JP5987384B2 - 三次元構造体、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元構造体、並びに該三次元構造体の製造方法に関する。

基材に特定の微細な三次元構造パターンを形成した構造物は、広範に用いられている。微細な三次元構造パターンを形成した構造物としては、例えば、半導体デバイス、光学素子、配線回路、記録デバイス、医療検査用チップ、ディスプレイパネル、マイクロ流路などが挙げられる。

近年、段数の多い構造や、高さが異なる微細三次元構造体の配列に対する要求が増加している。例えば、多段の凸形状からなる微細３次元構造を有する撮影素子（特許文献１）や、微細な三次元構造体の高さを空間的に変調しながら配列した構造を有する光学素子（特許文献２）が提案されている。

このような複雑で微細な三次元構造体を形成するためには、例えばリソグラフィ技術を用いたパターン形成法が知られているが、高さが異なる複数の段差を有する構造体を形成する場合、リソグラフィによるマスクパターン形成工程、およびエッチング工程を複数回繰り返す必要があることに加え、複数回行なわれるリソグラフィ各工程において、極めて高いパターン位置精度が求められることから、歩留まりの低下が懸念される。

複数の段差や高さが異なる微細三次元構造の形成方法としては、例えば半導体分野におけるデュアルダマシン構造の形成方法としてインプリント法が提案されている（特許文献３）。インプリント法においては、モールドに形成された三次元構造パターンを転写することが可能であるので、多段構造のパターンを一括転写することも可能である。

インプリント法に用いるモールドに形成する微細三次元構造の形成方法としては、例えば下記特許文献４のような、基材をエッチングする際のハードマスクに複数の段差を設けた単層ハードマスクパターンを形成し、基材にハードマスクパターンを転写する方法や、下記特許文献５のような、基材をエッチングするハードマスクを複数層積層し、複数の段差を有する多層ハードマスクパターンとし、基材にハードマスクパターンを転写する方法が開示されている。

しかしながら、微細パターンを形成する際に、例えば荷電粒子線を用いたリソグラフィを用いる場合、複数回実施するリソグラフィ工程ごとに、位置座標に対する標準パターンを認識し、座標の整合性を合わせるためのアライメント作業を実施する必要が有り、工程時間の増加が懸念される。

加えて、多段の凸形状や、格子状の凹凸形状を形成するためには孤立の矩形パターンを形成する必要が有り、荷電粒子線を用いたリソグラフィを用いる場合、工程時間の増加が懸念される。

特開２００６−３４４７０９号公報 特開２００７−５７６２２号公報 特表２００７−５２１６４５号公報 特開２００９−１１１２４１号公報 特開２０１１−７１３８３号公報

本発明は、高さが規則的に異なるように周期配列された三次元構造体と、該三次元構造体の形成に好適な三次元構造体の製造方法の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、平面視でＭ行Ｎ列で表される格子状パターンを有する三次元立体構造において、第ｍ行第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第（ｎ−１）列の格子との間の高低差が、第ｍ行第ｎ列と第（ｍ−１）行第ｎ列の格子との間の高低差と、第ｍ行第ｎ列の格子と第ｍ行第（ｎ−１）列の格子との間の高低差の和、または差の絶対値に等しく、前記格子状パターンの格子の段数は、５段以上１６段以下であることを特徴とする三次元構造体としたものである。ここで、Ｍ、Ｎは２以上の整数、ｍは２以上Ｍ以下の任意の整数、ｎは２以上Ｎ以下の任意の整数である。

請求項２記載の発明は、格子１辺の長さが１０ｎｍから１０μｍの間であることを特徴とする請求項１記載の三次元構造体としたものである。

請求項３記載の発明は、隣接する格子間の段差が１０ｎｍから１０μｍの間であることを特徴とする請求項１記載の三次元構造体としたものである。

請求項４記載の発明は、各格子内に平面が存在していることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の三次元構造体としたものである。

請求項５記載の発明は、請求項１に記載の三次元立体構造の製造方法であって、基板上に第１の繰り返し線状パターンのエッチングマスクパターンを形成する工程と、該エッチングマスクパターンを基板に転写する工程と、該エッチングマスクを除去する工程とを有する第１の工程と、前記基板上に、前記第１の繰り返し線状パターンと垂直となるように設計された第２の繰り返し線状パターンのエッチングマスクパターンを形成する工程と、該エッチングマスクパターンを前記基板に転写する工程と、該エッチングマスクを除去する工程とを有する第２の工程と、前記基板上に、前記第１の繰り返し線状パターンと同方向に延び、かつ、前記第１の繰り返し線状パターンの溝幅よりも狭い溝幅の第３の繰り返し線状パターンのエッチングマスクパターンを形成する工程と、該エッチングマスクパターンを基板に転写する工程と、該エッチングマスクを除去する工程とを有する第３の工程と、前記基板上に、前記第３の繰り返し線状パターンと垂直となるように設計され、かつ、前記第１の繰り返し線状パターンの溝幅よりも狭い溝幅の第４の繰り返し線状パターンのエッチングマスクパターンを形成する工程と、該エッチングマスクパターンを基板に転写する工程と、該エッチングマスクを除去する工程とを有する第４の工程と、を具備することを特徴とする三次元構造体の製造方法としたものである。

