JP5405574B2 - テンプレート、およびリソグラフィ用高アスペクト比テンプレートを製造する方法、ならびにナノスケールで基板を穿孔するためのテンプレートの使用 - Google Patents

Description

本発明は、テンプレート、およびリソグラフィ用高アスペクト比テンプレートを形成する方法、ならびにナノスケールで基板を穿孔するためのテンプレートの使用に関する。

ＣＭＯＳデバイスの小型化はこれまで、電子部品は２年ごとに寸法が半分に縮小する動向（多くの場合ムーアの法則と呼ばれる）に支配されていた。国際半導体技術ロードマップ（ＩＴＲＳ）により、このモデルに従って推測される成長曲線が確立されている。このような進歩率に付随した速度、高集積レベル、高性能および低生産コストの要求は、非常に厳しい。その結果、フィーチャ寸法（ｆｅａｔｕｒｅ ｓｉｚｅ）を縮小する際の要求に関連する問題はエスカレートし、多くの問題の中でも、ナノスケールでリソグラフィによりパターンを転写することが重要となる。したがって、ごく近い将来にシリコン技術の進歩を突極的に妨げることになるこれらの問題に対する代替の解決策を模索する必要がある。このことは、低コストで大量生産に適合するパターン転写解決法の新たな方法を考案することが、予測される成長率の維持には不可欠であることを意味する。集積回路を製造する場合には、リソグラフィが重要なプロセスであり、層から層へパターンを転写するために使用される。今日広く使用されている光リソグラフィ技術は、光学、波長、レンズ等に支配されるその本質的な限界に到達しつつあり、現在の要求に対処するために高価な装置に頼らざるを得ない。このような従来のリソグラフィ方法の１つの代替案が、米国特許第５７７２９０５号に記載されているナノインプリントリソグラフィであり、そこではナノスケールのフィーチャを有するスタンプが熱可塑性ポリマーに押し付けられる。この特定の特許においては、基板をエッチングして転写しようとするパターンを作成することによってスタンプが製造されたが、モールドを作成するために典型的な金属、誘電体または半導体バルク材料が使用される。このスタンプは、モールド、モールド、ダイまたはテンプレートと名付けられることがあり、ナノインプリントリソグラフィが「インプリントリソグラフィ」と称されることがある。ポリマーを加熱する一方で、スタンプを用いてインプリントする。冷却後、ポリマーからスタンプを取り除き、それによりスタンプにはここでナノスケールのフィーチャがインプリントされている。このプロセスが図１に記載されており、スタンプ１００が突起１０２を有する。これらの突起は通常、シリコンをベースとする材料から作製される。

パターニングしようとする層１０４および堆積させたレジスト層１０３を有するウエハ１０５も図１Ａに示される。図１Ｂは、ポリマーがコーティングされたウエハに向かって押し付けられたスタンプを示し、ポリマーのガラス転移温度よりも高い温度まで加熱されている。冷却後、スタンプを持ち上げると図１Ｃに示されるように、パターン化レジスト層１０３にくぼみ１０７が存在する。プラズマエッチングを利用して不要な残留物を取り除くことにより、ポリマー層の１０８を実現する。図１Ｄ参照。このポリマーをマスクとして使用して、エッチングによって層１０４を（１０９へと）パターニングする。結果は図１Ｅに示される。図１Ｆに示されるように残留ポリマーを取り除く。エッチバック処理の代わりに、リフトオフ処理を使用することができる。その後、パターン化レジスト層の上に金属層を堆積させ、レジストのリフトオフによって金属層の不要な部分（レジストの上にある）を取り除く。

今日のナノインプリンティングスタンプは、レジスト層からの切り離し機構の質の悪さに悩まされている。一方、この技術のいくつかの改良が米国特許第６３０９５８０号に提示され、切り離し特性を向上させるためにスタンプに塗布される固着防止（ａｎｔｉ−ｓｔｉｃｋｉｎｇ）材料の使用について記載されている。さらに切り離し特性を高めるために、ＷＯ２００６／０２８２８２では、モールド上でカーボンナノウォールが使用される。スタンプ材料としてＳｉＣ基板を使用することによるスタンプ寿命の別の改良が、米国特許第７０８０５９６号に記載されていた。スタンプの第３の改良が米国特許第６９４３１１７号に記載され、そこでは標準的なナノインプリント中の接触による圧力および問題を回避するために、紫外線放射（ＵＶ）インプリントリソグラフィが導入される。この方法においては、透明基板が使用され、高圧の実施が回避される。しかしながら、この方法には、紫外線透明基板に対してのみ有効であるという制限がある。

