JP4942131B2

JP4942131B2 - スタンパ及びそれを用いたナノ構造の転写方法

Info

Publication number: JP4942131B2
Application number: JP2004091751A
Authority: JP
Inventors: 護吉本; 敦子竹内; 浩司小山; 敏郎古滝; 和彦砂川
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: JP2005271529A

Description

本発明は、スタンパ及びそれを用いたナノ構造の転写方法に関し、特に、スタンパに形成される自己組織構造を有するスタンパを、他の基板または基板上に形成された薄膜に押圧することにより、スタンパのパターンを転写する、ナノインプリントリソグラフィ技術を用いたナノ構造の転写方法に関する。

近年、例えば半導体デバイス、マイクロ光学素子、ＭＥＭＳなどにおいては微細化・小型化が加速し、それに伴って加工プロセスの微細化が求められている。しかしながら、数百ｎｍより小さい、特に約数ｎｍから数十ｎｍといった光の波長より小さい周期の微細パターンは、可視光・紫外光を用いたフォトリソグラフィーによる加工は困難である。このサイズの加工は、電子線で薄膜を露光する電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィーによって可能ではあるが、スループット（時間当たりの処理能力）が小さいという問題点があった。そのため、微細パターンの形成にかかる時間を短縮する技術として、非特許文献１に示すようなナノインプリント法が用いられている。

Ｓ.Ｙ.Ｃｈｏｕ,ｅｔ.ａｌ.,Ｓｃｉｅｎｃｅ,ｖｏｌ.２７２,ｐ.８５―８７,５Ａｐｒｉｌ,１９９６

ナノインプリント法を用いた微細パターン形成の工程は、以下（ａ）〜（ｅ）の工程からなる。
（ａ）スタンパ（鋳型）として用いるＳiＯ↓２製の第１の基板に、電子ビームリソグラフィによってパターン形成を行う。
（ｂ）反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、スタンパに形成されたパターンにエッチングを行い、スタンパのパターンを所望の深さにする。
（ｃ）このように形成したスタンパを、約１.３×１０↑７Ｐaの圧力で、第２の基板である半導体基板の、表面に作成した薄膜に押し付けることにより、圧痕のパターンを形成する。
（ｄ）圧痕のパターンを形成した薄膜を酸素使用反応性イオンエッチング（酸素ＲＩＥ）により加工する。
（ｅ）薄膜をマスクにして半導体表面を加工する。

しかしながら、従来のナノインプリント技術は、例えば電子ビームリソグラフィなどのスループットの小さい方法でスタンパを形成し、それを型にして大量に加工を行うものであった。スループットが小さいため、大面積のスタンパの製作は時間がかかるという問題点があった。また、スタンパの生産効率の悪さは、特に微細構造の少量多品種の生産においてはコスト上昇の要因になるという問題点があった。

また、電子ビームリソグラフィによる加工は、１０ｎｍの精度が限度であるといわれている。しかし、圧痕の寸法とスタンパの寸法が同一であることが、非特許文献１において、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察で示されている。そのため、ナノインプリント技術の加工精度は、スタンパの加工精度に依存しているという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、第１には、より短時間で形成される大面積のスタンパと、そのスタンパを用いた微細構造の転写方法を提供することである。第２には、１０ｎｍ未満の精度のより微細な構造を有した、スタンパ及びその製造方法を提供することである。

請求項１記載の発明は、第１の基板にナノ構造を形成したスタンパを用い、前記第１の基板よりも融点またはガラス転移点の低い薄膜を作成した第２の基板に前記スタンパを押圧し、前記薄膜に加熱を行って前記薄膜を融解または軟化させ、前記薄膜を冷却した後に前記スタンパを除去し、前記スタンパのナノ構造を前記薄膜に転写する工程で用いるスタンパにおいて、前記第１の基板は、サファイヤからなる単結晶基板であり、
１０ｎｍ未満の微細構造からなるナノ構造が自己組織化した表面を有することを特徴とするスタンパである。

請求項２記載の発明は、第１の基板にナノ構造を形成したスタンパを用い、前記第１の基板よりも融点またはガラス転移点の低い第３の基板に前記スタンパを押圧し、前記第３の基板に加熱を行って前記第３の基板を融解または軟化させ、前記第３の基板を冷却した後に前記スタンパを除去し、前記スタンパのナノ構造を前記第３の基板に転写する工程で用いるスタンパにおいて、
前記第１の基板は、サファイヤからなる単結晶基板であり、
１０ｎｍ未満の微細構造からなるナノ構造が自己組織化した表面を有することを特徴とするスタンパである。