請求項６記載の発明は、基板上に、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の三次元構造体が形成されたインプリント用モールドとしたものである。

請求項７記載の発明は、基板の材料が珪素、または二酸化珪素で構成されることを特徴とする、請求項６記載のインプリント用モールドとしたものである。

上記課題を解決するために請求項８記載の発明は、請求項６または請求項７記載のインプリント用モールドを用いたインプリント法により三次元構造体を複製することを特徴とする、三次元構造体の製造方法としたものである。

尚、本発明において、Ｍ、およびＮは２以上の自然数を表すものとする。

本発明の三次元構造体は、平面視でＭ行Ｎ列で表される格子状パターンを有する三次元構造体において、第ｍ行第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行（ｎ−１）列の格子との間の高低差が、第ｍ行第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第ｎ列の格子との間の高低差と、第ｍ行第ｎ列の格子と第ｍ行第（ｎ−１）の格子との間の高低差の和または差に等しいように設計されていることを特徴するため、例えば該三次元構造体に入射した光が平面の存在する各格子パターン表面にて反射した場合、反射光に格子間における段差に応じた位相差が発生するため、光の干渉を利用した光学素子としての機能を発現するという効果を奏する。

さらに、本発明の三次元構造体を珪素、または二酸化珪素（例えば、石英または石英ガラス）を材料とする基板に形成し、インプリント用のモールドとすることで、熱、もしくは光インプリント法による該三次元構造体の転写が可能となり、該三次元構造体の製造効率が上がり、また歩留まりが改善されるという効果を奏する。

さらに、本発明の三次元構造体を９０度回転させた繰り返し線状パターンを重ねることで形成することにより、エッチングマスクパターン形成工程において、パターンの座標の整合性を合わせるためのアライメント作業も簡素化することが可能となり、また例えば可変成形ビーム方式の荷電粒子線リソグラフィを用いる場合、工程時間の短縮が可能となるため、該三次元構造体の製造における製造効率が向上し、さらに歩留まりが改善されるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態における三次元構造体と、その製造工程の概要とを示す図 本発明の第２の実施形態における三次元構造体と、その製造工程の概要とを示す図 本発明の第３の実施形態における三次元構造体と、その製造工程の概要とを示す図 図３に示される製造工程（ｉ）（ｊ）を拡大して示す図 本発明の実施例において得られた反射率分光スペクトルを示す図

以下、本発明の第１から第３の実施形態まで図面を用いながら説明する。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図面を用いながら説明する。図１は本発明の第１の実施形態における三次元構造体と、その製造工程の概要とを示す図である。具体的には、図１（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施形態における三次元構造体の製造工程を示し、図１（ｇ）は、本発明の第１の実施形態における三次元構造体を示している。

第１の実施形態に係る三次元構造体は、例えば、図１（ｇ）に示されるように、平面視でＭ行Ｎ列で表される格子状パターンを有する三次元立体構造である。当該三次元構造体は、第ｍ行第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第（ｎ−１）列の格子との間の高低差が、第ｍ第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第ｎ列の格子との間の高低差と、第ｍ行第ｎ列の格子と第ｍ行第（ｎ−１）の格子との間の高低差の和、または差の絶対値に等しい。ここで、Ｍ、Ｎは２以上の整数、ｍは２以上Ｍ以下の任意の整数、ｎは２以上Ｎ以下の任意の整数である。図１に示される例では、Ｍ、Ｎはそれぞれ５である。

第１の実施形態における三次元構造体の製造方法について説明する。
まず、図１（ａ）に示す基材１００を用意する。次に、例えばリソグラフィなどの公知パターン形成技術を用いて、図１（ｂ）に示すレジストパターンである繰り返し線状パターン１１を基材１００上に塗布したフォトレジスト（感光性樹脂）１に形成する。該フォトレジスト１に形成した繰り返し線状パターン１１を、例えばドライエッチングなどの公知の技術を用いて基材１００に転写し、残ったフォトレジストを除去し、図１（ｃ）に示す表面に繰り返し線状パターン１１が形成された基材１０１を得る。なお、「繰り返し線状パターン１１」は、複数本の直線状のレジストパターンが互いに平行かつ所定間隔をあけて並ぶように形成されたものである。図１（ｂ）に示される例では、縦方向に延びる複数本のレジストパターンが横方向に並んでいる。図１（ｂ）においては、繰り返し線状パターン１１をハッチングで示している。

