JP3749950B2

JP3749950B2 - マイクロパターンの形成方法、マイクロパターン、マイクロパターン転写形成用モールドの作製方法、及びマイクロパターン転写形成用モールド

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Publication number: JP3749950B2
Application number: JP2003293411A
Authority: JP
Inventors: 博之杉村; 永宏齋藤; 治高井
Original assignee: Nagoya University NUC; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Nagoya University NUC; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2003-08-14
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2023-08-14
Also published as: US7229748B2; JP2005064289A; US20050058951A1

Description

本発明は、マイクロパターンの形成方法及びマイクロパターンに関し、さらに前記マイクロパターンの作製に際して使用するマイクロパターン転写形成用モールド、及びその作製方法に関する。

従来、高分子基板上に金属などからなるマイクロパターンを形成するに際しては、フォトリソグラフィ技術が用いられてきた。この技術においては、高分子基板上に金属などからなる薄膜を均一に被覆した後、レジスト塗布、フォトマスクを介した露光、現像、エッチング、及びレジスト除去などの工程を順次に行い、目的とする前記マイクロパターンを形成する。

しかしながら、上述したフォトリソグラフィ技術を用いたマイクロパターンの作製方法においては、工程が複雑でコストがかかるばかりでなく、１０μｍ以下のラインスペースで高密度のマイクロパターンを形成することは困難であった。

本発明は、簡易な工程で高密度のマイクロパターンを形成することのできる新規な方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
第１の基板上に有機単分子膜を形成する工程と、
前記有機単分子膜をフォトリソグラフィ技術によって微細加工し、有機単分子膜パターンを形成する工程と、
前記有機単分子膜パターン上に、薄膜を選択成長させる工程と、
前記薄膜を高分子からなる第２の基板上に転写し、前記第２の基板上に前記薄膜よりなるマイクロパターンを形成する工程と、
を具えることを特徴とする、マイクロパターンの形成方法に関する。

また、本発明は、
所定の基板上に有機単分子膜を形成する工程と、
前記有機単分子膜をフォトリソグラフィ技術によって微細加工し、有機単分子膜パターンを形成する工程とを具え、
高分子からなる追加の基板上に前記有機単分子膜パターン上に選択成長させた薄膜からなるマイクロパターンを転写形成するようにしたことを特徴とする、マイクロパターン転写形成用モールドの作製方法に関する。

さらに、本発明は、
所定の基板と、
前記基板上に形成された有機単分子膜パターンとを具え、
高分子からなる追加の基板上に前記有機単分子膜パターン上に選択成長させた薄膜からなるマイクロパターンを転写形成するようにしたことを特徴とする、マイクロパターン転写形成用モールドに関する。

本発明によれば、所定の基板上に形成された有機単分子膜から高密度の有機単分子膜パターンを形成し、この有機単分子膜パターン上に目的とするマイクロパターンを構成する薄膜を選択成長させてモールドを形成し、高分子基板に対して前記モールドを例えば押圧し、前記薄膜を前記他の基板上に転写するようにしている。

すなわち、本発明においては、有機単分子膜の形成、有機単分子膜のパターニング、薄膜の選択成長、及び転写という比較的単純な４つの工程のみで、目的とするマイクロパターンを形成することができる。また、前記有機単分子膜パターンを高密度化することにより、前記有機単分子膜パターン上に選択成長される薄膜も微細化するとともに高密度に配置されるようになる。したがって、転写形成される前記マイクロパターンも高密度化することができるようになる。

このように、本発明によれば、簡易な工程で高密度のマイクロパターンを形成することができる。

以下、本発明のその他の特徴及び利点について詳述する。
図１から図７は、本発明のマイクロパターンの形成方法の一例を示す工程図である。
最初に、図１に示すように、第１の基板１１上に有機単分子膜１２を形成する。有機単分子膜１２の作製方法は特に限定されるものではないが、好ましくは第１の基板１１を有機溶媒中に所定時間浸漬させることによって形成する。これによって、有機単分子膜１２を簡易に形成することができる。なお、有機溶媒としては、ウンデカノールなどを好ましく用いることができる。

また、第１の基板１１の前記有機溶媒中への浸漬時間は数時間程度であり、必要に応じて前記有機溶媒を１５０℃程度まで加熱する。さらに、前記有機溶媒に対してバブリング処理などを施して脱気することができる。

第１の基板１１は、シリコンやガラスなどから構成することができる。なお、有機単分子膜１２の形成に際して、第１の基板１１の表面を例えば弗酸溶液を用いてエッチングし、表面酸化膜を除去するなどの前処理及び洗浄化処理を行うことができる。

