JP2015221561A - インプリント用のモールド、およびインプリント方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スループットを改善できる、インプリント用のモールドの提供。【解決手段】基材との間に転写材料を挟み、該転写材料に凹凸パターンを転写するインプリント用のモールドであって、前記転写材料と接触する転写面、および前記転写面に形成される線状の溝部を有し、前記溝部の側壁部と前記転写面とのなす角が、９０?よりも大きく、９６?以下である、インプリント用のモールド。【選択図】図１

Description

本発明は、インプリント用のモールド、およびインプリント方法に関する。

フォトリソグラフィ法の代替技術として、インプリント法が注目されている。インプリント法は、モールドと基材との間に転写材料を挟み、モールドの凹凸パターンを転写材料に転写する技術である（例えば特許文献１参照）。インプリント法は、半導体素子だけでなく、反射防止シート、バイオチップ、磁気記録媒体など様々な製品の製造に適用できる。

特開２００９−４８７５２号公報

ところで、モールドと基材との間に気泡を巻き込むことがある。気泡内のガスが転写材料に溶け込むことにより、気泡が消滅する。

従来、気泡の消滅時間が長く、スループットが低かった。

尚、上記特許文献１では、モールドとレジストとの離型性向上のため、凹部の側壁部と凹部の底壁部とのなす角を４０°以上９０°未満とすることが提案されているが、気泡の消滅時間に関する言及はなく、凹部の側壁部と凹部が形成される面とのなす角に関する記載はない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、スループットを改善できる、インプリント用のモールドの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様によれば、
基材との間に転写材料を挟み、該転写材料に凹凸パターンを転写するインプリント用のモールドであって、
前記転写材料と接触する転写面、および前記転写面に形成される線状の溝部を有し、
前記溝部の側壁部と前記転写面とのなす角が、９０°よりも大きく、９６°以下である、インプリント用のモールドが提供される。

本発明によれば、スループットを改善できる、インプリント用のモールドが提供される。

本発明の一実施形態によるインプリント用のモールドを示す図である。 本発明の一実施形態によるインプリント方法の塗布工程を示す図である。 本発明の一実施形態によるインプリント方法の転写工程を示す図である。 本発明の一実施形態による転写材料の塗布時の状態を示す図である。 図４の転写材料の濡れ広がりを示す図である。 図５の転写材料の濡れ広がりを示す図である。 本発明の一実施形態によるモールドの転写面と接触する転写材料の状態を示す図である。 図７の転写材料の濡れ広がりを示す図である。 図８の転写材料の濡れ広がりを示す図である。 シミュレーション解析に用いたモデルの一例を示す断面図である。 シミュレーション解析結果による時間Ｔの増加率（Ｔ−Ｔ０）／Ｔ０と、接続角θとの関係の一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成には、同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。本明細書において、数値範囲を表す「〜」はその前後の数値を含む範囲を意味する。

図１は、本発明の一実施形態によるインプリント用のモールドを示す図である。インプリント法は、詳しくは後述するが、モールド１０と基材との間に転写材料を挟み、モールド１０の凹凸パターンを転写材料に転写する技術である。

モールド１０は、転写材料と接触する転写面１１、および転写面１１に形成される線状の溝部１２を有する。転写面１１は平坦な面であってよく、溝部１２は直線状であってよい。溝部１２は転写面１１に複数形成されてよい。溝部１２のピッチＰは例えば１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下である。図１の溝部１２は等ピッチで形成されるが、不等ピッチで形成されてもよい。ピッチＰは、図３に示すとおり、隣り合う２つの溝部１２の底壁部１５の中心線間の長さである。

モールド１０は、ＳｉＯ_２ガラス、またはＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２ガラスで形成されてよい。ＳｉＯ_２ガラスやＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２は、一般的なソーダライムガラスに比べて、紫外線の透過率が高い。また、ＳｉＯ_２ガラスやＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２は、一般的なソーダライムガラスに比べて、線膨張係数が小さく、温度変化による凹凸パターンの寸法変化が小さい。

ＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２ガラスは、ＳｉＯ_２ガラスよりも、転写材料の濡れ広がり速度が大きく、より好ましい。転写材料の濡れ広がり速度が大きいことで得られる効果については、後述する。

ＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２ガラスは、ＴｉＯ_２を５〜１２質量％含むことが好ましい。ＴｉＯ_２含有量が５〜１２質量％であると、室温付近（１０〜７５℃）での線膨張係数が略ゼロであり、室温付近での寸法変化がほとんど生じない。

モールド１０の凹凸パターンは、マスターモールドの凹凸パターンをインプリント法でレジスト層に転写し、そのレジスト層をマスクとしてエッチングを施すことにより形成されてよい。エッチングは、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれでもよい。マスターモールドの凹凸パターンは、電子線描画装置を用いて形成されてよい。

尚、本実施形態のモールド１０は、マスターモールドを用いて得られるものであるが、マスターモールドそのものであってもよく、特に限定されない。

図２は、本発明の一実施形態によるインプリント方法の塗布工程を示す図である。塗布工程では、基材２０上に転写材料３０をドット状に塗布する。

基材２０としては、例えばウエハが用いられる。ウエハは素子、回路、端子などが形成されたものであってよく、ウエハに形成された素子などに転写材料３０が塗布されてよい。

転写材料３０としては、例えば光硬化性樹脂が用いられる。光硬化性樹脂は、光インプリント法に用いられる一般的なものが使用できる。

図３は、本発明の一実施形態によるインプリント方法の転写工程を示す図である。転写工程では、モールド１０と基材２０との間に転写材料３０を挟み、モールド１０の凹凸パターンを転写材料３０に転写する。転写材料３０の凹凸パターンは、モールド１０の凹凸パターンが略反転したものとなる。

転写材料３０は、液体の状態でモールド１０と基材２０との間に挟まれ、その状態で固化される。固化の方法は、転写材料３０の種類に応じて適宜選択される。転写材料３０が光硬化性樹脂の場合、光（例えば紫外線）が用いられる。

光硬化性樹脂は、光の照射によって液体から固体に変化する。光硬化性樹脂は非ニュートン流体や粘弾性を有する液体であってもよい。光は、モールド１０を透過して転写材料３０に照射されてよい。尚、基材２０が光透過性を有する場合、基材２０側から転写材料３０に光が照射されてもよく、この場合、モールド１０は光透過性を有しなくてもよい。モールド１０と基材２０の両側から転写材料３０に光が照射されてもよい。

光インプリント法では、室温での成型が可能であり、モールド１０と基材２０との線膨張係数差による歪みが発生しにくく、転写精度が良い。尚、硬化反応の促進のため、光硬化性樹脂は加熱されてもよい。

尚、本実施形態では、光インプリント法が用いられるが、熱インプリント法が用いられてもよい。熱インプリント法の場合、転写材料３０として、熱可塑性樹脂、または熱硬化性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂は、加熱によって溶融し、冷却によって固化する。熱硬化性樹脂は、加熱によって液体から固体に変化する。熱硬化性樹脂は非ニュートン流体や粘弾性を有する液体であってもよい。

転写材料３０の固化後、転写材料３０とモールド１０とが分離される。転写材料３０を固化してなる凹凸層と、基材２０とで構成される製品が得られる。製品の凹凸パターンは、モールド１０の凹凸パターンが略反転したものであって、マスターモールドの凹凸パターンと同じものとなる。

ところで、転写工程において、モールド１０と基材２０との間に気泡を巻き込むことがある。気泡内のガスが転写材料３０に溶け込むことによって、気泡が消滅する。気泡の消滅時間は、気泡内のガスの種類、気泡の初期サイズなどで決まる。