成長ナノ構造は、分子構造と顕微鏡的（マイクロメータサイズの）構造との中間の大きさの物体である。過去１０年間、多くの様々な種類のナノ構造が調査されてきた。これらナノ構造の１つの重要な側面がその異方特性で、これは、構造の異なる方向では特性が大きくなることを意味する。例えば、炭素ナノ構造体が、ナノエレクトロニクス、微小電気機械システム（ＮＥＭＳ）、センサ、コンタクト電極、ナノフォトニクスおよびナノバイオテクノロジーの今後の発展にとって最も有望な候補１つであると考えられている。これは主に、それら炭素ナノ構造体の一次元性ならびに固有の電気的、光学的および機械的特性によるものである。カーボンナノチューブおよび炭素ナノ繊維が、少なくともそれらの電気的および熱的素子ならびにそれらの強度により、能動素子用にも、また相互接続技術としても考えられている。例えば、カーボンナノチューブの高い電子移動度（７９，０００ｃｍ^２／Ｖｓ）は、最先端のＭＯＳＦＥＴデバイスの電子移動度を上回る。最後に、１ＴＰａと高い個々のナノ構造の高弾性率（材料の強度を示す）が、その軸に沿って報告されている。しかしながら、横軸方向の弾性率は桁違いに小さい。したがって、カーボンナノチューブおよび炭素ナノ繊維が、高い強度が必要とされる用途には適した選択である。

しかしながら、本発明者らの知る限りでは、マクロスケールからナノメートルスケールまでを網羅する分解能を有する高アスペクト比、再生利用可能、再加工可能テンプレート／モールド／装置を提供するために、インプリント技術用のテンプレート／モールド／装置を作製するための装置として成長ナノ構造を使用することをまだ誰も認識していない。さらに、産業で使用されている従来のリソグラフィ技術に取って代わる、インプリント技術とナノ構造成長技術とを組み合わせたリソグラフィ方法の開発の可能性もまだ認識されていない。

さらには、ナノ構造を有するテンプレートが、基板を穿孔するために使用されたこともない。

問題定義：
基板選択：スタンプを作製するために使用される典型的なベース基板は、軟質および脆性材料であるが、繰り返される処理工程により破損、損傷および摩耗を受けやすいシリコンである（Ｌｅｅら、米国特許第７０８０５９６号）。したがって、スタンプの寿命を向上させるために、Ｌｅｅら（米国特許第７０８０５９６号）により、高弾性率のより強い材料、ＳｉＣを使用することによってスタンプ特性が改善されている。しかしながら、材料の選択は依然として、等方性材料特性を有する三次元バルク材料である。他の材料の選択肢は、酸化ケイ素、窒化ケイ素または金属であるが、これらもまた基本的に、不十分な等方性の弾性率特性を示す。さらに、ＳｉＣ材料に関連する問題は、スタンプを形成するための処理に固有の困難さおよび関連する処理の複雑さ、ならびに出発基板材料として購入するには非常に高価な基板である。Ｊｕｎ−ｈｏ Ｊｅｏｎｇらにより、米国特許第６９４３１１７号における別の異なる手法が導入され、その米国特許にはインプリントリソグラフィと共に紫外線放射（ＵＶ）について記載されている。目的は、標準的なナノインプリント中のポリマー層との接触による圧力および問題を回避することである。この方法においては、透明基板が使用され、高圧の実施が回避される。しかしながら、この方法には、ＵＶ透明基板に対してのみ有効であるという制限があり、紫外線依存性がある。さらに、この方法には、透明基板上にテンプレートを取り付けることが必要であり、より高度な処理、接着および剥離を伴う。本発明においては、再利用可能で再加工可能なテンプレートを可能とし、基板の選択と無関係で、放射に依存しないテンプレート作製用異方性材料を利用することによって、スタンプ特性の改良に第三次元を加える。しかしながら、本発明によるスタンプと共に、放射を追加の機能として使用することができる。

アスペクト比およびピッチの制限：（ａ）高アスペクト比構造により、処理下で破損する（寿命がより短い）機械的安定性の悪いテンプレートがもたらされ、（ｂ）鉛直方向にかなり長い構造を作製するためには時間のかかる複雑な処理が伴い、また（ｃ）再現性が悪く、不経済となるため、ピッチが小さい高アスペクト比（すなわち１：１０よりも高い）の構造を今日の方法によって作製することは不可能である。また、エレクトロニクスの実用化に向けて、今日、ＤＲＡＭ積層コンデンサにおける相互接続用のコンタクトホールのアスペクト比は１２：１に達し、２０１６年までに２３：１にまで増大させることが期待されている。壁が真っすぐであるこのような高アスペクト比のコンタクトを作製すると、相当な技術的課題がもたらされる。これは特に、このような高アスペクト比のフィーチャを金属でボイドなく充てんすること（ビアとしても知られている）が非常に困難であるからである。

