(57)【要約】  本発明は、基板表面上にパターン、特に一、二または三次元の選択された長さのマイクロサイズおよび／またはナノサイズの特徴部を有する構造を含むパターンを作製するための方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントを提供する。本発明は、各種基板表面および表面形態上に高解像度パターニングを与えるために、ヤング率および曲げ剛性等の選択された機械的特性、厚さ、表面面積およびレリーフパターン寸法等の選択された物理的寸法、および熱膨張係数等の選択された熱的特性をそれぞれが有する複数のポリマー層を備える複合パターニングデバイスを提供する。【選択図】  図１Ａ
2008507114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面上にパターンを生成するための複合パターニングデバイスであって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する第１のポリマー層と、
内部表面および外部表面を有し、高ヤング率を有する第２のポリマー層と
を備え、
前記第２のポリマー層の外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が配列され、
前記第１のポリマー層の前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立可能である、デバイス。
【請求項２】
前記第１のポリマー層の前記内部表面が前記第２のポリマー層の前記内部表面と接触する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が、前記第１のポリマー層の前記内部表面および前記第２のポリマー層の前記内部表面間に配置された接続層により接続される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記接続層が金属薄層からなる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第２のポリマー層の外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層の接触表面の少なくとも一部に伝送されるように、前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が配列される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記三次元レリーフパターンが複数の接触表面を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記接触表面が実質的に同じ平面にある、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記接触表面の少なくとも一部が異なる平面にある、請求項６に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１のポリマー層の厚さが約１ミクロン〜約１００ミクロンの範囲から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１のポリマー層の厚さが約５ミクロンである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第２のポリマー層の厚さが約１０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第２のポリマー層の厚さが約２５ミクロンである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第１のポリマー層の厚さと前記第２のポリマー層の厚さの比が約１〜約１０の範囲から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第２のポリマー層が約１ＧＰａ〜約１０ＧＰａの範囲から選択されたヤング率を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第１のポリマー層が、約１ＭＰａ〜約１０ＭＰａの範囲から選択されたヤング率を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第１のポリマー層が約３ＭＰａのヤング率を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記第１のポリマー層、前記第２のポリマー層または両方がファイバ材料をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記ファイバ材料が、グラスファイバ、カーボンファイバ、金属ファイバ、セラミックファイバおよびポリマーファイバからなる群から選択される、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記第２のポリマー層が、サーモスタット層、ポリイミド、サーモプラスチック層および複合ポリマー層からなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第２のポリマー層が、約１４．５ｐｐｍ以上の熱膨張係数を有するポリマーを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記第１のポリマー層がエラストマー層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記第１のポリマー層が、ポリ（ジメチルシロキサン）またはｈ−ポリ（ジメチルシロキサン）を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記第１のポリマー層が複合ポリマー層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記第１および第２のポリマー層間に配置される第３のポリマー層をさらに備え、前記第３のポリマー層がファイバ材料を含んだ複合ポリマー層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２５】
約１×１０−７Ｎｍ〜約１×１０−５Ｎｍの範囲から選択された曲げ剛性を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記レリーフパターンが、約１０ｃｍ２〜約２６０ｃｍ２の範囲から選択された面積を占める、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記レリーフパターンが、約１０，０００ナノメータ〜約５０ナノメータの範囲にわたって選択された寸法を呈する複数のレリーフ特徴部を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記レリーフパターンが、約１０００ナノメータ〜約５０ナノメータの範囲にわたって選択された寸法を呈する複数のレリーフ特徴部を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記第１のポリマー層が連続した単一層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記第１のポリマー層が不連続層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記三次元レリーフパターンが、複数の独立したレリーフ特徴部を備え、前記独立レリーフ特徴部が前記第２のポリマー層と接触する、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３２】
内部表面および外部表面を有する第３のポリマー層をさらに備え、前記第３のポリマー層の前記外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１、第２および第３のポリマー層が配列される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記第３のポリマー層の前記内部表面が、前記第２のポリマー層の前記外部表面に接触する、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３４】
前記第２のポリマー層および前記第３のポリマー層が、前記第２のポリマー層の前記外部表面および前記第３のポリマー層の前記内部表面間に配置された接続層により接続される、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３５】
前記第３のポリマー層が低ヤング率を有する、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記第３のポリマー層が、約１ＭＰａ〜約１０ＭＰａの範囲から選択されたヤング率を有する、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３７】
前記第３のポリマー層の厚さが約１ミクロン〜約１００ミクロンの範囲から選択される、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３８】
前記第３のポリマー層の厚さが第１のポリマー層の厚さの約１０％内である、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項３９】
前記第１のポリマー層の熱膨張係数が、前記第３のポリマー層の熱膨張係数の約１０％内である、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項４０】
前記第３のポリマー層がエラストマー層である、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項４１】
前記第３のポリマー層が、ポリ（ジメチルシロキサン）またはｈ−ポリ（ジメチルシロキサン）を含む、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項４２】
前記第３のポリマー層が、前記接触表面への加圧を一様に分布させる手段を備える、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項４３】
内部表面および外部表面を有する第４のポリマー層をさらに備え、前記第４のポリマー層の前記外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１、第２、第３および第４のポリマー層が配列される、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項４４】
前記第４のポリマー層の前記内部表面が、前記第３のポリマー層の前記外部表面に接触する、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４５】
前記第３のポリマー層および前記第４のポリマー層が、前記第３のポリマー層の前記外部表面および前記第４のポリマー層の前記内部表面間に配置された接続層により接続される、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４６】
前記第４のポリマー層が高ヤング率を有する、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４７】
前記第４のポリマー層が、約１ＧＰａ〜約１０ＧＰａの範囲から選択されたヤング率を有する、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４８】
前記第４のポリマー層の厚さが約１０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲から選択される、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４９】
前記第４のポリマー層の厚さが第２のポリマー層の厚さの約１０％内である、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項５０】
前記第４のポリマー層の熱膨張係数が、前記第２のポリマー層の熱膨張係数の約１０％内である、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項５１】
前記第４のポリマー層が、ポリマー、ガラス、セラミック、および金属からなる群から選択された材料を含む、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項５２】
前記第２のポリマー層の前記外部表面に接続されたアクチュエータをさらに備え、前記アクチュエータが前記第２のポリマー層の前記外部表面に力を付与可能である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５３】
前記第３のポリマー層の前記外部表面に接続されたアクチュエータをさらに備え、前記アクチュエータが前記第３のポリマー層の前記外部表面に力を付与可能である、請求項３２に記載のデバイス。
【請求項５４】
前記第４のポリマー層の前記外部表面に接続されたアクチュエータをさらに備え、前記アクチュエータが前記第４のポリマー層の前記外部表面に力を付与可能である、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項５５】
スタンプ、モールドまたはフォトマスクからなる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５６】
電磁スペクトルの紫外領域、電磁スペクトルの可視領域または電磁スペクトルの紫外領域およびの可視領域の両方の電磁放射を伝送する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５７】
選択された二次元空間強度分布を有する電磁放射のパターンを伝送する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５８】
前記基板の熱膨張係数の１０％内である正味の熱膨張係数を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５９】
基板表面上にパターンを生成するための複合パターニングデバイスであって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する第１の層と、
内部表面および外部表面を有し、高ヤング率を有する第２の層と、
内部表面および外部表面を有する第３の層とを備え、前記第３のポリマー層の前記外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１、第２および第３のポリマー層が配列され、
前記パターニングデバイスを通って延びる層アラインメント軸に沿って前記パターニングデバイスの中心についてほぼ対称的な熱膨張係数の分布を与えるように、前記第１および第３の層の厚さおよび熱膨張係数が選択され、前記第１の層の前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立可能である、デバイス。
【請求項６０】
前記第１の層の前記内部表面が前記第２の層の前記内部表面と接触し、前記第２の層の前記外部表面が、前記第３の層の前記内部表面と接触する、請求項５９に記載のデバイス。
【請求項６１】
前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が、前記第１のポリマー層の前記内部表面および前記第２のポリマー層の前記内部表面間に配置された接続層により接続され、前記第３のポリマー層および前記第４のポリマー層が、前記第３のポリマー層の前記外部表面および前記第４のポリマー層の前記内部表面間に配置された接続層により接続される、請求項５９に記載のデバイス。
【請求項６２】
前記層アラインメント軸が、少なくとも１つの接触表面を含む平面に直交して方向付けられる、請求項５９に記載のデバイス。
【請求項６３】
基板表面上にパターンを生成するためのパターニングデバイスであって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンと前記接触表面に対向して配置された外部表面を有するベースを含むポリマー層とを備え、前記接触表面が前記層を通って延びる層アラインメント軸に直交し、前記ポリマー層のヤング率が前記接触表面から前記外部表面へと前記層アラインメント軸に沿って連続的に変動し、
前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立可能である、デバイス。
【請求項６４】
前記ポリマー層のヤング率が、前記接触表面での低い弾性値から、前記層アラインメント軸に沿った前記接触表面および前記外部表面間の中間点での高い弾性値へと、前記層アラインメント軸に沿って連続的に変動する、請求項６３に記載のデバイス。
【請求項６５】
前記ポリマー層のヤング率が、前記層アラインメント軸に沿った中間点での前記高い弾性値から前記外部表面での低い弾性値へと、連続的に変動する、請求項６３に記載のデバイス。
【請求項６６】
前記ポリマー層が、前記層アラインメント軸に沿って前記パターニングデバイスの中心についてほぼ対称的な熱膨張係数の分布を有する、請求項６３に記載のデバイス。
【請求項６７】
基板表面上にパターンを生成する方法であって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する第１のポリマー層と、内部表面および外部表面を有し、高ヤング率を有する第２のポリマー層とを備える複合パターニングデバイスであって、前記第２のポリマー層の外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が配列される、複合パターニングデバイスを設けるステップと、
前記第１のポリマー層の前記接触表面上に転写材料を堆積し、それによって接触表面上に転写材料の層を生成するステップと、
前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立するように、前記複合パターニングデバイスおよび前記基板表面を接触させるステップであって、転写材料の前記層が前記基板表面に暴露される、ステップと、
前記複合パターニングデバイスおよび前記基板表面を分離し、それによって前記転写材料の少なくとも一部を前記基板表面に転写して、前記基板表面上に前記パターンを生成するステップと、
を備える、方法。
【請求項６８】
前記堆積ステップが、気相堆積により前記転写材料を前記接触表面上に堆積する工程を備える、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
前記堆積ステップが、スパッタリング堆積により前記転写材料を前記接触表面上に堆積する工程を備える、請求項６７に記載の方法。
【請求項７０】
前記堆積ステップが、前記接触表面を前記転写材料のリザーバと接触させることにより前記転写材料を前記接触表面上に堆積する工程を備える、請求項６７に記載の方法。
【請求項７１】
基板表面上にパターンを生成する方法であって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する第１のポリマー層と、内部表面および外部表面を有し、高ヤング率を有する第２のポリマー層とを備える複合パターニングデバイスであって、前記第２のポリマー層の外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が配列される、複合パターニングデバイスを設けるステップと、
前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立するように、前記複合パターニングデバイスおよび前記基板表面を接触させ、それによって前記三次元レリーフパターンと前記基板表面を分離する空間を含むモールドを生成するステップと、
転写材料を前記モールド内に導入するステップと、
前記複合パターニングデバイスおよび前記基板表面を分離し、それによって前記基板表面上に前記パターンを生成するステップと、
を備える、方法。
【請求項７２】
感光性材料を含む基板の表面上にパターンを生成する方法であって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する第１のポリマー層と、内部表面および外部表面を有し、高ヤング率を有する第２のポリマー層とを備える複合パターニングデバイスであって、前記第２のポリマー層の外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が配列される、複合パターニングデバイスを設けるステップと、
前記接触表面の少なくとも一部と前記基板の前記表面の間に共形接触を確立するように、前記複合パターニングデバイスおよび前記基板表面を接触させるステップと、
電磁放射を前記複合パターニングデバイスを通して前記基板の前記表面上へと方向付け、それによって前記基板表面上に選択された二次元強度分布を有する電磁放射のパターンを生成するステップと、
を備え、
前記電磁放射および前記感放射性材料の相互作用が、前記感放射性材料の化学的に変性された領域を生成し、それによって前記基板表面上に前記パターンを生成する、方法。
【請求項７３】
前記基板の前記化学的に変性された領域の少なくとも一部を除去するステップをさらに備える、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
化学的に変性されていない前記基板の少なくとも一部を除去するステップをさらに備える、請求項７２に記載の方法。
【請求項７５】
複合パターニングデバイスを作成する方法であって、
選択された三次元レリーフパターンを有するマスターレリーフパターンを設けるステップと、