次いで、図２に示すように、有機単分子膜１２の上方にフォトマスク１３を配置し、図示しないエキシマランプ光源などから、フォトマスク１３を介して好ましくは波長２００ｎｍ以下、さらに好ましくは１４０〜１８０ｎｍの範囲の真空紫外光を有機単分子膜１２に照射する。このとき、有機単分子膜１２は前記紫外線照射域において分解するので、この分解領域を洗浄除去することによって、図３に示すような有機単分子膜パターン１４を得る。なお、図３に示す第１の基板１１及び有機単分子膜パターン１４からなるアセンブリは、本発明のマイクロパターンの形成方法における、転写形成用のモールドとして機能する。

有機単分子膜パターン１４は、以下に詳述するように目的とするマイクロパターンの配置密度に直接影響を与えるので、有機単分子膜パターン１４のラインスペースなどは得ようとするマイクロパターンのラインスペースなどを考慮して決定する。具体的に、マイクロパターンのラインスペースを１０μｍ以下とする場合においては、有機単分子膜パターン１４のラインスペースも１０μｍ以下とする。

次いで、図４に示すように、有機単分子膜パターン１４上に所定の薄膜１５を選択成長させる。薄膜１５は金属、並びにその他の無機材料及び有機−無機の複合体などから構成することができる。特に、薄膜１５を金属から構成し、以下に示す第２の基板を高分子基板から構成すれば、高分子基板上に金属マイクロパターンを形成することができるようになる。すなわち、従来懸念されていた、高分子基板への金属マイクロパターンの形成を簡易な工程を経るのみで実現することができる。

前記金属としては、特にニッケル又は銅などを好ましく用いることができる。ニッケル薄膜又は銅薄膜１５は、有機単分子膜パターン１４との密着性が乏しく、以下に示す転写工程において、第２の基板上に簡易に転写形成することができる。

有機単分子膜パターン１４上に金属薄膜１５を選択成長させるに当っては、無電解メッキなどのメッキ法を用いることができる。この場合、マスクなどを用いることなく、図３に示すアセンブリに対して直接メッキ処理を施す（メッキ液に浸漬する）ことによって、金属薄膜１５を有機単分子膜パターン１４上に簡易に選択成長させることができる。

但し、その他の選択成長法を用いることもでき、例えば、第１の基板１１の主面に対して、傾斜方向から分子線や原子線を入射させるようにすることによっても、有機単分子膜パターン１４上に薄膜１５を選択成長させることができる。

次いで、第２の基板１６を準備し、図５に示すように、第２の基板１６を第１の基板１１上に形成された薄膜１５に対して押圧する。すると、図６に示すように、薄膜１５は第２の基板１６に対して転写形成され、次いで、第１の基板１１及び有機単分子膜パターン１４からなる転写形成用モールドを剥離することによって、図７に示すように、第２の基板１６において薄膜１５からなるマイクロパターン１７を形成することができる。

なお、図５に示す工程においては、第２の基板１６を薄膜１５に対して押圧するようにしているが、必ずしも押圧する必要はなく、第２の基板１６の主面をアンカー効果を有するように加工しておく、あるいは第２の基板１６の主面上に接着剤を塗布しておくことなどによって、第２の基板１６と薄膜１５とを単に接触させるのみで、第２の基板１６上に
マイクロパターン１７を転写形成することができる。

なお、図７においては、マイクロパターン１７が第２の基板１６内に埋設するようにして形成されているが、押圧の際の圧力及び第２の基板１６の材料を適宜選択することによって、マイクロパターン１７を埋設させることなく、第２の基板１６上に形成するようにすることができる。但し、第２の基板１６を高分子基板から構成することにより、図７に示すような基板中に埋設したマイクロパターン１７を簡易に形成することができる。そして、マイクロパターン１７を第２の基板１６に埋設するように形成することによって、マイクロパターン１７の第２の基板１６に対する密着性を増大させることができる。

押圧の際の圧力は薄膜１５の種類及び第２の基板１６の種類などに依存して異なるが、通常は数十ＭＰａである。

また、前記押圧の際には、薄膜１５を含み、上述したように第１の基板１１及び有機単分子膜パターン１４から構成される転写形成用モールドを所定温度、例えば百数十度まで加熱することが好ましい。これによって、マイクロパターン１７の転写形成をより簡易に行うことができる。

なお、上述した転写形成用モールドは、マイクロパターン１７を転写形成した後においても繰り返し使用することができ、有機単分子膜パターン１４上に薄膜１５を再度選択成長させれば、マイクロパターン１７の形成を連続して行うことができるようになる。

