JPH11237519A - 高分子パターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価に、かつ容易に高分子のパターンを形成
する。 【解決手段】 ラジカル発生剤が均一に含まれているマ
トリクス層１５のパターン形成領域１５ａに選択的にラ
ジカルを発生させて、ラジカルによるパターン潜像１９
を形成する工程と、このパターン潜像を有するマトリク
ス層にラジカル重合性モノマー２１を接触させることに
より、ラジカルにモノマーを連鎖的に付加および重合さ
せて、パターン潜像上に高分子パターン２３ｘを形成す
る工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高分子パターン
の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】通信分野においては、大容量通信を実現
するため、光を用いた通信ネットワークの構築が求めら
れている。このため、光インターコネクションシステム
や光導波路部品などの開発および各部品の低価格化が大
きな課題となっている。

【０００３】従来、例えば、光導波路部品などの光通信
用材料には、ガラスや無機結晶材料が用いられていた。
しかしながら、これらの材料は高価で、しかも加工が困
難であった。

【０００４】そのため、近年、ガラスや無機結晶材料よ
りも、価格が安く加工の容易な例えばＰＭＭＡ（ポリメ
チルメタクリレート）などの高分子材料（ポリマーとも
称する。）が用いられてきており、このような材料を用
いれば、これまでよりも面積が広くて可撓性に優れたフ
ィルム状の光導波路を形成することができる。また、機
能性化合物や官能基をこの高分子材料中に導入すること
によって機能性導波路を形成することができる。

【０００５】このような光導波路等の光部品を製造する
ためには、高分子材料を所望のパターン形状に加工する
技術が不可欠である。従来、基板上へポリマーのパター
ンを形成する方法としては、酸素プラズマを用いた反応
性エッチング（ＲＩＥ）法が主として行われていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このＲ
ＩＥ法に用いる装置は高価であり、しかも高度な操作技
術が要求される。また、エッチング処理を行う前に、予
めリソグラフィ法を用いてエッチングされるポリマー上
にパターン形状に対応したエッチングマスクを形成して
おく必要がある。

【０００７】ＲＩＥ法を用いて高分子パターンを形成す
るためには、例えば図３に概略的に示すような工程を経
なければならない。なお、図３は、ＲＩＥ法を用いて高
分子パターンを形成するための主要な工程を順次に示し
ている概略的な断面図である。

【０００８】まず、下地１０１上に高分子膜１０３を形
成し、さらにこの高分子膜１０３上にフォトレジスト膜
１０５を設ける（図３（Ａ））。次に、このフォトレジ
スト膜１０５を加工して、所望のパターン形状に対応す
るエッチングマスクとするため、パターン形状に対応す
るフォトマスク１０７を用いてフォトリソグラフィを行
う（図３（Ｂ））。これによりフォトレジスト膜１０５
内にパターン潜像１０９が形成される。このパターン潜
像１０９の部分を、エッチング除去（或いはパターン潜
像部分のみを残存させる）してレジストパターン１０５
ｘを形成する（図３（Ｃ））。その後、このレジストパ
ターン１０５ｘをエッチングマスク１０５ｘとして用い
て、ＲＩＥを行って、エッチングマスク１０５ｘから露
出している高分子膜１０３の部分を取り除く（図３
（Ｄ））。最後にエッチングマスク１０５ｘを除去する
（図３（Ｅ））これにより、下地１０１上に高分子膜が
残存して、高分子パターン１０３ｘが形成される。。こ
のように、パターンを形成する工程数が多く、時間もか
かるという問題があった。

【０００９】このため、安価に、かつ容易に高分子（ポ
リマー）のパターンを形成する方法の出現が望まれてい
た。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため、この発明にか
かる発明者らは、ラジカルが発生している部分にラジカ
ル重合性を有するモノマーを接触させることによって、
モノマーがラジカルの部分に付加および重合してポリマ
ーを成長させることに注目し、この発明をするに至っ
た。

【００１１】この発明の高分子パターンの形成方法によ
れば、ラジカル発生剤が均一に含まれているマトリクス
層のパターン形成領域にラジカルを発生させて、このパ
ターン形成領域にラジカルによるパターン潜像を形成す
る工程と、このパターン潜像が形成されたマトリクス層
にラジカル重合性モノマーを接触させることにより、ラ
ジカルにモノマーを連鎖的に付加および重合させて、パ
ターン形成領域上に高分子パターンを形成する工程とを
含むことを特徴とする。

