JPH1096808A - 微細パタン形成法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】型を押しつけるプリント技術で、１μｍ以下の
金属パタンを簡便に、かつ、再現性良く形成できる技術
を提供することを目的とする。 【解決手段】表面が金属からなる物体２３に、表面に１
μｍ以下の微細なパタンを含むパタン状の凹凸を有する
物体２２を密着させて加圧することにより、前記金属表
面に該パタン状凹凸を形成することを特徴とする微細パ
タン形成法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回折格子、偏光子
等の光学素子等のデバイス作製に適用できる微細パタン
を形成する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体表面にパタン状の凹凸を作る方法
は、金型を用いたモールド成形やプレス技術、印刷技術
等が汎用的に使われている。しかし、これらの技術の解
像度は、金型の製造精度や耐久性等の要因から、数μｍ
程度に限界があり、光学素子や半導体素子で要求されて
いる１μｍ以下のいわゆるサブミクロン領域のパタンを
形成するには、リソグラフィ技術が用いられている。こ
れは、紫外線・Ｘ線・電子線等の短波長の露光源を被加
工面上に塗布したレジストと呼ばれる感光材にパタン状
に照射して、レジスト中に潜像を作り、これを現像して
パタンとなし、このパタン状レジストをマスクとして、
被加工面の加工を行うものである。このようなリソグラ
フィ工程は、大規模集積回路等の半導体素子の製造に汎
用的に使用されているものの、製造工程が複雑で、多大
な設備投資が必要である。更に、０.１μｍ以下のナノ
メータサイズの凹凸を形成するには、高解像度電子ビー
ム露光装置が必要になり、更に、これを用いて高密度の
ナノメータパタンを大面積に描画しようとすると、長時
間の露光が必要となる。

【０００３】このような問題点を克服する手段として、
最近、ナノメータサイズの凹凸を有する型を被加工面上
のレジストに押しつけて、レジスト上にこの凹凸を転写
する方法が提案されている（Ｓtephen Ｙ.Ｃhou，Ｐete
r Ｒ.Ｋrauss and ＰrestonＪ.Ｒenstrom；“Ｉmprint
of sub ２５nｍ vias and trenches in polymers”，Ａ
pplied Ｐhysics Ｌetters，Ｖol.６７（２１)，２０
Ｎovember １９９５pp３１１４−３１１６)。

【０００４】上記の技術を図３および図４に基づいて説
明する。なお、図３と図４は連続して工程を示してお
り、図３の（１−４）から図４の（１−５）へと続いて
いる。先ず、型の基板となるシリコン基板１１を熱酸化
して、表面に酸化シリコン層１２を形成する（１−
１)。この基板に高解像度の電子ビームリソグラフィで
最小２５nｍのパタンを形成し、深さ２５０nｍの酸化シ
リコン１３をエッチングし、レジストを除去して型を完
成させる（１−２)。次に、被加工基板として同様にシ
リコン基板１４を用い、これに５５nｍの膜厚のＰＭＭ
Ａ（ポリメチルメタクリレート）のレジスト１５をスピ
ンコートし、この上に型（１１＋１３）を密着させる
（１−３)。そしてＰＭＭＡのガラス転移温度の１０５
℃を上回る２００℃に昇温した後、型に１３.１ＭＰａ
の圧力をかける（１−４)。その後、室温まで冷却させ
て、注意深く型をはずすと、ＰＭＭＡ１６に凹凸が形成
される（１−５)。その後の加工を行うには、金属の例
をとると、凹部に残存するＰＭＭＡを酸素プラズマで除
去する（１−６)。ついで、金属１８をこの上に蒸着し
（１−７)、溶剤中で残存するＰＭＭＡをその上の金属
と共に除去して、金属パターン１９を得る（１−８)。

