JP6298695B2 - 原盤製造方法及び原盤 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロインプリント又はナノインプリントの原盤製造方法及び原盤に関する。

従来、シリコン（Ｓｉ）ウェハに代表される半導体ウェハを製造する場合には、石英るつぼ内に溶融されたシリコン融液から凝固した円柱形のインゴットを適切な長さのブロックに切断して、その周縁部を目標の直径になるよう研削し、その後、ブロック化されたインゴットをワイヤソーによりウェハ形にスライスして半導体ウェハを製造するようにしている。

また、前記ワイヤソーに代わり、集光レンズでレーザ光の集光点をインゴットの内部に合わせ、そのレーザ光でインゴットを相対的に走査することにより、ブロック化されたインゴットの内部に面状の加工層を形成し、この加工層を剥離面としてインゴットの一部を基板として剥離するスライシングの技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

一方、マイクロメートルオーダー及びナノメートルオーダーの所定のパターンが形成された原盤をモールド基板として被転写対象の樹脂など流動性のある物質に押し付けたり、被転写対象を流し込んだり、又は樹脂などを光硬化させたりして、マイクロメートルオーダー又はナノメートルオーダーの凹凸を転写するマイクロインプリント又はナノインプリントの技術が提供されている。これらマイクロインプリントとナノインプリントの技術は、図１に示すように、半導体、電子・光デバイス、記録メディア、化学・バイオ、産業機械等の広汎な産業分野への応用が期待されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２０１２−１６９３６１号公報 特開２０１２−１６９３６３号公報 特開２０１３−１６１８２０号公報

「平成１８年度 特許出願技術動向調査報告書 ナノプリント技術及び樹脂加工におけるサブマイクロ成型加工技術（要約版）」、特許庁、平成１９年４月

マイクロインプリント又はナノインプリントの原盤は、精密機械による加工、リソグラフィやインクジェット法などを用いて製造されている。ここで、精密機械により原盤を製造する場合には、原盤の加工精度は加工工具及び装置の加工精度に依存することになる。また、リソグラフィにより原盤を製造する場合には、レジスト膜の形成、露光、エッチング、レジスト膜除去といった湿式による複数工程で廃液が生じていた。電子ビーム描画法といった乾式のリソグラフィによる製法では、高価な設備が必要となるのみならず、描画に長時間を要していた。

本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、高価な設備を必要とすることなく、乾式の製造方法によって、精度の高い原盤を短時間で製造できるようなマイクロインプリント又はナノインプリントの原盤を製造する製造方法及びこのように製造した原盤を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係るマイクロインプリント又はナノインプリントの原盤製造方法は、レーザ集光手段により単結晶シリコン基板の表面に向けてレーザ光を照射して前記基板の内部にレーザ光を集光しつつ、前記レーザ集光手段と前記基板を相対的に移動させて前記基板内部に加工層を形成する工程と、前記基板の加工層から表面側の部分を剥離する工程とを含む。

前記加工層は、前記基板の表面から所定深さに形成された所定厚みの多結晶構造であってもよい。前記加工層を形成する工程は、前記レーザ集光手段により所定のピッチ及びオフセットでレーザ光を照射してもよい。前記単結晶シリコン基板は、鏡面仕上げされていてもよい。

本発明に係るマイクロインプリント又はナノインプリントの原盤は、上記マイクロインプリント又はナノインプリントの原盤の製造方法により製造されたものである。

本発明によると、高価な設備を必要とすることなく、乾式の製造方法によって、精度の高い原盤を短時間で製造することができる。

ナノインプリント技術の技術俯瞰図である。 原盤製造方法の一連の工程を示すフローチャートである。 基板加工装置の斜視図である。 レーザ光の走査による加工層の形成を説明する斜視図である。 レーザ光の集光による加工層の形成を説明する断面図である。 多数の変質部からなる加工層を示す拡大断面図である。 基板を加工層で剥離する装置の構成を示す正面図である。 モールドと転写物の表面形状を示す拡大斜視図である。 転写前後のモールドと転写物の線粗さ変化を示すグラフである。 アルカリエッチング後のモールドと転写物の表面形状を示す拡大斜視図である。 アルカリエッチング前後と転写前後のモールドと転写物の線粗さ変化を示すグラフである。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