【００１２】従来、ＲＩＥによる方法では、上述したよ
うに、高価な装置を用いて多数の工程を経ることによっ
て、高分子パターンを形成していた。しかしながら、こ
の発明では、下地を露光してラジカルによるパターン潜
像を形成した後、このパターン潜像にラジカル重合性の
モノマーを接触させるという、エッチングマスクを設
け、そのマスクを除去するという工程が必要ない分、従
来よりもずっと少ない工程数で以て、所望の高分子パタ
ーンを下地上に形成することができる。よって、高価な
装置を必要とせず、容易に高分子パターンを形成するこ
とができる。

【００１３】また、好ましくは、ラジカルは放射によっ
て発生させるのがよい。この放射には光や電子線などの
あらゆる波長の電磁波を含む。ただし、ラジカル発生剤
をラジカル化することのできるエネルギーを有するもの
とする。ここでは、パターン形成領域に光を照射するこ
とによって発生させるのがよい。この光としては例えば
紫外線などを用いる。この発明において用いるラジカル
発生剤は、２８０ｎｍ〜５００ｎｍの波長範囲の光を用
いてラジカル化させることができる。また、好ましく
は、マトリクス層を破壊することのないように２８０ｎ
ｍ以上、４５０ｎｍ以下の光を用いるのがよい。ラジカ
ル発生剤を含むマトリクス層の、パターンを形成するべ
き領域（パターン形成領域）以外の領域をフォトマスク
によってマスクして、露光を行うことによって、パター
ン形成領域内のラジカル発生剤がラジカル化して、ラジ
カルによるパターン潜像を形成することができる。これ
により、このパターン潜像にラジカル重合性モノマーを
接触させるだけでモノマーが付加および重合するため、
容易にパターン潜像に沿ったポリマー（高分子）のパタ
ーンを形成することができる。

【００１４】また、好ましくは、マトリクス層は、ラジ
カル重合性を有する材料と、この材料を重合させるより
も過剰の量のラジカル発生剤とを混合し、このラジカル
発生剤の一部を用いてラジカル重合性を有する材料を重
合させて形成してあるのがよい。

【００１５】この発明において、マトリクス層上に高分
子パターンを形成するためには、マトリクス層内にラジ
カル発生剤が含まれていなければならない。このため、
この発明では、マトリクス層の材料としてラジカル重合
性を有する材料と過剰の量のラジカル発生剤とを用い
る。まず、これらを混合した後、露光を行ってラジカル
を発生させ、ラジカル重合性を有する材料を重合させ
る。これにより、硬化したマトリクス層が得られる。な
お、ここでは、ラジカル重合性を有する材料を硬化させ
るのに必要な量よりも過剰な量のラジカル発生剤を用い
ているため、硬化したマトリクス層内には、ラジカル化
していないラジカル発生剤が残存している。これによ
り、マトリクス層内にラジカル発生剤を含ませることが
できる。よって、この後、形成するパターン形状に対応
するマスクをマトリクス層上に設けて露光を行えば、マ
スクから露出しているマトリクス層内のラジカル発生剤
をラジカル化することができ、ラジカルによるパターン
潜像を容易に形成することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の高分子パターン
の形成方法の実施の形態について、図を参照して説明す
る。なお、各図は発明を理解できる程度に各構成成分の
形状、大きさおよび配置関係を概略的に示してあるに過
ぎず、したがってこの発明を図示例に限定するものでは
ない。

【００１７】１．ラジカル発生剤が均一に含まれている
マトリクス層を、概略的には次のようにして形成する
（図１参照）。なお、図１は、この実施の形態の説明に
供する高分子パターンの形成工程を示す概略的な断面図
である。

【００１８】まず、ラジカル発生剤とマトリクス用高分
子材料とを混合および溶解してマトリクス溶液を形成す
る。次に、このマトリクス溶液１３を基板１１上に塗布
した後（図１（Ａ））、固体化させてマトリクス層１５
を形成する（図１（Ｂ））。

【００１９】マトリクス溶液１３は、例えば次のように
して固体化させる。マトリクス用高分子材料としてラジ
カル重合する材料を用いる。そして、このマトリクス用
高分子材料を重合させるのに必要な量よりも過剰な量の
ラジカル発生剤と、マトリクス用高分子材料とを混合さ
せてマトリクス溶液を形成する。その後、このマトリク
ス溶液１３を基板１１上に塗布する（図１（Ａ））。そ
の後、露光量を調節して露光を行うことによって、マト
リクス用高分子材料を重合させるのに十分な量だけラジ
カル発生剤をラジカル化させる。これにより、マトリク
ス溶液１３中のマトリクス用高分子材料は発生したラジ
カルによってラジカル重合する。その結果、マトリクス
溶液１３は、固体化してマトリクス層１５となる（図１
（Ｂ））。また、この時点でマトリクス層１５の中には
ラジカル化せずに残存しているラジカル発生剤が均一に
含まれている。