厚いレジストの使用不可能：今日の技術により達成可能であるアスペクト比が原因で、インプリンティング材料として厚いレジストを使用することは不可能である。これは、インプリンティング用の柱がレジスト層を完全に貫通することができないためである。したがって、標準的なスタンプは、標準的なリソグラフィ／パターン転写の目的には重要である、標準的なリソグラフィレジストまたはパターン転写用の厚いレジスト層と共に機能するには実用的でなくなる。

再生利用不可能：インプリンティング用のスタンプまたはテンプレートを製造するために使用される今日の基板は、脆性シリコンウエハ製である。これらの基板は、スタンプまたはテンプレートが使用不可能になると通常捨てられる。ＳｉＣ基板の欠点は、硬過ぎて再加工できない材料であり、厳密な処理工程を必要とする（何回もスタンプを使用することで柱または基板が破損することがある）ことであり、したがってＳｉＣ基板は再生利用するには実用的でない。

再加工不可能：基板に関係なく、図１（標準的方法）による突出部分が処理のために破損すると、スタンプは基本的に使い物にならなくなり、テンプレートの再加工（現在のレイアウトを取り除くこと、同じ基板上に再度図柄を作製／転写すること、典型的には高価な電子ビームリソグラフィがパターン転写には使用される）は、技術的問題およびプロセスに関連するコストのために事実上不可能となる。本発明によれば、テンプレートは、単純な音波処理によって、または化学エッチングによって、または化学機械研磨によって既存のナノ構造パターンを取り除くことで再加工可能であり、その後同じ場所からナノ構造を再成長させ、それにより以前の通りテンプレートが得られる。

大量の廃棄物発生：今日の技術は、基板を再使用する、または同じ基板上にテンプレートを再作製するには限界があり、したがって、再加工不可能な基板およびスタンプを破棄するために環境に優しくなくなることで、大量の廃棄物を生じさせる。本発明によれば、技術がより環境に優しくなるようにかなりの程度まで（基板が完全に粉々にならない限り、すなわち、シリコン）再使用および再加工することが可能となる。さらに、本発明によれば、基板／ベース基板として脆弱でない任意の基板を使用することができ、また同じ基板／ベース基板上にテンプレートを再作成するために何度も何度も繰り返して使用することができる。

産業上の利用可能性：一般に、既存の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）作製技術と適合するナノスケールのテンプレートを作製することが非常に望ましい。産業プロセスにおいてナノ構造を探求するための必要条件は、再現性の高いデバイスの大量生産を制御することが可能であることである。本発明によれば、本明細書中に記載されている方法では標準的な化学気相成長（ＣＶＤ）を使用して、正確な位置、長さ、直径、形状および配向が制御され歩留まりが非常に高いそのようなナノ構造を成長させる。本発明によれば、所与のＣＭＯＳ製造工場でテンプレートを作製することができ、発明した技術が産業上適用可能となる。

その結果、テンプレート製造に再生利用可能および再加工可能で、廃棄物管理を最小限に抑え、ナノスケール分解能を犠牲にすることなくテンプレートの寿命を増大させるナノスケールのテンプレートが必要である。メモリ素子、ナノインプリンティング、エンボス加工、高秩序の有孔材料にはナノスケールで高アスペクト比（１：２０より高い）構造が必要であることは別としてである。

本発明の目的は、上述の問題を完全に、または少なくとも一部取り除くことである。

一態様において、ナノインプリント・テンプレートまたはスタンプの（ａ）高アスペクト比で、（ｂ）再加工可能な、（ｃ）再生利用可能な、かつ（ｄ）制御可能な形状によって、ナノスケールでテンプレートまたはスタンプを提供することにより本発明に従ってこの目的を実現する。このテンプレートまたはスタンプは、テンプレートを作成するために基板を加工する代わりのベース基板と、その基板上に堆積されている触媒層とを備える。その後、リソグラフィプロファイル（テンプレート／スタンプ／モールド）を画定する触媒層から、少なくとも１つのナノ構造を成長させる。本発明の一態様においては、ナノ構造のアスペクト比を、ナノ構造の成長によって制御することができる。本発明によれば、このナノ構造の硬度は、通常シリコン、または酸化ケイ素もしくは窒化ケイ素で使用する場合よりも高い。このナノ構造は、垂直圧下でナノ構造のリソグラフィプロファイルを維持するために高いヤング率を有する。本発明によれば、本発明の一態様において、ナノ構造をベースとするテンプレートは、１バール〜２００バールを超える、好ましくは１バール〜６０バールの垂直圧に耐えることができる。

