(57)【要約】  並列アプローチリソグラフィによって予めパターン形成した表面から最終基板へとパターンを複製する方法であって、前記予めパターン形成した表面は予めパターン形成した適当な金属を有する透明基板を含み、プラズモン放射光または波に反応する化学組成物（レジスト）で前記最終基板を被覆するステップと、前記予めパターン形成した表面及び前記最終基板を、前記表面から好ましくは０から３０ｎｍ、より好ましくは０から１０ｎｍであるナノメートル範囲の近接距離に近づけるステップと、前記予めパターン形成した表面にプラズモン放射光または波を照射して、前記最終基板を前記プラズモン放射光または波に曝露して、前記予めパターン形成した表面からレプリカを作製するステップと、を含む方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列アプローチリソグラフィによって予めパターン形成した表面から最終基板へとパターンを複製する方法であって、前記予めパターン形成した表面は予めパターン形成した適当な金属を有する透明基板を含み、
プラズモン放射光または波に反応する化学組成物（レジスト）で前記最終基板を被覆するステップと、
前記予めパターン形成した表面及び前記最終基板を、前記表面から好ましくは０から３０ｎｍ、より好ましくは０から１０ｎｍであるナノメートル範囲の近接距離に近づけるステップと、
前記予めパターン形成した表面にプラズモン放射光または波を照射するステップと、
前記最終基板を前記プラズモン放射光または波に曝露して、前記予めパターン形成した表面からレプリカを作製するステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記予めパターン形成した表面が、透明基板上のナノまたはマイクロ構造のパターンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記透明基板が、前記プラズモン放射光または波の照射波長に対して透明である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記パターンが金属層によって画定される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記金属層が０．１から１００ナノメートルの間の厚さを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記金属層が、プラズモン共鳴が起こるために必要な特性を有する金属からなる、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記金属層が、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、及び／またはＣｏからなる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記プラズモン波（光）が、前記表面から数ナノメートル、好ましくは０から１０ｎｍ、またはさらに好ましくは０から３０ｎｍの範囲で前記予めパターン形成した表面の表面上のみで生成され、放射されるプラズモン波（光）の波長が前記材料、前記表面上のパターン、及び前記照射条件に依存する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ及び原子スケールのリソグラフィに関するものであり、特にプラズモン並列リソグラフィ、特に、非直接パターン形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
光周波数（ナノフォトニクス）での電磁エネルギーのサブ波長制御及び操作にますます関心が高まっている。当該分野の急速に拡大している部門、プラズモニクスは、光学部品をそれらの電子対応物のナノスケールの規模まで小型化するために、表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）特有の特性を利用することを目的としている。金属ナノ構造もまた、電磁場を桁違いに集中及び部分的に増強するために製造され得る。この効果は、光学アンテナとして機能するように金属ナノ構造を設計するかあるいは金属−真空または金属−誘電体界面にＳＰＰを形成するために照射条件を制御することのいずれかによって得られる。
【０００３】
