JP4448868B2 - インプリント用スタンパとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はインプリント用スタンパとその製造方法に係り、特に微細なパターンの転写を突起のような凸部を有する被転写体に実施するためのインプリント用スタンパに関する。

従来、半導体デバイスなどの製造工程において、微細な形状のパターンを形成するためにフォトリソグラフィ技術が多く用いられてきた。しかし、パターンの微細化が進められる一方で、パターンの寸法が露光に使用する光の波長によって制限を受けるほか、位置合わせの高精度化が要求されるようになるなど、装置コストが高くなるという欠点があった。これに対し、高精度なパターン形成を低コストで行うための技術として、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、被転写基板表面に形成されたレジスト膜層に対して型押しすることで所定のパターンを転写するナノインプリント技術が知られている。

図５に、ナノインプリントによる微細パターン形成方法の１例を示す工程模式図を示す。この例においては、図５（ａ）に示すように、被転写基板５０３の表面にパターニング用の樹脂５０２を塗布した被転写部材と金型５０１は、互いの距離を制御できるステージ（図示省略）にそれぞれ固定されている。次に、ステージを駆動して金型５０１を樹脂５０２に押しつけることにより、図１（ｂ）に示すように金型５０１の凹凸パターンが樹脂５０２に転写される。ここで、樹脂５０２の凹部には樹脂が残留する。この凹部の残った樹脂を異方性のあるリアクティブイオンエッチング（以下、ＲＩＥ）等でエッチングを施し、パターン凹部で被転写基板５０３の表面を露出させる。このようにして得られる樹脂パターンを用いて、例えば図１（ｃ）に示すように、被転写基板５０３の表面が露出した部分をエッチングした後、樹脂５０２を除去して図１（ｄ）に示すような溝構造を形成することも可能である。あるいは、図１（ｆ）に示すように、被転写部材全体に金属膜５０４などを形成した後、樹脂５０２を除去することで、図１（ｇ）に示すように所定のパターンを有する構造体を形成することも可能である。

このようなナノインプリント技術においては、スタンパや被転写基板表面に数マイクロメートルのうねりが存在し、このうねりが微細形状の精密転写の妨げとなる問題がある。この問題に対して、スタンパの裏面にエラストマを配置し、インプリント中の圧力を均一分散させることでスタンパを基板のうねりに沿うようにすることが挙げられる（例えば、特許文献１）。

特開２００５−１８３９８５号公報

特許文献１等のようにスタンパ裏面にエラストマを配置することで、スタンパや基板のうねりに沿って微細形状を転写することが可能である。しかし、被転写基板には、直径／高さが２〜１０μｍ程度の異物や突起が局所的に存在する場合がある。このような局所的な突起に対しては、従来の硬質材料の裏面にエラストマ部材を有するスタンパでは、スタンパが局所的な突起へ追従することができず、不完全なパターンもしくはパターンが転写されない領域が発生し、転写不良が生じるという問題がある。

また、ナノインプリントにより形成した凹凸パターンには凹部直下に樹脂膜（残膜）が残る。この凹凸パターンをマスクとして基板を加工する場合には、残膜は不要な部分となるため、基板加工時に除去される。基板の加工精度を向上させるためには残膜をより薄くする必要があり、残膜を数十ｎｍ以下とすることが求められている。これに対して、薄い残膜のパターンを形成する際には、上述の局所的な突起の問題はより顕著となる。このように、微細パターンを高精度に形成するインプリント技術において、従来のシリコン，石英，金属等の硬度を有するスタンパを用いる際には突起のような凸形状を有する被転写基板上への転写に不完全転写領域が生ずることは避けられない。

