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刊行にあたって
西暦2000年のクリントン大統領による「米国のナノテクノロジー戦略」の公表以来,IT,バイオ,環境・エネルギー等の分野において,ナノテクノロジー研究開発が世界中で活発に行われている。半導体や光ナノデバイス,高密度,大容量ストレージデバイス,使い捨て医療診断キットや化学分析チップなどの開発と実用化が進められるとともに,さまざまなナノ材料や,ナノデバイス製造における基盤となるナノ加工やナノ計測技術の研究開発も行われている。IT分野で見ると,シリコン半導体超高集積回路製造では現在,300mmウエーハ上に90nmテクノロジーノードの製品がArFエキシマレーザステッパーを用いて量産され,2007年には65nmノード製品,2010年には45nmが予定されている。しかしながら,45nmからの量産リソグラフィ技術としては,光リソグラフィ以外にも極端紫外光リソグラフィや電子ビーム一括転写リソグラフィ技術が鋭意研究開発されている段階である。このような半導体集積回路の微細化,高密度化,大容量化の傾向は,ハードディスクに代表されるストレージデバイスにおいても同様であり,2012年ころには,磁性系デバイスでは,ビットサイズが20nm程度に対応する1.2Tbit/inch2の面密度を持つパターンドメディアの実現が期待されている。
本書で紹介する「ナノインプリント技術」は,1995年に米国プリンストン大学(当時はミネソタ大学)のChou教授により,これまでの常識的考えでは思いもつかない,機械プレスをナノパターン形成に用いる技術であり,電子ビーム露光とドライエッチング技術で作製したシリコン酸化膜モールドを用いてポリメチルメタクリレート高分子薄膜に10nmパターンの転写を実現し,この技術がナノ構造デバイスのための量産技術となりうることを示したことで世界的に注目を浴びた技術である。
ナノインプリント技術は,光ディスク製作等では良く知られているホットエンボス技術を発展させ,その解像度を高めた技術である。ホットエンボスプロセスは,ポリカーボネイト基板をガラス転移点より10-20℃高い120℃程度で基板加熱し,その後ニッケルモールドによりプレスすることにより,ポリカーボネイトがニッケルスタンプの凸凹に入り込む。その後,ガラス転移点以下になるまで基板冷却を行いモールドと基板を離すことにより,モールドの凸凹の逆パターンが基板に転写される。これまでに,0.5μm程度のパターンがホットエンボスにより行われてきた。ナノインプリント技術もこのホットエンボス技術と基本手金同じプロセスであり,ナノパターン転写が可能なモールドと転写基板との平行性を実現した装置開発が成功の鍵であるが,それ以上に,Chou教授が,原子・分子レベルで物事を考え,ミクロンサイズの転写技術と思われていたプレス技術が,モールドの凸凹さえ小さくすれば10nm以下のパターン転写も可能であると考えたことは,「プレスはマクロ機械技術」と常識にとらわれすぎた我々の「テクノロジーブレークスルーの思考プロセス」に大きなインパクトを与えた。
初期のナノインプリント技術は熱サイクルプロセスであるため,熱ナノインプリントとも呼ばれている。その後,オランダのフィリップス研究所(1996年),米国テキサス大学のWilson教授が紫外光硬化樹脂を用いた光(UV)ナノインプリント技術を発表した。UVナノインプリント技術が発表される前の1993年に,ハーバード大学のWhitesides教授がマイクロコンタクトプリント技術を発表している。熱ナノインプリント,光ナノインプリント,ソフトリソグラフィ,現在では,これら3つの転写技術を総称して「ナノインプリント技術」と呼んでいる。
熱ナノインプリントは,国内外メーカの製造装置の販売と共に,位置合わせ精度を必要としない光学部品製造等に実用化されつつある。UVナノインプリントは,室温プロセスで,石英ガラス基板表面にパターンの凹凸をつけた透明モールドを用い,低粘性の光硬化樹脂をレジストとして用いているため,石英ガラスモールドのレジストへのプレス圧は,熱ナノインプリントが5-10MPaであるのに対して,0.1 MPa以下と極めて小さい。これらの特徴のために,位置合わせ精度および重ね合わせ精度は基本的に現状の光ステッパと同程度であると期待でき,5nmパターン転写にも成功している。UVナノインプリントは,パターン転写精度,解像度を共に満足する技術であり,32nmノードからの半導体デバイス製造への適用が期待されている。
