(57)【要約】【課題】高スループットで高連続処理性を有し、さらには離型性が極めて良好であって、モールドの破損が生じにくく、低コストで加工が可能な微細形状転写を可能にする。【解決手段】所定のパターン形状で凹部１ａと凸部１ｂとが形成されたモールド１の前記凸部１ｂと、加工対象膜２を有する基板３とを密着させ、モールド１側からレーザ光４を照射してモールド１の前記凹部１ａにおける加工対象膜２を昇華させて除去し、モールド１を基板３から離す。この状態でモールド１の凹部１ａに対応した加工対象膜２ａは除去され、また除去された加工対象膜２の残骸物５はモールド１の凹部１ａに一部が堆積する。一方、モールド１の凸部１ｂに対応した加工対象膜２ｂは残る。これにより所定のモールドパターンを加工対象膜２に転写することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の凹凸パターン形状が形成された型部材の凸部と、加工対象膜を有する基板とを密着させる工程と、
前記基板側または前記型部材側からレーザ光を照射し、前記型部材の凹部における前記加工対象膜を昇華させて除去する工程と、
前記型部材を前記基板から離す工程とを含むことを特徴とする微細形状転写方法。
【請求項２】
前記型部材を前記基板から離す前記工程を実行した後、前記型部材を加工領域外に移動させる工程と、
前記型部材にレーザ光を照射させクリーニングする工程とを含むことを特徴とする請求項１記載の微細形状転写方法。
【請求項３】
前記加工対象膜が金属薄膜であることを特徴とする請求項１または２記載の微細形状転写方法。
【請求項４】
前記加工対象膜の膜厚が５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の微細形状転写方法。
【請求項５】
前記型部材の前記パターン寸法が５ｎｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の微細形状転写方法。
【請求項６】
前記レーザ光の光源として、１００ｎｍ以上１１００ｎｍ未満の短パルスレーザまたはエキシマレーザを用いることを特徴とする請求項１記載の微細形状転写方法。
【請求項７】
前記レーザ光を照射する雰囲気は大気圧もしくは大気圧より低い圧力であることを特徴とする請求項１の微細形状転写方法。
【請求項８】
請求項１〜７いずれか１項記載の微細形状転写方法を実行する微細形状転写装置であって、
所定の凹凸パターン形状が形成された型部材を保持する手段と、
前記型部材を基板に押し付ける手段と、
前記型部材にレーザ光を照射する手段と、
前記型部材を移動させる手段とを備えたことを特徴とする微細形状転写装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の微細形状を基板上に転写する微細形状転写方法、およびその転写方法を実現する微細形状転写装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイス，光学デバイスなどの製造プロセスにおいて、被加工物の表面に所定の形状を形成する方法として、フォトリソグラフィ技術あるいはエッチング技術を用いたパターニング方法が現在一般的に用いられている。これらの技術は、基板上に形成した感光性のレジストを、部分的に露光した後、現像して所定のパターンを形成し、このパターニングされたレジストをマスクにして、イオンミリングあるいはリアクティブイオンエッチングなどの真空技術を用いたエッチング処理を施すことによって、所定の形状を加工するものである。
【０００３】
しかしながら、近年の電子機器の低価格化に伴い、プロセスのコストダウンの要請が強く、高価な露光装置・エッチング装置を用いた前記パターニング方法は、コストダウンにおいて最も大きな障害になっており、簡便で低コストなパターニング方法が求められている。
【０００４】
その１つの方法として、近年、インプリントと呼ばれる、成形技術を応用したパターンを転写する手法の開発が盛んに行われている。
【０００５】
この方法は、所定のパターン形状の凹凸を形成したモールド（型部材）を、被加工物に密着させて加圧することにより、モールドの形状を転写する方法であり、代表的な方法には、レジストを用いる「レジストインプリント法」と、レジストを用いない「直接インプリント法」がある。
【０００６】
このうち「レジストインプリント法」は、レジストが塗布された基板を用い、モールドをレジストにプレスすることにより、モールドの形状をレジストに転写する方法である。この方法によれば、コスト高の主要因の一つであり、また半導体製造工程の一つであるフォトリソグラフィ工程における露光および現像工程を省略できるため、微細なパターニングを必要とするデバイスを、低コストで製造することができる（例えば特許文献１参照）。ただし、パターニングされたレジストをマスクとして用い、エッチング装置を使用して下地をさらにエッチングすることが必要になる。
【０００７】