本発明は、上述の問題に鑑み、被転写基板の局所的な突起にも追従し、転写不良の少ないスタンパを提供することを目的とする。

本発明者らが誠意検討した結果、硬度の低い樹脂性のスタンパを採用するとともに、ヤング率の異なる多層構造のスタンパとすることで上記課題を解決できることを見出した。

すなわち、本発明は、表面に凹凸形状が形成されたインプリント用スタンパであって、前記凹凸形状が形成されたパターン部と、前記パターン部の裏面に配置されたスタンパ裏面部とを有し、前記パターン部のヤング率が５００ＭＰａ以上１０ＧＰａ以下の範囲であり、前記スタンパ裏面部のヤング率が前記パターン部のヤング率よりも小さいインプリント用スタンパを特徴とする。

本発明により、被転写基板の局所的な突起にも追従することができ、転写不良の少ないスタンパを提供することができる。

本発明のスタンパの断面図を図１に示す。本発明のスタンパ１０１は、凹凸パターンが形成されたパターン部１０２とパターン部１０２の裏面に形成されるスタンパ裏面部１０３から構成されている。パターン部１０２は転写時の加圧に対しても変形のない剛性を有する樹脂で構成される。パターン部１０２の曲げ弾性を示すヤング率は５００ＭＰａ以上から１０ＧＰａ以下の範囲とすることが好ましい。ヤング率が５００ＭＰａよりも低い場合には、転写時の加圧に対してパターン部の変形が生じ精密な転写が困難となる。また、ヤング率が１０ＧＰａよりも大きくなると局所的な突起に対する追従性が悪くなり、突起部分での転写不良を生じ易くなる。

スタンパ裏面部１０３は局所的な突起に対してスタンパの形状変化を促し、突起に追従可能なようにパターン部１０２を構成する材料のヤング率よりも小さいヤング率を有する材料で構成される。スタンパ裏面部１０３のヤング率は４００ＭＰａ以下とすることが好ましい。また、局所的な突起に対する追従性を向上させるために、パターン部１０２の厚さよりもスタンパ裏面部１０３の厚さを厚くすることが好ましく、パターン部１０２の厚さを１００ｎｍ〜５０μｍとすることが望ましい。スタンパ裏面部１０３の厚みがパターン部１０２よりも薄い場合には、スタンパの形状変化の効果が小さく、局所的な突起に対して十分な追従性を得ることができない。また、パターン部１０２の厚さが５０μｍよりも厚くなると突起に対する追従性が低下し、転写パターンの精度が低下する。

本発明では、局所的な突起に対して追従可能であり、かつ転写時の加圧に対しても変形のない剛性を有するパターン部と、パターン部よりもヤング率が小さくスタンパの形状変化を可能とするスタンパ裏面部の多層構造のスタンパにより、被転写基板の局所的な突起にもスタンパの凹凸面が追従でき、転写不良を大幅に低減することが可能となる。

以下、実施例を用いて詳細に説明する。

本発明の一実施例を説明する。本実施例ではスタンパの構造と作製方法を説明する。

図１は本発明のスタンパの断面図である。なお、分かりやすくするためにパターン部の寸法を部分拡大している。スタンパ１０１は弾性の異なるパターン部１０２とスタンパ裏面部１０３の２層で構成され、パターン部１０２の層には微細パターンが存在する。このパターン部１０２の微細パターンを反転させた形状が樹脂１０１１に転写され、樹脂１０１１に微細パターンが形成される。スタンパ１０１の材質は形状変化が可能な弾性を持つ樹脂で構成される。ここで、パターン部１０２は転写時の加圧に対しても変形のない剛性を有する樹脂であり、本実施例ではヤング率が５ＧＰａのポリイミド樹脂を用いた。また、スタンパ裏面部１０３は局所的な突起に対してスタンパの形状変化が可能な低弾性の樹脂であり、本実施例ではシリコーン樹脂を用いた。

次に、本実施例のスタンパの作製方法について説明する。スタンパ裏面部１０３となるシリコーン樹脂フィルム、パターン部１０２のポリイミドとなるポリイミドオリゴマーの粉末、微細な凹凸が形成されたマスターモールド２の順で設置し、真空中においてポリイミドオリゴマーの溶融温度以上の温度で加熱，加圧して、硬化した。その後、微細な凹凸パターンが形成されたポリイミドオリゴマー粉末の硬化物（ポリイミド層）とマスターモールドを剥離し、パターン部１０２とスタンパ裏面部１０３の２層構造を有するスタンパ１０１を得た。