次に、例えばリソグラフィなどの公知パターン形成技術を用いて、図１（ｄ）に示す繰り返し線状パターン１２を基材１０１上に塗布したフォトレジスト１に形成する。次に、該フォトレジスト１に形成した繰り返し線状パターン１２を、基材１０１を得た転写工程と同じ工程条件にて基材１０１に転写し、残ったフォトレジスト１を除去し、図１（ｅ）示す格子状パターン１３が形成された基材１０２を得る。なお、「繰り返し線状パターン１２」は、複数本の直線状のレジストパターンが互いに平行かつ所定間隔をあけて並ぶように形成されたものである。図１（ｄ）に示される例では、横方向に延びる複数本のレジストパターンが縦方向に並んでいる。図１（ｄ）においては、繰り返し線状パターン１２をハッチングで示している。図１（ｆ）には、図１（ｅ）で示した基材１０２に形成された格子パターンの深さを示す。さらに図１（ｇ）には、図１（ｅ）に示した格子状パターン１３が形成された基材１０２の立体図を示す。図１（ｅ）において、網掛けしていない格子は、格子表面の深さがゼロである（基材１００の表面がエッチングされていない部分である）ことを示している。

繰り返し線状パターン１１，１２の設計寸法を変えることにより、格子状パターン１３の格子１辺の長さが決定される。また、繰り返し線状パターン１１の基材１００への転写条件および繰り返し線状パターン１２の基材１０１への転写条件を調節することにより、格子状パターン１３の段差の大きさが決定する。

繰り返し線状パターン１１の基材１００への転写工程１回で形成した段差をｄとし、繰り返し線状パターン１２の基材１０１への転写工程１回で形成した段差をｄとすると、基材１０２において、各格子の４辺における格子状パターン１３の段差（すなわち隣り合う格子同士の段差）は全てｄとなり、第ｍ行第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第（ｎ−１）列の格子の段差はｄ＋ｄ＝２ｄ、もしくはｄ−ｄ＝０となる。よって、基材１０２に形成された格子状パターン１３の段差は、図１（ｅ），（ｇ）に示されるように、３段となる。このような三次元構造体が形成された基材は、例えば、熱式インプリント用のモールドとして使用することができ、熱インプリント法により三次元構造体の転写、複製が可能となる。なお、上記三次元構造体が形成された基材は、例えば、熱式または紫外線照射式インプリント用のモールドとして使用することが可能である。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を用いながら説明する。図２は本発明の第２の実施形態における三次元構造体と、その製造工程の概要とを示す図である。具体的には、図２（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施形態における三次元構造体の製造工程を示し、図２（ｇ）は、本発明の第２の実施形態における三次元構造体を示している。なお、図２（ｅ）には、図２（ｆ）に示すｄ１の深さの格子に符号「１」を付し、図２（ｆ）に示すｄ２の深さの格子に符号「２」を付し、図２（ｆ）に示すｄ３の深さの格子に符号「３」を付している。

第２の実施形態に係る三次元構造体は、例えば、図２（ｇ）に示されるように、平面視でＭ行Ｎ列で表される格子状パターンを有する三次元立体構造である。当該三次元構造体は、第ｍ行第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第（ｎ−１）列の格子との間の高低差が、第ｍ第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第ｎ列の格子との間の高低差と、第ｍ行第ｎ列の格子と第ｍ行第（ｎ−１）の格子との間の高低差の和、または差の絶対値に等しい。ここで、Ｍ、Ｎは２以上の整数、ｍは２以上Ｍ以下の任意の整数、ｎは２以上Ｎ以下の任意の整数である。図２に示される例では、Ｍ、Ｎはそれぞれ５である。

第２の実施形態における三次元構造体の製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示す石英基板２００を用意する。次に、石英基板２００表面に、荷電粒子線リソグラフィ用のレジスト２を塗布し、図２（ｂ）に示すレジストパターンである繰り返し線状パターン２１を荷電粒子線リソグラフィにより形成する。形成されるレジストパターンが繰り返し線状であるため、可変成型ビーム方式の荷電粒子線描画装置を用いることで工程時間を短縮できる。次に、残ったレジスト２をエッチングマスクとして例えばドライエッチングなどの公知の技術を用いてレジスト２の繰り返し線状パターン２１を石英基板２００に転写し、レジストを除去して、図２（ｃ）に示す、繰り返し線状パターン２１が転写された石英基板２０１を得る。なお、「繰り返し線状パターン２１」は、複数本の直線状のレジストパターンが互いに平行かつ所定間隔をあけて並ぶように形成されたものである。図２（ｂ）に示される例では、縦方向に延びる複数本のレジストパターンが横方向に並んでいる。図２（ｂ）においては、繰り返し線状パターン２１をハッチングで示している。また、石英基板２００への繰り返し線状パターン２１の転写工程において形成されたパターンの溝の深さをｄ１とする。ｄ１の値を大きくする場合など、必要に応じてクロムやニッケル、珪素などをレジスト２と石英基板２００の間に設け、ハードマスクとして用いることも可能である。その場合、レジスト２に形成された繰り返し線状パターン２１をハードマスクに転写する工程を、石英基板２００への転写工程の前に設ける必要がある。

