JP4951981B2 - インプリント用モールド及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インプリント法にてパターン形成するためのインプリント用モールド及びその製造方法に関する。

近年、ＬＳＩ等の微細化が急速に進み、これらの微細な回路パターンを形成するためのリソグラフィー技術の開発が進められている。
特に、線幅６５ｎｍ以下のパターン形成においては、従来のＡｒＦエキシマレーザーを露光光源として用いた露光方式では解像限界に達し、パターン形成が困難となる。
このため、露光光源をエキシマレーザーから荷電粒子線にかえてパターン形成を行なう電子線リソグラフィー（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ：以下ＥＢリソグラフィーと記述）法や、従来のエキシマレーザーを用いたリソグラフィー法でも、レンズと露光対象ウェハ間を空気よりも屈折率の高い媒体で満たし、実効的な解像度を向上させる液浸リソグラフィー法が検討されている。

しかし、ＥＢリソグラフィー法に必要となる電子線の整形には、従来の光リソグラフィーで用いられているような石英マスクを用いることは出来ず、例えば単結晶Ｓｉ基板上にＳｉＯ₂層、さらにその上に単結晶Ｓｉ層が形成されているＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハを加工して作製した単層自立膜（以下メンブレン）を加工した、いわゆるステンシルマスクを用いることが必要となる。

このため、ドーナツ形状のパターンは単体のステンシルマスクでは形成することが不可能であるため、ドーナツ形状を複数のパターンに区切った複数枚のマスクを用いて、数回に分けて露光を行なう、いわゆる相補分割露光が必要となる。このため、露光回数が増大するだけでなく、所望のパターン形成に必要となるＥＢマスク数も増大するため、製造コストの増大及びスループットの低下が大きな問題となる。

一方、液浸リソグラフィー法では、レンズと露光対象ウェハ間に高屈折率の媒体を充填するためのユニットを増設することで、既存の露光装置を転用することが可能であり、装置導入コストはＥＢリソグラフィーに比べ安価に抑えることが可能である。
また、レンズとウェハ間に充填する媒体によっては、今後さらなる高解像度を実現できる可能性もあるが、現段階では液浸リソグラフィーを適用した場合でも３２ｎｍ以下のパターンについては形成可能であるか不明である。

３２ｎｍ以下のパターン形成においては、極端紫外線（Extreme Ultra Violet：以下ＥＵＶと記述）を露光光源に適用したＥＵＶリソグラフィーへの切り替えが必要となる可能性が高い。
しかし、ＥＵＶリソグラフィーでは露光光源となる極端紫外線の減衰率が非常に大きいため、パターンの縮小には、従来の光リソグラフィーのような縮小レンズを用いることが出来ず、湾曲ミラーを用いた多重反射方式によりリソグラフィーパターンを縮小する。
このため、露光装置が複雑な機構となり、装置導入コストが増大するという問題がある。

さらに、これらのリソグラフィー共通の問題点として、露光データの肥大化によるスループットの低下が挙げられる。
パターンのさらなる微細化は、単純に露光時間の増加だけでなく近接するパターン同士の距離も狭まることを意味する。このため、隣接するパターンの露光光の影響が大きくなり、転写パターンの形状悪化を引き起こす原因と成りやすい。
また、逆にパターン端部では、パターン中心部に比べ露光量が不足しやすく、パターンの矩形性を保つことが困難である。このため、パターン微細化によるこれらの解像度劣化を保証するための補助パターンや、近接パターンの露光光の影響を低減するための、いわゆる近接効果補正パターンが必要となる。このため、パターンの微細化により、パターンデータ自体の増加と共にこれらの補正用パターンデータも増大し、データ処理の時間及びパターン描画時間が膨大なものとなる。

上記問題点に鑑み、微細パターン形成を低コスト、高スループットで行なうための技術としてナノインプリント技術が提唱され（例えば、特許文献１参照）、当技術に対する研究開発が進められている。

ナノインプリント法が従来のリソグラフィー法と大きく異なる点は、レジストパターン形成に露光光源を用いずにモールド圧着による物理的な成形により樹脂のパターニングを行なう点である。

以下、図３（ａ）〜（ｄ）に示すナノインプリント工程図に基づいてナノインプリント法による樹脂パターン形成工程について説明する。
ナノインプリント法では、まず、所望の凹凸パターンが形成されたモールドと呼ばれるインプリント用モールド２０１を対象基板２１１上に塗布された樹脂被膜２２１へ圧着させ、圧着した状態で樹脂を硬化させる（図３（ａ）〜（ｂ）参照）。

