JP4246174B2 - ナノインプリント方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加工材に対してナノスケールの微細な凹凸のあるパターンを押し付けることにより、これを転写するナノインプリント方法及び装置に関する。

半導体の微細化、高密度化、高速化に伴い、半導体パッケージ、インターポーザ、プリント基板等に対してもより高密度な微細加工が求められている。また特に近年、ストレージメディアの微細構造パターン形成時において、或いはバイオチップのナノ構造体形成時において、高密度微細加工のニーズが高まっている。このような技術的要求を満たす量産手段として、特に近年においてナノインプリント技術が研究されている。

このナノインプリント技術は、金型を用いたプレス工法をナノスケールに応用したものであり、微細な凹凸のあるモールドを被加工材に押し付けて成形するナノスケールの成型加工技術である。ナノインプリント技術は、数十ナノメートル幅のパターン形成が可能であり、電子ビームを用いた同等の加工技術と比較して、非常に安価にかつ大量に成形することができる利点がある。ちなみに従来では、特許文献１においてナノインプリント技術が提案されている。
特開２００４−１４８４９４号公報

ところで、このナノインプリント技術においては、１４ｎｍのピッチで加工できており、リソグラフィー等と比較して遥かに微細な加工が実現できている。しかしながら、特に電子線（ＥＢ）描画装置の分解能である１０ｎｍ以下の超微細なパターンを転写する際に、その精度が急激に悪化してしまうという問題点があった。また、かかる超微細なパターンを転写する際に、そのパターンの形成位置や形状等をもナノオーダの精度でコントロールする必要があるところ、そのプロセスを早期に案出する必要もあった。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、特に１０ｎｍ以下の超微細なパターンを高精度に転写することが可能なナノインプリント方法及び装置を提供することにある。

本発明を適用したナノインプリント方法は、上述した課題を解決するために、被加工材に対してナノスケールのパターンを転写するナノインプリント方法において、上記転写すべきパターンに応じて予め合成された金属あるいは半導体による微小球、又は金属あるいは半導体によるナノロッドを配列させてなる凹凸が形成された基板と当該基板の凹凸上に積層させた遮光性の薄膜とを有するモールドを、光硬化性樹脂が表面に塗布された上記被加工材へ押し付け、上記被加工材の上記押し付け面に対する背面側から光を照射し、或いは上記モールドの上記押し付け面に対する背面側から光を照射し、上記照射した光に基づいて発生させた近接場光により上記光硬化性樹脂を感光させ、その後上記モールドを上記被加工材から剥離させる。

本発明を適用したナノインプリント装置は、上述した課題を解決するために、被加工材に対してナノスケールのパターンを転写するナノインプリント装置において、上記転写すべきパターンに応じた予め合成された金属あるいは半導体による微小球、又は金属あるいは半導体によるナノロッドを配列させてなる凹凸が形成された基板と当該基板の凹凸上に積層させた遮光性の薄膜とを有するモールドと、少なくとも光硬化性樹脂が表面に塗布された上記被加工材へ上記モールドを押し付ける制御手段と、上記被加工材の上記押し付け面に対する背面側から光を照射し、或いは上記モールドの上記押し付け面に対する背面側から光を照射する光照射手段とを備え、上記制御手段は、上記光照射手段から照射された光に基づいて発生させた近接場光により上記光硬化性樹脂を感光させた後、上記モールドを上記被加工材から剥離させることを特徴とする。

本発明を適用したナノインプリント方法及び装置は、転写すべきパターンに応じた凹凸が形成された基板と当該基板の凹凸上に積層させた薄膜とを有するモールドを、光硬化性樹脂が表面に塗布された被加工材へ押し付け、被加工材の押し付け面に対する背面側から光を照射し、或いは上記モールドの押し付け面に対する背面側から光を照射し、照射した光に基づいて発生させた近接場光により光硬化性樹脂を感光させ、その後モールドを被加工材から剥離させる。このとき、予め合成された金属あるいは半導体による微小球、又は金属あるいは半導体によるナノロッドを配列させてなる凹凸が形成された基板を有するモールドを、上記被加工材へ押し付ける。

これにより、本発明を適用したナノインプリント方法及び装置は、特に１０ｎｍ以下の超微細なパターンを高精度に転写することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、被加工材に対してナノスケールのパターンを転写するナノインプリント装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用したナノインプリント装置１の構成を示している。ナノインプリント装置１は、光を出射するための光源１１と、光源１１から出射された光を集光する照明光学系１２と、転写すべきパターンが形成されたモールド１３とを備えている。また、このナノインプリント装置１は、表面にレジスト膜２２が形成されたガラス基板等で構成される被加工材２１が、モールド１３に対向するように配置され、さらに上記モールド１３を被加工材２１に対して近接させ、また離間させるための移動制御部３１とを備えている。

