(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料の表面をパターン形成する方法であって、
分子間の本質的に非共有の結合を介し架橋結合された分子のネットワークを含むポリマー・フィルムを有する材料を用意するステップと、
加熱された、ナノスケールの寸法に形成されたプローブを使い、前記ネットワークから分子を脱着することによって前記ポリマー・フィルムにパターンを形成するステップと、
を含み、
前記分子のネットワークは分子性ガラスを含み、
前記ポリマー・フィルム中の前記分子の平均脱着エネルギは１ｅＶから４ｅＶの間である、前記方法。
【請求項２】
前記材料のガラス転位温度は８０℃から１６０℃の間である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
材料の表面をパターン形成する方法であって、
分子間の本質的に非共有の結合を介し架橋結合された分子のネットワークを含むポリマー・フィルムを有する材料を用意するステップと、
加熱された、ナノスケールの寸法に形成されたプローブを使い、前記ネットワークから分子を脱着することによって前記ポリマー・フィルムにパターンを形成するステップと、
を含み、
前記パターンを形成するステップにおいて、前記加熱されたプローブの温度は３００℃から６００℃の間であり、反応接触時間は０．３マイクロ秒から１０マイクロ秒の間である、前記方法。
【請求項４】
前記ポリマー・フィルム中の前記分子の平均分子量はおおよそ１００Ｄａから２０００Ｄａまでの範囲にある、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記ネットワークにおける前記分子は、水素結合を介して架橋結合されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記材料を用意するステップに先立ち、
分子性ガラスの溶液を基板上にスピン・コーティングするステップと、
前記コーティングされた溶液をアニールするステップと、
をさらに含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記パターンを形成するステップは、前記ポリマー・フィルム中に三次元パターンを形成するステップをさらに含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記パターンを形成するステップは、
前記ポリマー・フィルム上の所与の位置に分子の第一パターンを形成するステップと、
前記第一パターン内に分子の第二パターンを形成するステップと、
をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記パターンを形成するステップは、複数のプローブ・パラメータの少なくとも一つのプローブ・パラメータを変化させるステップを含み、前記複数のプローブ・パラメータは、分子のパターンを形成するため、前記プローブに加えられる力、前記プローブの温度、および反応接触時間を含む、請求項７又は８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査プローブ・リソグラフィ（以下ＳＰＬ（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｐｒｏｂｅ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ））など、材料の表面にパターン形成するためのプローブ・ベースの方法の分野に関する。具体的には、実施形態は、材料の表面上に、例えば３０ナノメータ（ｎｍ）より小さなフィーチャ・サイズを有するナノスケール・パターンなど、分子の高分解能パターンを形成することを対象としている。
【背景技術】
【０００２】
リソグラフィは、例えば半導体デバイス上にコートされたレジストなどの材料の層内に、ラインおよびピクセルなどの基本要素（ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ）を描くことを含め、二次元形状のパターンを生成するためのプロセスである。従来のフォトリソグラフィ（光リソグラフィともいう）は、フィーチャ・サイズが、例えば６５ｎｍを下回るほど縮小されてきたので問題にぶつかっている。これらの問題は、低波長光のための光源、光酸マイグレーション、フォトレジスト途切れ、低波長光に対するレンズ・システムの品質、およびマスク・コストなどの基本的な問題から生じている。これらの問題を克服するためには、別なアプローチが必要である。
