JP5114848B2 - インプリント用モールドの欠陥修正方法及びインプリント用モールドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インプリント法を用いたパターン形成方法に関する。

これまで、半導体デバイスの製造プロセスなど微細加工が要求されるパターンの形成には、転写パターンを形成したフォトマスクと呼ばれる原版を用い、レーザー光による縮小露光を行い、半導体基板上にパターンを転写するいわゆるフォトリソグラフィ法が使われている。

ところで、このフォトリソグラフィー法は、形成するパターンのサイズや形状が露光する光の波長に大きく依存する。例えば、昨今の先端半導体デバイスの製造においては、露光波長が１５０ｎｍ以上であるのに対し、最小線幅は６５ｎｍ以下となってきており、光の回折現象による解像限界に達している。レジストの解像度を増すために、近接効果補正（ＯＰＣ：Optical Proximity Correction）や位相シフトマスク、変形照明等の超解像技術を用いてはいるものの、マスクパターンを半導体基板上に忠実に転写することが困難となってきている。

更に縮小投影露光の場合には、基板の水平方向のみならず垂直方向にも位置合わせ精度が要求されるため、フォトマスク及び半導体基板の精密ステージ制御（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ）などが必要となるため、装置のコストが高くなるという欠点があった。

これらの光の回折現象によるパターンボケや複雑な機構を必要とする装置コストの問題は、半導体デバイスの製造のみならず、ディスプレイや記録メディア、バイオチップ、光デバイス、ホットエンボスなど様々なパターン形成においてもフォトリソグラフィ法を用いているため同様の課題を抱えている。

このような背景から、今日、インプリント法（もしくはナノインプリント法）と呼ばれる非常に簡易であるが大量生産にも向く、微細なパターンを忠実に転写可能な技術が提案されている。ここで、インプリント法とナノインプリント法に厳密な区別はないが、半導体デバイスや回折格子などの製造に用いられるようなナノメーターオーダーのものをナノインプリント法と呼び、その他のマイクロメーターオーダーのものをインプリント法と呼ぶことが多いが、ここでは、全てインプリント法と呼ぶことにする。

インプリント法は、最終的に転写すべきパターンのネガポジ反転像に対応するパターンが形成されたモールドと呼ばれる型を、レジストに型押しし、その状態で熱あるいは紫外線などによってレジストを硬化させることでパターン転写を行うものである。熱硬化によるものを熱インプリント法と呼び（例えば、非特許文献１及び非特許文献２を参照。）、紫外線硬化によるものを光インプリント法と呼んでいる。（例えば、特許文献１を参照。）

このインプリント法に用いるモールドの製造方法を、図３を用いて説明する。まず、熱インプリント用のＳｉモールドの場合、Ｓｉ基板上にレジストをコートし（図３（ｂ））、ＥＢリソグラフィもしくはフォトリソグラフィ技術によって、レジストパターンが形成される（図３（ｃ））。次にパターニングされたレジストをエッチングマスクとしてＳｉのドライエッチングが行なわれ、Ｓｉのパターン形成がなされる（図３（ｄ））。次いで、酸素プラズマアッシングや基板洗浄によりレジスト剥離を行い、Ｓｉモールドが完成する（図３（ｅ））。

一方、光インプリント用に石英を材料とした石英モールドの場合も、上記Ｓｉモールドと同様の製造方法でパターン形成できる。ただし、ドライエッチングにより加工する材料が石英となるため、エッチングガスやエッチング条件の変更が必要となる。ちなみに、モールド材料の加工に、ウェットエッチングではなく、ドライエッチングを用いる理由は、ナノレベルパターンの垂直加工が可能なためである。

一般的なドライエッチング装置にはＩＣＰ型、ＲＩＥ型、平行平板型等の様々な放電方式がある。いずれの場合も、真空チャンバー内に被エッチング基板（Ｓｉや石英などのモールド材料）を置き、そこへ反応性ガスを流し、高周波電源を印加することによって、真空チャンバー内にプラズマを発生させる。プラズマ中に存在する反応性ラジカルやイオンによって、被エッチング材料がドライエッチングされる。このとき、被エッチング材料（Ｓｉや石英などのモールド材料）とエッチングマスク材料（レジストやメタルなど）の組み合わせに合わせて、ドライエッチングの様々な条件を最適化することで、被エッチング材料の異方性エッチング（垂直エッチング）が可能となる。

