JP2005203797A - ナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型スタンプを製作した後,小型スタンプを利用してナノイントリソグラフィ用大面積スタンプを製作する。
【解決手段】本発明の大面積スタンプ製作方法は、基板の上に高分子薄膜を蒸着(S111)し、高分子薄膜上にレジスト材料をコーティング(S112)し、レジスト上に小型の第1スタンプを利用して局部的にインプリント工程を実行(S113)する。そして、第1スタンプが移動されながらプリント工程を反復実行(S114)して、全体基板に対してレジストパターンを形成する(S115)。さらに、基板全体にレジストパターンが形成した後、エッチングを介して残留レイヤーを取り除いて、高分子薄膜をパターニング(S116)し、高分子薄膜にコーティングされたレジストを取り除いて大面積の第２スタンプを完成(S117)する、各段階を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、ナノインプリントリソグラフィのための大面積スタンプ製作方法に関することである。
ナノインプリントリソグラフィ(Nanoimprint Lithography)技術は、1990年代中頃アメリカのプリンストン大学のStephen Y. Chou教授によって提案されたナノ素子製作方法で、低い生産性を有する電子ビームリソグラフィや高価の光学リソグラフィに代わる技術で注目されている。
上記ナノインプリントの核心は、電子ビームリソグラフィの生産性問題を克服しようとすることであり、電子ビームリソグラフィや他の方法を利用してナノスケールの構造を有するスタンプを製作して、前記製作されたスタンプ(stamp)を高分子薄膜に印刷してナノスケールの構造を転写する動作を繰り返し使用する。
ナノインプリント工程は、使用する有機薄膜の硬化方式によって大きく熱硬化方式と紫外線方式に分類される。
前記熱硬化方式のナノインプリント工程は、図１に図示されたものである。
図１aのようにシリコンのような基板(10)上に高分子薄膜(20)をスピンコーティングする。その後、予め製作されたスタンプ(30)と基板(10)を平行に置いて、前記高分子薄膜(20)をガラス転移温度まで加熱する。ここで、スタンプ(30)はナノパターンの陽刻(31)及び陰刻(32)が形成される。
前記高分子薄膜(20)の温度がガラス転移温度まで加熱されれば、図１bのようにスタンプ(30)のパターンを高分子薄膜(20)に物理的に接触させて所定の圧力を加えることで、スタンプ(30)のパターンが高分子薄膜(20)にインプリントされる。以後、高分子薄膜(20)の温度を低める。
そして、高分子薄膜(20)の温度がガラス転移温度以下になれば、図１cのようにスタンプ(30)を高分子薄膜(20)から分離させる。ここで、高分子薄膜(20)にはスタンプ(30)の陽刻(31)及び陰刻(32)に対応するパターンの陰刻(22)及び陽刻(21)がインプリントされる。
そして、高分子薄膜(20)にインプリントされた残った部分をエッチング(etching)すれば、図１dのように基板上に高分子薄膜パターン(21、22)が形成される。これに従ってナノインプリント工程によってスタンプ(30)上のナノパターンが高分子薄膜(20)に転写される。
一方、紫外線硬化方式は、熱硬化方式と類似しているが、スタンプを透明な材料で使用しかつ紫外線硬化型高分子を利用して紫外線の照射を介して硬化する方式が、熱硬化方式との差である。このような紫外線硬化方式は、高い温度と圧力を必要としないため最近多く研究が実行されている方式である。
最近では、関連装備技術の発達によって、図２で示すように小さな面積のスタンプを製作できるようになっている。
図２は、従来のステップ反復インプリント工程を示した図である。
図２ａを参照すれば、ナノパターンを有するスタンプ(70)を製作して、基板(40)上にポリマー(50)を蒸着させる。この時、光学素子(optics)及び撮像素子(CCD: Charge-Coupled Device)を利用した整列部(60)を介して前記スタンプ(70)の位置をポリマー(50)上に整合(align)させる。すなわち、ポリマー(50)とスタンプ(70)は、光学素子(OPTICS)を利用して位置整列させ、撮像素子(CCD)が整列可否を感知して位置制御する。
このように位置制御が完了すれば、図２ｂのように基板(40)の一部分にスタンプ(70)のパターンに対してインプリント工程を実行して、その後、図２ｃのようにポリマー(50)を冷凍させた後、スタンプ(70)を基板から分離させる。図２dのように、スタンプ(70)を一定ステップだけ、位置移動させまたアライメントさせて、インプリント及びステップ移動を反復する過程を実行し、全体基板のポリマーにスタンプのパターンを転写する。このような方式をステップ反復(Step-and-repeat)方式と言う。