請求項３記載の発明は、第１の基板にナノ構造を形成したスタンパを用い、前記第１の基板よりも融点またはガラス転移点の低い薄膜を作成した第２の基板に前記スタンパを押圧し、前記薄膜に加熱を行って前記薄膜を融解または軟化させ、前記薄膜を冷却した後に前記スタンパを除去し、前記スタンパのナノ構造を前記薄膜に転写する工程で用いる方法において、
前記第１の基板は、サファイヤからなる単結晶基板であり、
１０ｎｍ未満の微細構造からなるナノ構造が自己組織化した表面を有することを特徴とする、ナノ構造の転写方法である。

請求項４記載の発明は、請求項３に記載の発明の構成に加えて、前記薄膜が高分子、ガラス、セラミックス、金属、半導性材料及び圧縮成形可能な粒状セラミックスのいずれかからなることを特徴とする、ナノ構造の転写方法である。

請求項５記載の発明は、第１の基板にナノ構造を形成したスタンパを用い、前記第１の基板よりも融点またはガラス転移点の低い第３の基板に前記スタンパを押圧し、前記第３の基板に加熱を行って前記第３の基板を融解または軟化させ、前記第３の基板を冷却した後に前記スタンパを除去し、前記スタンパのナノ構造を前記第３の基板に転写する工程において、
前記第１の基板は、サファイヤからなる単結晶基板であり、
１０ｎｍ未満の微細構造からなるナノ構造が自己組織化した表面を有することを特徴とする、ナノ構造の転写方法である。

請求項６記載の発明は、請求項５に記載の発明の構成に加えて、前記第３の基板が高分子、ガラス、セラミックス、金属、半導性材料及び圧縮成形可能な粒状セラミックスのいずれかからなることを特徴とする、ナノ構造の転写方法である。

本発明のスタンパ及びそれを用いたナノ構造の転写方法によれば、基板表面に自己組織化を行い、基板表面にナノ構造を有するスタンパを形成することにより、大面積のスタンパをより短時間で形成することができるという効果を奏する。また、形成されるスタンパのナノ構造の周期は、１０ｎｍ未満の微細さを持たせることが出来る。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施形態は、第１の基板１からなるスタンパと、第３の基板６、第２の基板２、薄膜３を用いたナノ構造の転写方法である。ここで、例えば図１に示すように、第２の基板２に形成した、基板の有する融点およびガラス転移点より低い、融点またはガラス転移点を有する薄膜３上に、ナノ構造を転写する工程を第１の実施形態とする。例えば図２に示すように、基板の有する融点およびガラス転移点より低い、融点またはガラス転移点を有する第３の基板６上に、ナノ構造を転写する工程を第２の実施形態とする。これら第１・第２の実施形態について、以下で説明する。

第１の実施形態は、第１の基板１でスタンパを形成し、第２の基板２表面の薄膜３にナノ構造を転写する形態である。まず、第１の基板１上にナノ構造を形成する。第１の基板１は、化学的・機械的に安定的であり、ナノ構造の保持が容易で繰り返しの使用にも耐えうるため、表面が酸化物・窒化物・炭化物からなる基板が好ましい。表面が酸化物・窒化物・炭化物である基板は、基板そのものが酸化物・窒化物・炭化物からなる基板のほか、基板表面に酸化物・窒化物・炭化物からなる薄膜が形成されている基板も含む。第１の基板１としては、例えばＡｌ↓２Ｏ↓３、ＳiＯ↓２、ＹＳＺ、ＴｉＯ↓２、ＳｒＴｉＯ↓３、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＴｉＮ、Ｓｉ↓３Ｎ↓４、ＡｌＧａＮ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｃ（Ｄｉａｍｏｎｄ）、Ｃ（Ｇｒａｐｈｉｔｅ）などが好ましい。第１の基板１は、予め鏡面研磨などの手段により、表面を原子レベルで平坦化を行う。平坦化された第１の基板１に対して、加熱・エッチング等の手段により、自己組織化を行う。自己組織化によるナノ構造としては、例えばサファイヤの（０００１）近傍の面を熱処理した際に表れるステップ構造が挙げられる。