前記マスターレリーフパターンを低弾性ポリマーのプレポリマーと接触させるステップと、
前記プレポリマー材料を高弾性ポリマー層と接触させるステップと、
前記プレポリマーを重合させ、それによって前記高弾性ポリマー層と接触し、かつ前記マスターレリーフパターンと接触する前記低弾性ポリマー層を生成するステップであって、前記低弾性ポリマー層が三次元レリーフパターンを有する、ステップと、
前記低弾性ポリマー層を前記マスターレリーフパターンから分離し、それによって前記複合パターニングデバイスを作成するステップと、
を備える方法。
【請求項７６】
基板表面上にパターンを生成するためのファイバ補強複合パターニングデバイスであって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する、第１のポリマー層と、
内部表面および外部表面を有し、ファイバのアレイをポリマー中に含む第２のポリマー層であって、前記内部表面が前記第１のポリマー層の前記外部表面と接触する、第２のポリマー層と、
内部表面および外部表面を有し、ファイバのメッシュをポリマー中に含む第３のポリマー層であって、前記内部表面が前記第２のポリマー層の前記外部表面と接触する、第３のポリマー層と、
内部表面および外部表面を有し、ファイバのメッシュをポリマー中に含む第４のポリマー層であって、前記内部表面が前記第３のポリマー層の前記外部表面と接触する、第４のポリマー層と、
内部表面および外部表面を有し、ファイバのアレイをポリマー中に含む第５のポリマー層であって、前記内部表面が前記第４のポリマー層の前記外部表面と接触する、第５のポリマー層とを備え、
前記第１のポリマー層の前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立可能である、デバイス。
【請求項７７】
共形可能パターニングデバイスおよび基板を位置揃えするアラインメントシステムであって、
第１のアラインメント素子との接触表面を有する第１のポリマー層を備える前記共形可能パターニングデバイスであって、前記第１のポリマー層が低ヤング率を有し、前記第１のアラインメント素子が凹部領域またはレリーフ特徴部のいずれかを含む、前記共形可能パターニングデバイスと、
外部表面を有する前記基板であって、前記外部表面が前記第１のアラインメント素子と補完する凹部領域またはレリーフ特徴部のいずれかを備える第２のアラインメント素子を備える前記基板と、
前記共形可能パターニングデバイスの前記接触表面と前記基板の前記外部表面の間にあるパターニング剤とを備え、
前記第１および第２のアラインメント特徴部が係合するように、前記接触表面が前記外部表面と共形接触を確立可能である、システム。
【請求項７８】
前記共形可能パターニングデバイスが、追加のレリーフ特徴部、凹部領域またはレリーフ特徴部および凹部領域の両方をさらに備え、前記接触表面と前記外部表面との共形接触が前記パターニング剤により占められる空間を生成する、請求項７７に記載のシステム。
【請求項７９】
前記パターニング剤が、前記共形可能パターニングデバイス上に方向付けられた電磁放射を吸収、散乱または反射し、それによって、前記外部表面へと伝送される、選択された二次元空間強度分布を有する電子放射を生成する、請求項７８に記載のシステム。
【請求項８０】
前記パターニング剤が、前記接触表面と前記基板の前記外部表面の間の摩擦を低減可能な潤滑剤である、請求項７７に記載のシステム。
【請求項８１】
前記第１および第２のアラインメント素子が、ピラミッド形、円筒形、多角形、三角形、長方形、正方形、円錐形、台形および球形からなる群から選択された形状を有するレリーフ特徴部または凹部領域である、請求項７７に記載のシステム。
【請求項８２】
共形可能パターニングデバイスが、前記第１のポリマー層に接続された１つ以上の追加のポリマー層をさらに備える複合パターニングデバイスである、請求項７７に記載のシステム。
【請求項８３】
共形可能パターニングデバイスおよび基板を位置揃えする方法であって、
第１のアラインメント素子との接触表面を有する第１のポリマー層を備える前記共形可能パターニングデバイスであって、前記第１のポリマー層が低ヤング率を有し、前記第１のアラインメント素子が凹部領域またはレリーフ特徴部のいずれかを含む、前記共形可能パターニングデバイスを設けるステップと、
外部表面を有する前記基板であって、前記外部表面が前記第１のアラインメント素子と補完する凹部領域またはレリーフ特徴部のいずれかを含む第２のアラインメント素子を備える前記基板を設けるステップと、
前記共形可能パターニングデバイスの前記接触表面と前記基板の前記外部表面の間にパターニング剤を設けるステップと、
前記第１および第２のアラインメント特徴部が係合するように、前記接触表面が前記外部表面と共形接触を確立するステップとを備える、方法。
【請求項８４】
前記パターニング剤が、前記接触表面と前記基板の前記外部表面の間の摩擦を低減可能な潤滑剤である、請求項８３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願との相互参照】
【０００１】
[0001]本願は、２００４年４月２７日出願の米国仮出願第６０／５６５，６０４号の利益を主張するものであり、この仮出願は全体を参照として本明細書の開示と矛盾しない程度まで本明細書に組み込まれる。
【発明の背景】
【０００２】
[0002]マイクロメータサイズの構造およびデバイスの設計および作製は、マイクロエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、マイクロフルイディクスおよびマイクロセンシングを含む多くの重要な技術に多大な影響を及ぼしてきた。マイクロサイズの電子デバイスを作成する能力は、例えば、エレクトロニクス分野において、より高速かつより高性能で実質的により少ない電力で済む電子コンポーネントをもたらすという大変革を起こしてきた。これらの技術が急速に発展するにつれて、ナノメータスケールで物質を操作し組織する能力を開発することにより、さらなるゲインが実現されることがますます明らかとなってきた。ナノサイエンス技術における進歩は、材料科学からバイオテクノロジーへの応用工学までに至る多くの技術領域に劇的な影響を及ぼすものと見込まれている。
【０００３】
[0003]ナノスケール寸法を有するデバイスの作製は、単に微細化の概念の自然な伸展ではなく、物理的および化学的挙動がより大規模なシステムから逸脱するような根本的に異なる体制である。例えば、多くの材料のナノスケールアセンブリの挙動は、それらの大きな界面体積分率および電子閉じ込めによる量子力学効果によって大きく影響される。ナノメータスケールで境界明瞭な特徴部を有する構造を作成する能力は、単一電子トンネル現象、クーロン閉塞および量子サイズ効果等のナノメータ寸法でのみ生じる特性およびプロセスに基づいてデバイスを作成する可能性を広げてきた。しかしながら、広範囲な材料からサブミクロンサイズの構造を作成する商業的に実用可能な方法の開発は、ナノサイエンス技術における継続的な進歩に絶対不可欠である。
【０００４】
[0004]フォトリソグラフィは、現状で最も普及している微細加工方法であり、ほぼ全ての集積電子回路がこの手法を用いて作られている。従来の投射方式フォトリソグラフィでは、選択された二次元パターンに対応する光学画像がフォトマスクを用いて生成される。画像は、基板上にスピンコートされたフォトレジストの薄膜上に縮小および投射される。あるいは、ウエハー直接書き込み式（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｗｒｉｔｅ  ｔｏ  Ｗａｆｅｒ）フォトリソグラフィ手法では、フォトマスクを用いずに、フォトレジストがレーザ光、電子ビームまたはイオンビームに直接露光される。光、電子および／またはイオンとフォトレジストを構成する分子の間の相互作用は、境界明瞭な物理的寸法を有する構造の作製を可能とするように、フォトレジストの選択された領域を化学変化させる。フォトリソグラフィは、平坦な表面上に二次元分布の特徴部を生成するのに特に適している。加えて、フォトリソグラフィは、積層体の形成を含む追加の作製方法を用いて、平坦な表面上により複雑な三次元分布の特徴部を生成可能である。
【０００５】
[0005]フォトリソグラフィにおける最近の進歩は、サブミクロン範囲の寸法を有する構造の製造へとその利用可能性を拡大してきた。例えば、遠紫外線投射方式リソグラフィ、軟Ｘ線リソグラフィ、電子ビームリソグラフィおよび走査プローブ法等のナノリソグラフィ技術は、１０ｓ〜１００ｓナノメータオーダーの特徴部を持った構造の作製に成功裏に採用されてきた。ナノリソグラフィはナノメータ寸法を有する構造およびデバイスを作製する実行可能な方法を提供するが、これらの方法は、ナノ材料の低コスト大量加工を提供する商業的方法へのその実用的な統合を妨げる、ある制限を有している。第１に、ナノリソグラフィ法は、光、電子および／またはイオンをフォトレジスト表面上へと導く精巧かつ高価格のステッパーまたは書き込みツールを必要とする。第２に、これらの方法は特殊材料の非常に狭い範囲のパターニングに限定されてしまい、特定の化学官能基をナノ構造内へと導入するのにはあまり適さない。第３に、従来のナノリソグラフィは、無機基板の超平坦かつ剛性表面の小さい面積上のナノサイズの特徴部の作製に限定されているため、ガラス、炭素およびプラスチック表面上のパターニングへの適合性が低い。最後に、三次元で選択可能な長さを有する特徴部を含んだナノ構造の作製は、ナノリソグラフィ法により提供される焦点深度が制限されているために困難であり、通常、労働集約的な多層構造の反復加工を必要とする。
【０００６】
[0006]ナノファブリケーションに適用されるフォトリソグラフィ法の実用的制限は、ナノスケール構造を作製するための代替的な非リソグラフィ法の開発における興味を大いに促してきた。近年では、ソフトリソグラフィと総称されるモールディング、接触プリンティングおよびエンボス加工に基づく新たな手法が開発されている。これらの手法は、スタンプ、モールドまたはマスク等の境界明瞭なレリーフパターンを含む転写表面を有する共形パターニングデバイスを用いる。マイクロサイズおよびナノサイズの構造は、分子スケールでの基板およびパターニングデバイスの転写表面間の共形接触を含む材料加工により形成される。ソフトリソグラフィで用いられるパターニングデバイスは、通常、ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）等のエラストマー材料を含んでおり、従来のフォトリソグラフィを用いて生成された原型に対してプレポリマーを流し込むことによって作成されるのが普通である。パターニングデバイスの機械的特性は、転写された材料の良好な忠実度および配置精度を有する機械的に頑強なパターンを作製するのに極めて重要である。
【０００７】
[0007]マイクロサイズおよび／またはナノサイズの構造を生成可能なソフトリソグラフィ法には、ナノ転写プリンティング、マイクロ転写モールディング、レプリカモールディング、毛管内マイクロモールディング、近接場位相シフトリソグラフィ、および溶剤補助マイクロモールディングが含まれる。従来のソフトリソグラフィ接触プリンティング法は、例えば、約２５０ｎｍほどの小さい横寸法を持った特徴部を有する金の自己組織化単分子膜のパターンを生成するのに用いられてきた。ソフトリソグラフィで生成された構造は、ダイオード、光輝性多孔質シリカン画素、有機発光ダイオードおよび薄膜トランジスタを含むデバイスの範囲内に組み込まれてきた。この技術の他の用途には、一般に、フレキシブル電子コンポーネント、微小電気機械システム、微量分析システムおよびナノフォトニックシステムの作製が含まれる。
【０００８】
[0008]ナノ構造を作成するソフトリソグラフィ法は、ナノスケール構造およびデバイスの作製に重要な多くの利点をもたらす。第１に、これらの方法は、フレキシブルプラスチック、炭素質材料、セラミクス、シリコンおよびガラス等の広範囲の基板に適合可能であり、金属、複合有機化合物、コロイド材料、懸濁液、生体分子、細胞および塩溶液を含む広範囲の転写材料を許容する。第２に、ソフトリソグラフィは、平坦および起伏のある表面のいずれにも転写された材料の特徴部を生成可能であり、迅速かつ効果的に基板の大面積をパターニング可能である。第３に、ソフトリソグラフィ技術は、三次元で選択可能に調整可能な長さを有する特徴部により特徴付けられる三次元構造のナノファブリケーションに適している。最後に、ソフトリソグラフィは、既存の商業的プリンティングおよびモールディング技術に適合可能な低コスト方法を提供する。
【０００９】
[0009]従来のＰＤＭＳパターニングデバイスは、各種の基板材料および表面外形との再現可能な共形接触を確立可能であるが、サブ１００ｎｍ範囲で特徴部を作成するためのこれらのデバイスの使用は、従来の単層ＰＤＭＳスタンプおよびモールドの低弾性（３ＭＰａ）および高圧縮性（２．０Ｎ／ｍｍ２）による圧力誘起変形に関連する問題を被りやすい。第１に、約０．３未満のアスペクト比では、広く浅いレリーフ特徴部を有する従来のＰＤＭＳパターニングデバイスは、基板の表面との接触時に崩壊しやすい。第２に、近接配置された（約２００ｎｍ未満）幅の狭い（約２００ｎｍ未満）構造を有する従来の単層ＰＤＭＳパターニングデバイスの隣接する特徴部は、基板表面との接触時に一緒に崩壊しやすい。最後に、従来のＰＤＭＳスタンプは、表面張力によってスタンプが基板から分離される際に転写されたパターンの尖った角を丸めてしまいやすい。これらの問題の複合効果は、基板に転写された材料のパターン内に望ましくない歪みを導入することである。従来の単層ＰＤＭＳパターニングデバイスにより引き起こされるパターンの歪みを最小限に抑えるために、１００ｎｍ未満の寸法を有する構造を生成する手段として、多層スタンプおよびモールドを含む複合パターニングデバイスが検討されてきた。
【００１０】
[0010]Ｍｉｃｈｅｌおよび共同執筆者は、レリーフパターンを持った転写表面を有するエラストマー層に付着された金属、ガラスまたはポリマーの曲げ可能な薄層からなる複合スタンプを用いるマイクロ接触プリンティング法について報告している。［Ｍｉｃｈｅｌ  ｅｔ  ａｌ．  Ｐｒｉｎｔｉｎｇ  Ｍｅｅｔｓ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：  Ｓｏｆｔ  Ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ  ｔｏ  Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ，  ＩＢＭ  Ｊ．  Ｒｅｓ．  ＆  Ｄｅｖ．，  Ｖｏｌ．  ４５，  Ｎｏ．  ５，  ｐｇｓ  ６９７−７１９  （Ｓｅｐｔ．  ２００１）］これらの執筆者は、剛性支持層およびレリーフパターンを持った転写表面を有する第２の比較的硬い層に付着された第１のソフト層を含むポリマーバッキング層からなる複合スタンプ設計についても説明している。執筆者らは、開示された複合スタンプ設計が「８０ｎｍほどの小さい特徴部サイズの大面積高解像度プリンティング用途」に有用であることを報告している。
【００１１】
[0011]Ｏｄｏｍおよび共同執筆者は、レリーフパターンを持った転写表面を有するｈ−ＰＤＭＳの薄い（３０〜４０ミクロン）層に付着された１８４ＰＤＭＳの厚い（３ｍｍ程度）バッキング層からなる複合２層スタンプ設計を開示している。  ［Ｏｄｅｍ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｌａｎｇｍｕｉｒ，  Ｖｏｌ．  １８，  ｐｇｓ  ５３１４−５３２０  （２００２）］複合スタンプは、ソフトリソグラフィ位相シフトフォトリソグラフィ法を用いた１００ｎｍ程度の寸法を有するモールド特徴部のこの研究で用いられた。執筆者らは、開示された複合スタンプが、従来の低弾性単層ＰＤＭＳスタンプについて側壁の座屈および陥没の低減をもたらす機械的安定性の増大を呈することを報告している。
【００１２】
[0012]従来の複合スタンプおよびモールドの使用は、サブ１００ｎｍ範囲の寸法を有する特徴部を生成するためのソフトリソグラフィ法の能力をある程度まで改善してきたが、これらの手法は、マイクロスケールおよびナノスケールデバイスの高スループット作製へのその効果的な商業的適用を妨げる多くの問題を起こしやすいままである。第１に、いくつかの従来の複合スタンプおよびモールドの設計は柔軟性が制限されているため、起伏のあるまたは粗い表面と良好に共形接触しずらい。第２に、従来の多材料ＰＤＭＳスタンプは、熱または紫外線硬化中に所望されない収縮を起こしやすく、これがその転写表面上のレリーフパターンを歪ませる。第３に、異なる熱膨張係数を有する多層を含む従来の複合スタンプの使用は、温度の変化によるレリーフパターンの歪みおよびその転写表面の湾曲を生じさせかねない。第４に、ガラス等の堅いおよび／または脆いバッキング層ならびに複数の金属層の使用は、従来の複合スタンプをロール式およびフレキソグラフィプリンタ構成等の既存の市販プリンタ構成に容易に組み込む上での妨げとなる。最後に、高弾性エラストマー材料を含んだ転写表面を有する複合スタンプの使用は、高忠実度パターニングに必要な転写表面および基板表面間の共形接触の形成を阻害する。
【００１３】
[0013]当分野において、現在、１０ｓ〜１００ｓナノメータの特徴部を有する構造の高解像度パターンを作製するための方法およびデバイスが必要であることが、上記から理解される。詳細には、高い忠実度、良好な機械的堅牢性および良好な配置精度を有するナノスケール構造のパターンを作製可能なソフトリソグラフィ法およびパターニングデバイスが必要である。加えて、例えば、従来のパターニングデバイスに比べて熱または紫外線硬化中のレリーフパターンの収縮を低減および／または温度により誘起される歪みを最小限に抑えることにより、パターンの歪みを最小限に抑えるパターニングデバイスが必要である。最後に、既存の高速市販プリンティングおよびモールディングシステムに適合し、容易に組み込み可能なソフトリソグラフィ法およびデバイスが必要である。
【発明の概要】
【００１４】
[0014]本発明は、基板表面上にパターン、特に一、二または三次元の選択された長さのマイクロサイズおよび／またはナノサイズの特徴部を有する構造を含むパターンを作製するための方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントを提供する。詳細には、本発明は、フレキシブルプラスチック基板を含む幅広い種類の基板上の大きい曲率半径を有する表面を含む平坦な表面および起伏のある表面上に、構造の高解像度パターンを生成するためのソフトリソグラフィ作製方法において用いられるスタンプ、モールドまたはフォトマスクを提供する。本発明の目的は、境界明瞭な物理的寸法を有する三次元構造、特に１０ｓナノメータ〜１０００ｓナノメータオーダーの物理的寸法を有する境界明瞭な特徴部を含む構造を作製するための方法およびデバイスを提供することである。本発明の別の目的は、大きい基板表面面積にわたる高い忠実度および良好な配置精度により特徴付けられる構造のパターンを作製するための方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントを提供することである。本発明の他の目的は、従来の単層または多層スタンプ、モールドおよびフォトマスクより良好な熱的安定性およびパターン歪みによって誘起される硬化への耐性を呈する複合パターニングデバイスを提供することである。本発明の別の目的は、既存の高速な商業的プリンティング、モールディングおよびエンボス加工手法、デバイスおよびシステムに適合するソフトリソグラフィ方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントを提供することである。
【００１５】
[0015]一態様では、本発明が、各種基板表面および表面形態上に高解像度パターニングを与えるために、ヤング率および曲げ剛性等の選択された機械的特性、厚さ、表面面積およびレリーフパターン寸法等の選択された物理的寸法、および熱膨張係数等の選択された熱的特性をそれぞれが有する複数のポリマー層を備えるパターニングデバイスを提供する。本発明のこの態様のパターニングデバイスは、接触プリンティング、モールディングおよび光学パターニング等の各種ソフトリソグラフィパターニング用途に有用な多層ポリマースタンプ、モールドおよびフォトマスクを含んでいる。一実施形態では、従来のソフトリソグラフィデバイスと比較してより高度のパターン解像度および忠実度ならびに改善された熱的安定性をもたらす累積的な機械的および熱的特性を有するパターニングデバイスを提供するために、異なる機械的特性、物理的寸法および熱的特性を有する離散したポリマー層を組み合わせたり、および／または整合させたりする。加えて、離散したポリマー層の組み合わせを含む本発明のパターニングデバイスには、破砕することなく、従来の単層または多層スタンプ、モールドおよびフォトマスクよりも容易に既存の商業的プリンティング、モールディングおよび光学的パターニングシステムにそれらを組み込めるようにする幅広い種類のデバイス構成、配置および方向が許容される。
【００１６】
[0016]一実施形態では、本発明が、低ヤング率を有する第１のポリマー層と高ヤング率を有する第２のポリマー層とを備える複合パターニングデバイスを提供する。第１のポリマー層は、その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する選択された三次元レリーフパターンを含み、接触表面に対向する内部表面を有している。第２のポリマー層は、内部表面および外部表面を有している。第２のポリマー層の外部表面に加えられる力が第１のポリマー層に伝送されるように、第１のポリマー層および第２のポリマー層が配列される。例えば、第２の層の外部表面に加えられる力が第１のポリマー層の接触表面の少なくとも一部に伝送されるように、第１のポリマー層および第２のポリマー層を配列することができる。実施形態では、第１のポリマー層の内部表面が第２のポリマー層の内部表面に動作的に結合される。例えば、第１のポリマー層の内部表面を第２のポリマー層の内部表面に物理的に接触させることができる。あるいは、第１のポリマー層および第２のポリマー層を、第１のポリマー層の内部表面および第２のポリマー層の内部表面間に配置された金属薄層、ポリマー層またはセラミック層等の１つ以上の接続層により接続することができる。