一方、「直接インプリント法」は、レジストを用いず、ガラスなどの基板にモールドの表面形状を直接転写する方法である。特許文献２には、表面に微細な加工溝が形成された成形用金型をガラス基板にプレスすることにより、マイクロオーダーからナノオーダーまでの溝を基板の表面に直接形成する方法が開示されている。
【０００８】
直接インプリント法によれば、露光・現像工程のみならず、エッチング工程も省略することができるため、露光・現像工程のみ省略し得る前記レジストインプリント法よりもコスト低減効果が大きいと考えられる。
【０００９】
また、インプリント法以外の安価な形状の加工方法として、カーボン基板を選択的な酸化反応によって基板をエッチングすることにより、高価なエッチング装置を用いずに、微細な凹凸加工を施す方法が開示されている（例えば特許文献３参照）。
【００１０】
前記特許文献３には、酸化性の雰囲気下に、あらかじめ耐酸化性のマスクを形成したカーボン基板を置き、４００〜７００℃程度に加熱することにより、マスクで被覆していない部分を選択的に酸化・エッチングすることによって、安価に所望の形状を形成するという手法が開示されており、また、従来の機械加工に比べ、安定した加工が可能になると記載されている。
【００１１】
さらに、本発明者らが提案した方法および装置として、酸素雰囲気中で炭素原子からなる微細な凹凸加工を施したモールドを押し付け、基板にレーザ光を照射することにより、凹部と基板の表面で構成される空間に含まれる酸素によって、基板の表面を選択的に燃焼させ、前記モールドに形成された前記所定の形状を転写する方法がある（特許文献４参照）。
【特許文献１】特開２００３−７７８０７号公報
【特許文献２】特開２００３−８５７４０号公報
【特許文献３】特開平５−２７４６６７号公報
【特許文献４】特開２００６−８６２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、前記従来のインプリント法は、例えば特許文献１に開示されている通り、モールドの表面に一定の処理を施すことで離型性は改善されているものの、長期間に渡って離型性を確保することは困難であって、例えば、数百から数千ショットごとに再処理が必要となる。
【００１３】
また、インプリント法では、被加工物との離型不良が発生した場合、モールドに微細な被加工物が付着したり、大きなプレス力で加工を行うため、破損などでモールドのパターンに欠陥が生じやすく、パターン不良が起きやすいといった問題があった。
【００１４】
さらに、インプリント法は、一般に、レジストやガラスをガラス転移点以上に加熱する（レジストの場合は１００〜２００℃程度、ガラスの場合は５００〜７００℃程度）必要があり、スループットを上げることが困難であった。
【００１５】
また、前記カーボンを酸化により選択的にエッチングする方法は、４００〜７００℃の高温に加熱することが必要とされ、加熱や冷却に時間を要するため、インプリント法と同じく、スループットを上げることが困難であった。また、エッチングの際にマスクとして用いる耐酸化皮膜に関して、その形成工程やエッチング後の除去工程が必要なため、工程が複雑であった。
【００１６】
さらに、モールドを押し付けレーザ照射することにより、モールド形状を転写する方法は酸素雰囲気で行われ、被加工材料がカーボン材料に限定されていた。さらに、レーザ光照射後、酸素によって昇華したカーボン材料は、モールドの微細な凹部に付着し、付着したカーボン膜が、次の加工のためのレーザ強度を妨げることになり、連続的な微細なパターン転写は不可能であった。
【００１７】
本発明は、前記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高スループットで高連続処理性を有し、さらには、離型性が極めて良好であって、モールドの破損が生じにくく、低コストで加工が可能な微細形状転写方法および微細形状転写装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る微細形状転写方法は、所定の凹凸パターン形状が形成された型部材の凸部と、加工対象膜を有する基板とを密着させる工程と、前記基板側または前記型部材側からレーザ光を照射し、前記型部材の凹部における前記加工対象膜を昇華させて除去する工程と、前記型部材を前記基板から離す工程とを含む方法である。
【００１９】
さらに、前記型部材を前記基板から離す前記工程を実行した後、前記型部材を加工領域外に移動させる工程と、前記型部材にレーザ光を照射させクリーニングする工程とを含む微細形状転写方法である。
【００２０】
好ましい実施形態として、前記加工対象膜が金属薄膜であること、また、前記加工対象膜の膜厚が５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００２１】
また、前記型部材の前記パターン寸法が５ｎｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。
【００２２】