光源１１は、図示しない駆動電源による制御に基づき、例えば波長３６５ｎｍ（ｉ線）、４０５ｎｍ（ｈ線）、４３６ｎｍ（ｇ線）にピークに持つ光を発光する。この光源１１により発光された光は照明光学系１２へと出射されることになる。ちなみに、この光の波長は、レジスト膜２２を構成する分子が感光する波長より長ければ、換言すれば、レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに相当する光の波長より長い、いわゆる非共鳴光を利用するようにしてもよい。これにより、光源１１から発光された光によりレジスト膜２２が硬化してしまうのを抑えることができ、かつモールドの端部によって発生した近接場光によってのみ硬化させることができる。ちなみにこの光源１１の周囲には、図示しない冷却装置から送出される冷却媒体を循環させてもよい。

照明光学系１２は、焦束レンズ５１を有し、モールド１３上に照射するビーム径やビーム形状を制御する。また照明光学系１２は、モールド１３に対する光の入射角度を制御する。この照明光学系１２から出射される光は、被加工材２１の背面２１ｂ側から照射されることになる。ちなみに、この照明光学系１２は、さらに偏光板３２を備えるようにしてもよい。この偏光板３２により、後述するように光源１１から出射された光の偏光方向を、集積回路パターンの座標や方向に基づき制御することができる。

モールド１３は、転写すべきパターンに応じた凹凸が形成された基板４１と基板４１の凹凸上に積層させた金属性薄膜４２とを有する。

基板４１は、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）用のポリカーボネート製の基板を用いるようにしてもよいし、またＳｉＯ_２基板を用いるようにしてもよい。この基板４１上に形成される凹凸は、ナノスケールのピッチで構成されていてもよく、最小で１４ｎｍのピッチ幅で構成されていてもよい。

金属性薄膜４２は、スパッタリングにより基板４１上に蒸着されて最終的な製膜化がされている。以下の説明においては、この金属性薄膜４２につきＡｌを含有させる場合を例に挙げるが、これに限定されるものではなく、例えばＣｒ、Ａｇ、Ｐｔ等、紫外域において遮光性を有する物質、またレジスト膜２２に感光しない波長の光を照射する場合には、Ａｕ等を含有させるようにしてもよい。さらには、半導体の中でもＳｉは紫外域において金属と同様の性質を示し、またＡｌＡｓやＧａＡｓも照射される光の波長により、金属的な（遮光性を持つ）性質を持つため、これらを金属性薄膜４２として構成するようにしてもよい。

また、金属性薄膜４２につき、Ａｕ合金を用いる場合には、Ｃｒ薄膜を表層に堆積させるようにしてもよい。この金属性薄膜４２の膜厚は、基板４１の凹凸の高さに応じて最適化されるものであり、かかる凹凸の高さより薄い膜厚となるように制御することが必要となる。

被加工材２１の表面に形成されたレジスト膜２２は、光に感応して化学反応を起こす光硬化性樹脂である。このレジスト膜２２として、光の照射された領域につき、重合,架橋する硬化型のレジスト、又は光の照射された領域につき分解して軟らかくなる軟化型のレジストのいずれを適用してもよい。以下の説明においては、紫外光に対して硬化する特性を発揮するインプリント用紫外線硬化樹脂をレジスト膜２２として用いる場合を例にとり説明をする。

移動制御部３１は、モールド１３を装着するための図示しない取付治具を備え、装着したモールド１３を鉛直方向へ自在に移動させるための駆動機構が実装されている。この移動制御部３１に装着されたモールド１３を被加工材２１へ向けて徐々に近接させていく。その結果、図２に示すように、被加工材２１表面に塗布されたレジスト膜２２上にモールド１３が密着されることになり、押し付け成形が実現されることになる。また、このレジスト膜２２とモールド１３間において、押し付け面Ｊ１が形成されることになる。

なお、このナノインプリント装置１では、フォトマスク１３と、前工程のおける集積回路パターンとの間で容易にマスク合わせを行うために、高精度ステージや干渉系による位置決め機構、さらにはアライメントマーク読み取り光学系等を備えるようにしてもよい。

