12月号　Cover Story

2004年12月号

ナノインプリントリソグラフィの全容

Aaron HandSemiconductor International 誌マネージングエディタ

　1：1のテンプレートを使ったナノインプリント・リソグラフィは、リソグラフィ装置を昔のようなシンプルな構成に戻す可能性を秘めており、さらに10nm以下のパターン形成をも実現する。研究室レベルから産業レベルへと移行しつつあるにも関わらず、その技術はまだ未熟であり、量産環境ではまだ証明されてはいない。

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　半導体のリソグラフィ技術が年々複雑になっていることは、誰の目にも明らかだ。露光波長以下のパターン形成ができないと考えられていたのも昔の話。現在、最先端のリソグラフィ装置では、波長193nmのArFエキシマレーザーを使って、90nmノードのチップのパターニングを行っている。ArFレーザーで、液浸技術を採用することで65nmノードさらに45nmノードのパターン形成も可能であると考えられている。もし完全な露光制御が行われれば、32nmノードさえも達成可能な領域なのかもしれない。
　夢のような話だが、これはコストについて何も考慮しない場合だ。露光装置メーカーや光学系メーカー、マスクメーカーなどのリソプロセスに関わっている技術者が直面している複雑な問題をよく見る必要がある。各要素、どこにでもトレードオフがあるため、バランスを十分に考えなければならない。また、多くの超解像技術（RET：Resolution Enhancement Techniques）に加えて、4倍マスクから8倍マスクへのシフトの可能性についても議論されている。当然だが、それらの移行を望んでいる半導体メーカーはない。それはスループットの問題に起因している。必要に迫られ、新技術への移行を余儀なくされているのである。
　次世代リソグラフィ技術（NGL：Next Generation Lithography）へ移行し、再び光の波長がパターン寸法より短くなれば問題が解決するわけでもない。波長13nmの極端紫外線（EUV：Extreme Ultraviolet）リソグラフィ技術は、2013年に32nmノードの主流として挙げられているが、とても簡単にできる代物ではなさそうだ。米Intel社はEUV技術を積極的に推進し、2009年に前倒しで導入すると発表しているが、その開発には多くの課題がある。特に光源とマスクに関しての問題は大きい。開発が間に合うかという懸念も多く、また、間に合ったとしてもCOO（Cost of Ownership）が莫大なものになると指摘する声もある。

人生は、シンプルに
　驚くべくもなく、半導体産業は19世紀を思い起こさせるある技術に着目し、RET技術や複雑な光源、大型マスクへの移行などに伴う不安を払拭し始めている。ナノインプリント・リソグラフィの登場である。ナノインプリント・リソグラフィは、難しいRET技術などの替わりに、1：1の等倍パターンのテンプレートを使用し、10nm以下の微細な線幅のパターン形成を実現しながら、解像度を制限する問題はほとんど見当たらない。必要な費用も現状の技術よりも安く、当然のことながらEUVを使った技術より安価とされている。

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　いくつかの研究所や産業界の開発グループで約10年近く研究がなされたのち、ナノインプリント・リソグラフィはついに昨年末にITRSロードマップに32nmノードの候補技術として登場した。ナノインプリント・リソグラフィは半導体メーカーからも、投資家からも注目を集め始めている。もちろん、まだ実用化という点ではR&Dレベルだが、いくつかの大きなナノインプリント・リソグラフィ研究開発プログラムが大学研究機関が発端となり、事業化に動き始めた。米Molecular　Imprints（MII）社はテキサス大学から技術ライセンスを受けており、米Nanonex社はプリンストン大学からスピンアウトしたStephen　Chou氏によって2000年の初頭に設立されている。Chou氏は今でもプリンストン大学工学部の教授として、ナノインプリント・リソグラフィのパイオニア的な存在となっている。その他にも、オーストリアEV　Group社、独SUSS　MicroTec社、スウェーデンObducat社などがナノインプリント・リソグラフィ装置に参入している。