さらに、前記レーザ光の光源として、１００ｎｍ以上１１００ｎｍ未満の短パルスレーザまたはエキシマレーザを用いることが望ましく、また、前記レーザ光を照射する雰囲気は大気圧もしくは大気圧より低い圧力であってもよい。
【００２３】
本発明に係る微細形状転写装置は、請求項１〜７いずれか１項記載の微細形状転写方法を実行する微細形状転写装置であって、所定の凹凸パターン形状が形成された型部材を保持する手段と、前記型部材を基板に押し付ける手段と、前記型部材にレーザ光を照射する手段と、前記型部材を移動させる手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る微細形状転写方法によれば、型部材（モールド）の凹部では空間が存在するため、レーザ光の照射によってレーザエネルギを吸収した加工対象膜はアブレーション(昇華)され加工対象膜が除去される。一方、モールドの凸部に対向する部分は、モールドの凸部によってカバーされていることによって、加工対象膜がエネルギを受けてもアブレーションする領域(昇華する領域)が塞がれているため、アブレーションされずに除去されない。その結果、基板上にモールドの凹凸に対応したパターンを極めて短時間に形成することができる。
【００２５】
さらに、モールドをパターン転写に関係ない部分まで移動させた後、モールドにレーザ光を照射させ、モールドの凹部に付着したアブレーション時に除去された膜を除去するクリーニング工程を導入することにより、長期間メンテナンスしなくてもモールドを使用することが可能になる。
【００２６】
また、本発明に係る微細形状転写装置によれば、加工原理上、プレス力が不要になるため、従来のインプリント装置と比べて、大掛かりな圧力発生装置が不要で、かつ大きな加重に耐える構造も必要ないため、装置の構成を簡略化でき、装置の低価格化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
従来のインプリント法を用いてパターニングを行う技術では、背景技術および発明が解決しようとする課題にて説明したように、塑性変形を伴うプロセスを含むため、離型不良を起こしやすい。その結果、離型性を確保するため、モールド表面に離型を促す処理を施す必要がある。また、加熱手段によって基板を所定温度（ガラス転移点から軟化点程度の温度）に加熱する必要があるため、スループットを上げることが困難であって、製造コストの大幅な削減を実現するのは難しい。また、従来の酸化によるパターニング法においても、４００〜７００℃の高温下でのプロセスのため、同じくスループットを上げるのは困難である。
【００２８】
そこで、本発明者は鋭意研究・実験を行った結果、パターンの転写対象である基板の表面にレーザ光を照射してアブレーションすることにより、微細なパターンの転写を高いスループットで実現できること、および極めて良好な離型性を示すことなどを見出し、本発明を想到するに至ったのである。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００３０】
図１（ａ）〜（ｇ）は本発明に係る微細形状転写方法の実施形態を説明する断面図であって、図１（ａ）〜（ｄ）は本実施形態における転写方法を模式的に示す工程図、図１（ｅ）〜（ｇ）は本実施形態におけるモールドクリーニングを模式的に示す工程図である。図２は本発明に係る微細形状転写装置の実施形態を説明するための装置構造を模式的に示す平面図である。
【００３１】
本実施形態では、所望の凹凸パターンが形成された表面を有するモールド１を用いて、その形状を加工対象膜へ転写する。また、本実施形態では、モールド１を透過するようにレーザ光４を加工材料表面に照射するため、モールド１の材質としては、レーザ光４に対する透過率ができるだけ大きいことが好ましい。このような要件を満足するモールド１の材料としては、例えば、サファイアや石英などが好ましい。
【００３２】
まず、図１（ａ）に示すように、基板３上に形成した加工対象膜２の表面にモールド１を接触させ、基板３の表面に圧力を印加する。本実施形態に用いられる基板３は、レーザ光４の照射によって加工されないように、レーザ光４の透過率ができるだけ大きい材料がよい。
【００３３】
一方、加工対象膜２は、表面が効率よくレーザ光４のエネルギを吸収するように、照射するレーザ光４に対する加工対象膜２の光吸収係数ができるだけ大きいことが必要である。加工対象膜２の厚みは、レーザ光４により効率よくアブレーションされるために、５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３４】
図１（ａ）中の矢印は、その圧力の方向を示している。なお、この圧力は、インプリント法のように基板３を塑性変形させる目的ではなく、モールド１の凸部１ｂを加工対象膜２に密着させるためであり、例えば０．１〜１ＭＰａの範囲で設定される。
【００３５】
