2022/3/11
ナノプロセシング施設オンラインセミナー『マスクレス描画技術』

レーザー直接描画装置を利用したグレイスケール露光と補正技術について

Bush Clover Inc.

新関 嵩

会社概要
•

社名：Bush Clover株式会社•

設立：2018年10月1日•

所在地：東京都町田市•

従業員：7名•事業内容：微細構造金型の製作・転写
微細加工全般のコンサルティング•

Web: https://www.bushclover.net/

事業内容
超微細受託加工技術コンサルティング• 電子線描画• ナノインプリント• レーザー描画• ナノスケール金型製作• コンタクト露光• 車載向け精密射出成形• ナノスケール切削加工• 量産向けロール金型• Ni電鋳、Cuめっき• 光学レンズ設計• ダイシング• 研磨

今回の発表内容• レーザー描画装置でのグレイスケール露光について• BEAMERを使用したグレイスケール露光パターンの作成について• 実際にレーザーグレイスケール露光描画をする際の注意点

レーザー描画装置でのグレイスケール露光について3次元形状加工を行う際の各技術の比較
レーザー露光EB露光

機械加工

加工
サイズ

XY: 数μm
Z:～50μm

XY:サブμm
Z:2～3μm

XY: 数10μm
Z:100μm

加工面積◯□8inch以上✕□10mm△□100mm価格（単位面積当たり）

◯✕

△

後工程

電鋳エッチング

電鋳エッチング

必要なし

加工劣化
要因

被写界深度外でのビームぼけ

前方散乱によるビーム バイト痕による表面荒ぼけれ130kVのモンテカルロ・シミュレーション結果(EBの場合)

仮に厚塗りできるレジストがあったとしても、7μmの深さでは散乱ビーム半径は1μmにもなる。

※2021/10/26
東北大学EBグレースケール・ワークショップ

機械加工による切削痕

形状が微細化してくると、切削痕が目立つようになる

レーザー描画装置で3次元構造を作成するターゲット

サイズ10μm〜50μm程度のパターンが適しているBEAMERを使用したグレイスケール露光パターンの作成について今回作成するパターン
・図のように、三角錐が並んだ構造
・三角錐を構成する３面が９０°の角度を持って交わる
・金型は凸形状・三角形のピッチは30 or 40μmのいずれか（三角錐高さは12.2～16.3um）

上面図12.2～16.3um
断面図30～40um今回作成するパターン
再帰反射形状（リトロリフレクター：retroreflector）とは、入射した光を、入射方向と平行で、かつ反対の方向へと反射する形状です。鏡面とは異なりどの方向からの光でも反射することができます。代表的なものにコーナーリフレクターがあります。

用途としては、光電センサの反射板や、空中ディスプレイのリフレクターとして使用されています。

コントラストカーブの測定
Dose1200

1000

階調

Dose階調

800

Dose量

600

400

200

000.5

11.5

22.5

00.5

11.5

22.5

10

コントラストカーブ測定パターン
その後、接触式の段差系にて測定し、測定データをBEAMER用のデータに整形する

スクリプトにて変換する。

-2

描画深さ(um)

0～1023階調まで連続的に変化させながら描画。

-1描画深さ-3-4-5-6-7-8-9

位置決めマーク測定結果の例
PMER HA1300 1day(500rpm)
Contrast curve (Intensity:100% Filiter:100% Counter:1 )5000.5

11.5

22.5-5

描画深さ(um)-10-15-20

P500 1day N:2
P500 1day N:4P500 1day N:10
P500 1day N:20
P500 1day N:40-25-30-35-40-45