【００１７】
[0017]本発明のこの態様の複合パターニングデバイスは、第１のポリマー層の接触表面の少なくとも一部と基板表面の間に共形接触を確立可能である。場合によって、パターニングデバイスをパターニング中の基板表面と共形接触させるために第２のポリマー層の外側に外力を付与可能なスタンピング、プリンティングまたはモールディングデバイス等のアクチュエータに、第２のポリマー層を動作的に結合することができる。場合によって、基板をパターニングデバイスと共形接触させることが可能なアクチュエータに、基板を動作的に結合することができる。
【００１８】
[0018]本発明の複合パターニングデバイスにおけるポリマー層の物理的寸法およびヤング率の選択により、パターニングデバイスの正味の曲げ剛性および共形可能性等の複合パターニングデバイス全体の機械的特性が確立される。ソフトリソグラフィ接触プリンティングおよびモールディング用途に有用な本発明の実施形態では、第１のポリマー層が、約１ＭＰａ〜約１０ＭＰａの範囲から選択されたヤング率と約１ミクロン〜約１００ミクロンの範囲から選択された厚さにより特徴付けられ、第２のポリマー層が、約１ＧＰａ〜約１０ＧＰａの範囲から選択されたヤング率と約１０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲から選択された厚さにより特徴付けられる。ソフトリソグラフィ接触プリンティング用途に有用な本発明の複合パターニングデバイスには、第１のポリマー層の厚さと第２のポリマー層の厚さの比が約１〜約１０の範囲から選択され、用途によってより好ましくは約５に等しい実施形態も含まれる。一実施形態では、第１のポリマー層がＰＤＭＳまたはｈ−ＰＤＭＳ層等のエラストマー層であり、第２のポリマー層がポリイミド層等のサーモプラスチックまたはサーモスタット層であり、複合パターニングデバイスが約１×１０−７Ｎｍ〜約１×１０−５Ｎｍの範囲から選択された正味の曲げ剛性を有する。
【００１９】
[0019]エラストマー層等の低弾性の第１のポリマー層を用いることは、滑らかな表面、平坦な表面、粗い表面、特に最大約１ミクロンの粗さを有する表面、および起伏のある表面、好ましくは最大約２５ミクロンの曲率半径を有する表面の大面積（最大数ｍ２）と共形接触を確立する能力を有するパターニングデバイスをもたらすため本発明において有益である。加えて、低弾性の第１のポリマー層を用いることにより、第２のポリマー層の外部表面に加えられる比較的低い圧力（約０．１ｋＮｍ−２〜約１０ｋＮｍ−２）を用いて接触表面と基板の大面積間に共形接触が確立される。例えば、５ミクロン以上の厚さを有するＰＤＭＳ層を含む低弾性の第１のポリマー層は、１００Ｎｍ−２以下の外圧の付与に際して２５０ｃｍ２ほどの大きさの基板表面面積にわたって再現可能な共形接触を確立する。加えて、低弾性の第１のポリマー層を本発明のパターニングデバイスに組み込むことにより、徐々に制御された方法で共形接触を確立し、第１のポリマー層の接触表面と基板表面の間にトラップされた空洞が形成されるのを回避することができる。さらに、低弾性の第１のポリマー層を本発明のパターニングデバイスに組み込むことにより、本発明の複合パターニングデバイスを作成するのに用いられる基板表面およびマスターレリーフパターンの表面からの接触表面の良好な離型性がもたらされる。
【００２０】
[0020]本発明の複合パターニングデバイスにおいて高弾性の第２のポリマー層を用いることは、接触表面および基板表面間の共形接触の形成時に発生する可能性があるレリーフパターンの歪みを最小限に抑えるのに十分な大きさの正味の曲げ剛性を有するパターニングデバイスをもたらすため本発明において有益である。第１に、高弾性の第２のポリマー層を本発明のパターニングデバイスに組み込むことにより、高アスペクト比を有するパターンの狭いレリーフ特徴部のつぶれにより特徴付けられる歪み等の、接触表面を含む平面に平行な平面におけるレリーフパターンの歪みが最小限に抑えられる。第２に、高弾性の第２のポリマー層を本発明のパターニングデバイスに組み込むことにより、レリーフパターンの凹部領域の陥没により特徴付けられる歪み等の、接触表面を含む平面と交差する平面におけるレリーフパターンの歪みが最小限に抑えられる。高弾性の第２のポリマー層を組み込むことによりもたらされるこのレリーフパターン歪みの低減によって、本発明のパターニングデバイスおよび方法を用いて、５０ナノメータほどの小さい物理的寸法を有する境界明瞭な特徴部を有する小構造のパターンが作製される。
【００２１】
[0021]本発明のパターニングデバイスにおいて高弾性の第２のポリマー層を用いることは、本発明のパターニングデバイスの容易な取扱いおよびプリンティング、エンボス加工およびモールディング機械への組み込みを可能とする点でも本発明において有益である。本発明のこの特質が、本発明のパターニングデバイスの取り付け、再取り付け、方向付け、メンテナンスおよび洗浄を容易にする。高弾性の第２のポリマー層を本発明のパターニングデバイスに組み込むことにより、従来の単層ＰＤＭＳスタンプ、モールドおよびフォトマスクに対して２５倍まで、基板表面の選択された領域と本発明のパターニングデバイスを接触させることができる精度を改善することにもなる。例えば、ポリイミド層等の５ＧＰａ以上のヤング率を有する２５ミクロン厚の第２のポリマー層を組み込むことにより、約２３２ｃｍ２に等しい基板面積にわたって約１ミクロンの配置精度で本発明のパターニングデバイスが基板表面と接触させることができる。さらに、柔軟で弾力のある高弾性第２のポリマー層を用いることにより、本発明のパターニングデバイスをデバイス構成の範囲で動作させ、容易に従来のプリンティングおよびモールディングシステムへと組み込むことができる。例えば、約７×１０−６Ｎｍの曲げ剛性を有する第２のポリマー層を用いることにより、本発明のパターニングデバイスを従来のローラおよびフレキソグラフィプリンティングシステムに組み込むことができる。
【００２２】
[0022]代替的な実施形態では、本発明のパターニングデバイスが単一ポリマー層を含んでいる。単一ポリマー層は、その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンおよび接触表面に対向して配置された外部表面を有するベースを含む。接触表面がポリマー層を通って延びる層アラインメント軸に直交して方向付けられ、ポリマー層のヤング率が接触表面からベースの外部表面へと層アラインメント軸に沿って連続的に変動する。一実施形態では、ポリマー層のヤング率が、接触表面での低い値から層アラインメント軸に沿った接触表面および外部表面間の中間点での高い値へと、層アラインメント軸に沿って連続的に変動する。別の実施形態では、ポリマー層のヤング率が、層アラインメント軸に沿った中間点での高い弾性値からベースの外部表面での低い弾性値へと、層アラインメント軸に沿って連続的に変動する。場合によって、ポリマー層が、層アラインメント軸に沿ってパターニングデバイスの中心についてほぼ対称的な熱膨張係数の分布を有することもできる。ポリマー層におけるヤング率の変動は、層アラインメント軸に沿った位置の関数としてヤング率の制御を達成するために単一ポリマー層での架橋の度合いを選択的に変動させる方法を含む、当分野で既知の任意の手段により達成することができる。
【００２３】
[0023]本発明で使用可能な三次元レリーフパターンは、単数の連続的なレリーフ特徴部または複数の連続的および／または離散的レリーフ特徴部を含んでもよい。本発明では、レリーフ特徴部の物理的寸法またはそれらのレリーフパターン内での配列の選択は、基板表面上で生成される構造の物理的寸法および相対的配列に基づいてなされる。本発明の複合パターニングデバイスで使用可能なレリーフパターンは、約１０ナノメータ〜約１０，０００ナノメータの範囲にわたって選択された、用途によって好ましくは約５０ナノメータ〜約１０００ナノメータの範囲にわたって選択された物理的寸法を有するレリーフ特徴部を含むことができる。本発明で使用可能なレリーフパターンは、レリーフ特徴部の対称的なパターンでもレリーフ特徴部の非対称的なパターンでもよい。三次元レリーフパターンは、広範囲の面積を占めることができ、約１０ｃｍ２〜約２６０ｃｍ２の範囲にわたって選択されたレリーフ面積がいくつかのマイクロおよびナノファブリケーション用途には好ましい。
【００２４】
[0024]別の実施形態では、本発明の複合パターニングデバイスが、内部表面および外部表面を有する第３のポリマー層をさらに含んでいる。この３層の実施形態では、第３のポリマー層の外部表面に加えられる力が第１のポリマー層に伝送されるように、第１、第２および第３のポリマー層が配列される。例えば、第３のポリマー層の外部表面に加えられる力が第１のポリマー層の接触表面の少なくとも一部に伝送されるように、第１、第２および第３のポリマー層を配列することができる。実施形態では、第２のポリマー層の外部表面が第３のポリマー層の内部表面に動作的に結合される。例えば、第２のポリマー層の外部表面を第３のポリマー層の内部表面に物理的に接触させることができる。あるいは、第２のポリマー層および第３のポリマー層を、第２のポリマー層の外部表面および第３のポリマー層の内部表面間に配置された金属薄層、ポリマー層またはセラミック層等の１つ以上の接続層により接続することができる。場合によって、パターニングデバイスの接触表面をパターニング中の基板表面と共形接触させるために第３のポリマー層の外部側面に外力を付与可能なアクチュエータに、第３のポリマー層を動作的に結合することができる。第３のポリマー層を組み込むことにより、本発明のパターニングデバイスを取扱い、配置し、方向付け、取り付け、洗浄およびメンテナンスする手段を提供することもできる。
【００２５】
[0025]低ヤング率を有する第３のポリマー層を本発明の複合パターニングデバイスに組み込むことは、いくつかのソフトリソグラフィ用途には有益である。第１に、低ヤング率の第３のポリマー層を用いることにより、パターニングデバイスに加えられる力が徐々に制御された方法で加えられ、トラップされた気泡の形成無しに共形接触の生成を容易にすることができる。第２に、低ヤング率の第３のポリマー層を組み込むことにより、パターニングデバイスに加えられた力を第１のポリマー層の接触表面に一様に分布させる効果的な手段がもたらされる。パターニングデバイスに加えられた力の第１のポリマー層の接触表面への均一な分布により、基板表面の大面積にわたって共形接触の形成が促進され、基板表面上に生成されるパターンの忠実度が高められる。加えて、パターニングデバイスに加えられた力の第１のポリマー層の接触表面への均一な分布により、パターニングプロセスの全体的な効率およびエネルギー消費が改善される。例示的な第３のポリマー層は、基板表面の粗さおよび／または曲率半径よりも数倍厚い厚さを有する。
【００２６】
[0026]別の態様では、本発明が、従来の単層および多層スタンプ、モールドおよびフォトマスクよりも少ない熱誘起パターン歪みを受ける熱的に安定な複合パターニングデバイスを提供する。低ヤング率を有するいくつかの材料も、大きい熱膨張係数により特徴付けられる。例えば、ＰＤＭＳは３ＭＰａのヤング率および約２６０ｐｐｍに等しい熱膨張係数を有する。したがって、温度の増減は、これらの材料を含むレリーフパターン、特に大面積レリーフパターンを有するパターニングデバイスにおける実質的な歪みを生じさせかねない。温度の変化により生じるレリーフパターン歪みは、基板の大面積にわたってサブミクロンサイズの構造等の非常に小さい寸法を持った特徴部を有する構造のパターンの作製を含む用途について特に問題となり得る。
【００２７】
[0027]本発明の一態様では、高い熱的安定性を呈するパターニングデバイスをもたらすように、異なる機械的特性および／または熱膨張係数を有する複数の層を組み合わせたり、整合させたりする。本発明の別の態様では、パターニングデバイスの正味の熱膨張特性が基板の熱膨張特性に整合されるように、用途によって好ましくは１０％に整合されるように、複数の層を組み合わせる。本説明の文脈では、「高い熱的安定性」が温度変化に際して最小限のパターン歪みを呈するパターニングデバイスを指す。高い熱的安定性を有する本発明の複合パターニングデバイスでは、従来の単層および多層スタンプ、モールドおよびフォトマスクと比較して、温度変化により誘起される伸張、湾曲、座屈、伸縮によって生じるレリーフパターンおよび接触表面の変形が減少する。一実施形態では、ポリイミド層等の低い熱膨張係数を有する高弾性第２のポリマー層が、ＰＤＭＳまたはｈ−ＰＤＭＳ層等の大きい熱膨張係数を有する低弾性第１のポリマー層の内部表面に動作的に結合される。この構成では、高い弾性および低い熱膨張係数を有する第２のポリマー層を組み込むことまたは第１のポリマー層の収縮により、温度の増減によって誘起される接触表面および三次元レリーフパターンの伸縮の度合いを大幅に減少させる。本発明のこの態様の一実施形態では、第２のポリマー層が約１４．５ｐｐｍ以下の熱膨張係数を、場合によって第１の層の厚さよりも約５倍大きい厚さを有する。
【００２８】
[0028]本発明では、高弾性第２のポリマー層、好ましくは低い熱膨張係数を有する高弾性層に動作的に結合された不連続な低弾性第１のポリマー層を組み込むことによっても、良好な熱的安定性を達成可能である。一実施形態では、不連続な低弾性層が、複数の離散レリーフ特徴部を含む三次元レリーフパターンである。低弾性層からなる離散レリーフ特徴部は互いに接触しないが、それぞれ高弾性層に動作的に結合される。例えば、離散レリーフ特徴部のパターンは、高弾性層の内部表面上の低弾性材料の個々の島のパターンを含むことができる。複数の離散レリーフ特徴部を含む第１の低弾性層を本発明のパターニングデバイスに組み込むことは、低弾性および高弾性層の熱膨張特性間の不整合の度合いを減少させるため有益である。加えて、不連続な低弾性層を用いることによって、高い熱膨張係数を有する材料の正味量を減少させ、それが温度変化により誘起される伸縮の正味の度合いを減少させる。例示的な実施形態では、不連続な低弾性層がＰＤＭＳまたはｈ−ＰＤＭＳ等のエラストマーを含み、高弾性層がポリイミドを含む。
【００２９】
[0029]良好な熱的安定性を有するパターニングデバイスを提供する本発明の別の実施形態では、パターニングデバイスを通って延びる層アラインメント軸、例えば接触表面に直交して配置された層アラインメント軸に沿ってパターニングデバイスの中心について、ほぼ対称的な熱膨張係数、厚さまたは両方の分布を与えるように、複数の層が配列される。やはり良好な熱的安定性を呈する代替的な実施形態では、本発明の温度補償パターニングデバイスが、パターニングデバイスを通って延びる層アラインメント軸、例えば接触表面に直交して配置された層アラインメント軸に沿ってパターニングデバイスの中心について、ほぼ対称的な熱膨張係数分布を有する単一ポリマー層を含む。
【００３０】
[0030]これらの構成における対称的な熱膨張係数、厚さまたは両方の分布は、１つ以上の層の熱伸縮について補償する手段を提供する。この補償スキームの結果が、温度の変化により誘起されるレリーフパターンの座屈、湾曲、伸長および収縮を最小限に抑える。特に、対称的な熱膨張係数および層厚の分布は、温度の変化に際しておよそ同じ大きさであるが逆方向の対向する力を生成する。そこで、この温度補償スキームは、第１の層の接触表面、レリーフ特徴部および三次元レリーフパターンに作用する、温度の変化に際して生成される力の大きさを最小限に抑えるのに用いられる。
【００３１】
[0031]本発明の例示的な温度補償パターニングデバイスは、デバイスの中心についてほぼ対称的な熱膨張係数分布を与えるように選択された機械的および物理的特性を有する３層からなる。第１の層は、その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、接触表面に対向する内部表面を有する。第１の層が、例えば約１ＭＰａ〜約１０ＭＰａの範囲にある低ヤング率も有している。第２の層が、内部表面および外部表面と、例えば約１ＧＰａ〜約１０ＧＰａの範囲にある高ヤング率とを有している。第３の層が、内部表面および外部表面を有している。この３層の実施形態では、第３の層の外部表面に加えられる力が第１の層に伝送されるように、第１、第２および第３の層が配列される。少なくとも１つの接触表面を包含する平面に直交して配置された層アラインメント軸等の上記パターニングデバイスを通って延びる層アラインメント軸に沿ってパターニングデバイスの中心について、ほぼ対称的な熱膨張係数の分布を与えるように、第１および第３の層の厚さおよび熱膨張係数を選択することができる。
【００３２】
[0032]高い熱的安定性を呈する例示的な３層複合パターニングデバイスは、ＰＤＭＳ第１層と、ポリイミド第２層と、ＰＤＭＳ第３層とを備えている。この実施形態では、第１および第３のＰＤＭＳ層の厚さは、接触表面に直交して延びる層アラインメント軸に沿ってデバイスの中心についてほぼ対称的な熱膨張係数の分布を与えるように、例えば互いの１０％内にほぼ等しくすることができる。この実施形態では、同じ材料からなる第１および第３のＰＤＭＳ層を有し、約５ミクロンに等しい厚さを有し、およそ２５ミクロン厚のポリイミド層により分離される本発明の３層複合パターニングデバイスについて、１Ｋの温度変化に対する１５０ナノメータ未満の１ｃｍ２のレリーフパターンにわたるパターン歪みが認められる。ほぼ対称的な熱膨張係数の分布を与える整合された第１および第３層を有する本発明の実施形態では、レリーフパターンの凹部領域における熱的係数の不整合に対応する望ましくない温度誘起熱膨張または収縮を回避するために、第１の層の厚さに対するレリーフ深さの比が小さく（例えば０．１０以下に）保たれる。
【００３３】
[0033]別の態様では、本発明が、従来の単層および多層スタンプ、フォトマスクおよびモールドよりも少ない作製中の重合および硬化により生じるパターン歪みを受ける複合パターニングデバイスを提供する。ＰＤＭＳ等の多くのポリマーが、重合に際してそれらの物理的寸法に大幅な減少を受ける。パターニングデバイスにおいて用いられるレリーフパターンが、従来のフォトリソグラフィ法により生成されるマスターレリーフ等のマスターレリーフと接触するプレポリマーの重合を起こすことによって通常作製されるので、この収縮が、ポリマー材料、特にエラストマーからなるパターニングデバイスのレリーフパターンおよび接触表面の物理的寸法を実質的に歪めることがある。
【００３４】
[0034]本発明は、作製中の重合および硬化により生じる変形に影響されにくい多層スタンプ設計を提供する。レリーフパターンおよび接触表面の硬化誘起変形に対する低減された脆弱性を有する本発明の複合パターニングデバイスは、従来の単層および多層スタンプ、モールドおよびフォトマスクと比較して、作製中の重合反応により誘起されるより少ない伸張、湾曲、座屈、伸縮を示す。一実施形態では、作製中の重合および硬化に際して生成されるパターン歪みの正味の度合いを減少させる方法で、特定の機械的特性および熱膨張係数を有する複数のポリマー層を組み合わせたり、整合させたりする。
【００３５】
[0035]レリーフパターンおよび接触表面の硬化誘起変形に対して低減された感受性を有する本発明の複合パターニングデバイスは、それぞれが内部表面および外部表面を有する第３および第４のポリマー層をさらに備える。この４層の実施形態では、第４のポリマー層の外部表面に加えられる力が第１のポリマー層に伝送されるように、第１、第２、第３および第４のポリマー層が配列される。例えば、第４のポリマー層の外部表面に加えられる力が第１のポリマー層の接触表面の少なくとも一部に伝送されるように、第１、第２、第３および第４のポリマー層が配列される。実施形態では、第２のポリマー層の外部表面が第３のポリマー層の内部表面に動作的に結合され、第３のポリマー層の外部表面が第４のポリマー層の内部表面に動作的に結合される。硬化および／または重合誘起歪みに対する改善された耐性は、第１および第３の層の厚さ、熱膨張係数およびヤング率を整合することによって、第２および第４の層の厚さ、熱膨張係数およびヤング率を整合することによって得ることができる。この整合された多層設計の最終結果は、従来の単層または二層スタンプ、モールドおよびフォトマスクに対して硬化誘起歪みの度合いを約１０倍減少させる。
【００３６】
[0036]本発明の複合パターニングデバイスは、特に電磁スペクトルの紫外および／または可視領域に波長を有する電磁放射について、完全に光学透過性または部分的に光学透過性である。基板と視覚的に位置揃え可能なため、用途によっては可視光を透過するパターニングデバイスが好ましい。本発明のパターニングデバイスは、強度、波長、偏光状態またはこれらの任意の組み合わせの選択された二次元分布により特徴付けられる基板表面上に電磁放射の１つ以上のパターンを透過することができる。選択された吸収特性、散乱特性および／または反射特性を有するポリマー層内に材料を導入することによって、本発明のパターニングデバイスにより透過される電磁放射の強度および波長を制御することができる。例示的な実施形態では、パターニングデバイスが、選択された吸収係数、減滅係数、反射率またはこれらパラメータの任意の組み合わせの二次元分布により特徴付けられる部分透過性光学素子である。この設計の利点は、広帯域ランプ、原子ランプ、黒体源またはレーザ等の光源による照射の際に基板に伝送された電磁放射の強度および波長の選択された二次元分布が得られることである。
【００３７】
