ナノインプリントリソグラフィー

ナノインプリント リソグラフィー( NIL ) は、ナノメートル スケールのパターンを製造する方法です。低コスト、高スループット、高解像度のシンプルなナノリソグラフィープロセスです。インプリントレジストの機械的変形と後続のプロセスによってパターンを作成します。インプリント レジストは通常​​、インプリント中に熱または紫外線によって硬化するモノマーまたはポリマー配合物です。レジストとテンプレート間の 接着は、適切に剥離できるように制御されます。

「ナノインプリント リソグラフィー」という用語は、1996 年にスティーブン チョウ教授とその学生がScience 誌にレポートを発表したときに科学文献で造られましたが、^[1]熱可塑性プラスチックのホット エンボス加工 (現在では NIL の同義語として扱われています) は、すでに数年前から特許文献に登場していました。Science 誌の発表後すぐに、多くの研究者がさまざまなバリエーションや実装を開発しました。この時点で、ナノインプリント リソグラフィーは、 32 nmおよび22 nmノードの国際半導体技術ロードマップ(ITRS)に追加されました。

数多くありますが、最も重要なプロセスは次の 3 つです。

• 熱可塑性ナノインプリントリソグラフィー
• フォトナノインプリントリソグラフィー
• レジストフリー直接熱ナノインプリントリソグラフィー。

熱可塑性ナノインプリントリソグラフィー（T-NIL）は、Stephen Chou教授のグループによって開発された最も初期のナノインプリントリソグラフィーです。標準的なT-NILプロセスでは、インプリントレジスト（熱可塑性ポリマー）の薄い層をサンプル基板上にスピンコートします。次に、事前に定義されたトポロジカルパターンを持つモールドをサンプルに接触させ、一定の圧力で押し付けます。ポリマーのガラス転移温度以上に加熱すると、モールドのパターンが軟化したポリマーフィルムに押し付けられます。^[1]冷却後、モールドはサンプルから分離され、パターンレジストが基板上に残ります。パターン転写プロセス（通常は反応性イオンエッチング）を使用して、レジストのパターンを下の基板に転写できます。^[1]

あるいは、 2つの金属表面間の冷間圧接によっても、加熱せずに低次元ナノ構造金属を転写することができる（特に臨界サイズが約10 nm未満の場合）。^{[2] [3]}この手順を繰り返すことで、3次元構造を作製することができる。冷間圧接法は、加熱プロセスがないため、有機電子デバイスや新型太陽電池の最新の開発と製造における主な問題である表面接触汚染や欠陥を低減できるという利点がある。^[4]

フォトナノインプリントリソグラフィー（P-NIL）では、サンプル基板に紫外線硬化性液体レジストを塗布し、型は通常、溶融シリカやPDMSなどの透明材料で作られています。型と基板を押し付けた後、レジストは紫外線で硬化して固体になります。型を分離した後、同様のパターン転写プロセスを使用して、レジストのパターンを下の材料に転写できます。真空中では、型を保持するための真空チャックが不可能であるため、紫外線透過型型の使用は困難です。

上記のナノインプリント方法とは異なり、レジストフリーの直接熱ナノインプリントでは、インプリントレジストからデバイス層にパターンを転写するための追加のエッチングステップは必要ありません。

典型的なプロセスでは、まずフォトリソグラフィーを使用してフォトレジストパターンが定義されます。次に、ポリジメチルシロキサン(PDMS) エラストマースタンプがレジストパターンからレプリカ成形されます。さらに、シングルステップナノインプリントは、高温で圧力をかけながら薄膜材料を目的のデバイス形状に直接成形します。インプリントされた材料は、パターンを埋めるために適切な軟化特性を持っている必要があります。高い屈折率と広い透明ウィンドウを示すアモルファス半導体 (たとえば、カルコゲニドガラス^{[5] [6]} ) は、光学/フォトニックデバイスのインプリントに最適な材料です。

この直接インプリントパターニングアプローチは、潜在的にスループットと歩留まりを向上させるモノリシック統合の代替手段を提供し、従来のリソグラフィパターニング方法ではアクセスできない大きな基板領域上のデバイスのロールツーロール処理も可能にする可能性があります。^[7]

熱ナノインプリント法では、完全なパターン転写と基板の変形との間のトレードオフにより、製造品質に制限が生じます。直接レジストレスナノインプリントプロセスのための他の溶媒支援法を開発した人はほとんどいません。^{[8] [9]}

