JP5205769B2 - インプリントモールド、インプリントモールド製造方法及び光インプリント法 - Google Patents

Description

本発明は、インプリントモールド、インプリントモールド製造方法及び該インプリントモールドを用いた光インプリント法に関するものである。

近年、半導体デバイス、ディスプレイ、記録メディア、バイオチップ、光デバイスなどの製造工程における微細パターンの形成工程について、インプリント法を用いることが提案されている（非特許文献１、非特許文献２参照）。
インプリント法において、ナノメーターレベルのものを特にナノインプリント法と呼ぶが、以降、単にインプリント法と称するときはナノインプリント法も含むものとする。

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インプリントモールド（テンプレートという場合もある）と呼ばれる金型を、樹脂に型押しし、その状態で樹脂を硬化させることにより、パターン転写を行うものである。このとき、露光光を照射することにより光硬化性樹脂を硬化させる光インプリント法が知られている（特許文献１参照）。

インプリント法において、インプリントモールドと基板上に生成した樹脂パターンとの剥離性は極めて重要である。一般的に、樹脂の硬化は樹脂収縮を引き起こし、インプリントモールドと樹脂パターンとの間に応力を発生させる。このため、樹脂を硬化させた後（図１（ａ））、インプリントモールドと樹脂パターンを引き離す工程において、インプリントモールド側に樹脂が移動すること（図１（ｂ））、パターンの一部分がインプリントモールド側に残留すること（図１（ｃ））などが起こり、樹脂パターンに欠陥が発生することが知られている。

このとき、剥離における樹脂パターンの欠陥は、剥離時に応力が集中する樹脂パターンの凸パターン部と凹パターン部の境界であるコーナー部で頻度よく発生することが報告されている（図１（ｄ））（非特許文献３参照）。

また、剥離性を向上させる方法として、表面エネルギーの小さいフッ素ポリマーを剥離剤としてインプリントモールド表面に塗布する方法が提案されている（特許文献２参照）。

一方、フォトリソグラフィの分野において、コヒーレントな露光光と、光路差が制御されたフォトマスクを用いることで露光強度を制御する露光方法が提案されている（特許文献３参照）。
特開２０００−１９４１４２号公報 特開２００２−２８３３５４号公報 特開平４−３５９２５４号公報 Ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．６７， ｐ３３１４（１９９５） ナノインプリント技術徹底回折 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｊｏｕｒｎａｌ ２００４年１１月２２日発行、ｐ２０−３８ Ｙ．Ｈｉｒａｉ， ｅｔ ａｌ． Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｂ２１（６）， ２００３

しかしながら、剥離剤を表面に塗布したとしても、剥離剤は繰り返しインプリント法を行うと、剥離剤がインプリントモールド表面から徐々に剥がれ、インプリントモールドと樹脂との剥離性が低下してしまう。

そこで、本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、インプリントモールドと樹脂パターンの剥離性に優れ、繰り返しインプリント法を行っても剥離性が低下することのない光インプリント法を行うことが出来るインプリントモールドを提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、基板の一方の面に第一の凹凸パターンが形成され、基板の他方の面に前記第一の凹凸パターンと対応する位置に、第二の凹凸パターンが形成され、前記第一の凹凸パターンの凹部パターンと、第二の凹凸パターンの凹部パターンの間に存在する基板の距離が、光インプリント法に用いるコヒーレントな露光光の半波長または半波長の奇数倍に相当する光路長と等しいことを特徴とするインプリントモールドである。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のインプリントモールドであって、パターン形成面に接する凹凸パターン側に到達する露光光強度を制御することを特徴とするインプリントモールドである。

請求項３に記載の本発明は、請求項１または２に記載のインプリントモールドの製造方法において、基板に第一の凹凸パターンを形成する工程と、前記第一の凹凸パターンに保護層を充填する工程と、前記第一の凹凸パターンが形成された基板表面と反対側の基板表面に、前記第一の凹凸パターンと相対するように、第二の凹凸パターンを形成する工程と、前記保護層を剥離する工程とを備えたことを特徴とするインプリントモールド製造方法である。

請求項４に記載の本発明は、露光光により樹脂を硬化させる光インプリント法において、露光光がコヒーレントな光であり、請求項１または２に記載のインプリントモールドを用意する工程と、転写基板に光硬化性樹脂を塗布する工程と、前記インプリントモールドと前記転写基板とを接合し、前記インプリントモールド側から前記転写基板に露光光を照射する工程と、前記インプリントモールドと前記転写基板とを剥離する工程と、露光光を照射した前期光硬化性樹脂に現像処理を行う工程と、を備えたことを特徴とするパターン形成方法である。