この際、パターン部１０２とスタンパ裏面部１０３の密着性が不十分な場合には予めスタンパ裏面部の表面をシランカップリング処理等の表面処理によりパターン部との結合性を付与しておくことが好ましい。また、本実施例ではオリゴマー粉末を用いてパターン部を形成したが、フィルム状の樹脂材料を用いてパターン形成することも可能である。また、同一樹脂を用いてパターン部とスタンパ裏面部を形成する場合、凹凸パターン面を形成する面に熱処理を施し、加熱重合変化によりパターン面を形成する面のヤング率を大きくすることで二層構造とすることが可能である。

次に、本実施例のスタンパを用いた転写方法について説明する。

図２は、本発明のスタンパ及び被転写体の断面図であり、転写プロセスを示す。図２（ａ）では転写前のスタンパ１０１と樹脂１０１１が接する前のそれぞれの形状を示す。この状態でスタンパ１０１はパターン部１０２の裏面にスタンパ裏面部１０３が接触しており、平板である。被転写体である樹脂１０１１の中央部は基板の突起形状に倣った突起があり、他の面より先にスタンパ１０１と接することになる。図２（ｂ）は、スタンパ１０１と被転写体である樹脂１０１１が接触し、スタンパと樹脂間に加えられた圧力により、スタンパ１０１が樹脂の突起に倣い変形した状態で転写が進行している状態を示す。ここで、スタンパ裏面部１０３に支配された低ヤング率の効果による曲げの進行でスタンパ１０１の突起への追従と、パターン部１０２の高ヤング率の効果による加圧されても変形が抑制された形状維持の二つの現象が同時に進行する。スタンパ１０１は樹脂の突起に従い変形するが、パターン部１０２は大きな曲げ弾性率を持つ剛性樹脂であるためパターン部は転写のための加圧でも変形することなく凹凸形状を維持している。これにより、突起部を含む樹脂表面においても、スタンパ１０１の微細パターンが転写され、突起部にもその反転パターンの形成が可能となっている。図２（ｃ）では、パターン転写が終了し、樹脂１０１１とスタンパ１０１が離れた離型状態を示す。樹脂１０１１の表面にはスタンパ１０１のパターンを反転したパターンが転写され、中央の突起部にも形状の乱れはあるがパターンが見える。変形の少ないスタンパを用いると、突起の周辺にはスタンパのパターンが届かないために生ずる未転写領域が生ずるが、このような変形可能なスタンパを用いることにより、未転写領域を最小限に抑えることができる。図２（ｄ）はスタンパ１０１が樹脂１０１１から離れて、時間経過と共に、突起に倣った形状から従前の平板に復帰した状態を示し、樹脂１０１１では形成された微細パターンが維持されている。以上のようにして作製したスタンパを使用すれば、パターンが転写される基板表面に形成した樹脂膜にスタンパを接触させて、スタンパ表面の凹凸パターンを転写することにより、複雑な形状の溝や構造体を形成するための樹脂パターンを、突起がある基板上の樹脂においても一括転写することが可能となる。

本実施例では、パターン部１０２に材質としてポリイミドを用いたが、ポリイミドの他にも、曲げ弾性率がポリイミドと類似して大きなフェノールホルムアルデヒド樹脂，ユリアホルムアルデヒド樹脂，メラミンホルムアルデヒド樹脂，不飽和ポリエステル樹脂，ビニルエステル樹脂，エポキシ樹脂，ポリアミド樹脂，ＡＢＳ樹脂，メチルメタクレート樹脂，スチレン系共重合樹脂，ＡＡＳ樹脂，ポリアリレート樹脂，酢酸セルロース，ポリプロピレン，ポリエチレンフタレート，ポリブチレンテレフタレート，ポリフェニレンサルファイド，ポリフェニリンオキシド，スチレン，ポリカーボネートのいずれかを用いることができる。また、スタンパ裏面部１０３としてはシリコーン樹脂を用いたが、シリコーン樹脂の他にも、アルキド樹脂，ポリウレタン樹脂，ポリエステル樹脂，シリコーン樹脂，ポリテトラフルオロエチレン樹脂，ジアリルフタレート樹脂のいずれかの曲げ弾性率がシリコーン樹脂に近い樹脂を用いることができる。