【００２０】また、乾燥させることによって固体化する
高分子材料を用いて、この高分子材料の溶液にラジカル
発生剤を混合した後、基材にこの溶液を塗布および乾燥
させることによって固体化したマトリクス層を形成して
もよい。この場合は、マトリクス溶液中にラジカル発生
剤を過剰に含有させる必要はない。すなわち、後にマト
リクス層のパターン形成領域にラジカル重合性モノマー
を重合させることができる量のラジカル発生剤を含んで
いればよい。

【００２１】２．次に、マトリクス層のパターン形成領
域にラジカルを発生させて、ラジカルによるパターン潜
像を形成する（図２参照）。なお、図２は、図１に続く
高分子パターン形成工程図である。

【００２２】マトリクス層１５の上側（基板とは反対
側）に、所望のパターン形状を有するフォトマスク１７
を設ける。このフォトマスク１７の上側から紫外線など
の高エネルギー線を照射する。これにより、フォトマス
ク１７から露出していて光が照射されているマトリクス
層１５ａ内にはラジカルが発生する。このラジカルが発
生している領域１５ａはパターン形状に沿っているため
にラジカルによるパターン潜像１９がマトリクス層１５
に形成される（図２（Ａ））。

【００２３】３．次に、パターン潜像を有するマトリク
ス層にラジカル重合性モノマーを接触させることによ
り、パターン潜像上に高分子パターンを形成する。

【００２４】ラジカル重合性モノマーをマトリクス層に
接触させる方法の一つとして、例えば、ラジカル重合性
のモノマーの蒸気２１を発生させて、この蒸気２１の雰
囲気中にパターン潜像１９を有するマトリクス層１５を
一定時間放置する。これにより、パターン潜像１９の部
分にはモノマーの蒸気２１が重合反応を起こしてポリマ
ー２３が成長していく（図２（Ｂ））。

【００２５】これにより、マトリクス層１５上にポリマ
ー２３のパターン２３ｘを形成することができる（図２
（Ｃ））。

【００２６】

【実施例】次に、実施例により、この発明の高分子パタ
ーンの形成方法について、さらに詳しく説明する。ただ
し、以下の説明中の薬品等の使用量、処理温度、処理時
間等の数値的条件、使用薬品等は、この発明の範囲内の
一例に過ぎない。

【００２７】まず、ラジカル発生剤が均一に含まれてい
るマトリクス層を形成する。

【００２８】この例では、１０ｇのトリメチロールプロ
パントリアクリレート（光栄社油脂化学工業製：商品名
ＴＭＰ−Ａ）にラジカル発生剤としての２，２−ジメチ
ル−２−フェニル−アセトフェノン（アルドリッチ社
製）０．０７６５ｇを添加して、遮光した状態で、常温
でかつ密閉させた雰囲気内で２時間攪拌して十分に混合
し、溶解させる。この溶液をフィルターを用いてろ過す
る。ここではフィルターとして０．４５μｍ細孔径のＰ
ＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）膜を用いた。ろ
過することによって、溶液中のゴミや未溶解物を取り除
いておき、後の工程で、均一な膜が得られるようにす
る。この溶液を試験用マトリクス溶液とする。

【００２９】次に、このマトリクス溶液１３を、シリコ
ンウエハ１１上に回転速度を３０００ｒｐｍにしてスピ
ンコートする（図１（Ａ））。このマトリクス溶液１３
中のラジカル発生剤（２，２−ジメチル−２−フェニル
−アセトフェノン）は３３０ｎｍの波長の光によってラ
ジカル化するため、ここでは、４５０ｎｍ以下の光をカ
ットしてある安全灯を用いてスピンコートを行う。その
後、窒素雰囲気中で３３０ｎｍの波長の光（紫外線）を
シリコンウエハ１１上のマトリクス溶液１３に照射し
て、２，２−ジメチル−２−フェニル−アセトフェノン
をラジカル化する。そして、これにより発生するラジカ
ルにトリメチロールプロパントリアクリレートが付加お
よび重合して、厚さが２μｍの固いフィルム状のマトリ
クス層１５が形成される（図１（Ｂ））。紫外線を照射
する時間は、マトリクス溶液１３を固体化してマトリク
ス層１５を形成するのに必要なラジカルが発生するのに
十分な時間とする。また、このマトリクス溶液１３中に
は、ラジカル発生剤が、マトリクス層１５の形成に必要
な量の１０倍以上、過剰に含まれている。よって、固体
化したマトリクス層１５の中にもラジカル化していない
ラジカル発生剤が残存している。