本発明により、（ａ）リソグラフィ用の高アスペクト比テンプレートを生産することが可能となり、（ｂ）パターン転写用のスタンピング層として薄いレジスト層のみを使用する必要性が排除され、（ｃ）形状、直径、長さ、異なるアスペクト比など様々な制御された特性を有するテンプレートパターンが複製され、（ｄ）高アスペクト比の半／全有孔材料を作製することが可能となり、（ｆ）制御可能な低誘電率材料、（ｇ）再生利用可能なインプリンティングスタンプ／テンプレート、（ｈ）再加工可能な環境に優しいテンプレートを作製することが可能となり、その場合、基板およびテンプレートの寿命は多くの要因によって増大する。本発明のこれらの能力は、従来技術では達成不可能である。

本発明によるこのようなテンプレートを生産するために、任意の固体、金属、半金属、セラミックまたはポリマー基板を使用することができる。エレクトロニクス産業において使用される典型的な基板は、シリコン、酸化されたシリコン、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ＩＴＯ、ＧａＮ、ＧａＡｓおよびポリマーである。ＩＴＯ、石英、ガラス、サファイアおよびダイヤモンドなど、任意の光学的に透明な基板を使用することができる。ポリイミド、エポキシ、ＰＤＭＳ、ＳＵ８、ＳＡＬ６０１など任意のポリマーを、基板として使用することができる。周期表からの任意の金属を使用することもできる。銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、タンタル（Ｔａ）、オスミウム（Ｏｓ）、クロム（Ｃｒ）、Ｔｉ、鉄、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）など、一部の典型的な金属が有効である。それら金属の任意の金属合金および化合物、例えば、ＮｉＣｒ、コンスタンタン（ＣｕＮｉ）、ステンレス鋼等も有効である。

本発明の一態様において、成長が触媒的に制御される場合には、所定の触媒からナノ構造を成長させることができる。しかしながら、無触媒成長も予測される。ナノ構造の特性を成長させ制御する方法が、特許出願第ＷＯ２００６１１５４５３号に開示されており、そこではナノ構造の成長特性を制御するために複数の材料が使用され、成長ナノ構造のための安定した土台を提供することができる。最も一般に使用される金属触媒は、Ｆｅ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、Ａｕ、Ｐｔ、ＰｄおよびＣｏである。Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｙ、Ｃｏ−ＣｕおよびＣｏ−Ｓｎを用いた、ナノ構造を成長させるための多くの二元金属触媒も有効である。本発明で示すような成長ナノ構造の特性を促進または制御するために、触媒層の下で異なる材料を使用することができる（ＷＯ２００６／１１５４５３）。ナノ構造の成長は化学気相成長法で行うことができるが、これに限定されない。ＲＰＥＣＶＤ、熱ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤなどの化学気相成長（ＣＶＤ）法を、成長させるために実施することができる。ナノ構造は、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノ繊維、ナノコーン、ナノウイスカ、およびナノホーンからなる群より選択される材料、または高いヤング率を有する他の任意の形の細長いナノ構造から製造することができる。ナノ構造は炭素原子で製造することができるが、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯおよびこれらの組合せなど、周期表のＩＩＩ−Ｖ、ＩＩ−ＶＩ族から選択される材料製でもよい。本発明の一態様において、成長ナノ構造は、それらナノ構造が成長する基板と同じ種類ではない。

本発明の一態様においては、絶縁性基板上にナノ構造を成長させるために支持層を使用することができ、その場合、米国特許出願第６１／０３１３３３号に記載されているように、成長後に支持層を選択的に取り除くことができる。その後、成長が触媒的に制御される場合には、所定の触媒層からナノ構造を成長させることができる。

本発明の一態様においては、ナノ構造を成長させた後、様々な異なる用途向けにナノ構造の機能性を高めるために、金属、半導体、半絶縁体、絶縁体またはポリマーでナノ構造にコーティングを施すことができる。例えば、エンボス加工材料からのスタンプの切り離し機構を改善するために、固着防止層として作用するポリマーで、成長ナノ構造をコーティングすることができる。本発明の一態様においては、ナノ構造が導電性であるまたは導電性材料でコーティングされている導電性スタンプで、電気化学的ナノインプリントを行うことができる。ナノ構造の疎水性または親水性表面を得るために、ナノ構造のポリマーコーティングを行うことができる。