樹脂の硬化方法は、大きく２つの方式に分けることができる。
一つは、ＵＶ照射等の露光により樹脂を硬化させる光インプリント方式、もう一つは加熱により樹脂を硬化させる熱インプリント方式である。

光インプリント方式では、樹脂被膜２２１として一般にネガ型レジストと呼ばれる光硬化性樹脂を用い、モールドにより樹脂をパターニングした後にモールド裏面より、ＵＶ照射等により樹脂を硬化させる。
このため、モールドを構成する材料には石英等の光透過性を有する材料を用いることが必要となる。

一方、熱インプリント方式では、熱硬化性樹脂を用い、モールドにより樹脂をパターニングした状態で、加熱により樹脂を硬化させるが、熱硬化性樹脂は光効果性樹脂に比べ粘度が高いため、モールドの樹脂への押し込み圧力が、光インプリント方式に比べ高く、モールド材料には光インプリントに比べて高い耐磨耗性や硬度が求められる。
この熱インプリント方式用のモールド材料としては、Ｎｉ、Ｔａ、Ｔｉ、ＳｉＣ等の高硬度材料が検討されている。

次に、インプリント用モールド２０１を樹脂皮膜より離型し、対象基板２１１上にモールドパターン２２１ａ及び残存樹脂皮膜２２１ｂが形成される（図３（ｃ）参照）。
硬化した樹脂よりモールドを離型した際、離型したモールド側への樹脂の固着を防止し、樹脂とモールドの離型性を向上させるため、予めモールド表面に離型剤をコーティングする場合が多く、モールドを構成する材料に応じた適切な離型剤を用いることが必要となる。

モールド押し込みにより成型したモールドパターン２２１ａ以外に樹脂皮膜が全く残存していないことが理想であるが、実際にはモールド凸部で樹脂を押し分けた箇所にもわずかに樹脂膜２２１ｂが残存していることが多く、酸素プラズマ処理にてアッシング処理を軽度に施すことでモールドパターン２２１ａ低部に残存する樹脂膜２２１ｂの除去を行ない、対象基板２１１上に所望のモールドパターン２２１ｃを形成することができる（図３
（ｄ）参照）。

インプリント法では、一旦所望の微細パターンを有するモールドを作製することが出来れば、このモールドを用いて、直接樹脂上にパターン形成を行なうことが可能となる。
このため、従来の光露光で必要であった近接効果補正パターン等の補助パターンが不要となり、パターンデータ量の増加を抑制することが可能となり、インプリント方式を用いて半導体回路パターンの形成を行なうことで、スループットの大幅な低減が可能となる。
また、装置本体も露光光が不要となるため、複雑な光学系が不要となり装置コストの低減も可能となる。

半導体回路パターンのようなナノオーダーの寸法精度が必要となるパターン形成にインプリント法を適用するためには、パターン自体にナノオーダーの寸法精度が必要であることから、当然モールド自体の加工精度及び転写時のパターン位置制御についてもナノオーダーでの制御が必要となる。
このため、樹脂の硬化を加熱により行なう熱インプリント方式では、樹脂及びモールドの熱膨張により転写パターンに位置ずれが発生することから、ナノオーダーレベルの精密な転写位置精度が必要である場合には、光インプリント方式を用いることが必要となる。

光インプリント法では、モールド裏面よりＵＶ光等を用いて照射し、樹脂の硬化を行うため、モールド材料自体に光透過性が必要となり、モールド材料としては、石英が多く用いられている。石英の微細加工は、フォトマスクや半導体回路素子の形成技術である反応性イオンエッチング技術を転用することが可能である。

しかし、反応性イオンエッチングでは、エッチングガスの種類やプラズマ発生のための印加電圧、エッチングマスクとして使用するレジスト或いは金属薄膜の種類と膜厚の最適化等、エッチング特性に影響を及ぼす各々のパラメーターを適切に設定することが必要となる。
エッチング条件及び試料構成の最適化が不十分であると、試料面内で石英の加工量にバラツキが発生したり、モールド形状の垂直性が損なわれたり、エッチング面に残差が発生する結果となる等、様々な加工不良が発生するため、エッチング条件の精密な制御が必要となる。