フルウェーハ ナノインプリント方式では、すべてのパターンが単一のナノインプリントに含まれ、単一のインプリント ステップで転送されます。これにより、高いスループットと均一性が実現します。少なくとも 8 インチ (203 mm) の直径のフルウェーハ ナノインプリントを高い忠実度で実現できます。

フルウェーハナノインプリントプロセスの圧力とパターンの均一性を確保し、金型の寿命を延ばすために、等方性流体圧力を利用したプレス法が開発され、発明者らによってエアクッションプレス（ACP）^[10]と名付けられ、市販のナノインプリントシステムで使用されています。また、ロールオン技術（例：ロールツープレート）とフレキシブルスタンパー（例：PDMS）を組み合わせたものがフルウェーハインプリントに実証されています。^[11]

ナノインプリントは、ステップアンドリピート光リソグラフィーと同様の方法で実行できます。インプリントフィールド (ダイ) は、通常、フルウェーハナノインプリントフィールドよりもはるかに小さくなります。ダイは、一定のステップサイズで基板に繰り返しインプリントされます。この方式は、ナノインプリントモールドの作成に適しています。

ナノインプリントリソグラフィーは、電気、光学、フォトニクス、生物学用途のデバイスの製造に使用されています。電子デバイスの場合、NILはMOSFET、O-TFT 、単電子メモリの製造に使用されています。光学とフォトニクスに関しては、NILによるサブ波長共鳴格子フィルタ、表面増強ラマン分光法（SERS）センサ^[12]、 偏光子、波長板、反射防止構造、集積フォトニクス回路、プラズモニックデバイスの製造について集中的な研究が行われてきました。LEDや太陽電池などの光電子デバイスのコンテキストでは、NILはアウトカップリング構造とインカップリング構造について調査されています。^[11] 10 nm未満のナノ流体チャネルがNILを使用して製造され、DNA伸張実験に使用されました。現在、NILは生体分子選別デバイスのサイズを1桁小さく、より効率的に縮小するために使用されています。

ナノインプリント リソグラフィの主な利点は、そのシンプルさです。チップ製造に関連する最大のコストは、回路パターンを印刷するために使用される光リソグラフィ ツールです。光リソグラフィでは、ナノメートル スケールの解像度を実現するために、高出力のエキシマ レーザーと精密研磨されたレンズ要素の膨大なスタックが必要です。ナノインプリント ツールでは、複雑な光学系や高エネルギー放射線源は必要ありません。特定の波長での解像度と感度の両方に合わせて設計された、細かく調整されたフォトレジストも必要ありません。この技術の要件が簡素化されているため、コストが低く抑えられています。

シリコンマスターモールドは最大数千回の印刷が可能ですが、ニッケルモールドは最大 1 万サイクルまで使用できます。

インプリント リソグラフィは、本質的に 3 次元のパターン形成プロセスです。インプリント モールドは、垂直に積み重ねられた複数のトポグラフィ レイヤーを使用して製造できます。結果として得られるインプリントは、1 回のインプリント ステップで両方のレイヤーを複製するため、チップ製造業者はチップ製造コストを削減し、製品のスループットを向上させることができます。

前述のように、インプリント材料は高解像度と高感度のために細かく調整する必要はありません。インプリントリソグラフィーでは、さまざまな特性を持つ幅広い材料を使用できます。材料の多様性が増すと、化学者は犠牲エッチング耐性ポリマーではなく、新しい機能性材料を自由に設計できます。^[13]機能性材料は、下地材料へのパターン転写を必要とせずに、チップ内に層を形成するために直接インプリントできます。機能性インプリント材料の実装が成功すれば、多くの困難なチップ製造処理ステップが不要になり、コストが大幅に削減され、スループットが向上します。^[14]

ナノインプリントリソグラフィーの主な懸念事項は、オーバーレイ、欠陥、テンプレートのパターン形成、テンプレートの摩耗である。しかし、最近、クマールらは、アモルファス金属（金属ガラス）を100nm未満のスケールでパターン形成できることを示し、これによりテンプレートのコストを大幅に削減できる。^[15]

現在のオーバーレイ3シグマ能力は10nmです。^[16]オーバーレイは、フルウェーハインプリントよりもステップアンドスキャンアプローチの方が実現の可能性が高いです。