[0037]一実施形態では、本発明が、パターニングデバイスの第１の層のレリーフパターンと基板表面の間に配置された転写材料に重合反応を誘起するために電磁放射を透過可能な光学透過性モールドからなる。別の実施形態では、本発明が、パターニングデバイスの第１の層の接触表面と共役接触する基板表面上に電磁放射のパターンを伝送可能な光学透過性フォトマスクからなる。別の実施形態では、本発明が、基板の表面に転写される材料を照射可能な光学透過性スタンプからなる。
【００３８】
[0038]本発明は、広範囲のソフトリソグラフィ法、微細加工法およびナノファブリケーション法で用いることができる高度に多目的なパターニングデバイスを提供する。本発明のパターニングデバイスに適合する例示的な作製方法は、ナノ転写および／またはマイクロ転写プリンティング、ナノ転写および／またはマイクロ転写モールディング、レプリカモールディング、毛管内のナノモールディングおよび／またはマイクロモールディング、近接場位相シフトリソグラフィ、および溶剤補助ナノモールディングおよびマイクロモールディングを含むが、これに限定されない。加えて、本発明のパターニングデバイスは、平面的な、起伏のある、凹凸接触表面形状を含む幅広い種類の接触表面方向に適合するが、これに限定されない。このことが多くの異なるプリンティング、モールディングおよびマスキングシステムへの組み込みを可能とする。いくつかの用途では、本発明のパターニングデバイスを含むポリマー層の熱膨張係数および厚さが、パターニングデバイスの正味の熱膨張特性が、パターニング中の基板の熱膨張係数を整合させるように選択される。パターニングデバイスおよび基板の熱膨張特性を整合することは、基板表面上で作製されたパターンの改善された配置精度および忠実度が得られるため有益である。
【００３９】
[0039]別の態様では、本発明が、マイクロ転写接触プリンティングおよびナノ転写接触プリンティングの方法を含む、転写材料を接触プリントすることによって基板表面上に１つ以上のパターンを生成する方法を提供する。一実施形態では、本発明の複合パターニングデバイスの接触表面上に転写材料を堆積させ、それによって接触表面上に転写材料の層を生成する。気相堆積、スパッタリング堆積、電子ビーム堆積、物理的堆積、化学的堆積、浸漬または転写材料のリザーバと接触させることを含む他の方法を含むがこれに限定されない、転写材料の接触表面上への堆積は、当分野で既知の任意の手段により達成することができる。接触表面の少なくとも一部と基板表面の間に共形接触を確立するように、パターニングデバイスを基板表面に接触させる。共形接触を確立することにより、転写材料の層の少なくとも一部を基板表面に暴露する。基板表面上にパターンを生成するために、パターニングデバイスを基板表面から分離し、転写材料の層の少なくとも一部を基板表面に転写する。本発明には、パターニングされた積層体を含む複雑な構造を構築するために、これらのステップを順次繰り返す作製方法も含まれる。
【００４０】
[0040]別の態様では、本発明が、マイクロモールディングおよびナノモールディング方法等の転写材料をモールディングすることによって基板表面上に１つ以上のパターンを生成する方法を提供する。一実施形態では、接触表面の少なくとも一部と基板表面の間に共形接触を確立するように、本発明の複合パターニングデバイスを基板表面に接触させる。共形接触により、三次元レリーフパターンと基板表面を分離する空間を含むモールドが生成される。プレポリマー等の転写材料をモールド内に導入する。基板表面上にパターンを生成するために、パターニングデバイスを基板表面から分離して転写材料の少なくとも一部を基板表面上へと転写する。場合によって、本発明の方法は、モールド内の転写材料を加熱するステップ、モールド内の転写材料を電磁放射に暴露するステップ、または重合活性剤をモールド内の転写材料に加えて重合および／または架橋化学反応等の化学変化を起こすステップをさらに備えてもよい。
【００４１】
[0041]別の態様では、本発明が、接触フォトリソグラフィによって基板表面上に１つ以上のパターンを生成する方法を提供する。一実施形態では、接触表面の少なくとも一部と基板表面の間に共形接触を確立するように、本発明の複合パターニングデバイスを１つ以上の感放射材料を含む基板表面に接触させる。電磁放射をパターニングデバイスを通して基板の表面上へと方向付け、それによって強度、波長および／または偏光状態の選択された二次元分布を有する電磁放射のパターンを基板表面上に生成する。電磁放射と基板の感放射材料の間の相互作用により、基板表面の化学的および／または物理的に変性された領域が生成され、それによって基板表面上に１つ以上のパターンを生成する。場合によって、本発明の方法は、基板表面の化学的に変性された領域の少なくとも一部を除去するステップまたは化学的に変性されない基板表面の少なくとも一部を除去するステップをさらに備えてもよい。本発明のこの態様における材料除去は、化学的エッチングおよび溶剤等の化学剤への暴露を含むがこれに限定されないフォトリソグラフィの分野において既知の任意の手段により達成することができる。
【００４２】
[0042]本発明の方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントは、プラスチック、ガラス、炭素質表面、金属、繊維、セラミクスまたはこれら材料の合成物を含むがこれに限定されない幅広い種類の基板の表面上にパターンを生成可能である。本発明の方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントは、粗い表面、滑らかな表面、起伏のある表面および平坦な表面等の幅広い種類の形態を有する基板表面上にパターンを生成可能である。良好な配置精度および高い忠実度により特徴付けられる高解像度パターンの作製に重要なのは、基板表面をなす分子と接触表面の分子の間の強い結び付きを支持する共形接触表面を用いることである。例えば、ＰＤＭＳ接触表面が、プラスチック、ポリイミド層、グラス、金属、半金属、シリコンおよび酸化ケイ素、炭素質材料、セラミクス、繊維およびこれらの材料の合成物を含む多くの基板表面と強いファンデルワールス相互作用を受ける。
【００４３】
[0043]本発明の方法は、幅広い種類の物理的寸法および相対的配列を有するマイクロスケールおよびナノスケール構造を作製可能である。本発明の方法によって対称的および非対称的三次元構造を作製することができる。本発明の方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントは、約１０ナノメータ〜約１００ミクロンの範囲にある、用途によってより好ましくは約１０ナノメータ〜約１０ミクロンの範囲にある寸法を持った特徴部を有する１つ以上の構造を含むパターンを生成するのに用いることができる。本発明の方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントにより生成される構造は、２または３つの物理的寸法の選択可能な長さを有することができ、パターニングされた積層体を含むこともできる。本発明の方法は、自己組織化単分子層および構造を含む構造を生成するのに用いることもできる。本発明の方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントは、金属、有機化合物、無機化合物、コロイド材料、懸濁液、生体分子、細胞、ポリマー、ミクロ構造、ナノ構造および塩溶液を含むがこれに限定されない広範囲の材料を含むパターンを生成可能である。
【００４４】
[0044]別の態様では、本発明は、複合パターニングデバイスを作成する方法を備える。複合パターニングデバイスを作成する例示的な方法は、（１）選択された三次元レリーフパターンを有するマスターレリーフパターンを設けるステップと、（２）マスターレリーフパターンを低弾性ポリマーのプレポリマーに接触させるステップと、（３）プレポリマー材料を高弾性ポリマー層に接触させるステップと、（４）プレポリマーを重合し、それによって高弾性ポリマー層と接触し、かつマスターレリーフパターンと接触する低弾性ポリマー層を生成するステップであって、低弾性ポリマー層が三次元レリーフパターンを有するステップと、（５）低弾性ポリマー層をマスターレリーフパターンから分離し、それによって複合パターニングデバイスを作成するステップとを備えている。本発明の方法で使用可能なマスターレリーフパターンは、フォトリソグラフィ法を用いて作成されたレリーフパターンを含む。本発明では、熱誘起重合法および電磁放射誘起重合法を含むがこれに限定されない当分野で既知の任意の方法を用いて重合を起こすことができる。
【発明の詳細な説明】
【００４５】
[0065]図面を参照すると、類似の番号は類似の要素を指し、複数の図面に現れる同じ番号は同じ要素を表す。加えて、以後下記の定義を適用する。
【００４６】
[0066]「熱膨張係数」とは、材料が温度の変化を経た際に受けるサイズの変化を特徴付けるパラメータを指す。線形熱膨張係数は、材料が温度の変化を経た際に受ける長さの変化を特徴付けるパラメータを指し、以下の式で表すことができる。
【数１】
2008507114.tif 000003
ここで、ΔＬは長さの変化、αは線形熱膨張係数、Ｌ０は初期の長さ、およびΔＴは温度の変化である。本発明は、デバイスを通って延びる層アラインメント軸に沿ったデバイスの中心についてほぼ対称的な熱膨張係数分布をもたらすように、個々の層の熱特性および物理的寸法が選択される、複合多層パターニングデバイスを提供する。
【００４７】
[0067]「配置精度」とは、基板の選択された領域にパターンを生成するパターン転写方法またはデバイスの能力を指す。「良好な配置」精度は、絶対的に正しい向きから５ミクロン以下の空間偏差で、基板の選択領域にパターニングを生成可能な、特にプラスチック基板上にパターンを生成するための方法またはデバイスを指す。
【００４８】
[0068]「忠実度」とは、基板表面上に転写されたパターンとパターニングデバイス上のレリーフパターンとの類似性の大きさを指す。良好な忠実度は、基板表面上に転写されたパターンと１００ナノメータ未満の偏差により特徴付けられたパターニングデバイス上のレリーフパターンとの間の類似性を指す。
【００４９】
[0069]「ヤング率」とは、所与の物質についての応力と歪みの比を指す、材料、デバイスまたは層の機械的特性である。ヤング率は以下の式で与えられる。
【数２】
2008507114.tif 000004
ここで、Ｅはヤング率、Ｌ０は釣り合い長さ、ΔＬは加えた応力下での長さ変化、Ｆは加えた力、およびＡは力を加える面積である。ヤング率は、以下の式でラメ定数に関して表すこともできる。
【数３】
2008507114.tif 000005
ここで、λおよびμはラメ定数である。ヤング率は、パスカル（Ｐａ＝Ｎｍ−２）等の単位面積辺りの力の単位で表すことができる。
【００５０】
[0070]高ヤング率（または「高弾性」）および低ヤング率（または「低弾性」）は、所与の材料、層またはデバイスにおけるヤング率の大きさの相対的記述子である。本発明では、高ヤング率は低ヤング率よりも大きく、いくつかの用途について好ましくは約１０倍大きく、他の用途についてより好ましくは約１００倍大きく、さらに他の用途についてより一層好ましくは約１０００倍大きい。一実施形態では、高ヤング率を有する材料が約１ＧＰａ〜約１０ＧＰａの範囲にわたって選択されたヤング率を有し、低ヤング率を有する材料が約１ＭＰａ〜約１０ＭＰａの範囲にわたって選択されたヤング率を有する。
【００５１】
[0071]「共形接触」とは、表面および／またはコーティングされた表面間に確立された接触を指し、これが基板表面上に構造を作製するのに有用となりうる。一態様では、共形接触が、複合パターニングデバイスの１つ以上の接触表面の基板表面全体形状へのマクロ的な適応を含んでいる。別の態様では、共形接触が、空隙の無い密接な接触をもたらす、複合パターニングデバイスの１つ以上の接触表面の基板表面へのミクロ的な適応を含んでいる。用語共形接触は、ソフトリソグラフィの分野でこの用語を使用した場合と一貫性をもつように意図されている。複合パターニングデバイスの１つ以上の裸の接触表面と基板表面との間で、共形接触を確立することもできる。あるいは、例えば、転写材料および／またはその上に堆積されたパターニング剤を有する接触表面である、複合パターニングデバイスの１つ以上のコーティングされた接触表面と基板表面との間で、共形接触を確立することもできる。あるいは、複合パターニングデバイスの１つ以上の裸のまたはコーティングされた接触表面と、転写材料、パターニング剤、固体フォトレジスト層、プレポリマー層、流体、薄膜または液体等の材料でコーティングされた基板表面との間で、共形接触を確立することもできる。本発明のいくつかの実施形態では、本発明のパターニングデバイスが平坦な表面と共形接触を確立可能である。本発明のいくつかの実施形態では、本発明のパターニングデバイスが起伏のある表面と共形接触を確立可能である。本発明のいくつかの実施形態では、本発明のパターニングデバイスが粗い表面と共形接触を確立可能である。本発明のいくつかの実施形態では、本発明のパターニングデバイスが滑らかな表面と共形接触を確立可能である。
【００５２】
[0072]「曲げ剛性」とは、材料、デバイスまたは層が変形される能力を指す材料、デバイスまたは層の機械的特性である。曲げ剛性は以下の式で与えられる。
【数４】
2008507114.tif 000006
ここで、Ｄは曲げ剛性、Ｅはヤング率、ｈは厚さ、およびνはポアソン比である。曲げ剛性は、Ｎｍ等の単位長さを乗じた力の単位で表すこともできる。
【００５３】
[0073]「ポリマー」とは、通常モノマーと呼ばれる複数の反復化学基からなる分子を指す。ポリマーは、高い分子量により特徴付けられることが多い。本発明で使用可能なポリマーは、有機ポリマーでも無機ポリマーでもよく、アモルファス、セミアモルファス、結晶または部分結晶状態もいずれでもよい。ポリマーは、同じ化学組成を有するモノマーを含んでも、コポリマー等の異なる化学組成を有する複数のモノマーを含んでもよい。結合したモノマー鎖を有する架橋ポリマーは、本発明のいくつかの用途について特に有用である。本発明の方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントで使用可能なポリマーには、プラスチック、エラストマー、熱可塑性エラストマー、弾性プラスチック、サーモスタット、サーモプラスチックおよびアクリレート類が含まれるがこれに限定されない。例示的なポリマーには、アセタールポリマー、生分解性ポリマー、セルロースポリマー、フッ素ポリマー、ナイロン、ポリアクリロニトリルポリマー、ポリアミドイミドポリマー、ポリイミド、ポリアリレート、ポリベンゾイミダゾール、ポリブチレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリエチレンコポリマー、および変性ポリエチレン、ポリケトン、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンオキシドおよびポリフェニレンスルフィド、ポリフタルアミド、ポリプロピレン、ポリウレタン、スチレン樹脂、スルホンベース樹脂、ビニルベース樹脂、またはこれらの組み合わせが含まれるがこれに限定されない。
【００５４】
[0074]「エラストマー」とは、永久変形することなく伸張または変形して元の形状に戻ることが可能なポリマー材料を指す。エラストマーは、ほぼ弾性的な変形を受けるのが普通である。本発明で有用な例示的なエラストマーは、ポリマー、コポリマー、ポリマーおよびコポリマーの複合材料または混合物を含むことができる。エラストマー層は、少なくとも１つのエラストマーを含む層を指す。エラストマー層は、ドーパントおよび他の非エラストマー材料も含むことができる。本発明で有用なエラストマーは、ポリ（ジメチルシロキサン）（すなわちＰＤＭＳおよびｈ−ＰＤＭＳ）、ポリ（メチルシロキサン）、部分アルカリ化ポリ（メチルシロキサン）、ポリ（アルキルメチルシロキサン）およびポリ（フェニルメチルシロキサン）を含むポリシロキサン等のケイ素含有ポリマー、シリコン変性エラストマー、熱可塑性エラストマー、スチレン材料、オレフェン材料、ポリオレフィン、ポリウレタン熱可塑性エラストマー、ポリアミド、合成ゴム、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタン、ポリクロロプレンおよびシリコンを含むことができるがこれに限定されない。
【００５５】
[0075]「ポリマー層」とは、１つ以上のポリマーを含む層を指す。本発明で有用なポリマー層は、ほぼ純粋なポリマー層を含んでも複数の異なるポリマーの混合物からなる層を含んでもよい。本発明で有用なポリマー層には、１つ以上のポリマーとドーパントまたは構造添加剤等の１つ以上の追加材料の組み合わせからなる多相ポリマー層および／または複合ポリマー層も含まれる。このような追加材料の本発明のポリマー層への混入は、ヤング率および曲げ剛性等のポリマー層の機械的特性を選択および調整するのに役立つ。複合ポリマー層における追加材料の分布は、等方性、部分的に等方性または非等方性のいずれでもよい。本発明の有用な複合ポリマー層は、（i）グラスファイバまたはポリマーファイバ等のファイバと組み合わせ、（ii）粒子との組み合わせ、および／または（iii）他の構造エンハンサーとの組み合わせで１つ以上のポリマーを含んでいる。本発明の実施形態では、高ヤング率を有するポリマー層が、約１ＧＰａ〜約１０ＧＰａの範囲にわたって選択されたヤング率を有するポリマーを含んでいる。例示的な高ヤング率ポリマーは、ポリイミド、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエチレンアフタレート、ポリケトン、ポリ（フェニレンスルフィド）、これらの材料の任意の組み合わせまたは類似の機械的特性を有する他のポリマー材料を含むことができる。本発明の実施形態では、低ヤング率を有するポリマー層が、約１ＭＰａ〜約１０ＭＰａの範囲にわたって選択されたヤング率を有するポリマーを含んでいる。例示的な低ヤング率ポリマーは、ＰＤＭＳ、ｈ−ＰＤＭＳ、ポリブタジエン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタン、ポリクロロプレンおよびシリコン等のエラストマーを含むことができる。
【００５６】
[0076]「複合」とは、複数の材料および／または位相等の複数のコンポーネントからなる材料、層またはデバイスを指す。本発明は、異なる化学組成および機械的特性を有する複数のポリマー層を含む複合パターニングデバイスを提供する。本発明の複合ポリマー層には、１つ以上のポリマーとグラスまたはエラストマーファイバ等のファイバの組み合わせ、ナノ粒子またはミクロ粒子等の粒子、またはこれらの任意の組み合わせからなる層が含まれる。
【００５７】
[0077]「エラストマー」とは、永久変形することなく伸張または変形して元の形状に戻ることが可能なポリマー材料を指す。エラストマーは、ほぼ弾性的な変形を受けるのが普通である。本発明で有用な例示的なエラストマーは、ポリマー、コポリマー、ポリマーおよびコポリマーの複合材料または混合物を含むことができる。エラストマー層は、少なくとも１つのエラストマーを含む層を指す。エラストマー層は、ドーパントおよび他の非エラストマー材料も含むことができる。本発明で有用なエラストマーは、ＰＤＭＳ、ｈ−ＰＤＭＳ、ポリブタジエン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタン、ポリクロロプレンおよびシリコンを含むことができるがこれに限定されない。
【００５８】
[0078]用語「電磁放射」とは、電場および磁場の波を指す。本発明の方法に有用な電磁放射には、ガンマ線、Ｘ線、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波、電波またはこれらの組み合わせが含まれるがこれに限定されない。
【００５９】
[0079]用語「強度」および「（複数の）強度」とは、１つの電磁波または複数の電磁波の振幅の二乗を指す。この文脈での用語振幅は、電磁波の振動の大きさを指す。あるいは、用語「強度」および「（複数の）強度」とは、電磁放射の１つのビームまたは複数の電磁放射の時間平均エネルギー束、例えば、電磁放射の１つのビームまたは複数の電磁放射の単位時間当たりの１平方センチメータ当たりの光子数を指すこともある。
【００６０】
[0080]「アクチュエータ」とは、あるものに力を与えるおよび／またはそれを動かすおよび／または制御することが可能なデバイス、デバイスコンポーネントまたは素子を指す。本発明の例示的なアクチュエータは、パターニングデバイスを基板表面に共形接触等の接触をさせるのに用いられる力等の力を生成可能である。
【００６１】
[0081]「層」とは、本発明の複合パターニングデバイスの要素を指す。例示的な層は、優れた忠実度および良好な配置精度を有する基板表面上にパターンを作製可能な複合パターニングデバイスを提供する物理的寸法および機械的特性を有する。本発明の層は、連続的なまたは単一の物体であっても、レリーフ特徴部の集合等の不連続な物体の集合であってもよい。本発明の層は、均質の組成でも不均質の組成でもよい。本発明の実施形態は、ポリマー層等の複数の層を含む複合パターニングデバイスを提供する。本発明における層は、１つ以上の接触表面を含む平面に直交して位置決めされた層アラインメント軸等のパターニングデバイスを通って延びる層アラインメント軸に沿ったそれらの厚さで特徴付けることができる。
【００６２】
[0082]「熱的に安定」とは、レリーフパターンのレリーフ特徴部の物理的寸法および空間分布等の特徴的特性を損なうことなく温度の変化に耐えるデバイスまたはデバイスコンポーネントの特性を指す。
【００６３】