ナノインプリントのいろいろな方式
　ナノインプリント・リソグラフィの基本的なプロセスフローは、弾性層にスタンプまたはテンプレートを押すこと（図1）。一般的には弾性層はポリマー薄膜で、テンプレートから写し取ったパターンを熱処理あるいは化学処理によって凝固できる材料となっている。ナノインプリント・リソグラフィには、大別して熱エンボス加工技術、モールディング技術、スタンピング技術の3つの方式がある（図2）。
　熱エンボス法は、ポリマーを熱で加工するもの。塗布膜をガラスの転移温度（Tｇ）以上に加熱し、スタンプを通して流動性を持たせ、パターニング後に再度冷却する。しかし、「高温」プロセスは、デバイスの性能劣化が懸念される。EV　Groupは、高温のエンボス技術はナノインプリント・リソグラフィとは違う名称で区別すべきと指摘する。低い温度が使用できれば、このような問題は起こらないだろう。
　UV-NIL法も熱エンボス法と似た技術だが、塗布材料に低粘度のモノマーを使う。モノマーは後にハロゲンランプで重合されポリマーとなり、UV光によって、レジスト層を架橋させて安定した構造を形成する。SUSS Micro Tecはすでにナノインプリント・リソグラフィ装置「NPS200」を製品化している。1つのプラットフォームでUVと熱処理の両方のプロセスを行うことができる。
　3番目の技術は、一般的にマイクロコンタクト・プリンティング（μCP）として紹介されている。柔かいスタンプ上の流体に対して直接的に適用され、自己組織化されるモノレイヤーを表面に積層し、最終構造を形成する。またこの場合は、追加熱処理や温度の変更は必要ない。　ナノインプリント・リソグラフィにはこれらの3つの種類があるが、それぞれの方法に、現在の光学露光装置と同様のステップ&リピート方式の装置やチップ内全エリアの一括プリント技術などのバリエーションがある。一括プリント技術はその名の通りウェーハ上の全チップとチップ上の全エリアを一度にパターンをプリントすることができる。大きなスタンプを使ってプリントすることは難しいため、ウェーハサイズによって一括プリントできるかどうかという観点で律則されてしまう。「10nmの最小寸法を含んだ200mmのスタンプを使ってプリントするのは、非常に難しく時間もかかる」（EV Group副社長兼CTO Paul　Lindner氏）。EV　Group先端リソグラフィ技術部門のディレクタのHelge　Luesebrink氏は、完成するには何カ月もの努力が必要であることを付け加えている。
　また、ウェーハの一括プリンティングでは、大口径のスタンプが作製できるかどうかが製品ウェーハサイズを制限する。例えばSUSS Micro Tecはウェーハサイズ100mmまで対応しているが、同社ナノパターニングのマーケットデベロップメントマネージャJorg Kuｬhnholz氏は、「装置は200mmウェーハまで対応できるが、これはむしろ大口径のスタンプが入手できるか否かによって制限されている。さらにスタンプコストは、スタンプの大きさではなく、スタンプ上のパターン最小寸法によって決まってくる」と言う。また、Kuｬhnholz氏はインプリント後のウェーハ表面膜厚のばらつきも問題であり、熱膨張も問題になり得ると指摘している。
　しかし、一括プリント技術ならばステップ&リピート方式より速く、そして装置全体のコストも安くできる。この方式はMOEMS（micro-optoelectromechanical systems）やマイクロフルーディスクのようなデバイスの厚膜用途への適用が可能だ。Kuｬhnholz氏は、単一層の場合、この方式が応用できると考えている。アプリケーションの中では、一括プリンティング技術が選択肢として残るものもありそうだ。「アプリケーションによっては、ステップ&リピート方式は繋ぎ精度で問題があり使えない場合がある」と指摘する。例えば光学的な回折格子には、合わせ部分に対する余裕がない。
　しかし半導体製造では、リソグラフィ技術において使われている技術であるステップ&リピート方式が受け入れられやすいであろう。さらに重要なことは、Siプロセスとの互換性だ。ステップ&リピート方式ならばスタンプの精度やコストの問題に直面することなく、またアライメントに関しても利点がある。特にアライメントはその他のアプリケーションでは、あまり重要な問題ではないが、Siプロセスでは重要だ。ウェーハの大型化に追従でき、熱膨張の問題を気にする必要もない。　製造側が熱エンボス法、UV-NIL法またはスタンピング法のどれを選択するかはそのアプリケーションに依存することになりそうだ。ナノインプリント・リソグラフィが使われそうな分野はバイオメディカルで、例えばマイクロフルーディスクやバイオチップなどが有望とみられている。この場合はμCPが最も利用される可能性が高い。他の2つの方法ではUV光や加熱がバイオ材料にダメージを与えてしまうからだ。しかし、μCPは他の方法で可能な微細な寸法を実現することができない。理由は他の方法の硬いモールドに対し、柔かく柔軟なスタンプを使うからだ。
　熱エンボス法は、半導体製造より光学的なアプリケーションやMEMSへの応用に向いている。熱エンボス法ではウェーハ表面温度の均一性が要求される。そのため、チップの全領域をカバーするテンプレートが相応しい。このため、半導体製造とは互換性を持たない。熱エンボス法に用いられるポリマー膜は高粘度のため、目的の構造を形成するためには、ポリマーを均一に押し広げ約107Paほどの圧力が必要になる。熱エンボス法の場合には加熱や冷却を繰り返すため、200mmまたは300mmウェーハ全面をインプリントするにはかなりの時間がかかる。Ｔｇが低い材料が調査されている。Kuenholz氏は「現在、60℃以下のガラス転移温度の材料はすでに見つかっている」と述べている。
　ステップ&リピート方式を採用するUV-NILが、32nmノード以降の微細構造の半導体製造技術として有望だ。その低い粘度のモノマーは、複雑なパターンや微細寸法の半導体製造に向いているが、ウェーハを歪ませないために、加圧は最小に抑える必要がある。この方法ではウェーハ上にテンプレートからパターンを直接形成することはまだできていないが、ウェーハ上に最終パターンを形成するための転写層（レジストと同じ働きをする）上にパターンを形成できるところまできている。そしてこの転写層をマスクとしてエッチングを行うと、最終的なパターンを形成することができる。この方法では、転写層はアスペクト比が2：1もあれば十分なので、レジストの膜厚を厚くする必要ない。MIIによると、エッチングはアスペクト比10：1まで対応できる。
　ほとんどの装置メーカーはUV-NILの低粘度の膜をスピンコータで塗布している。しかし、スピン塗布で複雑なデザインパターン上を十分な均一性を確保することは難しいと、MII CTOのS.V. Sreenivasanは指摘する。MIIでは適量に調整されたモノマーをインプリント直前に滴下する方式を提案している（図3）。しかし、NanonexのChou氏はMIIのモノマーの供給方法では時間がかかるという。彼は、MIIのチップ1個当たりプロセス時間が60秒かかるMIIの方法とプロセス時間が5秒と短いNanomexの方法を比較し、テンプレートを伝わって流れる溶液の流れについて差がないことを突き止めた。「MII用の溶滴は数百μmで、密度のばらつきは10～50μm。ばらつきは一滴の大きさよりはるかに小さい。スピン塗布を使えば、テンプレートを押し付けた時、溶液は型の内側を容易に流れる」としている。

