JPH11186142A - パターン形成方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピンホール等の欠陥が生じにくい十分な厚さ
のレジスト膜に対しても数十ナノメータ以下のスケール
のパターニングが可能なパターン形成方法を提供するこ
と。 【解決手段】 レジストを表面に塗布した基板と接触す
る探針の接触力を制御して塑性変形の降伏点以上の接触
力をレジストと探針との間に与えることにより、レジス
トに溝や穴構造を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は表面の微細加工法と
記録基板のカッティング法に係り、特に数十ナノメータ
以下のスケールの微細加工や数十ナノメータ以下のサイ
ズの記録ビットの高速記録／再生の為の記録基板のカッ
ティング法および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報化社会の進展は目覚ましく、
より多くの情報を記憶できる技術の開発が要求されてい
る。現在、半導体素子やファイルメモリの研究分野では
数十ナノメータ以下のスケールの微細化、高密度化が進
められている。その有望な候補として、走査型トンネル
顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉ
ｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＭ）に代表される走査型プロー
ブ顕微鏡の技術がある。走査型トンネル顕微鏡の技術
は、米国特許第４，３４３，９９３号に詳しく開示され
ている。その原子サイズまでの空間分解能と原子サイズ
までの微細加工を可能とする原理に着目し、数十ナノメ
ータ以下のスケールの半導体素子製造技術および記録技
術への応用が精力的に進められている。また、フィジカ
ル レビューレターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅ
ｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第５６巻（１９８６年）第９３０
頁に開示されている原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆ
ｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）の技術を利
用することも精力的に研究されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】微細パターンを形成す
る為に、最終的にパターンを形成すべき基板上にレジス
トを塗布し、このレジストにマスクやＥＢで描画しこれ
を現像する方法をとるときは、レジストの膜厚は薄い方
が微細化に有利である。しかし、レジストの薄膜化はピ
ンホール等の欠陥を生じさせることとなり、実用面では
不利となる。

【０００４】本発明の目的は、上記従来技術が有する技
術的課題を解決し、新規な数十ナノメータ以下のスケー
ルのパターン形成方法および装置を提供することにあ
る。即ち、適当な膜厚のレジストあるいは薄膜に対して
塑性変形降伏点以上の接触力を作用させてレジストある
いは薄膜を塑性変形させ直接パターニングすることによ
り、数十ナノメータ以下のスケールのパターニングが可
能なパターン形成方法および装置を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、基板上にレ
ジストあるいは薄膜を塗布し、このレジストあるいは薄
膜に先端を尖鋭化された探針を接触させ、探針とレジス
トあるいは薄膜間の接触力をレジストあるいは薄膜の塑
性変形降伏点以上の接触力が探針と薄膜の間に作用する
とともに探針と基板を相対的に移動させるように制御し
て、レジストあるいは薄膜を塑性変形させ直接パターニ
ングする。

【０００６】上記塑性変形によりパターニングされたレ
ジストあるいは薄膜をマスクとして用い、エッチングや
リフトオフプロセスによりそのマスクパターンを上記基
板に転写して基板にパターンを形成することができる。

【０００７】上記薄膜を多層レジスト構造とし、最表面
のレジスト層を塑性変形させパターニングすることがで
きる。

【０００８】上記探針と薄膜の間の接触力を薄膜の降伏
点以上および降伏点以下の２つの接触力のどちらかの値
を選択的に取るように制御することができる。

【０００９】上記探針と基板の相対的な移動を回転座標
系、あるいは、直交座標系のいずれかに沿って行うもの
とすることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】数十ナノメータ以下に尖鋭化され
た探針を薄膜、例えばレジスト膜を持った基板に接触さ
せる。このレジストよりも硬い探針を用い、接触力をレ
ジストの塑性変形の降伏点以上になるように制御するこ
とにより、レジストのみを塑性変形させる。これによ
り、レジスト膜に探針先端と同じサイズのパターンを形
成することができる。