気泡内のガスの種類としては、Ｈｅガスが好ましい。Ｈｅガスの原子サイズは、空気の主成分であるＮ_２ガスの分子サイズに比べて小さい。そのため、Ｈｅガスは、Ｎ_２ガスに比べて、転写材料３０などに溶け込みやすく、気泡の消滅時間を短縮できる。気泡内のガスがＨｅガスとなるように、Ｈｅガス雰囲気中で転写工程が行われてよい。

気泡の初期サイズが小さいほど、気泡の消滅時間が短い。

本発明者らは、気泡の初期サイズを小さくするため、転写材料３０の濡れ広がり速度の異方性を利用することを見出した。

図４は、本発明の一実施形態による転写材料の塗布時の状態を示す図である。図５は、図４の転写材料の濡れ広がりを示す図である。図６は、図５の転写材料の濡れ広がりを示す図である。図４〜６は、濡れ広がり速度に異方性がある場合（左右方向への濡れ広がり速度が上下方向への濡れ広がり速度よりも小さい場合）の転写材料の状態を時系列的に示す。図６において、二点鎖線は、濡れ広がり速度に異方性がない場合の転写材料の状態を示す。

転写材料３０は、図４に示すように、液体の状態で、基材２０上にドット状に塗布される。その後、転写材料３０の液滴は、基材２０とモールド１０との間に挟まれ、濡れ広がる。図４〜図６に示すように、左右方向への濡れ広がり速度が上下方向への濡れ広がり速度よりも小さい場合、上下方向に隣り合う液滴同士がくっついた後、左右方向に隣り合う液滴同士がくっつくことで、４つの液滴の間に気泡５０が閉じ込められる。一方、図６に二点鎖線で示すように、濡れ広がり速度に異方性がない場合、液滴は円状のまま径方向外方に広がり、４つの液滴が同時にくっつくことで、４つの液滴の間に気泡が閉じ込められる。図６から明らかなように、濡れ広がり速度に異方性がある場合、異方性がない場合に比べて、気泡５０の初期サイズが小さい。

図１に示すようにモールド１０の転写面１１には線状の溝部１２が形成されており、転写材料３０は溝部１２の長手方向に沿って濡れ広がりやすい。溝部１２の長手方向への濡れ広がり速度Ｖ１は、溝部１２の幅方向への濡れ広がり速度Ｖ２よりも大きい。

図７は、本発明の一実施形態によるモールドの転写面と接触する転写材料の状態を示す図である。図８は、図７の転写材料の濡れ広がりを示す図である。図９は、図８の転写材料の濡れ広がりを示す図である。図７〜９は、転写材料の状態を時系列的に示す。

転写材料３０が転写面１１に沿って濡れ広がるとき、転写面１１に溝部１２が形成されていると、溝部１２の側壁部１３と転写面１１との境界１６を転写材料３０が乗り越えるのに時間がかかる。転写材料３０が境界１６を乗り越えるためには、図７〜９に示すように転写材料３０の接触角αが一時的に大きくなる必要があり、そのための待ち時間が生じるためである。待ち時間が長いほど、溝部１２の幅方向への濡れ広がり速度Ｖ２が小さい。

本発明者らは、シミュレーション解析などによって、溝部１２の側壁部１３と転写面１１とのなす角θ（以下、接続角θという）が９６°以下である場合に濡れ広がり速度Ｖ１、Ｖ２の異方性が顕著であることを見出した。尚、上記接続角θは、モールド１０と転写材料３０との離型性の観点から９０°よりも大きい。

尚、溝部１２の側壁部１３が平坦面ではなく曲面である場合、互いに平行な底壁部１５と転写面１１から等距離な位置での側壁部１３の接線と、転写面１１の延長面とのなす角が接続角θとして用いられる。

図１０は、シミュレーション解析に用いたモデルの一例を示す断面図である。図１０において、実線は転写材料の液面がスタート地点にある状態を示し、二点鎖線は転写材料の液面がゴール地点にある状態を示す。スタート地点およびゴール地点は、転写面１１に設定した。

