JP4065801B2

JP4065801B2 - ナノピラーセンサ

Info

Publication number: JP4065801B2
Application number: JP2003078559A
Authority: JP
Inventors: 孝介桑原; 昭浩宮内; 雅彦荻野; 成久元脇
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP2004286570A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノプリント装置を用い、基板と表面に微細な凹凸が形成されたスタンパを加熱・加圧するパターン転写方法により、基板上に形成されたナノピラーの応用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路は微細化，集積化が進んでおり、その微細加工を実現するためのパターン転写技術としてフォトリソグラフィ装置の高精度化が進められてきた。しかし、加工方法が光露光の光源の波長に近づき、リソグラフィ技術も限界に近づいてきた。そのため、さらなる微細化，高精度化を進めるために、リソグラフィ技術に代わり、荷電粒子線装置の一種である電子線描画装置が用いられるようになった。
【０００３】
電子線を用いたパターン形成は、ｉ線、エキシマレーザー等の光源を用いたパターン形成における一括露光方法とは異なり、マスクパターンを描画していく方法をとるため、描画するパターンが多ければ多いほど露光（描画）時間がかかり、パターン形成に時間がかかることが欠点とされている。そのため、２５６メガ、１ギガ、４ギガと、集積度が飛躍的に高まるにつれ、その分パターン形成時間も飛躍的に長くなることになり、スループットが著しく劣ることが懸念される。そこで、電子ビーム描画装置の高速化のために、各種形状のマスクを組み合わせそれらに一括して電子ビームを照射して複雑な形状の電子ビームを形成する一括図形照射法の開発が進められている。この結果、パターンの微細化が進められる一方で、電子線描画装置を大型化せざるを得ないほか、マスク位置をより高精度に制御する機構が必要になるなど、装置コストが高くなるという欠点があった。
【０００４】
これに対し、微細なパターン形成を低コストで行うための技術が下記特許文献１及び２、非特許文献１などにおいて開示されている。これは、基板上に形成したいパターンと同じパターンの凹凸を有するスタンパを、被転写基板表面に形成されたレジスト膜層に対して型押しすることで所定のパターンを転写するものであり、特に特許文献２記載や非特許文献１のナノインプリント技術によれば、シリコンウエハをスタンパとして用い、２５ナノメートル以下の微細構造を転写により形成可能であるとしている。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許５，２５９，９２６号公報
【特許文献２】
米国特許５，７７２，９０５号公報
【非特許文献１】
S.Y.Chou et al.,Appl.Phys.Lett.,vol.67,p.3314(1995)
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは、ナノプリント用プレス装置を用い、基板と表面に微細な凹凸が形成されたスタンパを加熱・加圧するパターン転写方法により、基板上に、高アスペクト比を有するナノオーダーの柱状構造体（ナノピラー）を作製することに成功した。
本発明は、基板上に形成されたナノピラーの応用技術を開発することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ナノピラーを各種センサに応用することを考え、本発明に至った。
即ち、本発明は、ナノプリント装置を用い、基板と、表面に微細な凹凸が形成されたスタンパを加熱・加圧するパターン転写方法により、基板上に形成されたナノピラーからなるナノピラーセンサである。
【０００８】
具体的には、２つの対向する電極と柱状構造体（ピラー）から構成され、ナノピラーの傾きで電気容量を感知する静電容量センサである。ナノプリント法を用いることにより、従来の静電容量センサに比べて、工程を短縮することができ、高感度な静電容量センサを低コストで製造することが出来る。ナノピラーの傾きで電気容量を感知することにより、フローセンサや加速度センサに用いることができる。
【０００９】