【００３０】次に、マトリクス層のパターン形成領域に
ラジカルを発生させて、ラジカルによるパターン潜像を
形成する。

【００３１】この例では、窒素雰囲気下でマトリクス層
１５の上面に２０μｍのラインアンドスペースのパター
ン形状を有するフォトマスク１７を設ける。その後、こ
のフォトマスク１７の上側からマトリクス層１５に対し
て３３０ｎｍの波長の光を照射する。これにより、フォ
トマスク１７から露出しているマトリクス層１５内の領
域１５ａ（パターン形成領域）に選択的にラジカルが発
生する（ラジカル発生剤である２，２−ジメチル−２−
フェニル−アセトフェノンがラジカル化する。）。よっ
て、ラジカルが発生している領域１５ａにはラジカルに
よるパターン潜像１９が形成されている（図２
（Ａ））。なお、パターン形成領域１５ａ内におけるラ
ジカル発生剤のラジカル化は、パターン形成領域１５ａ
上にパターン形状に沿って、ラジカル重合性モノマーが
重合できる程度になされていればよい。したがって、マ
トリクス層１５のパターン形成領域１５ａの表面付近が
ラジカル化して形成される部分も、ここではパターン潜
像と称する。また、図２（Ａ）に示しているように、マ
トリクス層１５の厚さ方向全体にわたってラジカル化し
ている領域もパターン潜像と称する。

【００３２】次に、パターン潜像を有するマトリクス層
にラジカル重合性モノマーを接触させることにより、パ
ターン潜像上に高分子パターンを形成する。

【００３３】このため、この例では、シリコンウエハ１
１およびパターン潜像１９が形成されているマトリクス
層１５を、外気から遮断することができ、内部を窒素雰
囲気にした容器２０内に入れた後、容器２０内へ、ガス
導入口２０ａからメチルメタクリレートの蒸気２１を導
入する。そして、この雰囲気にマトリクス層１５を１時
間曝す。このメチルメタクリレートの蒸気２１は、例え
ば次のようにして発生させたものを用いる。フラスコに
液体のメチルメタクリレートを入れて、このフラスコを
約５０℃に温める。これによりフラスコ内で蒸発して発
生した気体のメチルメタクリレートを冷却管を通して冷
却し、室温以下の温度で冷却管から出てくる気体を窒素
雰囲気の容器２０内に導入する。これにより、気体のメ
チルメタクリレート２１が窒素雰囲気中で冷却されて結
露を生じる心配はない。この結果、パターン潜像１９の
部分では、ラジカルが発生しているので、ラジカル重合
性のメチルメタクリレート２１が付加および重合して、
パターン潜像１９上にポリメチルメタクリレート２３が
形成され成長していく（図２（Ｂ））。

【００３４】マトリクス層１５上に形成されたポリメチ
ルメタクリレートのパターン２３ｘを電子顕微鏡で観察
してみると、約２０μｍのラインアンドスペースのパタ
ーンに沿って、高さが約１μｍのポリメチルメタクリレ
ートのパターン２３ｘが形成されていることが確認でき
る（図２（Ｃ））。

【００３５】また、この実施例では、マトリクス用高分
子材料としてトリメチロールプロパントリアクリレート
を用いているが、これに限らず、ガラス転移温度が１０
０℃以上で、かつラジカル発生剤を均一に混合すること
ができ、さらにスピンコートで基板上に塗布することが
できる材料であればよい。例えば、ペンタエリスリトー
ルトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアク
リレート、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート
等の多官能アクリレートを用いることができる。これら
の多官能アクリレートは実施例と同様にして重合させる
ことによりマトリクス層として用いることができる。ま
た、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアクリレー
ト、ポリアクリロニトリル等のポリマーを用いることも
できる。これらのポリマーを用いる場合は、ポリマーの
溶液にラジカル発生剤を混合して基板上に塗布および乾
燥させてマトリクス層を形成するのが好適である。