特開２０００−１９４１４２号公報 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．６７、１９９５年、Ｐ３３１４ 「ナノインプリント技術徹底解説」、Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｊｏｕｒｎａｌ、２００４年１１月２２日、Ｐ２０−３８

しかしながら、ドライエッチングによりモールドパターンを加工する場合、パターンの加工面は完全に平滑な表面にはならず、少なからずナノレベルの微小欠陥（表面荒れ等）が生じる。その代表的な例を図４に示す。図４（ａ）〜（ｅ）は、ドライエッチングにより加工したＳｉモールドのパターン断面形状を模式的に表したものである。図４（ａ）はパターン加工部に欠陥のない理想的な形状であるが、実際にはナノレベルで欠陥を無くすことは困難である。

図４（ｂ）はパターン底面の荒れ、図４（ｃ）はパターン側壁ラフネス、図４（ｄ）はパターン底面のマイクロトレンチ、図４（ｅ）はパターン側面のストライエーション（縦筋）と呼ばれるものである。このような微小欠陥を有するモールドを用いてインプリントを行うと、微小欠陥をきっかけとしてモールドに亀裂が生じ、モールドが破壊してしまうことがある。例え、実験レベルで数〜数十回程度のインプリントではモールドが破壊しなくとも、量産レベルの数千〜数万回のインプリントになると、モールドが破壊してしまうことが多く、モールドの耐久性がインプリントにおける重要な課題となっている。

また、インプリントでは、モールドパターン形状が忠実に転写されてしまうため、このような微小欠陥もそのまま転写されてしまい、製品の欠陥に結びつく場合は問題となる。

本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、インプリント法におけるモールド破壊や転写パターン欠陥の原因になりうるモールドの微小欠陥を修正するモールドの修正方法、及び修正されたモールドを提供することである。

本発明に於いて上記課題を解決するために、ドライエッチングで形成された凹凸状パターンを有するインプリント用モールドの表面に生じた微小欠陥を修正する方法であって、該モールドの表面に対してレーザをラインビームとしてスキャン照射して、アニール処理することで、前記凹凸状パターン形状の変形を抑制しつつ、モールドの微小欠陥を修正することを特徴とするインプリント用モールドの欠陥修正方法としたものである。

また、本発明は、前記レーザがエキシマレーザ、Ａｒレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ _２ レーザから選択されることを特徴とする請求項１記載のインプリント用モールドの欠陥修正方法である。

また、本発明は、前記微小欠陥が、前記凹凸状パターン底面及び／又は側面のパターン形状欠陥であることを特徴とする請求項１または２に記載のインプリント用モールドの欠陥修正方法である。

また、請求項１〜３何れかに記載の微小欠陥修正方法により修正を行う工程を含むインプリント用モールドの製造方法であり、また、この製造方法で製造されたことを特徴とするインプリント用モールドを提供するものである。

本発明によれば、インプリント法において、モールド破壊や転写パターン欠陥の原因になるモールドの微小欠陥を低減できるため、モールドの長寿命化と欠陥の少ない良好な転写パターン形成が可能となる。また、モールドの長寿命化によるインプリント法の大幅なコストダウンと、高品質の転写パターンが期待出来る。

本発明のモールドの欠陥修正方法では、ドライエッチングによって凹凸形状パターンを形成した後、図１に示すような、レーザアニールによってモールドの微小欠陥を低減するというものである。尚、アニールはモールドの凹凸形状パターンが形成された表面のみを行う。図１は、シリコン基板１に凹凸形状のパターンエリア２を形成したＳｉモールドに対して、ラインビーム状のエキシマレーザを照射するレーザアニール処理の模式図である。

本発明では、アニール方法としてレーザアニールを採用したが、これは、他のオーブンや電気炉に投入する熱アニール、遠赤外線アニールなどと比較して低温プロセスであるため、ドライエッチングで形成した凹凸形状パターンを破壊せずに済むためである。
また、レーザアニールに用いる光源は、Ａｒレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、エキシマレーザなどが利用できる。

また、モールドの凹凸状パターン形成部材料は、ニッケル、クロム、鉄、アルミなどの金属またはそれら金属の化合物、シリコン、石英、ガラス、ダイヤモンド、ＳｉＣなどのシリコン化合物、セラミックなどが使用できる。特に脆性材料であるシリコンは、微小欠陥からモールドの破壊に発展し易いので、本発明の方法が特に有効である。

