(57)【要約】      （修正有）【課題】基板に微小構造体を作製する方法を提供すること。【解決手段】本方法は、フォトリソグラフィ・マスク技術とマイクロコンタクトプリンティングの組合せを用いる。マスク１０を準備するステップ、微小構造体を含むマスターからソフトスタンプ１６を作製するステップ、ソフトスタンプ１６をマスク１０に取り付けるステップ、基板２４上のレジスト層２６に所望のパターンを刻印するステップ、パターンをＵＶ光２８で硬化させるステップ、硬化したレジストをマスクに金属をメッキするステップより構成される。【選択図】図４
2004200663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトリソグラフィ・マスク技術とマイクロ・コンタクト・プリンティングの組合せを用いて、基板（２４）に微小構造体（１８）を作製する方法。
【請求項２】
ａ）プロセス・マスク（１０）を準備するステップ；
ｂ）微小構造体（１８）を含むマスターからソフト・スタンプ（１６）を作り出すステップ；
ｃ）前記ソフト・スタンプ（１６）を前記マスク（１０）に取り付けるステップ；
ｄ）処理される基板（２４）上に備わるレジスト層（２６）に望みのパターンを刻印するステップ；および
ｅ）前記パターンをＵＶ光で硬化させるステップ；
を含む、基板に微小構造体を作製する方法。
【請求項３】
前記マスク（１０）がメッキ補償領域を備える請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記メッキ補償領域が金属層（１２）で被覆されている請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記金属がクロムである請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記微小構造体（１８）に取り付けられたより大きな保持ブロック（２０、２２）により、前記微小構造体（１８）が機械的に安定化されている請求項２ないし５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記微小構造体（１８）が１：５から１：２０のアスペクト比をもつことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
磁気記録ヘッドのＰ２構造の作製に請求項１ないし７のいずれか一項に記載の方法を用いる、磁気記録ヘッドのＰ２構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、フォトリソグラフィ法に関する。詳細には、本発明は、基板に小さく限定された寸法の金属構造体を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体技術およびマイクロエレクトロニクスでは、構造体の寸法はどんどん小さくなっている。メモリ製造では今日、例えば２００ｎｍより小さい幅の構造体が、マスク技術と組み合わせて光リソグラフィを用いて製造されている。フォトリソグラフィ・プロセスは、例えば半導体デバイスの製造における重要なステップである。フォトリソグラフィ法では、通常は紫外光（ＵＶ）である光が用いられて、マスク（以下ではフォトマスクと呼ばれる）を通して、フォトレジストで被覆された半導体ウェハが露光される。フォトリソグラフィ法の目的は、回路層を表す１組のパターンをウェハ上に転写することである。フォトマスクのパターンは、ウェハ上の拡散領域、金属接点および金属配線形成層などの様々な回路素子の位置、形状および寸法を定める。
【０００３】
光リソグラフィでは、回折効果のために約７０ｎｍで限界と予想することができる。しかし、単一電子トランジスタまたは分子エレクトロニクス素子などの新しい応用では、一層小さい寸法の構造体が必要とされている。これは、非常に高周波数の回路の場合には、従来のエレクトロニクスについてもまた言える。また、例えば、薄膜磁気ヘッドの読み出しおよび書き込み寸法を小さくすることもまた求められている。これに加えて、約５から３０およびそれ以上の非常に大きなアスペクト比をもつ微小構造体が必要とされるであろう。
【０００４】