【００１１】基板と探針を相対的に移動させながら、接
触力が塑性変形の降伏点以上の一定の値になるように制
御して、レジスト膜に数十ナノメータ以下の幅をほぼ一
定に保った溝を形成させることができる。あるいは、基
板と探針を相対的に移動させながら、任意の位置で接触
力が塑性変形の降伏点以上の値になるようにパルス変調
させることにより、レジスト膜に数十ナノメータ以下の
サイズの穴を形成させることができる。また基板と探針
を相対的に移動させながら、接触力が塑性変形の降伏点
以上の一定の値になるように制御して、レジスト膜に数
十ナノメータ以下の幅をほぼ一定に保った溝を形成させ
るとともに、任意の位置で接触力がさらに大きな値にな
るようにパルス変調させることにより、レジスト膜にほ
ぼ一定に保った幅の溝の所望の位置に溝より深い穴を形
成させることができる。

【００１２】以下、本発明の実施例を具体的に説明す
る。

【００１３】実施例１ 図１は、前記の原子間力顕微鏡の技術を用いたパターン
形成装置の一例を示す概略図である。図において、表面
にレジスト１４が塗布された基板１０は回転駆動装置１
１に保持される。回転駆動装置１１は図示を省略した装
置の筐体部に保持されている。レジスト１４に対向する
形で探針１が備えられるが、探針１は板バネ２の先端部
に形成されており、板バネ２の根元部はパルス変調器８
に保持される。パルス変調器８はＺ方向微動装置１３に
保持され、Ｚ方向微動装置１３は半径方向微動装置１２
に保持される。半径方向微動装置１２は回転駆動装置１
１と同様に、図示を省略した装置の筐体部にアーム（図
示を省略）により保持されている。回転駆動装置１１に
より基板１０を回転させながら、半径方向微動装置１２
を図示しないアームにより半径方向に移動させ、かつ、
半径方向微動装置１２に加える信号（図示しない）によ
って半径方向の位置を精度よく制御することにより、レ
ジスト１４と探針１との相対的な位置を任意に精度よく
制御できる。板バネ２の探針１を設けた面の反対側にレ
ーザダイオード３から出射されるレーザ光をレンズ４に
よって集光させ、そこからの反射光の変位をポジション
センサ５で感知する。探針１とレジスト１４との接触力
の変化によりポジションセンサ５の出力が変化する。検
出されたポジションセンサ５の出力をプリアンプ６で増
幅してサーボ回路７に加える。サーボ回路７には接触力
に対応した目標値が設定されており、ポジションセンサ
５からの信号がこの目標値に一致するようにＺ方向微動
装置１３に駆動信号を出力する。Ｚ方向微動装置１３は
ピエゾ素子から構成されサーボ回路７から与えられた駆
動信号の正負と大きさに応じてパルス変調器８を介して
板ばね２の根元部をＺ方向に移動させる。これにより探
針１とレジスト１４との接触力が一定値に制御される。
パルス変調器８はピエゾ素子で構成され、これにパルス
駆動回路９からパルス変調信号が加えられる。パルス変
調信号の極性は板ばね２の根元部を、探針１とレジスト
１４との間の接触力を増大させるようにＺ方向に移動さ
せるように選ばれている。サーボ回路７の周波数特性は
この変調パルスの周波数には応答しないように設計され
ているので、サーボ制御中でもこのパルス変調器８によ
り探針１の動きをパルス変調させることが可能である。

