JP4625247B2 - マイクロコンタクトプリント方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ナノ構造を構築するための、マイクロコンタクトプリント方法及び装置に関するものである。

例えば無機結晶から成る半導体集積回路の製造では、クリーンルームなどの大規模な施設を必要とするとともに、露光工程や不純物添加工程など、真空、高温に耐える高価な装置を使用し、複雑な工程を経なければならない。また製造工程において使用される、薬剤による環境汚染対策が不可欠である。集積回路自体について見ると、使用する材料が限定されること、単一機能性従って量産化には向いているが、多用途多品種生産には向かないこと、廃棄されたもののリサイクル及び資源化の問題があるなど、解決されるべき点は少なくない。

これに対して、導電性高分子を使用したトランジスタなどが試作されるようになって来ており、これが実用化されるとプラスチックでできた集積回路を輪転機やプリンタといった装置で量産することが可能になると考えられる。このための具体的な提案としてはハーバード大学のＧ．Ｍ．ホワイトサイド（Ｇ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ）によって１９９３年になされたものがあり、それはマイクロコンタクトプリント（ｍＣＰ）法と呼ばれ、ソフトリソグラフィと称されるナノ構造構築法の一つである。マイクロコンタクトプリント法では、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）より成るスタンプに、有機高分子液をインクとして保持させ、これを試料表面に接触させることによりセルフアセンブル膜を転写することができる。

しかしながら、マイクロコンタクトプリント法は原理や成果について報告されているだけの実験的段階にあり、マイクロコンタクトプリント法による有機半導体デバイスの製造は未だ困難である。例えば従来の印刷機では精密なプリント加圧制御が不可能であり、また一般的なコンタクト方式のマスクアライナーではチオールインクの精密な補充が行えないのが実情である。なお、マイクロコンタクトプリント法に関する先行技術としては、特開２００２−２０６０３３号、同じく２００２−３５３４３６号などの発明を挙げることができる。

特開２００２−２０６０３３号 特開２００２−３５３４３６号

本発明は前記の事情に着目してなされたものであり、その課題は従来困難であったマイクロコンタクトプリント法による有機半導体デバイスの製造や、ＤＮＡに関する研究等を含む、ナノ構造構築法の開発と利用を容易化することである。また本発明の他の課題は、マイクロコンタクト法を、大別してスタンプマスターを製造する工程と、マスターから複製したスタンプにインクを保持させる工程と、スタンプから転写用試料にインクを転写する工程との、３工程で実施可能とするとともに、これらの全工程を１台の装置で行えるようにすることである。

前記の課題を解決するため、本発明は、並置された第１ステーション並びに第２ステーション、それらの間を移動する移動体及び第１ステーションに配置する光源装置を用いて、ナノ構造を構築するためのマイクロコンタクトプリント方法であって、第１ステーションにて光源装置を用いてスタンプのマスターを作製し、かつまた、マイクロコンタクトプリントを実行するものであり、スタンプのマスターを作製するときは、マスター用試料に必要な処理を行なった上で光源装置により所定のパターンを露光し、マイクロコンタクトプリントを実行するときには、移動体に、上記スタンプのマスターから複製したスタンプを配置し、第２ステーションにてスタンプをスタンプ台に接離させることによりインクを補充し、第１ステーションに配置された転写用試料に対してスタンプを接離させることにより、スタンプの持つパターンを試料に転写するという手段を講じたものである。

上記のマイクロコンタクトプリント方法の実施に当たっては、基台上に、第１ステーションと第２ステーションとを並設するとともに、第１ステーションと第２ステーションの間を移動可能な移動体を装備し、第１ステーション側に、少なくともマスクパターン又はスタンプのパターンの観察のための顕微鏡と、マスター用試料に対して露光を行う光源装置を配置するとともに、これら顕微鏡と光源装置の各位置を切り替えて第１ステーションに配置可能とし、第１ステーションは、マスター用試料及び転写用試料を保持する機能を持ち、試料表面に対して垂直方向へ移動可能な試料台ステージ及び試料台ステージを強制的に移動させるための垂直移動部と、試料台ステージ上の試料を移動体に配置したマスクに面接触させ、試料台の向きを規定する平行出しのための機構及び必要なアライメント部を具備し、第２ステーションは、インクを供給するために、スタンプを配置する移動体表面に対して垂直方向へ移動可能なスタンプ台ステージ及びスタンプ台ステージを強制的に移動させるための垂直移動部とを具備し、第１ステーションと第２ステーションとの間にて移動体を移動可能にする遷移機構を具備した構成を有しているマイクロコンタクトプリント装置を使用することが最も望ましい。