今日のフォトリソグラフィ技術は、可能な限り小さい限界寸法に達するのに、使用される露光波長により依然として限界づけられている。限界寸法の縮小は、ほとんどの場合、放射波長の減少により、すなわち、ＵＶ露光から始まり、ＤＵＶ露光、電子線およびＸ線に進むことにより行われた。例えば、Ｘ線リソグラフィにより、１００ｎｍより小さい寸法を描くことが可能になる。電子およびイオン・ビーム・リソグラフィでは、高エネルギー粒子を用いて、１０ｎｍのように小さい構造体を作り出すことができる。しかし、これには高価な真空装置およびビーム誘導装置が必要とされる。さらに、高エネルギー粒子はエッチング・プロセスに必要なレジスト層を貫通しうるので、基板の放射損傷により影響を受け易い構成部品で問題が生じうる。
【０００５】
ＵＳ−Ａ−５，８３７，４２６は、ライン幅を狭める、あるいはＩＣチップ上の回路素子に対する素子間ライン・スペースを減らせるので、ＩＣチップの集積度をより高めることができるフォトリソグラフィ法を開示する。このフォトリソグラフィ法には、１つのフォトマスクを異なる２つの位置に置くか、あるいは２つのフォトマスクを用いるかのいずれかを意味する、同一ウェハの２重露光が含まれる。
【０００６】
ＵＡ−Ａ−６，０４２，９９３には、２００ｎｍ以下の領域の構造体のためのフォトリソグラフィによる構造生成法が開示されており、＜１ｅＶの光学エネルギー・ギャップをもつ水素含有アモルファス・カーボン層、あるいはアモルファス・カーボンのスパッタ層が、基板の下部レジストとして付けられる。下部層レジストには、上部レジストとして、電子線反応性のシリコーン含有またはシリル化可能フォトレジストが備えられる。次に、上部レジストは走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）あるいは走査力顕微鏡（ＳＦＭ）により、≦８０ｅＶのエネルギーの電子を用いて構造化される。続いて、その構造は異方性酸素プラズマを用いるエッチングにより下部レジストに転写され、次にプラズマ・エッチングにより基板に転写される。
【０００７】
他方、パターン化された表面から薄い材料層への印刷は、印刷産業では、よく知られ、また文書に詳細に記載されているプロセスである。
【０００８】
印刷プロセスは、元々人間の視覚に訴えて情報を交換し蓄積するために発達した。この用途分野では、高品質の再現のために、２０μｍまでの、パターン及び重ね合わせの精度が要求される。いくつかの場合に、印刷プロセスが工業的パターニングに利用され、例えばグラビア・オフセット印刷が、セラミック基板上に５０μｍ幅の導体ラインを作製するために、また低コスト・ディスプレイ用薄膜トランジスタのパターン化に使われた。オフセット印刷は、コンデンサ、および２５μｍの細さの印刷、メッキ金属ラインの製造に使用された。最後に、印刷回路基板と集積回路パッケージは、エレクトロニクス工業におけるスクリーン印刷のよく知られた応用である。（B.Michel et al., IBM J.Res.Develop.45, 697(2001)およびこの中の参考文献）
【０００９】
フレキソ印刷として知られるプロセスでは、粘稠なインクが多孔質の紙および浸透性プラスチック上に印刷される。フレキソ印刷は、フォトポリマーを含むゴムまたは他の弾性材料からなる弾性のあるレリーフ画像プレートを使用して、通常は従来のオフセットまたはグラビア法では描くのが困難な多様な材料、例えば厚紙、プラスチック・フィルム、ならびに吸収性であろうと非吸収性であろうと事実上如何なる種類の基材にも画像を印刷する、回転式直接印刷法である。このために、それは包装産業で多くの応用と潜在市場を見出した。通常、粘稠なインクは、高速の印刷作業中にそれを十分速く押しのけることができないために、スタンプと基材の直接接触を妨げる。この作業の典型的な形態では、厚いインク層を転写することが望ましいが、それにより細長いパターンの再生もまた妨げられる。これが、印刷されたパターンの寸法が２０μｍより小さくはあり得ない主な理由である。金属箔上への印刷がいくつかの応用で実行されたが、他のプロセスよりずっと困難である。（H.Kipphan, "Handbuch der Printmedien（印刷媒体ハンドブック）",Springer Berlin, 2000およびJ.M.Adams, D.D.Faux, and J.J.Rieber, "PrintingTechnology 4th Ed. （印刷技術、第４版）", Delamare Publishers, Albany, NY）
【００１０】