【０００３】
かかる別なアプローチの例が、いわゆるナノリソグラフィの分野で知られており、分子の高分解能のパターン形成といわれるものである。ナノリソグラフィとは、約１００ｎｍまでの一寸法サイズ（従ってフォトリソグラフィと部分的にオーバーラップする）を有するパターンを含む、ナノメートルスケール構造の作製技法をいう。従来のフォトリソグラフィの域を超えて、これら技法は、荷電粒子リソグラフィ（イオンビームまたは電子ビーム）、ナノインプリント・リソグラフィおよびその改良型、並びに（深掘りナノメートルスケールにパターン形成するための）ＳＰＬなどの技法をさらに含む。ＳＰＬについては、例えば非特許文献１に詳しく説明されている。
【０００４】
一般に、ＳＰＬは、プローブ・チップが表面を横切って移動しパターンを形成するリソグラフィ方法をいうのに使われる。言い換えれば、走査プローブ・リソグラフィは、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｐｒｏｂｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）技法を利用するもので、走査トンネル顕微鏡が利用可能かどうかに依存している。簡単に言えば、これは物理的プローブを使ってサンプル表面の像を形成することを目指している。ＳＰＭ技法は、例えば鋭利なチップなどのプローブで、プローブとサンプル表面との間の相互作用をモニタしながら、該表面の真上を走査することによっている。これにより、サンプル表面の像を得ることができる。通常、サンプルのラスター走査が行われ、プローブと表面との相互作用が、位置の関数として記録される。しかして、データは、典型的にはデータ点の二次元グリッドとして取得される。
【０００５】
実現される分解能は、根底となる技法によって変わり、やり方によっては原子分解能が得られる。圧電アクチュエータを利用して、原子スケールよりも良好なまでの任意の所望長さスケールで精度よく正確に作動させることができる。ＳＰＭの主な２つの種類は、走査トンネル顕微鏡法（ＳＴＭ：ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）および原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ：ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）である。
【０００６】
具体的には、ＡＦＭは、その中で、プローブまたはカンチレバーの終端に取り付けられたプローブによって、サンプルのトポグラフィが変化されまたは感知される装置である。サンプルが走査されると、プローブとサンプル表面との間の相互作用によってカンチレバーのピボット偏位が生じる。しかして、サンプルのトポグラフィは、このプローブの偏位を検出することによって測定することができる。さらに、カンチレバーの偏位とプローブの物理特性とを制御することによって、表面のトポグラフィを変化させ、サンプル上にパターンを生成することができる。
【０００７】
このアイデアに従って、ＳＰＬ装置では、プローブは、レジスト表面を横切ってラスター走査され、レジスト材料と局部的に相互反応するようにされる。この相互作用によって、レジスト材料は除去されるかまたは変化される。この点に関し、化学種を表面に移送することによってパターン形成が行われる、建設的なプローブ・リソグラフィと、エネルギ（機械的、熱的、光子的、イオン的、電気的、またはＸ線エネルギなど）を与えることによって基板の表面を物理的または化学的にあるいはその両方で変形させることを含む破壊的なプローブ・リソグラフィとを区別することができる。かくのごとく、ＳＰＬはナノリソグラフィに適した技法である。
【０００８】
分子の高分解能パターン形成は、光学リソグラフィの代替、素早い試作用のパターン形成、表面の直接的機能化、光学およびインプリント・リソグラフィのためのマスク生成、およびデータ保存など、いくつかの技術領域にとって今日的なものである。