本発明において、第１ステーション、第２ステーションは、必要な工程を施工する場所を意味しており、その場所を２箇所必要とし、かつそれら２つのステーションが並んでいることを必要とするということである。従って、第１及び第２という文言は、場所を区別するためのものであり、順番や優先を表すものではない。本発明において、例えば第１ステーションでは、スタンプマスターの作製工程、そしてスタンプマスターからの複製品である複製スタンプによる試料へのパターンの転写工程を行い、例えば第２ステーションでは、複製スタンプへのインクの補充工程を行う。

スタンプマスターは、従来の無機結晶半導体製造技術であるフォトリソグラフィによって製造することができる。スタンプマスターを例えば第１ステーションにて製造することを可能にするためには、第１ステーションに光源装置を配置し、レジストを塗布したマスター用試料に露光を施し、所定のパターンを焼き付け、現像及び必要なプロセスを経て試料上にレジストの立体構造を構築することができる。この場合本発明の光源装置として紫外線を発する紫外線ランプを使用すれば、各種半導体のパターン露光にも利用することができる。

第１ステーション及び第２ステーションには、ステージが夫々設けられており、夫々平行出し及び必要なアライメントを行えるようになっていることは望ましいことである。一方のステーションのステージはプリント時の台となり、他方のステーションのステージはスタンプにインクを保持させるときの台、つまりスタンプ台となる。アライメントのために、顕微鏡が具備されるが、この顕微鏡と光源装置とは、各々の位置を切り替えて一方のステーションに配置することができるものとする。

スタンプマスターからは、前記のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のようなシリコンゴムなどを材料とするスタンプを複製し、この複製スタンプを他方のステーションにてスタンプ台に接触（コンタクト）させ、チオールに代表される有機分子をインクとして補充する。次いで一方のステーションに移動し、そこのステージに配置されている転写用試料表面に、インクを転写する他方のステーションにおいてスタンプ台に接触している複製スタンプを引き離す工程、また一方のステーションにおいて上記試料表面に接触している複製スタンプを引き離す工程は、強制的な操作で行うものとする。上下に配置されている場合でも、重力落下程度の作用力では、複製スタンプとスタンプ台又は上記試料とを離すことができないからである。

本発明のマイクロコンタクトプリント方法の実施に直接使用する装置としては、基台上に第１ステーションと第２ステーションとが並べて設けられていて、これらの間を移動体で連絡し、いずれか一方のステーション側にマスクパターン等の観察のための顕微鏡と、マスター用試料に対して露光を行う光源装置を配置するとともに、これら顕微鏡と光源装置の各位置を切り替えて当該一方のステーションに配置可能とすることにより、１台の装置で、スタンプマスターを製造する工程と、マスターから複製したスタンプにインクを保持させる工程と、複製スタンプから転写用試料にインクを転写する工程の全工程を実施することができるものとなる。第１ステーションと第２ステーションとの間には移動体を移動可能にする遷移機構が設けられている。第１ステーションと第２ステーションとは、前後又は左右のように、近接した配置を取ることができる。

本発明は以上の如く構成されかつ作用するものであるから、スタンプマスター製造と、マスターから複製したスタンプにインクを保持させ、スタンプから転写用試料にインクを転写する３工程でマイクロコンタクト方法を実施し、しかも全工程を１台の装置で行えるので、マイクロコンタクトプリント方法によるナノ構造の構築を容易に実施できるようになり、研究及び実験も容易化するという効果を奏する。

以下図面を参照して本発明をより詳細に説明する。図１は、本発明のマイクロコンタクトプリント方法を、工程を追って示した流れ図である。同図左列は第１ステーションで行われる作業工程、同図右列は第２ステーションで行われる作業行程を、主として扱っている。