なお、樹脂基板または基板上の樹脂膜を成型させて、ナノピラーを製造する方法としては、▲１▼樹脂基板または基板上の樹脂膜を、加熱して変形させる、▲２▼樹脂基板または基板上の樹脂膜を加圧成型後に、光硬化させる、▲３▼樹脂基板または基板上の樹脂膜を光硬化させる、から選択されることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
先ず、図１を参照しながら、ナノプリント方法について説明する。シリコン基板等の表面に微小なパターンを有するスタンパを作製する。これとは別の基板上に樹脂膜を設ける（図（ａ）。）図示しない加熱・加圧機構を有するプレス装置を用い、該樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度で、所定の圧力でスタンパを樹脂膜上にプレスする（図（ｂ））。冷却・硬化させる（図（ｃ））。スタンパと基板を剥離して、スタンパの微細なパターンを基板上の樹脂膜に転写する（図（ｄ））。また、加熱硬化する工程の変わりに、光硬化性の樹脂を用い、成型後に、樹脂に光を照射し、樹脂を硬化させても良い。更に、ガラス等の光透過性のスタンパを用い、プレス後に、該光透過性のスタンパの上方より光を照射して、樹脂を光硬化させてもよい。
【００１１】
ナノプリント方法によれば、▲１▼集積化された極微細パターンを効率良く転写できる、▲２▼装置コストがやすい、▲３▼複雑な形状に対応できピラー形成なども可能である、等の特徴がある。
【００１２】
本発明において、ナノプリントとは、数１００μｍから数ｎｍ程度の範囲の転写を言う。
本発明において、プレス装置は、加熱・加圧機構を有するものや、光透過性スタンパの上方より光を照射できる機構を有するものが、パターン転写を効率良く行う上で好ましい。
【００１３】
本発明において、スタンパは、転写されるべき微細なパターンを有するものであり、スタンパに該パターンを形成する方法は特に制限されない。例えば、フォトリソグラフィや電子線描画法等、所望する加工精度に応じて、選択される。スタンパの材料としては、シリコンウエハ、各種金属材料、ガラス、セラミック、プラスチック等、強度と要求される精度の加工性を有するものであれば良い。具体的には、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、多結晶Ｓｉ、ガラス、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、及びこれらを１種以上含むものが好ましく例示される。
【００１４】
本発明において、基板となる材料は特に限定されないが、所定の強度を有するものであれば良い。具体的には、シリコン、各種金属材料、ガラス、セラミック、プラスチック、等が好ましく例示される。
【００１５】
本発明において、微細な構造が転写される樹脂膜は特に限定されないが、所望する加工精度に応じて、選択される。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニール、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ガラス強化ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶性ポリマー、フッ素樹脂、ポリアレート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、熱可塑性ポリイミド等の熱可塑性樹脂や、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリアミドビスマレイミド、ポリビスアミドトリアゾール等の熱硬化性樹脂、及びこれらを２種以上ブレンドした材料を用いることが可能である。
これらの中で、導電性ナノピラーを得るためには、導電性樹脂を用いるか、導電性フィラーを配合した樹脂を用いることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を説明する。
［実施例１：加速度せンサ］
図２は本発明のナノピラー加速度せンサ１である。上部電極２と下部電極３の間にポリスチレンナノピラー４を形成している。
【００１７】
ここで、ナノピラーの製造プロセスを説明する。まず、図３（ａ）のように表面が平滑な石英基板５に厚さ５００ナノメートルの白金薄膜６をスパッタリング法により形成した。その上に東京応化工業製のＯＦＰＲ８００レジストを１０マイクロメートルの厚みにスピンコートにより塗付した後に露光・現像を経て図３（ｂ）のようにレジスト７を形成した。このレジスト７をマスクとして白金薄膜６をイオンミリングによって除去した後にレジストを剥離して図３（ｃ）のような１０ミリメートル×１０ミリメートルの下部電極３を形成した。次に図３（ｄ）のように下部電極３の上にスクリーン印刷法によりポリスチレン薄膜８（ポリスチレン６７９エイアンドエム製）を５００ナノメートルの厚みに塗付した。このポリスチレン薄膜８上に前述のナノプリントにより図３（ｅ）のように直径５００ナノメートル、高さ５マイクロメートルのポリスチレンナノピラー４を形成して下部基板９を形成した。図４は形成したポリスチレンナノピラー４の走査電子顕微鏡写真である。