次に、図２（ｃ）に示す石英基板２０１の表面に、荷電粒子線リソグラフィ用のレジスト２を塗布し、図２（ｄ）に示す繰り返し線状パターン２２を荷電粒子線リソグラフィにより形成する。形成されるレジストパターンが線状であるため、可変成型ビーム方式の荷電粒子線描画装置を用いることで工程時間を短縮できる。次に、残ったレジスト２をエッチングマスクとして例えばドライエッチングなどの公知の技術を用いてレジスト２の繰り返し線状パターン２２を石英基板２０１に転写し、レジスト２を除去して、図２（ｅ）示す格子状パターン２３が形成された石英基板２０２を得る。なお、「繰り返し線状パターン２２」は、複数本の直線状のレジストパターンが互いに平行かつ所定間隔をあけて並ぶように形成されたものである。図２（ｄ）に示される例では、横方向に延びる複数本のレジストパターンが縦方向に並んでいる。図２（ｄ）においては、繰り返し線状パターン２２をハッチングで示している。また図２（ｆ）には、図２（ｅ）に示した石英基板２０２に形成した格子状パターン２３の深さを示す。さらに図２（ｇ）には、図２（ｅ）に示した格子状パターン２３が形成された石英基板２０２の立体図を示す。石英基板２０１への繰り返し線状パターン２２の転写工程において形成されたパターンの溝の深さをｄ２とする。ｄ２の値を大きくする場合など、必要に応じてクロムやニッケル、珪素などをレジスト２と石英基板２０１の間に設け、ハードマスクとして用いることも可能である。その場合、レジスト２に形成された繰り返し線状パターン２２をハードマスクに転写する工程を、石英基板２０１への転写工程の前に設ける必要がある。

格子状パターン２３が形成された石英基板２０２（すなわち、三次元構造体）において、第ｍ行第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第（ｎ−１）列の格子の段差はｄ１＋ｄ２、もしくは｜ｄ１−ｄ２｜となる。よって石英基板２０２に形成された格子状パターン２３の段差は４段となる。

Ｍ行Ｎ列の格子状パターン２３を構成する各格子の４辺の寸法は、図２（ｂ）、および図２（ｄ）に示した繰り返し線状パターン２１，２２の設計寸法により決定する。格子状パターンを構成する各格子の４辺の寸法、および溝の深さｄ１、ｄ２を適切に制御することにより、図２（ｅ）に示した石英基板２０２は、特定の波長に対して低反射となる光学素子としての機能を発現する。

例えば、図２（ｂ）、および図２（ｄ）に示した繰り返し線状パターン２１，２２のピッチの設計寸法をそれぞれ４００ｎｍとし、溝の深さｄ１およびｄ２を２００ｎｍから２７０ｎｍの間とした場合、石英基板２０２表面へ垂直に入射する波長３０５ｎｍの光の反射率は０．１％以下となる。

また、図２（ｅ）に示した三次元構造体が形成された石英基板２０２は、光インプリント用のモールドとすることができ、光インプリント法により光学素子としての機能を発現する三次元構造体の転写、複製が可能となる。このような三次元構造体が形成された石英基板は、例えば、熱式インプリント用のモールドとして使用することができ、熱インプリント法により三次元構造体の転写、複製が可能となる。なお、上記三次元構造体が形成された石英基板は、例えば、熱式または紫外線照射式インプリント用のモールドとして使用することが可能である。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を用いながら説明する。図３は本発明の第３の実施形態における三次元構造体と、その製造工程の概要とを示す図である。具体的には、図３（ａ）〜（ｊ）は、本発明の第３の実施形態における三次元構造体の製造工程を示し、図３（ｋ）は、本発明の第３の実施形態における三次元構造体を示している。図４は、図３に示される製造工程（ｉ）（ｊ）を拡大して示す図である。なお、図４（ｉ）には、図４（ｊ）に示すｈ１の深さの格子に符号「１」を付し、図４（ｉ）に示すｈ２の深さの格子に符号「２」を付し、以下、図４（ｊ）に示す対応関係に従って、各格子に符号「３」〜「１５」を付している。

本発明の第３の実施形態に係る三次元構造体は、例えば、図３（ｋ）に示されるように、平面視でＭ行Ｎ列で表される格子状パターンを有する三次元立体構造である。当該三次元構造体は、第ｍ行第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第（ｎ−１）列の格子との間の高低差が、第ｍ第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第ｎ列の格子との間の高低差と、第ｍ行第ｎ列の格子と第ｍ行第（ｎ−１）の格子との間の高低差の和、または差の絶対値に等しい。ここで、Ｍ、Ｎは２以上の整数、ｍは２以上Ｍ以下の任意の整数、ｎは２以上Ｎ以下の任意の整数である。図３に示される例では、Ｍは９、Ｎは７である。