本発明のインプリントモールドを用いた光インプリント法は、露光光がコヒーレントな光であり、凸パターン部の断面寸法と凹パターン部の断面寸法の差分が、コヒーレントな露光光の半波長または半波長の奇数倍に相当する光路長と等しいインプリントモールドを用いることを特徴とする。
凸パターン部の断面寸法と凹パターン部の断面寸法の差分が、コヒーレントな露光光の半波長または半波長の奇数倍に相当する光路長と等しいインプリントモールドを用いることにより、凸パターン部と凹パターン部の境界において、露光光は１８０°位相が反転し、凸パターン部と凹パターン部の境界であるコーナー部において露光光の強度を低下することが出来る。
このため、パターンのコーナー部の光硬化性樹脂について硬化の度合いを低くすることが出来、樹脂収縮による応力の発生を低下させることが出来る。よって、インプリントモールドと樹脂パターンを剥離する工程において、樹脂パターンの欠陥が発生することを抑制することが可能となる。

以下、本発明のインプリントモールドについて説明を行う。
本発明のインプリントモールドは、
凸パターン部の断面寸法と凹パターン部の断面寸法の差分が、光インプリント法に用いるコヒーレントな露光光の半波長または半波長の奇数倍に相当する光路長と等しいこと
を特徴とする。

図２は、本発明のインプリントモールドの一例にコヒーレントな露光光が照射された図である。
図２（ａ）でモールド１００に対して入射したコヒーレント光２００の波面Ａは４１０、４２０部で示したモールド１００の凹凸部間で距離Ａ、距離Ｂをそれぞれ通過する。この凸パターン部の断面寸法（距離Ａ）と凹パターン部の断面寸法（距離Ｂ）の差分距離Ｃをコヒーレントな露光光の半波長または半波長の奇数倍に相当する光路長にすれば、波面Ｂは隣り合った４１０、４２０で相対して位相反転した光として射出される。

図２（ｂ）、（ｃ）を用いて光強度に関して説明する。４１０、４２０を透過した光において、光強度は同一である（ここでは説明の便宜上モールド１００自体の透過率減衰は無視する）。位相が反転していることから、波面Ｂにおける４１０と４２０の光振幅（強度）を便宜上分離して相対的に縦軸を図面上下に対向させて示す。このとき、角部Ｃ、Ｄによる回折影響により、すそ引き状の回折光４３０を生じる。回折光４３０において光強度は同一であり、図２（ｃ）に示す合成光強度４４０では反転した位相によって打ち消しあうため、角部Ｃでの光エネルギー強度はゼロに近くなる。この光エネルギーゼロの部分は、位相反転が発現する波面Ｂ位置で選択的に起こる。このため、剥離時に応力が集中する樹脂パターンの凸パターン部と凹パターン部の境界であるコーナー部（角部Ｃ）のみ選択的に光硬化性樹脂１２０が硬化しない部分が発生し、モールドの離型において光硬化した樹脂の収縮または膨張による密着力や摩擦力が作用しないことになる。

図２で示した位相反転に必要な距離Ｃについて説明する。位相反転のメカニズムは前述の通り、光路長で波長（λ）の２分の１または波長（λ）の２分の１の奇数倍変化をつければよい。光源波長をλ（ｎｍ）、インプリントモールド材質の屈折率をｎ_ｑ、凸パターン部の断面寸法と凹パターン部の断面寸法の差分をＴ、大気の屈折率をｎ_ａｉｒとした場合、関係式は「数１」で現される。

具体例として、例えば、下記の条件の場合、位相反転に必要なＴは、「数１」より、１９３ｎｍとなる。
λ：１９３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザーの波長）
ｎ_ｑ：１．５（石英ガラス基板の屈折率）
ｎ_ａｉｒ：１（大気の屈折率）
ｎ：１（整数）

また、本発明のインプリントモールドは基板表面に第一の凹凸パターンが形成され、前記第一の凹凸パターンが形成された基板表面と反対側の基板表面に、前記第一の凹凸パターンと相対するように、第二の凹凸パターンが形成されていることが好ましい。
第一の凹凸パターンと相対するように形成することにより、第二の凹凸パターンの凹部の深さを制御することで、凹パターン部の断面寸法を制御することが出来る。このため、第一の凹凸パターンの寸法によらず、凸パターン部の断面寸法と凹パターン部の断面寸法の差分が、コヒーレントな露光光の半波長または半波長の奇数倍に相当する光路長と等しくすることが出来る。このため、任意寸法の第一の凹凸パターンを形成する場合であっても、第二の凹凸パターンの凹部の深度を制御することで、光路差を制御することが出来る。

