JP4276087B2 - レーザを利用したダイレクトインプリントリソグラフィ - Google Patents

Description

［発明の分野］
本発明はインプリントリソグラフィ（imprint lithography）に関し、詳細には、レーザ放射によって基板表面上にモールド（mold）を直接インプリントする（imprinting）ことができる、レーザを利用したダイレクトインプリントリソグラフィ（ＬＡＤＩ）に関する。このプロセス（process）は、固体（solid）基板上にナノスケールのフューチャ（feature）を直接インプリントするのに特に有用である。

［発明の背景］
基板上に微細なフューチャをパターン形成（patterning）する方法は、多くの電子デバイス、磁気デバイス、機械デバイス、および光デバイスならびに生物学的および化学的分析用デバイス（devices）の作製に、非常に重要である。そのような方法は、例えば超小型回路のフューチャおよび構成、ならびに、平面光導波路および関連する光デバイスの構造および動作フューチャ（operating features）を規定（define）するのに用いられる。

光リソグラフィは、そのようなフューチャをパターン形成する従来の方法である。フォトレジストの薄い層を基板表面に塗布し、レジストのうちの選択された部分が光パターンにさらされる。レジストは次に現像され、エッチング等のさらなる処理を行うための所望パターンの露光基板が見えるようになる。このプロセスに伴う問題として、レジストおよび基板において散乱する光の波長と、レジストの厚さおよび特性とによって、解像度が制限されてしまう、ということがある。その結果、所望のフューチャのサイズが小さくなるにつれて、光リソグラフィはますます困難になる。さらに、レジストの塗布、現像、および除去は比較的低速の（スローな）工程群であり、スループット速度を制限してしまう。

微細なフューチャをパターン形成するためのより最近の手法として、ナノインプリントリソグラフィ(nanoimprint lithography)がある。ナノインプリントリソグラフィにおいては、ナノスケールのフューチャを形成した（nanofeatured）モールディング（molding）表面がレジストまたはレジストのような材料（ポリマー）にインプリントされ、インプリントされたパターンが除去されて基板表面を選択的に露出する。このプロセスによって、光の波長に起因する解像度の制限はなくなるが、それでも、レジストまたはポリマーを用い処理することによって制限を受ける。ナノインプリントリソグラフィに関するさらなる詳細は、出願人の、１９９８年６月３０日に発行され「Nanoimprint Lithography」という名称の米国特許第５，７７２，９０５号および２００２年１１月１９日に発行され「Fluid Pressure Imprint Lithography」という名称の米国特許第６，４８２，７４２号において説明されている。‘９０５号特許および‘７４２号特許は、参照により本明細書に援用される。

エレクトロニクス産業および光通信産業、ならびにナノテクノロジーの新分野に参入している企業は、超小型回路、光デバイス、および新規なナノスケール構造を製造する新規な方法を捜し求め続けている。特に、これらの産業および企業は、より高解像度のパターンで基板にパターン形成する、より高速のプロセスを捜し求めている。

［発明の概要］
本発明によれば、固体基板の表面にフューチャを直接インプリントすることができる。詳細には、基板は、パターンをインプリントするモールディング表面を有するモールドを設ける工程と、モールディング表面を、インプリントを行う基板表面に隣接して、或は当接した状態で配設する工程と、基板表面に放射（radiation）で照射を行う工程であって、それによって、表面を軟化または液化させる、照射を行う工程とによって、所望パターンで直接インプリントされる。モールディング表面は、軟化または液化した表面に押し込まれ、基板に直接インプリントを行う。基板は、半導体、金属、またはポリマー等、多種多様な固体材料のうちの、いずれの１つであってもよい。好ましい実施形態において、基板はシリコンであり、レーザはＵＶレーザであり、モールドはＵＶ放射を透過して、透過性の（transparent）モールドを通してシリコンのワークピース（workpiece）に照射を行うことができる。出願人らはこの方法を用いて、１０ナノメートル以下の解像度で２５０ナノ秒以下の処理時間で、シリコンに大面積のパターンを直接インプリントした。本方法はまた、平坦なモールディング表面とともに用いて、基板を平坦化してもよい。

添付図面において示し以下で詳細に説明する例示的な実施形態を検討すれば、本発明の利点、性質（nature）、およびさまざまなさらなる特徴は、より完全に明らかとなろう。

