JP6547283B2 - 基板上構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
かかるサブ波長オーダの微細パターンを作製する手段としては、例えば、ステッパや電子ビーム描画による露光方法、或いは紫外線よりも更に波長の短いX線を利用したリソグラフィ技術が知られている(例えば、非特許文献1参照)。しかしながら、これらの方法には量産に対して不向きな点があり、前述したような各種デバイスの量産工程には未だ適用されていない。
ステッパによる露光は量産に適した方法ではあるが、適用可能なワークがSEMI規格に適合している必要があり、厚みのあるワークや反りの大きいワークには適用できない。例えばSEMI規格では、8インチSi基板の厚さは725±20μm、厚さばらつきの指標TTV(Total Thickness Variation)は10μmと定められており、これに適合しない基板はステッパでは露光できない。一方で上述したような各種デバイスの基板には、1インチ〜2インチ程度の小径のものや、表面に機能性材料を成膜したために形状が大きく反っているものがあり、いずれもステッパでは露光できない。
そこで、最近では、樹脂やガラス等のワークをマスターモールド(型)と基板とで挟み込み、微細な凹凸パターンを転写するナノインプリント法(ナノインプリントリソグラフィ:NIL)により微細構造体を加工する方法も提案されている。
そこで、本発明は、低コストで高精度な微細加工を実現可能な基板上構造体の製造方法を提供することを課題としている。
このように、ガラス転移温度を上回る温度で加熱する処理を施すことで、異方性を有する形状(例えば、楕円形状)の微細パターンを、表面張力により正円形状に自然に整形することができる。また、これにより、感光性材料層に形成された微細パターンをマスクとして用い、基板若しくは基板上に設けられた機能材料層をエッチングして除去した際に、真円形状の底面を持つ精度の良いモスアイ構造を形成することができる。
また、この熱処理工程により、微細パターンの幅を広げ、互いに隣接する凸部の間隔を狭くすることもできる。すなわち、より密に配置された構造体を形成することができる。
また、前記干渉露光を行うステップは、前記感光性材料層に対して複数回の干渉露光を行うステップであって、第2回目以降の干渉露光における干渉縞の長手方向を、第1回目の干渉露光における干渉縞の長手方向と所定角度で交差させる。このように、干渉露光を複数回実施することで、容易に所望の微細パターンを形成することができる。
さらに、上記の基板上構造体の製造方法において、前記干渉露光を行うステップでは、前記感光性材料層に形成される微細パターンが三方配列となるよう干渉露光を行ってもよい。すなわち、干渉縞の長手方向が60°交差するように干渉露光すれば、三方配列のモスアイ構造を得ることができる。この場合、正方配列のモスアイ構造と比較して細密構造とすることができる。
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の露光装置を示す概略構成図である。
図中、符号1は露光装置である。露光装置1は、光源2と、ビームエキスパンダ3と、打ち下ろしミラー4と、シャッター5と、ビーム分岐素子6と、折り返しミラー7a,7bと、集光レンズ8a,8bと、ピンホール9a,9bと、コリメートレンズ10a,10bとを備える。また、露光装置1は、ステージ11と、吸着盤12と、コントローラ20と、ステージ駆動回路21とを備える。
シャッター5は、レーザー光出射のON/OFFを切り替えるためのものであり、ミラー4とビーム分岐素子6との間に配置する。このシャッター5の開閉は、コントローラ20が制御する。
ビーム分岐素子6により生成された2本のレーザー光B1,B2は、それぞれ折り返しミラー7a,7bによって光路偏向され、集光レンズ8a,8bに入射する。
ここで、ピンホール9a,9bは、空間フィルタとして機能し、集光レンズ8a,8bまでの光路で生じたビーム波面の乱れを取り除くために用いる。また、コリメートレンズ10a,10bは、レーザー光の波面を理想的な平面波とするために用いる。
このように、ビームエキスパンダ3、打ち下ろしミラー4、シャッター5、ビーム分岐素子6、折り返しミラー7a,7b、集光レンズ8a,8b、ピンホール9a,9b及びコリメートレンズ10a,10bから構成される光学系素子によって、光源2の出力光を2分岐した光を干渉角度2θで交差させ、干渉光を発生する。この光学系素子のうち、ビーム分岐素子6からワークWまでの間の素子一式は対になるように設けられており、ビーム分岐素子6で分岐した2本のレーザー光をそれぞれワークWまで誘導、整形し、ワークW上で干渉させるようになっている。