このようにして、第１の基板１からスタンパが形成される。本実施形態に用いる薄膜３は、第１の基板１・第２の基板２のガラス転移点および融点よりも、ガラス転移点・融点が低いこと、または薄膜が塑性変形しうることが求められる。また薄膜３は、第１の基板１との濡れ性が小さく、第２の基板２との濡れ性が大きいほうが好ましい。薄膜３に用いる材料としては、例えば高分子、ガラス、セラミックス、金属、半導性材料及び圧縮成形可能な粒状セラミックスなどが挙げられ、例えばＰＭＭＡ、ポリイミド、スピンオンガラス（ＳＯＧ）、Ｇａ、Ｉｎ、ＧａＮ、Ｐｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓなどが好ましい。第２の基板２上には薄膜３を均一に成膜する。成膜の手段としては、スピンコート、ディップコート、ロールコート、蒸着、イオンプレーティング、ＣＶＤ、ＰＶＤ等が一般的手段として存在する。

該薄膜３を成膜した第２の基板と第１の基板１とを、予め加熱された鉄板４で挟み、これらを油圧プレス機５に載置する（図１（ａ））。鉄板４を挟み込むのは、第１の基板１・第２の基板２の外側のうちの一方であっても構わない。この場合、加熱された鉄板４によって薄膜３が加熱される。加熱手段としては、鉄板４を用いる代わりに、第１の基板１または第２の基板２を、ホットプレート等で加熱させる手段がある。また、第１の基板１が透明基板であれば、薄膜３への光放射による加熱も可能である。これらの方法により薄膜３を加熱しながら油圧プレス機５によりプレスを行うことで、薄膜３を融解・軟化させ、第１の基板１のナノ構造内に薄膜３を導入させる（図１（ｂ））。また薄膜３が、例えば一部の高分子・金属・半導性材料などのように常温で塑性変形しうる材料であれば、上記のような加熱を行う必要はなく、常温で油圧プレス機５によりプレスを行えばよい。油圧プレス機５によるプレス時間はプレス圧・温度などの条件により異なるが、より長時間行うことが好ましい。プレス後は、室温で静置して放冷または水冷により急冷等を行う。冷却後（図１（ｃ））、第１の基板１から薄膜３を離型する。これにより、薄膜３上にスタンパのナノ構造が転写される（図１（ｄ））。

第２の実施形態は、第１の基板１でスタンパを形成し、第３の基板６の表面を溶融・軟化させてナノ構造を転写する形態である。第１の基板１からスタンパを形成する工程は、第１の実施形態と同一である。

一方で第３の基板６は、第１の基板１の融点およびガラス転移点よりも、ガラス転移点・融点が低いこと、もしくは第３の基板が塑性変形しうることが求められる。また第３の基板６は、第１の基板１との濡れ性が小さいものが好ましい。第３の基板６に用いる材料としては、例えば高分子、ガラス、セラミックス、金属、半導性材料及び圧縮成形可能な粒状セラミックスなどが挙げられ、例えばＰＭＭＡ、ポリイミド、スピンオンガラス（ＳＯＧ）、Ｇａ、Ｉｎ、ＧａＮ、Ｐｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓなどが好ましい。パターン転写のむらを無くし、精度を向上させるため、第３の基板６に予め超平坦研磨を行っておくことが好ましい。

第３の基板６と第１の基板１とを、予め加熱された鉄板４で挟み、これらを油圧プレス機５に載置する（図２（ａ））。鉄板４を挟み込むのは、第１の基板１・第２の基板２の外側のうちの一方であっても構わない。この場合、加熱された鉄板４によって第３の基板６の表面部が加熱される。加熱手段としては、鉄板４を用いる代わりに、第１の基板１または第２の基板２を、ホットプレート等で加熱させる手段がある。また、第１の基板１が透明基板であれば、第３の基板６の表面部への光放射による加熱も可能である。これらの方法により第３の基板６を加熱しながら油圧プレス機５によりプレスを行うことで、第３の基板６の表面部を融解・軟化・熱分解させ、第１の基板１のナノ構造内に融解・軟化した第３の基板６の表面部を導入させる（図２（ｂ））。また薄膜３が、例えば一部の高分子・金属・半導性材料などのように常温で塑性変形しうる材料であれば、上記のような加熱を行う必要はなく、常温で油圧プレス機５によりプレスを行えばよい。油圧プレス機５によるプレス時間は、長いほうが転写精度は高くなるが、軟化した第３の基板６が融解・軟化により変形しない程度の時間に決定することが好ましい。プレス後は、室温で静置して放冷または水冷等による急冷を行う。冷却後（図２（ｃ））、第１の基板１から第３の基板６を離型すると、第３の基板６上にスタンパのナノ構造が転写される（図２（ｄ））。