図１、第１ステーションの最上段（左列）には、アライメント部の上に垂直移動部としてエアシリンダ装置による強制的な上昇、下降機能を具えたエアリフト機構を有し、その上のネジ送り機構方式によるアライメントギャップの調整のためのギャップレバーを介して、最上部に試料台又はプリント時の作業台となるステージが設けられていて、そのステージ表面に転写用試料を保持させた状態が示されている。この試料は、金箔膜を表面に有するプラスチックシートなどである。第２ステーション（右列）は、最上段に並べて示してあるように第１ステーションと並置されており、これはアライメント部を有してはいないが（アライメント部を有していても良い）、エアリフト機構を有し、その上部に、前記と同様のギャップレバー、スタンプ時の台となるステージが設けられていて、そのステージ表面に有機分子液から成るインクを配置した状態として示されている。第２ステーションでも顕微鏡観察ができ、かつスタンプ台をアライメントできる方式を採用することにより、スタンプでは、スタンプ台のいつも指定された場所からインクを補充することができるようになる。

第１ステーション最上部に示されたＵＶ光源装置は、スタンプのマスター盤を製造するためのものであり、双眼式の顕微鏡と位置を切り替えて、マスター用試料上に占位できるように設けられている。スタンプマスターの製造方法は、従来と同様であるので、図示してはいないが、課題を解決するための手段の項で触れたように、フォトリソグラフィ法によりマスター用試料上にスタンプマスターを作成するための製造工程について簡単に説明しておくと、適形のシリコンウエハを使用し、酸処理ドラフト等の手段による表面洗浄を行い、スピンコーターなどを用いて表面にレジストを塗布し、ソフトベークした後、前記した第１ステーションのステージ上に保持せしめ、アライメント部によるマスクアライナーの後、ＵＶ露光を行う。マスクアライナーとして使用するとき、移動体は第１ステーションに位置してパターン露光を行い、第２ステーションは使用しない。露光後、高温ベークにより後架橋ベークを行い、スピン現像ユニットによるスピン現像を挟んでハードベークを行い、さらにプラズマ処理ユニットなどによる変形、清浄処理の後、離型し、スタンプのマスターを得る。図２の（２）の段階である。

こうしてシリコンウエハ上に完成したレジストの立体構造を母型とし、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のような有機分子を用いて一種のゴムスタンプを複製する。ここで作成されたゴムスタンプを便宜上複製スタンプと呼んでいるが、この複製スタンプの構造は、母型を陽刻とすれば、陰刻の関係になり（図２の（４））、複製スタンプに保持されたインクが母型のマスクパターンを再現することとなる（図２の（５））。
図１第２ステーションの最上段に示すように、上記の如くして形成された複製スタンプ
が、移動体側に取り付けられる。これに対面する、スタンプ台ステージには例えば有機分子液より成るインクが配置されており、エアリフト機構で構成された垂直移動部を複製スタンプに向けて上昇させることによりインクの補充を行い（図１の右列の２段目）、次いで垂直移動部を強制的に下降させて剥離する（図１、右列、３段目）。用いられるインクは、例えばチオール、アミノシランなどの、スタンプにセルフアセンブル単分子膜（ＳＡＭ）を作る分子の溶液である。

このようにしてインクの補充を終えた複製スタンプは、移動体により第１ステーションへ運ばれ（図１、左列、３段目）、必要なアライメントの後（図１、中央列）、垂直移動部を上昇させて、プリント台ステージ上の転写用試料の金箔表面にインクを接触させる。なお、アライメントを行う場合には、アライメント時に上記試料とスタンプ間にギャップがあくようにギャップレバーを設置しておき、アライメント終了後にギャップレバーで金箔表面にインクをコンタクトさせるようにする。コンタクト状態から試料側のプリントステージを垂直移動部により下降させて複製スタンプと引き離し（図１、４段目、右列）、さらに原位置まで、下降させ、転写されたマスクパターンを持つ半導体デバイス等の製品を製造することができる（図１、左列、５段目）。

図３以下には、本発明に係るマイクロコンタクト方法の実施に直接使用する装置の例が示されている。これらの図において、１０は基台、１１は、そこに併設された第１ステーション、１２は第２ステーションを示しており、例示の場合、第１ステーション１１と第２ステーション１２とは前後の配置を取っている。

