が一層降下しても、ステージ側アダプタ８に対するスタンパ１０と基板１１の位置ずれは発生しない。なお、図５（ｂ）は仮置き部材２５が降下し切った状態を示している。

図６（ａ）はさらに他の実施形態を示しており、図５（ａ）と同様にステージ側アダプタ８における仮置き部材２５を部分的に示している断面図である。

この実施形態では、図５（ａ）に示した開孔８ｂは用いず、ピストン２５ａに開孔２５ｂを設け、ピストン２５ａの下降に合せてこの開孔２５ｂを塞ぐピン８ｃを空間８ａに設立してあり、開孔８ａは真空チャンバ１と連通しておらず、独立した空間となっている。

スタンパ１０と基板１１とホルダ１２の自重は、バネ３２を圧縮しながら徐々に下降する。この場合、空間８ａにおける空気は開孔２５ｂを介してピストン２５ａの下側から上側に移動するが、開孔２５ｂの通気抵抗で移動を阻止されるので、ピストン２５ａの下側における空間８ａは圧縮状態となり、スタンパ１０などの降下を緩慢なものにする。

ピストン２５ａが降下するほどピン８ｃが開孔２５ｂを塞いで通気抵抗は高まり、スタンパ１０などの降下を押し止め、真空チャンバ１の減圧化に合せてステージ側アダプタ８とスタンパ１０間の空気も排出され、図６（ｂ）に示すようにスタンパ１０がステージ側アダプタ８と接触する頃には空気は存在せず、ステージ側アダプタ８の所望位置にスタンパ１０は基板１１，ホルダ１２とともに載置される。
る。

図７はさらに他の実施形態を示しており、この実施形態では、ボールジョイント１４をヘッド５側に設けており、ステージ側アダプタ８に対しヘッド側アダプタ７を平行な状態に維持させるためのスプリング２３をヘッド５側に設けている。仮置き部材２５〜２７は図示していないが、ステージ側アダプタ８側に設けている。その他の構成は図１の実施形態と同様である。

装置の動作やナノプリントは、図１の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

本発明の一実施形態を示す微細構造転写装置の要部断面図である。 図１に示したロボットハンドの上面図である。 図１に示したステージ側アダプタの周囲に設置した仮置き部材を示す図である。 図１の微細構造転写装置でナノプリントを行なう状況を説明する図である。 図３に示した仮置き部材の他の実施形態を示す図である。 図３に示した仮置き部材のさらに他の実施形態を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す微細構造転写装置の要部断面図である。

符号の説明

１…真空チャンバ
４…ロボットハンド
５…ヘッド
７…ヘッド側アダプタ
８…ステージ側アダプタ
１０…スタンパ
１１…基板
１２…ホルダ
１３…ステージ
１６…支柱
２１…シリンダ
２５〜２７…仮置き部材

Claims (5)

1. ステージの平坦な基板載置面に基板とスタンパを対向させて載置し、該スタンパで該基板に型押しをして該基板上に所望の凹凸のパターンを形成する微細構造転写装置において、
   該ステージの基板載置面よりも高い位置に対向させた基板とスタンパの仮載置面を備え、該仮載置面に対向させた基板とスタンパが載置されたら該仮載置面が該ステージの基板載置面と同一平面位置まで徐々に移動する仮置き部材を設けたことを特徴とする微細構造転写装置。
2. 上記請求項１の微細構造転写装置において、該仮置き部材は空間における空気を対向させた基板とスタンパの自重で圧縮するピストンを備え、該空間における圧縮された空気を該絞り弁を介して排出することにより該仮載置面に対向させた基板とスタンパが載置されたら該仮載置面が該ステージの基板載置面と同一平面位置まで徐々に移動するものであることを特徴とする微細構造転写装置。
3. 上記請求項１の微細構造転写装置において、該仮置き部材は空間におけるバネを対向させた基板とスタンパの自重で圧縮するピストンを備え、該空間における該ピストンの前後に働く差圧とバネ力に抗して該仮載置面に載置した対向させた基板とスタンパは該仮載置面が該ステージの基板載置面と同一平面位置まで徐々に移動するものであることを特徴とする微細構造転写装置。
4. 上記請求項１の微細構造転写装置において、該仮置き部材は空間における空気を対向させた基板とスタンパの自重で圧縮するピストンを備え、該ピストンにはその前後を連通する開孔があり、該空間にはピストンの移動にあわせて該開孔を塞ぐピンがあり、該ピンにより該開孔を通過する空気の流れを阻止し、該仮載置面が該ステージの基板載置面と同一平面位置まで徐々に移動させるものであることを特徴とする微細構造転写装置。
5. 上記請求項１の微細構造転写装置において、該ステージと該スタンパおよび該仮置き部材を真空チャンバ内に設け、真空チャンバ外に設けたロボットハンドにより該仮置き部材上に対向させた基板とスタンパを載置するようになされていることを特徴とする微細構造転写装置。
   

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