【００１４】次に本実施例の基板１０、レジスト１４お
よび探針１について説明する。基板１０としては、表面
の平坦性が数ナノメータ以下であることが望まれる。単
結晶シリコン基板は平坦性に優れていて、最適な材料で
ある。そこで基板１０として単結晶シリコン基板を使用
した。レジスト１４には、通常、電子線描画に用いられ
ているポジ型のレジスト材料であるポリメタアクリレイ
ト（ＰＭＭＡ）を使用した。ＰＭＭＡをシリコン基板上
に膜厚が５０ｎｍから１００ｎｍの範囲のある厚さ例え
ば５０ｎｍになるようにスピンコートした。また、探針
１としては、レジスト１４よりも硬く、先端が数十ナノ
メータ以下に尖鋭化させたものが望ましく、ＡＦＭ等で
使用されているシリコンやシリコン酸化物、或いは窒化
シリコン製の探針が利用できる。通常、探針１は半導体
プロセスにより板バネ２と一体形成され、探針１の先端
は曲率半径２０ｎｍ以下に形成可能であり、本実施例で
は窒化シリコン製の探針とした。

【００１５】図３（ａ）は、回転駆動装置１１および半
径方向微動装置１２を用いて、探針１と基板１０を相対
的に回転移動させ、接触力が塑性変形の降伏点以上の一
定の値になるように制御することにより、レジスト１４
に２０ｎｍ以下の幅の溝１６を円形若くはスパイラル状
に形成したときの溝１６の一部の様子を断面と斜視図の
形で表わしたものである。溝１６は塑性変形により形成
させるので、その両側に盛り上がりが同時に形成され
る。

【００１６】図３（ｃ−１）は、接触力が塑性変形の降
伏点以上の一定の値になるように制御して溝１６を形成
させながら、パルス変調器８およびパルス駆動回路９を
用いて接触力をパルス変調させてさらに強いものにする
ことにより、溝１６の形成とともにパルスの加わった位
置に２０ｎｍ以下のサイズの穴１７を形成させた様子を
断面と斜視図の形で示す。図３（ｃ−２）は、溝１６の
底部に沿ったレジストの断面形状を表したものである。
斜線部がレジストの断面形状である。穴１７の底部が溝
１６の底部よりレジストが薄くなっているのが分かる。

【００１７】図３（ｂ）は、接触力が塑性変形の降伏点
に至らない大きさの一定の値になるように制御して回転
させながら、所定の位置でパルス変調器８およびパルス
駆動回路９を用いて接触力をパルス変調させて接触力が
塑性変形の降伏点を超える大きさにすることにより、２
０ｎｍ以下のサイズの穴１７のみをレジスト１４に形成
した状態を断面と斜視図の形で示す。

【００１８】本実施例でレジスト膜上に形成したレジス
トパターンを利用して、フッ素ベースの反応性イオンエ
ッチングによりシリコン基板１０の表面に転写すること
ができた。

【００１９】実施例２ 探針１と基板１０との相対移動を直交座標系に沿って行
う実施例のパターン形成装置の概略図を図２に示す。Ｘ
ＹＺ方向駆動装置１５以外の各部の動作は実施例１と実
質的に同じである。ＸＹＺ方向駆動装置１５は、探針１
とレジスト１４との間の接触力を一定値に制御するため
のＺ方向の微動と、相対移動を二次元直交座標系で行う
ためのＸＹ方向の移動とを行う。この実施例でも基板を
大きくするときは、図１の実施例と同様に、ＸＹ方向の
移動のための移動機構を持つものとするのが良い。

【００２０】図２に示す装置の場合でも、探針１とレジ
スト１４との接触圧を適当に制御しながらＸＹ方向の移
動を制御するにより、図３に示すのと同様な溝１６や穴
１７を形成することができた。