第１の実施形態の実施例として、第１の基板１・第２の基板２としてサファイヤ基板を、薄膜３としてＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を用いた場合について説明する。
第１のサファイヤ基板は、主面が鏡面研磨後に熱処理を行い、高さ０.２０ｎｍのステップ構造を形成した。一方の第３のサファイヤ基板は超平坦に研磨加工を行い、表面に５％のＰＭＭＡのアセトン溶液をスピンコートして乾燥させ、ＰＭＭＡ薄膜を製膜した。

１８０℃に熱したホットプレート上に、ＰＭＭＡ薄膜を製膜した第１の基板１、そして第３の基板６と、２枚の鉄板４とを載せて加熱し、断熱材・鉄板４・第１の基板１・薄膜３・第２の基板２・鉄板４・断熱材の順に積み重ねて油圧プレス機５にかけた。プレスの圧力は２００ｋｇ／ｃｍ↑２であり、プレス時間は１０分間であった。プレス後は、室温中で静置して徐冷し、十分に冷却されたところでスタンパを薄膜３から取り外した。（図２参照）
その結果、ＰＭＭＡ薄膜３の表面粗さを表すＲＳＭ値は、成膜直後は８.６４ｎｍであったものが、スタンパ転写後は０.１９ｎｍとなり、スタンパであるステップ基板の表面粗さとほぼ等しくなった。また、図３のＡＦＭによる写真が示すように、ＰＭＭＡ薄膜３の表面には、第１の基板１のステップ構造が転写された。

第１の実施形態に係る、ナノ構造の転写方法を説明する図である。第２の実施形態に係る、ナノ構造の転写方法を説明する図である。第１の実施形態により転写されたナノ構造の転写を示す顕微鏡写真である。

符号の説明

１第１の基板
２第２の基板
３薄膜
４鉄板
５油圧プレス機
６第３の基板

Claims

第１の基板にナノ構造を形成したスタンパを用い、
前記第１の基板よりも融点またはガラス転移点の低い薄膜を作成した第２の基板に前記スタンパを押圧し、
前記薄膜に加熱を行って前記薄膜を融解または軟化させ、
前記薄膜を冷却した後に前記スタンパを除去し、
前記スタンパのナノ構造を前記薄膜に転写する工程で用いるスタンパにおいて、
前記第１の基板は、サファイヤからなる単結晶基板であり、
１０ｎｍ未満の微細構造からなるナノ構造が自己組織化した表面を有することを特徴とするスタンパ。
第１の基板にナノ構造を形成したスタンパを用い、
前記第１の基板よりも融点またはガラス転移点の低い第３の基板に前記スタンパを押圧し、
前記第３の基板に加熱を行って前記第３の基板を融解または軟化させ、
前記第３の基板を冷却した後に前記スタンパを除去し、
前記スタンパのナノ構造を前記第３の基板に転写する工程で用いるスタンパにおいて、
前記第１の基板は、サファイヤからなる単結晶基板であり、
１０ｎｍ未満の微細構造からなるナノ構造が自己組織化した表面を有することを特徴とするスタンパ。
第１の基板にナノ構造を形成したスタンパを用い、
前記第１の基板よりも融点またはガラス転移点の低い薄膜を作成した第２の基板に前記スタンパを押圧し、
前記薄膜に加熱を行って前記薄膜を融解または軟化させ、
前記薄膜を冷却した後に前記スタンパを除去し、
前記スタンパのナノ構造を前記薄膜に転写する工程で用いる方法において、
前記第１の基板は、サファイヤからなる単結晶基板であり、
１０ｎｍ未満の微細構造からなるナノ構造が自己組織化した表面を有することを特徴とする、
ナノ構造の転写方法。
前記薄膜が高分子、ガラス、セラミックス、金属、半導性材料及び圧縮成形可能な粒状セラミックスのいずれかからなることを特徴とする、請求項３に記載のナノ構造の転写方法。
第１の基板にナノ構造を形成したスタンパを用い、
前記第１の基板よりも融点またはガラス転移点の低い第３の基板に前記スタンパを押圧し、
前記第３の基板に加熱を行って前記第３の基板を融解または軟化させ、
前記第３の基板を冷却した後に前記スタンパを除去し、
前記スタンパのナノ構造を前記第３の基板に転写する工程において、
前記第１の基板は、サファイヤからなる単結晶基板であり、
１０ｎｍ未満の微細構造からなるナノ構造が自己組織化した表面を有することを特徴とする、
ナノ構造の転写方法。
前記第３の基板が高分子、ガラス、セラミックス、金属、半導性材料及び圧縮成形可能な粒状セラミックスのいずれかからなることを特徴とする、請求項５に記載のナノ構造の転写方法。