図３に、第二の凹凸パターンを形成した場合の本発明のインプリントモールドの一例を示す。図３において、第一の凹凸パターンの寸法をｔ_１、第二の凹凸パターンの寸法をｔ_２とする。
この場合、数１において、凸パターン部の断面寸法と凹パターン部の断面寸法の差分に相当するＴが２層に分かれることになるため、Ｔとｎは別々のｔ_１、ｔ_２、ｎ_ｒ，ｎ_ｑに分割される。さらにインプリントモールドの場合は位相反転を発現させる光の伝播媒体の屈折率が波面Ａの段階では一般に大気中（屈折率ｎ_ａｉｒ＝１）であり、波面Ｂでは光硬化性樹脂中（屈折率ｎ_ｒ）となる。

数１を数２に変形する。
図３に示す場合、屈折率ｎと、凸パターン部の断面寸法と凹パターン部の断面寸法の差分に相当するＴが２分されるので、ｔ_１、ｔ_２、ｎ_ｒ、ｎ_ｑについて下記「数３」の関係式を満たせば良い。

具体例として、例えば、石英ガラス基板に１００ｎｍの凹凸パターンを形成したインプリントモールド１００（ｔ_１、ｎ_ｑ）の場合、必要な位相反転に必要な第二の凹凸パターンの寸法ｔ_２は、「数３」より、２３３ｎｍとなる。
λ：１９３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザーの波長）
ｔ_１：１００ｎｍ（第一の凹凸パターンの寸法）
ｎ_ｑ：１．５（石英ガラス基板の屈折率）
ｎ_ｒ：１．７（光硬化樹脂の屈折率）
ｎ_ａｉｒ：１（大気の屈折率）
ｎ：１（整数）

図４に、図３に示す場合における、光強度の分布を示す。モールド１００を透過した合成光強度は波面Ｂ位置で図４（ｂ）に示す分布となり、剥離時に応力が集中する樹脂パターンの凸パターン部と凹パターン部の境界であるコーナー部が、光エネルギーゼロ部に対応する部に対応する。このため、露光の工程において、剥離時に応力が集中する樹脂パターンの凸パターン部と凹パターン部の境界であるコーナー部が、未硬化の部位となり、樹脂収縮による応力の発生を低下させることが出来る。

以下、本発明のインプリントモールド製造方法について説明を行う。
本発明のインプリントモールド製造方法は、
インプリントモールドの製造方法において、
基板に第一の凹凸パターンを形成する工程と、
前記第一の凹凸パターンに保護層を充填する工程と、
前記第一の凹凸パターンが形成された基板表面と反対側の基板表面に、前記第一の凹凸パターンと相対するように、第二の凹凸パターンを形成する工程と、前記保護層を剥離する工程と
を備えたことを特徴とする。

＜第一の凹凸パターンを形成する工程＞
まず、基板に第一の凹凸パターンを形成する。

基板は、光インプリント法に用いる露光光を透過する材料であることが求められる。一般的な露光光を透過する材料としては、例えば、石英ガラスなどが挙げられる。

第一の凹凸パターンを形成する方法としては、所望する凹凸パターンの寸法、形状に応じて適宜公知の微細加工技術を用いて形成してよい。例えば、フォトリソグラフィ法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法、レーザ加工方法、微細機械加工方法、などを適宜組み合わせることにより形成しても良い。

＜第一の凹凸パターンに保護層を充填する工程＞
次に、第一の凹凸パターンに保護層を充填する。第一の凹凸パターンに保護層を充填することにより、基板自体の機械的強度を補強することが出来る。このため、後述する第二の凹凸パターンの加工特性を向上することが出来る。

保護層は、第一の凹凸パターンに対して程度良く充填される材料であれば良く、特に限定されるものではない。

＜第二の凹凸パターンを形成する工程＞
次に、第一の凹凸パターンが形成された基板表面と反対側の基板表面に、前記第一の凹凸パターンと相対するように、第二の凹凸パターンを形成する。第一の凹凸パターンと相対するように形成することにより、第二の凹凸パターンの凹部の深さを制御することで、凹パターン部の断面寸法を制御することが出来る。このため、第一の凹凸パターンの寸法によらず、凸パターン部の断面寸法と凹パターン部の断面寸法の差分が、コヒーレントな露光光の半波長または半波長の奇数倍に相当する光路長と等しくすることが出来る。