本発明のさらなる態様は、マスクテンプレートを使用するリソグラフィ方法に関し、ベース基板上にレジストを堆積させる工程と、ナノ構造が形成されているマスクテンプレートをレジストと接触させる工程と、マスクテンプレートに所定の垂直圧を加える工程と、レジストからマスクテンプレートを分離する工程とを含む。

本発明のさらなる態様は、ベース基板と、ベース基板上に堆積されている触媒層とを備えるテンプレートの使用に関し、この使用において、リソグラフィプロファイルを画定する触媒層から少なくとも１つのナノ構造が成長し、ナノ構造のアスペクト比が、ナノ構造の成長によって制御され、前記少なくとも１つのナノ構造が、垂直圧下でナノ構造のリソグラフィプロファイルを維持するような硬度を有し、材料を穿孔するために、この使用は、ベース基板上に、穿孔しようとする材料の層を堆積させ、テンプレートを材料と接触させ、テンプレートに所定の垂直圧を加え、材料からテンプレートを分離することを含む。

複製：本発明によれば、所与の設計用の最初のテンプレートのみを、従来の電子ビーム／光リソグラフィによって作製する必要があるが、複製を行うことができる。最初のテンプレートを作製すると、インプリンティングおよびその後のナノ構造の成長により基板にパターンを転写することによって、テンプレートを作製することができる。さらに、本発明の一態様においては、成長ナノ構造のパターン、形状および特性を、成長レシピによって制御することができる。複製手順に従うことによって、さらなる複製が予測される。したがって、単一のテンプレートから、さらなる電子ビーム／光フォトリソグラフィを用いることなく様々な異なる特性を有する多くのテンプレートを製造することができる。

低誘電率誘電体：国際半導体技術ロードマップによれば、継続するデバイススケーリングにより、１００ｎｍ技術ノードおよびそれ以上に向けてｋ値が２．５未満である超低誘電率材料が必要となると予測されている。この文献においては、緻密な誘電体への多孔性の導入が、超低誘電率材料を得るための魅力的な方法であることが議論されている。より低い誘電率を得るための方法の１つは、無機または有機誘電体材料のフッ素化である。Ｊｉｎ Ｃらによれば、フッ素化された緻密な材料について入手可能な最も低い誘電率ｋは、約１．９前後（Ｔｅｆｌｏｎ）で、緻密な材料を用いる現在の手法のいずれも、その誘電率よりも低いｋ値を実現するとは期待されない。しかしながら、空気は、可能な最も低い誘電率ｋ約１を有する。したがって、緻密な材料を多孔質とするためにそれら材料に空気を導入することは、超低誘電率材料を得るための方法である。誘電率の低下は、細孔への空気の導入により生じ、誘電率ｋを約２より低くする可能性を有する。性能目標を達成するために、将来の技術ノードには、漸進的により低い誘電率を有する材料が必要となる。技術ノード毎の誘電率の変化により、プロセスおよび装置の複雑さならびに開発費が増大する。したがって、複数の将来の技術ノードについての要件を満たすことができる１つの材料群を提供することが望ましい。本発明の別の態様においては、制御可能な低誘電率材料を開発するために、作製したテンプレートを使用することができる。基板上に誘電体材料をスピンコーティングする場合。誘電体材料にテンプレートを押し付けて全体的または部分的に穴を空けるが、その場合穴の密度、深さおよび寸法は、圧力、ナノ構造テンプレートの寸法およびナノ構造テンプレートのアスペクト比によって制御する。こうして穿孔誘電体材料は、必要に応じて調整することができる誘電率を有することになる。したがって、本発明により調整可能な誘電体材料の生産が提供されるため、複数の技術ノードを維持するための拡張性が本発明により提供される。