加えて、このエッチング条件は、加工する試料自体の大きさやモールドパターンの粗密差によって適宜最適化を行なう必要があるため、作製するモールドごとにエッチング条件の最適化が必要となる。
特に、次世代リソグラフィーのターゲットとなる寸法６５ｎｍ以下パターンサイズでは、マイクロローディング効果の影響が顕著になり、寸法及び加工深さを均一に制御することは非常に難しい。
各エッチングパラメーターは複合的にエッチング結果に影響を及ぼすため、エッチング条件の最適化は特定のパラメーターのみ変更するのではなく、各パラメーターを総合的に調整することが必要となり、最適なモールド形状を得るために必要となるエッチング条件の最適化作業は膨大なものとなる。

特にインプリント法では、モールドパターンを押しつけて直接樹脂に転写するため、従来の縮小機構のない等倍リソグラフィー技術である。
このため、例えば縮小投影露光法のフォトマスクでは、目的のパターンが線幅４５ｎｍのパターンであれば、そのパターンの４倍体となる１８０ｎｍのパターンをフォトマスク上に形成し、縮小レンズで１／４に縮小投影することで、４５ｎｍのパターンを得ることが可能であるが、インプリント法では、線幅４５ｎｍのパターンを形成するためには、モールドに形成するパターンも４５ｎｍで形成することが必要となる。

このため、石英のドライエッチング条件のさらなる厳密性が求められるだけでなく、ドライエッチング装置自体の性能向上も必要となるため、より高価なものを用いなければならなくなり、モールド作製のスループット及びコストの著しい増大が不可避となる。
米国特許５２５８９２６号公報

本発明は上記問題点に鑑み考案されたもので、インプリント用モールドを高精度、かつ安価に製造することができるインプリント用モールドの製造方法及びインプリント用モールドを提供することを目的とする。

本発明に於いて上記課題を解決するために、請求項１においては、光インプリント用モールドであって、透明基板上に、モールドパターンが遮光材料で形成され、かつ、前記遮光材料がニッケルであり、
少なくとも以下の（ａ）〜（ｅ）の工程により製造されることを特徴とするインプリント用モールドとしたものである。
（ａ）透明基板上に開口部を有するレジストパターンを形成する工程。
（ｂ）開口部及びレジストパターン上にニッケルシード層を形成する工程。
（ｃ）ニッケルシード層をめっき電極にして電解ニッケルめっきを行い、開口部及びレジストパターンを覆うように所定厚のニッケル層を形成する工程。
（ｄ）レジストパターン上のニッケル層とレジストパターン上にないニッケル層の上部との両者を選択的に除去し、レジストパターンの上部を露出する工程。
（ｅ）レジストパターンを除去する工程。

本発明のインプリント用モールドは、モールドパターンが遮光材料であるＮｉで形成されているため、ＵＶ照射等の露光により樹脂を硬化させる光インプリント方式でインプリントする際、モールドパターンが露光光を遮光するため、その後のレジスト残膜を容易に除去することができる。
また、本発明のインプリント用モールドの製造方法によると、複雑なエッチング条件の最適化をしなくても、半導体回路パターン形成用の微細パターンを有した光インプリント用モールドを簡便かつ高スループットで製造することが可能となる。
特に、石英モールドで形成が難しいとされる４５ｎｍレベルのホールパターンを形成するための孤立ドットパターン、いわゆるピラーパターンにおいて、垂直性の高いモールドパターンを形成することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態につき説明する。
図１は、本発明のインプリント用モールドの一実施例を示す模式構成断面図である。
本発明のインプリント用モールド１００は、モールドパターン４１ａが遮光材料であるＮｉで形成されているため、インプリント用モールド１００を用いて光インプリント方式でインプリントする際、型押し後にＵＶ照射等の露光により樹脂を硬化させる時、モールドパターンが露光光を遮光するため、インプリント用モールド１００を離型した後のレジスト残膜を容易に除去することができる。

本発明のインプリント用モールドの製造方法について説明する。
図２（ａ）〜（ｆ）は、本発明のインプリント用モールドの製造方法の一実施例を工程順に示す模式構成断面図である。
まず、石英基板等からなる透明基板１１上にレジスト溶液をスピンコート等により塗布し、透明基板１１上にレジスト層２１を形成し（図２（ａ）参照）、パターン露光、現像等の一連のパターニング処理を行って、開口部２２を有するレジストパターン２１ａを形成する（図２（ｂ）参照）。
レジスト層形成に用いられるレジスト溶液は電子線レジストが好ましい。

