マスクレス描画セミナー 2022年3月11日（金）

大面積偏向を有する超高速電子ビーム加工装置（UHSEB）の応用展開に向けた試作研究
尹成圓（ユン ソンワン）
デバイス技術研究部門 集積化MEMS研究グループ
国立研究開発法人 産業技術総合研究所〒305-8564 茨城県つくば市並木1-2-1 産総研つくば東
電話: 029-861-7140 (内線：222-47140）
1

目次
1． 序論
①

研究の背景

②

超高速電子ビーム加工装置の概要

2．研究事例の紹介
①

高速描画

②

Mix-and-Matchプロセス③

3D描画
DOE、ナノインプリントモールド

2

ナノインプリント技術の動向• Key advantage
Capability to make 2D/3D
nanostructures with a low cost

The advanced semiconductor industry
is the largest market■ Kioxia/Canon/DNP- UV-NIL based volume
production line of NAND
flash memory is onprogress

DRAM
NAND
SCM

Meta lens「Process technology/14nm
Half-pitch Direct Patterning| KIOXIA

3実用化において壁・ ウェハレベルナノインプリントが急速に進展、しかし普及がなかなか進まない。
・ 最先端半導体設備が活用できる企業は限られている。 ← モールド問題
High-variety middle
volume production

Polarizer for
display

Nanoimprint lithography (NIL)
Large area molds
made by EBL arevery expensive

SCIVAX, Sibaura(Toshiba) machine, Obducat, EVG, SUSS

http://www.eizo.co.jp/

HD interconnection
substrate formobile terminal
equipment

http://www.apple.com/jp/

Distributed
feedback (DFB)laser

http://nanoplus.com/

ASIC
Wiring for interposermold size︓４〜８inch

Cost-down
by largearea NIL

Large-area wafer-level
Nanoimprint system■ Mold is the most criticalelement (middle-volumeproduction-usually made by electron
beam lithography■ Wafer-level custom-made master mold is unrealistic- 1 miliion dollar for 3 cm square-sized mold !!
4

NEDO戦略的基盤技術高度化支援事業（PJ委託型） with Elionix、etc.

関連プロジェクト

「ウェハーサイズ３次元ナノインプリントモールド用超高速電子ビーム加工装置の研究開発」

High-precision and high-throughput wafer-level NIL and mold fabrication
2．Large-area bubble-free NIL

1．Low-cost wafer-level NIL mold

① Rapid bubble-free UV-NIL① Ultra-high-speed electron（UHSEB) systemworld-top-level throughput and an excellent
cost performance (point beam)

No bubble
Lowdemoldingforce

8-inch wiring/day>50nm L&S8-inch＜UHSEB prototype＞＜Mold/ substrate laminating system for UV-NIL in PFP＞

② Design and fabrication of mold for lithography

Low-cost waferlevel fabricationof defect-freesubmicron(>50nm) pattern② Master and replica mold fabrication

RLT
DimensionalchangeTarget: to develop a novel wafer-level lithography with a higher resolution than i-line stepper and laser writing5超高速電子ビーム描画装置（UHSEB）
・Low-cost mold is key to industrialization
・For low-cost wafer-level NIL mold
<The design concepts and capabilities>
技術的課題

解決手段

描画時間の短縮

大電流電子線光学系（実効電流100倍） - Max. 1uA

ステージ移動時間の短縮

大面積偏向器（面積100倍）- 10 mm 角フィールド

ｽｷｬﾝｵｰﾊﾞｰﾍｯﾄﾞ時間の短縮

超高速描画対応偏向ｼｽﾃﾑ（ｸﾛｯｸ周波数4倍）

ファイル転送時間の短縮

高速転送対応ソフトウェア（転送速度300倍）

ﾊﾟﾀｰﾝ密度変化への対応

容積均一化モールド技術

容積均一化モールド設計

複雑パターン対応のソフトウェア<Prototype installed at AIST Tsukuba-east>

6

UHSEB性能
8 in wafer

Writing time：14hr 20min（conventional high-speed EB system：55
days、1/100）

80 nm L&S
・Target resolution: 100nm <10 mm field

Field size: 10 mm、min. width：300 nm – dozens of micometer-scale patterns
Micropattern： beam current = 200 nA, area dose =120 uC/cm2, beam step = 50 nm
Nanopattern： beam current =10nA, area dose = 150uC/cm2, beam step = 10nm