有孔材料：多くの異なる用途において、様々な理由で有孔材料が使用される。スクリーン、フィルタ、シールドおよびガードとして主に使用される。一部の用途では、有孔材料がある一定の機能を果たし、すなわち、音声周波数を減衰し、あるレベルの電磁遮蔽をもたらさなければならないこと等が必要とされる。有孔材料は、空気、液体、光、固体、熱、分子、生体分子、電磁波および音波の通過を制御することができる。有孔材料は、選択的透過膜、部分透過膜または特異的透過膜とも呼ばれる半透膜など、様々な条件がある膜でもよい。これらの膜は、浸透または逆浸透の目的で使用することができる。例えば、逆浸透では、浄水または脱塩システムに半透膜を使用する。これら人工膜は、通常ポリイミド材料から製造される。それらの膜は、蓄電池や燃料電池などの化学的用途においても使用される。半透膜の別の例は、透析管である。本発明の一態様においては、本発明により作製したテンプレートを使用して、穿孔しようとする層を有するテンプレートのエンボス加工またはインプリンティングによって有孔材料を作製することができる。材料は、金属、絶縁体またはポリマーの群からでよい。一態様においては、穿孔する必要がある材料を、基板上にスピンコーティングもしくはスパッタリングする、または蒸着させる。本発明によるテンプレートを、エンボス加工またはインプリンティングのように、コーティングした材料上に押し付ける。代替手法として、コーティングした層の温度をその後、層がナノ構造テンプレートの周りを自由に移動することができるように、ガラス転移温度に達するよう上昇させることができる。その後層は、パターン転写プロセス、テンプレートの取り外し、穿孔の生成を完了させるために、ガラス転移温度よりも低い温度まで冷却されなければならない。この材料層をその後基板から持ち上げて、膜を切り離すことができる。上記と同様にして、マイクロおよび／またはナノ流体デバイスを作製することもできる。

本発明の一態様においては、本発明によるテンプレートを、エンボス加工またはインプリンティングのように金属層上に押し付ける。一態様においてはその後、リフロー、急速加熱アニール処理（ＲＴＰ）、急速加熱処理（ＲＴＰ）などにおいて金属層を高温にさらして、金属材料上にナノ構造を接着、接合またはエンボス加工する。

再生利用可能なテンプレート：今日のテンプレートまたはスタンプ基板は一度だけ使用することができる。スタンプから柱が破損した場合、基板は通常ごみとして捨てられ、基板廃棄物を生じる。あるいは、基板が破損していない場合（ＳｉＣの場合）、テンプレートが損傷を受けただけの場合であっても、同じテンプレートを製造するためにその基板を再利用することは、実用的でなく、また経済的でもない。本発明により、経済的プロセスを生み出すための方法が提供され、同じ基板を何度も使用するための再加工可能かつ再生利用可能なテンプレートを容易にすることによって、基板の長寿命化が可能となり、持続可能な環境が可能となる。さらに、本発明により、テンプレート設計を変更し、基板から成長ナノ構造を取り除くことによって同じ基板を保持し、基板から触媒層を取り除き、新たなテンプレート設計に従って触媒を堆積させ、触媒層からナノ構造を成長させることさえも可能となる。

従来技術、標準的なナノインプリントの図である。 ナノ構造テンプレートを用いるナノインプリント方法の図である。 ナノ構造テンプレートスタンプの作製方法の図である。 異なる円錐ナノ構造を有するテンプレートの図である。 テンプレート作製を説明するフローチャートである。 テンプレート複製を説明する図である。 ナノ構造スタンプのＳＥＭ写真である。 レジスト層中に結果として得られるパターンの光学顕微鏡写真である。

本発明によるテンプレート２０１を図２Ａに示す。このテンプレート２０１は、垂直方向に整列している個々のナノ構造２０４を有する。また、垂直方向に整列しているナノ構造のアレイ２０２、および林立する成長したナノ構造２０３もスタンプ上に示される。ベース基板／ウエハ２０６上には、ポリマー／レジスト２０５が堆積されている。基板は、複数の層を備えることができる。

図２Ｂにおいては、本発明によるテンプレート２０１が、ウエハ２０６上のポリマー層２０５に向かって押し付けられている。これらウエハおよびレジストを、ポリマーのガラス転移温度よりも高く加熱する。冷却後テンプレートを持ち上げ、レジスト層中にはくぼみ２０７、２０８および２０９が残される。ナノ構造の局在次第で、インプリントポリマー層に異なる種類の結果が現れる可能性がある。図２Ａに示されるような個々の繊維２０４について、またピッチが小さいアレイ２０２については、各繊維がポリマーにくぼみ２０７および２０９をもたらすことになる。非常にピッチが小さいアレイ２０３については、連続したくぼみ２０８が現れることになる。これは、ポリマー層に幅広のくぼみを作成するために使用する。