【０００９】
具体的に、リソグラフィは、マイクロエレクトロニクス・デバイスの作製のため用いることができる。この場合、大抵は、電子ビーム（またはｅビーム）およびプローブ・ベースのリソグラフィが用いられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−ｓｃａｌｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：  Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｓｉｎｃｅ  １９９１」、Ｎｙｆｆｅｎｅｇｇｅｒら、および該論文に引用された参考文献、Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗｓ、１９９７年，  巻９７、１１９５〜１２３０頁。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
今日では、高分解能光学マスクおよびナノインプリント・マスタ作製に対してｅビーム・リソグラフィが標準的な技術となっている。しかしながら、高分解能にアプローチする場合、ｅビーム・マスク／マスタ作成への書き込み時間が非常に増加する。
【００１２】
かかるパターン形成に対するプローブの使用は、可能な代替策を求めてまだ開発中である。高分解能（＜３０ｎｍ）では、単一ｅビームの速度と単一プローブの構造設定とは一つのものである。
【００１３】
データ保存について言えば、記憶領域中への保存のためにプローブを利用するさまざまなアプローチが提案されている。しかしながら、残された主な課題は長期のビット保持の達成である。例えば、熱機械的な陥凹の使用はデータの十分な耐久性および保持力の実現を可能にする。しかしながら、熱機械的アプローチは、本質的に機械的応力下にある陥凹を生成する。従って、データ保存分野で通常望まれているような１０年を上回る期間の保持を確保することは難しい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一つの実施形態において、材料の表面にパターン形成するためのプローブ・ベースの方法を説明する。該方法は、分子間の本質的に非共有の結合を介し架橋結合された分子のネットワークを含むポリマー・フィルムを有する材料を用意するステップを含む。また、該方法は、加熱された、ナノスケールの寸法に形成されたプローブを使い、該ネットワークから分子を脱着することによってポリマー・フィルムにパターン形成するステップを含む。
【００１５】
別の実施形態において、該方法は、分子性ガラス分子のネットワークを含むポリマー・フィルムを有する材料を用意するステップを含む。該分子は、本質的に水素結合を介し架橋結合されている。フィルム中の分子の平均脱着エネルギは約２ｅＶから３ｅＶの間である。また、該方法は、加熱された、ナノスケールの寸法に形成されたプローブを使い、該ネットワークから分子を脱着することによってポリマー・フィルムにパターン形成するステップを含む。プローブの温度は約３００℃から６００℃の間である。プローブの表面への反応接触（ｅｘｐｏｓｕｒｅ）の時間は、約０．３マイクロ秒から１０マイクロ秒の間である。また、パターン形成方法の別の実施形態についても説明する。
【００１６】
さらに、材料の実施形態も説明する。該材料はポリマー・フィルムを含む。該ポリマー・フィルムは、分子のネットワークを包含する。これら分子は、分子間の本質的に非共有の結合を介し架橋結合されている。また、該ポリマー・フィルムは、ネットワーク中に分子のナノスケールの寸法に形成されたパターンを含む。該材料の他の実施形態についても説明する。
【００１７】
別の実施形態で、分子のパターンにアクセス（例、書き込みまたは読み取りあるいはその両方）する方法を説明する。該方法は、前述の材料などの材料を用意するステップを含む。また、該方法は、材料の分子のパターンにアクセスするステップも含む。材料の分子のパターンにアクセスするステップは、分子のパターンに対する書き込みまたは読み取りあるいはその両方のステップを含む。アクセス方法の他の実施形態についても説明する。
【００１８】