一方、紫外線硬化方式とステップ反復方式が結合されたステップエンドフラッシュ・インプリントリソグラフィ(Step and Flash Imprint Lithography)方式は、技術的に一番進んでいると評価されている。
このように、従来では、スタンプの大きさが、一回で印刷することができるパターン面積を決定するようになって、またナノインプリントの生産性を決定する重要な要因になっている。最近の研究は、6インチのウエハに数百nm間隔を有するた50nmパターンを印刷したことが報告されている。
しかし、その密度のナノパターンを有する大面積スタンプを電子ビムリソグラフィで製作することは高費用が発生する問題がある。
またステップ反復インプリント方式は、基板の大きさのスタンプを利用して一回で大面積を印刷する方式に比べて時間当り生産量が落ちるという問題を有している。
本発明は、数百ナノメートルの微細線幅パターンを有する小型スタンプを利用してステップ反復インプリント方式で大面積のスタンプを製作することを目的としている。
本発明の実施形態によるナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法は、基板の上に高分子薄膜を蒸着する段階;前記高分子薄膜の上にレジスト材料をコーティングする段階;前記レジストの上に小型の第１スタンプを利用して局部的にインプリント工程を実行する段階;前記第1スタンプを移動しながらインプリント工程を反復実行して、全体基板に対してレジストパターンを形成する段階; 前記基板全体にレジストパターンを形成した後、エッチングを介して残留レイヤーを取り除いて高分子薄膜をパターニングする段階;前記高分子薄膜にコーティングされたレジストを取り除いて大面積の第２スタンプを完成する段階を含んでなることを特徴とする。
本発明の他の実施形態によるナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法は、数百ナノメートル以下のパターンを有する小型の第１スタンプを製作する段階;前記小型の第1スタンプを利用してステップ反復インプリント方式で数百ナノメートル以下のパターンを有する大面積の第２スタンプを製作する段階を含むことを特徴とする。
上述したのように、本発明は、微細パターンがある小型スタンプの製作だけで大面積のインプリントが可能になることで、数百ナノメートル以下のパターニングが必要な全ての部門で広範囲に応用することが可能である。また、大面積スタンプを利用して素子の大量生産に有利な効果がある。
本発明によれば、数百ナノメートルのパターンを有する小型スタンプを製作して、これを利用してステップ反復インプリント方式で大面積のスタンプを製作することで、基板の大きさに対応される大面積のスタンプを利用して基板の全面積を一回で印刷することができる。
本発明の実施形態によるナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法を添付された図面を参照して、以下で説明する。
図３は、本発明によるナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法を示したフローチャートである。
図３を参照すれば、数百ナノメートル(nm)以下の小型線幅を有する小型スタンプを製作して(S101)、前記製作された小型スタンプを使用してステップ反復インプリント方式で基板の大きさの大型スタンプを製作する(S102)。そして、基板の大きさの大面積スタンプは高密度の数百ナノメートルのパターンを有して形成されるので、これを利用して一回で基板の全面積を印刷する(S103)。
前記段階S101の小型のスタンプは希望する数百ナノメートル(例: 200nm)以下の微細線幅を有するパターンを与えるように蒸着、露光及び現象、エッチング等の半導体工程を介して製作される。前記小型スタンプの材料では、シリコン(Si)、酸化シリコン等の半導体材料、ニッケル等の金属材料、石英(Quartz) 等の透明な材料及び高分子物質等を使用することができる。
また、前記インプリント方式では、熱を加えて高分子を成型する熱硬化方式のインプリント技法と、小型スタンプで押しながら紫外線を利用して高分子を硬化して成型する紫外線硬化方式のインプリント技法が使われる。
ここで、小型スタンプ材料で使用する上記の半導体材料、透明な材料及び高分子物質等の材料等は、全て熱硬化方式で使うことができるし、その中で石英、透明高分子材料は紫外線硬化方式でも使うことができる。また、小型スタンプがニッケルスタンプの場合、ニッケルメッキ工程を介して製作することができる。
また、小型スタンプに数百ナノメートル以下の線幅を有するパターンを製作するために、電子ビムリソグラフィ、レーザー干渉リソグラフィ、光学リソグラフィ等を使うことができる。すなわち、小型スタンプはインプリント方式ではない他のリソグラフィ方法を利用して製作することもできる。