作成したいパターンに合わせて、必要なN-over数を見繕う

データ作成についてデータの読み込み

Doseの割当データの出力

BEAMERにて描画用のデータを作成する。
工程は3ステップ。

3Dデータの準備
PNG

STL

8bit or 16bitのPNGファイルおよび、STLファイルで用意
今回はSTLを例に説明

データのインポート

STLには単位が無いので指定する必要がある分解能も適当に指定

Z方向に等間隔にスライスして、Layerに振り分ける処理をする

Z-Layer数とLower Bound / Upper Boundに注意データのインポート

Doseの補正方法の違い
FDA

3D LASER SURFACE

LayerにDoseの階調を割り振る

レジストの吸収係数や屈折率等を考慮して、必要なDose量をシミュレートする

必要なパラメータ

コントラストカーブ

コントラストカーブ
露光前露光後の吸収係数および屈折率補正

Doseのテーブルによる補正

３D形状Feedback機能

メリット

手軽
補正も複数の条件が振れる

複雑な形状も対応可能
レジスト内部の光の強度分布を考慮

デメリット

複雑な形状に対応できないレジストの情報が必要
補正が1回きり機能

Doseの割当 – FDAを使用する場合

PMER HA1300 1day(500rpm)
Contrast curve (Intensity:100% Filiter:100% Counter:1 )5000.5

11.5

22.5-5

描画深さ(um)-10-15-20P500 1day N:2
P500 1day N:4P500 1day N:10
P500 1day N:20
P500 1day N:40-25-30-35-40-45

測定したコントラストカーブのデータから、レイヤーに割り当てるDoseの階調を入力する

Doseの割当 – FDAを使用する場合
FDA処理後露光結果(共焦点顕微鏡像)

Doseの割当 – FDAを使用する場合割り当てるDoseテーブルを補正することで、形状が補正できる

Doseの割当 – 3D Laser Surfaceを使用する場合

未露光の吸収係数

露光後の吸収係数

レーザー描画装置の波長、屈折率、吸収係数を入力する

Doseの割当 – 3D Laser Surfaceを使用する場合

レジストの補正パラメータ無し

レジストの補正パラメータ有り

3D-Laser feedbackについて

データ準備以外の注意点

スキャン継ぎ目の問題
DWLシリーズでは、150um幅(5mmレンズの場合)でレーザー光をスキャン→ステージを150um移動→再度スキャンを繰り返している。
そのため、露光したレジストに150um間隔でレーザーの継目によるムラが生じる。
幅1㎜の長方形状の溝を描画したレジストの光学顕微鏡写真
150um毎に継目の跡が見える

AIC (Flat Laser)

1.2
1Intensty

0.8

10.60.4

000.20.40.60.8

11.20.2

1.4-10-200-20200

400

6008001000

1200

pixel (1pix=250nm)-32スキャン分のレーザー強度分布イメージ
理想的な強度分布は現実的に難しいため重ね合わせ部で強度のずれが生じる。

-4-5-6-7

段差測定結果150um(600piz)毎に、0.3um程度の段差が生じている

1400

N-Overについて
DWLの機能として、レーザーの継目の影響を緩和するためにN-Over機能がある。
右図にN-Over：4の場合の照射部のイメージ図を示す。

x幅150umの描画をした後、描画幅の1/4である
37.5umステージを移動させ、2回目の描画を行っている。
描画領域が重なっているため、レーザーの継目の影響がでづらい。

1つの箇所に対して4回描画しているため、描画時間が4倍になる
デメリットがある。
(同じ強度で描画する場合、4倍の露光量になる点も注意)

N-Over:4のときのイメージ図

CI-Overについてレーザーの継目の影響を緩和する機能として、N-Overより効果の高い
CI-Over機能がある。（Controlled Intensity Overlap）
レーザーの強度分布を三角形状にすることで、N-Overより継目の影響が少なくなる。

デメリットとしては、強度分布をフィールド外側に行くほど落としているため描画深さが浅くなる。
（N-Over同等の深さまで掘るために、描画回数を2倍にする必要がある）

AIC (Triangle Laser)

1.2
1Intensty

0.8
0.6
0.4
0.2
0-1000100200300400500

600700pixel (1pix=250nm)

CI-Over機能使用時のレーザー強度分布

CI-Over:2のときのイメージ図

N-Over,CI-Over継目写真
N-Over,CI-Overを使用して長方形状を描画したレジストの写真は下記となる。
重ね回数が多いほど継目ムラのピッチが小さくなり、段差も小さくなる。
N-OverよりCI-Overのほうが継目ムラは小さい。

246810N-Over比較

CI-Over比較

フォーカス値による描画結果の違い

コントラストカーブの描画結果は、フォーカス値では変化しないフォーカス値による描画結果の違い

Focus: 0

Focus: -50

Focus: -100

しかし、実際の描画結果はフォーカスの値によって大きく変化する