課題を克服する
　モノマー供給方法に違いはあるが、UV-NILは他の技術よりアライメント精度が高い。透明で溶解性の合成石英のテンプレートを使えば、UVキュアだけでなく、光学的なアライメントも可能となる。テンプレートとウェーハ間が250nm以下となるため、光学リソグラフィのマスクとウェーハ間より小さく有利となる。しかし、他のナノインプリント・リソグラフィ技術では、アクティブアライメント技術は搭載されていない。多くのMEMSや光学的なアプリケーションでは、高いアライメント精度は要求されていない。アライメント精度は「他では不要だが、半導体製造では必須の技術」（Sreenivasan氏）となる。　実際にUV-NIL技術では、アクティブアライメントが可能だが、能力は製造方法によって変わる。例えば、EV-Groupは位置合わせ精度の目標10～20nmに対し、現在50nmまで達成しており、SUSS　Micro　Tecは現状250nmで3年後に20nm以下を目指している。一方、MIIは、低粘度（5cP以下）モノマーを使って「インリキッド・アライメント」方法を実現しようと考えている。テンプレートを液中に押し付けた後にアライメントをプロセス中に修正する。「粘り気のある液体を使えば、そんなに大きくずれることはない。ポリマーは粘度が高い。非常に低分子量のモノマーを使用し、±6nmのアライメント精度を達成することができる」（Sreenivasan氏）としている。
　ナノインプリント・リソグラフィは、スループットの改善が必要だ。MIIは年内にウェーハ毎時5枚のスループットを達成し、来年末には毎時25枚を達成する計画と言う。「ユーザーは、プロセスの品質に注目しており、装置コストが低いのでスループットはそれほど大きな問題ではない」（Sreenivasan氏）。もう1つの大きな課題は、欠陥密度だ。「最初の開発テーマは欠陥密度」とChou氏は述べており、また、いくつかのアプリケーションについてはアライメントの問題は十分達成しているが「ユーザーは欠陥密度に注目し始め、欠陥原因の解明を開始している」と言う。

