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名古屋大学开发成功半导体电路图形的新加工方法

2019年03月08日 电子电气
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日本名古屋大学的研发小组开发出了一种新的表面加工方法,向利用超微细喷墨描绘的高分子膜照射紫外光,即可按照描绘的形状产生马兰戈尼对流,并形成沟槽。

名古屋大学开发成功半导体电路图形的新加工方法

在半导体制造中,光刻等表面形状加工技术是极为重要的技术。此前采用的方法是,用光掩模等在局部进行图案曝光,以改变高分子的特性,然后用溶剂显影。而名古屋大学的研发小组发现,只需用微细喷墨在想要形成沟槽的部分描绘图形,然后向整个膜照射紫外光,膜材料就会自发地大幅移动,喷墨描绘的部分就会“裂开”而形成沟槽。

关于微流路的制作,目前采用的光刻法要进行图案曝光和显影,但此次开发的方法只需进行喷墨描绘即可,无需利用溶剂显影,有望实现新的图形化加工工艺。

相关论文已于2019年2月22日发表在英国科学杂志《科学报告》(Scientific Reports)的网络版上。

马兰戈尼对流效应是流体的表面张力在不同位置产生差异(表面温度不均匀形成表面张力差),从而形成对流的现象。这种对流会造成麻烦的技术问题,比如制作硅晶体时难以得到均匀的晶体,涂覆时有些许异物就会在表面形成很大的凹凸,无法实现平滑的涂覆等。

本次研究提出的表面微细加工新方法,将这种麻烦的现象应用于按照设计加工的高分子膜。利用超微细喷墨在侧链拥有偶氮苯的液晶高分子膜上进行局部印刷后,印刷的位置会产生表面张力差。在这种状态下不会产生对流,但照射紫外光后膜会迅速软化,产生马兰戈尼对流并形成沟槽,同时材料移动,使沟槽深度达到高分子膜的底部,从而发生变形。停止照射紫外光后,这种动作会立即停止。光刻是利用图形曝光和溶剂显影来加工表面形态,而此次的方法利用喷墨描绘法取代图形曝光,无需使用溶剂显影,只需照射紫外光即可进行表面形状加工,是一种应用新原理的表面微细加工方法。这项研究成果利用紫外光的开和关来控制马兰戈尼效应,确立了技术应用的路线。

名古屋大学开发成功半导体电路图形的新加工方法

图1:本次研究提出的表面加工工艺。通过微细喷墨在侧链拥有偶氮苯的液晶高分子(PAz)薄膜上描绘表面张力不同的嵌段共聚物(PBMA-b-PAz)。然后照射波长为365nm的紫外光,通过马兰戈尼效应促进物质移动,自发形成沟槽。

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图2:照射紫外光后出现马兰戈尼对流,从而形成沟槽。(A)涂布描绘的模式图,(B)照射紫外光前的白色干涉显微镜图像(下图为截面图,两处小突起为印刷部分),(C)照射紫外光20秒后的显微镜图像以及与B为同一个位置的截面图。

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图3:照射紫外光前的PAz液晶高分子的变化模式图。照射紫外光之前,偶氮苯为条状液晶结构(黄色条型)。照射紫外光后会产生顺式(Cis)偶氮苯(粉色星型),液晶结构消失,粘性大幅降低。照射可见光后基本会恢复为反式(Trans)。

名古屋大学开发成功半导体电路图形的新加工方法

图4:(A)通过各种喷墨描绘形成沟槽(白色干涉显微镜图像,左:照射紫外光之前,右:照射紫外光之后)。(B)向通过喷墨印刷描绘的“N”和“U”的各部分照射紫外光时选择性地形成沟槽。仅向紫色八边形部分照射紫外光,只在该部分的印刷位置形成沟槽。

名古屋大学开发成功半导体电路图形的新加工方法

图5:交替照射紫外光和可见光时,沟槽的宽度扩大。照射紫外光(白色部分),沟槽扩展,照射可见光(蓝色部分),沟槽停止扩展。能够可逆控制。

名古屋大学开发成功半导体电路图形的新加工方法

图6:沟槽的形状和利用TOF-SIMS观测的墨水中所含的硅的分布。(A)利用白色干涉显微镜观测到的形状,(B)墨水中所含的硅(Si)的扩散映射图,(C)重叠二者后的高度图及相当于Si含量的计数比较。

文 JST客观日本编辑部

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