図２に示すように、本実施の形態の原盤製造方法は、レーザ光による基板の内部加工の工程（Ｓ１）、剥離の工程（Ｓ２）及びアルカリ処理の工程（Ｓ３）を含む一連の工程から構成されている。ここで、アルカリ処理の工程（Ｓ３）はオプションであり、ステップＳ２の剥離の工程で原盤の製造を終えることもできる。以下では、これらの各工程について順に説明する。

（基板のレーザ加工）
最初の工程Ｓ１においては、基板の内部加工を行う。この工程は、基板加工装置によって実施される。本実施の形態では、基板加工装置が加工する基板には、シリコン単結晶の基板を使用する。この基板は、シリコン単結晶のインゴットを適切な長さに切断したブロックを使用してもよい。

図３は、基板加工装置１００の構成を示す斜視図である。基板加工装置１００は、ステージ１１０と、ステージ１１０がＸＹ方向に移動可能なように支持するステージ支持部１２０と、ステージ１１０上に配置され、基板１０を固定する基板固定具１３０とを有している。

また、基板加工装置１００は、パルスレーザ光を発生するレーザ光源１６０と、対物レンズ１７０及び収差調整部１８０を含むレーザ集光部１９０とを有し、レーザ光源１６０から発したレーザ光Ｂをレーザ集光部１９０を介して基板１０の鏡面仕上げされた表面に向けて照射する。

基板１０に集光して照射されるレーザ光Ｂの集光点は、基板１０内部において、表面から所定の深さの領域に所定の形状の軌跡を形成することで、表面に水平方向に２次元状の加工層を形成することができる。この加工層は、レーザ光Ｂが集光され溶融した部分が後に急速に冷却されてなる応力ひずみを有する多結晶構造を含み、他の単結晶の部分と比べて脆弱な構造になっている。

図４は、レーザ集光部１９０により基板１０の表面２０ｔからレーザ光Ｂを集光して内部に加工層２１を形成していくことを説明する図である。基板１０には、レーザ集光部１９０により、調整したレーザ光Ｂを基板１０の表面２０ｔに照射して基板１０内部にレーザ光Ｂを集光している。

集光されたレーザ光は、集光部分の単結晶部材を変質（改質）させつつ、レーザ集光部１９０と基板１０とを相対的に移動させることで、基板１０内部に、表面２０ｔから任意の深さで水平方向に延在する加工層２１を形成する。集光点は、基板１０の表面２０ｔから任意の深さで水平方向において、走査方向Ｓにピッチｐにて断続して照射されつつ移動し、走査端に達するとオフセット方向Ｆにオフセットｗだけ進められて走査が折り返される。

図５は、レーザ光Ｂの照射により基板１０の内部に加工層２１を形成することを説明する模式的な断面図である。本実施の形態で加工する基板１０は、レーザ光Ｂをシリコン単結晶部材の基板１０の鏡面仕上げされた表面２０ｔから集光することで、この表面２０ｔと離間しかつこの表面２０ｔから任意の深さで水平方向に延在する加工層２１を形成する。その結果、この基板１０は、加工層２１と、この加工層２１の両面側にそれぞれ隣接する非加工層２２とからなるようになる。

図６は、多数の変質部からなる加工層２１を示す基板１０の拡大断面図である。加工層２１には、レーザ光Ｂの走査方向Ｓに沿って形成された多結晶構造の変質部２１ｃが、互いにピッチｐを有して配列されている。

（基板の剥離）
ステップＳ１で加工層２１を形成した基板１０は、次のステップＳ２において加工層２１にて分断されて剥離される。図７は、基板を剥離する装置の構成を示す図である。