物理法則では、光ビームを方向付けるために使用されるレンズは、その直径が光の半波長未満であるスポット上に焦点を合わせることができないとされている。しかし、光をプラズモンと呼ばれる波に変換することによって、この制限を回避することが可能となる。プラズモンリソグラフィは、プラズモン発生放射を利用して基板に物理的特徴を形作る。
【０００４】
銀ナノ粒子が低密度に充填されている場合、その構造体は、光の一部の波長を伝搬し、その他を停止することを可能にする、フォトニック結晶のような挙動を示す。ナノ粒子が高密度に充填されている場合、その構造体は、いわゆるプラズモン結晶として機能し、全く新たな光学特性を示す。銀粒子の縁部に、プラズモンと呼ばれる表面エネルギー波が集中するようになる。ちょうどフォトニック結晶が一部の光子を通過させてその他の光子を制限するように、この新たな結晶は、プラズモンの形態の光に含まれるエネルギーの流れを制御する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｊ．Ｌ．ＹＡＯ、他、Ｐｕｒｅ  Ａｐｐ．  Ｃｈｅｍ．、２０００年、Ｖｏｌ．７２、Ｎｏ．１、ｐｐ．２２１−２２８、
【非特許文献２】Ｗｅｒａｙｕｔ  Ｓｒｉｔｕｒａｖａｎｉｃｈ、他、“Ｆｌｙｉｎｇ  ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  Ｌｅｎｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｎｅａｒｆｉｅｌｄ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”、Ｎａｔｕｒｅ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ３、２００８年、ｐ．７３３−７３７
【非特許文献３】Ｓｔｏｃｋｍａｎ、他、ＭＰＩ  −  Ｑｕａｎｔｅｎｏｐｔｉｋ、Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎ．  １、２００７年、５３９
【非特許文献４】Ｓ．  Ｋｉｍ、他、Ｎａｔｕｒｅ、４５３、２００８年、７５７
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、並列アプローチリソグラフィによって予めパターン形成した表面から最終基板へとパターンを複製する方法に関する。前記予めパターン形成した表面は、予めパターン形成した適当な金属を有する透明基板を含む。前記方法は、プラズモン放射光または波に反応する化学組成物（レジスト）で前記最終基板を被覆するステップと、前記予めパターン形成した表面及び前記最終基板を、前記表面から好ましくは０から３０ｎｍ、より好ましくは０から１０ｎｍであるナノメートル範囲の近接領域に近付けるステップと、前記予めパターン形成した表面にプラズモン放射光または波を当て、前記予めパターン形成した表面からレプリカを作製するステップと、を含む。
【０００７】
一態様によると、前記予めパターン形成した表面は、透明基板上にナノまたはマイクロ構造のパターンを含み得る。
【０００８】
一態様によると、前記透明基板は、前記プラズモン放射光または波の照射波長に対して透明とすることができる。
【０００９】
一態様によると、前記パターンは金属層によって画定され得る。
【００１０】
一態様によると、金属層は、０．１から１００ナノメートルの間の厚さを有し得る。
【００１１】
一態様によると、金属層は、プラズモン共鳴が起こるために必要な特性を有する金属からなり得る。
【００１２】
一態様によると、金属層は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、及び／またはＣｏからなり得る。
【００１３】
一態様によると、前記プラズモン波（光）は、前記表面から数ナノメートル、好ましくは０から１０ｎｍ、またはさらに好ましくは０から３０ｎｍの範囲で前記予めパターン形成した表面の表面上のみで生成され、放射されるプラズモン波（光）の波長は、前記材料、前記表面上のパターン、及び前記照射条件に依存し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】キャリア及び構造化された層の概略図を示す。
【図２】キャリア及び構造化された層の概略図を示す。