【０００５】この方法では、高解像度の電子ビームリソ
グラフィを用いて、型を形成すれば、その後は（１−
３）〜（１−８）の工程を繰り返すことにより、電子ビ
ームリソグラフィを行うことなく、ナノメータのサイズ
の金属パタンが得られる利点があると、報告されてい
る。しかし、この方法では、電子ビームリソグラフィの
工程を除いても、まだ、工程が複雑で、昇温・冷却等に
かなり時間を要する。また、最も問題であるのは、加圧
や除去の際に、微細な凹凸構造になっている酸化シリコ
ンが破壊されやすく、繰り返しの使用が困難な点であ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術に鑑み、型を押しつけるプリント技術で、１μｍ以下
の金属パタンを簡便に、かつ、再現性良く形成できる技
術を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の微細パタン形成法では、簡便な工程で１μｍ以下の微
細パタンを含むパタン状の凹凸を金属表面に形成するた
めに、型を金属層に直接押しつけて加圧することを特徴
とする。

【０００８】更に、本発明の請求項２に記載の微細パタ
ン形成法では、金属層に型を直接押しつけても、型に形
成した微細な凹凸が破壊されないように、型を硬度・強
度共に優れたダイヤモンド板、あるいは、シリコンカー
バイド板で形成することを特徴としている。

【０００９】また、本発明の請求項３に記載の微細パタ
ン形成法では、種々の応用分野に対応するため、上記の
型の少なくともその表面がダイヤモンドあるいはダイヤ
モンド状カーボン、あるいはシリコンカーバイドで形成
することを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明では、１μｍ以下の微細な
パタンを含むパタン状の凹凸を金属表面に形成するため
に、１μｍ以下の微細なパタンを含むパタン状の凹凸を
有する物体を、金属層を表面にもつ被加工物体に、直接
密着させて加圧することを特徴としている。この方法を
図１に基づいて説明する。

【００１１】図１は本発明の第１の実施の形態の工程を
示す断面図である。先ず、型となる物体２１に電子ビー
ムリソグラフィとドライエッチングで微細加工を施し、
表面にパタン状の凹凸をつけ、型２２とする（２−
１)。次いで、これを表面を平滑にした金属２３の表面
に密着し（２−２)、加圧すると、比較的柔らかな金属
は変形して、その表面に型と逆の凹凸が形成される（２
−３)。その後、型を取り外すことにより金属の凹凸パ
タン２４が完成する（２−４)。

【００１２】この方法では、従来のレジストに型を押し
つけて、このレジストの凹凸を基に金属パタンを形成す
る方法に比べて、大幅に工程を簡略化できる。この際、
問題になるのは、軟化させた高分子に型を転写する場合
より、加える圧力を高くする必要があることで、金や、
アルミニウムのように比較的柔らかい金属においても、
約３０ＭＰａ以上の高い圧力が必要である。これは、高
分子の場合の２倍以上で、シリコンや酸化シリコンで凹
凸を構成すると、微細な凹凸が破壊されたり、型の基板
自体が損傷しやすい。一方、金属で微細な凹凸を有する
型を構成すると、破壊には非常に強くなる反面、加圧に
より型が変形しやすいという問題点があることがわかっ
た。

【００１３】以上の知見を基に本発明者等は、型を、強
度・硬度とも優れ、表面平滑性も良く、微細な凹凸の形
成が容易な、ダイヤモンド板、あるいは、シリコンカー
バイド板で構成すると、上記の問題点を全て克服できる
ことを見出し、本発明の完成に至った。ダイヤモンド基
板の場合は、微細凹凸、基板共に、６０ＭＰａの圧力に
も損傷や破壊が見られず、シリコンカーバイド板でも、
５０ＭＰａの圧力に耐久性があり、金属層を表面に持つ
物体に型の微細凹凸をプリントできることが明らかにな
った。