この装置５０において、架台５２上には基板１０の表面２０ｔと裏面の両面に第１及び第２の金属板４１、４２が接着剤４５で固定されてなる構造体４０が載置される。構造体４０の第１の金属板４１は架台５２に固定され、第２の金属板４２には冶具５４によって下向きの押圧力が印加される。

基板１０は、表面２０ｔ及び裏面に接着された第１及び第２の金属板４１、４２から逆向きの力を受ける。この力が加工層２１の耐えられる所定の閾値を越えると、基板１０は加工層２１において剥離され、第１の非加工層２２と第２の非加工層２２からなる基板１０にスライシングされる。

これらの非加工層２２は、適切な処理によって第１及び第２の金属板４１、４２から剥離してもよい。例えば、接着剤４５の種類に応じて、水や有機溶媒中に浸すことによって、非加工層２２から接着剤４５と第１及び第２の金属板４１、４２を分離することができる。分離後、非加工層２２は洗浄され、さらに乾燥される。

このようにスライシングされた非加工層２２からなる基板は、割断された加工層２１の剥離面においてマイクロメートルオーダー又はナノメートルオーダーの凹凸のパターンを有している。したがって、このような剥離面をマイクロインプリント又はナノインプリントの原盤として使用することができる。

なお、非加工層２２は、第１及び第２の金属板４１、４２から剥離することなく、そのまま洗浄し、乾燥するようにしてもよい。この場合、非加工層２２は、第１及び第２の金属板４１、４２に固定した状態で原盤として使用することができる。

（基板のアルカリ処理）
ステップＳ２で剥離した非加工層２２は、所望の場合にはオプションとして次のステップＳ３においてアルカリ処理することができる。

このアルカリ処理においては、ステップＳ２で剥離した基板１０を適切な濃度及び温度のアルカリ溶液に浸すことによりエッチングする。このようなエッチングにより、剥離面に形成されたマイクロメートルオーダー又はナノメートルオーダーの凹凸のパターンが所望の表面粗さになるように加工することができる。基板１０は、アルカリ溶液中で所望のエッチングを施された後、洗浄され、さらに乾燥される。

このように、本実施の形態は、加工層２１にて剥離してスライシングしたシリコン単結晶の基板１０の剥離面をマイクロインプリント又はナノインプリントの原盤とするものである。シリコン単結晶をレーザ光により加工して剥離するスライシングの技術は確立されているため、マイクロインプリント又はナノインプリントの原盤を安価に確実に提供することができる。

また、本実施の形態は、基板１０のアルカリ処理の工程を除くと乾式で進められ、電子ビーム露光装置などの高価な装置を必要とすることはない。さらに、マイクロメートルオーダー又はナノメートルオーダーの凹凸のパターンは基板１０を加工層２１を剥離することによって形成され、それぞれの凹凸のパターンを描く必要はないので短時間で製造することができる。

以下、本実施の形態の原盤製造方法を適用して作成した原盤の実施例を示す。実施例１では、ファイバレーザによるレーザ光源１６０から得られた波長１０６２±２ｎｍ、発振周波数１００ｋＨｚのレーザ光Ｂを用いた。このレーザ光Ｂを倍率１００倍、ＮＡ０・８５の赤外線用の対物レンズ１７０を備えるレーザ集光部１９０を介して、対物レンズ１７０後の出力１００Ｗ、焦点距離（ＤＦ）６０μｍ、シリコン収差補正環０．６ｍｍに設定して基板１０に加工層２１を形成する加工を行った。

加工した基板１０は、厚さ７２５μｍであり、レーザ照射の加工ピッチ２μｍ、加工オフセット２μｍであった。加工層２１を形成した基板１０について、適切な装置５０を用いて基板１０の加工層２１にて分断し、非加工層２２からなる２枚の基板に剥離した。剥離した基板の剥離面をマイクロインプリント又はナノインプリントの原盤とした。なお、以下では、原盤に用いる剥離面を有する基板をモールドと称する。