第３の実施形態における三次元構造体の製造方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すシリコン基板３００を用意する。次に、シリコン基板３００の表面に、荷電粒子線リソグラフィ用のレジスト３を塗布し、図３（ｂ）に示すレジストパターンである繰り返し線状パターン３１を荷電粒子線リソグラフィにより形成する。形成するパターンが線状であるため、可変成型ビーム方式の荷電粒子線描画装置を用いることで工程時間を短縮できる。次に、残ったレジスト３をエッチングマスクとして例えばドライエッチングなどの公知の技術を用いてレジスト３の繰り返し線状パターン３１をシリコン基板３００に転写し、レジスト３を除去して、図３（ｃ）に示す、繰り返し線状パターン３１が転写されたシリコン基板３０１を得る。なお、「繰り返し線状パターン３１」は、複数本の直線状のレジストパターンが互いに平行かつ所定間隔をあけて並ぶように形成されたものである。図３（ｂ）に示される例では、縦方向に延びる複数本のレジストパターンが横方向に並んだものの一部（一本）を示している。図３（ｂ）においては、繰り返し線状パターン３１をハッチングで示している。また、シリコン基板３００への繰り返し線状パターン３１の転写工程において形成されたパターンの溝の深さをｈ１とする。ｈ１の値を大きくする場合など、必要に応じてクロムやニッケル、二酸化珪素などをレジスト３とシリコン基板３００の間に設け、ハードマスクとして用いることも可能である。その場合、レジスト３に形成された繰り返し線状パターン３１をハードマスクに転写する工程を、シリコン基板３００への転写工程の前に設ける必要がある。

次に、図３（ｃ）に示すシリコン基板３０１の表面に、荷電粒子線リソグラフィ用のレジスト３を塗布し、図３（ｄ）に示す繰り返し線状パターン３２を荷電粒子線リソグラフィにより形成する。形成するパターンが線状であるため、可変成型ビーム方式の荷電粒子線描画装置を用いることで工程時間を短縮できる。残ったレジスト３をエッチングマスクとして例えばドライエッチングなどの公知の技術を用いてレジスト３の繰り返し線状パターン３２をシリコン基板３０１に転写し、レジスト３を除去して、図３（ｅ）に示した格子状パターン３３が形成されたシリコン基板３０２を得る。なお、「繰り返し線状パターン３２」は、複数本の直線状のレジストパターンが互いに平行かつ所定間隔をあけて並ぶように形成されたものである。図３（ｄ）に示される例では、横方向に延びる複数本のレジストパターンが縦方向に並んだものの一部（一本）を示している。図３（ｄ）においては、繰り返し線状パターン３２をハッチングで示している。また、シリコン基板３０１への繰り返し線状パターン３２の転写工程において形成されたパターンの溝の深さをｈ２とする。ｈ２の値を大きくする場合など、必要に応じてクロムやニッケル、二酸化珪素などをレジスト３とシリコン基板３０１の間に設け、ハードマスクとして用いることも可能である。その場合、レジスト３に形成された繰り返し線状パターン３２をハードマスクに転写する工程を、シリコン基板３０１への転写工程の前に設ける必要がある。

次に、図３（ｅ）に示すシリコン基板３０２表面に、荷電粒子線リソグラフィ用のレジスト３を塗布し、図３（ｆ）に示す繰り返し線状パターン３４を荷電粒子線リソグラフィにより形成する。形成するパターンが線状であるため、可変成型ビーム方式の荷電粒子線描画装置を用いることで工程時間を短縮できる。残ったレジスト３をエッチングマスクとして例えばドライエッチングなどの公知の技術を用いてレジスト３の繰り返し線状パターン３４をシリコン基板３０２に転写し、レジスト３を除去して、図３（ｇ）に示した格子状パターン３５が形成されたシリコン基板３０３を得る。なお、「繰り返し線状パターン３４」は、複数本の直線状のレジストパターンが互いに平行かつ所定間隔をあけて並ぶように形成されたものである。図３（ｆ）に示される例では、縦方向に延びる複数本のレジストパターンが横方向に並んだものとされている。図３（ｆ）においては、繰り返し線状パターン３４をハッチングで示している。また、シリコン基板３０２への繰り返し線状パターン３４の転写工程において形成されたパターンの溝の深さをｈ３とする。ｈ３の値を大きくする場合など、必要に応じてクロムやニッケル、二酸化珪素などをレジスト３と石英基板３０２の間に設け、ハードマスクとして用いることも可能である。その場合、レジスト３に形成された繰り返し線状パターン３４をハードマスクに転写する工程を、シリコン基板３０２への転写工程の前に設ける必要がある。