これらの図面は本発明の概念を説明する目的のためのものであり、グラフを除いて、正確な縮尺率ではない、ということが理解されなければならない。

［詳細な説明］
図面を参照して、図１は、レジストまたはポリマー材料を介在させることなく、レーザを援用して基板表面に所望パターンを直接インプリントすることに含まれる工程を示す概略ブロック図である。ブロックＡにおいて示す第１の工程は、モールディング表面を有するモールドを設けて、所望パターンをインプリントすることである。

次の工程であるブロックＢは、インプリントを行う基板表面にモールディング表面が隣接した状態で、モールドを配設することである。モールディング表面は、基板表面に押し付けることができる。

図２Ａは、１つまたは複数の突起したフューチャ２２と１つまたは複数の凹んだ領域２３とを備えるモールディング表面２１を有する、モールド２０を示す。モールド２０は、インプリントを行う表面２５を有する基板２４の近くに配設される。モールディング表面２１は、表面２５に隣接している。

基板２４は、レーザ放射に応答して軟化または液化して、レーザ露光が終了すると元の状態に戻るいかなる材料であってもよい。モールド２０は、レーザ放射を透過する材料から成っており、モールドを透過して基板表面２５に照射を行うことができるようになっていることが有利である。

モールディング表面２１は、マイクロスケールまたはナノスケールのフューチャを有することができる。表面は、ナノスケールのフューチャを形成したパターンを備えることが有利である。このパターンは、最小寸法が２００ナノメートルよりも小さい、例えば、突起したフューチャ２２の横方向の寸法が２００ナノメートルよりも小さくてもよいフューチャを少なくとも１つ有する。また、モールディング表面は、２５０ナノメートルよりも小さいモールド深さを呈する、すなわち、突起したフューチャ２２の外側の部分と、これに隣接する凹んだ領域２３の内側の部分との間の距離は、２５０ナノメートルよりも小さくてもよく、好ましくは５〜２５０ナノメートルの範囲であってもよいことが有利である。しかし、基板表面を平坦化するためには、モールディング表面は平坦であることが有利である。

好ましい実施形態において、基板はシリコンであり、レーザはＵＶレーザであり、モールドは溶融水晶（fused quartz）である。典型的なモールドは、サイズが１０ナノメートル以下〜数十ミクロンの範囲のフューチャのあるパターンを有する、厚さが１ミリメートルの溶融水晶から構成されることができる。他の有利な基板としては、その他の半導体、金属、半金属、ポリマー、およびセラミックが含まれる。

成型する基板表面層は、半導体、金属、半金属、ポリマー、および絶縁体から選択される材料でできた薄膜の多層構造とすることができる。表面層はまた、異なる表面領域が異なる材料で形成された、複数の表面領域から構成されることができる。

第３の工程（ブロックＣ）は、成型する基板表面に放射で照射を行って、表面を軟化または液化させることである。

図２Ｂは、放射源（図示せず）からの放射２６がモールド２０を通過して基板表面２５に照射を行うための好ましい構成を示す。レーザ放射（レーザ放射であってもよい）によって、基板２４上に軟化または液化した表面領域２７が形成される。

有用な放射源としては、レーザ（紫外線、赤外線、および可視光）およびランプ（狭帯域および広スペクトル）が含まれる。レーザ放射は、有利には１ナノメートル〜１００マイクロメートルの範囲である。ランプ放射は、有利には１ナノメートル〜５０マイクロメートルの範囲である。照射は、有利には１ナノ秒〜１０秒の範囲の継続時間（time duration）でパルスで行なうことができる。

図１のブロックＤに示す次の工程は、軟化または液化した表面領域にモールディング表面を押し込むことによって、基板にインプリントを行うことである。

この押し込みは、前述の米国特許第５，７７２，９０５号において説明されている機械プレスによって、米国特許第６，４８２，７４２号において説明されている流体圧力によって、または力を加える何らかの他の方法によって、行うことができる。圧力を加えるのは、照射前に開始してもよい。有利な手法の１つは、基板に当接した状態でモールドをプレスし、プレス中に、複数のパルスで基板表面に照射を行うことである。

図２Ｃは、モールディング表面２１が表面領域２７にインプリントしている状態の基板を示す。

インプリントプロセスを完了するには、放射源のスイッチを切ることによって照射を終了し、表面領域がわずかに冷却できるようにし、モールディング表面を基板から取り外す。

図２Ｄは、インプリントされたモールドパターン２８を基板表面２５上に残して基板２４から除去されたモールド２０を示す。

ここで、本発明は、以下の具体例を検討することによって、よりはっきりと理解することができる。

［実施例］
（１）線幅１４０、深さ１１０ｎｍ、および周期（period）３００ｎｍの格子、（２）モールド作製中の反応性イオンエッチング（reactive ion etching）におけるトレンチング効果（trenching effect）のために作成された幅１０ｎｍおよび深さ１５ｎｍの線、ならびに（３）長さおよび幅が数十ミクロンで深さが１１０ｎｍの長方形、という３つのパターンを有するモールドを用いて、一連の実験を行った。３つのパターンはすべて、同じＬＡＤＩプロセスにおいてシリコンに直接インプリントした。