このような構成からなるナノインプリント装置１において、実際に被加工材２１へパターンを転写する方法につき、図３を用いて詳細に説明をする。

先ずステップＳ１１において、被加工材２１上にレジスト膜２２を形成する。このレジスト膜２２の形成には、例えばスピンナー法を採用してもよい。このスピンナー法では、レジストの粘度、固形分含有量及び溶剤の蒸発速度を参照しつつ、スピンナーの回転数を制御することにより、所望の膜厚を得ることができる。ちなみに、レジスト膜２２の形成後、膜中に含まれている溶剤を除去すべくプリベークを行うようにしてもよい。

次にステップＳ１２に移行し、被加工材２１に対するモールド１３の重ね合わせを実行する。このステップＳ１２において、レジスト膜２２が塗布された被加工材２１とモールド１３とを密着させることにより、発生させた近接場光がレジスト膜２２に到達するようになる。なお、このステップＳ１２において、レジスト膜２２が塗布された被加工材２１とモールド１３との間隔につき、照射する光の波長に基づき決定してもよい。

次にステップＳ１３へ移行し、照明光学系１２からモールド１３へ光を２０秒程度照射する。ちなみに、このナノインプリント方法において照射する光は、いわゆる非共鳴光であるため、レジスト膜２２は、照明光学系１２から照射された光により直接的に感応するが、照射時間及び強度を調整することにより、全体に亘り化学変化することはない。

しかしながら、モールド１３のパターンに応じた凹凸のエッジ部分において、図４(a)に示すように近接場光が発生する。図４(b)は、このレジスト膜２２へ向けて滲出された近接場光の光強度分布をモールド１３上のパターンと対応させて示している。この図４(b)に示すように、凹凸のエッジ部分において近接場光の光強度がより高くなっていることが分かる。この発生させた近接場光により、レジスト膜２２が感応する結果、当該エッジ部分に応じた局所領域においてレジスト膜２２が硬化することになる。

次にステップＳ１４へ移行し、移動制御部３１を駆動させることにより、モールド１３を被加工材２１から剥離させる。ステップＳ１３において発生した近接場光によってレジスト膜２２が硬化しているエッジ近傍は、モールド１３にそのまま固く付着していることから、かかる硬化したレジスト膜２２は、図４(c)に示すように、上記モールド１３とともに被加工材２１から剥離することになる。これに対して、ステップＳ１３において近接場光が発生しないエッジ近傍以外に関しては、レジスト膜２２が硬化することもなく軟らかい状態にあるため、モールド１３とともに剥離することなく被加工材２１に残存することになる。

図５は、ステップＳ４においてモールド１３を剥離させた後のレジスト膜２２につき、エッジ近傍を拡大して示している。この図５に示すように、凹部ではレジスト膜２２の樹脂の硬化が完全ではないと同時に、凹凸のエッジ部分においては増強された近接場光によりレジスト膜２２が硬化してモールド１３とともに剥ぎ取られる結果、非常に急峻な剥離面Ｃ１が形成されているのが分かる。この急峻な剥離面Ｃ１を作り出すことにより、さらに急峻な山部Ｃ２、谷部Ｃ３が作り出される。その結果、最終的には、レジスト膜２２を構成する樹脂の硬軟分布が反映された形状となるように削り取られることになる。

この山部Ｃ２、谷部Ｃ３がさらに微細なパターンとしての役割を果たすことになる。即ち、本発明を適用したナノインプリント方法では、凹凸のエッジ部分において急激に増強された近接場光によりレジスト膜を局所的に硬化させ、剥離時において急峻な剥離面Ｃ１を作り出すことができ、これにより凹凸からなるパターンと比較してはるかに微細なパターンを作り出すことが可能となる。この凹凸のエッジ部分では、照射される光に基づいてより急峻な電場勾配が存在するところ、かかる領域のみで反応する非断熱過程が利用可能となるため、１０ｎｍ以下の微細なパターニングを精度よく実現することが可能となる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば図６に示すように、モールド１３の押し付け面Ｊ１に対する背面１３ｂから光を照射するナノインプリント装置２を適用するようにしてもよい。

このナノインプリント装置２において、上述したナノインプリント装置１と同一の構成、部材に関しては、同一の番号を付すことにより以下での説明を省略する。このナノインプリント装置２は、光を出射するための光源１１と、光源１１から出射された光を集光する照明光学系１２と、この照明光学系１２からの光が背面１３ｂから照射されるモールド１３とを備えている。また、このナノインプリント装置２は、表面にレジスト膜２２が形成されたガラス基板等で構成される被加工材２１が、モールド１３に対向するように配置され、さらに上記モールド１３を被加工材２１に対して近接させ、また離間させるための移動制御部３１とを備えている。