【００３６】また、ラジカル発生剤として、この実施例
では２，２−ジメチル−２−フェニル−アセトフェノン
を用いているが、これに限らず、光でラジカル化する物
質であれば他の材料を用いてもよい。例えば、ジアゾ化
合物や、チタノセンクロライド（ｔｉｔａｎｏｃｅｎｅ
ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ベンジル（ｂｅｎｚｉｌ）、１−
（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−
メチルプロパン−１−オン（１−（４−ｉｓｏｐｒｏｐ
ｙｌｐｈｅｎｙｌ）−２−ｈｙｄｒｏｘｙ−２−ｍｅｔ
ｈｙｌｐｒｏｐａｎ−１−ｏｎ）、２−ヒドロキシ−２
−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン（２−ｈｙ
ｄｒｏｘｙ−２−ｍｅｔｈｙｌ−１−ｐｈｅｎｙｌｐｒ
ｏｐａｎ−１−ｏｎ）、アゾイソブチルニトリル（ａｚ
ｏｉｓｏｂｕｔｙｌｎｉｔｒｉｌ）等を用いることがで
きる。

【００３７】また、この例ではラジカル重合性モノマー
として、メチルメタクリレートを用いているが、これに
限らず、アクリロニトリルやメチルアクリレートなどを
用いてもよい。

【００３８】また、マトリクス層上に形成される高分子
パターンを光導波路等の光部品として用いる場合には、
高分子パターンの材料となるラジカル重合性モノマー
を、マトリクス用高分子材料よりも高屈折率の材料とな
るように選択して用いるのがよい。

【００３９】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の高分子パターンの形成方法によれば、ラジカル
発生剤が均一に含まれているマトリクス層のパターン形
成領域に選択的にラジカルを発生させて、ラジカルによ
るパターン潜像を形成し、このパターン潜像を有するマ
トリクス層にラジカル重合性モノマーを接触させること
により、ラジカルにモノマーを連鎖的に付加および重合
させて、パターン潜像上に高分子パターンを形成してい
る。

【００４０】これにより、ＲＩＥ法を用いて高分子パタ
ーンを形成していた従来と比較すると、この発明の方法
で高分子パターンを形成すれば、高価な装置や、装置の
高度な操作技術を必要とせず、しかもエッチングマスク
を設け、ＲＩＥ終了後にこのマスクを取り除くという工
程は必要ない。このため、少ない工程数で所望の高分子
パターンを形成することができる。よって、安価に、か
つ容易に高分子パターンを形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）および（Ｂ）は、この発明の実施の形態
および実施例の説明に供する概略的な工程図である。

【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１に続く概略的な工程図
である。

【図３】（Ａ）〜（Ｅ）は、従来の高分子パターン形成
方法の説明に供する概略的な工程図である。

【符号の説明】

１１：基板、シリコンウエハ １３：マトリクス溶液 １５：マトリクス層 １５ａ：光が照射されているマトリクス層、ラジカルが
発生している領域、パターン形成領域 １７，１０７：フォトマスク １９，１０９：パターン潜像 ２０：容器 ２０ａ：ガス導入口 ２１：ラジカル重合性のモノマーの蒸気、気体のメチル
メタクリレート ２３：ポリマー、ポリメチルメタクリレート ２３ｘ：ポリマーのパターン １０１：下地 １０３：高分子膜 １０３ｘ：高分子パターン １０５：フォトレジスト膜 １０５ｘ：レジストパターン、エッチングマスク

フロントページの続き (72)発明者 海部 勝晶 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電気 工業株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ラジカル発生剤が均一に含まれているマ
   トリクス層のパターン形成領域にラジカルを発生させ
   て、該パターン形成領域に前記ラジカルによるパターン
   潜像を形成する工程と、 該パターン潜像が形成されたマトリクス層にラジカル重
   合性モノマーを接触させることにより、前記ラジカルに
   前記モノマーを連鎖的に付加および重合させて、前記パ
   ターン形成領域上に高分子パターンを形成する工程とを
   含むことを特徴とする高分子パターンの形成方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の高分子パターンの形成
   方法において、 前記ラジカルは、前記パターン形成領域に光を照射する
   ことにより発生させることを特徴とする高分子パターン
   の形成方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の高分子パターンの形成
   方法において、 前記光を紫外線とすることを特徴とする高分子パターン
   の形成方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の高分子パターンの形成
   方法において、 前記パターンの潜像を形成する工程は、 前記マトリクス層の上側にパターン形状に対応するマス
   クを設け、該マスクの上側から前記マトリクス層に対す
   る露光を行う処理を含んでいることを特徴とする高分子
   パターンの形成方法。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の高分子パターンの形成
   方法において、 前記マトリクス層の形成は、 ラジカル重合性を有する材料と、該材料を重合させるよ
   りも過剰の量のラジカル発生剤とを混合し、 該ラジカル発生剤の一部を用いて前記材料を重合させる
   ことによって行うことを特徴とする高分子パターンの形
   成方法。