【図３】キャリア及び構造化された層の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の主題は、共鳴表面構造によって実現される、特別な電磁気特性を有する表面及び薄層である。マイクロ波領域において、この種の構造は、数十年前から調査、製造、及び商業利用されてきた。新興のナノテクノロジーを使用して、現在ではこれらの設計はテラヘルツ、赤外、及び光周波数の規模となり、それにより、可視領域に至る波長の波の伝搬、吸収及び反射を制御する新たな手段が期待される。さらに、共鳴構造に特有の高い電界（磁界）強度は、例えば表面増強ラマン散乱に基づく測定システムの感度をさせるために共鳴表面構造を利用した改良されたセンサー技術の可能性を切り開く。
【００１６】
電磁放射線の周波数がマイクロウェーブ領域から光領域まで増加する場合、金属はもはや完全な導電体として扱うことができない。例えば金及び銀のプラズモン周波数は、可視周波数の直ぐ上にあり、そのため、これらの金属は可視領域での誘電率において、強い分散を示す。このため、マイクロウェーブ領域において共鳴を示す、純粋な構造のナノスケールへの縮小は簡単ではなく、光領域における共鳴構造を設計するためにより精巧な方法が必要とされる。しかしながら、マイクロウェーブ領域からの発想の多くは、光領域においてもガイドラインとして使用することができる。我々が光領域で使用する方法は、組織内で開発された、周波数依存誘電率の表示値を通して金属の有限導電率を考慮した周波数領域法である。本方法は、特に周期構造のために設計されたものであるが、非周期系を含む、より一般的なナノ構造にも使用することができる。
【００１７】
近年、不透明スクリーンにおけるサブ波長開口を通した電磁エネルギーの透過への関心が高まっている。波長が開口の寸法よりもずっと大きい場合、単一円状の開口を通した透過は無視できる程度にわずかであることが知られている。異常透過は、例えば開口の周期的配列開口の波型の周囲、及び共鳴開口（表面プラズモン共鳴など）で起こり得る。これらの特性は、マイクロウェーブ領域における周波数選択性表面及び開口アンテナに類似している。
【００１８】
光学周波数用のナノアンテナは、いくつかの有望な用途を有しており、最終的にさまざまなナノ要素をまとめる光通信無線をもたらすことができる。これらのアンテナは、プラズモンに基づくものであるが、概念的には古典的なマイクロウェーブ要素と類似している。光回路、すなわち、標準的な電子機器において集中素子が電圧及び電流を制御する方法に類似した方法で局所的電磁場を操作するサブ波長メタマテリアル構造は、正確な機械類の回路理論及び光学周波数での情報処理に適用される可能性をもたらし得る。
【００１９】
１５から７０ｎｍの範囲の径を有する様々な金属ナノワイヤの２次元配列は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、及びＣｏの金属を陽極酸化アルミニウム（ＡＡＯ）膜のナノ孔へと電着し、その後膜を部分的に除去することによって製造した。強い表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）効果が、通常は非ＳＥＲＳ活性基板として認識されるＮｉ、Ｃｏ金属を含む、金属ナノワイヤ配列から観察されている（非特許文献１）。
【００２０】
構造化される表面の上部を飛ぶプラズモンレンズの配列を使用したマスクの無いナノリソグラフィは、短波長表面プラズモンを１００ｎｍ未満のスポットへと集める。これらのスポットは、近接場においてのみ形成される（非特許文献２）。
【００２１】
最先端のナノファブリケーション装置を用いて、ナノメートルスケールの精度のサブ波長パターンを有する単層及び多層金属薄膜を製造した。原子層堆積（ＡＬＤ）及び様々な熱蒸発技術を採用して、単一金属膜、金属／誘電体二層膜、金属／誘電体多層膜などを含む、さまざまな薄膜構造体を作製した。サブ波長周期構造は、リソグラフィ、集束イオンビームリソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィなどによって薄膜上に形成された。超高感度表面増強分光法（ＳＥＳ）及び表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）センサーを達成するために、製造された金属ナノ構造に基づくトップダウン法が主に使用される。
【００２２】