ナノインプリントの将来
　現時点で、ナノインプリント・リソグラフィが半導体の量産に対してベストな選択であるかを判断するのは時期尚早だ。複雑な多層構造をした実際の製品試作が行われたことはまだない。しかし、ナノインプリント・リソグラフィを否定することもできない。Nanonexは、ピッチが12nmで線幅5nmの配線パターンをすでに実現し（図4）、ナノインプリントが多層配線でも使えることを実証している（図5）。さらに、ナノインプリント・リソグラフィは1回のプリントで3次元構造を形成できる。「インプリンティング技術が一般的なリソグラフィ技術よりも優れている点は、1回のプリントでいくつかの層ができること。それは、IC生産に対して新しい窓を開けたことになる」（Kuhnholz氏）。
　半導体メーカーには、ナノインプリント・リソグラフィが32nmノードでEUVやArF液浸リソグラフィと競争できるかどうかが関心のマトであるが、ナノインプリント・リソグラフィ製造装置メーカーにとってはこの技術が半導体以外の市場が多いと見ている。「他の分野への応用できる可能性が非常に高いため、この技術を1つのアプリケーションに限定して使うつもりは無い」（EV Group社長兼CEO Peter Podesser氏）。ナノインプリント・リソグラフィは量産レベルで採用される前に、技術的な可能性について多くの調査が必要だ。
　Kuhnholz氏によれば、ナノインプリント・リソグラフィが実際に半導体の量産に使われるかどうかは、まだはっきりしないという。「ナノインプリント・リソグラフィが開発されても、液浸リソグラフィ技術に見られるように、既存の露光装置メーカーは解像度の向上をやめてしまうことはない。個人的には、よく知られたプロセスからリスクの高い新しいプロセスに移行する前には、大幅なコスト低減が保障される必要があると考えている」。
　Podesser氏は、実際にナノインプリント技術がITRSに掲載されたことで、ナノテクノロジーに対する関心が高まったのではないか見ている。「ナノテクノロジーは、流行の技術であるが、危険な面もある。ナノという言葉があまりにも多用されている。開発に対して、ネガティブなインパクトを与えないようにしてもらいたい」と言う。Podesser氏は、2001年の半導体バブル崩壊の際に光MEMSが巻き添えになったのを見てきた。
　「我々は、ITRSにナノインプリント・リソグラフィが載ったことを厳粛に受け止めている。しかし、同時に注意深くもなっている。SUSSは、この55年以上に渡って半導体産業を支えるために多くの技術が生まれ、消えて行ったのを見てきた。IC製造においてナノインプリント・リソグラフィが実験室レベルから、実際の製品の生産のレベルまで開発されるかどうかは、これからの5年から10年の間で判明するであろう」とKuhnholz氏は述べている。

