様々な機能性電子デバイス研究の基盤となるリソグラフィ技術において、微細ゲート電極作製のために、15nm幅の高精度な高分子パターン作製が必須の開発課題となっている。しかし、高分子パターン側面にはライエッジラフネス(LER)と呼ばれる5nm程度の凹凸が存在し、これがデバイス精度を低下させている。ここでは、LERの原因となるナノ高分子集合体の凝集メカニズムを明確にし、周期的な配列技術を実験的に構築する。また、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、高分子パターン内に存在する微細空孔(vacancy)の制御技術を構築し、高分子集合体の人工的な３次元構造の配列技術について述べる。
近年、高分子材料に代表されるように、ナノスケールでの高分子パターン形状の制御技術の重要性が増している。高分子材料は、化学増幅型としてのスチレン系、および汎用型のノボラック系樹脂をベースポリマーとして、超LSIやディスプレイデバイス等のリソグラフィのエッチング用加工材料として実用化されていている。しかしながら、上の左図および上の右図にあるように、高分子集合体の凝集挙動により、パターン形状全域に凹凸が生じている。これは、ラインエッジラフネス(LER)と呼ばれ、電子デバイスのゲートおよび配線パターンの加工精度の低下を招く。しかし、高分子パターンには様々な熱処理が施されるため、高分子集合体の凝集制御によって、ナノ制御システム創発への期待が高まってきている。我々は、高分子パターン内に高分子集合体の欠落したナノ空間(vacancy)が存在することを実験的に見出した。また、右図のように、微小粒子モデルとして仮定した集合体間の相互作用は、それぞれ微小球サイズの幾何平均で表せる。ここでは、15nm以下の高分子パターンのLERを低減し、電子デバイス用の高精度なパターン形状を構築できる高分子パターンの凝集構造を考察する。具体的には、樹脂中の高分子集合体のナノスケールの物理的凝集過程を微小球モデルで検討し、実験的にLER形状の発現メカニズムを解析する。そして、下の左図にように、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、高分子集合体の凝集モデル化、高分子パターンの表面硬化層、高分子パターン内のナノ空孔であるvacancyについて述べる。
上の右図は、「微細高分子パターンを基板から剥離し倒壊させる技術(DPAT法、Direct Peeling with AFM Tip)」を用いて測定したパターン側面の凝集形状を示している。パターン側面には、LERの原因となる約25nm程度の周期的凹凸構造が明確に観察できる。この周期構造は、様々なサイズを有する高分子集合体の熱的移動に従って生じると考えられる。実験的には、(１)熱処理による周期構造の成長挙動、(２)AFMによる表面硬化層の検出、(３)ナノ空孔(vacancy)の検出、(４)高分子集合体のマニピュレーションなどが可能である。これらより、高分子パターン表面のLERが表面エネルギーの支配によって、凝集の自由度が低下することが考えられる。これが右図のように立体構造になると、３次元的な凝集性が現れるとともに、高分子集合体の空孔(vacancy)を形成する。
そして、上の左図のように、微小粒子モデルとして仮定した場合の高分子パターンの凝集モデルを検討し、15nmクラスの最適な凝集構造を構築できる。具体的には、上の右図にある原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、このDPAT法により、高分子パターン側面の凝集形態をナノスケールで観察する。高分子パターン表面の硬化処理は、電子線(EB)照射システムを用いて実施する。そして、下図のように、側面の周期構造制御の可能性を確認できる。EB硬化処理により、高分子集合体が成長し、さらにLERが減少する条件を見出すことができる。
参考文献