[0083]「パターニングデバイスの中心についてほぼ対称的な熱膨張係数分布」とは、層アラインメント軸、例えば１つ以上の接触表面を含む平面に直交して方向付けられた層アラインメント軸に沿ったパターニングデバイスの中心についてほぼ対称的な分布となるように、パターニングデバイスを含む１つ以上の層の機械的および熱的特性が選択されるデバイス構成を指す。一実施形態では、完全に対称的な分布から約１０％未満の偏差を持つパターニングデバイスの中心についての対称的な分布によって熱膨張係数が特徴付けられる。別の実施形態では、完全に対称的な分布から約５％未満の偏差を持つパターニングデバイスの中心についての対称的な分布によって熱膨張係数が特徴付けられる。
【００６４】
[0084]「動作的に結合された」とは、本発明の複合パターニングデバイスの層および／またはデバイスコンポーネントの構成を指す。第１、第２、第３および／または第４のポリマー層等の動作的に結合された層またはデバイスコンポーネントは、一層またはデバイスコンポーネントに加えた力が別の層またはデバイスコンポーネントに伝達される構成を指す。動作的に結合された層またはデバイスコンポーネントは、物理的接触する内側および／または外側表面を有する層等の接触状態とすることができる。あるいは、動作的に結合された層またはデバイスコンポーネントは、２つの層またはデバイスコンポーネントの内部および／または外部表面間に配置された金属薄層等の１つ以上の接続層により接続することができる。
【００６５】
[0085]以下の説明では、本発明そのものの性質の十分な説明を提供するために、本発明のデバイス、デバイスコンポーネントおよび方法の数多くの具体的な詳細が説明される。しかしながら、本発明をこれらの具体的な詳細がなくとも実施可能であることが当業者には明らかである。
【００６６】
[0086]本発明は、マイクロサイズの構造および／またはナノサイズの構造を含むパターン等の基板表面上にパターンを作製するための方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントを提供する。本発明は、高度な熱安定性および硬化誘起パターン歪みに対する耐性を示すスタンプ、モールドまたはマスク等の複合パターニングデバイスを提供する。本発明の方法、デバイスおよびデバイスコンポーネントは、良好な忠実度および優れた配置精度を示す高解像度パターンを生成可能である。
【００６７】
[0087]図１Ａは、２つのポリマー層を含む本発明の複合パターニングデバイスの断面図を概略的に示している。図示された複合パターニングデバイス１００は、低ヤング率を有する第１のポリマー層１１０と高ヤング率を有する第２のポリマー層１２０を備えている。第１のポリマー層１１０は、複数の凹部領域１３４により分離された複数のレリーフ特徴部１３３を有する三次元レリーフパターン１２５を含んでいる。第１のポリマー層１１０は、内部表面１３５と対向配置された複数の接触表面１３０も有している。本発明には、実施形態が含まれる。本発明には、接触表面１３０が１つの共通平面を占める実施形態および接触表面１３０が複数の共通平面を占める実施形態が含まれる。第２のポリマー層１２０は、内部表面１４０および外部表面１５０を有している。図１Ａに示す実施形態では、第１のポリマー層１１０の内部表面１３５が第２のポリマー層１２０の内部表面１４０と接触配置されている。場合によって、第２のポリマー層１２０が、力（矢印１５６として概略的に示す）を外部表面１５０上に方向付け可能なアクチュエータ１５５に動作的に接続されている。
【００６８】
[0088]第１のポリマー層１１０および第２のポリマー層１２０は、外部表面１５０上に及ぶ力を接触表面１３０に効果的に伝達させる任意の方法で結合することができる。例示的な実施形態では、第１のポリマー層１１０および第２のポリマー層１２０が各層を構成するポリマー間の共有結合によって結合されている。あるいは、ファンデルワールス力、双極子間力、水素結合およびロンドン力等の各層間の分子間引力により、第１のポリマー層１１０および第２のポリマー層１２０を結合することができる。またあるいは、クランプ締め、ファスナー締めおよび／またはボルト締めシステム等の外部層アラインメントシステムにより、第１のポリマー層１１０および第２のポリマー層１２０を結合することができる。あるいは、金属薄層等の内側表面１３５および内側表面１４０間に配置された１つ以上の接続層（図１Ａには図示せず）を用いて、第１のポリマー層１１０および第２のポリマー層１２０を結合することができる。レリーフ特徴部１３３および凹部エリア１３４に対する良好な機械的剛性を提供し、外部表面１５０に加えた力を接触表面１３０まで一様に分布させる効果的手段も提供するため、用途によっては、強い共有結合および／または分子間引力による第１のポリマー層１１０および第２のポリマー層１２０の結合が好ましい。
【００６９】
[0089]図１Ａの例示的な実施形態では、パターン歪みが低減されたマイクロサイズおよび／またはナノサイズの構造の高解像度パターンの作製を可能とするパターニングデバイス１００の機械的特性を提供するように、組成、ヤング率および／または第１のポリマー層１１０の接触表面１３０を含む平面に直交して位置決めされた層アラインメント軸１６０に沿った厚さが選択される。加えて、パターニングデバイス１００を容易に市販のプリンティングおよびモールディングシステムに組み込むことができるように、第１のポリマー層１１０および第２のポリマー層１２０のヤング率および／または厚さを選択することもできる。例示的な実施形態では、第１のポリマー層１１０が、約５ミクロン〜約１０ミクロンの範囲から選択した層アラインメント軸１６０に沿った厚さを有するＰＤＭＳ層を含んでいる。第１のポリマー層１１０の厚さは、代替的に第２のポリマー層１２０の接触表面１３０および内側表面１４０間の最短距離によって定義することもできる。例示的な実施形態では、第２のポリマー層１２０が、約２５ミクロンに等しい層アラインメント軸に沿った厚さを有するポリイミド層を含んでいる。第２のポリマー層１２０の厚さは、代替的に第２のポリマー層１２０の内側表面１４０および外部票遠１５０間の最短距離によって定義することもできる。
【００７０】
[0090]１つ以上の構造を含むパターンを作製するには、複合パターニングデバイス１００および基板１８０の表面１８５が互いに接触されるが、少なくとも一部の接触表面１３０と基板表面１８５間の共形接触を確立する接触が好ましい。これらの表面間の共形接触は、パターニングデバイス１００を基板１８０と接触するように移動させるように外力（矢印１５６で概略的に表す）を外部表面１５０上に加えることにより、達成することができる。あるいは、基板１８０をパターニングデバイス１００と接触するように移動させるように外力（矢印１９０で概略的に表す）を加えることもできる。本発明には、共形接触がこれらの力（１５６および１９０）の組み合わせならびに基板１８０およびパターニングデバイス１００の移動により確立される実施形態も含まれる。
【００７１】
[0091]図１Ｂは、２つのポリマー層を含む高い熱安定性を呈する本発明の別の複合パターニングデバイスの断面図を概略的に示している。図１Ｂに示すように、複合パターニングデバイス２００は、高ヤング率を有する第２のポリマー層１２０に動作的に接続された低ヤング率を有する不連続第１のポリマー層２１０を備えている。本実施形態では、不連続第１のポリマー層２１０が、複数の凹部領域２３４により分離された複数の離散レリーフ特徴部２３３からなる三次元レリーフパターン２２５を含んでいる。図１Ｂに示すように、離散レリーフ特徴部２３３は互いに接触しないがそれぞれ第２のポリマー層１２０に動作的に接続されている。第１および第２のポリマー層２１０および１２０の熱膨張特性間の不整合の度合いを下げ、ＰＤＭＳ等の高い熱膨張係数を有する材料を含むことができる第１のポリマー層２１０において材料の正味量を減らすため、複数の離散レリーフ特徴部を含む第１のポリマー層を本発明の複合パターニングデバイスに組み込むことは有益である。
【００７２】
[0092]図１Ｃは、３つのポリマー層を含む高い熱安定性を呈する本発明の別の複合パターニングデバイスの断面図を概略的に示している。図示した複合パターニングデバイス３００は、内部表面３１５および外部表面３２０を有する第３のポリマー層３１０をさらに備えている。図１Ｃに図示の実施形態では、第３のポリマー層３１０の内部表面３１５が第２のポリマー層１２０の外部表面１５０と接触している。場合によって、第３のポリマー層３１０が、外部表面３２０上に方向付け可能なアクチュエータ１５５（矢印１５６として概略的に示す）に動作的に結合される。
【００７３】
[0093]図１Ｃの実施形態では、層アラインメント軸１６０に沿った第３のポリマー層３１０の厚さ３３０が、用途によって好ましくは１０％以内で、層アラインメント軸１６０に沿った第１のポリマー層１１０の厚さ３４０にほぼ等しい。本実施形態では、いずれもＰＤＭＳ層からなる層である等、同じまたは類似の（１０％以内）熱膨張係数を有する第３のポリマー層３１０および第１のポリマー層１１０の選択が、高い熱安定性および温度の変化により誘起されるパターン歪みに対する耐性を規定する。特に、この構成は、層アラインメント軸１６０に沿ったパターニングデバイス３００の中心（中心ライン軸３５０で示す）についてほぼ対称的な熱膨張係数分布を提供する。ほぼ対称的な熱膨張係数分布は、温度変化の際にレリーフパターン１２５、レリーフ特徴部１３３および接触表面１３０の伸張、湾曲、座屈、伸縮の度合いを最小限に抑える逆方向の力を発生させる。
【００７４】
[0094]図１Ｄは、作製中の重合および／または硬化により生じるパターン変形に良好な耐性を呈する本発明の４層複合パターニングデバイスの断面図を概略的に示している。図示した複合パターニングデバイス４００は、内部表面４１５および外部表面４２０を有する第４のポリマー層４１０をさらに備えている。図１Ｄに図示の実施形態では、第４のポリマー層４１０の内部表面４１５が第３のポリマー層３１０の外部表面３２０と接触している。場合によって、第４のポリマー層４１０が、外部表面４２０上に方向付け可能なアクチュエータ１５５（矢印１５６として概略的に示す）に動作的に結合される。
【００７５】
[0095]図１Ｄの実施形態では、層アラインメント軸１６０に沿った第３のポリマー層３１０の厚さ３３０が、用途によって好ましくは１０％以内で、層アラインメント軸１６０に沿った第１のポリマー層１１０の厚さ３４０にほぼ等しく、層アラインメント軸１６０に沿った第４のポリマー層４１０の厚さ４３０が、用途によって好ましくは１０％以内で、層アラインメント軸１６０に沿った第２のポリマー層１２０の厚さ４４０にほぼ等しい。本実施形態では、いずれもＰＤＭＳ層からなる層である等、同じ熱膨張係数およびヤング率を有する第３のポリマー層３１０および第１のポリマー層１１０の選択、ならびにいずれもポリイミド層からなる層である等、同じ熱膨張係数およびヤング率を有する第４のポリマー層４１０および第２のポリマー層１２０の選択が、作製中の重合および／または硬化により生じるパターン歪みに対する耐性を与える。特に、この構成は、重合および／または硬化中のレリーフパターン１２５および接触面１３０の伸張、湾曲、座屈、伸縮の度合いを最小限に抑える。
【００７６】
[0096]本発明における第１、第２、第３および第４の層を含むポリマー層の表面は、層間に精密なアラインメントを与えるのに有用なアラインメントチャネルおよび／または溝等の特定のレリーフパターンを持つことができる。あるいは、本発明におけるポリマー層の表面が、複合パターニングデバイスと、補完的な（すなわち嵌り合う）チャネルおよび／または溝を有するプリンティングデバイス、モールディングデバイスまたは接触フォトリソグラフィ装置等のアクチュエータとの間に精密なアラインメントを与えるのに有用な、アラインメントチャネルおよび／または溝等の特定のレリーフパターンを持つことができる。あるいは、本発明におけるポリマー層の表面が、複合パターニングデバイスと、補完的な（すなわち嵌り合う）チャネルおよび／または溝を有する基板表面との間に精密なアラインメントを与えるのに有用な、アラインメントチャネルおよび／または溝等の特定のレリーフパターンを持つことができる。当業者には理解されるように、このような「ロックアンドキー」アラインメント機構、チャネル、溝、システムを用いることは微細加工の分野では周知であり、本発明のパターニングデバイスに容易に組み込むことができる。
【００７７】
[0097]本発明の複合パターニングデバイスにおけるポリマー層の組成、物理的寸法および機械的特性の選択は、使用される材料転写方法（プリンティング、モールディング等）および作製される構造／パターンの物理的寸法に大きく依存している。この意味で、本発明の複合パターニングデバイス仕様は、達成される特定の機能的課題またはパターン／構造寸法に合わせて選択的に調整可能であると見なすことができる。例えば、ソフトリソグラフィ法によってナノサイズ構造をプリンティングするのに有用な本発明の２層パターニングデバイスが、約１ミクロン〜約５ミクロンの範囲から選択された厚さを有するエラストマー第１のポリマー層と、約２５ミクロン以下の厚さを有するポリイミド層からなる第２のポリマー層とを備えている。これと対照的に、約１０ミクロン〜約５０ミクロンの範囲にある寸法を有する構造をマイクロモールディングするのに有用な本発明の２層パターニングデバイスが、約２０ミクロン〜約６０ミクロンの範囲から選択された厚さを有するエラストマー第１のポリマー層と、約２５ミクロン〜約１００ミクロンの範囲にわたって選択された厚さを有するポリイミド層からなる第２のポリマー層とを備えている。
【００７８】
[0098]スタンプ、モールドおよびフォトマスク等の本発明の複合パターニングデバイスは、材料科学、ソフトリソグラフィおよびフォトリソグラフィの分野で既知の任意の手段により作成することができる。例示的な本発明のパターニングデバイスは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）プレポリマー（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｓｙｌｇａｒｄ  １８４）を、従来のフォトリソグラフィ手段により作成されたパターン付きフォトレジスト（Ｓｈｉｐｌｅｙ  １８０５）の特徴部からなるマスターレリーフパターンに対してキャスティングおよび硬化することによって、エラストマーを含む第１のポリマー層を作製することにより作成される。本発明で有用なマスターレリーフパターンは、約２ミクロンより大の特徴部に従来の接触方式フォトリソグラフィを用いて、または約２ミクロンより小の特徴部に電子ビームリソグラフィを用いて、作製することができる。例示的な方法では、ＰＤＭＳ（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｓｙｌｇａｒｄ  １８４）またはｈ−ＰＤＭＳ（ＶＤＴ−７３１，  Ｇｅｌｅｓｔ  Ｃｏｒｐ）を混合、脱気し、マスターに流し込んで約８０℃のオーブンで硬化する。あるいは、追加の硬化剤を用いて184ＰＤＭＳの硬化を室温で行うこともできる。ＰＤＭＳまたはｈ−ＰＤＭＳを含む第１のポリマー層は、硬化および／または重合により誘起される収縮を低減するためのポリイミド層等の第２の高弾性層が存在する場合でも硬化するのが好ましい。一実施形態では、ＰＤＭＳプレポリマー硬化の際にＰＤＭＳ第１層のポリイミド第２層との結合強度を増強するために、ポリイミド層の内側表面がＰＤＭＳプレポリマーと接触される前に粗面化される。ポリイミド層の表面粗面化は、ポリイミド層の内側表面をプラズマに暴露することを含む当分野で既知の任意の手段により達成することができる。
【００７９】
[0099]例えば高弾性の第２のポリマー層である複合パターニングデバイスにおける追加の層の作製および硬化は、エラストマー第１層のレリーフパターンおよび接触表面の硬化および／または重合により誘起される収縮の度合いを最小限に抑えるために、エラストマー第１層の作成と同時に行われるのが好ましい。あるいは、例えばポリイミド層である高弾性の第２のポリマー層は、金属箔層等の接着または接続層を用いて第１のポリマー層に付着させることができる。
【００８０】
[00100]例示的なレリーフパターンは、ポジティブフォトレジスト（Ｓ１８１８，  Ｓｈｉｐｌｅｙ）およびリフトオフレジスト（ＬＯＲ１Ａ；  ｍｉｃｒｏｎ  Ｃｈｅｍ．）を用いて作製された。この例示的な方法では、試験レベルの約４５０ミクロン厚シリコンウエハー（Ｍｏｎｔｃｏ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）をアセトン、イソプロパノールおよび脱イオン水で洗浄し、次にホットプレート上で１５０℃で１０分間乾燥した。ＬＯＲ  １Ａ樹脂を３０００ｒｐｍで３０秒間スピンコートし、次にホットプレート上で１３０℃で５分間予備焼成した。次に、Ｓ１８１８樹脂を３０００ｒｐｍで３０秒間スピンコートし、ホットプレート上で１１０℃で５分間焼成した。得られた二重層（約１．７ミクロン厚）をクロム酸イオンガラスマスクを用いて光学接触式アライナー（Ｓｕｓｓ  Ｍｉｃｒｏｔｅｃｈ  ＭＪＢ３）で７秒間暴露し（□＝３６５ｍｍ、１６．５ｍＷ／ｃｍ２）、次に７５秒間現像した（ＭＦ−３１９；  Ｓｈｉｐｌｅｙ）。現像により露光された全てのＳ１８１８レジストが除去された。また、露光および非露光領域の両方でＬＯＲ  １Ａもおおよそ等方的に除去された。このプロセスの結果が、露光されたエリアの裸基板の領域を持ったＬＯＲ  １Ａ上のＳ１８１８パターンとパターンのエッジのわずかなアンダーカットである。スタンプからなる複合パターニングデバイスは、マスターレリーフパターンからマスターレリーフパターンに対してＰＤＭＳをキャスティングおよび硬化する標準的なソフトリソグラフィ手順を用いて作成した。図２Ａは、例示的なマスターレリーフパターン４６１と、このマスターレリーフパターンから作成した例示的なパターニングデバイス４６３とを概略的に示している。図２Ｂは、本発明の方法を用いて作成した複合スタンプを備える例示的な複合パターニングデバイスのレリーフ構造の走査電子顕微鏡画像を示す。
【００８１】
[00101]図３Ａは、本発明の複合パターニングデバイスを作成するための方法を示す概略図である。図３Ａの処理ステップＡで示すように、パターニングデバイスは、シリコン上の樹脂レリーフ特徴部からなるマスターレリーフパターン上にＰＤＭＳのプレポリマーをスピンコートすることにより作成することができる。場合によって、ＰＤＭＳ第１層のマスターへの密着性を最小限に抑えるために、マスターレリーフパターンを材料の自己組織化単分子膜で処理することもできる。図３Ａの処理ステップＢで示すように、ホットプレートを用いて約５０〜約８０℃の間の硬化温度で数時間硬化することによって、ＰＤＭＳ第１層を作製することができる。硬化後は、図３Ａの処理ステップＣに示すように、電子ビーム蒸着法によりチタン、金またはそれらの組み合わせの薄膜をＰＤＭＳ第１層の内部表面上に堆積することができる。チタン、金またはそれらの混合物の薄膜は、高弾性の第２のポリマー層（図３ＡのステップＣを参照）の内部表面上に堆積することもできる。図３ＡのステップＤおよびＥにそれぞれ示すように、第１および第２の層は、第１および第２の層のコーティングされた内部表面を冷間溶接することにより動作的に結合され、複合パターニングデバイスは、マスターレリーフパターンから分離することができる。
【００８２】
[00102]図３Ｂは、本発明の複合パターニングデバイスを作成する代替的な方法を示す。図３Ｂの処理ステップＡに示すように、高弾性の第２のポリマー層の内部表面をチタン、酸化ケイ素またはそれらの組み合わせでコーティングする。図３Ｂの処理ステップＢに示すように、高弾性の第２のポリマー層のコーティングされた内部表面をＰＤＭＳでスピンコートされたマスターレリーフと接触させ、高弾性の第２のポリマー層の外部表面に圧力を加える。この構成により、マスターレリーフパターンをスピンすることによって、および／またはフラットまたはロッカーベースのプレスで高弾性の第２のポリマー層の外部表面に圧力を加えることによって、ＰＤＭＳプレポリマーの層の厚さが選択可能に調整される。所望の厚さに達したら、図３Ｂの処理ステップＣに示すように、ＰＤＭＳプレポリマーを約６０〜８０℃の範囲の硬化温度を用いてオーブンで数時間硬化し、それによってＰＤＭＳ第１層を形成する。最後に、複合パターニングデバイスをマスターレリーフパターンから分離する。場合によって、ＰＤＭＳ第１層のマスターへの密着性を最小限に抑えるために、マスターレリーフパターンを材料の自己組織化単分子膜で処理することもできる。
【００８３】
[00103]本明細書で使用されてきた用語および表現は、説明の用語であって限定の用語ではなく、このような用語および表現の使用において、示され説明された特徴またはそれらの部分の均等物を何ら排除する意図はなく、本発明の請求する範囲内であらゆる変形が可能である。故に、本発明は、好ましい実施形態、例示的な実施形態およびオプションの特徴により詳細に開示されてきたが、当業者によって本明細書で開示された概念の修正および変形を行使でき、また、このような修正および変形が添付の特許請求の範囲により定義されるような本発明の範囲内であると理解されるべきである。本明細書に提供された詳細な実施形態は、本発明の有用な実施形態の例であり、本明細書で記載した多数のデバイス、デバイスコンポーネント、方法ステップの変形物を用いて本発明が実施可能であることが当業者には明らかである。本方法に有用な方法およびデバイスは、追加のポリマー層、ガラス層、セラミック層、金属層、マイクロフルイディクスチャネルおよび素子、ロール式プリンタ、フレキソグラフィプリンタ等のアクチュエータ、ハンドル素子、ファイバ光学素子、四分の一および二分の一波長板等の複屈折素子、ＦＰエタロン、広域カットオフフィルタ、低域カットオフフィルタ等の光学フィルタ、光学アンプ、コリメート素子、コリメートレンズ、反射器、回折格子、集束レンズおよび反射器等の集束素子、反射器、偏光子、ファイバ光学結合器および送信器、温度コントローラ、温度センサ、広帯域光源および狭帯域光源を含む、多数のオプションのデバイス要素およびコンポーネントを含むことができる。
【００８４】