液浸リソグラフィーと同様に、技術が成熟するにつれて欠陥制御が改善されると期待されています。ポストインプリントプロセスバイアス以下のサイズのテンプレートの欠陥は排除できます。他の欠陥については、効果的なテンプレートのクリーニングや中間ポリマースタンプの使用が必要になります。インプリントプロセス中に真空を使用しないと、空気が閉じ込められ、気泡欠陥が発生する可能性があります。^[17]これは、インプリントレジスト層とテンプレートまたはスタンプの特徴が完全に平坦ではないためです。中間スタンプまたはマスタースタンプにくぼみ（特に空気が閉じ込められやすい）がある場合、またはインプリントレジストが基板上にプレスパンされるのではなく、インプリント直前に液滴として吐出される場合、リスクが高まります。空気が逃げるのに十分な時間を確保する必要があります。^[18]これらの影響は、PDMSなどの柔軟なスタンパー材料を使用する場合、それほど重大ではありません。^[11]もう1つの問題は、スタンプとレジストの接着です。これは、スタンプに FDTS粘着防止層を採用​​することで軽減できます。

高解像度のテンプレートのパターン形成は、現在、電子ビームリソグラフィーまたは集束イオンビームパターン形成によって実行できますが、最小解像度ではスループットが非常に遅くなります。そのため、十分な解像度があれば、光学パターン形成ツールの方が役立ちます。このようなアプローチは、Greener らによって実証されており、フォトマスクを介してフォトレジストでコーティングされた金属基板を光学的にパターン形成することで、堅牢なテンプレートが迅速に製造されました。 [ ^19]大面積に均一なパターンが必要な場合は、干渉リソグラフィーが非常に魅力的なパターン形成技術です。^{[20] [21]他のパターン形成技術 (}ダブルパターニングを含む) も使用できます。イェール大学の Kumar と Schroers は、ナノインプリント用の安価なテンプレートとして使用できるアモルファス金属のナノパターン形成を開発しました。現在、最先端のナノインプリントリソグラフィーは、20 nm 以下のパターンに使用できます。^[22]

インプリント中に層に接触するだけでなく層を貫通する大きな圧力を使用すると、他のタイプのリソグラフィマスクと比較して、インプリントテンプレートの摩耗が加速されます。スタンプに抗接着FDTS 単層コーティングを適切に使用することで、テンプレートの摩耗が軽減されます。PDMSスタンプの劣化を特徴付ける非常に効率的で正確なAFMベースの方法により、摩耗を最小限に抑えるために材料とプロセスを最適化することができます。^[23]

ナノインプリント リソグラフィーの将来の用途では、多孔質の低誘電率材料が使用される可能性があります。これらの材料は剛性がなく、基板の一部として、インプリント プロセスの圧力によって機械的に損傷を受けやすくなります。

ナノインプリントリソグラフィー（電気化学ナノインプリントを除く）の重要な特徴は、インプリントプロセス後の残留層です。アライメントとスループットをサポートし、欠陥を少なくするためには、残留層が十分に厚いことが望ましいです。^[24]しかし、これにより、ナノインプリントリソグラフィーステップは、残留層を除去するために使用されるエッチングステップよりも、限界寸法（CD）制御にとって重要ではなくなります。したがって、残留層の除去をナノインプリントパターニングプロセス全体の統合された部分と見なすことが重要です。^{[25] [26]}ある意味で、残留層のエッチングは、従来のリソグラフィーの現像プロセスに似ています。残留層を除去するために、フォトリソグラフィーとナノインプリントリソグラフィー技術を1つのステップに組み合わせることが提案されています。^[27]

ナノインプリントリソグラフィーはポリマーの変位に依存しています。これは長距離にわたる体系的な影響につながる可能性があります。たとえば、突起が大きく密集した配列は、孤立した突起よりも大幅に多くのポリマーを変位させます。この孤立した突起と配列の距離によっては、ポリマーの変位と肥厚により、孤立した特徴が正しくインプリントされない場合があります。突起のグループの間にレジストホールが形成される可能性があります。^[28]同様に、テンプレートの広い凹部は、狭い凹部ほど多くのポリマーで満たされないため、変形した広い線になります。さらに、大きな配列の端にある凹部は、配列の中央にある凹部よりもはるかに早く満たされるため、配列内の均一性の問題が発生します。