このナノインプリント装置２において、照明光学系１２からの光はモールド１３の背面１３ｂから照射され、図７(a)、(b)に示すようにパターンに応じた凹凸のエッジ部分において近接場光を局所的に発生させることができる。この発生させた近接場光にレジスト膜２２は感応し、硬化されることになる。その結果、モールド１３を被加工材２１から剥離させたときに、凹凸のエッジ部分において硬化したレジスト膜２２は、モールド１３とともに剥ぎ取られることになり、図７(c)に示すように凹凸のパターンと比較してはるかに微細なパターンを作り出すことが可能となる。

なお、本発明を適用したナノインプリント方法においては、基板４１の凹部における金属性薄膜４２の積層形態が予め調整されていてもよい。例えば、図８(a)に示すように、基板４１の凹部の壁面４１ａに形成すべき金属性薄膜４２の厚みｒを調整するようにしてもよい。図８(b)は、この厚みｒを０ｎｍとした場合における金属性薄膜４２の積層形態を、また、図８(c)は、この厚みｒを２０ｎｍとした場合における金属性薄膜４２の積層形態を示している。

図９は、金属性薄膜４２の各積層形態に対する、押し付け面Ｊ１における光強度分布をシミュレートした結果を示している。このシミュレーションにおいては、金属性薄膜４２の材質をＡｌとし、膜厚は２０ｎｍとしている。この光強度分布は、照明光学系１２からの光に加えて、発生された近接場光の光強度も含まれている。金属性薄膜４２を形成しない場合に、光強度分布は、図９に示すように、照明光学系１２からの光がガウシアン状に分布しているに過ぎないが、金属性薄膜４２を形成させると、凹凸のエッジ部分Ｃ４近傍に近接場光が発生するため、これに応じたピークが生成されることになる。

ここで、図８(b)に示すように間隔ｒが０の場合、凹凸のエッジ部分Ｃ４に沿って近接場光に基づく光強度のピークが生成されることになる。これに対して、図８(c)に示すように間隔ｒを２０ｎｍとした場合には、ピークの形成位置がエッジ部分Ｃ４から間隔ｒだけ凹部内側へ向けてずれることになる。

このように、基板４１の凹部における金属性薄膜４２の積層形態に応じて、近接場光の発生領域は変化することになる。このため、かかる現象を十分に識別しておくことにより、予め金属性薄膜４２の積層形態を調整しておくことにより、近接場光を所望の領域へ局所的に発生させることも可能となる。

なお参考として、金属性薄膜４２の膜厚を５０ｎｍとした場合についてもシミュレートしたが、図９に示すように、光強度のピークは殆んど生じることはなかった。これは、金属性薄膜４２の膜厚が厚すぎる場合には、照射した光が通り難くなるためと考えられる。

これに対して、金属性薄膜４２の膜厚が薄すぎると、照射した光はこれを透過してしまい、さらに基板４１をそのまま透過してしまう。このため、金属性薄膜４２の膜厚は、特にその材質をＡｌで構成する場合において、１０〜４０ｎｍで構成することが望ましい。

なお、本発明を適用したナノインプリント方法においては、さらに偏光板３２により、照射する光の偏光方向を制御するようにしてもよい。

図１０は、照射する光の偏光方向に対する、押し付け面Ｊ１における光強度分布を示している。偏光板３２を制御することにより、Ｘ偏光からなる光を照射した場合には、発生した近接場光に基づく急峻な光強度のピークが数多く生成されるが、Ｙ偏光からなる光を照射した場合には、これに応じて近接場光の発生傾向が変化するところ、光強度のピークは緩やかになるとともに、その数も減少することになる。このため、照射する光の偏光方向に対する光強度分布を予め十分に識別しておき、金属性薄膜４２の積層形態をこれに基づいて調整しておくことにより、近接場光を所望の領域へ局所的に発生させることも可能となる。特に、近接場光の発生領域に関しては、上述した金属性薄膜４２の積層形態をも同時に調整することにより、より精度よくコントロールすることも可能となる。