次に、図１（ｂ）に示すように、モールド１を接触させた状態で加工対象膜２の表面にレーザ光４を照射し、加工対象膜２にエネルギを与える。本実施形態で用いるレーザ光源は、熱による加工ではなく、レーザ光４のエネルギで短時間に加工対象膜２を加工するため、照射時間の短い単パルスレーザが望ましい。レーザ光４の波長は、加工対象膜２の吸収係数と加工を行わない基板材料と透過率とで決定するが、１００ｎｍ以上１１００ｎｍ未満の短パルスレーザを用いることが望ましい。このような要件を満足するレーザ光源として、例えばエキシマレーザやＹＡＧレーザなどを使用することが好ましい。
【００３６】
前記のようにエネルギを与えられた加工対象膜２の表面において、モールド１の凹部１ａでは、加工対象膜２がアブレーションされ、ガス化が生じて凹部１ａの空間に飛び散る。このとき、大気圧より低い圧力の雰囲気下でレーザ光４を照射することにより、さらに加工対象膜２は低エネルギでアブレーションされて除去しやすい。一方、対向する凸部１ｂにおける加工対象膜２と密着した部分では、加工対象膜２は昇華してガス化する空間部がないため、加工対象膜２はアブレーションされずに残る。
【００３７】
図１（ｂ）のようにモールド１を介してレーザ光４を照射する場合、モールド１はレーザ光４を透過する材料で構成するのが望ましい。好ましくは、レーザ光４の波長において、透過率が８０％以上を持つ材料とする。レーザ光４の強度および照射時間は、加工対象膜２がアブレーションする時間とする。また、基板３の材質によっては、基板３側からレーザ光４を照射することも考えられる。
【００３８】
前記レーザ光４の照射により、図１（ｃ）に示すように、モールド１の凹部１ａに対応した加工対象膜２ａは除去され、除去された加工対象材料の残骸物５はモールド１の凹部１ａに一部が堆積する。一方、モールド１の凸部１ｂに対応した加工対象膜２ｂは残る。このため、所定のモールドパターンを加工対象膜２に転写することができる。
【００３９】
図１（ｄ）に示すように、モールド１を基板３の表面から離すことによって加工工程が完了する。
【００４０】
このとき、図１（ｃ）に示すように、加工対象膜２とモールド１との間で接しているのは、基板３上に形成された凸部である加工対象膜２ｂとモールド１の凸部１ｂのみであって、かつ単一面同士の接触であるため、離型性は極めて良好となる。
【００４１】
本実施形態によれば、レーザ光４の照射によって基板３の表面が短時間（例えば１ミリ秒以下）でアブレーションされるため、従来の加熱手段を用いたインプリント法における加工時間よりも、極めて短時間でパターンの転写を行うことが可能になる。
【００４２】
次に、図１（ｅ）〜（ｇ）にて本発明によるモールドクリーニングについて説明する。      
【００４３】
先ず、図１（ｅ）に示すように、加工対象膜２の残骸物５が付着したモールド１を加工に影響を与えない場所に移動する。すなわち、図２に示すように、今まで加工していた位置（図２の左側）の基板保持ステージ６から、加工に影響を与えない位置（図２の右側）に設置されたクリーニングステージ７までモールド１を移動させる。
【００４４】
この場合、モールド保持具８を回転させることで、モールド１を移動させてもよい。さらに、処理連続性を向上させるように、２つ以上のモールド１を交互に加工とクリーニングを実施できるようにしてもよい。
【００４５】
次に、図１（ｆ）に示すように、加工対象膜２の残骸物５を除去するために、図１（ｂ）と同様に、モールド１にレーザ光４を照射して加工対象膜２の残骸物５をアブレーションする。このときのレーザ照射は、既述したレーザ照射条件と同等の強度、もしくはその条件よりもレーザエネルギが高い条件にてレーザ照射を行う。これにより、加工対象膜２の残骸物５は完全に除去することが可能である。
【００４６】
図２における左側のモールドクリーニング場所のクリーニングステージ７には、排気機構などを備え、クリーニングで除外した加工対象膜２の残骸物５を排気することができるようにすることが望ましい。
【００４７】
最後に図１（g）において、モールド１を図２のクリーニングステージ７から基板保持ステージ６に移動させる。これを繰り返し行うことによって、パターン転写を高スループットで高連続処理を維持することができる。
【００４８】
具体的には、基板３としてＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を、また加工対象膜２としてクロム薄膜を使用するとき、下記条件のレーザ光４を照射すれば、モールドパターンの転写を効果的に行うことができる。
波長        ：  ５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザの２倍高調波）
パルス幅    ：  １０マイクロ秒
照射回数    ：  １回
パワー密度  ：  ０．５ｍＪ／ｃｍ２
本実施形態によれば、加工対象膜２の表面は短時間でエネルギを吸収することができ、選択的にアブレーションされるため、モールド１の表面に形成された形状は、極めて短時間（約１ミリ秒以内）で加工対象膜２の表面に転写されることになる。従来の直接インプリント法では、基板３への転写に要する時間として、転写前後に必要な加熱と冷却を含めて、概ね５分間以上要していたことを考慮すると、本実施形態によれば生産効率が著しく上昇する。