【００２１】実施例３ 本実施例では、基板１０としてシリコン単結晶基板を用
い、基板１０の表面に第２レジスト１９として約１００
ｎｍの厚さのシリコン酸化膜を成長させた。その表面に
第１レジスト１８として５０ｎｍの厚さのＰＭＭＡを塗
布して２層レジスト構造とした。第１レジスト１８に実
施例１あるいは実施例２の方法で約２０ｎｍ径の穴１７
を形成した。図４（ａ）は、その様子を表わした基板断
面図である。次にドライエッチングにより図４（ｂ）に
示す様に第２レジスト１９に穴を基板１０表面まで高ア
スペクト比を以って貫通させることができた。その後、
リフトオフプロセスにより図４（ｃ）に示す様に直径２
０ｎｍ以下の金属ドット２０を基板１０上に形成するこ
とができた。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば薄膜
のパターニングを薄膜と探針の接触圧力の制御による塑
性変形を用いている為、探針の先端を尖鋭化することに
より、十分に厚い薄膜であっても、薄膜に数十ナノメー
タ以下のサイズのパターンを形成させることができ、数
十ナノメータ以下のスケールの微細加工や数十ナノメー
タ以下のサイズの記録ビットの高速記録／再生の為の記
録基板のカッティング法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の装置の構成を示す概略ブロ
ック図。

【図２】本発明の実施例２の装置の構成を示す概略ブロ
ック図。

【図３】（ａ）は実施例１および２の装置で形成された
溝を断面と斜視図の形で表わした図、（ｂ）は実施例１
および２の装置で形成された穴を断面と斜視図の形で表
わした図、（ｃ−１）は実施例１および２の装置で形成
された溝および穴を断面と斜視図の形で表わした図、
（ｃ−２）は実施例１および２の装置で形成された溝お
よび穴の断面を示す図。

【図４】（ａ）は実施例３で形成された第１レジスト上
の穴パターンを示す断面図、（ｂ）はドライエッチング
後の断面図、（ｃ）はリフトオフ後の様子を示す図。

【符号の説明】

１…探針、２…板バネ、３…レーザダイオード、４…レ
ンズ、５…ポジションセンサ、６…プリアンプ、７…サ
ーボ回路、８…パルス変調器、９…パルス駆動回路、１
０…基板、１１…回転駆動装置、１２…半径方向微動装
置、１３…Ｚ方向微動装置、１４…レジスト、１５…Ｘ
ＹＺ方向駆動装置、１６…溝、１７…穴、１８…第１レ
ジスト、１９…第２レジスト、２０…ドット。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板表面に塗布された薄膜に尖鋭化された
   先端を有する探針を接触させこの接触力を制御しながら
   探針と該基板を相対的に移動させること、所望の位置で
   前記薄膜に作用する接触力が該薄膜の塑性変形降伏点以
   上の接触力となる大きさに制御すること、により前記薄
   膜を塑性変形させ直接パターニングすることを特徴とす
   るパターン形成方法。
2. 【請求項２】前記パターニングされた薄膜をマスクとし
   て用い、エッチングやリフトオフプロセスにより該マス
   クパターンを前記基板に転写する請求項１記載のパター
   ン形成方法。
3. 【請求項３】前記薄膜が多層レジスト構造であり、最表
   面のレジスト層をパターニングする請求項１または２記
   載のパターン形成方法。
4. 【請求項４】前記探針と薄膜との相対的な移動が回転座
   標系または直交座標系である請求項１ないし３のいずれ
   かに記載のパターン形成方法。
5. 【請求項５】表面に薄膜が塗布された基板を保持する保
   持手段と、前記薄膜表面に対向して配置された探針を先
   端に保持するカンチレバーと、該カンチレバーの基部を
   保持し前記探針が前記薄膜に対する接触力を制御するた
   めの制御手段と、前記制御手段を保持し前記探針を薄膜
   表面に対して相対的に移動させる移動手段とよりなり、
   前記制御手段は探針の所望の位置で前記薄膜に作用する
   接触力が該薄膜の塑性変形降伏点以上の接触力となる大
   きさに制御することを特徴とするパターン形成装置。
6. 【請求項６】前記制御手段が接触力を一定に制御するた
   めのフィードバック機構を備えるとともに該フィードバ
   ック機構が実質的に応答しない周波数で接触力を変調す
   る変調器を備える請求項５記載のパターン形成装置。
7. 【請求項７】前記探針と薄膜との相対的な移動が回転座
   標系または直交座標系である請求項５または６記載のパ
   ターン形成装置。