まず、上述の水晶モールドをシリコン基板に接触させた。２つの大型のプレスプレートを用いて、モールドを基板に当接した状態でプレスする力を与えた。シリコンウエハーを下側のプレート上に配置し、モールドをウエハーの上に配置した。これもまた溶融水晶でできており、したがってレーザ光線を透過する上側のプレートを、モールドの上に配置した。この２つの大型のプレートの間のねじによって加えられる圧力を増やすことによって、２つのプレートを一緒にプレスした。モールドと基板とを接触させるために加える好ましい圧力レベルは、約１．７×１０^６Ｐａすなわち約１７気圧であった。この圧力レベルであれば、最大で２５０ｎｓまでのインプリント時間でインプリント深さが最大で１１０ｎｍまでになる。この圧力は、レーザパルスの導入前に加えるのが好ましい。

次に、モールド−基板のアセンブリ（assembly）にレーザパルスを印加した。１つの実験においては、波長が３０８ｎｍ、パルス幅が２０ｎｓ（ＦＷＨＭ）、および流束量が１．６Ｊ／ｃｍ^２の単一のＸｅＣｌエキシマレーザパルスを、このアセンブリに印加した。レーザは、モールドに吸収されるエネルギーが非常に少ない状態で、水晶モールドを通過した。レーザ放射に対するモールドの透過率を測定し、最大で９３％までであることがわかった。モールド−空気の２つの界面において屈折率が異なることによって、放射の反射は全体で７％までとなった。これは、モールド自体はレーザ放射を吸収しないということを示している。

単一のレーザパルスがシリコン表面に照射を行い、約２５０ｎｓの間シリコンの溶融および液化を引き起こした。有利には、基板表面からのレーザ光線の時間分解反射率を測定することによって、ＬＡＤＩプロセス中に、基板表面の溶融をその場で監視することができる。反射率とは、表面から反射する波のエネルギーと、表面に当たる波が有するエネルギーと、の比である。シリコンは、溶融すると半導体から金属へと変化し、可視光に対するシリコン表面の反射率は２倍に増加する。

１つの実験において、波長が６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光線を用いて反射率を測定した。図３は、１．６Ｊ／ｃｍ^２の流束量で単一の２０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザパルスにさらしたシリコン表面の反射率を測定したものを示す。グラフが示すように、固体シリコンの反射率は約０．２５である。放射の下では、シリコン表面の反射率は最初の２５ｎｓで急速に上昇し、２００ｎｓの間約０．５０の反射率で飽和し、５０ｎｓで元の固体シリコンの反射率に戻った。

基板が液体状態である間、モールドを液体の基板層に型押しした（embossed into）。溶融シリコンは、粘度が低いので、すべての裂け目（crevasses）に急速に流入して完全に裂け目を充填し、モールドにぴったりと合うことができる。シリコンの溶融期間はレーザパルスの継続時間である２０ｎｓと略同等である。図３において、パルスの継続時間よりもわずかに長いこの２５ｎｓという反射率の立上りは、オシロスコープ（１００ＭＨｚ）のＲＣ時定数である１０ｎｓに関係している場合がある。

次にモールドと基板とを分離して、基板表面上にインプリントされたモールドパターンのネガティブプロファイル（negative profile）を残した。典型的には、液体から固体への変化によって、基板の体積がそれぞれの方向に約３％膨張し、これが、基板がモールドのフューチャにぴったりと合って１０ｎｍ以下の解像度を達成するのを促進する。基板におけるインプリントしたフューチャとモールドのフューチャをいずれも損傷しないように、基板とモールドとを容易に分離することが望ましい。実験は、水晶モールドの熱膨張係数（５×１０^−７Ｋ^−１）のほうがシリコン（２．５×１０^−６Ｋ^−１）よりも小さいという事実によって、分離が促進されている、ということを示している。