本発明の態様を具現する方法および材料の例を、限定しない事例によって、添付の図面を参照しながら以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のある実施形態によるプロセスを概略的に示す。
【図２】本発明のある実施形態によるプロセスを概略的に示す。
【図３】本発明のある実施形態によるプロセスを概略的に示す。
【図４】別の実施形態による別のプロセスを概略的に図示する。
【図５】別の実施形態による別のプロセスを概略的に図示する。
【図６】「図６ａ」、「図６ｂ」および「図６ｃ」は、パターン形成された材料中のナノスケールの寸法に形成されたパターンの部分図による実施形態を示す。
【図７】分子性ガラス構造の一例である。
【図８】図１〜３の実施形態によってパターン形成された表面のトポグラフィ像の断面図を示す。
【図９】図１〜３の実施形態によってパターン形成された表面のトポグラフィ像の断面図を示す。
【図１０】図４〜５の実施形態によってパターン形成された表面のトポグラフィ像の断面図を示す。
【図１１】パターン形成された材料の断面図とシリコン中へのパターン転写の断面図とを比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下の説明の導入として、本明細書で説明する実施形態は、材料の表面にパターン形成をする方法に関する。一つの実施形態において、ポリマー・フィルムをその上に有する材料が用意される。次いで、プローブを使い、フィルム表面の分子を脱着させることによってフィルム上にパターンが生成される。
【００２１】
該フィルムは、ファン・デル・ワールス力、または水素結合など、分子間の非共有結合を介して架橋結合された分子のネットワークを含む。より具体的には、かかる結合は、（少なくとも本質的には）共有結合性ではない。すなわち、通常のハイトラー・ロンドン共有結合によって特徴づけられる、ラジカルの間で対となっている明瞭な電子はない。対象となる分子間結合の相互作用エネルギは、どちらかといえば、静電気、交換、分散、緩和などのさまざまな物理的に有意な要素に分けることができよう。さらに、上記の要素のいずれも、原子軌道の結合性混合（ｂｏｎｄｉｎｇ  ｍｉｘｉｎｇ）よりも反結合性混合（ａｎｔｉ−ｂｏｎｄｉｎｇ  ｍｉｘｉｎｇ）の方が高い可能性で生じるので、はっきりと「共有結合性」ということはできないであろう。かなりの電荷移動が関与しており配位共有相互作用と見なされる場合も、相当な重なり反発の発生（すなわち、上記交換要素）によって、これら分子が共有的に結合されているとは見なされないであろう。
【００２２】
どちらかといえば、この分子間結合は、該フィルムが通常の状態の下では安定していることが可能で、しかも、パターンを生成するためのプローブで必要なエネルギがより少なくて済むので、通常の化学結合よりもより好ましい構成を提供する。
【００２３】
これに関し、フィルムのパターン形成はナノスケールの寸法に形成されたプローブを使って実施され、プローブは、フィルムと相互作用して（例えば、押し付けられて）分子を脱着するときなどにさらに加熱される。すなわち、分子はプローブと相互作用して蒸発する。これによってプローブはフィルム中にパターンを直接刻み込む。
【００２４】
プローブの温度およびプローブの表面への反応接触の時間の双方は、所望の脱着パフォーマンスを達成するために、架橋結合された分子の特性に従って調整することができる。これら分子の平均脱着エネルギは、分子間結合によって影響される一つの特性と見なすことができる。
【００２５】
この分子間リンクによってもたらされる結合エネルギは小さい（少なくとも共有リンクと比べては）ので、この処理は、ほどほどの温度と短いプローブ／サンプル相互作用時間とで効果的な実施が可能である。これによって、順番に高速の書き込み時間を設定することができる。
【００２６】
図１を参照すると、基板１２０上にポリマー・フィルム１１０を有する材料が用意されている。該フィルムは、分子間結合を介して架橋結合された分子のネットワークを含む。
【００２７】
プローブ１０は、図１に概略的に表されているように、カンチレバーの終端に取り付けられたＡＦＭプローブである。その最先端での接触半径は典型的には５ｎｍから１０ｎｍの間である。もっと一般的にいえば、該プローブの寸法はナノメートルのスケールである。プローブは、作動中、プローブ１０とサンプル表面１１１との間の相互作用を測定、制御するよう適切に設計された電子回路を含む、ＡＦＭ装置（図示せず）の一部である。