本実施例では突起を有する基板の上にある樹脂層に微細パターンを転写する際に、スタンパのパターン部及びスタンパ裏面部のヤング率による転写性を評価した結果を説明する。

本実施例ではスタンパパターン部の樹脂として、ヤング率が５ＧＰａのポリイミド樹脂を用いた。裏面樹脂材料にはヤング率が５００ＭＰａと２００ＭＰａの低曲げ弾性係率のシリコーン樹脂と、ポリイミド（同ヤング率），炭素鋼（樹脂でないがヤング率が２００ＧＰａなので比較のために使用）を用いている。パターン部の厚さは２０μｍ、裏面樹脂の厚さは１００μｍとした。図３はパターン部とスタンパ裏面部のヤング率の比を主変数として、当該スタンパで突起を有する樹脂表面に形成される微細パターンの欠落幅を測定した結果を示す。パターンの最小寸法は５００ｎｍで、樹脂の突起半径５μｍの半球突起であり、その周辺においてスタンパが突起に追従せず、未転写の領域が生ずる。その領域は突起周辺に幅を持つ同心円で示されるので、異なる曲げ弾性率（ヤング率）の比を持つスタンパを用いてその同心円幅を計測した。ヤング率の比が１の場合、未転写領域の同心円幅は７μｍで、比が５０では１８μｍとなったが、スタンパ裏面部のヤング率を小さく、すなわち、パターン部に比して裏面を曲げやすくすることにより、未転写領域は減少し、ヤング率の比を０.１とした場合、未転写領域幅は３．５μｍ、０.０４とした場合に３．５μｍとなった。このことから、スタンパを２層の積層構造で構成する場合、パターン部のヤング率がスタンパ裏面部のヤング率に比して１０倍以上大きいことが転写精度向上に有効であることがわかった。

本発明によるスタンパを用いた平行平板型プレス機構を有する転写装置による、複数同時転写の加工法を説明する。

図４は上下の平行平板ステージ３０１０と、それに挟まれた位置にある二層構造のスタンパ１０１と樹脂２０２を塗布した突起を有するシリコン基板２０１を示す。スタンパ１０１と樹脂２０２を塗布したシリコン基板２０１の組み合わせは４組である。上下ステージを接近させ、全ての部材が接触した後に加圧し続けることにより、４組の当該組み合わせにおいて同圧力での加圧転写がなされ、突起を基板に倣って有する樹脂２０２表面には、樹脂形状に倣って変形したスタンパが接触し、スタンパ１０１表面の微細パターンを樹脂に反転させて転写する。ここで、スタンパはパターン部がポリイミド樹脂で、スタンパ裏面部がシリコーン樹脂である。それぞれのヤング率は５ＧＰａ，２００ＭＰａである。ポリイミド樹脂はシリコーン樹脂上に接着されるが、全面で接するだけでも同様の効果を得ることができる。

以上のようにして作製したスタンパを使用すれば、パターンが転写される基板表面に形成した樹脂膜にスタンパを接触させて、スタンパ表面の凹凸パターンを転写することにより、複雑な形状の溝や構造体を形成するための樹脂パターンを、突起がある基板上の樹脂においても複数の樹脂パターンを一括転写することが可能となる。