このように,ナノインプリント技術および装置の研究開発は実用段階にきている。米国に於いては,2004年5月から3年間の期間で産官学連携コンソーシアムによる半導体製造を目的とした光ナノインプリントのプロジェクトが開始されている。EUでは,2004年4月から4年計画で,装置開発,プロセス・材料開発,応用デバイス開発等の産官学連携ナノインプリントプロジェクトを開始した。日本では,国家プロジェクトはないものの,最近,プロセスの簡略化,製品の高性能化を目的として,民間企業のナノインプリント技術に対する注目度が高まってきており,着実に製品展開へと実用研究開発へのスピードが加速されている。
これまで,ナノテクノロジーの必須技術であるナノ加工では,電子ビーム露光技術が主役であり,高価な描画装置を保有する機関が研究開発の主体とならざるを得なかったが,安価かつ高性能転写を実現するナノインプリント装置を導入することにより,どこの大学,研究機関,企業等においても,ナノパターン形成を行うことができるようになる。このように,ナノインプリント技術はナノテクノロジー研究あるいは企業の量産プロセスに導入することにより,新たなナノデバイスや機能性材料の創出あるいはナノテクノロジーを利用した産業発展に重要かつ継続的な貢献が可能な技術として位置付けられていくものと期待される。
松井真二・古室昌徳
著者一覧
平井義彦 大阪府立大学大学院 工学研究科 電子・数物系専攻 教授
松井真二 兵庫県立大学 高度産業科学技術研究所 教授
廣島洋 (独)産業技術総合研究所 次世代半導体研究センター 主任研究員
横尾篤 日本電信電話(株) NTT物性科学基礎研究所 量子光物性研究部 主任研究員
流川治 HOYA(株) 先端リソグラフィー開発センター センター長
出口公吉 NTT-ATナノファブリケーション(株) 営業部 部長
谷口淳 東京理科大学 基礎工学部 電子応用工学科 講師
宮本岩男 東京理科大学 基礎工学部 電子応用工学科 教授
前田龍太郎 (独)産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門 マイクロ実装グループ グループ長
高橋正春 (独)産業技術総合研究所 先進製造プロセス研究部門 マイクロ実装グループ 主任研究員
坂井信支 東洋合成工業(株) 新規事業開発部 ナノテクグループ テーマリーダー
川口泰秀 旭硝子(株) 中央研究所 主席
細川速美 オムロン(株) 技術本部 先端デバイス研究所 SPICA推進グループ グループ長,主幹
浅川鋼児 (株)東芝 研究開発センター 先端材料デバイスラボラトリー 主任研究員
宮内昭浩 (株)日立製作所 日立研究所 電子材料研究部 ナノプリントSSU 主任研究員
水野潤 早稲田大学 ナノテクノロジー研究所 助教授
庄子習一 早稲田大学 理工学部 電気・情報生命工学科 教授
執筆者の所属表記は、2005年当時のものを使用しております。
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1. はじめに
2. 転写方式
2.1 熱ナノインプリント技術
2.2 UVナノインプリント技術
2.3 その他の方式
3. 周辺技術
4. デバイス応用の概況
5. まとめ
第2章 転写方式
1. 熱ナノインプリントの基礎とそのシーズ
1.1 はじめに
1.2 樹脂の特性と変形メカニズム
1.2.1 高分子樹脂の力学的性質
1.2.2 高分子樹脂の変形メカニズム
1.3 ナノインプリント・リソグラフィの要素技術
1.3.1 モールド作製技術
1.3.2 モールドの表面処理
1.3.3 装置技術
1.3.4 モールド複製技術
1.4 熱ナノインプリント技術のシーズと応用
1.4.1 高アスペクト比構造の形成
1.4.2 光学要素,曲面構造の形成
1.4.3 樹脂表面のナノ加工
1.4.4 バイオ材料のナノ加工
1.4.5 ガラス材料のナノ加工
1.4.6 金属材料の直接インプリント
1.4.7 リバーサルインプリント法による3次元多層構造の作製
1.5 おわりに
2. 室温ナノインプリント技術
2.1 はじめに
2.2 室温ナノインプリントプロセス
2.3 室温ナノコンタクトプロセス
2.4 室温ナノトランスファープロセス
2.5 まとめ
3. 光ナノインプリント
3.1 はじめに
3.2 光ナノインプリントプロセス
3.3 光ナノインプリントの特長
3.4 光ナノインプリント装置
3.5 光ナノインプリント用モールド
3.6 モールドの表面処理
3.7 光ナノインプリント用樹脂
3.8 光ナノインプリントによるパターン形成