次に、開口部２２内及びレジストパターン２１ａ上に蒸着、スパッタ法等によりＮｉシード層３１を形成する（図２（ｃ）参照）。
このＮｉシード層３１は、このあと電解Ｎｉめっきを行うためのめっき下地導電層の役目をする。
Ｎｉシード層３１の抵抗率は、特に成長初期において膜厚依存性が大きいため、電解メッキ時の膜厚分布への影響を考慮すると可能な限り厚めに形成することが望ましいが、膜厚を厚くしすぎるとスパッタ時にパターンが埋まり、パターン内に空孔が発生することもあるので、実際には形成するメッキパターンのサイズやアスペクト比、スパッタ時の試料の位置、成膜時の圧力等から最適な膜厚を決定することが必要である。

また、Ｎｉシード層３１は成膜条件により、Ｎｉ膜に応力が発生するため留意することが必要である。成膜条件によっては、Ｎｉ膜の応力が強い圧縮応力となる場合があり、圧縮応力の影響によってレジストパターン、特に微細パターンにおいて、皺が発生する可能性があるため、注意することが必要である。

また、スパッタ法により高アスペクト比のレジストパターン上へシード層３１を形成する場合、斜影効果の影響が大きくなり、レジストパターン底部へＮｉ原子が到達しにくくなるので、試料位置はターゲットに対して、真正面となるように配置することが望ましい。

次に、Ｎｉシード層３１をめっき電極にして電解Ｎｉめっきを行い、開口部２２内及びレジストパターン２１上にＮｉ層４１を形成する（図２（ｄ）参照）。

次に、Ｎｉ層４１をプラズマエッチング等によりレジストパターン２１ａの上部が露出するまでエッチングし、開口部２２内にＮｉからなるモールドパターン３１ａを形成する（図２（ｅ）参照）。
ここで、Ｎｉ層４１のエッチングはイオン衝撃による物理的にエッチング、揮発性の高いカルボニル系化合物を形成し、エッチングを進行させる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法、電解研磨もしくは化学的機械研磨（Chemical Mechanical Polishing）等を用いることができる。
反応性イオンエッチング法では、Ａｒイオン等で物理的にエッチングを進行させるイオンエッチング法に比べ、高いエッチングレートが得られることが期待できるが、エッチング面積やエッチングパターン密度によってエッチングレートの面内均一性やエッチングレート自体の極端な低下を招くことがあるので注意が必要である。

次に、プラズマアッシングもしくは専用の剥離液で剥離処理することにより、レジストパターン２１ａを除去し、透明基板１１の所定位置にＮｉからなるモールドパターン４１ａが形成されたインプリント用モールド１００を得る（図２（ｆ）参照）。

本発明のインプリント用モールドは、モールドパターンが遮光材料であるＮｉで形成されているため、ＵＶ照射等の露光により樹脂を硬化させる光インプリント方式でインプリントする際、モールドパターンが露光光を遮光するため、その後のレジスト残膜を容易に除去することができる。
また、本発明のインプリント用モールドの製造方法によると、複雑なエッチング条件の最化をしなくても、半導体回路パターン形成用の微細パターンを有した光インプリント用モールドを簡便かつ高スループットで製造することが可能となる。
特に、石英モールドで形成が難しいとされる４５ｎｍレベルのピラーパターンにおいて、垂直性の高いモールドパターンを形成することが可能となる。

まず、対角長さが６インチ、厚さが０．２５インチの石英基板からなる透明基板１１上に、ポジ型の電子線レジスト（ＺＥＰ５２０：日本ゼオン製）をスピンコート法によりコートして約３０００Å厚のレジスト層２１を形成し（図２（ａ）参照）、加速電圧５０ＫｅＶの電子線描画装置を用いて電子線描画を行った後に、有機現像処理にて開口部２２を有するレジストパターン２１ａを形成した（図２（ｂ）参照）。
描画時のドーズ量は１００μＣとし、現像にはパドル式の現像装置を用いて現像時間を９０秒とした。また、現像後の純水リンスについてもパドル式で行ない、リンス時間は９０秒とした。