このような方式に製作された小型スタンプを使ってステップ反復インプリント方式で大面積スタンプを製作する。ここで、ステップ反復インプリント方式は、アライメント、インプリント、分離及び位置移動、またアライメントの順で反復実行する。前記アライメントは、光学素子を利用して実行するようになって、位置移動対象が基板または小型スタンプである。
具体的に、図４を参照して本発明の実施形態によるナノインプリントリソグラフィを利用した大面積スタンプ製作方法に対して説明すれば次のようである。
図４を参照すれば、数百ナノメートルのパターンを有する小型スタンプが準備された状態で、基板上にシリコン薄膜を蒸着させた後(S111)、前記薄膜上にレジスト材料をコーティングする(S112)。
そして、前記準備した小型スタンプを利用して基板に対して局部的にインプリント工程を実行して(S113)、インプリントされる小型スタンプを基板上で分離してまた移動して前記のインプリント工程を反復実行する(S114)。すなわち、ステップ反復インプリント方式を利用して全体基板に対してインプリントを実行する。
以後、全体基板に対して小型スタンプによるレジスターパターンが形成(S115)した後、エッチングを介して残留レイヤーを取り除いて高分子薄膜をパターニングする(S116)。その後、高分子薄膜上にコーティングされたレジストを取り除いて小型スタンプの数百ナノメートルパターンが形成された大面積スタンプの製作を完成する(S117)。
図５は、本発明の実施形態によるナノインプリントリソグラフィを利用した大面積スタンプ製作方法を示したフローチャートである。
図５a、図５bのように基板(110)上に高分子薄膜(120)が蒸着される.ここで、基板(110)はシリコン、ガラス、石英(quartz)、サファイア、アルミニウム等を使うことができるし、高分子薄膜(120)ではダイヤモンド薄膜、 3-5族化合物薄膜等を使うことができる。
その後、図５cのように前記基板(110)に蒸着された高分子薄膜(120)上にレジスト(130)材料をコーティングさせて、予め製作された小型スタンプ(140)を整列させる。ここで、前記コーティング方式は、例えば、スピンコーティング方式を利用することができる。
小型スタンプ(140)は、数百ナノメートル(例200nm)以下の線幅を有するパターン(143)の陽刻(141)及び陰刻(142)が形成された構造である。
そして、図５d及び図５eのように、前記コーティングされたレジスト(130)上に予め製作された小型スタンプ(140)を利用して局部的にインプリント工程を実行する。この時、小型スタンプ(140)の局部的なインプリント方式が熱硬化方式の場合は、インプリントされる面積だけを局部的に加熱するようになっており、一方、インプリント方式が紫外線硬化方式の場合は、一部分だけ局部的に紫外線が照射されなければならない。
上記のインプリント方法では、熱を加えて高分子を成型する熱硬化方式のインプリント技法と、スタンプで押しながら紫外線を利用して高分子を硬化して成型する紫外線硬化方式の２つのインプリント技法がある。
また、インプリント工程において、紫外線硬化方式の場合は粘度が低い液体レジストを局部的に落として、インプリント工程を実行する方法を使うこともできる。またはエッチングしようとする薄膜の種類やパターンの構造によって、エッチングのためのハードマスクを中間に使うこともできる。
その後、図５fのように小型スタンプ(140)を移動しながらインプリント工程を反復実行して、全体基板に対してレジスト(130)パターンの陽刻(131)及び陰刻(132)を形成する。ここで、レジストパターンは、小型スタンプ(140)のパターン形象と対応される形象のパターンが形成される。
そして、図５gのように、基板(110)全体にかけたレジストパターン(130)の形成が完了すれば、酸素プラズマエッチングを介して残留レイヤー(インプリント過程でパターンされないで残るようになる部分)が除去されて、高分子薄膜(120)が乾式または湿式エッチングの方法でパターニングされる。
最後に、図５hのようにレジスト(130)を取り除いて、基板(110)上に高分子薄膜(120)に形成されたパターンを有する大面積スタンプ(150)の製作が完成される。すなわち、大面積スタンプ(150)には小型スタンプ(140)のパターンの陽刻が陰刻(122)であり、パターンの陰刻が陽刻(121)に対応するように形成されることで、数百ナノメートル(約200nm)以下の微細線幅パターンを有するようになる。
また、本発明は、多様な半導体材料、金属材料、透明な材料、高分子物質等が適用されることによって半導体工程技術が多様な形態で使うできる。
図６は、本発明による小型スタント、大面積スタンプ、最終素子でのパターンの陰刻/陽刻変換関係を概略的に示した斜視図である。
図６aは、本発明による小型スタンプ(240)のパターンを示している。ここで、小型スタンプ(240)のパターンの陰刻(242)が「Ｔ」字形に形成されてその陰刻(242)に接して陽刻(241)が形成される。このような小型スタンプを一回のインプリント方式を使用して大面積スタンプを製造すると、図６bのようになる。