【００２８】
プローブと表面との相対的位置を正確に制御し、あるいはＡＦＭの良好な防振を確実にする技術的手段をさらに備えることができる。これは、例えば、当技術で周知の高感度圧電位置決めデバイスを使って実現することができる。しかして、通常、ＡＦＭと一緒にプローブの垂直方向５０および水平方向６０双方の制御装置が提供されている。
【００２９】
通常のＡＦＭ装置では、プローブ１０は、表面のトポロジーの画像化が行えるように、サンプル表面上をラスター走査されることが多い。ここでは、プローブ１０は、図１〜５を参照して説明するように、むしろ表面１１１上にパターンを刻み込むため使われることになる。
【００３０】
表面にどのようにパターン形成するかは、いくつかのサブステップに分解することができる。最初に、プローブ１０は、「非パターン形成位置」に、すなわち、フィルム１１０の表面１１１近傍に維持される（図１のステップＳ１００）。プローブは、まだ表面パターン形成が可能なほど十分に近くに（または押さえられて）ない。もっと一般的にいえば、第一サブステップでプローブに適用された状態では、パターンを刻み込むことはできない。
【００３１】
図２は、今やプローブ１０がフィルムの表面１１１に押し付けられて表面と相互作用をしていることを除けば、図１と非常によく似ている。相互作用７０は、図３に示すように、高い可能性で一つ以上の分子７５を脱着する。
【００３２】
一部の実施形態においては、プローブの温度（Ｔｐ）およびプローブの表面への反応接触の時間（ｔｅ）は、例えば分子の脱着を変化させまたは最適化するため適切に調整される。例えば、これらパラメータは、反応接触時間を最小化しながら良好なパターンが得られるように調整することができる。これにより、基本要素パターン形成の高速化を実現することができる。一部の実施形態において、これらは１メガヘルツ（ＭＨｚ）に近く、またはこれを上回ることもある。
【００３３】
ちなみに、当業者は、本明細書に記載された主題を考慮すると、速度定数が簡単な物理像においては、法則ｒ＝Ａｅ−Ｅａ／ｋＢＴにおおよそ従うので、所与の荷重力に対し、上記のパラメータ（Ｔｐ、ｔｅ）から脱着プロセスが算定されることをよく理解できるであろう。上式のＡは「試行頻度（ａｔｔｅｍｐｔ  ｒｅｑｕｅｎｃｙ）」、すなわち、ある分子がその脱着に対するポテンシャル障壁を乗り越える可能性であり、部分的には反応接触時間によって決まる。さらに、Ｅａは架橋結合された分子の脱着の活性化エネルギであり、ｋＢはボルツマン定数であり、Ｔは温度である。
【００３４】
さらに、当業者は、本明細書に記載された主題を考慮すると、パターン形成中にプローブに加わる力を、サンプルに対しうまく合わせられることを十分理解することができよう。一つの実施形態において、基本的に、温度および力パルスの双方は分子が除去される位置においてプローブに加えられる。定量的な詳細は、後述する。
【００３５】
図３には、分子７５の脱着が示されている。一部の実施形態において、分子の集合が、単一回の反応接触、すなわち、単一回の陥凹ステップの間にプローブによって高い可能性で脱着され、これによりパターンの基本要素が刻み込まれる。さらに具体的には、フィルムが熱機械的に陥凹または局部的に融解される代わりに、分子が、加熱されたプローブ１０によって、脱着、すなわち蒸発させられる。次いで、分子の脱着のすぐ前または後に、プローブは、図１のような、その非パターン形成位置にリリースされる。
【００３６】
得られた材料は、その表面に分子のナノスケールのパターンを有する。この材料をある特定の温度以上に熱することによって、図６ａに図示されるように、該材料は局部的に蒸発される。一部の実施形態において、蒸発を用いることの利点は、（図６ｂのように）パターンの境界にリムのある弾性変形が形成されたり、または（図６ｃのように）密度が局部的に高くなったりするのに比べ、蒸発させた材料が実質的にまたは完全にあるいはその両方に除去され、単に押し退けられるのでないことである。この後者の場合は、この後にエッチング・ステップが意図されている場合、潜在的に不利である。
【００３７】