マイクロコンタクト・プリンティングは、フレキソ印刷と類似のスタンプを用いるが、典型的には不浸透性金属表面上に単分子層のインクを転写する。現在ソフト・リソグラフィと呼ばれるより一般的なプロセスは、チオールおよび他の化学薬品を多様な表面にプリントするために、様々な変形形態で応用されている。通常、まず化学薬品が、揮発性溶剤の溶液として、あるいは接触インク付けパッドを用いて、パターン化されたスタンプ表面に付けられる。インク付けと乾燥の後、分子は大量に、また「乾燥」状態でスタンプの表面に存在し、機械的な接触により表面に転写される。スタンプ材料としてポリ（ジメチル）シロキサン（ＰＤＭＳ）がよく使われる理由には、その優れたゴム状弾性、ガラスに似た化学的性質、インク分子のバッファとなる可能性、また非常に重要なことであるが、少量の空気がスタンプ・マトリックスに溶け込む、あるいはそれを通して逃げることができるその優れたガス透過性がある。（比較、B.Michel et al., "Printing meets lithography（プリンティングとリソグラフィの出会い）",IBM,J.Res.Develop.45(5), 697(2001)）
【００１１】
すでに上で指摘されたように、小さく限定された寸法、すなわち＜０．１５μｍの寸法の、例えば標準的な磁気記録ヘッドのためのウェハ上の将来のＰ２幅の、フォトリソグラフィ技術を用いる加工は、少なくとも極ＵＶ（ＥＵＶ）またはｅ−ビーム技術とその後の画像転写を必要とするので、基板上に小さく限定された寸法の構造体を作製する、より費用が掛からず、また他方では、より確固とした技術が求められている。さらに、分布（distribution）がより少ないこのような構造体が求められている。限界寸法（critical dimension、ＣＤ）の分布は、デバイスの性能と製造歩留まりおよび品質を決める。リソグラフィでは、分布は、装置、例えば光学系、フラッシュフィールド（flashfield）、アラインメントなど、ならびにウェハ表面の平坦性と工程管理に依存する。
【非特許文献１】B.Michel et al., IBM J.Res.Develop.45, 697(2001)およびこの中の参考文献
【非特許文献２】H.Kipphan, "Handbuch derPrintmedien（印刷媒体ハンドブック）", Springer Berlin, 2000
【非特許文献３】J.M.Adams, D.D.Faux, andJ.J.Rieber, "Printing Technology 4th Ed. （印刷技術、第４版）", DelamarePublishers, Albany, NY
【非特許文献４】B.Michel et al., "Printingmeets lithography（プリンティングとリソグラフィの出会い）", IBM, J.Res.Develop. 45(5),697(2001)
【非特許文献５】B.Michel,"Printing meetsLithography:soft approaches to high-resolution patterning（プリンティングとリソグラフィの出会い：高解像度パターニングのソフトな手法）";IBMJ.Res.Develop., 45(5), 697(2001)
【非特許文献６】D.L.White et al., "NovelAlignment System for Imprint Lithography（インプリント・リソグラフィの新規アラインメント・システム）",J.Vac.Sci.Technol.B, Microelectron.Nanometer Struct.(USA), vol.18, no.6,November 2000, pp.3552-6
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の目的は、基板上のトレンチ構造の幅を縮小する方法を提供することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、アスペクト比の非常に高い前記構造体を提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、すでに存在する手順に容易に組み込むことができる前記方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