図６bは、本発明による大面積スタンプ(210)のパターンを示している。ここで、大面積スタンプ(210)には、「Ｔ」字形の陽刻(211)が形成されてその陽刻 (211)に接して陰刻(212)が形成される。このような大面積スタンプ(210)を利用して最終パターンを印刷する対象すなわち、最終基板素子(250)が図6cのように印刷される。
図６cは、本発明による最終基板素子(250)でのパターンを示している。ここで、最終基板素子(250)にはパターンが大面積スタンプ(210)のパターンと対応する形象に形成されるのに、最終基板素子(250)のパターン陰刻(252)が「Ｔ」字形に形成されて、これに接して陽刻(251)が形成される。
図６でのインプリント工程は、1回のインプリント時ごと、小型スタンプ(240)が大面積スタンプ(210)に、 そして、大面積スタンプ(210)が最終基板素子(250)へのパターンの陰刻/陽刻の性質に変わる。
そして、大面積スタンプ(210)は、実際素子を製作するためのインプリント工程に使われるので、大面積スタンプ上のパターンの陰刻/陽刻は、実際素子上のパターンと反対にならなければならない。また大面積スタンプ(210)は、小型スタンプを使ったインプリント工程に製作されるので、小型スタンプ上のパターンの陰/陽刻が大面積スタンプと反対にならなければならない。
従って、実際最終素子でパターンの陰/陽刻は、小型スタンプの陰/陽刻と等しい。このような理由で実際小型スタンプはパターンの大きさによるインプリントレジストパターン及びエッチングされたパターンの大きさの変化を考慮して精巧に製作される。
前述したように、本発明は、微細パターンがある小型スタンプの製作だけでも大面積のインプリントが可能になることで、数百ナノメートル以下のパターニングが必要な全ての部門で広範囲に応用することができる。また、大面積スタンプを利用して素子の大量生産に有利となる。
これまで本発明に対してその望ましい実施形態を中心によく見てきたが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は、本発明の本質的技術範囲内で本発明の詳細な説明と違う形態の実施例等を実現することができる。ここで、本発明の本質的技術範囲は特許請求の範囲に示されているし、それと同等な範囲内にあるすべての差は本発明に含まれる。
従来のナノインプリント工程を示した概略工程図である。 従来技術によるステップ反復方式のナノインプリント技術を示した概略工程図である。 本発明に係るナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法を示したフローチャート図である。 本発明に係る大面積スタンプ製作方法の詳細構成を示したフローチャート図である。 本発明に係る大面積スタンプ製作方法の第１工程を示す概略平面図である。 本発明に係る大面積スタンプ製作方法の第２工程を示す概略平面図である。 本発明に係る大面積スタンプ製作方法の第３工程を示す概略平面図である。 本発明に係る大面積スタンプ製作方法の第４工程を示す概略平面図である。 本発明に係る大面積スタンプ製作方法の第５工程を示す概略平面図である。 本発明に係る大面積スタンプ製作方法の第６工程を示す概略平面図である。 本発明に係る大面積スタンプ製作方法の第７工程を示す概略平面図である。 本発明に係る大面積スタンプ製作方法の第８工程を示す概略平面図である。 本発明による小型スタンプ、大面積スタンプ、最終素子でのパターンの陰刻/陽刻変換関係を示した斜視図。
符号の説明
110:基板
120:高分子薄膜
130:レジスト
131,241,251：陽刻
132,242,252：陰刻
140、240:小型スタンプ
143：パターン
150、210:大面積スタンプ
250 :基板素子

Claims (19)

  1. 基板の上に高分子薄膜を蒸着する段階;
    前記高分子薄膜上にレジスト材料をコーティングする段階;
    前記レジスト上に小型の第1スタンプを利用して局部的にインプリント工程を実行する段階;
    前記第1スタンプが移動されながらプリント工程を反復実行して、全体基板に対してレジストパターンを形成する段階;
    前記基板全体にレジストパターンを形成した後、エッチングを介して残留レイヤーを取り除いて高分子薄膜をパターニングする段階;