次に、図３（ｇ）に示すシリコン基板３０３の表面に、荷電粒子線リソグラフィ用のレジスト３を塗布し、図３（ｈ）に示す繰り返し線状パターン３６を荷電粒子線リソグラフィにより形成する。形成するパターンが線状であるため、可変成型ビーム方式の荷電粒子線描画装置を用いることで工程時間を短縮できる。レジスト３をエッチングマスクとして例えばドライエッチングなどの公知の技術を用いてレジスト３の繰り返し線状パターン３６をシリコン基板３０３に転写し、レジスト３を除去して、図３（ｉ）に示した格子状パターン３７が形成されたシリコン基板３０４を得る。なお、「繰り返し線状パターン３６」は、複数本の直線状のレジストパターンが互いに平行かつ所定間隔をあけて並ぶように形成されたものである。図３（ｈ）に示される例では、横方向に延びる複数本のレジストパターンが縦方向に並んだものとされている。図３（ｈ）においては、繰り返し線状パターン３６をハッチングで示している。図３（ｊ）、図４（ｊ）には、図３（ｉ）、図４（ｉ）に示した格子状パターン３７の深さを示す。また図３（ｋ）に、図３（ｉ）で示した格子状パターン３７が形成されたシリコン基板３０４の立体図を示す。シリコン基板３０３への繰り返し線状パターン３６の転写工程において形成されたパターンの溝の深さをｈ４とする。ｈ４の値を大きくする場合など、必要に応じてクロムやニッケル、二酸化珪素などをレジスト３と石英基板３０３の間に設け、ハードマスクとして用いることも可能である。その場合、レジスト３に形成された繰り返し線状パターン３６をハードマスクに転写する工程を、シリコン基板３０３への転写工程の前に設ける必要がある。

Ｍ行Ｎ列の格子状パターン３７を構成する各格子の４辺の寸法は、図３（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）に示した繰り返し線状パターン３１，３２，３４，３６の設計寸法により決定する。

溝の深さｈ１、ｈ２、ｈ３、ｈ４が全て異なる場合、シリコン基板３０４に形成された格子状パターン３７は、１６段となり、ｈ１、ｈ２、ｈ３、ｈ４が全て等しい場合、シリコン基板３０４に形成された格子状パターン３７は、５段となる。このような三次元構造体が形成されたシリコン基板は、熱式インプリント用のモールドとすることができ、熱インプリント法により三次元構造体の転写、複製が可能となる。なお、上記三次元構造体が形成されたシリコン基板は、紫外線照射式インプリント用のモールドとすることも可能である。

以下に、本発明の実施例を説明する。
まず、フォトマスク用石英ガラス基板を用意し、該石英ガラス基板表面に膜厚５０ｎｍのクロム（Ｃｒ）膜をスパッタリングにより形成した。スパッタリングに用いたＣｒターゲットは純度９９．９９５％である。スパッタチャンバ内にＡｒを１００ｓｃｃｍ導入し、スパッタチャンバ内の圧力０．３Ｐａとした。ＤＣ電源より５００Ｗターゲット下部の電極へ印加し、プラズマ放電させ、Ｃｒ膜を成膜した。

次に、上記スパッタリングによる成膜を実施した石英ガラス基板の最表面に、電子線リソグラフィ用のポジ型レジストＦＥＰ１７１（富士フィルムエレクトロニクスマテリアル社製）を塗布し、膜厚２５０ｎｍのレジスト層を形成した。

次に、上記レジスト層を形成した石英ガラス基板に、可変成型ビーム方式の電子線リソグラフィにより、４００ｎｍピッチの繰り返し線状パターンからなるレジストパターンを形成した。繰り返し線状パターンの各線状パターンは、電子線照射時に基板を保持するステージが駆動するＸＹ平面おいて、Ｙ軸に平行となるように設計した。パターン形成領域は基板中央を中心とした１０ｃｍ×１０ｃｍの正方形であり、電子線照射のドーズ量は１０μＣ／ｃｍ²とし、ポストエクスポージャーベークは１００°Ｃに加熱したホットプレートで１０分間実施した。現像液にＴＭＡＨ水溶液（水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液）、リンス液には純水を用いた。

次に、最表面にレジスト膜からなる繰り返し線状パターンが形成された石英ガラス基板に、塩素と酸素の混合ガスを用いたプラズマによるエッチング処理を実施し、レジストパターンをＣｒ膜に転写した。該エッチング処理にはＩＣＰドライエッチング装置を適用した。塩素を５０ｓｃｃｍ、酸素を１０ｓｃｃｍ導入し、プラズマチャンバ内の圧力を１Ｐａに設定後、ＩＣＰパワー５００Ｗ、ＲＩＥパワー５０Ｗを印加し、プラズマ放電させた。