シミュレーション解析では、転写材料３０の液面がスタート地点から出発し溝部を横切りゴール地点に到達するまでの時間Ｔと、接続角θとの関係を調べた。接続角θが１０５°の場合の時間ＴをＴ０とし、Ｔ０を基準として時間Ｔの増加率（Ｔ−Ｔ０）／Ｔ０を調べた。解析手法としてはＶＯＦ法（Volume Of Fluid Method）を、解析ソフトとしてはANSYS, Inc.社製のANSYS FLUENT(Ver.14.5)を用いた。

図１０に示すモデルでは、互いに平行な基材２０の表面２１とモールド１０の転写面１１との間隔ＲＬＴは５０ｎｍ、溝部１２の幅Ａは５０ｎｍ、溝部１２の深さＢは５０ｎｍとした。溝部１２の形状は等脚台形状とした。溝部１２の幅Ａは、溝部１２の底壁部１５と転写面１１とから等距離な位置での幅であり、接続角θに関係なく５０ｎｍである。溝部１２の中心線とスタート地点との間の距離Ｃは５５ｎｍ、溝部１２の中心線とゴール地点との間の距離Ｄは５０ｎｍとした。

初期条件として、基材２０の表面２１とモールド１０の転写面１１との間に形成される隙間の左端部に、転写材料３０で充填された領域を設定した。境界条件として、上記隙間の左右両端にそれぞれPressure Outlet条件を設定した。転写材料３０の液面が右方向に移動するにつれ、上記隙間の左端からは転写材料３０が供給され、上記隙間の右端からはガスが排出される。転写材料３０が接触する面（基材２０の表面２１、モールド１０の転写面１１、および溝部１２の側壁部１３や底壁部１５）にはNo-slip条件を設定した。また、基材２０の表面２１と転写材料３０との接触角は１０°、モールド１０の転写面１１および転写材料３０との接触角は３０°、および溝部１２の側壁部１３や底壁部１５と転写材料３０の接触角はそれぞれ３０°と設定した。

図１１は、シミュレーション解析結果による時間Ｔの増加率（Ｔ−Ｔ０）／Ｔ０と、接続角θとの関係の一例を示す図である。図１１において、横軸は接続角θ（°）であり、縦軸は時間Ｔの増加率（Ｔ−Ｔ０）／Ｔ０（％）である。

図１１から明らかなように、接続角θが９６〜９９°の間に時間Ｔが急激に変化する。接続角θが９６°以下であると、時間Ｔが十分に大きく、溝部１２の幅方向への濡れ広がり速度Ｖ２が十分に小さく、濡れ広がり速度Ｖ１、Ｖ２の異方性が十分に大きい。よって、転写工程で生じる気泡の初期サイズが十分に小さく、スループットが改善できる。接続角θは好ましくは９３°以下である。

濡れ広がり速度Ｖ１、Ｖ２の異方性は、モールド１０がＳｉＯ_２ガラスで形成される場合よりも、モールド１０がＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２ガラスで形成される場合に顕著である。ＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２ガラスは、ＳｉＯ_２ガラスよりも、転写材料３０が濡れやすく、転写材料３０の濡れ広がり速度Ｖ１、Ｖ２が大きい。転写材料３０の濡れ広がり速度Ｖ１、Ｖ２が大きいほど、その異方性が顕著になる。これは、転写材料３０が短時間で移動するため、転写材料３０が境界１６を乗り越えるための待ち時間の影響が大きいためである。

濡れ広がり速度Ｖ１、Ｖ２は、転写材料３０が接触する面（基材２０の表面２１、モールド１０の転写面１１、および溝部１２の側壁部１３や底壁部１５）の表面粗さにも依存する。表面粗さが大きい（つまり粗い）表面ほど、転写材料３０が濡れやすく、濡れ広がり速度Ｖ１、Ｖ２が大きく、その異方性が大きい。