    前記高分子薄膜にコーティングされたレジストを取り除いて大面積の第２スタンプを完成する段階を含んでなることを特徴とするナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  2. 前記第1スタンプはシリコン(Si)、酸化シリコン(SiO2)等の半導体材料やニッケル(Ni)等の金属材料、石英(Quartz)等の透明な材料及び高分子物質が使われることを特徴とする請求項１に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  3. 前記レジストの残留レイヤーを取り除くために酸素プラズマエッチング法が使われることを特徴とする請求項１に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  4. 前記高分子薄膜は乾式エッチングにパターニングされることを特徴とする請求項１に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  5. 前記高分子薄膜は湿式エッチングにパターニングされることを特徴とする請求項１に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  6. 前記インプリント工程はステップ反復インプリント方式を利用することを特徴とする請求項１に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  7. 前記インプリント工程は熱硬化方式で実行されることを特徴とする請求項１に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  8. 前記インプリント工程は紫外線硬化方式で実行されることを特徴とする請求項１に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  9. 前記第1スタンプ及び第２スタンプは、インプリント方式によってお互いに対応されるパターンが形成されて、そのパターンは数百ナノメートル以下の線幅を有することを特徴とする請求項１に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  10. 数百ナノメートル以下のパターンを有する小型の第1スタンプを製作する段階;
    前記製作された小型の第１スタンプを利用してステップ反復インプリント方式で数百ナノメートル以下のパターンを有する大面積の第２スタンプを製作する段階を含むことを特徴とするナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  11. 前記第１及び第２スタンプのパターンの線幅は、約200nm以下であることを特徴とする請求項１０に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  12. 前記第1スタンプは電子ビームリソグラフィ又はレーザー干渉リソグラフィ又は光学リソグリフィ方法の中の一つの方法で製作されることを特徴とする請求項１０に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  13. 前記第1スタンプはシリコン、酸化シリコン等の半導体材料であることを特徴とする請求項１０に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  14. 前記第1スタンプはニッケル等の金属材料であることを特徴とする請求項１０に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  15. 前記第１スタンプは石英等の透明な材質又は高分子物質でなることを特徴とする請求項１０に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  16. 第1０項において、
    前記第２スタンプの製作段階は、
    基板の上に高分子薄膜を蒸着する段階;前記蒸着された高分子薄膜上にレジスト材料をコーティングする段階;前記レジスト上に前記第１スタンプを利用して局部的にインプリント工程を実行する段階;前記第１スタンプが移動されながらインプリント工程が反復して、全体基板に対してレジストパターンを形成する段階;前記レジストの残留レイヤーを取り除く段階;前記レジストパターンをマスクで使用して高分子薄膜をパターニングする段階;前記レジストを取り除いて大面積の第２スタンプを完成する段階を含んでなることを特徴とする請求項１０に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  17. 前記レジストの残留レイヤーを取り除くために酸素プラズマエッチング法が使われることを特徴とする請求項１６に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  18. 前記高分子薄膜は乾式エッチング又は湿式エッチングでパターニングされることを特徴とする請求項１６に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
  19. 前記インプリント工程は熱硬化方式又は紫外線硬化方式で実行されることを特徴とする請求項１６に記載のナノインプリントリソグラフィ用大面積スタンプ製作方法。
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