【００１８】
図５は、ナノピラー加速度センサの製造プロセスを示す。やはり表面が平滑な（００１）シリコン基板１０の表面に熱酸化膜を形成し、図３（ｂ）のレジスト７と同様の手法で図５（ｂ）のようにレジスト１１を得た。このレジスト１１をマスクとしてシリコン基板１０表面の熱酸化膜を部分的に除去した。この部分的に除去した熱酸化膜をマスクとして、水酸化カリウム溶液を用いる異方性エッチングにより巾５００マイクロメートル、深さ９．５マイクロメートルの流路１２と電極を形成するセンサ部を図５（ｃ）のように形成した。この後、下部電極３と同様のプロセスでセンサ部に１０ミリメートル×１０ミリメートル、厚さ５００ナノメートルの白金製上部電極２を形成して図５（ｄ）のように上部基板１３とした。この上部基板１３と下部基板９を図６のように厚さ２マイクロメートルの接着剤１４によって接合し、ナノピラー加速度センサ１を得た。
【００１９】
本発明のナノピラー加速度センサ１の試験結果を図７と図８を用いて説明する。図７は空気中に保持したナノピラー加速度センサ１に加速度１５を与える実験の構成図であり、図８はその実験結果である。加速度１５によりポリスチレンナノピラー４が傾くために二つの電極間の静電容量が変化し、最大２０％の減少を示した。加速度１５と静電容量の変化には強い相関が見られ、ナノピラー加速度センサ１が加速度センサとしての機能を有することを示せた。
【００２０】
［実施例２：ナノピラー流量センサ］
以下、本発明のもう一つの実施例を説明する。図９は本発明のナノピラー流量センサ１７である。上部電極１８と下部電極１９の間にポリスチレンナノピラー２０を形成しており、二つの電極の間に空気２１が流れるようになっている。
【００２１】
本センサの形成プロセスは本発明の実施の形態１に示したナノピラー加速度センサ１と同じであるが、センサに流量を測定する空気２１を導入・排出するためのコネクタ２２がセンサ外部に形成されている。
【００２２】
本発明のナノピラー流量センサ１７の試験結果を図９と図１０を用いて説明する。図９はナノピラー流量センサ１７に空気２１を流す実験の構成図であり、図１０はその実験結果である。空気２１の流れによりポリスチレンナノピラー２０が傾くために二つの電極間の静電容量が変化し、最大２０％の減少を示した。空気２１の流量と静電容量の変化には強い相関が見られ、ナノピラー流量センサ１７が流量センサとしての機能を有することを示せた。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、ナノプリント法を用いることにより、従来の静電容量センサに比べて、高感度な静電容量センサを低コストで製造することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】ナノプリントの各工程を示す模式図。
【図２】本発明のナノピラー加速度せンサ。
【図３】ナノピラーの製造プロセス。
【図４】形成したポリスチレンナノピラーの走査電子顕微鏡写真。
【図５】ナノピラー加速度センサの製造プロセス。
【図６】ナノピラー加速度センサの製造プロセスの続き。
【図７】空気中に保持したナノピラー加速度センサに加速度を与える実験の構成図。
【図８】空気中に保持したナノピラー加速度センサに加速度を与える実験の結果。
【図９】ナノピラー流量センサに空気を流す実験の構成図。
【図１０】ナノピラー流量センサに空気を流す実験の結果。

Claims

２つの対向する電極と、
ナノプリント用プレス装置を用い、一方の電極表面の樹脂膜と表面に微細な凹凸が形成されたスタンパとを加熱・加圧するパターン転写方法により、樹脂膜上に形成されたナノピラーとを有し、
流体の流れにより前記ナノピラーを傾倒させる外力の大きさに対応した静電容量を測定する流量センサであるナノピラーセンサ。
２つの対向する電極と、
ナノプリント用プレス装置を用い、一方の電極表面の樹脂膜と表面に微細な凹凸が形成されたスタンパとを加熱・加圧するパターン転写方法により、樹脂膜上に形成されたナノピラーとを有し、
加速度により前記ナノピラーを傾倒させる外力の大きさに対応した静電容量を測定する加速度センサであるナノピラーセンサ。