さて、ここまでで得られたパターンは、パターンの深さからの情報が利用できていないので、単に二次元的なものである。情報を符号化するには、上記だけでなく深さの勾配が必要となろう。この点に関し、本発明は、図４〜５に示すように、フィルム中に分子の三次元（３Ｄ）パターンを生成するように具現することができる。
【００３８】
このために、図４で表すように、最初にフィルム上の所与の位置に分子の第一パターンを刻み込むことができる。次いで、図５に図示するように、第一パターン内に第二パターンを生成することができる。すなわち、繰り返して反応接触を行う。これは、既に存在するパターン内にパターンを刻み込むということである。一回目の反応接触の間に一つ以上のパラメータが変化するようなことがなければ、繰り替えしの反応接触によって図５に示すようなパターンを実現することができる。ちなみに、かかる方法はマスクなしなので、数枚のマスクを作製、適用する光リソグラフィと比べると、関連オーバーヘッドが相対的に少なくなる。
【００３９】
上記に替えて、反応接触される表面の各々の位置における蒸発量を調整することによって、一回の反応接触ステップで直接３Ｄパターン形成を達成することができる。例えば、静電アクチュエーションなどを使って、反応接触の間にプローブに加わる力を調節するなどのことが考えられる。反応接触の間に加えられる力を変化させることによって、調節された深さを有するパターンが得られる。同様に、反応接触の温度（例えば、プローブ・チップ中の内蔵ヒータなどを使って）または反応接触時間を変化させることによって、直接３Ｄパターン形成をさらに制御することができる。
【００４０】
これによって、トポグラフィの連続的変化を実現することができる。このようにして、単一回の反応接触、すなわち単一回の陥凹ステップ内で３Ｄパターンが得られる。深さ調節されたパターンは、書き込み密度の飛躍的向上を可能にすると考えられる。ちなみに、上記のパラメータ（力、温度、反応接触時間）のどれかまたはこれらの組み合わせを変えることは、先の２Ｄパターンの生成に対しても考えられる。
【００４１】
さらに、正式なパターン形成ステップの前に、加える荷重および温度の関数として陥凹の深さを校正し、特定のまたは最適のあるいはその両方の作業条件を設定することができる。例えば、約４ｎｍの深さをパターン形成するために、３００℃の温度および８０ｎＮの荷重力が最適となり得る（特に後述するフィルムに対しては）。かかる条件内で、２３ｎｍのピッチを有する陥凹を書き込むことにより、通常、大きな領域上での材料の均一な除去が得られる。後記で図８〜１０を参照して説明するように、これは、はっきりと異なるパターン形成深さを有するパターン形成域をもたらす。さらに一般的には、５０〜１００ｎＮの荷重力が好具合であり得る。
【００４２】
さらに、パターン形成前に表面を撮像する能力は、非常に高精度の位置決めを可能にする。これは、非常に微細なフィーチャを高分解能で、かかる高分解能を必要としない（そして、ずっと高いスループットを有する、より従来式のパターン形成メカニズムを使って実現可能な）フィーチャを有する事前パターン形成された表面上に、パターン形成する場合にはとりわけ重要である。パターンが書き込まれたならば、さらなる処理ステップに進む前に、その撮像をすることができる。事後撮像は、書き込まれたパターンの品質管理とその最終是正とを可能にする。
【００４３】
ここで、適切なポリマーの種類の改良例についての説明を行う。
【００４４】
一つの実施形態において、フィルム内の分子の平均分子量は、脱着処理を可能にするため、約４０００ダルトン（Ｄａ）より小さい。さらに、試験によって、おおよそ１００Ｄａから２０００Ｄａまでの範囲の分子量が、該処理をより容易にし得ることが示されている。より具体的には、おおよそ１５０Ｄａから１０００Ｄａまでの範囲中の分子量が、少なくとも特定のサンプルに対して、増大されたまたは最適のあるいはその両方の脱着を可能にし得る。
【００４５】
前述のように、これら分子は例えば水素結合などを介して架橋結合されている。水素結合は、典型的には、第一分子の電気陰性原子に付着された水素原子と、第二分子の電気陰性原子との間に生じる引力として定義される。そのエネルギは、最弱の共有結合のエネルギになぞらえることができるが、その基礎的物理特性をなぞらえることはできない。ちなみに、典型的な共有（結合形成）結合は、典型的な水素結合の約２０倍強い。従って、実際面では、比較的に低い脱着温度および短い相互作用時間を見込むことができる。