第ニの凹凸パターンを形成する方法としては、所望する凹凸パターンの寸法、形状に応じて適宜公知の微細加工技術を用いて形成してよい。例えば、フォトリソグラフィ法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法、レーザ加工方法、微細機械加工方法、などを適宜組み合わせることにより形成しても良い。
このとき、第一の凹凸パターンとのアライメントのために、基板表裏の位置あわせを第ニの凹凸パターンを形成する前に行うことが好ましい。

＜保護層を剥離する工程＞
次に、保護層を剥離し、インプリントモールドを製造する。保護層の剥離方法としては、選択した保護層に応じて適宜好適な剥離方法を用いて良い。

以上より、本発明のインプリントモールド製造方法を実施することが出来る。

以下、本発明の光インプリント法について説明を行う。
本発明の光インプリント法は、
露光光がコヒーレントな光であり、
凸パターン部の断面寸法と凹パターン部の断面寸法の差分が、コヒーレントな露光光の半波長または半波長の奇数倍に相当する光路長と等しいインプリントモールドを用意する工程と、
転写基板に光硬化性樹脂を塗布する工程と、
前記インプリントモールドと前記転写基板とを接合し、前記インプリントモールド側から前記転写基板に露光光を照射する工程と、
前記インプリントモールドと前記転写基板とを剥離する工程と、
露光光を照射した前期光硬化性樹脂に現像処理を行う工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の光インプリント法は、凸パターン部の断面寸法と凹パターン部の断面寸法の差分が、コヒーレントな露光光の半波長または半波長の奇数倍に相当する光路長と等しいインプリントモールドを用いることにより、凸パターン部と凹パターン部の境界において、露光光は１８０°位相が反転し、凸パターン部と凹パターン部の境界であるコーナー部において露光光の強度を低下することが出来る。
このため、パターンのコーナー部の光硬化性樹脂について硬化の度合いを低くすることが出来、樹脂収縮による応力の発生を低下させることが出来る。よって、インプリントモールドと樹脂パターンを剥離する工程において、樹脂パターンの欠陥が発生することを抑制することが可能となる。

また、露光光を照射した光硬化性樹脂に現像処理を行う工程において、未硬化の光硬化性樹脂を除去するため、凹凸パターンの凸パターン部と凹パターン部の境界であるコーナー部を未硬化の部位とするインプリントモールドを用いることにより、凸パターン部と凹パターン部の境界であるコーナー部のエッジを鋭くすることが出来、凹凸パターンを精度良く転写することが出来る。

また、露光光を照射した前期光硬化性樹脂に現像処理を行う工程を行った後、現像処理後に転写不要部である残膜を除去する工程を行ってもよい。このとき、除去する方法としては、残膜の材料、膜厚に応じて適宜公知の除去方法を用いてよい。例えば、薬液による溶解、酸素プラズマ処理による灰化などを行っても良い。

＜実施例１＞
以下、本発明のインプリントモールド製造方法について具体的に図５を用いて実施の一例を示す。当然のことながら、本発明のインプリントモールド製造方法は下記実施例に限定されるものではない。
また、本発明のインプリントモールドは下記実施例にて製造されたインプリントモールドに限定されるものではない。

まず、モールド材料となる石英ガラス基板１０に導電性金属であるクロム（Ｃｒ）を材料とした犠牲膜２０を形成した（図５（ａ））。

次に、電子線レジスト３０を犠牲膜２０に塗布し、リソグラフィ法による露光、現像処理により犠牲膜２０上にレジストパターン４０を形成した（図５（ｂ））。

次に、レジストパターン４０をマスクとして塩素と酸素の混合ガスによるリアクティブエッチング（ＲＩＥ）法によるドライエッチング法を用いて犠牲膜２０にマスクパターン５０を形成した（図５（ｃ））

次に、Ｃ_２Ｆ_６と酸素混合ガスによるリアクティブエッチング（ＲＩＥ）法によるドライエッチング法を用いて、石英ガラス基板１０に第一の凹凸パターン６０を形成し、酸素プラズマ処理による灰化により、レジストパターン４０を除去した（図５（ｄ））。

次に、モールドパターン６０側に保護レジスト７０を塗布し、第一の凹凸パターン６０とは逆面の基板表面に電子線レジスト３０を塗布した（図５（ｅ））。

次に、レジスト３０に対し、リソグラフィ法による露光、現像処理によりレジストパターン８０を形成した（図５（ｆ））。
このとき、基板表裏の位置あわせはマスクパターン５０を基準に用いた。