ナノインプリントリソグラフィーのユニークな利点は、従来のリソグラフィーよりも少ないステップで、ダマシン配線やTゲートなどの3D構造をパターン化できることです。これは、テンプレートの突起にT字型を組み込むことによって実現されます。 ^{[29]同様に、ナノインプリントリソグラフィーは、}集束イオンビームを使用して作成された3D構造を複製するために使用できます。集束イオンビームを使用してパターン化できる領域は限られていますが、たとえば光ファイバーの端に構造を刻印するために使用できます。^[30]

高アスペクト比で階層的にナノ構造化された表面は、製造が面倒で構造崩壊を起こしやすい。オフストイキオメトリーのチオール-エン-エポキシポリマーのUV-NILを使用すると、崩壊や欠陥が限られた、堅牢で大面積の高アスペクト比ナノ構造や複雑な階層構造を製造することができる。^[31]

電気化学的ナノインプリントは、硫化銀などの超イオン伝導体から作られたスタンプを使用して実現できます。^[32]スタンプを金属に接触させると、電圧をかけて電気化学的エッチングを行うことができます。電気化学反応により金属イオンが生成され、元のフィルムからスタンプに移動する。最終的にすべての金属が除去され、補完的なスタンプパターンが残りの金属に転写されます。

レーザーアシスト直接インプリント（LADI）^[33]は、固体基板にナノ構造をパターン化する迅速な技術であり、エッチングを必要としません。単一または複数のエキシマレーザーパルスが基板材料の薄い表面層を溶かし、得られた液体層に型がエンボス加工されます。LADIを使用して、10nmを超える解像度のさまざまな構造がシリコンにインプリントされており、エンボス加工時間は250ns未満です。溶融シリコンの低粘度（水の3分の1）に起因するLADIの高解像度と高速性は、さまざまなアプリケーションを開き、他の材料や処理技術にも拡張される可能性があります。

超高速ナノインプリントリソグラフィー^[34]またはパルス NIL は、ナノパターン化された表面の下に加熱層が組み込まれたスタンプを使用する技術です。加熱層に単一の短い (<100 μs) 強力な電流パルスを注入すると、スタンプの表面温度が数百度 °C 急上昇します。これにより、スタンプに押し付けられた熱可塑性レジストフィルムが溶け、ナノ構造が急速に押し込まれます。この高速プロセスには、高いスループットに加えて、大きな表面に簡単に拡張できることや、標準的な熱 NIL に比べて熱サイクルに費やされるエネルギーが削減されるなどの利点があります。このアプローチは現在、ThunderNIL srl によって追求されています。^[35]

ローラープロセスは、生産ラインに導入できるため、大型基板（フルウェーハ）や大規模生産に非常に適しています。ソフトスタンパーを使用すると、プロセス（インプリントと脱型）が非常に柔らかくなり、表面の粗さや欠陥に対する耐性が高まります。そのため、非常に薄く脆い基板の処理も可能です。このプロセスを使用して、厚さ50μmまでのシリコンウェーハのインプリントが実証されています。^[11]不透明基板上のUVローラーNILの場合、UV光は、たとえば石英ガラスドラムにUV-LEDを統合することによって、柔軟なスタンパーを介してフラッシュする必要があります。

ナノインプリントリソグラフィーは、回折や散乱効果、二次電子による制限を受けず、高度な放射線化学も必要としないシンプルなパターン転写プロセスです。また、潜在的にシンプルで安価な技術です。しかし、ナノメートルスケールのパターン形成に対する障壁として、現在はテンプレートの生成に他のリソグラフィー技術に依存しています。自己組織化構造が、 10 nm以下のスケールの周期パターンのテンプレートの究極のソリューションとなる可能性があります。^{[36]また、}ダブルパターニングに基づくスキームでプログラム可能なテンプレート^[37]を使用することで、テンプレート生成の問題を解決することも可能です。

2007年10月現在、東芝は22nm以降のナノインプリントリソグラフィーを検証した唯一の企業です。^[38]さらに重要なのは、ナノインプリントリソグラフィーが産業ユーザーによって検証された最初の30nm未満のリソグラフィーであったことです。

• BBCニュース
• 干渉およびナノインプリントリソグラフィーを用いた大面積パターニング