UVナノインプリントリソグラフィでの樹脂充填プロセスにおける分子の挙動をシミュレーション東京理科大

東京理科大学は2022年8月9日、同大学先進工学部電子システム工学科の研究チームが、UV（紫外線）ナノインプリントリソグラフィにおける樹脂充填プロセスの際の分子の挙動をシミュレーションすることで、数nmのトレンチ（溝）への樹脂充填に必要な特性を明らかにしたと発表した。

UVナノインプリントリソグラフィは、UV硬化性樹脂を基板に充填し、テンプレート（鋳型）によりナノスケールのパターンを圧縮成形した後、紫外線を照射することで形状を固定する微細加工技術だ。プロセス速度に優れるほか、大面積の加工にも対応できるため、大量生産向けの低コストな技術として半導体製造や生命科学分野などで実用化が進んでいる。

一方で、樹脂の機械的特性により、充填プロセスにおいて加工に使用する樹脂がテンプレートに付着したり、基板から剥がれ落ちたりといった欠陥が生じることが課題となっている。UV硬化樹脂分子の挙動がこれまで明らかになっていなかったため、同研究チームは今回、分子動力学シミュレーションを実施することとした。

シミュレーションに際しては、UV硬化樹脂としてN-ビニル-2-ピロリドン（NVP）、1,6-ヘキサンジオールジアクリレート（HDDA）、トリ（プロピレングリコール）ジアクリレート（TPGDA）、トリメチロールプロパントリアクリレート（TMPTA）、重合開始剤として2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン（DMPA）を用いた4種類の樹脂を用意した。

シミュレーションを実施したところ、HDDAやNVP／TPGDA／TMPTA、TPGDAを含んだ粘度10mPa・s以下の樹脂で、幅2nmおよび3nmのトレンチを充填することに成功した。一方で、TMPTAのように嵩や粘度が高い樹脂では、幅2nmおよび3nmのトレンチを埋められなかった。

同シミュレーションから得られた動径分布関数および回転半径を解析したところ、TMPTAの回転半径は、動径分布関数の最初のピークが生じる距離の半分より小さいことが判明した。この結果は、動径分布関数および回転半径が低粘度フォトポリマーの設計や選択に役立つ指標であることを示している。

冒頭の画像は、TPGDAの充填シミュレーション結果を示している。左画像が時間経過に伴う全体の体積変化で、中央画像が3nm幅のトレンチ、右画像が2nm幅のトレンチでのシミュレーション終了時のスナップショットとなっている。今回のシミュレーション終了時には、2nm幅のトレンチへの充填プロセスは完了しなかったものの、レジストは有限の時間内にトレンチを充填した。

同研究チームはさらに、直鎖状ポリマーのHDDAとTPGDAの形状を比較した。その結果、TPGDAはコンパクトな状態を形成する可能性が高く、比較的柔軟で多くのコンフォメーションを取ることが判明した。

柔軟性の高さにより、TPGDA分子において重合反応に関わる末端官能基が同一分子内で接近可能となり、分子内架橋が起こりやすくなるとみられる。実験では、HDDAベースの材料とTPGDAベースの材料で硬度の違いが観察されており、今回の結果によりこの原因が説明可能となった。

今回の結果がUVナノインプリントリソグラフィにおける樹脂選択や設計の指針となることで、半導体製造の効率化に資することが期待される。

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