JP6503606B2 - インプリント装置 - Google Patents
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Description
このような中、半導体デバイスのパターンを作製するためのリソグラフィ技術は、パターンの微細化が進むにつれ、露光装置などが極めて高価になってきている。
このように高価となってきたリソグラフィ技術の代替技術として、装置価格や使用材料などが安価でありながら、10nm程度の高解像度を有する微細パターン形成が可能なナノインプリントが注目されている。
このようなナノインプリントは、一度モールドを作製すれば、ナノ構造が簡単に、しかも、繰り返して成型できるため、高いスループットが得られて経済的である。さらに、有害な廃棄物が少ない加工技術であるため、近年、半導体デバイスに限らず、次世代ハードディスクに用いられるビットパターンドメディアなど、さまざまな分野への応用が期待されている。
その対策として、インプリント技術でモールドをレジストに押圧する工程を真空中で行う方法や、モールドを押圧する圧力を非常に大きくすることで、取り込まれた大気の体積を減少させることが考えられる。
しかし、レジストに押圧する工程を真空中で行うためには、真空に耐え得る頑強な作業室が必要となる。さらに、モールドを押圧する圧力を過度に高めると、モールド自身が変形してしまい、高精度の転写ができず、最悪の場合、モールドや基板材料に損傷を引き起こす原因ともなる。
すなわち、モールドに形成した凹凸形状を基材表面上に塗布されたレジスト層あるいは供給されたレジストに転写するインプリントを、モールドに形成した凹部にレジスト層が侵入するときの温度及び凹部内の圧力で凝縮する気体の雰囲気中で行う。なお、特許文献1では、この気体の常温での蒸気圧を0.05MPa以上1.00MPa以下としている。
さらに、本発明者らは非特許文献4において、凝縮性ガスであるペンタフルオロプロパン1種類とヘリウムガスを混合させた雰囲気下でナノインプリントすることにより、形成したパターンの表面粗さ、離型力、レジストのモールドへの充填速度を調整できることを報告している。
一般に、微細孔内にある蒸気は、毛細管力により微細孔外にある蒸気に比べて液体になりやすく、この現象を毛管凝縮という。特許文献1に示されるように、飽和蒸気圧の低い凝縮性ガスを用いた場合には、水などに比べて毛管凝縮が起こる可能性が高まる。
特に、最先端半導体の線幅サイズの100nm以下の微細溝のパターンの場合には、飽和蒸気圧が低い凝縮性ガスを用いると、毛管凝縮により、モールドの溝部に光硬化性樹脂が充填される前に、凝縮性ガスが結露してしまい、レジストの充填不良が起こり、結果的に形成パターン不良原因となることがある。
このフォトリソグラフィはあくまで、下地の膜や基材等の対象物をエッチングするためのマスクパターンを形成するものであり、フォトリソグラフィ工程の後には、製膜工程やドライ・ウェット方式のエッチングが行われる。
こうした製膜工程やエッチング工程では、フォトリソグラフィで形成したレジストパターンは、必ず寸法変動を伴うために、通常デバイス試作では、フォトリソグラフィ、製膜、エッチング工程というすべてプロセスフローを繰り返し行い、パターン線幅や形状の最適化に長時間を要している。
すなわち、ナノインプリントをフォトリソグラフィに応用しようとした場合には、モールドの構造を忠実に転写してしまうため、決まった寸法以外、パターン形成することができないという制約がある。
さらに、ナノインプリントのモールドは、電子ビーム描画装置とエッチングにより作製する必要があり、1つのモールドを作製するのに多大の時間とコストを要することとなり、ナノインプリントの導入が製造コストを高める要因ともなっている。
そこで、本発明の目的は、毛管凝縮によるレジストの充填不良を防止するとともに、同一のモールドを用いても、パターン線幅や形状の調整を可能にすることにある。
ここで、毛管凝縮が起こり得る条件下においては、ケルビンの拡張式から、
ただし、
p0:凝縮性ガスの飽和蒸気圧 p:実際の蒸気圧
V:凝縮性ガスの液体のモル体積 m3/mol γ:凝縮性ガスの液体の表面張力N/m
R:気体定数(8.31m2kg/s2Kmol) T:温度293.15K(20℃)
θ:接触角 a:毛細管半径m
とする。
毛管凝縮が起こる毛細管aの半径を求めるため、上式を変形すると、
凝縮性ガスの液体は表面張力が小さく濡れ性が非常に高いため、接触角θを0°と仮定し、これを式(2)に代入することで、毛細管半径a≦10.82nmが求まる。
ホールパターンの直径と考えた場合には2aとなり、21.64nmが求まる。
一方、20℃における飽和蒸気圧が、0.419MPaであるトランス-1,3,3,3-テトラフルオロプロペンの場合には、p:実際の蒸気圧101.3kPa、V: 凝縮性ガスの液体のモル体積101.8×10-6m3/mol、γ: 凝縮性ガスの液体の表面張力0.00855N/m、R:気体定数8.31m2kg/s2Kmol、T:温度293.15K(20℃)、θ:接触角0°とする。
これを式(2)に代入すると、毛細管半径a≦0.50nmとなし、ナノインプリントが適用される5nm〜数100nmの半導体パターンの寸法においては、毛管凝縮の影響を受けないことが分かる。
飽和蒸気圧が常温において0.05MPa以上0.2MPa未満の第1凝縮性ガスでは毛管凝縮の生じるホールパターンの直径が10nm以上を示しており、単体のガスでは毛管凝縮の影響を受けてしまうことが分かる。