【００４６】
一つの実施形態において、これら分子の平均脱着エネルギは、媒体中のさまざまな分子間リンク（遠隔相互作用を含む）の結果として、約２ｅＶから３ｅＶの範囲内にある。さらに一般的には、約１から４ｅＶの脱着エネルギが好都合であり得る。
【００４７】
密接なかかわりのある、加熱されたプローブの温度は約３００℃から６００℃の間である。一部の実施形態において、これは約３００℃から５００℃の間にあり、ある場合にはこれが最適である。言い添えると、プローブの温度は、脱着する分子の温度の約２倍と考えられる。
【００４８】
一方、反応接触時間は、典型的には１マイクロ秒（μｓ）から１０μｓの範囲である。さらに、一部の実施形態において、反応接触時間を約０．３μｓに設定して条件を満たす結果を得ることが可能である。概略で、約１μｓより短い反応接触時間で、１ＭＨｚの陥凹速度が可能である。
【００４９】
次に、フィルムを形成する分子のネットワークには、分子性ガラスを含めることができる。分子性ガラス分子の例が、図７に示されている（フェノール化合物）。かかる分子は、小さな分子（典型的には約１０００Ｄａの分子量を有する）を含む。これらの分子は、単に等価の配座エネルギを有する数多くの立体配置に起因してきちんと結晶化しない。これら分子の周辺では、水素結合性基（ヒドロキシル基）が分子間の物理的リンクを構築している。
【００５０】
基板（例、Ｓｉウエハ）上へのこの材料の薄膜の付着は、分子性ガラスの溶液をスピン・コーティングし、その後、短いアニール・ステップ（例、１３０℃で約１分間）で溶媒を除去することによって簡単に行える。さらなる架橋結合反応は必要ない。
【００５１】
水素結合反応の数の多さに起因して、ポリマーは、比較的高いガラス転位温度Ｔｇを示す。手短にいえば、温度Ｔｇ以下では、該ポリマーの構造はガラス状といえる。というのは、これが、ガラスに見られる分子配列と同様な、単にランダム配列された鎖を有するからである。一部の実施形態において、Ｔｇは約１２０℃であり、パターン形成に使用するのに適している。さらに一般的には、このガラス転位温度はおおよそ８０℃から１６０℃の間であり、一部の実施形態においては１００℃から１３０℃の間（例、１２０℃）であってこの方が実際のパターン形成に対してより適切であり得る。さらに、水素結合は、プローブによる繰り返し走査に対して、材料を安定させる。上記から、これは、記憶装置およびリソグラフィに関連する用途において、マスク修理および検査に適している。
【００５２】
前述のようにして作成された基板を用いて、成功裏にコンセプトの証明が行われた。典型的な書き込み条件で、パターンがポリマー媒体上に構築された。具体的には、対象となるパターン形成表面は、水素結合を介して架橋結合された、分子性ガラス分子のポリマーで作製されている。４００℃近辺のプローブ温度とともに約８０ｎＮの荷重力を使用してパターンが刻まれた。次いで、パターン形成に使われたのと同じＡＦＭプローブを使って表面の像が取得された。
【００５３】
図８〜９は、表面のトポグラフィ像の典型的な実験断面図を示す。
偏位ｄはｎｍ単位であり、一方ｘ座標はμｍ単位である。グラフに示されるように、約１ｎｍ以下の垂直方向分解能で、十分にきれいなパターンが得られた。パターン形成されたフィーチャの深さは、プロフィールから測定するとおおよそ５ｎｍである。これを見ると、パターン形成されたフィーチャのほぼ一定の深さ、しかしてその均一性を認識することができる。第二のピークは、約３０ｎｍの幅を有するパターン形成されたフィーチャに対応する。ｘの分解能は現在５〜１０ｎｍなので、上記より小さなフィーチャも実際的には考慮することができよう。
【００５４】
図１０では、断面図は、先に説明したような３Ｄパターン形成スキームによってパターン形成されたサンプル表面に関するものである。具体的には、該表面は、既に反応接触されたフィーチャ（すなわち、パターン）上に同一のまたは類似の条件で反応接触を繰り返してパターン形成されている。この点を除き、用いられたポリマー・フィルムの特性および実験条件は、図８〜９を得たものと同じである。これについてもきれいな３Ｄパターンが得られた。垂直分解能は１ｎｍ以下に維持された。