これらおよび他の目的および利点は、請求項１に開示される方法により達成される。
【００１６】
本発明の利点のある実施形態が従属請求項に開示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
提案される技術は、基板上に金属構造体を作り出すためのマスク・フォトリソグラフィとマイクロ・コンタクト・プリンティングの組合せであり、これらの構造体は、例えば磁気記録ヘッドの書き込み磁極およびセンサ（薄膜技術）、コンデンサ用ＭＤトレンチ、ならびに薄膜技術（Thin Film Technology、ＴＦＴ）、ＭＤまたはマイクロ機械工学で用いられる他の種類の狭いトレンチのように、小さく限定された寸法と非常に大きなアスペクト比をもつ。
【００１８】
以下で、ウェハ上での標準的な磁気記録ヘッド用Ｐ２構造の形成に関して、本発明がより詳細に説明されるであろう。しかし、本発明はこのような特定のプロセスに限定されることなく、あらゆる基板上に小さく限定された寸法を作製するために使用され得るということが記載されなければならない。
【００１９】
Ｐ２構造の作製において、本発明による方法は、本発明の場合には書き込みギャップである平坦化された層の上部のレジスト層に、必要な限界寸法形状を刻印する（stamp）ために用いられる。適切な生産量を達成するために、例えばフラッシュ・フィールド（flash field）のような複数のスタンプ・アレイを用いることができる。
【００２０】
プロセスは、フォトリソグラフィ・マスクを供用することから始まる。図１から分かるように、プロセス・マスク１０が準備され、メッキに対する補償領域（compensation area for plating）が金属層１２、例えばクロムで被覆されており、Ｐ２構造が作り出される領域１４は遮るものなく残されている。補償領域はメッキの際の均一な材料分布を実現するために必要とされる。
【００２１】
次に、図２に示されるように、ソフト・スタンプ・アレイに配置されたソフト・スタンプ１６が、例えば、B.Michel,"Printing meets Lithography:soft approaches tohigh-resolution patterning（プリンティングとリソグラフィの出会い：高解像度パターニングのソフトな手法）";IBMJ.Res.Develop., 45(5), 697(2001)に開示されるような標準的な成形技術を用いてマスターから作り出される。有利には、スタンプはポリ（ジメチル）シロキサン（ＰＤＭＳ）からなる。ソフト・スタンプ１６の素描は、ＰＤＭＳまたは等価な機械的性質をもつ材料からなる限界寸法の小さな領域１８が、やはりＰＤＭＳまたは等価な材料からなる２つのより大きな保持ブロック２０、２２により機械的に安定化されていることを示している。保持ブロックは狭いデバイスを安定化して、それが刻印中に曲がらないようにする。保持ブロックのアスペクト比は、最大の安定性を実現するために、１：１から１：２までの範囲にあるべきである。
【００２２】
図３は、図２のソフト・スタンプが適切に置かれた、図１のプロセス・マスクの上面図である。スタンプ１６は、微小構造体１８、本発明の場合には磁気ヘッドの書き込みギャップが正確に配置され位置決めされるように、露光されるであろうが刻印されない領域１４（Ｐ２構造）内に置かれる。
【００２３】
図４は、次のプロセス・ステップを概略的に示している。ソフト・スタンプ・アレイ１６が、マスク１０、すなわち全く露光されない例えばクロムの部分３４がある石英基板に取り付けられ、こうして、例えば、D.L.White et al., "Novel Alignment System for ImprintLithography（インプリント・リソグラフィの新規アラインメント・システム）", J.Vac.Sci.Technol.B,Microelectron.Nanometer Struct.(USA), vol.18, no.6, November 2000, pp.3552-6に記載されるように、ピエゾ・アクチュエータを用いる、スタンプのアラインメントが可能になっている。マスク１０に取り付けられているソフト・スタンプ１６は、加工される基板２４上に配置される。基板２４には、レジスト層２６が備わっている。次に、パターンがＰ２の位置でレジスト２６層に刻印され、それからＵＶ光２８で露光されて硬化する。
【００２４】