第１ステーション１１はＸ−Ｙステージ（図１の左列、最上段におけるアライメントステージと同様のもの）を有しており、それはＸ軸微粗動ダイヤル１３とＹ軸微粗動ダイヤル１４から成るマイクロメーター式の構造を有するＸ−Ｙツマミによって（図５参照）、粗動側で例えば１回転０.８ｍｍ、微動側で例えば１回転０.１ｍｍというレベルのアライメントを実施することができる。アライメント部の上にはＸ−Ｙ平面に垂直なＺ軸方向の移動を司る垂直移動部１５が設けてあり、試料台（プリント台）ステージ１６と、スタンプ台ステージ１７の上昇端を設定する。マスター用試料又は転写用試料とスタンプ又はインクホルダー（スタンプ台）とマスクとを取り付けた状態で前後のステージ１６、１７をＺ軸制御ツマミ１８により上昇させると、Ｚ軸リミット設定部を有する垂直移動部１５での設定高さと、上記試料とスタンプ又はインクホルダー（スタンプ台）とマスクのコンタクト高さの、どちらかが先に設定位置に達したときに上昇を停止するように、Ｚ軸リミット設定部を有している。同様の垂直移動部３０は、第２ステーション１２にも設けられている。また１９、２０はツマミであり、Ｘ・Ｙ平面のＺ軸周りにおける回転を調整する。

試料台（プリント台）ステージ１６と、スタンプ台ステージ１７は、球面部２１、２２を有しており、夫々のステーション１１、１２に設けられた球面座２８、２９にグリス膜を介在させて回動自在に軸承されている。この球面受座は図６に示したように、マスク又はスタンプと転写用試料又はインクホルダーとを接触させることにより、即座にかつ全面で均一な接触が得られるように構成されている。上記のような試料台ステージ１６の上にはマスクホルダーを兼ねる移動体２３と、その前後往復のための遷移機構２４が設けられている。図７はその要部を示しており、２５、２５は移動体ガイドレールであり（図４）、前後に突き当て式のストッパー２６、２７を有している。

基台上には、第１ステーション１１を作業場所とする露光工程のために、マスクパターン等の観察のための顕微鏡３１と、光源装置３２とが設けられている。顕微鏡３１と光源装置３２とは、それらが任意に第１ステーション１１を占位できるように、旋回構造とされ、旋回軸としてポール３３が基台１０の後方に立設されている。顕微鏡３１は、ポール３３を軸として旋回する折り曲げ式アーム３４の先端に設けられている双眼式のもので、照明３５とＣＣＤカメラ３６とを有している。光源装置３２はポール３３に取り付けられたランプハウス３７と、反射面３８を有する光路筒３９を持ち、下向きの対物レンズから第１ステーション１１の目的物に対して紫外光を照射することができる。ランプハウス３７には電極端子４０で示される位置に紫外線燈が整備されており、また光路には露光時間を制御するシャッター４１が設けられている。

なお、図４において、４２は試料又は試料台のＺ軸周りの回転操作のためのしーたθ調整ツマミ、４３は本発明装置の制御ボックス、４１はその操作パネルにおける第１ステーション側、４５は同じく第２ステーション側を示す。

本発明の装置によれば、第１ステーション１１では、マスター用試料又は転写用試料の試料面とスタンプ面の平行を、球面部と球面座により調整することができる。Ｚ軸方向は、実施形態の条件に１μｍの分解能で上下でき、かつまた、垂直移動部によりコンタクト圧力調整が可能になり、スタンプに合わせて上記試料のＸＹＺθ軸方向の各位置も１μｍの分解で調整することができる。他方、第２ステーション１２では、スタンプ台とスタンプ面との平行を、球面部と球面座とにより調整することができ、かつまた、垂直移動部によりコンタクト圧力調整が可能になる。Ｚ軸方向は、第１ステーション同様１μｍの分解能で上下できる。また第１ステーション１１、第２ステーション１２共にステージをコンタクトさせる方向及びコンタクトから引き離す方向に力を加えることができるため、工程を、スタンプ強制剥離により、確実に進行できることとなり、チオールインクのように強力な粘着性があり、従来の重力下降力では不可能であったものも、問題なく適用可能となる。