なお、レーザー光B3,B4のビーム径(1/e2)は、ビームエキスパンダ3や集光レンズ8a,8b、コリメートレンズ10a,10bでの倍率によって任意に決めることができる。当該ビーム径の大きさは、用途に合わせて適宜設定する。
このようなワークWを干渉光で露光し現像することにより、感光性材料層(フォトレジスト等)に、複数の凸部及び/又は凹部が配列されてなる微細パターンを形成することができる。このとき、基板に塗布されたレジストが、光照射部分が現像液に溶解するポジ型である場合、上記の露光方法を用いて露光し現像することにより、光照射されていない箇所が残存したレジストパターンを得ることができる。一方、レジストが、光照射部分が架橋して現像液に溶解しなくなるネガ型である場合には、上記の露光方法を用いて露光し現像することにより、光照射された箇所が現像後に残存したレジストパターンを得ることができる。
本実施形態では、ワークWに対して複数回露光を行う。その際、1回目の露光では、例えば図3に示すように、Y方向に伸びるストライプ状の干渉パターンをワークWに照射する。そして、2回目以降の露光では、1回目の干渉パターン(第一の干渉パターン)に対してストライプ状の干渉パターンを所定角度回転させ、これを第二の干渉パターンとしてワークWに照射する。
ここで、上記配向角度δは90°に限定されず、0°<δ≦90°の範囲内で任意に設定可能である。当該配向角度を変化させることで、ワークWに照射するパターンの形状を変化させることができる。
なお、2回目以降の露光を行う際には、干渉パターンを回転させてもよいし、ワークWを保持するステージ11を回転させてもよい。ステージ11を回転させる方法の方が、容易に複数回干渉露光を実現することができ好ましい。
したがって、レジストがポジ型である場合、現像後は円柱が残存したレジストパターンを得ることができる。この場合、図6に示すように、円柱状の微細パターン(ドット)P1は正方配列で配列される。
したがって、レジストがポジ型である場合、現像後は楕円柱が残存したレジストパターンを得ることができる。この場合、図8に示すように、楕円柱状の微細パターン(ドット)P1は三方配列で配列される。
このように、配向角度が60°の場合は、配向角度が90°の場合と比較してドットのピッチが狭くなる。すなわち、配向角度を変更することで、任意の面内密度を有するレジストパターンを作製することができる。
本発明者らは、上記の露光及び現像により得られたレジストパターンに熱処理を加えることで、パターン形状を真円状に整形することができることを見出した。そこで、本実施形態では、レジストパターンを、レジストのガラス転移温度を上回る温度で加熱し、レジストパターンを真円状に整形する。
図9は、図8に示すレジストパターンに対して、ガラス転移温度以下で熱処理を実施した結果を示す図である。ここでは、ガラス転移温度がおよそ140℃〜150℃のレジストに対し、加熱温度を150℃、加熱時間を10分として熱処理を施した。図9に示すように、ガラス転移温度以下での熱処理では、熱処理後のパターンP2は熱処理前のパターンP1から変化せず、整形は行われなかった。
ここでは、ガラス転移温度がおよそ140℃〜150℃のレジストに対し、加熱温度を200℃、加熱時間を10分として熱処理を施した。このように、ガラス転移温度を超える温度での熱処理では、レジストパターンが整形され、熱処理後のパターンP2は正円形状となった。すなわち、熱処理により楕円形状のレジストパターンを正円形状に整形することができ、三方配列で正円形状のドットパターンが得られる。
そして、このようにして得られた熱処理後のレジストをマスクとして用い、レジストに直下に位置する基板若しくは基板上に設けられた機能材料層をエッチングして除去することで、基板表面若しくは機能材料層の表面に凸状の構造体が二次元周期的に配置されたモスアイ構造を有する基板上構造体を作製することができる。上述したように、熱処理後のレジストパターンは正円に整形されているため、真円形状の底面を有する高精度なモスアイ構造を作製することが可能となる。