図５は基板２４の表面の概略図であり、スタンプを取り除いた後のＰ２構造の回りの硬化領域３０を示している。
【００２５】
次に、レジスト層２６は現像されて露光されてないレジスト領域、すなわちメッキ補償領域が除去される。図６に、得られた構造体が概略的に示されている。
【００２６】
最後に、図７に示されるように、基板２４がＮｉＦｅ層３２でメッキされる。
【００２７】
書き込み磁極構造（Ｐ２構造）を完成するために、標準的なＰ２プロセスが続行される。
【００２８】
本発明の方法を用いることにより、アスペクト比が約１：５から約１：１５の領域にありこの全範囲にわたる小さく限定された寸法を実現することができる。この方法は、費用が掛からないだけでなく、再現性のある寸法、アラインメントの問題が少ないこと、より狭い分布が得られる刻印と露光のプロセスの組合せのためにより確固としている。小さいトレンチを繰り返し作製することができ、平坦性の変動によるウェハのエッジ効果を、無くすことはできないとしても、最少化することができる。
【００２９】
本発明による方法のさらなる利点は、同じ層の大きな構造体の隣に非常に微細な構造体を作製できるという事実である。後で、さらなるリソグラフィ処理をこの大きな構造体に施すことができる。
【００３０】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００３１】
（１）フォトリソグラフィ・マスク技術とマイクロ・コンタクト・プリンティングの組合せを用いて、基板（２４）に微小構造体（１８）を作製する方法。
（２）ａ）プロセス・マスク（１０）を準備するステップ；
ｂ）微小構造体（１８）を含むマスターからソフト・スタンプ（１６）を作り出すステップ；
ｃ）前記ソフト・スタンプ（１６）を前記マスク（１０）に取り付けるステップ；
ｄ）処理される基板（２４）上に備わるレジスト層（２６）に望みのパターンを刻印するステップ；および
ｅ）前記パターンをＵＶ光で硬化させるステップ；
を含む、基板に微小構造体を作製する方法。
（３）前記マスク（１０）がメッキ補償領域を備える上記（２）に記載の方法。
（４）前記メッキ補償領域が金属層（１２）で被覆されている上記（３）に記載の方法。
（５）前記金属がクロムである上記（４）に記載の方法。
（６）前記微小構造体（１８）に取り付けられたより大きな保持ブロック（２０、２２）により、前記微小構造体（１８）が機械的に安定化されている上記（２）ないし（５）のいずれか一項に記載の方法。
（７）前記微小構造体（１８）が１：５から１：２０のアスペクト比をもつことを特徴とする上記（１）ないし（６）のいずれか一項に記載の方法。
（８）磁気記録ヘッドのＰ２構造の作製に上記（１）ないし（７）のいずれか一項に記載の方法を用いる、磁気記録ヘッドのＰ２構造。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ウェハ上に標準的な磁気記録ヘッド用Ｐ２構造を加工するためのプロセス・マスクを概略的に示す図である。
【図２】本発明の方法で用いられるソフト・スタンプの横断面を概略的に示す図である。
【図３】図２のソフト・スタンプが適切に置かれた、図１のプロセス・マスクを概略的に示す図である。
【図４】加工される基板上に配置されたマスクとソフト・スタンプを概略的に示す図である。
【図５】スタンプを除去した後の、Ｐ２構造の回りの硬化領域を概略的に示す図である。
【図６】レジストが現像された後の、Ｐ２構造の回りの領域を概略的に示す図である。
【図７】メッキ工程の後の、Ｐ２構造の回りの領域を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  プロセス・マスク
１２  金属層
１４  Ｐ２構造が作られる遮られていない領域
１６  ソフト・スタンプ
１８  限界寸法の小さい領域（微小構造体）
２０  保持ブロック
２２  保持ブロック
２４  基板
２６  レジスト層
２８  ＵＶ光
３０  硬化領域
３２  ＮｉＦｅ層
３４  クロム部分
【図１】
2004200663.tif 000003
【図２】
2004200663.tif 000004
【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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