また、本発明によれば、第１ステーション１１、第２ステーション１２が併設され、かつ移動体が両ステーション間を往復するため紫外光線による加工処理工程と、それによって製造されたスタンプマスターを用いてインクをプリント（転写）する工程とを、同一の場所で実施することができ、作業性及び作業の精密性をレベルアップすることができる。特に、スタンプへ精密にチオールインクをスタンプしたのち、転写用試料にチオールインクを直ちに転写できる機構は従来存在せず、したがって本発明の装置により、チオールインクの転写までの時間を著しく短縮できることとなり、またＵＶ光源を搭載することにより、上記試料へチオールを転写する前に、試料表面を光加工しておくことができると言う利点を得ることができる。

本発明は、チオールインクを金箔表面にプリントするという用途以外の、より一般的な用途にも適用することができ、この場合、試料としては、例えば、シリコン、ガラス、或いは金属などが対象となり、インクは有機材料、無機材料その他からなるインク、さらにはレジスト液なども対象となる。また本発明は、ＤＮＡのパターニングにも利用できる可能性がある。即ち、ＤＮＡは、マイナスの電荷を持つことを利用して、本発明によりプラスの電荷を持つ膜をスタンプし、その表面にＤＮＡ溶液を塗布することにより、その膜の上にだけＤＮＡを吸着させ、パターニングに利用することができる。

本発明のマイクロコンタクトプリント方法の実施形態の１例を示す、作業工程の流れ図。 スタンプマスターから複製スタンプを製造する工程を示す手順の説明図。 本発明の方法の実施に直接使用するマイクロコンタクトプリント装置の１例を示す、側面図。 同上装置の一部を省略した正面図。 （a）同上装置の顕微鏡とステーションを示す平面図。（b）同じく光源装置とステーションとを示す平面図。 ステージをマスク又はスタンプに対して平行出しする機構の説明図。 （a）本発明の装置における遷移機構を例示した側面図。（b）同上のものの破断側面図。

１１ 第１ステーション
１２ 第２ステーション
１３、１４ 微粗動ダイヤル
１５、３０ 垂直移動部
１６ 試料台ステージ
１７ スタンプ台ステージ
２１、２２ 球面部
２３ 移動体
２４ 遷移機構
２５ ガイドレール
２８、２９ 球面座
３１ 顕微鏡
３２ 光源装置

Claims (2)

1. 並置された第１ステーション並びに第２ステーション、それらの間を移動する移動体及び第１ステーションに配置する光源装置を用いて、ナノ構造を構築するためのマイクロコンタクトプリント方法であって、
   第１ステーションにて光源装置を用いてスタンプのマスターを作製し、かつまた、マイクロコンタクトプリントを実行するものであり、
   スタンプのマスターを作製するときは、マスター用試料に必要な処理を行なった上で光源装置により所定のパターンを露光し、マイクロコンタクトプリントを実行するときには、移動体に、上記スタンプのマスターから複製したスタンプを配置し、第２ステーションにてスタンプをスタンプ台に接離させることによりインクを補充し、第１ステーションに配置された転写用試料に対してスタンプを接離させることにより、スタンプの持つパターンを試料に転写することを特徴とするマイクロコンタクトプリント方法。
2. ナノ構造を構築するための、マイクロコンタクトプリント装置であって、基台上に、第１ステーションと第２ステーションとを並設するとともに、第１ステーションと第２ステーションの間を移動可能な移動体を装備し、第１ステーション側に、少なくともマスクパターン又はスタンプのパターンの観察のための顕微鏡と、マスター用試料に対して露光を行う光源装置を配置するとともに、これら顕微鏡と光源装置の各位置を切り替えて第１ステーションに配置可能とし、第１ステーションは、マスター用試料及び転写用試料を保持する機能を持ち、試料表面に対して垂直方向へ移動可能な試料台ステージ及び試料台ステージを強制的に移動させるための垂直移動部と、試料台ステージ上の試料を移動体に配置したマスクに面接触させ、試料台の向きを規定する平行出しのための機構及び必要なアライメント部を具備し、第２ステーションは、インクを供給するために、スタンプを配置する移動体表面に対して垂直方向へ移動可能なスタンプ台ステージ及びスタンプ台ステージを強制的に移動させるための垂直移動部とを具備し、第１ステーションと第２ステーションとの間にて移動体を移動可能にする遷移機構を具備したことを特徴とするマイクロコンタクトプリント装置。

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