[00104]本願で引用された全ての参考文献は、本願の開示と矛盾しない程度までその全体を参照として本明細書に組み込まれる。本明細書に詳細に説明された以外の方法、デバイス、デバイス素子、材料、手順および手法が、過度の実験に訴えることなく本明細書で広く開示されたように本発明の実施に適用可能であることが、当業者には明らかである。本明細書に詳細に説明された方法、デバイス、デバイス要素、材料、手順および手法の当分野で既知の機能的均等物すべてが、本発明により包含されるように意図されている。
【００８５】
実施例１：ナノ転写プリンティング用複合スタンプ
[00105]複合スタンプをナノ転写プリンティング用途に提供する本発明のパターニングデバイスの能力は、実験研究により実証された。詳細には、数ミクロンおよび数十ナノメータオーダーの選択された長さを有する構造を持った基板表面の大面積をパターニング可能な複合スタンプを提供することが本発明の目標である。さらに、良好な忠実度および配置精度を呈する接触プリンティング高解像度パターン用の複合スタンプを提供することが本発明の目標である。
【００８６】
[00106]上述の目標を達成するため、本発明の方法を用いて複合スタンプを作製し、ナノ転写プリンティング（ｎＴＰ）によって基板上に金の単分子層からなるパターンを生成するのに用いた。詳細には、２５ミクロン厚ポリイミド（Ｋａｐｔｏｎ（登録商標），  ＤｕＰｏｎｔ）バッキング層と接触する薄い（５〜１０ミクロン）ＰＤＭＳ層を含む大面積複合スタンプを生成し試験した。加えて、追加のＰＤＭＳおよび／またはポリイミド層を含む大面積複合スタンプを生成し試験した。一実施形態では、約１０ミリメータの厚さを有する第２のＰＤＭＳ層をポリイミド層に付着させた。別の実施形態では、第２のＰＤＭＳ層を薄い（およそ４ミクロン）ＰＤＭＳ層により第１のポリイミド層から分離させて設けた。追加のＰＤＭＳおよび／またはポリイミド層を用いることにより、複合スタンプの取扱いが容易となり、ＰＤＭＳ層の収縮および／またはＰＤＭＳおよびポリイミド層の熱膨張係数の不整合によるマスターレリーフパターンからの分離後の硬化が回避された。
【００８７】
[00107]図４Ａは本研究において用いられる例示的な複合スタンプの概略図であり、図４Ｂはこれに対応する断面走査電子顕微鏡画像である。図４Ｂに示すように、複合スタンプのレリーフパターンは、金の薄層でコーティングされている。この複合スタンプのレリーフパターンは、１６ｃｍ×１６ｃｍの面積にわたって正方配列された２５６個の相互接続トランジスタからなる電子ペーパーディスプレイのアクティブマトリクス回路のソース／ドレインレベルに相当する。
【００８８】
[00108]２つの連続するプリント間、１つのプリントおよびプリントに用いられたスタンプ間ならびにスタンプおよびそのマスターレリーフパターン間の各トランジスタ位置のずれを顕微鏡で測定することにより、本発明の複合スタンプにおける歪みを定量化した。図５Ａおよび５Ｂは、複合スタンプ上の特徴部の位置の測定値に対応する歪みをそのマスターレリーフパターン上のものに比較して示す。これらの結果は、全体の平行移動および回転ずれおよび等方性収縮（８０℃で硬化されるスタンプの場合は約２２８ｐｐｍおよび室温で硬化される場合は約６０ｐｐｍ）についての補正を含んでいる。残留歪みは測定方法の推定精度（およそ１ミクロン）に近い。これらの歪みは、（i）スタンプを作製し、そのマスターレリーフパターンから外すこと、（ii）不均一な基板（マスターはおよそ９ミクロン厚のレリーフ特徴部を複数有している）上へのプリンティング（スタンプの湿潤）の累積効果を含んでいる。
【００８９】
[00109]本例の複合スタンプ設計の別の利点は、レリーフパターンの凹部領域において機械的に陥没する（基板表面に転写されるパターンを歪ませる、不要なスタンプ−基板間の接触を引き起こしかねない）というその傾向が低減されることである。一例として、６０ミクロン（５００ナノメータのレリーフ高さ）により離間された６０ミクロン幅ラインの場合、一定間隔の単一素子ＰＤＭＳスタンプの凹部エリアは完全に陥没する。これとは対照的に、４つのポリマー層：（１）２５ミクロンＰＤＭＳ第１層、（２）２５ミクロンポリイミド第２層、（３）６０ミクロンＰＤＭＳ第３層、および（４）２５ミクロンポリイミド第４層からなる複合スタンプ上の同じレリーフジオメトリについて陥没は認められない。図６Ａおよび６Ｂは、本発明の複合スタンプにおいて凹部エリアが陥没する傾向が低減された上面光学顕微鏡写真である。図６Ａは従来の単分子層ＰＤＭＳスタンプに対応し、図６Ｂは本発明の複合スタンプに対応する。複合スタンプ（図６Ｂ）の凹部エリアにおける色均一性は、湾曲がほとんどゼロであることを示唆している。複合スタンプの多層構造の有限要素モデリングは、残留ＰＤＭＳ層が薄い場合に、ポリイミド層が効率的にスタンプの陥没傾向を低減することを示している。
【００９０】
[00110]図７は、ポリイミド層に接触するＰＤＭＳ薄膜を含む本発明の２層スタンプ硬化後に認められる収縮の度合いを示す。図７に示すように、本発明の複合スタンプが０．２％以下の水平方向の収縮および０．３％以下の垂直方向の収縮を受ける。本発明の複合スタンプ設計により提供される硬化誘起収縮に対する耐性が、三次元レリーフパターンおよび接触表面の歪みを最小限に抑え、マスターレリーフパターンに関して良好な忠実度を呈する高解像度パターンを提供する。
【００９１】
[00111]図８は、本発明の複合スタンプを用いたナノ転写プリンティングプロセスの概略図である。図８に示すように、プロセスは複合スタンプの表面上への金の堆積で始まり、それによってエラストマー第１層の凸部および凹部領域上に不連続な金のコーティングを形成する。金に結合するように設計された自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）（例えばチオール終端ＳＡＭ）を支持する基板にスタンプを接触させることにより、金および基板間に強い密着性が生じる。金が弱く付着しているに過ぎないスタンプを外すことにより、スタンプの凸部領域上の金を基板に転写する。
【００９２】
[00112]Ｔｅｍｅｓｃａｌ電子ビームシステム（ＢＪＤ  １８００）で金属蒸着を行ない、１ｎｍ／ｓの気相堆積速度を用いた。蒸着中の圧力は通常約１×１０−６トール以下とした。スタンプまたは基板を金属の束に暴露する前に速度が確立され安定するように、気相堆積速度モニタを適所に設置した。気相堆積直後に開放空気中でプリンティングを行った。重力以外に圧力を加えなくても、スタンプは通常基板と密着する。ケースによっては、手で小さい圧力を加えてエッジに沿って接触を開始し、それをスタンプ−基板界面へと自然に進展させた。数秒後に、基板との接触からスタンプを外してプリンティングを完了した。
【００９３】
[00113]図９Ａ〜Ｄは、本発明の複合スタンプを用いて生成されたＴｉ／Ａｕ（２ｎｍ／２０ｎｍ）のパターンの走査電子顕微鏡写真を示す。これらの図に図示されたように、本発明の方法およびデバイスは、一連の物理的寸法を有する構造を含む幅広い種類のパターンを生成可能である。図９Ａ〜Ｄに示すように、転写されたＴｉ／Ａｕパターンは、概して亀裂および他の表面欠陥がない。曲げた際（取扱いまたは接触開始中）に複合スタンプの表面で生じる応力が、実質的に厚いことが多い（例えば、およそ１ｃｍの厚さ）従来のＰＤＭＳスタンプに対して小さいので、用途によっては１００μｍ未満の厚さを有する本発明の複合スタンプを用いるのが好ましい。
【００９４】
実施例２：複合パターニングデバイスの熱的特性および機械的特性の計算機モデリング
[00114]本発明の多層パターニングデバイスが作製中の重合および機械的応力により誘起される歪みの影響を受けやすいことを、計算機シミュレーションで評価した。詳細には、作製中の重合により誘起される変形および凹部領域の重量により推進される変形の度合いを、４層パターニングデバイスについて算出した。これらの研究は、本発明の複合パターニングデバイスが、重合により誘起される収縮および重量により推進される陥没について強化された安定性を呈することを実証した。
【００９５】
[00115]２つの異なる複合パターン設計について、重合により誘起される歪みの度合いを算出し、比較した。まず、図１０で概略的に示される、第１の５ミクロン厚ＰＤＭＳポリマー層６１０、第２の２５ミクロンポリイミド（Ｋａｐｔｏｎ（登録商標））ポリマー層６２０、第３の５ミクロン厚ＰＤＭＳポリマー層６３０および第４の２５ミクロンポリイミド（Ｋａｐｔｏｎ（登録商標））ポリマー層６４０からなる４層複合パターニングデバイス６００を評価した。次に、図１１Ａで概略的に示される、第１の５ミクロン厚ＰＤＭＳポリマー層７１０、第２の２５ミクロンポリイミド（Ｋａｐｔｏｎ（登録商標））ポリマー層７２０からなる２層複合パターニングデバイス７００を評価した。いずれの算出にも２０℃から８０℃までの温度変化を用いた。ＰＤＭＳのヤング率および熱膨張係数は温度に依存せず、それぞれ３ＭＰａおよび２６０ｐｐｍに等しいと仮定した。ポリイミドのヤング率および熱膨張係数は温度に依存せず、それぞれ５．３４ＭＰａおよび１４．５ｐｐｍに等しいと仮定した。
【００９６】
[00116]図１０は、４層複合パターニングデバイス６００について算出した熱により誘起された重合中に予測される歪みの度合いを示す。図１０に示すように、重合時に４層複合パターニングデバイスのカールは認められない。図１１Ａは、２層複合パターニングデバイス７００について算出した熱により誘起された重合中に予測される歪みの度合いを示す。４層複合パターニングデバイスについての結果とは対照的に、２層複合パターニングデバイスについて重合により誘起されたカールが認められる。図１１Ｂおよび１１Ｃは、２層複合パターニングデバイス７００について、それぞれＰＤＭＳ層の厚さおよび硬化温度の関数として、重合後の曲率半径をプロットしたものである。
【００９７】
[00117]本発明の４層複合パターニングデバイスの凹部領域の垂直方向変位の度合いも計算機シミュレーションにより検討した。図１２Ａに示すように、評価した複合パターニングデバイスは２つのｈ−ＰＤＭＳ層および２つのポリイミド層（Ｋａｐｔｏｎ（登録商標））を備えている。第１のｈ−ＰＤＭＳ層の厚さを約６ミクロン〜約２００ミクロンの範囲にわたって変化させた。ポリイミド第２層の厚さを５ミクロンで一定とし、ｈ−ＰＤＭＳ第３層の厚さを２５ミクロンで一定とした。図１２Ｂは、約９０ミクロン長の凹部領域に沿った位置の関数として、予測される垂直方向変位のプロットを示す。図１２Ｂに示すように、５０μ以下の厚さを有するＰＤＭＳ第１層について、約２ミクロン未満の陥没による歪みが認められる。加えて、検討した全ての実施形態について認められる陥没の度合いは、常に評価したそれぞれの厚さの約０．１％未満であった。これらのシミュレーションの結果は、本発明の４層複合パターニングデバイスが、レリーフパターンの凹部領域の陥没によって第１の層の凹部領域および基板表面間で望ましくない接触を呈する可能性が低いことを示唆している。
【００９８】
[00118]図１３Ａ〜Ｃは、本発明の２層複合スタンプについて重合中の熱的／化学的収縮による水平方向歪みの計算機研究の結果を示す。図１３Ａは、２５ミクロンＫａｐｔｏｎ層に動作的に結合された種々の厚さのＰＤＭＳ層を備える２層複合スタンプを概略的に図示している。図１３Ｂは、ミクロン単位のＰＤＭＳ第１層の厚さの関数としての予測される水平方向歪みのプロットである。図１３Ｃは、ミリメータ単位のＰＤＭＳ第１層の外部表面に沿った距離の関数としての予測される水平方向歪みのプロットである。モデリング結果は、ＰＤＭＳ第１層の外部表面上の接触表面と平行な平面における重合による歪みの大きさが、ＰＤＭＳ第１層の厚さに正比例することを示唆している。加えて、モデリング結果は、ＰＤＭＳ第１層の厚さが減少すると、ＰＤＭＳ第１層の外部表面上の接触表面と平行な平面における重合による歪みが、概してスタンプのエッジに限定されることを示している。
【００９９】
[00119]  実施例３：ファイバ補強複合パターニングデバイス
本発明は、有益な機械的、構造的および／または熱的特性を与えるファイバ材料を有するポリマー層を含んだ１つ以上のポリマー層を備える複合パターニングデバイスを含んでいる。本発明のこの態様の複合パターニングデバイスは、レリーフパターンのレリーフ特徴部の歪みを最小限に抑える正味の曲げ剛性を与えるように選択されたジオメトリで、ポリマー層内および／またはポリマー層間にファイバが組み込まれ、基板表面上で良好な忠実度および配置精度を呈するパターンを生成可能なパターニングデバイスを提供する設計を含んでいる。さらに、本発明のこの態様の複合パターニングデバイスは、温度の変化によるポリマー層の伸縮を最小限に抑えるように、および／または、例えばこれらのデバイスの厚さに加えることによって、本発明の複合パターニングデバイスの物理的操作を容易にするために選択されたジオメトリで、ポリマー層内および／またはポリマー層間にファイバが組み込まれる設計を含んでいる。
【０１００】
[00120]本発明の複合パターニングデバイスにおいて組み込まれたファイバ材料の有用性を評価実証するために、複数のグラスファイバ補強されたポリマー層を備えるパターニングデバイスを設計した。図１４Ａおよび１４Ｂは、ファイバ補強された複合スタンプを図示する概略図である。図１４Ａは断面図であり、図１４Ｂは斜視図である。図１４Ａおよび１４Ｂに示すように、ファイバ補強複合スタンプ９００は、ＰＤＭＳを含み、選択された物理的寸法のレリーフ特徴部を持ったレリーフパターンを有する第１の層９０５と、第１の選択された配向の微細なグラスファイバのアレイを有する複合ポリマーを含む第２の層９１０と、第２の選択された配向のより大きなグラスファイバのメッシュを有する複合ポリマーを含む第３の層９１５と、第３の選択された配向の大きなグラスファイバのメッシュを有する複合ポリマーを含む第４の層９２０と、第４の選択された配向の微細なグラスファイバのアレイを有する複合ポリマーを含む第５の層９２５とを備えている。第１の層９０５は、低ヤング率を有し、その接触表面と起伏のある、湾曲した粗い表面を含む表面の範囲との間に共形接触を確立可能である。第２の層９１０は、選択された配向の微細なグラスファイバのアレイの追加により第１の層９０５のレリーフ特徴部の天井部に機械的支持を与え、それによって、基板表面との共形接触形成時の第１の層９０５上のレリーフパターンの歪みを最小限に抑える、複合ポリマー層である。第３および第４の層９１５および９２０は、容易に操作、洗浄および／またはスタンピングデバイスに組み込むことが可能なように、ファイバ補強複合スタンプ９００の全体の厚さを提供する。グラスファイバを第２、第３、第４および／または第５の層９１０、９１５、９２０および９２５に組み込むことにより、ファイバ補強複合スタンプの正味の曲げ剛性を選択する手段が得られ、本発明のパターニングデバイスにおける個々の層のヤング率を選択する手段が得られる。例えば、第２、第３、第４および／または第５の層９１０、９１５、９２０および９２５においてファイバの組成、配向、サイズおよび密度を選択することにより、基板表面上で良好な忠実度および配置精度を呈するパターンを生成するのに有用な正味の曲げ剛性を与えることができる。第２、第３、第４および／または第５の層９１０、９１５、９２０および９２５は、低ヤング率を有するポリマーまたは高ヤング率を有するポリマーのファイバ補強複合層からなってもよい。場合によって、ファイバ補強複合スタンプ９００が、ファイバ材料を有する追加の複合層を含む１つ以上の追加の高または低ヤング率ポリマー層をさらに備えてもよい。
【０１０１】
[00121]図１４Ｃは、ファイバ補強複合スタンプ９００のそれぞれ第２、第３、第４および／または第５の層９１０、９１５、９２０および９２５に対応する第１の９３０、第２の９３５、第３の９４０、第４の９４５の選択された配向を図示する概略図である。図１４Ｃに示すように、第１の選択された配向９３０は、第５の層９２５の第４の選択された配向で長手方向に位置揃えされた微細グラスファイバに直交する軸に沿って配列された第２の層９１０内で、長手方向に位置揃えされた微細グラスファイバのアレイを提供する。第２および第３の選択された配向は、２組のファイバが直交する軸に沿って位置揃えされ織り込まれたファイバメッシュを提供する。加えて、図１４Ｃに示すように、第２および第３の選択された配向９３５および９４０に対応するファイバメッシュは、互いに直交する配向をファイバに与える。図１４Ｃに示すファイバメッシュ配向を用いることにより、本発明のポリマー層およびパターニングデバイスの平面内の機械的特性における異方性を最小限に抑える。
【０１０２】
[00122]図１５は、ＰＤＭＳ層に結合された複合ポリマー層の光学画像である。図１５に示すように、複合ポリマー層９７１はグラスファイバメッシュを備え、ＰＤＭＳ層９７２は組み込まれたファイバ材料を持たない。
【０１０３】
[00123]図１４Ａを再び参照すると、示されたスタンプ設計は、設計軸９６０について対称なファイバ補強層の配列を提供する。ほぼ同じ熱膨張係数を有する第２の層９１０および第５の層９２５と、ほぼ同じ熱膨張係数を有する第３の層９１５および第４の層９２０とを用いることにより、層アラインメント軸９８０についてほぼ対称的な熱膨張係数の分布を有するファイバ補強複合スタンプ９００が得られる。第１の層が第２、第３、第４および第５の層の合計に比べて比較的薄い場合、例えば用途によって好ましくは１０％未満、用途によってより好ましくは５％未満の場合に、このことが特に当てはまる。上述したように、接触表面を含む平面に対して直交する層アラインメント軸９８０についてほぼ対称的な熱膨張係数の分布をもたらす本発明におけるデバイス構成を用いることは、温度の変化により最小限のパターン歪みを呈する熱的に安定なパターニングデバイスを提供するのに有用である。さらに、この対称的な配列が硬化中のレリーフパターン歪み、例えば硬化中のポリマー層のカールの原因となるパターン歪みを最小限に抑える。
【０１０４】
[00124]ファイバ材料を用いることにより、脆性材料を含む有用な機械的および熱的特性を有する広範囲の材料を、大きい曲率半径を有する表面等の粗く起伏のある基板表面と共形接触を確立可能なそれらの能力を維持するように、本発明のパターニングデバイスおよびポリマー層に組み込むことが可能となる。例えば、ＳｉＯ２はバルク相で非常に脆い材料である。しかしながら、比較的細い（例えば約２０ミクロン未満の径を有する）ＳｉＯ２ファイバ、ファイバアレイおよびファイバメッシュを用いることにより、ポリマー層の構造的補強が可能となり、それらの屈曲、伸張および変形される能力を維持しつつ正味の曲げ剛性を増強する。さらに、ＳｉＯ２はＰＤＭＳを含むいくつかのポリマーに対して良好な密着性を呈する。カーボンファイバは、ポリマー層に組み込むことによって、一連の表面形態と良好な共形接触を確立するのに有用なデバイスの柔軟性を可能としつつ実質的に曲げ剛性およびヤング率の増強をもたらす別の種類の材料である。
【０１０５】
[00125]有益な機械的、本発明のファイバ補強ポリマー層には、構造的および熱的特性を呈するパターニングデバイスおよびポリマー層をもたらすあらゆるファイバ材料の組成およびファイバ材料の物理的寸法を用いることができる。本複合パターニングデバイスで有用なファイバ材料には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ２、Ｂ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＢａＯ、Ｌｉ２Ｏ、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆ２，およびＮａ３Ｏ／Ｋ２Ｏ等の酸化物、炭素、アラミドファイバおよびダイニーマ（ｄｙｎｅｅｍａ）等のポリマー、金属およびセラミクスを含むガラスからなるファイバが含まれるがこれに限定されず、またはこれらの材料の混合物を本発明のパターニングデバイスに組み込むことができる。それらが組み込まれる層を含むポリマーに対して良好な密着性を呈するファイバ材料は、用途によって好ましい材料である。約１〜約１００ミクロンの、用途によって好ましくは約５〜約５０ミクロンの範囲の長さを有するファイバは、本発明のファイバ補強複合パターニングデバイスにおいて有用である。約０．５ミクロン〜約５０ミクロンの、用途によって好ましくは約５〜約１０ミクロンの範囲の径を有するファイバは、本発明のファイバ補強複合パターニングデバイスにおいて有用である。
【０１０６】
[00126]本発明のファイバ補強複合パターニングデバイスにおける複合層は、パターニングデバイスに有用な機械的および熱的特性をもたらすファイバの任意の選択された配列を有することができる。例えば約０．７より大きいファイバ体積分率等の高いファイバ体積分率により特徴付けられるファイバ配列を用いることは、１つ以上の接触表面を有する低弾性層のレリーフパターンにおけるレリーフ特徴部および凹部エリアに天井部支持を含む支持を与える複合層（例えば図１４Ａの層９１０）において有用である。例えば約０．５未満の体積分立等のより低いファイバ体積分率により特徴付けられるファイバ配列を用いることは、ファイバ補強複合パターニングデバイスの柔軟性を維持するために、所望の正味スタンプ厚を与える複合層（例えば図１４Ａの層９１５および９２０）において有用である。図１４Ａ〜１４Ｃに示した概略図で例示したように、異なる選択されたファイバ配向を有する複数の複合層を用いることは、接触表面を含む平面に直交する軸に沿った変形について等方的な機械的特性を有するファイバ補強複合パターニングデバイスを提供するのに有用である。
【０１０７】