光領域における理論的研究は、どのように光と相互作用している構造化された薄膜を使用して、さまざまな種類の光共鳴を有効利用した新規の光特性を得ることができるかというものである。これらの特性として、光伝送の依存性、すなわち、入射光の周波数、極性、及び入射角に関して、反射率、透過率、及び吸収率を調整する能力が挙げられる。さらには、表面波の励起の及び制御の可能性、近接場増強、ならびに負の屈折率、クローキング及び完璧なレンズなどのより珍しい特性も挙げられる。
【００２３】
波形の金属膜表面プラズモン（ＳＰ）は、膜が光によって照射されたときに開始され得る。これらの表面プラズモンは、例えば情報伝達の目的のために、離れた位置の膜を連結するために使用することができる進行波であえる。表面プラズモンの励振強度は波形の種類、及び入射光の形態に依存する一方で、表面プラズモンの伝搬は、平面構造によって制御することが可能である。孤立金属粒子は、局在表面プラズモン（ＬＳＰ）と称される共鳴を示す。これらの共鳴では、近接場は、粒子の周囲数十ナノメートルのみの領域に強い増大及び局在化を示し、これは非線形光学現象にとって興味深く重要なことである。局在表面プラズモン活性金属粒子が膜の上部または内部に位置する場合、誘電体膜の輸送特性は、制御可能な方法で大幅に変更され得る。同様に、表面プラズモン共鳴の調節によって最大の同調性がもたらされる、波形の種類を変更することによって、周期的な波形金属膜の光学応答を調整することができる。周波数応答だけでなく、偏光依存及び入射光の入射角への依存もまた、構造寸法、形状、及び構成材料を変更することによって、高度に制御することができる。異なる層が誘電体、金属、及び表面プラズモン活性または局在表面プラズモン活性である多層薄膜では、さらに広範囲の制御可能な特性が現われる。これらの構造では、誘電体層は、導波モードを支持することができ、多様な種類の共鳴の相互作用によって非常に高い同調性の機会が与えられる。これらのメタマテリアルでは、負の屈折率、完全なレンズ、平面レンズ、及び光学クローキングなど珍しい特徴の可能性が予測される。
【００２４】
前述のように、電磁場とサブ波長構造との間の相互作用は、可視光でのナノ構造からマイクロウェーブ周波数での普通のアンテナまで、多くの材料問題で起こる。近年、散乱及び吸収断面積の総和則に基づく一連の新たな範囲がメタマテリアル及びアンテナに適用されており、それによりサブ波長相互作用の周波数特性への正確な推測が提供される。
【００２５】
材料モデルはそれほど変化しないため、マイクロウェーブ領域から設計ノウハウを拡大縮小することは比較的簡単であり、吸収体、帯域通過及び帯域消去フィルタ、さらにはＴＨｚ用途のアレイアンテナなどの重要な部材を構成することが可能となる。
【００２６】
一般的に、量子系は非常に脆弱かつ短寿命であると考えられている。実際には、これは必ずしも真実ではない。一般的に光子は、量子情報の素晴らしく強固なキャリアであり、我々が知る限り、光の量子状態にコードされた情報は、数千光年にわたって摂動を受けずに伝送される。しかしながら、光子同士の相互作用は非常に弱く、古典的な光計算及び量子計算のための論理演算は、その他の種類の相互作用も含めて実施しなければならない。
【００２７】
ナノプラズモン素子の基礎を形成する表面プラズモン現象は、ナノメートル長及びフェムト／アト秒時間スケールで起こる集団の電荷ゆらぎである。空間の広がりは、共鳴（ナノ）構造における長さスケールによって決定され、時間的スケールは、フェムト秒、さらにはアト秒時間スケールで広がるナノプラズモン系における離調時間及び集団動作によって決定される。その結果、ナノスケールの空間及びアト秒時間分解能を有する測定技術が強く望まれる。しかしながら、基本時間及び空間の時間スケールでの表面プラズモンモードの同時画像は、決して簡単なものではなく、光学方法ではなし得なかった。
【００２８】
診断性能を根本的に向上させるために、我々は、光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）及びアト秒ＸＵＶ／ＩＲレーザ技術を組み合わせて、アト秒時間分解能及びナノメートル方位分解能で表面プラズモンの動態を直接撮像した。この技術は、分析しているナノプラズモン領域を乱すことはなく、原理上は、表面プラズモンナノシステムにおける超高速処理の直接制御が可能となるはずである。この概念の実現可能性及び重要性は、非特許文献３にも記載されている。
【００２９】