以上のような工程を経て得たマイクロパターン１７は、上述したように有機単分子膜パターン１４のラインスペースを制御することによって、そのラインスペースを従来困難であった１０μｍ以下にまで狭小化することができ、高密度マイクロパターンを形成できるようになる。

図８〜図１１は、本発明のマイクロパターンの形成方法における変形例を示したものである。本例においては、図１に示す平坦な第１の基板１１の代わりに、表面に凸部を有する凹凸状の第１の基板２１を用いている。本例においては、図８に示すように、図１〜図４に示す工程と同様にして、第１の基板２１の凸部２１Ａ上に有機単分子膜パターン２４を形成し、有機単分子膜パターン２４上に薄膜２５を選択成長させる。

次いで、図９に示すように、第２の基板２６を薄膜２５に対して押圧し、図１０に示すように、第２の基板２６に対して薄膜２５を転写するとともに、第１の基板２１の凸部２１Ａを押圧する。その後、第１の基板２１及び有機単分子膜パターン２４からなる転写形成用モールドを剥離すると、図１１に示すように、第２の基板２６は凹凸状に加工されるとともに、第２の基板２６の凹部２８内には、薄膜２５から転写形成されたマイクロパターン２７が形成されるようになる。

本例におけるマイクロパターン形成方法は、薄膜２５、すなわちマイクロパターン２７を金属から構成することにより、例えばマイクロ流路部品の一部に金属配線又は電極を配置する場合などに好適に用いることができる。

（１１１）ｐ型Ｓｉ基板を５％の弗酸溶液で３分間エッチング処理し、表面酸化膜を除去した後、窒素バブリングで脱気した１５０℃のウンデカノール中に５時間浸漬させて、有機単分子膜を形成した。次いで、エキシマランプ光源を用い、所定のフォトマスクを介して前記有機単分子膜に紫外線を照射し、前記有機単分子膜を部分的に分解除去して、有機単分子膜パターンを形成した。次いで、前記有機単分子膜パターン上に無電界メッキ法により、ニッケル薄膜を選択成長させた。なお、前記無電解メッキにおいては、市販の活性化剤及び反応促進剤などを適宜使用した。

図１２は、有機単分子膜パターン上に選択成長したニッケル薄膜の状態を示すＳＥＭ写真である。図１２から明らかなように、上述したニッケル薄膜は有機単分子膜パターンのパターン形状を反映して、選択成長していることが分かる。

次いで、ＰＭＭＡ（分子量約２５０００、ガラス転移温度１０５℃）からなる高分子基板を、ニッケル薄膜を含む前記Ｓｉ基板及び前記有機単分子膜パターンから構成される転写形成用モールドを１８０℃に加熱した状態で、前記ニッケル薄膜に対してプレス機により圧力１０ＭＰａで押圧し、次いで開放することによって、前記高分子基板内にニッケルマイクロパターンを埋設するようにして転写形成した。

図１３は、このようにして形成したマイクロパターンのＳＥＭ写真であり、この写真からも明らかなように、前記高分子基板に対してニッケル薄膜が転写され、前記ニッケルマイクロパターンが転写形成されていることが確認された。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

本発明は、高密度実装用プリント配線基板製造技術として、電子機器の部品製造に適用できる。また、マイクロ化学／生化学分析チップ作製のための要素技術として、分析化学装置の構成要素及び医療用診断装置の構成要素として適用できる。さらに、マイクロマシンなどの微小機械部品の製造技術として使用することもできる。

本発明のマイクロパターンの形成方法の一例における最初の工程を示す図である。本発明のマイクロパターンの形成方法の一例において、図１に示す工程の次の工程を示す図である。本発明のマイクロパターンの形成方法の一例において、図２に示す工程の次の工程を示す図である。本発明のマイクロパターンの形成方法の一例において、図３に示す工程の次の工程を示す図である。本発明のマイクロパターンの形成方法の一例において、図４に示す工程の次の工程を示す図である。本発明のマイクロパターンの形成方法の一例において、図５に示す工程の次の工程を示す図である。本発明のマイクロパターンの形成方法の一例において、図６に示す工程の次の工程を示す図である。本発明のマイクロパターンの形成方法の変形例における一工程を示す図である。本発明のマイクロパターンの形成方法の変形例において、図８に示す工程の次の工程を示す図である。本発明のマイクロパターンの形成方法の変形例において、図９に示す工程の次の工程を示す図である。本発明のマイクロパターンの形成方法の変形例において、図１０に示す工程の次の工程を示す図である。有機単分子膜パターン上に選択成長したニッケル薄膜の状態を示すＳＥＭ写真である。マイクロパターンの一例を示すＳＥＭ写真である。