このテンプレートは、Ｓｉ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、シリカ、セラミック、ガラス、ＳｉＣ、ＰＤＭＳ、ポリイミド、金属を含むがこれらに限定されない多くの材料から作製することができる。図３Ａには、スタンプ・ブランク３０１および３０２が示される。スタンプ・ブランク３０１上には、図３Ｂに示されるように触媒層３０３を堆積させる。その後、触媒層をパターニングすることにより、図３Ｃに示される構造を得る。このパターニングは標準的なリソグラフィにより行われ、標準的なリソグラフィとしては、光リソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ等を挙げることができる。エッチバックまたはリフトオフ処理を使用して触媒をパターニングすることもできる。触媒は連続層であってもよく、または触媒を溶液に分散させ、スタンプ上にスピンコーティングすることもできるため、リソグラフィなしでスタンプを作製することも可能である。さらに、電解めっき、無電解めっきまたは触媒粒子スピニングを使用して触媒層を形成することができる。図３Ｄに示すように、スタンプ上にナノ構造３０５を成長させる。

結果として得られる構造は図３Ｅに示される。この一例は、電気的に絶縁性であるガラス・スタンプ・ブランクを使用している。ナノ構造の成長後に、ドライエッチングによって支持層を選択的に取り除くことができる。結果として得られる構造は図３Ｆに見られ、ガラス・スタンプ・ブランクと共に、またスタンプが透明でなければならない紫外線またはＸ線ナノインプリントと共に使用するには有用である。電気化学的ナノインプリントリソグラフィでは、導電性スタンプを使用する。その場合、成長時に金属支持層を使用するが、その後取り除かない。

結果として得られるナノ構造は、成長パラメータを変えることによって制御することができる。例えば、低い成長温度を用いることによって、円錐ナノ構造を作製することができる。この構造は図４に見られ、図中、４０１は円錐形状の成長したナノ構造、４０２は触媒層、４０３は基板である。

図５は、本発明に基づきテンプレートを作製するためのプロセス計画の例を示す。

応用例
本発明により、異なる用途向けの普遍的テンプレートを作製するための方法が開示される。リソグラフィ、インプリンティング、エンボス加工、再生利用可能／再加工可能インプリンティングスタンプにこのテンプレートを使用することができる。コンデンサまたはメモリ素子用のトレンチを作製するための高アスペクト構造。ハニカム構造、フォトニック結晶、センサ、検出器、太陽電池用途、触媒／触媒化学、ラボチップ、Ｘ線、イオン化源、自動車、電気通信機器、携帯電話、電子機器、マイクロプロセッサ、電子パッケージング、生物学的センサ、膜、有孔材料の作製用。数ある中でも、標準的なナノインプリント、マイクロエレクトロニクス、フォトニクスと同じ用途に本革新を使用することができる。

有孔材料
本発明によれば、まずは、穿孔する必要がある材料の層上のテンプレートのインプリントまたはエンボス加工によって、有孔または半有孔材料を製造することができる。その後、材料の層からテンプレートを切り離す。その後、生物学的用途全般におけるフィルタ、生体分子用分子フィルタ、ナノ流体用途ラボチップ、垂直整列によるコンパクトディスク（ＣＤ）またはＤＶＤディスクの製造用として、フィルタを使用することができる。

本発明には、他の材料にナノ構造をエンボス加工するための用途がある。

また本発明には、フォトニック用途もあり、光に対して透明な材料を形成するために使用することができる。このような用途の例は、反射防止コーティングおよびフレネルレンズである。

本革新を使用して、材料に表面組織をもたらすことができる。これにより、接触角が大きい疏水性表面、いわゆるロータス・フラワー効果（ｌｏｔｕｓ ｆｌｏｗｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）をもたらすことができる。スタンプのナノ構造の形状によって、結果を制御することができる。例えば、円錐形状を有するナノ構造を成長させることができる。さらに、適切な形であれば、インプリントしたフィーチャを使用して材料層間の密着性を向上させることができる。

本発明を使用して、ナノインプリント用の再利用可能なスタンプを作製することができる。例えば、テンプレートが損傷を受けた場合、汚染物質および繊維が取り除かれるようにテンプレートを洗浄し、その後既存の触媒層または粒子からナノ構造を再び成長させる。

本革新の１つの利点は、繊維が電気を通すことであり、これら繊維により、電気化学的ナノインプリントリソグラフィ用の導電性スタンプをもたらすことができる。その後、導電性スタンプ・ブランクまたは導電性支持層を使用すべきである。他の１つの利点は、繊維が熱を伝導することであり、これら繊維を使用して、インプリント工程中にヒーターからポリマーへの熱伝導を向上させることができる。

本発明によれば、図６に示すように自己複製が可能である。これにより、元のテンプレート６００からマスクテンプレートのいくつかの複製６１０および６２０を形成することができ、それにより、例えば、スタンプの大量生産のための電子ビームの必要性への依存度が下がる。