次に、上記Ｃｒ膜に繰り返し線状パターンが形成された石英ガラス基板に、六フッ化エタンとヘリウムの混合ガスを用いたプラズマによるエッチング処理を実施し、繰り返し線状パターンを石英ガラス基板に転写した。該エッチング処理にはＩＣＰドライエッチング装置を適用した。六フッ化エタンとヘリウムを５０ｓｃｃｍずつ導入し、プラズマチャンバ内の圧力を１Ｐａに設定後、ＩＣＰパワー５００Ｗ、ＲＩＥパワー２００Ｗを印加し、プラズマ放電させた。

次に、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、ＭＥＡ（モノエタノールアミン）などを用いた有機洗浄、硝酸２アンモニウムセリウムと硝酸の混合水溶液による残存Ｃｒ膜の除去、さらにアンモニア水と過酸化水素水の混液などを用いたアルカリ洗浄を行ない、上記繰り返し線状パターンが形成された石英ガラス基板を得た。

次に、上記繰り返し線状パターンが形成された石英ガラス基板表面に、膜厚５０ｎｍのクロム（Ｃｒ）膜をスパッタリングにより形成した。スパッタリングに用いたＣｒターゲットは純度９９．９９５％である。スパッタチャンバ内にＡｒを１００ｓｃｃｍ導入し、スパッタチャンバ内の圧力０．３Ｐａとした。ＤＣ電源より５００Ｗターゲット下部の電極へ印加し、プラズマ放電させ、Ｃｒ膜を成膜した。

上記スパッタリングによる成膜を実施した石英ガラス基板の最表面に、電子線リソグラフィ用のポジ型レジストＦＥＰ１７１（富士フィルムエレクトロニクスマテリアル社製）を塗布し、膜厚２５０ｎｍのレジスト層を形成した。

次に、上記レジスト層を形成した石英ガラス基板に、可変成型ビーム方式の電子線リソグラフィにより４００ｎｍピッチの繰り返し線状パターンからなるレジストパターンを形成した。繰り返し線状パターンの各線状パターンは、電子線照射時に基板を保持するステージが駆動するＸＹ平面おいてＸ軸に平行となるよう設計した。パターン形成領域は基板中央を中心とした１０ｃｍ×１０ｃｍの正方形であり、電子線照射のドーズ量は１０μＣ／ｃｍ²とし、ポストエクスポージャーベークは１００℃に加熱したホットプレートで１０分間実施した。現像液にＴＭＡＨ水溶液、リンス液には純水を用いた。もし、繰り返し線状パターンを、電子線照射時に基板を保持するステージが駆動するＸＹ平面おいてＹ軸に平行となるよう設計する場合は、基板を９０度回転させてパターンを形成すれば良い。

最表面にレジスト膜からなる繰り返し線状パターンが形成された石英ガラス基板に、塩素と酸素の混合ガスを用いたプラズマによるエッチング処理を実施し、レジストパターンをＣｒ膜に転写した。該エッチング処理にはＩＣＰドライエッチング装置を適用した。塩素を５０ｓｃｃｍ、酸素を１０ｓｃｃｍ導入し、プラズマチャンバ内の圧力を１Ｐａに設定後、ＩＣＰパワー５００Ｗ、ＲＩＥパワー５０Ｗを印加し、プラズマ放電させた。

上記Ｃｒ膜に繰り返し線状パターンが形成された石英ガラス基板に、六フッ化エタンとヘリウムの混合ガスを用いたプラズマによるエッチング処理を実施し、繰り返し線状パターンを石英ガラス基板に転写した。該エッチング処理にはＩＣＰドライエッチング装置を適用した。六フッ化エタンとヘリウムを５０ｓｃｃｍずつ導入し、プラズマチャンバ内の圧力を１Ｐａに設定後、ＩＣＰパワー５００Ｗ、ＲＩＥパワー２００Ｗを印加し、プラズマ放電させた。

次に、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、ＭＥＡ（モノエタノールアミン）などを用いた有機洗浄、硝酸２アンモニウムセリウムと硝酸の混合水溶液による残存Ｃｒ膜の除去、さらにアンモニア水と過酸化水素水の混液などを用いたアルカリ洗浄を行ない、本発明の三次元構造体が形成された石英ガラス基板を得た。

本発明の三次元構造体が形成された石英ガラス基板において、原子間力顕微鏡によるパターン観測を行なった結果、Ｍ行Ｎ列と（Ｍ−１）行Ｎ列またはＭ行（Ｎ−１）列の段差は２０８ｎｍ、または２１２ｎｍであり、Ｍ行Ｎ列と（Ｍ−１）行（Ｎ−１）列の段差は最大４２０ｎｍ、最小４ｎｍであった。また、各格子パターンにおいて、自乗平均面粗さが５ｎｍ以下の面があることが確認された。