図５（Ａ）は、水晶モールドの断面図を示す走査型電子顕微鏡写真である。図４および図５（Ｂ）はそれぞれ、ＬＡＤＩの結果シリコン基板にインプリントされたフューチャの平面図および断面図を示す走査型電子顕微鏡写真である。ＬＡＤＩの結果として生じるインプリントされた格子は、線幅１４０ｎｍ、深さ１１０ｎｍ、および周期３００ｎｍであり、モールドのフューチャと整合している。図５（Ｂ）におけるもっとも興味深いフューチャの１つは、インプリントされた格子の線の一番上の角に沿って形成された隆起部（ridge）である。このような隆起部は幅が約１０ｎｍで高さが約１５ｎｍである。図５（Ａ）におけるモールドの走査型電子顕微鏡写真と比較すると、このような隆起部は、モールドの反応性イオンエッチングのトレンチング効果によって生じた、モールド内に形成された切欠きから生じている、ということが明らかに示されている。ＬＡＤＩプロセスにおいてこのような１０ｎｍの隆起部が完全に転写されるということは、ＬＡＤＩの解像度が１０ｎｍよりも上であるということを示唆している。

また、ＬＡＤＩの結果、大型で別個のパターンもインプリントされる。典型的には、ＬＡＤＩは、サイズが数十ミクロンを超えるメサ（mesas）およびトレンチをパターン形成することができる。図６は、ＬＡＤＩによってインプリントを行った、幅が８μｍで高さが１１０ｎｍの別個の正方形のメサを有する、シリコン基板を示す。このような大型パターンのインプリントが成功するということは、溶融シリコン（molten silicon）が数ナノ秒のうちに、数十ミクロンにわたって容易に流れることができる、ということを示している。

図７は、ＬＡＤＩを２回適用した後の水晶モールドの走査型電子顕微鏡写真を示す。とりわけ、モールドは、このように複数回ＬＡＤＩを適用したことによる目に見える損傷を示してはいない。

ＵＶレーザ放射源が有利であるが、基板に応じて他の源を用いてもよい。赤外線レーザを用いて、多くの金属を軟化または液化させてもよく、加熱ランプさえも、多くのポリマーを溶融または軟化させるのに用いてもよい。

インプリントを行う表面が複数の層を備える場合には、複数の層を組み合わせて同時にインプリントしてもよい。放射は、１つの材料層を溶融して、その層が伝熱によって隣接する層を溶融することができるように、選択してもよい。

放射のパルス幅は、インプリントプロセス時に選択してもよく、パルスは、基板の表面層のみが加熱され基板の残りとモールドとが著しく加熱されることはないように、十分に短くてもよい。

基板上にあらかじめ作り上げたパターンがあること、および、基板上のパターンとモールド上のパターンとの間に位置合わせ（alignment）があることもまた、可能である。

レーザを利用したダイレクトインプリント用の機器（equipment）は、それぞれ基板用とモールド用のステージ、および、基板とモールドとの間のｘ、ｙ、ｚ、ゼータ、チルト、およびヤンク（yank）（可能性のあるすべての自由度）の相対運動を引き起こす機械ステージもまた、有することができる。基板とモールドとの間のこの相対運動をセンサが監視することができ、また、このセンサがインプリント加熱圧力（imprint heating pressure）を監視することもできる。インプリントコントローラの情報は、監視フィードバックおよび制御システムを有する。

上述の方法を、複合構造を形成する一連の工程において用いることができる、ということが考慮される。基板は既存のパターンを有していてもよく、モールド上のパターンは、インプリント前にこの既存の基板パターンに対して位置合わせしてもよい。基板は前述のようにパターン形成してもよく、必要であれば層を付け加え平坦化してもよく、その付け加えた層は、同じ方法でではあるが異なった形になるようパターン形成してもよい。位置合わせしたパターンで複数の連続した層をインプリントして、集積回路を形成するのと同じ方法で複合デバイスを形成してもよい。基板は、放射を透過する放射吸収材の薄い層を基板の上に備えてもよい。この方法をポリマーコーティングした基板とともに用いて、レジストにパターンをインプリントし、次にこのパターン形成したレジストを用いて、米国特許第５，７７２，９０５号において説明されているように、基板にパターン形成してもよい。

さらに、このプロセスを用いて、当該技術分野において既知のステップアンドリピートの（step and repeat）インプリントおよび自動位置合わせ技法を用いて同じ基板上に多くのデバイスを製造してもよい。

インプリントを行った基板は、インプリント後に付け加える材料のパターンを保持する凹んだ領域を有していてもよい。付け加える材料は、きわめて小型の電磁部品を形成するよう、磁性または導電性であってもよい。凹んだ領域は、きわめて小型の部品を製造するためのマイクロスケールまたはナノスケールのモールドの役割を果たしさえしてもよい。