【００４９】
なお、レーザ光源の出力が低い場合は、照射面積を狭めて、所定のパワー密度（光源の出力を照射面積で割った値）を確保した上で、モールドを基板内で移動させながら、あるいは、レーザ光のみを移動させながら、繰り返し本転写工程を行う、いわゆるステップ・アンド・リピートを行うことも可能である。
【００５０】
以下、本実施形態の具体的な実施例について説明する。
【００５１】
まず、電子ビーム（ＥＢ）蒸着法で厚さ１００ｎｍのクロム薄膜を形成した、一辺が２０ｍｍの正方形のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムを用意した。
【００５２】
次に、５μｍの直線パターンを１０μｍピッチで形成した一辺が２０ｍｍの正方形をなす石英製のモールドを用い、下記条件に従ってクロム薄膜への転写を行った。このときのパターンの高さ（凹凸の高低差）は約３μｍであった。石英モールドとＰＥＴ基板（クロム薄膜を含む）をチャンバー内に設置し、ロータリーポンプにて１００Ｐａの圧力とした。
【００５３】
次に、石英モールドの上面より下記条件でレーザ光の照射を行った。
圧力（押し当て力）  ：  ０．３ＭＰａ
波長                ：  ５３２ｎｍ（ＹＡＧレーザの２倍高調波）
パルス幅            ：  １０マイクロ秒
照射回数            ：  １回
パワー密度          ：  ０．５ｍＪ／ｃｍ２
本実施例で使用したクロム薄膜は、３００ｎｍから１５００ｎｍの波長では、約４０〜５０％の一定の吸収率を持っている。またＰＥＴフィルムは、３００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長では約９５％以上透過するため、前記波長のレーザや１０６４ｎｍのＹＡＧレーザで照射を行えば、クロム薄膜だけにエネルギを与えることができる。そのため、ＰＥＴフィルムはダメージを受けずクロム薄膜だけをアブレーションすることが可能である。
【００５４】
この条件下でパターン転写工程に要した時間は１秒以下であった。本実施例によれば、石英モールドに形成された５μｍの直線パターンを短時間でクロム薄膜に転写できる。また、特に力を加えることなく、石英モールドと基板と自然に分離することができた。さらに、その後、石英モールドの表面を光学顕微鏡で観察したが、異物や破損などによるパターン不良は確認されなかった。
【００５５】
次に、石英モールドを加工場所から加工に影響のないモールドクリーニング場所まで移動させる。その後、石英モールドの上部より前記条件と同等、あるいはその条件よりもレーザエネルギが高い条件でレーザ照射を行った。その結果、前記パターン転写時に石英モールドの凹部に加工材料の残骸物を完全に除去することができた。
【００５６】
上述したように、本実施形態による微細形状転写によれば、従来のインプリント法や炭素の酸化プロセスに比べ、加工時間を大幅に短縮することができ、すなわち、高スループットで処理が可能となる。また、上述したように処理後クリーニング工程を設けることにより、高連続処理性も有することが可能である。
【００５７】
さらに、モールドと基板との間で変形を伴わないため、転写工程の終了後においても、モールドの凹部と基板との間には空間があり、その結果、離型の不良が発生することはない。また、インプリントのようにプレスする必要がないため、モールドの破損が発生しにくく、モールドの長寿命化を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る微細形状転写方法および装置は、微細な形状が形成される電子デバイス，光学デバイスなどの製造プロセスに適用され、特に微細加工が低コスト・高スループットにて実現することができるため、微細形状が形成されたデバイスを安価に量産でき、産業上極めて有用であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】（ａ）〜（ｇ）は本発明に係る微細形状転写方法の実施形態を説明する断面図であって、（ａ）〜（ｄ）は本実施形態における転写方法を模式的に示す工程図、（ｅ）〜（ｇ）は本実施形態におけるモールドクリーニングを模式的に示す工程図
【図２】本発明に係る微細形状転写装置の実施形態を説明するための装置構造を模式的に示す平面図
【符号の説明】
【００６０】
１  モールド
１ａ  モールドの凹部
１ｂ  モールドの凸部
２  加工対象膜
３  基板
４  レーザ光
５  加工対象膜の残骸物
６  基板保持ステージ
７  クリーニングステージ
８  モールド保持具
【図１】
2008193035.tif 000003
【図２】
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