基礎技術解説コーティング

熱処理により界面への溶液浸透は加速する

塗膜に熱処理を行った場合の界面歪みについて、HFウェットエッチングを用いたアンダーカット法で解析する。下図(a)~(d)にHF水溶液でエッチングしたSiO2基板のアンダーカット形状を示している。(a)は、線幅2μmのパターンである。遠紫外線(DUV)硬化処理は行っていない。アンダーカット形状は異方性を示し、エッチング初期に等方性であったことが確認できる。(b)は2μm線幅のパターンにDUV照射を行った場合である。等方的なアンダーカット形状が増えて、2段形状を形成している。(c)は、幅広いパターン(15μm)にDUV照射を行った場合である。等方的な領域が(b)に比べて減少し、界面へのしみ込みが増加している。(d)は2μm線幅であり、DUV照射を受けた後に220℃でハードベークしたパターンである。等方的な形状はまったく見られない。また、(b)に比べてアンダーカット量は約1.5倍に増加している。すなわち、接着強度が低下している。

SiO2基板のHFアンダーカット形状
SiO2基板のHFアンダーカット形状
アンダーカット量のパターン線幅依存性
SiO2アンダーカット量のパターン線幅依存性

右図にアンダーカット量のパターン線幅依存性を示している。線幅の増加と共にアンダーカット量は増加し、やがて飽和している。DUV照射、及びハードベークといった表面硬化処理により、この傾向は顕著になる。下図(a)(b)に塗膜パターン断面における内部応力の解析結果を示している。表面硬化処理がない場合は、(a)の様に基板との界面付近に応力が集中する。特にパターンエッジ部では19MPaの最大引張り応力が生じる。パターン断面内に発生する応力は、全て引張り応力である。パターン上部では、界面の影響を受けず応力は徐々に減少する。界面の応力は界面の結合をせん断するように働くため、これは付着強度低下の原因に十分なっている。(b)はDUV照射を行った場合であり、解析上、パターン外周を固定点としている。パターン断面全域において、未処理の場合に比べ大きい引張り応力が発生している。特にパターンエッジでの最大応力は49MPaになり、(a)の場合の約3倍に相当している。表面硬化処理によって、パターンの内部応力が極端に増加する。

レジスト断面におけるストレス分布(a)現像後(b)DUV光照射後
レジスト断面におけるストレス分布
(a)現像後(b)DUV光照射後

DUV照射によって形成される表面硬化層の膜厚は約0.2μmである。この膜厚は塗膜パターンの断面を溶剤に浸し、未硬化層を溶解させた後の観察により求める。DUV照射によってポリマー表面層のクロスリンクが生じ、未照射部よりも密度は高く、逆に熱膨張係数は小さくなる。

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以下のような図や解説が続きます。

  • [図] 傾斜を有するレジストパターンのアンダーカット量
  • [図] 界面へのHF水溶液浸み込みモデルとストレス
  • [図] レジスト/基板界面方向に沿った引っ張り応力分布
  • [図] ボトムエッジ部での最大応力とパターン線幅との相関

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