マイクロスケールまたはナノスケールの溝を基板にインプリントして、高分子を選択、配向、および誘導し（direct）てもよく、ターゲット分子に選択的にくっつくインジケータ（indicators）を取り付けるインプリントした頂または凹みを設けてもよい。

上述の実施形態は、本発明の用途を表すことができる多くの実施形態のうちのほんのいくつかを説明するものである、ということが理解されなければならない。当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、非常に多くのさまざまな他の構成をなすことができる。

レーザを利用したダイレクトインプリントリソグラフィに含まれる各工程を示す概略フロー図である。 図１のプロセスのさまざまな工程におけるモールドおよび基板を示す。 シリコン表面に照射を行うときの、シリコン表面からのＨｅＮｅレーザ光線の反射率を時間の関数としてプロットしているグラフである。 インプリントを行ったシリコン格子の走査型電子顕微鏡写真を示す。 水晶モールドの断面図の走査型電子顕微鏡写真である。 図１の方法によってインプリントを行ったシリコン基板の断面図の走査型電子顕微鏡写真である。 図１の方法によって製造した、別個のシリコンの正方形のパターンの原子間力顕微鏡写真である。 図１の方法を２回適用した後の水晶モールドの走査型電子顕微鏡写真である。

Claims (28)

1. 基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法であって、
   前記パターンをインプリントするモールディング表面を有するモールドを設ける工程と、
   インプリントを行う前記基板表面に前記モールディング表面が隣接した状態で、前記モールドを前記基板の近くに配設する工程と、
   前記基板表面に放射で照射を行ない、前記基板表面を軟化または液化させる工程と、
   前記軟化または液化した基板表面に前記モールディング表面を押し込む工程と、
   前記基板から前記モールディング表面を除去して、前記基板に前記モールディング表面の前記インプリントされたパターンを残す工程と、
   を含む方法。
2. 前記放射はレーザ放射である、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
3. 前記レーザ放射は、１ナノメートル〜１００マイクロメートルの範囲の波長である、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
4. 前記放射はランプ放射である、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
5. 前記ランプ放射は主として１ナノメートル〜５０マイクロメートルの範囲である、請求項４に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
6. 前記照射はパルスで行なわれる、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
7. 前記照射は、１ナノ秒〜１０秒の範囲の継続時間でパルスで行なわれる、請求項６に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
8. 前記照射は、前記モールドが前記基板に押し付けられている間に繰り返しパルスで行なわれる、請求項６に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
9. 前記放射は、前記モールドまたは前記基板全体を実質的に加熱することなく、前記基板の表面層を加熱する、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
10. 前記モールドは、前記放射を透過する材料を含む、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
11. 前記モールドは溶融水晶を含む、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
12. 前記モールディング表面は、最小寸法が２００ナノメートルよりも小さいフューチャを少なくとも１つ有する、突起したおよび凹んだフューチャのパターンを備える、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
13. 前記モールディング表面は、突起したフューチャの外側の部分から隣接する凹んだ領域の内側の部分までのモールド深さが２５０ナノメートルよりも小さい、突起したおよび凹んだフューチャのパターンを備える、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
14. 前記基板表面は、紫外線レーザ放射で照射が行われる、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
15. 前記モールディング表面は、機械プレスまたは流体圧力によって前記基板表面に押し込まれる、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
16. 前記モールディング表面は平坦であって、それによって、前記基板の前記表面を平坦化する、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
17. 前記モールドは紫外線放射を透過する材料で形成されており、前記基板はシリコンであり、前記基板は前記モールドを通して紫外線レーザ放射で照射が行われる、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
18. 前記基板表面は半導体材料を含む、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
19. 前記基板表面は金属または合金を含む、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
20. 前記基板表面はポリマーを含む、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
21. 前記基板表面はセラミックを含む、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
22. 前記基板表面は、成型する複数の材料層を備える、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
23. 前記放射は赤外線放射である、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
24. 前記基板は、予めインプリントを行った層を備える、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
25. 前記インプリントされたパターンの凹んだ領域を材料で満たす工程をさらに含む、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
26. 同じ基板上の他の場所においてインプリントプロセスを繰り返す工程をさらに含む、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
27. 前記基板は既存のパターンを備え、前記モールド上の前記パターンを前記基板上の前記既存のパターンに位置合わせする工程をさらに含む、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。
28. 前記基板にインプリントを行う前に、前記基板を平坦化する工程をさらに含む、請求項１に記載の基板の表面にモールドパターンを直接インプリントする方法。

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