特徴
① 大面積フィールド、② 大電流 (‐1uA)、③ 100nmレベルのパターン加⼯精度
7大面積偏向のメリット❏ 偏向器：光束を偏向して被走査面を主走査方向に光走査する機器❏ フィールド内ならばずれ無し：通常の装置1㎜角以下❏ フィールドサイズが大きい。
・ スループット・ つなぎ目

130ｋV機での描画例
8

目次
1． 序論
①

研究の背景

②

超高速電子ビーム加工装置の概要

2．研究事例の紹介
①

高速描画

②

Mix-and-Matchプロセス③

3D描画
DOE、ナノインプリントモールド9展開先の探索と試作
・i線ステッパー、レーザー描画の応用分野

AIST試作ベース共同研究
少量・中量高速EB（UHSEB）

・平面レンズ、メタレンズ

大量
ナノインプリント
先ずはUHSEBによる試作→インプリントへの展開を目指す。

RIKEN

・バイオデバイス用基板
8 inchCSAR62/Si・マスク・モールド

AIST
東北大

共同研究

NPF

試作
改良

エリオニクス社

・性能アップ・最適化
実際の需要から仕様を ・図面補正
決定（ビーマー）・デバイス‐超電導量子デバイスー共振器、量子ビット‐広帯域・ 多重周波数フィルタアレイ

新原理コンピューティングセンター

・ナノ構造色・ナノグレーティング等
MNOIC

・人工物メトリクス（NAM）

九工大

10

レジスト
❏ ポジ型レジスト
レジスト名

特徴

現像液

ZEP520A

日本ゼオン, Styrene Methyl Acrylate (SMA)、一般的

O-キシレン
ZED-N50 (n-Amyl acetate)

CSAR62（AR-P6200）

ALLRESIST製、コストパフォーマンス
分解能,速度,エッチ耐性においてZEP520Aと類似の性能

O-キシレン

GL140014wt%-20wt%
MMA(8.5)MAA Co-polymer

Copolymer 8.5EL6

グルーオンラボ社、厚膜( - 4.5um)、３D描画
メトキシベンゼン：75－98％
メタクリル酸メチル重合体（MMA）：2－25％
日本化薬（マイクロケム）
乳酸エチル 90－95％、メチルメタクリレート（MMA）・メタクリル酸共重合物 5－10％

ZED 50
MIBK：IPA＝１：２
MIBK：IPA＝１：１(Methyl Isobutyl Ketone)
水に溶解できない❏ ネガ型レジスト
レジスト名

特徴現像液

mr-N 2401-2410

EV, DUV, Microresist technology, aqueous alkaline development

TMAH 2.38％（毒物）

NEB-22（東には無し）

住友化学、化学増幅型

11⾼速描画の適⽤検討︓大⾯積モールド、マスク・５ｎAで4.6日・５０ｎAで・１００ｎAで16時間
8時間

・１μA

8 inch CSAR62/Si
描画時間︓約8時間

・ 位相シフトマスク：描画時間、フィールド間ずれ

12⾼速描画の適⽤検討︓ナノパターン
ナノグレーティング作製例

ZEP520A/Cr/glass

ZEP520A/Cr/特殊ガラス（ 50mmx50mmx1mmt）

・ ナノパターンのみの加工においても高速
13ナノグレーティング
cm2級サブミクロン回折格子
周期0.92mm、穴径0.7mm､穴深さ0.28mm

パターニングされた円形周期構造（ZEP520A/Si)

描画時間： 従来機では約24時間/cm2 ⇒ 0.5時間/cm2
描画エリア内で均一な安定した描画が達成。

14

ナノ構造色パターン（プラズモニックカラー）① プラズモニックカラー設計技術
1 pixel = 5 or 10 um

パターンサイズ (w)