【００１４】また、微細なパタン状凹凸を有する物体
が、ダイヤモンド板、あるいはシリコンカーバイド板そ
のものである必要はなく、適切な強度を有する物体の表
面がダイヤモンドあるいはダイヤモンド状カーボン、あ
るいはシリコンカーバイドであれば、金属層への転写が
可能である。即ち、ステンレス等の物体の表面に、ダイ
ヤモンド膜、ダイヤモンド状カーボン膜、シリコンカー
バイド膜を堆積・張り付け等の手段で形成し、これを微
細加工して、型を構成する。更には、凹凸を形成したダ
イヤモンド、ダイヤモンド状カーボン、シリコンカーバ
イドを張り付ける方法も可能である。

【００１５】型となる物体の平滑な表面に１μｍ以下の
微細な凹凸を作るには、ホトリソグラフィ、紫外線二光
束干渉法、電子ビームリソグラフィ、Ｘ線リソグラフ
ィ、イオンビームリソグラフィ等を目的やパタン形状に
応じて、使い分けることが可能である。本発明では、殆
どのパタンに対応できる電子ビームリソグラフィを使用
したが、当然のことながら、この手段にのみ限られるも
のではない。

【００１６】また、ダイヤモンドやダイヤモンド状カー
ボンの表面に高解像度で凹凸を付与する加工は、酸素プ
ラズマ耐性の優れた、シリコン含有レジストや、酸化シ
リコン、窒化シリコンや金属をマスクとして、酸素をエ
ッチングガスとして用いる、反応性イオンエッチングで
容易に行うことができる。一方、シリコンカーバイド表
面の加工は、レジストや金属をマスクとした、フルオロ
カーボン系のエッチングガスを用いたドライエッチング
が使用できる。

【００１７】一方、金属層を表面にもつ物体としては、
鏡面研磨した金属板等の金属そのもの、あるいは、鏡面
を有する適当な基板上に、蒸着やスパッタリング、電気
メッキ等で金属薄膜を堆積したもの等、応用目的に応じ
た基板構成を用いる。但し、数十ＭＰａの高い圧力で、
型を押しつけても、破損しない程度の基板強度を確保す
る必要はある。加工する金属の種類としては、押しつけ
る圧力を低くできるという観点から、柔らかいアルミニ
ウム、金、銀、鉛、錫、黄銅が適する。加圧手段として
は、油圧プレス等の通常のプレス装置が使用できる。

【００１８】また、反射型回折格子のように、金属表面
に単に凹凸があれば良いものについては、型を密着して
加圧する工程のみであるが、金属配線や偏光子のように
金属がパタン状に分離している必要があるものについて
は、図２のような工程でパタン化が可能である。

【００１９】図２は本発明の第２の実施の形態の工程を
示す断面図である。図２において、先ず、配線パタンや
偏光子に用いる格子上のパタンに相当する凹凸をダイヤ
モンドあるいはシリコンカーバイドの基板３１の表面に
電子ビームリソグラフィと反応性イオンエッチングで形
成する（３−１)。この型３２を数１００〜数１０nｍの
膜厚の金あるいはアルミニウムあるいは銀３４を蒸着し
た基板３３に密着させ（３−２)、プレス装置を用い
て、４０〜５０ＭＰａ程度の圧力をかけると、金属薄膜
に凹凸３５が形成される（３−３)。型をはずした後
（３−４)、アルゴンガスを用いたイオンビームスパッ
タリングで、凹部に残存する膜厚分の金属を除去して、
金属パタン３６とする（３−５)。

【００２０】以上のように、本発明の微細パタン形成法
では、従来のレジストにプリントして、これを金属パタ
ンに加工する図３、図４に示した工程に比較して、大幅
に工程を簡略化できる利点がある。本発明で作製する微
細金属パタンは、回折格子、偏光子等の光学素子、半導
体デバイス用微細金属配線に利用可能である。また、本
発明の構造の型は、当然のことながら、工程の大幅簡略
化は出来ないものの、図３、図４に示した工程でレジス
トに型をプリントする技術にも適用可能であり、型の繰
り返し使用に対する耐久性を大幅に向上できることは明
らかである。