溝部１２の側壁部１３の表面粗さＲａ１は、溝部１２の底壁部１５の表面粗さＲａ２よりも小さくてよい。溝部１２の側壁部１３が平滑であるほど、転写材料３０が濡れにくく、転写材料３０が溝部１２の側壁部１３を這い上がる時間が長く、転写材料３０が溝部１２を横切る時間が長い。よって、溝部１２の幅方向への濡れ広がり速度Ｖ２をさらに小さくすることができる。

溝部１２の側壁部１３の表面粗さＲａ１と、溝部１２の底壁部１５の表面粗さＲａ２との大小関係は、溝部１２を形成するエッチングの条件で調節できる。例えば、エッチングガス種やその混合比、及びエッチング条件（具体的には、プロセス圧力、バイアスパワー等）を好適な範囲で選択することにより形成する。具体的には、０．１〜１０．０Ｐａの圧力で、ＣＦ系ガスに希ガス、水素ガス、酸素ガス等を導入し、プラズマ源に１００〜１，０００Ｗ、基板側に２０〜４００Ｗのパワーを投入することで調節できる。

溝部１２の側壁部１３の表面粗さＲａ１、および溝部１２の底壁部１５の表面粗さＲａ２は、それぞれ、例えば０．１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下であり、好ましくは０．１〜５ｎｍであり、より好ましくは０．１ｎｍ以上、３ｎｍ以下である。表面粗さＲａ１、Ｒａ２は、日本工業規格ＪＩＳ Ｂ０６０１：２０１３（ＩＳＯ４２８７：１９９７／Ａｍｄ． １：２００９）に記載の「算術平均粗さ」であって、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）により測定することがする。ただし、Ｒａ１＜Ｒａ２の関係を満たす場合には、Ｒａ１は例えば０．１ｎｍ以上１０ｎｍ未満であり、好ましくは０．１ｎｍ以上５ｎｍ未満であり、より好ましくは０．１ｎｍ以上３ｎｍ未満である。Ｒａ２は、例えば０．１ｎｍ超１０ｎｍ以下であり、好ましくは０．１ｎｍ超５ｎｍ以下であり、より好ましくは０．１ｎｍ超３ｎｍ以下である。

以上、インプリント用のモールドの実施形態などについて説明したが、本発明は上記実施形態などに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。

例えば、上記実施形態の転写材料３０は、基材２０上にドット状に塗布されるが、ストライプ状に塗布されてもよい。この場合、転写材料３０は、溝部１２の長手方向に対して平行に細長く塗布されてよい。転写材料３０は、基材２０ではなく、モールド１０に塗布されてもよい。

１０ モールド
１１ 転写面
１２ 溝部
１３ 側壁部
１５ 底壁部
２０ 基材
３０ 転写材料

Claims (8)

1. 基材との間に転写材料を挟み、該転写材料に凹凸パターンを転写するインプリント用のモールドであって、
   前記転写材料と接触する転写面、および前記転写面に形成される線状の溝部を有し、
   前記溝部の側壁部と前記転写面とのなす角が、９０°よりも大きく、９６°以下である、インプリント用のモールド。
2. 前記溝部の側壁部の表面粗さが、前記溝部の底壁部の表面粗さよりも小さい、請求項１に記載のインプリント用のモールド。
3. 前記溝部の側壁部の表面粗さ、および前記溝部の底壁部の表面粗さは、それぞれ、０．１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である、請求項１または２に記載のインプリント用のモールド。
4. 前記溝部は、前記転写面に複数形成され、
   複数の前記溝部のピッチが１００ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のインプリント用のモールド。
5. 前記モールドは、ＳｉＯ_２ガラス、またはＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２ガラスで形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のインプリント用のモールド。
6. 前記モールドは、ＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２ガラスで形成される、請求項５に記載のインプリント用のモールド。
7. 前記ＴｉＯ_２−ＳｉＯ_２ガラスは、ＴｉＯ_２を５〜１２質量％含む、請求項６に記載のインプリント用のモールド。
8. 請求項１〜７のいずれか一項のインプリント用のモールドと基材との間に転写材料を挟み、前記モールドの凹凸パターンを前記転写材料に転写する転写工程を有する、インプリント方法。

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