次に、レジストパターン２１ａ及び開口部２２内にＤＣマグネトロンスパッタ法にて２００Å厚のＮｉシード層３１を形成した（図２（ｃ）参照）。
ここで、スパッタ条件としては、アルゴンをスパッタガスとして成膜圧力を０．５Ｐａとし、成膜時間を１分とした。
スパッタ法によるＮｉシード層形成時の注意点としては、成膜圧力を低圧にしすぎると、アルゴンガスによってターゲットからはじき出されたＮｉ原子がレジストに到達する前にＡｒ原子との衝突によるエネルギー損失が十分になされなくなるため、高エネルギーを保持したままＮｉ原子がレジストへ衝突することになり、レジストの変形を引き起こす可能性があるので成膜圧力を適正に設定することが必要である。
また、これと同時にＮｉの応力についても留意することが必要であり、成膜圧力の設定値によっては、Ｎｉ膜の応力が強い圧縮応力となる場合があり、圧縮応力の影響によってレジストパターン、特に微細パターンにおいて、皺が発生する可能性があるため、注意することが必要である。

次に、Ｎｉシード層３１をめっき電極にして電解Ｎｉめっきを行い、開口部２２内及びレジストパターン２１上にＮｉ層４１を形成した（図２（ｄ）参照）。
ここで、電解Ｎｉめっきに用いためっき液の組成は、硫酸ニッケル・六水和物１２５ｇ／Ｌ、塩化ニッケル１５ｇ／Ｌ、ホウ酸１５ｇ／Ｌの所謂ワット浴で建浴し、液のｐＨ値は４．６であった。
また、めっき処理中は循環ポンプによりメッキ液を循環させ、めっき試料から２ｃｍの距離を試料と平衡に攪拌棒を揺動させた状態でめっき処理を行なった。
めっき時の電流密度は１．０Ａ／ｄｍとした。今回のメッキ処理では直流電源を用い、一般にいわれるところのレベリング剤等は用いていないが、Ｎｉめっき層成長速度のパターン依存性を抑制するため、めっき用電源を交流とする方法や、電荷が集中するレジストパターン端部へのＮｉ層の選択成長を抑制するために光沢剤やレベリング剤を用いる方法はレジストパターンの開口部内へ均一なＮｉ層をめっき成長させるための有効な手段であると考えられる。

次に、アルゴンイオンを用いたイオンエッチング法によりＮｉ層４１をレジストパターン２１ａ面までエッチングした（図２（ｄ）参照）。
ここで、アルゴンイオンを用いたイオンエッチングでは、誘導結合型プラズマを用い、その際のプラズマ放電出力は５００Ｗとした。
また、基板側に印加する引き込みバイアスは４００Ｗとし、エッチング時の圧力は１．３
Ｐａとした。

次に、酸素プラズマを用いたアッシング処理にて露出したレジストパターン２１ａを除去して、透明基板１１の所定位置にＮｉからなるモールドパターン４１ａが形成されたインプリント用モールド１００を得た（図２（ｅ）参照）。
ここで、アッシング処理はバレル式のアッシャーを用い、酸素流量を５００ｓｃｃｍ、チャンバー内圧力を３０Ｐａに固定し、放電時のＲＦパワーは５００Ｗとして行なった。

以上の工程により作製したインプリント用モールド１００を用いて、実際にインプリント法によりモールドパターンを形成したところ、線幅６５ｎｍ以下の微細パターンにおいても十分な垂直性を有するパターンが形成可能であることが確認された。

本発明のインプリント用モールドの一実施例を示す部分模式構成断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明のインプリント用モールドの製造方法の一実施例を工程順に示す部分模式構成断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、インプリント用モールドを用いた光インプリント法にてモールドパターンを形成する方法を示す説明図である。

符号の説明

１１……透明基板
２１……レジスト層
２１ａ……レジストパターン
２２……開口部
３１……Ｎｉシード層
４１……Ｎｉ層
４１ａ……モールドパターン
１００、２０１……インプリント用モールド
２１１……対象基板
２２１……樹脂皮膜
２２１ａ、２２１ｃ……モールドパターン
２２１ｂ……残存樹脂皮膜

Claims (1)

1. 光インプリント用モールドであって、透明基板上に、モールドパターンが遮光材料で形成され、かつ、前記遮光材料がニッケルであり、
   少なくとも以下の（ａ）〜（ｅ）の工程により製造されることを特徴とするインプリント用モールド。
   （ａ）透明基板上に開口部を有するレジストパターンを形成する工程。
   （ｂ）開口部及びレジストパターン上にニッケルシード層を形成する工程。
   （ｃ）ニッケルシード層をめっき電極にして電解ニッケルめっきを行い、開口部及びレジストパターンを覆うように所定厚のニッケル層を形成する工程。
   （ｄ）レジストパターン上のニッケル層とレジストパターン上にないニッケル層の上部との両者を選択的に除去し、レジストパターンの上部を露出する工程。
   （ｅ）レジストパターンを除去する工程。

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