【００２１】

【実施例】次に実施例により本発明を更に具体的に説明
する。 （実施例１）ダイヤモンド基板上に、電子ビームネガ型
レジストＳＮＲ−Ｍ５（東ソー製）を厚さ０.１μｍス
ピンコートし、電子ビーム露光で、２００nｍ周期で線
幅５０nｍの回折格子パタンを５０ｍｍの面積で描画
し、キシレンを用いて現像後、酸素ガスを用いた反応性
イオンエッチングでダイヤモンドを２００nｍの深さエ
ッチングした。そして緩衝弗酸を用いて、ＳＮＲレジス
トの残差を除去して、回折格子用の型とした。

【００２２】一方、純度９９.９９％のアルミニウム板
を過塩素酸およびエタノールを１対４混合浴中で電解研
磨して、鏡面を有するアルミニウム板を得た。この上
に、先のダイヤモンド板からなる型を密着させ、油圧プ
レス機を用いて５０ＭＰａの圧力を加えた後、型を除去
したところ、アルミニウム板表面に深さ１６０nｍの窪
みが２００nｍの周期の回折格子状に形成されていた。
この同一の型を用いて、上記のプリント工程を繰り返し
たところ、数十回のプリント工程を経ても、型の微細凹
凸に変化はなかった。

【００２３】（実施例２）シリコンカーバイド基板上
に、ポジ型電子ビームレジストＺＥＰ−５２０を厚さ
０.１μｍスピンコートし、電子ビーム露光装置で、金
属−半導体−金属（ＭＳＭ）光検出器用の櫛形電極パタ
ンを０.１μｍ周期、４０nｍ幅で露光し、現像した。こ
の上に、電子ビーム蒸着装置で５０nｍの厚さのクロム
を蒸着し、溶剤であるジグライム中に浸漬して、超音波
を印加してレジスト上のクロムをレジストと共に除去
し、４０nｍ幅０.１μｍ周期の格子状のクロムパタンを
形成する。このクロムをマスクとして、ＣＦ₄ガスを用
いた反応性ドライエッチングで、シリコンカーバイド基
板を１６０nｍの深さにエッチングした。この後、酸素
プラズマでクロムを除去して、約５０nｍ幅、周期０.１
μｍ、高さ１６０nｍの格子状パタンを持つ型を作製し
た。

【００２４】一方、厚さ２ｍｍのシリコン基板に金を厚
さ１００nｍ電子ビーム蒸着装置で堆積し、この上に、
シリコンカーバイド基板の型を密着させ、油圧プレスで
４０ＭＰａの圧力を加える。その後、型を除去すると、
金の厚さが凹部では４５nｍ、凸部では１９５nｍとな
り、１５０nｍの段差が生じた。次いで、アルゴンイオ
ンミリング装置で、５５nｍの厚さ分の金をエッチング
除去して、凹部の金を完全に除去し、幅約５０nｍ、周
期１００nｍ、高さ９０nｍの金の櫛形電極パタンを得
た。その後、通常のホトリソグラフィ工程で、パッド電
極等を形成して、ＭＳＭ光検出器を完成させた。このプ
リント工程も、繰り返し使用しても、電極パタンの断線
等は観測されず、十分な耐性があることがわかった。