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ナノインプリントの型を作る

　ナノインプリント・リソグラフィは1：1の等倍スタンプ方式のため、光学リソグラフィの4倍マスクより作るのが難しいと考えられるかもしれないが、実際は違う。以下の理由により、テンプレートのパターンの作製は、最先端の光学式マスクより、簡単にしかも安くできる。
●光近接効果補正（OPC ：Optical Proximity Correction）や位相シフトなどを必要としないため、データの準備に時間がかからない。また、パターン描画時間もOPCや位相シフトパターンがないため短くなる。
●光の波長に依存するファクタがない。
●パターンの描画時間は、実際のフィールドサイズが小さいため４倍の光学式マスクより短かい。
●フィールドサイズが小さいためパラメータの歩留まりは高くなる。
●パターン修正時の歩留まりは、転写不良を考慮する必要がないため、高い歩留まりを達成する。
●ペリクルが不要。
　米DuPont　Photomasks社（DPI）は、米Molecular Imprints（MII）社と連携を取りながら開発を進めている。DPIのCTOでMIIの技術諮問委員会の会員でもあるFrankin Kalk氏は、ナノインプリント・リソグラフィ開発状況を継続的にチェックしながら、マスク産業にナノインプリント・リソグラフィ技術の見識を深めるよう努力しているという。Kalk氏は、「基本的なインプリント・テンプレートの製造プロセスを開発してきた。テンプレートの製造に関する問題はすべて把握している」と述べる。テンプレート製造には、発注からデータのハンドリングも含めて18の製造ステップがある。それは、プレートを描画し、必要な処理を行い、基本的な品質保証を行うことを意味している。「現在マスク作製のサイクルタイムは約1ヵ月。先端マスクとしては悪くない」。
　DPIは、OPCを用いない方式としてナノインプリント・リソグラフィを評価しているが、テンプレートには直面する課題も多いと指摘する。高解像のプリンティング・プロセスを用いるため、既存のマスクブランクスが使用できない。電子ビームは、前方散乱があるため、ブランク上の膜が厚くなればなるほど、解像度は悪くなる。標準的なクロムの膜厚は、70～100nmである。しかし、ナノインプリントのテンプレートでは、厚さ10nmが求められる。レジストも、フォトリソグラフィの300～400nmに対して、ナノインプリント・リソグラフィでは200nm以下にしなければならない。Kalk氏は、「さらなる解像度を要求するなら、もっと薄いレジストが必要だ」としている。そのような薄いレジストを実現できるかどうかが問題になる。「レジストを薄くすると、ピンホールが心配されたが、この3～4年の間にレジスト塗布技術は飛躍的に改善した。Crの質も非常に向上している。ほとんど任意に良質の薄いレジストが達成可能だ」。
　欠陥管理および検査技術も向上が必要だ。現在程度の能力をもつ高速の検査装置が必要だが、今のところ実現していないとKalk氏は述べる。米KLA－Tencor社が対応可能な検査装置を開発中だ。「ウェーハ上では100％は求められていない。しかし、マスク上では、欠陥を100％なくさないといけない。マスクには100％の完璧さが要求されるのである」。

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DuPont Photomasks	www.photomask.com
EV Group	www.evgroup.com
Molecular Imprints	www.molecularimprints.com
Nanonex	www.nanonex.com
Obducat	www.obducat.com
SUSS MicroTec	www.suss.com

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