次に、レジストパターン８０をマスクとして石英ガラス基板１０にエッチング法を用いて第二の凹凸パターン９０を形成した（図５（ｇ））。

次に、酸素プラズマ処理による灰化によりレジストパターン８０及び保護レジスト７０を除去した（図５（ｈ））。

次に、マスクパターン５０を薬液により除去することで本発明のインプリントモールド１００を製造した（図５（ｉ））。

＜実施例２＞
以下、本発明の光インプリント法の一例を、図６を用いて具体的に示す。当然のことながら、本発明の光インプリント法は下記実施例に限定されるものではない。

まず、転写基板１１０上に光硬化性樹脂１２０を塗布した（図６（ａ））。

次に、実施例１で製造されたインプリントモールドと、光硬化性樹脂１２０が塗布された転写基板１１０を大気中で接合し、樹脂硬化のためコヒーレントな露光光２００を照射し、光硬化性樹脂１２０を硬化した（図６（ｂ））。

次に、モールド１００と転写基板１１０を接合方向とは反対側に引き戻し、インプリントモールドと転写基板とを剥離した（図６（ｃ））。

次に、硬化した光硬化性樹脂１２０に対し、現像処理を行った（図６（ｄ））。
このとき、未硬化部分１４０は同時に除去された。

次に、残膜である硬化部分１５０を、酸素プラズマを用いて灰化した（図６（ｅ））。

以上より、本発明の光インプリント法を実施することが出来た。

本発明のインプリントモールドは、微細なパターン形成が所望される広範な分野に用いることが期待され、例えば、半導体デバイス、光導波路や回折格子等の光学部品、ハードディスクやＤＶＤなどの記録デバイス、ライフサイエンス分野でＤＮＡ分析等に用いるバイオチップ、ディスプレイ分野などで画像・映像表示器に用いる拡散板、および導光板、などの製品の製造工程に用いることが期待される。

インプリントモールドの剥離工程において欠陥の発生を示す図である。 本発明のインプリントモールドの一例を示す図である。 本発明のインプリントモールドの一例を示す図である。 本発明のインプリントモールドにコヒーレントな露光光を照射した場合の光強度を示す図である。 本発明のインプリントモールド製造方法の実施の一例を示す図である。 本発明の光インプリント法の実施の一例を示す図である。

符号の説明

１０……石英ガラス基板
２０……犠牲膜
３０……レジスト
４０……レジストパターン
５０……マスクパターン
６０……第一の凹凸パターン
７０……保護レジスト
８０……レジストパターン
９０……第二の凹凸パターン
１００……モールド
１１０……転写基板
１２０……光硬化性樹脂
１３０……転写パターン
１４０……未硬化部分
１５０……硬化部分
２００……コヒーレント光
４１０……距離Ａ部
４２０……距離Ｂ部
４３０……回折光
４４０……合成光強度

Claims (4)

1. 微細な凹凸パターンを転写するための光インプリント法に用いるインプリントモールドにおいて、
   基板の一方の面に第一の凹凸パターンが形成され、基板の他方の面に前記第一の凹凸パターンと対応する位置に、第二の凹凸パターンが形成され、前記第一の凹凸パターンの凹部パターンと、第二の凹凸パターンの凹部パターンの間に存在する基板の距離が、光インプリント法に用いるコヒーレントな露光光の半波長または半波長の奇数倍に相当する光路長と等しいこと
   を特徴とするインプリントモールド。
2. 請求項１に記載のインプリントモールドであって、
   パターン形成面に接する凹凸パターン側に到達する露光光強度を制御すること
   を特徴とするインプリントモールド。
3. 請求項１または２に記載のインプリントモールドの製造方法において、
   基板に第一の凹凸パターンを形成する工程と、
   前記第一の凹凸パターンに保護層を充填する工程と、
   前記第一の凹凸パターンが形成された基板表面と反対側の基板表面に、前記第一の凹凸パターンと相対するように、第二の凹凸パターンを形成する工程と、
   前記保護層を剥離する工程と、を備えたこと
   を特徴とするインプリントモールド製造方法。
4. 露光光により樹脂を硬化させる光インプリント法において、
   露光光がコヒーレントな光であり、
   請求項１または２に記載のインプリントモールドを用意する工程と、
   転写基板に光硬化性樹脂を塗布する工程と、
   前記インプリントモールドと前記転写基板とを接合し、前記インプリントモールド側から前記転写基板に露光光を照射する工程と、
   前記インプリントモールドと前記転写基板とを剥離する工程と、
   露光光を照射した前期光硬化性樹脂に現像処理を行う工程と、
   を備えたこと
   を特徴とするパターン形成方法。