【００５５】
次いで、上記で説明した実施形態が、パターン転写に関し大きな利点を提供するという事実を指摘しておく。これについて、シリコン中へのパターン転写は、レジストとしての役割をするパターン形成された分子性ガラスの上に、直接に標準的ドライ・エッチング技法を適用することによって実施することができる。
【００５６】
ある実験的試験において、用いられたエッチング条件は、ＳＦ６５０％およびＣ４Ｆ８５０％の標準的混合処理ガスを使い、深堀り反応性イオンエッチング装置中に２０秒であった。シリコン中に得られたパターンは、分子性ガラス中のパターンのトポグラフィを反映していた。さらに、処理条件を介して、パターンの垂直軸の増幅を制御することができた。具体的には、パターンは５倍に増幅された。
【００５７】
その結果を図１１に示す。上側のカーブは、分子性ガラス表面に関するものである。下側のカーブは、エッチングされたＳｉ表面に関するものである。これから見て分かるように、転写の品質は十分なものである。
【００５８】
最後に、最終実験を簡単に説明する。この実験では、分子性有機ガラスがパターン形成された。スピン・コーティングまたは蒸発によって、１０〜１００ｎｍ厚さの薄膜が作成された。分子間の相互作用を微調整することにより、熱機械的トリガを加えて材料を着脱させることができた。すなわち、プローブが辺縁明瞭なボイドを残した。プローブ・チップの温度および機械的力は、それぞれ、約３００〜５００℃および５０〜１００ｎＮであった。横方向にプローブを動かし、その処理を繰り返すことによって、どのような任意のパターンも書き込むことができ、処理の分解能は、プローブの最先端の寸法によって決まる。パターンは、５×１０４の書き込みマークに対応して、２９ｎｍのピッチで書き込まれ、８±１ｎｍ深さの均一に陥凹された構造が得られた。このボックス中に含まれた材料の量は０．２μｍ３に達したが、それでも材料の変位または材料の再付着は見られなかった。同様に、書き込みの後に、ＳＥＭによって、プローブ・チップによる材料のピックアップが検出されることもなかった。次いで、構造化されたガラスは、いかなる加工もなしに選択エッチング・マスクとして使用することができた。三層技法を用い、有機材料とシリコン／酸化ケイ素との間のエッチ・レート選択性を利用して、優れた形状適合性で、該構造をシリコン中に転写することが可能である。
【００５９】
さらに、材料除去を重ねて実施することができ、これによって三次元構造の作製が可能であった。テストとして、規定厚さの分子性ガラス層を逐次的に除去することによって、マッターホルンの複製が仕上げられた。原型のほぼ完全な共形複製が得られ、最終的構造が、明確に特定された単一のパターン形成ステップのリニアな重ね合わせであることが証明された。さらに、結果から、該有機材料が、パターン形成の過程で圧縮されたり化学的に変化されたりしないことが明らかになった。
【００６０】
上記に述べた技術の実施形態の固有の能力は、特に、形状マッチング・オブジェクトの誘導性および方向性集合のため複雑に表面加工された基板の作製に対し、新しい見通しを開くものである。この技法は、高分解能電子ビーム・リソグラフィなどの既知の技法に対して、分解能およびスピードの点で、競争力のある代替技法をさらに提供する。
【００６１】
特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を加えたり、同等物で置き換えたりすることが可能であることを理解していよう。さらに、特定の状況に合わせるため、本発明の範囲から逸脱することなくその教示に多くの修改を加えることができる。従って、本発明が開示された特定の実施形態に限定されるものでなく、本発明は、添付の請求項の範囲に入る全ての実施形態を含むものと意図されている。例えば、多様な用途のために本発明を考慮することができる。前述した実施形態は、リソグラフィとデータ保存への使用にだけ焦点を合わせているが、当業者は、パターン形成域のシリコン中へのパターン転写に対する潜在的な用途をよく理解できよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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