また、本発明のモールドは、熱可塑性樹脂にパターン転写する熱インプリント法、光硬化性樹脂にパターン転写する光インプリント法、熱や光を必要としないＨＳＱ（Hydrogen SilsesQuioxane）にパターン転写する室温インプリント法、ゲル状のガラス材料にパターン転写するゾルゲルインプリント法、金属やガラスへ直接パターン転写する直接インプリント法など、それぞれに適するモールド形成材料を網羅しているため、あらゆるインプリント法に適用出来る。
以下に本発明にかかる実施例を示す。

本発明においては、インプリント法の種類は限定されないが、本実施例では、熱インプリント用のＳｉモールドを製造し、熱インプリントを実施した。まず従来の製造方法でモールドを製造する。モールドの元となる基板として、４インチシリコンウェハを用意した（図３（ａ））。この基板に電子線レジスト（ＺＥＰ５２０／日本ゼオン社製）を５００ｎｍ厚コートし（図３（ｂ））、電子線描画装置にて１００〜１００００ｎｍのラインパターン描画し、次いで有機現像によりレジストパターンを形成した（図３（ｃ））。このときの条件は、描画時のドーズを１００μＣ／ｃｍ２、現像時間を２分とした。

次いで、ＩＣＰドライエッチング装置を用いたＳｉドライエッチングによって、深さ２００ｎｍのＳｉパターンを形成した（図３（ｄ））。Ｓｉエッチングの条件は、Ｃ４Ｆ８流量３０ｓｃｃｍ、Ｏ２流量３０ｓｃｃｍ、Ａｒ流量５０ｓｃｃｍ、圧力２Ｐａ、ＩＣＰパワー５００Ｗ、ＲＩＥパワー１３０Ｗとした。最後にＯ２プラズマアッシング（条件：Ｏ２流量５００ｓｃｃｍ、圧力３０Ｐａ、ＲＦパワー１０００Ｗ）によってレジストを剥離した（図３（ｅ））。

このようにして作製したＳｉモールドの断面形状を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ／日立ハイテクノロジーズ社製）にて観察したところ、図４（ｂ）に示すようにエッチングパターンの底面に荒れが生じていた。また、底面の荒れを定量評価するために原子間力顕微鏡（ＡＦＭ／日本ビーコ社製）を用いて測定し、底面のラフネスの程度を＝表面粗さ（算術平均粗さ／ＪＩＳ規格Ｂ ０６０１−２００１）：Ｒａとして表わすと、Ｒａ値が３．４３ｎｍであった。

次に、本発明の修正方法を実施した。上記のＳｉモールドをエキシマレーザアニール装置（エキシマレーザ波長３０８ｎｍ／装置ＬＡ５０６０Ｊ／日本製鋼所社製）を用いて、幅０．４ｍｍ、長さ１００ｍｍの均一なラインビームをスキャン照射することで、モールド表面のアニールを行った。このとき照射エネルギー密度を３００ｎＪ／ｃｍ２とした。

このようにしてレーザアニール処理を行ったＳｉモールドを再度、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したところ、パターン自体の形状の変形が無く、エッチングパターンの底面の荒れもほとんど見られなくなった。さらに、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、底面の表面粗さＲａを測定したところ、Ｒａ値が０．６３ｎｍとなり、レーザアニール処理する前と比較して、底面の荒れが大幅に低減していた。すなわち、図４（ａ）に示す理想形に近づいた。

次に、実施例１のＳｉモールド作製条件のＳｉドライエッチング条件のみを変更して、Ｓｉモールドを作製した。このときのＳｉエッチングの条件は、ＳＦ６流量２０ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８流量１０ｓｃｃｍ、Ｏ２流量１０ｓｃｃｍ、Ａｒ流量８０ｓｃｃｍ、圧力２Ｐａ、ＩＣＰパワー５００Ｗ、ＲＩＥパワー３０Ｗとした。

このようにして作製したＳｉモールドを、実施例１と同様にレーザアニール処理（条件は実施例１と同じ）した。レーザアニール処理する前後で、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による断面形状観察と原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のＣＤ測長モードで側壁のラフネスの程度（Ｒａ）を測定したところ、レーザアニール処理前の側壁ラフネスはＲａ値で２．７６ｎｍであったのに対し、レーザアニール処理後のＲａ値は０．４１ｎｍとなり、側壁ラフネスの低減が確認された。このときパターン形状自体の変形は発生していなかった。