[00127]それらの構造的および機械的特性に加えて、本発明のファイバ補強複合パターニングデバイス用のファイバ材料をそれらの光学的および／または熱的特性に基づいて選択することもできる。それが組み込まれる層を含むポリマー材料と等しいまたは類似の屈折率（すなわち１０％以内に整合）を有するファイバを用いることは、光学的に透明な複合ポリマー層を提供するのに有用である。例えば、高度に透明な複合ポリマー層を作成するため、ＰＤＭＳの屈折率（通常１４．〜１．６の間）と合うようにＳｉＯ２ファイバの屈折率を調節可能である。所与の複合ポリマー層においてファイバおよびポリマー材料の屈折率を合わせることは、本発明のファイバ補強複合フォトマスクについて特に有用である。加えて、それが組み込まれる層を含むポリマー材料と等しいまたは類似の熱膨張係数（すなわち１０％以内に整合）を有するファイバ材料を選択することは、熱的に安定なファイバ補強複合ポリマー層を提供するのに有用である。
【０１０８】
実施例４：複合ソフト共形フォトマスク
[00128]本発明は、電磁放射で処理される基板の表面との共形接触を確立および維持可能なフォトマスクを備える複合パターニングデバイスを含んでいる。本発明の複合共形フォトマスクの利点は、それらがフォトマスクの二次元伝送および吸収特性等の光学特性をあまり変化させずに広範囲の基板表面形態に共形可能なことである。本発明のこの特性は、基板表面の選択されたエリア上で電磁放射の境界明瞭な強度の二次元空間分布、偏光状態および／または波長を有する電磁放射を伝送可能なフォトマスクを提供し、それによって、基板上に良好な忠実度および配置精度を呈するパターンの作製を可能とする。
【０１０９】
[00129]図１６は、本発明の複合ソフト共形フォトマスクの概略図である。図１６に示すように、複合ソフト共形フォトマスク１０００は、低ヤング率を有し、接触表面１０１０を有する第１のポリマー層１００５と、複数の光学的に透過性領域１０１７および非透過性領域１０１６からなるパターニングされた層のフォトマスキング層１０１５と、高ヤング率および外部表面を有する第２のポリマー層１０２０とを備えている。有用な実施形態では、第１のポリマー層がＰＤＭＳを含み、第２のポリマー層がポリイミドを含んでいる。透過性領域１０１７は少なくとも部分的に外部表面１０２５に暴露された電磁放射を透過し、非透過性領域１０１６は、例えば電磁放射の反射、吸収または散乱によって、少なくとも部分的に外部表面１０２５に暴露された電磁放射の強度を減衰させる。図１８に示した実施形態では、非透過性領域１０１６がほぼ透明なＴｉ／ＳｉＯ２層と接触している反射性アルミニウム薄膜である。この構成では、反射性アルミニウム薄膜間のほぼ透明な領域が透過性領域となる。
【０１１０】
[00130]基板表面上にパターニングを設けるため、第１のポリマー層１００５の接触表面１０１０が基板表面と共形接触を確立するように、複合ソフト共形フォトマスク１０００を基板表面と接触させる。第１の二次元強度分布、偏光状態および／または波長を有する電磁放射を、複合ソフト共形フォトマスク１０００の第２のポリマー層１０２０の外部表面１０２５上へと方向付ける。非透過性領域１０１６による反射、吸収および／または散乱が、異なる二次元強度分布、偏光状態および／または波長によって特徴付けられる伝送電磁放射を生成する。この伝送電磁放射が基板表面と相互作用して、基板表面の物理的および／または化学的に変性された領域を生成する。基板の化学的および／または物理的に変性された領域の少なくとも一部を除去するか、または基板の化学的および／または物理的に変性されていない領域の少なくとも一部を除去することによって、パターンを作製する。
【０１１１】
[00131]図１７Ａは本発明の複合ソフト共形フォトマスクの光学画像を示し、図１７Ｂはシリコン基板上で露光され現像されたフォトレジストパターンの光学画像を示す。図１７Ａに示すように、複合ソフト共形フォトマスク１１００は、フォトマスクの容易な操作、洗浄および他の処理機器との一体化を可能とする境界を与える５ミリメータ厚のハンドル１１０５を有する。図１７Ａと１７Ｂの比較は、高い忠実度を有するパターンが複合ソフト共形フォトマスクを用いて生成されることを示すものである。
【０１１２】
[00132]図１８は、本発明の複合ソフト共形フォトマスクを作成する方法を図示するプロセスフロー図である。図１８のプロセスステップＡに示すように、電子ビーム蒸着により薄いアルミニウム層を高ヤング率ポリマーの内部表面上に堆積させる。図１８のプロセスステップＢに示すように、例えばスピンコートによりフォトレジストの層をアルミニウム層の上に堆積させ、例えば従来のフォトリソグラフィを用いてパターニングする。このパターニングステップは、選択された物理的寸法および位置を有するアルミニウム薄膜を含むパターニングされたフォトマスキング層を生成する。図１８のプロセスステップＣに示すように、高ヤング率ポリマー層の内部表面のアルミニウムのパターンニングされたフォトマスキング層および暴露された領域上にＴｉ／ＳｉＯ２層の薄膜を堆積させる。Ｔｉ／ＳｉＯ２層を用いることは、続く処理ステップにおいてＰＤＭＳ層への密着を促進するのに有用である。図１８のプロセスステップＤに示すように、ほぼ平坦なシリコン基板を非粘着性の自己組織化単分子膜で処理し、ＰＤＭＳの薄層を自己組織化単分子膜の上面にスピンコートする。本発明のこの態様で自己組織化単分子膜を用いることは、ＰＤＭＳ層のシリコン基板に対する不可逆結合を防ぎ、シリコン基板から分離する際にＰＤＭＳ層の損傷を回避するために重要である。図１８のプロセスステップＥに示すように、高ヤング率層およびパターンフォトマスキング層を含む複合構造のＴｉ／ＳｉＯ２層を、ＰＤＭＳコートされたシリコン基板と接触させる。力を高ヤング率層の外部表面に加え、パターンフォトマスキング層を６０〜８０℃の間の温度で数時間硬化する。最後に、ＰＤＭＳ層をシリコン基板から分離することにより、複合ソフト共形フォトマスクを形成する。
【０１１３】
実施例４：パターニング剤を用いたロックアンドキー位置合わせシステム
[00133]本発明は、方法ならびにパターニングデバイスと基板表面の精密な位置合わせおよびアラインメントをもたらすのに有用なアラインメントチャネル、谷部および／または溝等の特定のレリーフパターンを有するパターニングデバイスおよび／または基板表面を提供する。特に、補完的な（すなわち嵌り合う）レリーフ特徴部および凹部領域を備える「ロックアンドキー」アラインメントシステムを用いることは、補完的な特徴部の係合がパターニングデバイスの接触表面と基板表面との取り得る相対方向を制限するため、本発明において有用である。これら素子の相対方向を制限する能力は、大きな基板面積にわたって良好な配置精度を持ったデバイスおよびデバイスアレイを作製するのに特に有用である。
【０１１４】
[00134]一態様では、本発明が、複合パターニングデバイスの接触表面または単層パターニングデバイスの接触表面等のパターニングデバイスの接触面と、基板表面の選択された領域との間の選択された空間アラインメントを確立し維持するための、パターニング剤を用いるアラインメントシステムを含んでいる。この説明の文脈では、用語「パターニング剤」は、パターニングデバイスの接触表面の少なくとも一部と処理中の基板表面との間に与えられた１つ以上の材料を指す。本発明のこの態様では、パターニング剤が、これらの素子の良好な位置合わせを得られるよう、補完的なレリーフ特徴部および凹部領域の精密なアラインメントおよび係合を容易にするように機能する。本発明のパターニング剤は、パターニングデバイスおよび基板表面の精密なアラインメント以外のまたはそれに加えて機能性を提供することができる。一実施形態では、本発明のパターニング剤が本発明のフォトマスク用の光学濾材を含んでいる。別の実施形態では、パターニング剤が基板表面上にモールドされる転写材料、例えば、電磁放射に暴露される際または温度上昇に際に基板表面上にエンボス加工されたパターンへとモールドされるプレポリマー材料を含んでいる。本発明のパターニング剤は、パターニングデバイスの接触表面および処理中の基板表面のアラインメントを容易にすること、ならびに基板表面をパターニングするための光学濾材および／または転写材料を与えることの組み合わせ等の多機能特性も提供することができる。
【０１１５】
[00135]一実施形態では、本発明のパターニング剤が、ロックアンドキー位置合わせシステム等のアラインメントシステムの嵌り合う接触表面および基板表面対の間に生じる摩擦を低減することにより、接触表面潤滑剤として作用する。摩擦を低減することによって、パターニング剤はパターニングデバイスおよび基板を共形接触させ、互いに相対的に移動させ、それによって取り得る相対方向の範囲をサンプリングする。本発明のこの態様では、パターニング剤により与えられる追加の可動性により、パターニングデバイスおよび基板が、嵌り合う表面上での補完的なレリーフ特徴部および凹部領域間の効果的な結合により特徴付けられる安定した選択された相対方向を実現可能となる。効果的なパターニング剤は、共形接触の確立を妨げることなく正しい位置合わせの確立を容易にする。有用なパターニング剤には、液体およびコロイド等の流体、薄膜および粒子材料が含まれる。例示的なパターニング剤には、ＭａｙｚｏからのＯｐｔｉｃａｌ  Ｂｒｉｇｈｔｅｎｅｒ，  Ｂｅｎｅｔｅｘ  ＯＢ−ＥＰ、  Ｃｏｎｓｔａｎｔｉｎｅｓ  Ｗｏｏｄ  ＣｅｎｔｅｒからのＰａｒｋｅｒ  Ｉｎｋ，  Ｗａｔｅｒ  ｓｏｌｕｂｌｅ  ｂｌａｃｋ  ｗｏｏｄｅｎ  ｄｙｅ  Ｐｏｗｅｒｄｅｒが含まれる。
【０１１６】
[00136]本発明のこの態様のパターニングデバイスは、処理中の基板表面上の凹部領域またはレリーフ特徴部と補完的な形状および物理的寸法を有する複数の凹部領域またはレリーフ特徴部を有する接触表面を有する。本発明のこの態様のパターニングデバイスは、接触表面と基板表面の間の領域の少なくとも一部へとパターニング剤を導入するための手段も有している。パターニング剤を導入するための手段は、流体チャネル、溝としてもよく、あるいは共形接触確立前に例えば浸漬システムを用いて接触表面または基板表面を湿潤することを含んでもよい。位置合わせを達成するために、適切な力、例えば接触表面の少なくとも一部を含む平面と直交するように方向付けられた力を確立することによって、パターニングデバイスおよび基板表面を徐々に接触させる。場合によって、アラインメントはパターニングデバイスの嵌り合う表面および基板表面の他方向への移動、例えば表面の横方向移動を含んでもよい。
【０１１７】
[00137]別の態様では、パターニング剤が共形可能フォトマスク用の光学濾材として作用する。本発明のこの態様では、フォトマスク上に方向付けられた電磁放射のある特性を吸収、散乱、反射または他の方法で変調するようにパターニング剤の組成を選択し、それによって処理中の基板表面上に伝送される光の強度、波長および偏光状態を選択的に調整する。一実施形態では、例えば、パターニング剤がレリーフパターンを有する共形可能フォトマスクと基板の外部表面との間に与えられる。フォトマスクと基板の外部表面との間の共形接触は、レリーフパターンのレリーフ特徴部および凹部領域により画成されるパターニング剤により占められる一連の空間を生じさせる。これらの空間は、フォトマスクと基板の外部表面との間に配置された一連のチャネル、チャンバ、アパーチャ、溝、スリットおよび／または通路を含んでもよい。フォトマスクのレリーフ特徴部および凹部領域の形状および物理的寸法により、フォトマスクと基板の間の空間に存在するパターニング剤の光学的厚さが決まる。したがって、レリーフパターンジオメトリおよびパターニング剤の組成の選択により、基板表面上に伝送される光の強度、波長および偏光状態の選択された二次元空間分布を達成するように、伝送された電磁放射を変調する手段が得られる。本発明のこの態様は、その外部表面上に堆積された感光性材料の層を有する基板表面をパターニングするのに特に有用である。
【０１１８】
[00138]本発明のこのパターニングアプローチの利点は、（i）本願を通して説明したタイプの複合パターニングデバイスに適合する、（ii）パターニング剤が低粘度でよく、これによってパターニングデバイスをパターニング剤と接触させた際に急速かつ効果的に流れる（パターニング剤の大半をパターニングデバイス上の隆起エリアに対応する領域外に押し出すのを助ける）、（iii）接触表面（またはコーティングされた接触表面）と基板表面（またはコーティングされた基板表面）の間の界面を潤滑化する、（iv）パターニングデバイスの伸縮性を変化させない、これは、特にパターニングデバイスが（例えば基板における若干の変形により）ロックアンドキー特徴部を併せるように伸張する場合には重要な特性である、ならびに（v）処理条件および使用が多くの重要な電子および光子的用途について確立された従来のフォトレジストをパターニング可能な点である。
【０１１９】
[00139]図１９Ａおよび１９Ｂは、フォトマスクおよび基板を位置揃えするパターニング剤を用いるアラインメントシステムを示す概略図である。図１９Ａおよび１９Ｂを参照すると、本発明のアラインメントシステム１３００が、接触表面１３０６を有する共形可能フォトマスク１３０５と、処理中の外部表面１３１３を持った基板１３１０と、接触表面１３０６および外部表面１３１３間に配置されたパターニング剤１３１５とを備えている。図１９Ａおよび１９Ｂに示す実施形態では、処理中の外部表面１３１３がフォトレジスト層等の感光層１３１４でコーティングされている。図１９Ａに示す設計では、共形可能フォトマスク１３００が、処理中の外部表面１３１３上にあるレリーフ特徴部１３２５と補完する形状および物理的寸法を有する複数の凹部領域１３２０を有する第１のポリマー層、例えばＰＤＭＳ層を備えている。図１９Ｂに示す設計では、共形可能フォトマスク１３００が、処理中の外部表面１３１３上にある凹部領域１３４５と補完する形状および物理的寸法を有する複数のレリーフ特徴部１３４０を有する第１のポリマー層、例えばＰＤＭＳ層を備えている。本発明のこの態様のレリーフ特徴部および凹部領域は、ピラミッド形、円筒形、多角形、長方形、正方形、円錐形、台形、三角形、球形およびこれらの形状の任意の組み合わせからなる群から選択される形状を含むがこれに限定されない任意の補完形状の対を有することができる。
【０１２０】
[00140]場合によって、共形可能フォトマスク１３０５は、選択された形状および物理的寸法を有する追加のレリーフ特徴部１３０８および凹部領域１３０７をさらに備えてもよい。図１９Ａおよび１９Ｂに示すように、基板１３１０に追加のレリーフ特徴部１３０８および凹部領域１３０７と補完するレリーフ特徴部および凹部領域が設けられないので、フォトマスク１３０５および外部表面１３１３の共形接触が、パターニングデバイス１３１５により占められる複数の空間を生じさせる。一実施形態では、パターニング剤１３１５がフォトマスク１３０５上に方向付けられた電磁放射を吸収、反射または散乱する材料であるため、レリーフ特徴部１３０８および凹部領域１３０７の形状および物理的寸法が、外部表面１３１３上の感光層１３１４に伝送される電磁放射の強度、波長および偏光状態の二次元区間分布を確立する。このように、感光層１３１４の選択された領域を選択された波長および偏光状態を有する選択された強度の電磁放射を照射することができ、感光層１３１４の選択された領域を選択された波長および偏光状態を有する電磁放射への暴露から遮蔽することができる。本発明のこの態様は、所望のパターンに対応する感光層１３１４の化学的および／または物理的に変性された領域を生成可能な強度の選択された二次元空間分布により特徴付けられた電磁放射への暴露によって、感光層１３１４をパターニングするのに有用である。一実施形態では、フォトマスク１３０５がほぼ透明な相専用フォトマスクである。この実施形態では、パターニング剤が接触表面１３０６および外部表面１３１３間にある場合に振幅フォトマスクを形成するのみである。
【０１２１】
[00141]別の実施形態では、パターニング剤１３１５が基板用面上にパターンをモールディングする転写材料である。したがって、この実施形態では、レリーフ特徴部１３０８および凹部領域１３０７の形状および物理的寸法が、外部表面１３１３上の感光層１３１４上にエンボス加工されたパターンの特徴部を確立する。本発明のこの態様の実施形態は、モールディングパターンによって外部表面１３１３上に直接（すなわち感光層１３１４が無い状態で）基板表面をパターニングするのにも有用である。
【０１２２】
[00142]場合によって、共形可能フォトマスク１３０５は、共形可能フォトマスク１３０５を高ヤング率層、複合ポリマー層および低ヤング率層（図１９Ａおよび１９Ｂに図示せず）等の追加のポリマー層をさらに含んだ複合フォトマスクとする。本願を通して議論したように、１つ以上の追加のポリマー層を有する本発明のパターニングデバイスは、有益な機械的および／または熱的特性を提供する。しかしながら、本発明のこの実施例のパターニングデバイスは、必ずしも複合パターニングデバイスとしなくてよい。
【０１２３】
[00143]基板１３１０の表面上のパターンを生成するには、共形可能フォトマスク１３０５の接触表面１３０６および外部表面１３１３間にパターニング剤１３１５を与え、接触表面１３０６および外部表面１３１３を共形接触させる。パターニング剤１３１５が共形可能フォトマスク１３０５の第１のポリマー層と外部表面１３１３上の感光層１３１４の間の界面を潤滑化する。パターニング剤１３１５の存在により生じる摩擦を減らすことにより、レリーフ特徴部（１３２５または１３４０）が凹部領域（１３２０または１３４５）と最適に係合するように、接触表面１３０６を外部表面１３１３と揃えることができる。接触表面に直交する軸に沿って方向付けられた力（矢印１３８０で概略的に表す）等の嵌り合う表面を付き合わせる段階的な力を与えることにより、最適なアラインメントが達成される。場合によって、凹部領域（１３２０または１３４５）およびレリーフ特徴部（１３２５または１３４０）の最適な係合の確立を高めるために、接触表面１３０６および外部表面１３１３を横方向に（軸１３９０と平行な軸に沿って）移動することができる。
【０１２４】
[00144]共形可能フォトマスク１３０５に電磁放射を照射し、強度、波長および／または偏光状態の選択された二次元空間分布を有する電磁放射を感光層１３１４に伝送する。例えば、パターニング剤１３１５がレリーフ特徴部１３０８および凹部領域１３０７間の領域にあり、外部表面１３１３が入射電磁放射を吸収、散乱または反射することができ、それによって空間分解光学濾過機能性を提供する。例えば、一実施形態では、パターニング剤１３１５がＵＶ電磁放射を吸収して、紫外線で感光層１３１４をパターニングするためのコントラストを作り出す。伝送された電磁放射が感光層１３１４の部分と相互作用することによって、化学的および／または物理的に変性された領域のパターンを生成する。所与の用途のために十分な電磁放射に暴露した後、共形可能フォトマスク１３０５と基板１３１０を分離し、感光層１３１４の化学的および／または物理的に変性された領域の少なくとも一部を除去するか、化学的および／または物理的に変性されていない感光層１３１４の少なくとも一部を除去することにより、感光層１３１４を現像する。
【０１２５】
[00145]図２０は、共形可能フォトマスクの光学材料（またはインク）を含むパターニング剤を用いた本発明の例示的なパターニング方法を図示する概略図である。図２０に示すように、その外部表面にフォトレジスト層を有する基板を設ける。フォトレジスト層をインクを含むパターニング剤と接触させ、共形可能フォトマスクを基板と共形接触させる。図２０に示すように、パターニング剤は共形可能フォトマスクのレリーフパターンにより画成される空間にある。共形可能フォトマスクに電磁放射を照射すると、パターニング剤がフォトレジスト層に伝送された電磁放射の強度を変調する。図２０に図示したように、次に共形可能フォトマスクを除去し、フォトレジスト層を現像することによってフォトマスクおよび基板間にあるパターン剤の光学的厚さにより画成される基板表面上にパターンを生成する。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１Ａ】２つのポリマー層を含む本発明の複合パターニングデバイスの断面図を概略的に示している。
【図１Ｂ】２つのポリマー層を含む高い熱安定性を呈する本発明の別の複合パターニングデバイスの断面図を概略的に示している。
【図１Ｃ】３つのポリマー層を含む高い熱安定性を呈する本発明の別の複合パターニングデバイスの断面図を概略的に示している。
【図１Ｄ】作製中の重合および／または硬化により生じるパターン変形に良好な耐性を呈する４つのポリマー層を含む本発明の複合パターニングデバイスの断面図を概略的に示している。
【図２Ａ】例示的なマスターレリーフパターンと、このマスターレリーフパターンから作製した例示的なパターニングデバイスとを概略的に示している。
【図２Ｂ】本発明の方法を用いて作成した複合スタンプを備える例示的なパターニングデバイスのレリーフ構造の走査電子顕微鏡画像を示す。
【図３Ａ】本発明の複合パターニングデバイスを作成するための方法を図示する概略図である。
【図３Ｂ】本発明の複合パターニングデバイスを作成する代替的な方法を図示する概略図である。
【図４Ａ】複合スタンプからなる本発明の例示的なパターニングデバイスの概略図を示す。
【図４Ｂ】本発明の例示的な複合スタンプの断面走査電子顕微鏡画像を示す。
【図５Ａ】例示的な複合スタンプ上の特徴部の位置の測定値に対応する歪みをそのマスター上のものに比較して示す。
【図５Ｂ】例示的な複合スタンプ上の特徴部の位置の測定値に対応する歪みをそのマスター上のものに比較して示す。
【図６Ａ】本発明の複合スタンプにおいて凹部エリアが陥没する傾向が低減された上面光学顕微鏡写真を示し、従来の単層ＰＤＭＳスタンプに対応する。
【図６Ｂ】本発明の複合スタンプにおいて凹部エリアが陥没する傾向が低減された上面光学顕微鏡写真を示し、本発明の複合スタンプに対応する。
【図７】第１のＰＤＭＳ層、第２のポリイミド層、第３のＰＤＭＳ層および第４のポリイミド層を含む本発明の４層複合スタンプ硬化後に認められる収縮の度合いを示す。
【図８】本発明の複合スタンプを用いた例示的なナノ転写プリンティングプロセスの概略図である。
【図９Ａ】本発明の複合スタンプを用いて生成されたＴｉ／Ａｕ（２ｎｍ／２０ｎｍ）のパターンの走査電子顕微鏡写真を示す。
【図９Ｂ】本発明の複合スタンプを用いて生成されたＴｉ／Ａｕ（２ｎｍ／２０ｎｍ）のパターンの走査電子顕微鏡写真を示す。