以上で説明した実施例によれば、積層構造を有し変形が可能なスタンパを用いることで、突起がある基板に倣って凸部を有する被転写樹脂部材に、パターンの欠けを低減して高精度に一括転写を実現することができるため、従来のフォトリソグラフィ技術やインプリント技術と比較して製造コスト低減及びパターン精度向上の効果が得られる。

本発明のスタンパ構造及び被転写体樹脂の断面図。 本発明のパターン転写方法の説明図。 本発明のスタンパを用いた際の未転写領域と二層スタンパにおけるヤング率比の関係図。 本発明を適用して複数転写を実施する断面構造の説明図。 ナノインプリントによる微細パターン形成方法の１例を示す工程模式図。

符号の説明

１０１ スタンパ
１０２ パターン部
１０３ スタンパ裏面部
２０１ シリコン基板
２０２ 樹脂
１０１０ 突起付基板
１０１１ 被転写樹脂
３０１０ 平行平板ステージ

Claims (10)

1. 表面に凹凸形状が形成されたインプリント用スタンパにおいて、
   前記凹凸形状が形成されたパターン部と、前記パターン部の裏面に配置されたスタンパ裏面部とを有し、前記パターン部のヤング率が５００ＭＰａ以上１０ＧＰａ以下の範囲であり、前記スタンパ裏面部のヤング率が前記パターン部のヤング率よりも小さいことを特徴とするインプリント用スタンパ。
2. 請求項１において、前記凹凸形状の凸形状が１０ｎｍ以上２０μｍ以下の寸法を有することを特徴とするインプリント用スタンパ。
3. 請求項１において、前記パターン部のヤング率が前記スタンパ裏面部のヤング率の１０倍以上であることを特徴とするインプリント用スタンパ。
4. 請求項１において、前記パターン部の厚みが前記スタンパ裏面部の厚みよりも薄いことを特徴とするインプリント用スタンパ。
5. 請求項４において、前記パターン部の厚みが１００ｎｍ以上から５０μｍ以下の範囲であることを特徴とするインプリント用スタンパ。
6. 請求項１において、前記パターン部を構成する材料が、フェノールホルムアルデヒド樹脂，ユリアホルムアルデヒド樹脂，メラミンホルムアルデヒド樹脂，不飽和ポリエステル樹脂，ビニルエステル樹脂，エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，ポリアミド樹脂，ＡＢＳ樹脂，メチルメタクレート樹脂，スチレン系共重合樹脂，ＡＡＳ樹脂，ポリアリレート樹脂，酢酸セルロース，ポリプロピレン，ポリエチレンフタレート，ポリブチレンテレフタレート，ポリフェニレンサルファイド，ポリフェニリンオキシド，スチレン，ポリカーボネートのいずれかであることを特徴とするインプリント用スタンパ。
7. 請求項１において、前記スタンパ裏面部を構成する材料が、アルキド樹脂，ポリウレタン樹脂，ポリエステル樹脂，シリコーン樹脂，ポリテトラフルオロエチレン樹脂，ジアリルフタレート樹脂のいずれかであることを特徴とするインプリント用スタンパ。
8. 表面に凹凸形状が形成されたインプリント用スタンパの製造方法において、
   ヤング率が５００ＭＰａ以上１０ＧＰａ以下の範囲であり、凹凸形状が形成されるパターン部と、前記パターン部の裏面に配置され、前記パターン部のヤング率よりもヤング率の小さいスタンパ裏面部を積層するに際に、各々の層を重ねた後に前記パターン部に凹凸形状を形成することを特徴とするインプリント用スタンパの製造方法。
9. 請求項８において、前記パターン部に凹凸形状を形成する前に各々の層を予め接着することを特徴とするパターン形成用スタンパの製造方法。
10. 請求項８において、前記パターン部としてポリイミド樹脂のオリゴマー粉体を前記スタンパ裏面部に設置し、前記オリゴマー粉体の溶融温度以上で真空中において加圧して、凹凸形状が形成された前記パターン部を形成することを特徴とするインプリント用スタンパの製造方法。

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