符号の説明

１１、２１第１の基板
１２有機単分子膜
１３フォトマスク
１４、２４有機単分子膜パターン
１５、２５薄膜
１６、２６第２の基板
１７、２７マイクロパターン
２１Ａ凸部
２８凹部

Claims

第１の基板上に有機単分子膜を形成する工程と、
前記有機単分子膜をフォトリソグラフィ技術によって微細加工し、有機単分子膜パターンを形成する工程と、
前記有機単分子膜パターン上に、薄膜を選択成長させる工程と、
前記薄膜を高分子からなる第２の基板上に転写し、前記第２の基板上に前記薄膜よりなるマイクロパターンを形成する工程と、
を具えることを特徴とする、マイクロパターンの形成方法。
前記有機単分子膜は、前記第１の基板を有機溶媒中に浸漬させることによって形成することを特徴とする、請求項１に記載のマイクロパターンの形成方法。
前記有機溶媒は、ウンデカノールであることを特徴とする、請求項２に記載のマイクロパターンの形成方法。
前記薄膜は金属薄膜であって、前記マイクロパターンは金属マイクロパターンであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のマイクロパターンの形成方法。
前記薄膜はニッケル薄膜又は銅薄膜であって、前記マイクロパターンはニッケルマイクロパターン又は銅マイクロパターンであることを特徴とする、請求項４に記載のマイクロパターンの形成方法。
前記金属薄膜はメッキ法によって形成することを特徴とする、請求項４又は５に記載のマイクロパターンの形成方法。
前記薄膜の、前記第２の基板上に対する転写は、前記薄膜を有する前記第１の基板を加熱した状態で押圧することによって実行することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載のマイクロパターンの形成方法。
前記マイクロパターンの少なくとも一部を、前記転写を通じて前記第２の基板内に埋設することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載のマイクロパターンの形成方法。
前記第１の基板はその表面に凸部を有し、前記押圧を通じて前記薄膜を前記第２の基板上に転写するとともに、前記第２の基板を凹凸状に加工することを特徴とする、請求項７又は８に記載のマイクロパターンの形成方法。
前記有機単分子膜パターンは、前記第１の基板の前記凸部上に形成することを特徴とする、請求項９に記載のマイクロパターンの形成方法。
前記マイクロパターンのラインスペースが１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一に記載のマイクロパターンの形成方法。
請求項１〜１１のいずれか一に記載の方法で形成されたことを特徴とする、マイクロパターン。
所定の基板上に有機単分子膜を形成する工程と、
前記有機単分子膜をフォトリソグラフィ技術によって微細加工し、有機単分子膜パターンを形成する工程とを具え、
高分子からなる追加の基板上に前記有機単分子膜パターン上に選択成長させた薄膜からなるマイクロパターンを転写形成するようにしたことを特徴とする、マイクロパターン転写形成用モールドの作製方法。
前記有機単分子膜は、前記所定の基板を有機溶媒中に浸漬させることによって形成することを特徴とする、請求項１３に記載のマイクロパターン転写形成用モールドの作製方法。
前記有機溶媒は、ウンデカノールであることを特徴とする、請求項１４に記載のマイクロパターン転写形成用モールドの作製方法。
前記基板はその表面に凸部を有することを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一に記載のマイクロパターン転写形成用モールドの作製方法。
前記有機単分子膜パターンは、前記基板の前記凸部上に形成することを特徴とする、請求項１６に記載のマイクロパターン転写形成用モールドの作製方法。
前記有機単分子膜パターンのラインスペースが１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれか一に記載のマイクロパターン転写形成用モールドの作製方法。
請求項１３〜１８のいずれか一に記載の方法で形成されたことを特徴とする、マイクロパターン転写形成用モールド。
所定の基板と、
前記基板上に形成された有機単分子膜パターンとを具え、
高分子からなる追加の基板上に前記有機単分子膜パターン上に選択成長させた薄膜からなるマイクロパターンを転写形成するようにしたことを特徴とする、マイクロパターン転写形成用モールド。
前記基板はその表面に凸部を有することを特徴とする、請求項２０に記載のマイクロパターン転写形成用モールド。
前記有機単分子膜パターンは、前記基板の前記凸部上に形成したことを特徴とする、請求項２１に記載のマイクロパターン転写形成用モールド。
前記有機単分子膜パターンのラインスペースが１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項２０〜２２のいずれか一に記載のマイクロパターン転写形成用モールド。