【図９Ｃ】本発明の複合スタンプを用いて生成されたＴｉ／Ａｕ（２ｎｍ／２０ｎｍ）のパターンの走査電子顕微鏡写真を示す。
【図９Ｄ】本発明の複合スタンプを用いて生成されたＴｉ／Ａｕ（２ｎｍ／２０ｎｍ）のパターンの走査電子顕微鏡写真を示す。
【図１０】本発明の４層複合パターニングデバイス用に算出された熱誘起重合中の歪みの度合いを示す。
【図１１Ａ】２層複合パターニングデバイス用に算出された熱誘起重合中の歪みの度合いを示す。
【図１１Ｂ】２層複合パターニングデバイスについて、ＰＤＭＳ層の厚さの関数として重合後の曲率半径をプロットしたものである。
【図１１Ｃ】２層複合パターニングデバイスについて、硬化温度の関数として重合後の曲率半径をプロットしたものである。
【図１２Ａ】２つのｈ−ＰＤＭＳ層および２つのポリイミド層（Ｋａｐｔｏｎ（登録商標））を備える複合４層パターニングデバイスの概略図である。
【図１２Ｂ】長さ約９０ミクロンの凹部領域に沿った位置の関数として、ミクロン単位で予測される複合４層パターニングデバイスの垂直方向変位のプロットを示す。
【図１３Ａ】本発明の２層複合スタンプについて重合中の熱的／化学的収縮による水平方向歪みの計算機研究の結果を示し、２５ミクロンＫａｐｔｏｎ層に動作的に結合された種々の厚さのＰＤＭＳ層を備える２層複合スタンプを概略的に図示している。
【図１３Ｂ】本発明の２層複合スタンプについて重合中の熱的／化学的収縮による水平方向歪みの計算機研究の結果を示し、ＰＤＭＳ第１層の厚さの関数として予測される水平方向歪みのプロットである。
【図１３Ｃ】本発明の２層複合スタンプについて重合中の熱的／化学的収縮による水平方向歪みの計算機研究の結果を示し、ＰＤＭＳ第１層の外部表面に沿った距離の関数として予測される水平方向歪みのプロットである。
【図１４Ａ】本発明のファイバ補強された複合スタンプを図示する概略断面図である。
【図１４Ｂ】ファイバ補強された複合スタンプを図示する概略斜視図である。
【図１４Ｃ】ファイバ補強複合スタンプのそれぞれ第２、第３、第４および第５の層に対応する第１、第２、第３、第４の選択された配向を図示する概略図である。
【図１５】ＰＤＭＳ層に結合された複合ポリマー層の光学画像である。
【図１６】本発明の複合ソフトフォトマスクの概略図である。
【図１７Ａ】本発明の複合ソフト共形フォトマスクの光学画像を示す。
【図１７Ｂ】シリコン基板上で露光され現像されたフォトレジストパターンの光学画像を示す。
【図１８】本発明の複合ソフト共形フォトマスクを作成する方法を図示するプロセスフロー図である。
【図１９Ａ】フォトマスクおよび基板を位置揃えするパターニング剤を用いるアラインメントシステムを示す概略図である。
【図１９Ｂ】フォトマスクおよび基板を位置揃えするパターニング剤を用いるアラインメントシステムを示す概略図である。
【図２０】共形可能フォトマスクの光学材料（またはインク）を含むパターニング剤を用いた本発明の例示的なパターニング方法を図示する概略図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
2008507114.tif 000039
【図１６】
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【図１７Ａ】
2008507114.tif 000041
【図１７Ｂ】
2008507114.tif 000042
【図１８】
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【図１９Ａ】
2008507114.tif 000044
【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年12月11日(2006.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面上にパターンを生成するための複合パターニングデバイスであって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する第１のポリマー層と、
内部表面および外部表面を有し、高ヤング率を有する第２のポリマー層と
を備え、
前記第２のポリマー層の外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が配列され、
前記第１のポリマー層の前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立可能である、デバイス。
【請求項２】
前記第１のポリマー層の前記内部表面が前記第２のポリマー層の前記内部表面と接触しており、または、前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が、前記第１のポリマー層の前記内部表面および前記第２のポリマー層の前記内部表面間に配置された接続層により接続されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第２のポリマー層の外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層の接触表面の少なくとも一部に伝送されるように、前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が配列される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１のポリマー層の厚さが約１ミクロン〜約１００ミクロンの範囲から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第２のポリマー層の厚さが約１０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１のポリマー層の厚さと前記第２のポリマー層の厚さの比が約１〜約１０の範囲から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２のポリマー層が約１ＧＰａ〜約１０ＧＰａの範囲から選択されたヤング率を有し、前記第１のポリマー層が、約１ＭＰａ〜約１０ＭＰａの範囲から選択されたヤング率を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第２のポリマー層が、サーモスタット層、ポリイミド、サーモプラスチック層、ファイバ含有材料および複合ポリマー層からなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第２のポリマー層が、約１４．５ｐｐｍ以上の熱膨張係数を有するポリマーを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第１のポリマー層がエラストマー層、ファイバ含有材料または複合ポリマー層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第１ポリマー層と前記第２のポリマー層との間に配置された第３のポリマー層をさらに備え、前記第３のポリマー層がファイバ材料を含んだ複合ポリマー層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
約１×１０−７Ｎｍ〜約１×１０−５Ｎｍの範囲から選択された曲げ剛性を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第１のポリマー層が不連続層であり、前記三次元レリーフパターンが、複数の独立したレリーフ特徴部を備え、前記独立レリーフ特徴部が前記第２のポリマー層と接触する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
内部表面および外部表面を有する第３のポリマー層をさらに備え、
前記第３のポリマー層の前記外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１、第２および第３のポリマー層が配列されており、
前記第３のポリマー層の前記内部表面が、前記第２のポリマー層の前記外部表面に接触しており、
前記第２のポリマー層および前記第３のポリマー層が、前記第２のポリマー層の前記外部表面および前記第３のポリマー層の前記内部表面間に配置された接続層により接続されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第３のポリマー層が、約１ＭＰａ〜約１０ＭＰａの範囲から選択された低ヤング率を有する、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第３のポリマー層の厚さが約１ミクロン〜約１００ミクロンの範囲から選択される、前記第３のポリマー層の厚さが第１のポリマー層の厚さの約１０％内である、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記第１のポリマー層の熱膨張係数が、前記第３のポリマー層の熱膨張係数の約１０％内である、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記第３のポリマー層がエラストマー層である、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１９】
内部表面および外部表面を有する第４のポリマー層をさらに備え、
前記第４のポリマー層の前記外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１、第２、第３および第４のポリマー層が配列されており、
前記第４のポリマー層の前記内部表面が、前記第３のポリマー層の前記外部表面に接触し、
前記第３のポリマー層および前記第４のポリマー層が、前記第３のポリマー層の前記外部表面および前記第４のポリマー層の前記内部表面間に配置された接続層により接続されている、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第４のポリマー層が、約１ＧＰａ〜約１０ＧＰａの範囲から選択された高ヤング率を有する、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記第４のポリマー層の厚さが約１０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲から選択され、前記第４のポリマー層の厚さが第２のポリマー層の厚さの約１０％内である、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記第４のポリマー層の熱膨張係数が、前記第２のポリマー層の熱膨張係数の約１０％内である、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記第２のポリマー層、前記第３のポリマー層または前記第４のポリマー層の外部表面に接続されたアクチュエータをさらに備え、前記アクチュエータが前記第２のポリマー層、前記第３のポリマー層または前記第４のポリマー層の外部表面に力を付与可能である、請求項１、１４または１９に記載のデバイス。
【請求項２４】
スタンプ、モールドまたはフォトマスクからなる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記基板の熱膨張係数の１０％内である正味の熱膨張係数を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２６】
基板表面上にパターンを生成するための複合パターニングデバイスであって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する第１の層と、
内部表面および外部表面を有し、高ヤング率を有する第２の層と、
内部表面および外部表面を有する第３の層とを備え、前記第３のポリマー層の前記外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１、第２および第３のポリマー層が配列され、
前記パターニングデバイスを通って延びる層アラインメント軸に沿って前記パターニングデバイスの中心についてほぼ対称的な熱膨張係数の分布を与えるように、前記第１および第３の層の厚さおよび熱膨張係数が選択され、前記第１の層の前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立可能である、デバイス。
【請求項２７】
基板表面上にパターンを生成するためのパターニングデバイスであって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンと前記接触表面に対向して配置された外部表面を有するベースを含むポリマー層とを備え、前記接触表面が前記層を通って延びる層アラインメント軸に直交し、前記ポリマー層のヤング率が前記接触表面から前記外部表面へと前記層アラインメント軸に沿って連続的に変動し、
前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立可能である、デバイス。
【請求項２８】
前記ポリマー層のヤング率が、前記接触表面での低い弾性値から、前記層アラインメント軸に沿った前記接触表面および前記外部表面間の中間点での高い弾性値へと、前記層アラインメント軸に沿って連続的に変動し、
前記ポリマー層のヤング率が、前記層アラインメント軸に沿った中間点での前記高い弾性値から前記外部表面での低い弾性値へと、連続的に変動する、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記ポリマー層が、前記層アラインメント軸に沿って前記パターニングデバイスの中心についてほぼ対称的な熱膨張係数の分布を有する、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項３０】
基板表面上にパターンを生成する方法であって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する第１のポリマー層と、内部表面および外部表面を有し、高ヤング率を有する第２のポリマー層とを備える複合パターニングデバイスであって、前記第２のポリマー層の外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が配列される、複合パターニングデバイスを設けるステップと、
前記第１のポリマー層の前記接触表面上に転写材料を堆積し、それによって接触表面上に転写材料の層を生成するステップと、
前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立するように、前記複合パターニングデバイスおよび前記基板表面を接触させるステップであって、転写材料の前記層が前記基板表面に暴露される、ステップと、
前記複合パターニングデバイスおよび前記基板表面を分離し、それによって前記転写材料の少なくとも一部を前記基板表面に転写して、前記基板表面上に前記パターンを生成するステップと、
を備える、方法。
【請求項３１】
基板表面上にパターンを生成する方法であって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する第１のポリマー層と、内部表面および外部表面を有し、高ヤング率を有する第２のポリマー層とを備える複合パターニングデバイスであって、前記第２のポリマー層の外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が配列される、複合パターニングデバイスを設けるステップと、
前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立するように、前記複合パターニングデバイスおよび前記基板表面を接触させ、それによって前記三次元レリーフパターンと前記基板表面を分離する空間を含むモールドを生成するステップと、
転写材料を前記モールド内に導入するステップと、
前記複合パターニングデバイスおよび前記基板表面を分離し、それによって前記基板表面上に前記パターンを生成するステップと、
を備える、方法。
【請求項３２】
感光性材料を含む基板の表面上にパターンを生成する方法であって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する第１のポリマー層と、内部表面および外部表面を有し、高ヤング率を有する第２のポリマー層とを備える複合パターニングデバイスであって、前記第２のポリマー層の外部表面に加えられる力が前記第１のポリマー層に伝送されるように、前記第１のポリマー層および前記第２のポリマー層が配列される、複合パターニングデバイスを設けるステップと、
前記接触表面の少なくとも一部と前記基板の前記表面の間に共形接触を確立するように、前記複合パターニングデバイスおよび前記基板表面を接触させるステップと、
電磁放射を前記複合パターニングデバイスを通して前記基板の前記表面上へと方向付け、それによって前記基板表面上に選択された二次元強度分布を有する電磁放射のパターンを生成するステップと、
を備え、
前記電磁放射および前記感放射性材料の相互作用が、前記感放射性材料の化学的に変性された領域を生成し、それによって前記基板表面上に前記パターンを生成する、方法。
【請求項３３】
複合パターニングデバイスを作成する方法であって、
選択された三次元レリーフパターンを有するマスターレリーフパターンを設けるステップと、
前記マスターレリーフパターンを低弾性ポリマーのプレポリマーと接触させるステップと、
前記プレポリマー材料を高弾性ポリマー層と接触させるステップと、
前記プレポリマーを重合させ、それによって前記高弾性ポリマー層と接触し、かつ前記マスターレリーフパターンと接触する前記低弾性ポリマー層を生成するステップであって、前記低弾性ポリマー層が三次元レリーフパターンを有する、ステップと、
前記低弾性ポリマー層を前記マスターレリーフパターンから分離し、それによって前記複合パターニングデバイスを作成するステップと、
を備える方法。
【請求項３４】
基板表面上にパターンを生成するためのファイバ補強複合パターニングデバイスであって、
その上に配置された少なくとも１つの接触表面を有する三次元レリーフパターンを含み、低ヤング率を有し、前記接触表面に対向する内部表面を有する、第１のポリマー層と、
内部表面および外部表面を有し、ファイバのアレイをポリマー中に含む第２のポリマー層であって、前記内部表面が前記第１のポリマー層の前記外部表面と接触する、第２のポリマー層と、
内部表面および外部表面を有し、ファイバのメッシュをポリマー中に含む第３のポリマー層であって、前記内部表面が前記第２のポリマー層の前記外部表面と接触する、第３のポリマー層と、
内部表面および外部表面を有し、ファイバのメッシュをポリマー中に含む第４のポリマー層であって、前記内部表面が前記第３のポリマー層の前記外部表面と接触する、第４のポリマー層と、
内部表面および外部表面を有し、ファイバのアレイをポリマー中に含む第５のポリマー層であって、前記内部表面が前記第４のポリマー層の前記外部表面と接触する、第５のポリマー層とを備え、
前記第１のポリマー層の前記接触表面の少なくとも一部と前記基板表面の間に共形接触を確立可能である、デバイス。
【請求項３５】
共形可能パターニングデバイスおよび基板を位置揃えするアラインメントシステムであって、
第１のアラインメント素子との接触表面を有する第１のポリマー層を備える前記共形可能パターニングデバイスであって、前記第１のポリマー層が低ヤング率を有し、前記第１のアラインメント素子が凹部領域またはレリーフ特徴部のいずれかを含む、前記共形可能パターニングデバイスと、
外部表面を有する前記基板であって、前記外部表面が前記第１のアラインメント素子と補完する凹部領域またはレリーフ特徴部のいずれかを備える第２のアラインメント素子を備える前記基板と、
前記共形可能パターニングデバイスの前記接触表面と前記基板の前記外部表面の間にあるパターニング剤とを備え、
前記第１および第２のアラインメント特徴部が係合するように、前記接触表面が前記外部表面と共形接触を確立可能である、システム。
【請求項３６】
前記共形可能パターニングデバイスが、追加のレリーフ特徴部、凹部領域またはレリーフ特徴部および凹部領域の両方をさらに備え、前記接触表面と前記外部表面との共形接触が前記パターニング剤により占められる空間を生成する、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記パターニング剤が、前記共形可能パターニングデバイス上に方向付けられた電磁放射を吸収、散乱または反射し、それによって、前記外部表面へと伝送される、選択された二次元空間強度分布を有する電子放射を生成する、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記パターニング剤が、前記接触表面と前記基板の前記外部表面の間の摩擦を低減可能な潤滑剤である、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３９】
共形可能パターニングデバイスおよび基板を位置揃えする方法であって、
第１のアラインメント素子との接触表面を有する第１のポリマー層を備える前記共形可能パターニングデバイスであって、前記第１のポリマー層が低ヤング率を有し、前記第１のアラインメント素子が凹部領域またはレリーフ特徴部のいずれかを含む、前記共形可能パターニングデバイスを設けるステップと、
外部表面を有する前記基板であって、前記外部表面が前記第１のアラインメント素子と補完する凹部領域またはレリーフ特徴部のいずれかを含む第２のアラインメント素子を備える前記基板を設けるステップと、
前記共形可能パターニングデバイスの前記接触表面と前記基板の前記外部表面の間にパターニング剤を設けるステップと、
前記第１および第２のアラインメント特徴部が係合するように、前記接触表面が前記外部表面と共形接触を確立するステップとを備える、方法。