本実施の形態では、原盤のモールドから転写する転写物には、信越シリコーン製のシリコーン一液型ＲＴＶゴムであるＸ−３１−２６５８を用いた。モールドを転写物に押し付け、２４時間室温にて静置した。転写物が硬化した後、モールドを除去し、転写物および基板の表面粗さについてレーザ顕微鏡を用いて測定した。

図８（ａ）はモールドの表面の形状を示す拡大斜視図であり、図８（ｂ）は転写物の表面の形状を示す拡大斜視図である。図中のメモリの単位はナノメートル（ｎｍ）であり、モールドと転写物にはともにマイクロメートル又はナノメートルのスケールで凹凸のパターンが形成されていることが見られる。

表１は、レーザ光の走査方向とオフセット方向について、転写前後のモールドの表面の線粗さと転写物の表面の線粗さを測定したものである。ここでは、モールドへの転写物の付着を考慮し、転写後にメチルエチルケトン（ＭＥＫ）を溶剤として洗浄した後のモールドについても線粗さを測定した。

図９は、表１の測定結果である転写前後のモールドと転写物の線粗さ変化を示すグラフである。転写前のモールドと転写後のモールド、転写後に洗浄したモールドは、同様の線粗さを有し、転写によるモールドへの影響が小さいことが見られる。

この実施例２では、実施例１において基板を剥離して作成したモールドの剥離面の表面にさらにアルカリエッチングを施した。他の構成については、実施例１と同様である。

このアルカリエッチングは、モールドを８０℃に加温した２０％水酸化ナトリウム水溶液に２分間浸してパドリングにより剥離面をエッチングした。その後、モールドを水洗し、乾燥した。

図１０（ａ）はエッチング後のモールドの表面の形状を示す拡大斜視図であり、図１０（ｂ）はエッチング後のモールドによる転写物の表面の形状を示す拡大斜視図である。

表２は、エッチング前後、転写前後のモールドの線粗さと転写物の線粗さを測定したものである。

図１１は、表２の測定結果であるエッチング前後・転写前後のモールドの線粗さと転写物の線粗さ変化を示すグラフである。エッチング後のモールド、エッチング後のモールドによる転写物の線粗さはエッチング前より低下していることが見られる。

なお、上述の実施の形態においては、転写物に信越シリコーン製のシリコーン一液型ＲＴＶゴムであるＸ−３１−２６５８を使用したが、転写物はこれに限られない。転写物には他の樹脂などを利用することもできる。また、モールドの洗浄にはメチルエチルケトン（ＭＥＫ）に限らず他の溶媒を使用することができる、アルカリエッチングには水酸化ナトリウム水溶液に限らず他のアルカリ性エッチング溶液を使用することができる。

また、転写物への転写前にフッ素系の離型剤をモールドへ塗布、乾燥させ、離型性を向上してもよい。離型剤には、例えばダイキン製ダイフリーＧＡ−７５００、ＧＡ−７５５０を使用してもよい。

１０ 基板
２０ｔ 表面
２１ 加工層
２２ 非加工層
１００ 基板加工装置
１９０ レーザ集光部

Claims (5)

1. マイクロインプリント又はナノインプリントの原盤製造方法であって、
   レーザ集光手段により単結晶シリコン基板の表面に向けてレーザ光を照射して前記基板の内部にレーザ光を集光しつつ、前記レーザ集光手段と前記基板を相対的に移動させて前記基板内部に加工層を形成し、前記加工層は応力ひずみを有する脆弱な多結晶構造であって、前記加工層で剥離することを可能にする工程と、
   前記基板の加工層から表面側の部分を剥離する工程と
   を含むことを特徴とする原盤製造方法。
2. 前記加工層は、前記基板の表面から所定深さに形成された所定厚みの多結晶構造であることを特徴とする請求項１に記載の原盤製造方法。
3. 前記加工層を形成する工程は、前記レーザ集光手段により所定のピッチ及びオフセットでレーザ光を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の原盤製造方法。
4. 前記単結晶シリコン基板は、鏡面仕上げされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の原盤製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法で製造されたマイクロインプリント又はナノインプリントの原盤。