本発明の多くの実施形態について説明してきた。しかしながら、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができることを理解されたい。

実証品
本革新を実証するために、炭素ナノ繊維を有するスタンプを作製した。このスタンプの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真が図７に示される。このスタンプをポリマー層にインプリントし、その結果は図８に示される。インプリントしたポリマー層上に堆積させることによって金属層をパターニングし、その結果は図８に示される。

１００ スタンプ
１０２ スタンプ上の突起
１０３ レジスト層
１０４ 酸化物層
１０５ ウエハ
１０６ インプリント後のレジスト層
１０７ スタンプ上の突起の複製
１０８ プラズマ灰化後のレジスト層
１０９ エッチング後の酸化物層
２０１ スタンプ基板
２０２ 林立する成長ナノ構造
２０３ 密度が制御された成長ナノ構造のアレイ
２０４ 個々に成長したナノ構造
２０５ レジスト層
２０６ パターン転写用基板
２０７ 成長ナノ構造のアレイからのパターンの複製
２０８ 林立状成長ナノ構造からのパターンの複製
２０９ 個々に成長したナノ構造からのパターンの複製
３０１ 基板上の層
３０２ 基板
３０３ 下地層（随意）
３０４ パターン化触媒
３０５ 成長ナノ構造
３０６ 下地層除去後
３０７ 基板上の層の除去後
４０１ 成長円錐ナノ構造
４０２ 触媒層
４０３ 基板
５００ 支持層の堆積
５１０ 触媒の堆積およびパターニング
５２０ ナノ構造の成長
５３０ 支持層（随意）の選択的除去
６００ マスタースタンプ
６１０ 異なる特性を有する第２世代のスタンプ
６２０ 異なる特性を有する第３世代のスタンプ

Claims (9)

1. ベース基板と、
   前記ベース基板上に堆積されている触媒層と、
   リソグラフィプロファイルを画定する前記触媒層から非周期的パターンで成長した複数のナノ構造と、を備えるテンプレートであって、
   前記ナノ構造のアスペクト比が、ナノ構造の成長によって制御され、前記ナノ構造の少なくとも１つが、垂直圧下で前記ナノ構造の前記リソグラフィプロファイルを維持するような硬度を有し、前記テンプレートが、ナノインプリントリソグラフィに使用されるとき、前記テンプレートと共に連続したくぼみを生じさせる成長したナノ構造のフォレストを備えるテンプレート。
2. 前記触媒層が、前記非周期的パターンでパターニングされている、請求項１に記載のテンプレート。
3. 個々に垂直方向に整列している複数のナノ構造と、
   垂直方向に整列しているナノ構造の少なくとも１つのアレイと、
   を更に備えるテンプレートであって、
   前記テンプレートがナノインプリントリソグラフィに使用されるとき、前記垂直方向に整列しているナノ構造のそれぞれが、単一のくぼみを生じさせる、請求項１又は２記載のテンプレート。
4. 前記ベース基板が、シリコンウエハ、酸化した／コーティングしたシリコンウエハ、金属コーティングしたシリコンウエハ、窒化物コーティングしたシリコンウエハ、炭化ケイ素ウエハ、ガラス基板、セラミック、ポリマー、ＩＴＯ、金属および金属合金からなる群より選択される材料から製造される、請求項１〜３のいずれかに記載のテンプレート。
5. 前記少なくとも１つのナノ構造が、ナノチューブ、ナノワイヤ、ナノ繊維、ナノコーン、ナノウイスカ、およびナノホーンからなる群より選択される材料から製造される、請求項１〜４のいずれかに記載のテンプレート。
6. 前記ナノ構造のそれぞれが、ポリマー、金属、半導体および絶縁体からなる群より選択される薄膜の形の材料で被覆されている、請求項１〜５のいずれかに記載のテンプレート。
7. 前記垂直圧が１バール〜２００バールを超える垂直圧に達し、好ましくは１バール〜６０バールの垂直圧に達する、請求項１〜６のいずれかに記載のテンプレート。
8. 前記ベース基板が紫外線透過材料製である場合、前記テンプレートがさらに、前記ベース基板と前記触媒層の間に配置された支持層を備える、請求項１〜７のいずれかに記載のテンプレート。
9. テンプレートを形成する方法であって、
   基板を提供するステップと、
   請求項１〜８のいずれかに記載のテンプレートを用いてインプリンティングによって前記基板にテンプレートパターンを転写するステップと、
   前記基板上に複数のナノ構造を成長させるステップと、
   を含む方法。

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