高さ (h)金属：Ti、Al等

誘電体：樹脂反射層

width(w) pitch (p)② 超高速EB用構造色用パターン変換プログラムモジュール

1 pixel

元図
width(w) pitch (p)ピッチ (p)Pixel分割

③ ナノインプリントを併用した量産化

ピッチ(p=200-400nm)＜カラーマップ＞ 1 pixel

各Pixel内の色に合わせたパターンの形成

高速加工に向けたカラーマップのパターン形状
依存性評価（描画線幅＞100nm、範囲↓）

UHSEB描画

Ni電鋳モールド15

ナノ構造色パターン（プラズモニックカラー）

プラズモニックカラーサンプル

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ネガ型EBレジストを用いたSAWのIDTｓパターン試作
100nm近辺のパターンとマイクロパターンのMix and Matchが1台で可能

・ 100nm厚 ma-N2401/Si（micro resist technology)

・ 150nm L&S IDTs
・ 1㎜角パット・Field：5㎜角

設計︓九工大
村上直先生

2700

2500

2300

2100

1900

1700

500

700

900

1100

1300

1500

17

ネガ型EBレジストを用いたSAWのIDTｓパターン試作
ドーズ条件出し150 nm L&S 電極パターン１０ｎA

500uC/cm2700uC/cm2900uC/cm21100uC/cm21500uC/cm21700uC/cm22100uC/cm22700uC/cm218

ネガ型EBレジストを用いたSAWのIDTｓパターン試作
試作例

500uC/cm219

UHSEBと他EB装置を用いたMix and Matchプロセス（サブ50nm)‐ 今後の運用案[NPF093] ELS-F130AN

Ultra High Speed EB (UHSEB)- 130kV、最小ビーム径 1.7nm (@ 130kV)
5pA～100nA、- 現在、中央のNPFに設置-

・サブ30ナノサイズの微細パターン加工

50kV, 1～1000nA、400MhzDAC
現在、東事業所の２G棟に設置

・50ナノメータレベル加工
・8インチウエハ全面に1日で描画

ミリメータからサブ30ナノパターンの加工（同じレジストでのMix and Matchが可能）
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マルチスケール描画
Layout & Pattern:■ 目的
特徴の異なるEBリソグラフィ装置 2 台を用いて，inch ~ nm オー
ダーのマルチスケールなパターニングを行う．

①5mm4 inch

■ EBL Conditions

5mm□, 184 chip

Substrate: Si, 4 inch
Resist: ZEP520A, 60 nm

5mm[2nd Layer, Small pattern]

Tool: UHSEB
Vacc: 50 kV
Beam Current: 100 nA
Field size: 5,000 μm squareDev.: o-Xylene, R.T., 60 s

Tool: ELS-F150
Vacc: 150 kV
Beam Current: 1 nA
Field size: 100 μm squareDev.: ZED-N60, R.T., 60 s②

①100µm

[1st Layer, Large pattern]②w200nm
p50nm
w<20 nm

Overlay100µm

21描画結果 ⁻ 大⾯積描画4 inch5mm● Total Exposure Time5mm□, 184 chip

5 h 20 min / 184 chip

500µm
1mm
5mm

µm ~ sub µm オーダーのパターンを⾼スループットかつフィールドつなぎ無しに描画可能
22

描画結果 ⁻ ナノパターン
SEM

2mm

OM

2mm
1mm

4点クロスマークを用いた重ね合わせ描画を実行● Total Exposure Time1 h 42 min / 184 chip
高加速電圧による超微細パターンの作製および高精度な重ね合わせ描画が可能
23

Result - Overlay accuracy & Total Process Time ● Overlay accuracy
4 inchY8Y7Y6Y5
X1 X2 X3 X4 X5X6 X7 X8 X9Y4Y3
Y2
Y1

上記 17 chip を評価● Total Process Time(Large pattern)

5 h 20 min(Small pattern)

1 h 42 min(Dev. & Load etc.)<1h≦ 8 h / 184 chip24

３Dパターンの一般的な作製プロセス❏ プロセスが複雑❏ 多段形状の作製時に、レジストが流れ落ちる。
❏ エッチング条件出しを複数回行う必要❏ 作製可能な最小のパターンサイズに限界（約1μⅿ）