次に、上記実施例１及び２の方法にて作製したＳｉモールドで、レーザアニール処理を施した場合と施さなかった場合の両方の場合について、熱インプリントを繰り返し実施し、Ｓｉモールドの耐久性（何回目でモールドのパターン破壊やモールド基板の亀裂が生じるか）を調べた。

インプリント前にＳｉモールドのパターン面には、離型剤としてフッ素系表面処理剤ＥＧＣ−１７２０（住友３Ｍ社製）を浸漬処理した。インプリントの対象となる基板として、４インチシリコン基板を使用し、シリコン基板上に熱可塑性樹脂ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を３５０ｎｍ厚でコートした（図２（ｂ））。そこへ、上記Ｓｉモールドを熱インプリントし（図２（ｃ））、その後モールドを離型した（図２（ｄ））。このときの熱インプリント条件は、基板及びモールド温度１１０℃、プレス圧力１５ＭＰａ、保持時間１分とした。

同一のモールドについて、上記の熱インプリントを１００回繰り返し、１回ごとに光学顕微鏡にてパターン部の観察を行い、モールドパターンの破壊やモールド基板の亀裂の有無をチェックすることでモールドの耐久性を調べた。その結果、レーザアニール処理を施さなかった場合は、熱インプリントを繰り返すと２０回以下でモールドパターンの破壊やモールド基板自体の亀裂が発生したが、上記実施例１及び２の方法にて作製したＳｉモールドは、レーザアニール処理を施したため、熱インプリントを１００回繰り返しても、モールドパターン破壊やモールド自体の亀裂は発生しなかった。この状況を表１に示す。

次に、上記実施例１及び２の方法にて作製したＳｉモールドで、レーザアニール処理を施したモールドと施さなかったモールド、及びこれらのモールドによる熱インプリント転写ウェハについて、パターン付きウェハ欠陥検査装置（ＷＩＮ−ＷＩＮ ５０／東京精密社製）を用いて、欠陥検査を行った。このときの熱インプリント条件は実施例３と同じである。検査方式は、パターンの実画像とパターンのＣＡＤデータとを比較するＤｉｅ ｔｏ Ｄａｔａｂａｓｅ方式で行った。その結果を表２に示す。レーザアニール処理を実施したモールドは、レーザアニール処理を実施しなかったモールドに比べて、検出欠陥数が半分以下に低減していた。さらに、レーザアニール処理を実施したモールドの転写ウェハは、レーザアニール処理を実施していないモールドの転写ウェハに比べて、こちらも検出欠陥数が半分以下に低減していた。このことから、レーザアニール処理はモールドの欠陥数を低減し、さらには、転写ウェハに熱インプリントした場合の欠陥数も大幅に低減可能であることが分かった。

本発明は、半導体デバイスの製造のみならず、ディスプレイや記録メディア、バイオチップ、光デバイス、ホットエンボスなど様々なパターン形成に用いるインプリント用モールドに利用可能である。

熱インプリント用のＳｉモールドのレーザアニール処理の模式図である。 実施例３における熱インプリントの工程を示す行程断面図である。 熱インプリント用のＳｉモールドの製造行程を示す断面図である。 パターン加工（ドライエッチング）後のＳｉモールドの微細欠陥を示す断面図である。

符号の説明

１・・・シリコン基板
２・・・パターンエリア
３・・・レジスト
１０・・・Ｓｉモールド
２０・・・ラインビーム状のエキシマレーザ
２１・・・ラインビームのスキャン方向
２２・・・ラインビームの照射方向
１００・・・Ｓｉモールド
２００・・・基板
２１０・・・レジスト

Claims (4)

1. ドライエッチングで形成された凹凸状パターンを有するインプリント用モールドの表面に生じた微小欠陥を修正する方法であって、該モールドの表面に対してレーザをラインビームとしてスキャン照射して、アニール処理することで、前記凹凸状パターン形状の変形を抑制しつつ、モールドの微小欠陥を修正することを特徴とするインプリント用モールドの欠陥修正方法。
2. 前記レーザがエキシマレーザ、Ａｒレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２ レーザから選択されることを特徴とする請求項１記載のインプリント用モールドの欠陥修正方法。
3. 前記微小欠陥が、前記凹凸状パターン底面及び／又は側面のパターン形状欠陥であることを特徴とする請求項１または２に記載のインプリント用モールドの欠陥修正方法。
4. 請求項１〜３何れかに記載の微小欠陥修正方法により修正を行う工程を含むインプリント用モールドの製造方法。