【００２５】（実施例３）厚さ４００μｍのシリコンカ
ーバイド基板上に、メタン８０％、水素２０％の混合ガ
スを用いたＥＣＲ型ＣＶＤ装置で、ダイヤモンドライク
カーボン薄膜を厚さ０.５μｍ堆積した。この上に、ポ
ジ型電子ビームレジストＺＥＰ−５２０を厚さ０.１μ
ｍスピンコートし、電子ビーム露光装置で、０.１μｍ
周期、５０nｍ幅の格子パタンを２０ｍｍ角の面積に露
光し、現像した。この上に、電子ビーム蒸着装置で４０
nｍの厚さのチタンを蒸着し、溶剤であるジグライム中
に浸漬して、超音波を印加してレジスト上のチタンをレ
ジストと共に除去して、６０nｍ幅０.１μｍ周期の格子
状のチタンパタンを形成する。このチタンをマスクとし
て、酸素ガスを用いた反応性ドライエッチングで、シリ
コンカーバイド基板を２００nｍの深さにエッチングし
た。この後、酸素プラズマでクロムを除去して、約６０
nｍ幅、周期０.１μｍ、高さ２００nｍの格子状パタン
を持つシリコンカーバイド基板を作製した。この基板
を、接着剤を用いて、直径５０ｍｍ、長さ５０ｍｍのス
テンレス円柱に張り付け、これを型とした。

【００２６】一方、厚さ３ｍｍのポリカーボネート基板
に銀を厚さ１２０nｍ電子ビーム蒸着装置で堆積し、こ
の上に、ステンレス＋シリコンカーバイドの型を密着さ
せ、油圧プレスで４０ＭＰａの圧力を加える。その後、
型を除去すると、銀の厚さが凹部では４０nｍ、凸部で
は２００nｍとなり、１６０nｍの段差が生じた。次い
で、アルゴンイオンミリング装置で、４０nｍの厚さの
銀をエッチング除去して、幅約５５nｍ、周期１００n
ｍ、高さ１００nｍの銀の周期パタンを得た。本試料の
偏光透過特性を測定したところ、格子パタンに垂直な方
向は透過率９５％、格子パタンと平行な方向は透過率３
０％となり、偏光子として作用することがわかった。こ
のプリント工程を１００回以上繰り返しても、型に破損
や変形はみられなかった。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電子ビームリソグラフィ等の高解像度の装置を用いて超
微細な凹凸を持つ型を作れば、その後は、プリント工程
によりサブミクロン〜ナノメータ領域の超微細な金属パ
タンを簡便に、繰り返し作製できるため、回折格子や偏
光子等の光学部品、光検出器等の半導体素子の微細電極
パタン製造における経済性を高める上での効果が非常に
大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による微細金属凹凸
パタン形成工程を示す断面図。

【図２】本発明の第２の実施の形態による微細金属凹凸
パタン形成工程を示す断面図。

【図３】従来の微細パタン形成法の工程の一部を示す断
面図。

【図４】従来の微細パタン形成法の工程の他の一部を示
す断面図。

【符号の説明】

１１…シリコン基板 １２…熱酸化シリコン １３…凹凸が形成された熱酸化シリコン １４…シリコン基板 １５…ＰＭＭＡレジスト １６…凹凸がプリントされたＰＭＭＡレジスト １７…パタン化されたＰＭＭＡレジスト １８…蒸着金属 １９…金属パタン ２１…型となる物体 ２２…凹凸が形成された型 ２３…金属基板 ２４…凹凸がプリントされた金属基板 ３１…型となるダイヤモンドあるいはシリコンカーバイ
ド基板 ３２…凹凸が形成された型 ３３…基板 ３４…金属層 ３５…凹凸がプリントされた金属層 ３６…金属パタン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小澤 章 東京都武蔵野市御殿山一丁目１番３号 エ ヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株 式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面が金属からなる物体に、表面に１μｍ
   以下の微細なパタンを含むパタン状の凹凸を有する物体
   を密着させて加圧することにより、前記金属表面に該パ
   タン状凹凸を形成することを特徴とする微細パタン形成
   法。
2. 【請求項２】請求項１の微細なパタン状凹凸を有する物
   体が、ダイヤモンド板、あるいはシリコンカーバイド板
   であることを特徴とする微細パタン形成法。
3. 【請求項３】請求項１の微細なパタン状凹凸を有する物
   体が、少なくともその表面がダイヤモンドあるいはダイ
   ヤモンド状カーボン、あるいはシリコンカーバイドであ
   ることを特徴とする微細パタン形成法。