次に、本発明の三次元構造体が形成された石英ガラス基板において、該基板表面に対し垂直方向から重水素ランプ、ハロゲン（ヨウ素）ランプを光源とした光を照射し、反射光の分光測定を実施した。その結果、図５に示す反射率スペクトルが得られ、本発明の三次元構造体を形成した領域において、波長３０５ｎｍの反射率が０．１％以下となった。

次に、本発明の三次元構造体が形成された石英ガラス基板面に、離型剤としてオプツールＨＤ−１１００Ｚ（ダイキン工業製）を塗布した。

次に、膜厚３００ｎｍの光硬化性樹脂ＰＡＫ−０１（東洋合成工業製）が表面に塗布されたポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）基板表面と、離型剤が塗布された石英ガラス基板表面を接触させ、２ＭＰａの圧力をかけ、石英ガラス基板の裏面より波長３６５ｎｍの紫外光を照射し、光硬化性樹脂を硬化させた。該処理は室温で行い、紫外光の露光量は１００ｍＪ／ｃｍ²とした。

次に、光硬化性樹脂が表面に塗布されたＰＥＴ基板を離型剤が塗布された石英ガラス基板から剥離し、石英ガラス基板に形成されたパターンが転写されたＰＥＴ基板を得た。

本発明に係る三次元構造体およびその製造方法は、微細なパターンを形成することが求められる広範な分野に利用することが期待される。例えば、三次元構造体として、インプリントモールドの他、フォトマスク、半導体デバイス、光学素子、配線回路（デュアルダマシン構造の配線回路など）、記録デバイス（ハードディスクやＤＶＤなど）、医療検査用チップ（ＤＮＡ分析用途など）、ディスプレイ（拡散板、導光板など）、マイクロ流路など、に利用することが期待される。

１・・・フォトレジスト
２、３・・・レジスト
１１、１２、２１、２２、３１、３２、３４、３６・・・繰り返し線状パターン
１３、２３、３３、３５、３７・・・格子状パターン
１００、１０１、１０２・・・基材
２００、２０１、２０２・・・石英基板
３００、３０１、３０２、３０３、３０４・・・シリコン基板

Claims (8)

1. 平面視でＭ行Ｎ列で表される格子状パターンを有する三次元立体構造において、
   第ｍ行第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第（ｎ−１）列の格子との間の高低差が、
   第ｍ行第ｎ列の格子と第（ｍ−１）行第ｎ列の格子との間の高低差と、第ｍ行第ｎ列の格子と第ｍ行第（ｎ−１）の格子との間の高低差の和、または差の絶対値に等しく、
   前記格子状パターンの格子の段数は、５段以上１６段以下であることを特徴とする三次元構造体。
   ここで、Ｍ、Ｎは２以上の整数、ｍは２以上Ｍ以下の任意の整数、ｎは２以上Ｎ以下の任意の整数である。
2. 格子１辺の長さが１０ｎｍから１０μｍの間であることを特徴とする請求項１記載の三次元構造体。
3. 隣接する格子間の段差が１０ｎｍから１０μｍの間であることを特徴とする請求項１記載の三次元構造体。
4. 各格子内に平面が存在していることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の三次元構造体。
5. 請求項１に記載の三次元立体構造の製造方法であって、
   基板上に第１の繰り返し線状パターンのエッチングマスクパターンを形成する工程と、該エッチングマスクパターンを基板に転写する工程と、該エッチングマスクを除去する工程とを有する第１の工程と、
   前記基板上に、前記第１の繰り返し線状パターンと垂直となるように設計された第２の繰り返し線状パターンのエッチングマスクパターンを形成する工程と、該エッチングマスクパターンを前記基板に転写する工程と、該エッチングマスクを除去する工程とを有する第２の工程と、
   前記基板上に、前記第１の繰り返し線状パターンと同方向に延び、かつ、前記第１の繰り返し線状パターンの溝幅よりも狭い溝幅の第３の繰り返し線状パターンのエッチングマスクパターンを形成する工程と、該エッチングマスクパターンを基板に転写する工程と、該エッチングマスクを除去する工程とを有する第３の工程と、
   前記基板上に、前記第３の繰り返し線状パターンと垂直となるように設計され、かつ、前記第１の繰り返し線状パターンの溝幅よりも狭い溝幅の第４の繰り返し線状パターンのエッチングマスクパターンを形成する工程と、該エッチングマスクパターンを基板に転写する工程と、該エッチングマスクを除去する工程とを有する第４の工程と、を具備することを特徴とする三次元構造体の製造方法。
6. 基板上に、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の三次元構造体が形成されたインプリント用モールド。
7. 基板の材料が珪素、または二酸化珪素で構成されることを特徴とする、請求項６記載のインプリント用モールド。
8. 請求項６または請求項７記載のインプリント用モールドを用いたインプリント法により三次元構造体を複製することを特徴とする、三次元構造体の製造方法。

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