図11は、熱処理前のレジストパターンの一例を示す断面図である。例えば、配向角度が60°である場合、図12に示すように、レジストパターンはXY平面において三方配列で楕円形状を有する。このように、配向角度が60°である場合、熱処理前のドット(微細構造体)P1の形状は楕円柱状であり、その断面形状は図11に示すように略四角形である。
この状態から上記の熱処理を施すと、微細構造体P1は、図13に示すように、頂点から基板に近づくにつれて半径方向の幅が広がった半球形状の微細構造体P2に整形される。ここで、熱処理の加熱条件は、加熱温度を185℃、加熱時間を10分とした。このときのXY平面における微細構造体P2の形状は、図14に示すように正円となる。これにより、隣接する微細構造体の間隔が狭くなり、密接した等方配置とすることができる。
このように、加熱温度を高くすると、加熱時間が同じであっても、ドット径は大きくなり、隣接する微細構造体との間隔が狭くなる。すなわち、レジストパターンにおいて隣接する微細構造体との間隔を狭くし、より密接した配置とすることができる。
このように、加熱条件を調整することで、熱処理後のドット径を調整し、微細構造体の面内密度を調整することができる。
なお、ここでは加熱温度を変化させる場合について説明したが、加熱時間を変化させることでも、同様に熱処理後のドット径を調整することができる。また、所望のドット径(面内密度)を得るための加熱条件は、レジストの材料やレジストの下にある基板の材料等に応じて適宜設定することができる。
先ず、図17(a)に示すように、表面に機能材料層40が設けられた基板30を準備する。ここで、基板30は、例えば石英基板(SiO2)等であり、機能材料層40は、例えばジルコニア(ZrO2)等である。機能材料層40は、例えばスパッタ成膜法により基板30上に形成されている。なお、基板30及び機能材料層40の材質は、用途等に応じて適宜設定可能である。
そして、第一工程として、図17(b)に示すように、機能材料層40の表面に感光性材料層(例えば、フォトレジスト等)50を形成し、第二工程として、上述した二光束干渉露光を複数回行い、フォトレジスト50を露光する。
次に、第四工程として、第三工程で得られたフォトレジスト50の微細パターン51に対して熱処理(楕円補正)を施し、微細パターン51を整形する。その際、例えばホットプレート等を用いて熱処理を行う。これにより、図17(d)に示す断面半球形状の微細パターン52を得る。
次に、最終工程として、第五工程で得られた機能材料層40の微細パターン41に対してスパッタリングを行い、図17(f)に示すモスアイ構造42を有する基板上構造体を得る。
なお、図17に示す例では、基板30上に設けられた機能材料層40の表面に微細パターンを形成する場合について説明したが、基板30の表面にフォトレジスト50の微細パターン52を形成し、当該微細パターン52をマスクとして用いて基板30をエッチングすれば、基板30の表面にモスアイ構造を形成することもできる。
このようにして製造された基板上構造体は、偏光素子や反射防止素子等の光学素子、或いは蛍光光源やLEDに代表される半導体発光素子等の各種デバイスとして使用可能である。
二光束干渉露光は微細フォトマスクを用いずに微細パターン露光が可能であり、ワークに対して接触する要素がない。したがって、NIL(ナノインプリントリソグラフィ)のようにワークとマスターモールドとの都度接触が必要な方法と比較して、歩留まりを高くすることができる。
また、ナノインプリント法では、ワークとマスターモールドとの都度接触によりマスターモールドの劣化が生じるため、マスターモールドの管理が必要となるが、二光束干渉露光では、上記のような管理を必要とすることなく品質安定性を確保することができる。さらに、二光束干渉露光では、ナノインプリント法のように消耗品である高価なマスターモールドを必要としないため、その分のコストを削減することができる。
したがって、上記のフォトレジストを用いてエッチング加工を施すことにより、微細な凸部及び/又は凹部が2次元周期的に配列され、制御された形状を有する微細構造体を製造することができる。このように、特に、レジストパターンがドットパターンである場合には、高精度なモスアイ構造を有する微細構造体を製造することができる。
なお、微細構造体を形成する基板の材質は、その用途に応じて適宜選択することができる。例えば、本実施形態により製造したモスアイ構造を有する構造体は、ナノインプリント法で用いられるマスターモールドとして利用することもできる。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