一方、飽和蒸気圧が常温において0.2MPa以上1MPa以下の第2凝縮性ガスでは、ナノインプリントの応用が期待されているパターン寸法5nm〜数100nmにおいては、毛管凝縮の影響を受けない。
さらに、飽和蒸気圧の異なる混合した凝縮ガス雰囲気下を任意に制御することにより、ナノインプリントしたパターンの幅を任意に変更することが可能となり、1つのモールドを作製してしまえば、様々な線幅の転写パターンを作り出すことが可能となる。
具体的には、上記の飽和蒸気圧の異なる第1凝縮性ガスと第2凝縮性ガスを混合した場合における毛管凝縮が生じるパターン寸法を、式(1)の計算に基づいて求めることができる。
両凝縮性ガスを互いに希釈したものとして、分圧に基づいて、第1凝縮性ガスと第2凝縮性ガスの影響を単純加算することで、毛管凝縮の影響度を次の式(3)により近似的に求めることが可能である。
ただし、
p01:第1凝縮性ガスの飽和蒸気圧 p02:第2凝縮性ガスの飽和蒸気圧
p1:第1凝縮性ガスの分圧 p2:第2凝縮性ガスの分圧
V1:第1凝縮性ガスの液体のモル体積m3/mol
V2:第2凝縮性ガスの液体のモル体積m3/mol
γ1:第1凝縮性ガスの液体の表面張力 N/m
γ2:第2凝縮性ガスの液体の表面張力 N/m
θ:接触角 R:気体定数(8.31m2kg/s2Kmol)
T:温度293.15K(20℃) a:毛細管半径m
とする。
このときナノインプリントの応用が期待されているパターン寸法5nm〜数100nmにおいては本手法を適用する場合は、毛管凝縮の生じるホールパターンの直径の5nm以下となる第1凝縮性ガスに対する第2凝縮性ガスの割合が35%以上の条件下でナノインプリントを行えばよい。
インプリント装置は、基板1上に溶融状態で成膜された光硬化性樹脂2に対し、微細なパターンが形成されたモールド3を押圧し、両者を接触させた状態で光硬化性樹脂2を硬化させることによって、基板1上にパターンを転写する。
このようなインプリント装置は、例えば、半導体デバイス、マイクロセンサを製造するために用いられる。
インプリントの転写方式として、基板とほぼ同じ大きさのパターンを有するモールド3を用いてパターンを一括で転写する方式と、基板よりも小さなパターンを有するモールドを用いて複数回パターンを転写するステップアンドリピート方式、円筒型のモールドを用いて、連続的にパターンを転写するロール型の方式などが挙げられるが、モールドや金型を使用した転写方式であれば、これに限られるものではない。
このように、基板1とモールド3との間で形成される空間に複数の凝縮性ガスを供給する方法は、高濃度の混合ガス環境下を作り出す方法として非常に簡便であるが、チャンバー等、インプリントする空間ごと閉所空間にする方法など、基板1とモールド3との間に混合雰囲気を作り出せる方法であれば、これに限るものではない。
インプリント条件は加圧力0.1MPa、加圧時間10秒間、UV照射強度100mJ/cm2、照射時間1秒間である。第1凝縮性ガスとして、20℃における飽和蒸気圧が、0.107MPaであるトランス-1-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペンを、第2凝縮性ガスとして、20℃における飽和蒸気圧が、0.419MPaであるトランス-1,3,3,3-テトラフルオロプロペンを用いた。
1回目は第1凝縮性ガス100%、第2凝縮性ガス0%、2回目は第1凝縮性ガス75%、第2凝縮性ガス25%、3回目は第1凝縮性ガス50%、第2凝縮性ガス50%、4回目は第1凝縮性ガス25%、第2凝縮性ガス75%、そして、5回目は第1凝縮性ガス0%、第2凝縮性ガス100%とした。
ただし、いずれの場合も、窒素、酸素等の不可避の成分が若干含まれている。
図4のパターンは、直線溝の幅が70nm、溝深さが100nmのモールド構造を、図5のパターンは、直線溝の幅が125nm、溝深さが100nmのモールド構造を転写したものである。それぞれ、気泡欠陥などのパターン不良は見られずに、良好にパターン形成がなされている。
第2凝縮性ガスの割合が0%(第1凝縮性ガスが100%)のときに、インプリントしたパターンの線幅が最も小さく、反対に、第2凝縮性ガスが100%(第1凝縮性ガスが0%)のときに、インプリントしたパターンの線幅が最も大きかった。
図7に第1と第2の凝縮ガスの混合条件を変えた雰囲気下での、直線溝の幅が125nm、溝深さが100nmのモールド構造を転写したパターンの線幅のグラフを示す。上述と同様に第2のガスの割合に依存して直線性の高い線幅の変動を確認することができた。
2:光硬化性樹脂
3:モールド
4a、4b:ノズル
5:凝縮性ガス供給管
6:第1凝縮性ガスタンク
7:第2凝縮性ガスタンク
6a、7a:調整バルブ
Claims (2)
- モールドに形成した凹部にレジスト層が侵入し、前記レジスト層で封止された前記凹部内部の温度、圧力で凝縮する凝縮性ガスの雰囲気中で、前記モールドに形成した凹部の転写を行うインプリント装置において、
前記凝縮性ガスとして、飽和蒸気圧の異なる複数の凝縮性ガスを一定の比率で供給する供給装置を備え、
前記飽和蒸気圧の異なる複数の凝縮性ガスは、飽和蒸気圧が常温において0.05MPa以上0.2MPa未満の第1凝縮性ガスと、飽和蒸気圧が常温において0.2MPa以上1MPa以下の第2凝縮性ガスを含む、
インプリント装置。 - 前記第1凝縮性ガスは、少なくともトランス-1-クロロ-3,3,3-トリフルオロプロペンを含むものであり、前記第2凝縮性ガスは、少なくとも、トランス-1,3,3,3-テトラフルオロプロペンを含む、請求項1に記載されたインプリント装置。
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