3.9 光ナノインプリントでのラインエッジラフネス評価
3.10 パターン転写の線幅再現性
3.11 多層レジストプロセス
3.12 おわりに
4. ソフトリソグラフィ
5. 直接ナノプリント・ナノ電極リソグラフィ
5.1 はじめに
5.2 直接ナノプリント法
5.2.1 直接ナノプリント法によるポリカーボネート基板上へのピット形成
5.2.2 直接ナノプリント法を用いた有機機能性材料への微細構造形成とフォトニック結晶デバイス作製
5.3 ナノ電極リソグラフィ
5.3.1 ナノ電極リソグラフィによる半導体基板へのパターニング
5.3.2 ナノ電極リソグラフィを用いた多重パターニング
5.4 まとめ
6. ナノキャスティング法
6.1 ナノキャスティング法
6.2 多様な材料の成型
6.3 大面積領域の成型
6.4 ナノ構造の成型
6.5 高アスペクト比マイクロ構造の成型
6.6 高アスペクト比ナノ構造の成型
6.7 まとめ
第3章 装置と関連部材
1. ナノインプリント装置
1.1 加圧方式
1.2 転写精度とアライメント技術
1.3 熱ナノインプリント装置
1.4 UVナノインプリント装置
1.5 まとめ
2. モールド
2.1 ナノインプリント用モールド
2.1.1 はじめに
2.1.2 モールドの製造技術
(1) フォトマスクの製造工程フロー
(2) 電子線描画工程
(3) ドライエッチング工程
2.1.3 レジスト工程
2.1.4 検査及び修正工程
(1) 検査工程
(2) 修正工程
2.1.5 光ナノインプリント用石英マスク
2.1.6 まとめ
2.2 各種材料によるモールド作製
2.2.1 はじめに
2.2.2 Siモールド
2.2.3 SiCモールド
2.2.4 石英,SiO2/Siモールド
2.2.5 Ni電鋳モールド
2.2.6 Taモールド
2.2.7 まとめ
2.3 三次元モールド
2.3.1 はじめに
2.3.2 モールド作製方法
2.3.3 三次元モールド作製技術とその応用
2.3.4 まとめ
2.4 カーボン金型を用いたガラス材料の熱インプリント
2.4.1 はじめに
2.4.2 ナノインプリント成形の現状とガラスの微細加工
2.4.3 ガラス成形用型材料の選択
2.4.4 型の加工とガラス成形
2.4.5 まとめ
3. 離型剤
4. 感光樹脂
4.1 UV-ナノインプリント用光硬化性樹脂
4.1.1 はじめに
4.1.2 UV-NIL
4.1.3 UV-NIL材料
4.1.4 UV-NIL材料の特性試験
4.1.5 おわりに
4.2 ナノインプリント用フッ素系樹脂
4.2.1 はじめに
4.2.2 含フッ素感光性樹脂の概況
4.2.3 アクリレート系の含フッ素感光性樹脂(NIF-1)
4.2.4 非アクリレート系の含フッ素感光性樹脂(NIF-2)
4.2.5 UVナノインプリント用モールド材料
4.2.6 熱インプリント用熱可塑性・熱硬化性フッ素系樹脂
4.2.7 おわりに
第4章 デバイス応用
1. 電子デバイス
2. 光デバイス
2.1 はじめに
2.2 ナノインプリント技術への取組み
2.2.1 ナノプリズムアレーへの応用
2.2.2 光導波路への応用
2.3 複製ポリマー光導波路
2.3.1 作製方法
2.3.2 作製上の工夫点
2.3.3 ポリマー材料
2.3.4 試作結果
2.4 複製ポリマー光導波路の応用例
2.4.1 光通信デバイスへの応用
2.4.2 機器内光配線への応用
2.5 まとめ
3. ナノインプリントとポリマーの自己組織化を用いたハードディスク記録媒体の作成
3.1 はじめに
3.2 次世代HDD記録媒体に要求されるスペック
3.3 パターンドメディアの加工法
3.4 ナノインプリントによる溝の作成
3.5 ブロックポリマーの自己組織化現象を用いたドットパターンの作成
3.6 ドライエッチング法による加工
3.7 パターンドメディアの性能評価
3.8 まとめ
4. バイオデバイス
4.1 はじめに
4.2 高アスペクト比構造の形成
4.3 バイオデバイスへの応用
4.4 おわりに
5. マイクロ流体デバイス
5.1 はじめに
5.2 PDMSを用いた流体デバイス
5.2.1 PDMS(polydimethylsiloxane)の特長
5.2.2 PDMS(polydimethylsiloxane)の問題点及び改良策
5.3 ホットエンボス技術を使ったPMMA(ポリメチルメタクリレート)の流路形成
5.4 おわりに
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