この第2の実施形態は、上述した第1の実施形態において、折り返しミラー7a,7bが固定ミラーであったのに対し、角度可変ミラーとしたものである。
図19は、第2の実施形態の露光装置を示す概略構成図である。
この露光装置1は、図1の露光装置1において折り返しミラー7a,7bを角度可変ミラー17a,17bとしたことを除いては、図1に示す露光装置1と同様の構成を有する。したがって、ここでは図1と同一構成を有する部分には同一符号を付し、構成の異なる部分を中心に説明する。
図20は、角度可変ミラー17a及び17bの機構を示す図である。角度可変ミラー17aと17bとは同一構成を有するため、ここでは角度可変見ミラー17aの機構についてのみ図示している。
この干渉角度θは、駆動部(アクチュエータ)22を用いて調整する。駆動部22は、ミラー反射ビームB5のなす直線上に配置されたフレームに作用し、干渉角度θを調整する。なお、駆動部22は、T字フレームTに作用して干渉角度θを調整する構成であってもよい。
このように、本実施形態の露光装置は、ビーム分岐素子6で2以上に分岐した光が所望の角度で交差するように、分岐したそれぞれの光を基板へ向けて偏向する角度可変ミラー17a,17bを備えるので、基板に形成されるストライプ状の干渉パターンのピッチを自在に変更することができる。すなわち、複数回露光によって得られるレジストパターンのピッチ(面内密度)を自在に変更することができる。
なお、上記実施形態においては、二光束干渉露光について説明したが、ビームを2以上に分岐させ、それらを一度に基板へと照射する、所謂多光束干渉露光を採用してもよい。ビームの分岐手段には、例えば、レーザーを複数のビームに分岐させる回折光学素子を用いてもよい。多光束干渉露光で、例えば、2つのビームの干渉パターンを90°回転させて重畳させる方法と同様の結果を得るためには、図21に示すように、ビームを4分岐させて、分岐ビームと基板の法線がなす4つの面が90°ずつ配向し、かつ、基板に入射する際に向かい合う2つの分岐ビームがなす角度が所定の干渉角度となるように、光学部品を配置すればよい。
上記実施形態においては、二光束干渉露光により得られたレジストパターンを熱処理により整形する場合について説明したが、別の方法(例えば、ナノインプリント法やステッパ等)により得られた微細パターンを上述した熱処理により整形することもできる。例えば、ナノインプリント法により得られた微細パターンに対して上記の熱処理を施すことにより、互いに隣接する微細な凸部の間の隙間を小さくし、解像度を上げることができる。すなわち、当該熱処理により微細パターンを整形可能となることで、微細パターンの解像度の限界を超えることができる。
なお、このときのレジストパターンは、ラインアンドスペースであってもよい。この場合にも、ラインアンドスペースに対して熱処理を施すことで、ライン幅を変更するなどの整形が可能となる。
Claims (1)
- 基板の表面若しくは当該基板上に設けられた機能材料層の表面に複数の凸部及び凹部の少なくとも一方が配列されてなるモスアイ構造を有する基板上構造体の製造方法であって、
前記基板の表面若しくは前記機能材料層の表面に、ガラス転移点を有する材料から構成される感光性材料層を形成するステップと、
コヒーレント光源の出力光を2以上に分岐した光を、角度調整手段により、所定の干渉角度で交差させて、干渉縞の長手方向が所定の角度で交差する干渉光を発生させて干渉パターンのピッチを調整し、当該干渉光を用いて、前記感光性材料層に対して複数回の干渉露光を行うステップであって、第2回目以降の干渉露光における干渉縞の長手方向を、前記基板の側を回転させることにより、第1回目の干渉露光における干渉縞の長手方向と0°より大きく90°未満の角度で交差させて干渉露光を行うステップと、
前記干渉露光後の感光性材料層における前記干渉光の照射エリア若しくは非照射エリアを除去して、前記感光性材料層に楕円柱状の微細パターンを三方配列で形成するステップと、
前記楕円柱状の微細パターンに対して前記ガラス転移温度を上回る温度で熱処理を行い、当該微細パターンを半球形状のドットパターンに整形して、前記ドットパターンの面内密度を高めるステップと、
前記半球形状のドットパターンを用いて、前記基板若しくは前記機能材料層をエッチングして前記モスアイ構造を形成するステップと、を含むことを特徴とする基板上構造体の製造方法。
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