なお、上述した基板４１は、例えばＡｕやＡｇ等の金属微小球および金属ナノロッドによるナノ光散乱体、更にはＣｄＳｅ等の半導体微小球、やＺｎＯ・ＧａＮ等の半導体ナノロッド等の半導体ナノ発光体を配列させることにより、この凹凸を形成させるようにしてもよい。この半導体ナノ発光体の例としては、例えば特開２００４−２７７８１３号公報に開示されている微粒子を適用するようにしてもよい。また、半導体ナノ発光体として、近接場光のみに応じて発光可能なシリコンナノ微結晶等に代表される間接型半導体を利用するようにしてもよい。かかる場合には、半導体ナノ発光体に対して光学禁制の光を光源１１から発光させることにより、発生させる近接場光による効果をより顕著に発揮させることも可能となり、ひいては転写すべきパターンのさらなる微細化を実現することも可能となる。

本発明を適用したナノインプリント装置の構成図である。 本発明を適用したナノインプリント装置において、被加工材表面に塗布されたレジスト膜上にモールド１３を押し付ける例につき示す図である。 本発明を適用したナノインプリント方法の動作を示すフローチャートである。 モールドのパターンに応じた凹凸のエッジ部分において近接場光を発生させる例につき示す図である。 モールドを剥離させた後のレジスト膜の拡大断面図である。 本発明を適用したナノインプリント装置の他の構成図である。 図６に示す構成における近接場光の発生傾向につき説明するための図である。 基板の凹部における金属性薄膜の積層形態が予め調整する方法につき説明するための図である。 金属性薄膜の各積層形態に対する押し付け面における光強度分布をシミュレートした結果を示す図である。 照射する光の偏光方向に対する、押し付け面Ｊ１における光強度分布を示す図である。

符号の説明

１ ナノインプリント装置
１１ 光源
１２ 照明光学系
１３ モールド
２１ 被加工材
２２ レジスト膜
３１ 移動制御部
３２ 偏光板
４１ 基板
４２ 金属性薄膜
５１ 焦束レンズ

Claims (8)

1. 被加工材に対してナノスケールのパターンを転写するナノインプリント方法において、
   上記転写すべきパターンに応じて予め合成された金属あるいは半導体による微小球、又は金属あるいは半導体によるナノロッドを配列させてなる凹凸が形成された基板と当該基板の凹凸上に積層させた遮光性の薄膜とを有するモールドを、光硬化性樹脂が表面に塗布された上記被加工材へ押し付け、
   上記被加工材の上記押し付け面に対する背面側から光を照射し、或いは上記モールドの上記押し付け面に対する背面側から光を照射し、
   上記照射した光に基づいて発生させた近接場光により上記光硬化性樹脂を感光させ、
   その後上記モールドを上記被加工材から剥離させること
   を特徴とするナノインプリント方法。
2. 近接場光を発生させる領域に対応させて上記基板の凹部における積層形態が予め調整された薄膜を有するモールドを、上記被加工材へ押し付けること
   を特徴とする請求項１記載のナノインプリント方法。
3. 上記光硬化性樹脂が感光しない波長の光を照射すること
   を特徴とする請求項１又は２記載のナノインプリント方法。
4. 近接場光を発生させる領域に対応させて偏光方向が予め調整された光を照射すること
   を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載のナノインプリント方法。
5. 被加工材に対してナノスケールのパターンを転写するナノインプリント装置において、
   上記転写すべきパターンに応じた予め合成された金属あるいは半導体による微小球、又は金属あるいは半導体によるナノロッドを配列させてなる凹凸が形成された基板と当該基板の凹凸上に積層させた遮光性の薄膜とを有するモールドと、
   少なくとも光硬化性樹脂が表面に塗布された上記被加工材へ上記モールドを押し付ける制御手段と、
   上記被加工材の上記押し付け面に対する背面側から光を照射し、或いは上記モールドの上記押し付け面に対する背面側から光を照射する光照射手段とを備え、
   上記制御手段は、上記光照射手段から照射された光に基づいて発生させた近接場光により上記光硬化性樹脂を感光させた後、上記モールドを上記被加工材から剥離させること
   を特徴とするナノインプリント装置。
6. 上記薄膜は、近接場光を発生させる領域に対応させて、上記基板における凹部の積層形態が予め調整されてなること
   を特徴とする請求項５記載のナノインプリント装置。
7. 上記光照射手段は、上記光硬化性樹脂が感光しない波長の光を照射すること
   を特徴とする請求項５又は６記載のナノインプリント装置。
8. 上記光照射手段は、近接場光を発生させる領域に応じて偏光方向が予め調整された光を照射すること
   を特徴とする請求項５〜７のうち何れか１項記載のナノインプリント装置。

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