25ナノメータスケールグレースケール描画
DOE（Diffraction Optical Elements）

先⾏研究例 NPF 130kV

新関嵩、レーザー露光装置とEB露光装置を使った3次元パターニング技術
NPF 電子ビームリソグラフィセミナーVI‐電子ビーム露光とレーザービーム描画によるグレースケール露光

大面積のDOEパターンマスタの必要性

26

ナノメータスケールグレースケール描画
厚み3.5μm GL-1400レジスト

10nA, Dose

ドーズー描画深さ評価用図面
100

200

300

400

500

90

190

290

390

490

80

180

280

380

480

70

170

270

370

470

60

160

260

360

460

50

150

250

350

450

40

140

240

340

440

30

130

230

330

430

20120220320420

10110

210

310

410

一個のパターン： 500um✕200um
隙間： 100 um
27

ナノメータスケールグレースケール描画
DOE（Diffraction Optical Elements）の描画結果
DOE図面はスペースフォートン社から提供頂きました。

130KVk機での通常描画条件
1nAの場合 60 min

UHSEB
10nAの場合 4.5 min

描画速度を13倍以上アップ

SEM観察写真

光学顕微鏡写真＜DOEパターンサンプル＞

実用化において、課題が残されている
28

マイクロメータスケールグレースケール描画(a)
単色、描画時間：約2時間

4インチ ZEP520A/Si、50nA(b)
多色、描画時間：約４時間

4インチ ZEP520A/Si、50nA
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目次
1． 序論
①

研究の背景

②

超高速電子ビーム加工装置の概要

2．研究事例の紹介
①

高速描画

②

Mix-and-Matchプロセス③

3D描画
DOE、ナノインプリントモールド

30

レプリカモールド用マスタモールドの作製プロセス

31ナノインプリントプロセス

32残膜均一化
モールドパターンに粗密がある場合、残膜分布を均一にするためには工夫が必要◉ Uniform density distribution

Nanoimprint

Residuallayerthickness(RLT)

mold◉ Non-uniform density distribution
highlow

moldResist
substrate
substrate

Uniform RLT
Etch‐transfer<Cross-sectional view ofUV-NIL process>substrate

Nonuniform RLTViscosity resistance→ hard to compensate bylong pressing

Non-uniform RLT map
V. Sirotkin et al., Microelectronic
Engineering 84 (2007) 868

Pattern profile after residual layer
removal etching
Undercut
Y Tsuji et al., Journal of Physics:
Conference Series 191 (2009) 012010

Considerable
degradation ofetched patterns
33容積均一化モールド（2段パターン）オリジナルモールド

容積均一化モールド

Original pattern cavities

Area I

Area II

Area III

Ｂij: 補正パターン
密度

Complementary pattern cavities
Aij: pattern density

Contact surface
d1AminAmax
Mold

d2e=d1 x R
R = (Amax/Amin)-1

d1
d2e
Mold

容積均一化後の３D密度︓ = Aij+R*Bij
密度分布に関わらず、2段パターン構造でモールドの容積を均一化する手法

34

容積均一化モールドの残膜均一化効果

Original moldCE mold

For a given molddesign and conditions,the standard deviationof the RLT was reducedby 1/435

グレースケール描画による容積均一化モールドの低コスト化

Duotone EBL
Converted bySTAMPprogram
Original pattern

CE mold pattern

Ni electroforming

EB resist pattern/Si

Ni master mold36

まとめ
大面積偏向、⾼スループット等の特⻑を有する超⾼速電⼦ビーム加⼯装置（UHSEB）はnmスケールからµmスケールサイズのパターンをウェハー（最大8インチ）全面に低コストで作製することができる。
現在、超高速電子ビーム加工装置(UHSEB)によるナノ加工技術の確立に必要な装置改善や環境およびプロセスの構築を行っている。その達成により、これまで実現が困難であったウェハレベル加工を実現し、モールドのみならず、各種デバイスの作製にも利用できるようにする。
また、ナノインプリント技術を併用した大量生産工程を構築していく。

37

ご清聴ありがとうございました。
Acknowledgement
I would like to express heartfelt thank to co-researchers of AIST
and Elionix and all members of JST-CREST project.
Some parts of the presentation is based on results obtained froma project commissioned by the New Energy and Industrial
Technology Development Organization (NEDO).
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