プラズモン増強及び診断法開発の見事な組み合わせにおいて、我々は、近年実証されたように（非特許文献４）、高次高調波発生のためのナノ構造体の配列によって提供される共鳴プラズモン増強を使用した。共鳴効果に起因して、高調波を発生させるために必要なレーザ強度は、通常必要とされる強度よりも１０００分の１未満である。結果として、単純なレーザ発振器を使用して高調波を生成することができる。これにより、多数の用途に興味深いレーザのような特性、超短期間、及びＭＨｚの繰り返し数を有する、非常に小型であり、比較的安価であり、非常に有用なコヒーレントＸＵＶ源を製造することが可能となった。われわれのこのアト−ＰＥＥＭ診断ツールの開発は、潜在的に、電磁気活性構造の評価のための標準ツールに発展し得る。
【００３０】
以下のリストは、本発明の背景の概要である。
・波形金属膜において、膜に光を照射したときに表面プラズモン（ＳＰ）が開始され得る。
・孤立金属粒子は、局在表面プラズモン（ＬＳＰ）と称される共鳴を示し得る。
・これらの共鳴では、近接場は金属表面の周囲数十ナノメートルのみの領域で強い増強及び局在化を示し、これは、非線形光現象にとって興味深くかつ重要である。
・表面プラズモンの励振強度は波形の種類、及び入射光の形態に依存する一方で、表面プラズモンの伝播は、平面構造によって制御することができる。
【００３１】
本発明は、予めパターン形成した表面から最終基板へとパターンを複製する方法を記載する。本技術は、プラズモン波と称される、ナノメートルサイズのパターン層において生成されたラマン散乱波を使用する。このプラズモン波（光）は、表面から数ナノメートルの近接範囲における材料の表面上のみで生成される。放出波（光）の波長は、表面上のパターン、材料及び照射光条件に依存する。この工程では、キャリア物体は、プラズモン放射光または波に反応する化学組成物によって被覆される。ガラス基板は、マスクとして機能する適当な金属または半導体材料を用いて予めパターン形成される。マスク及び最終基板は、ナノメートル範囲の近接距離に近付けられる。マスクは、高出力光源を用いて照射される。この照射によって、マスクの表面上にプラズモン光が発光される。このプラズモン光はその後、最終基板に当たり、マスクからレプリカを生成する。この工程により、基板表面全体に瞬時にレプリカが生成され、これは、直接描画またはマスクレスリソグラフィと比較して、並列リソグラフィアプローチとなっている。
【００３２】
放射されたプラズモン光の効果を利用するため、マスク基板とパターン形成される最終基板との間の距離は、０から３０ｎｍの間とすることができる。マスクは透明基板からなり、パターンが直列の（直接）描画リソグラフィ技術及びプラズマエッチングまたはマスク被覆材料への自己集合を通して画定されるところに、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、及びＣｏである金属の薄層で被覆される。プラズモン効果は、被覆材料のパターンの間の隙間に生成される。マスク上に画定されたパターンは、被覆層から除去される部分である。処理において照明効果の影響を排除するために、パターンにおける間隔は、照射光の波長よりも小さくなるであろう。該間隔は、１００ナノメール未満の範囲である。
【００３３】
図１は、透明キャリア（１）、例えばガラス基板と、構造化された金属層を有する最終基板（２）と、を備える予めパターン形成した表面を示す。
図２は、構造化された金属層（２２）内にプラズモン光（２３）を生成するための照明光源（２４）を示す。光は、透明キャリア（２１）を通ってある角度（２５）をなして構造化された金属層（２２）に当たる。
図３は、構造化された金属層（３２）内にプラズモン放射光（３３）を生成するための照明光源（３４）を示す。光は、透明キャリア基板（３１）を通ってある角度（３５）をなして金属層（３２）に当たり、金属層はプラズモン光（３３）を放出する。プラズモン放射光（３３）は、ウエハ（３７）上にある感光層（３６）の一部分を照射する。
【００３４】
発明の保護範囲は、添付の特許請求の範囲において定義される。
【符号の説明】
【００３５】
１、２１、３１  キャリア基板
２、２２、３２  最終基板
２３、３３  プラズモン光
２４、３４  照明光源
２５、３５  角度
３６  感光層
３７  ウエハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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