UVナノインプリントを用いたシリコンフォトニクス半導体プロセスを開発

ポイント

• シリコンフォトニクスプロセスに適したナノインプリント用の光硬化性樹脂を開発。
• UVナノインプリントを用いた大面積・高スループットのシリコンフォトニクスプロセスを確立。
• 電子線描画による光導波路と変わらない特性を持つシリコン導波路の作製に成功。

概要

東京科学大学（Science Tokyo）^※ 工学院 電気電子系の雨宮智宏准教授（電気電子コース 主担当）、永松周学士課程学生、西山伸彦教授（電気電子コース 主担当）らは、東京応化工業株式会社の森莉紗子、藤井恭、浅井隆宏、塩田大らと共同で、UVナノインプリント（UV-NIL）を用いたシリコンフォトニクスプロセスを開発しました。

ナノインプリントリソグラフィ（NIL）は、半導体における次世代リソグラフィ技術の一つとして期待されています。特にUV-NILは実用的な量産技術として導入実績があります。

本研究では、シリコンフォトニクスプロセスに合わせたNIL用の光硬化性樹脂の開発を行いました。さらに、SmartNIL®技術^[用語1]に基づいたロールオンプロセスの最適化を実施し、従来の90 nm CMOS プロセスライン^[用語2]や電子線描画^[用語3]を用いて作られた光導波路と同程度の性能を得ることに成功しました。

今回開発したシリコンフォトニクスプロセスでは、UV-NILの大面積転写性や高スループット性を大いに活かすことができ、かつコストの観点からも優位性があると考えられます。

本研究は、東京科学大学内に設立された東京応化工業未来創造協働研究拠点において行われたもので、開発したナノインプリント用の光硬化性樹脂およびプロセスレシピは外部提供が可能です。併せて、本研究成果は、2025年1月25～30日（現地時間）に米国サンフランシスコで開催された「SPIE Photonics West」にて報告されました。

※2024年10月1日に東京医科歯科大学と東京工業大学が統合し、東京科学大学（Science Tokyo）となりました。

背景

ナノインプリントリソグラフィ（NIL）は、ナノスケールのスタンプを用いた押印技術であり、従来の露光法と違って露光波長に解像度が依存しないことや、大面積転写性や高スループット性などを有していることから、半導体における次世代リソグラフィ技術の一つとして期待されています。特にソフトUV-NIL^[用語4]は、半導体製造環境との互換性を担保しつつ、半永久的な機能層を大面積かつ高解像度でパターニングできることから、近年、拡張現実（ARグラス）や生物医学診断（DNAシーケンサー）などの新たなアプリケーションに対する実用的な量産技術として導入実績があります。さらに基礎研究レベルでも、メタマテリアルやメタサーフェスなどのウェハ光学素子を実現する際に活用されています。

そのような中で、半導体の製造技術を用いてウェハ上に大規模な光回路を構築する集積フォトニクス分野でも、NILを導入できる可能性があります。集積フォトニクス分野において特に高い解像度が必要とされる場面は、DFB（分布帰還型）レーザー^[用語5]における回折格子の形成、光回路の入出力に使用するグレーティングカプラ^[用語6]の形成、シリコンフォトニクス光回路における導波路の形成などであり、いずれも100 nm程度の解像度が保証されていれば十分といえます（図1の赤帯域）。そのため、上記プロセス工程では、NILの大面積転写性や高スループット性を大いに活かすことができ、かつコストの観点からも優位性があると考えられます。

本研究ではこうした背景から、集積フォトニクスの一分野として近年発展が著しいシリコンフォトニクスに着目して、実際にUV-NILを導入したプロセスを開発しました。

研究成果

本研究では、東京科学大学内に設立した東京応化工業未来創造協働研究拠点において、シリコンフォトニクスプロセスに合わせたNIL用の光硬化性樹脂の開発を行うとともに、SmartNIL®技術に基づいたロールオンプロセスの最適化を行いました。これにより、開発したプロセスを用いて作製したシリコン導波路では、従来の90 nm CMOS プロセスラインや電子線描画を用いて作られた光導波路と同程度の性能を得ることに成功しました。

成果1：光硬化性樹脂の開発

今回開発した、シリコンフォトニクスプロセスに適した光硬化性樹脂（図2）は、UV-NILの標準仕様^[用語7]に加えて、シリコンフォトニクスプロセスに必須となる以下3つの特徴を有しています。

（1）SF_6-C₄F₈混合ガスによるエッチング耐性

標準的なシリコンフォトニクスプロセスでは、シリコン導波路構造を形成するために、SF_6-C₄F₈混合ガスによる擬似的なボッシュプロセスを用いて、膜厚200-300 nmのシリコン層を削りきります。そのため、このプロセスで用いる光硬化性樹脂には、SF6プラズマに対する高いエッチング耐性が要求されます。併せて、SF_6-C₄F₈混合ガスによる変質性も極力抑えることが求められます。

（2）O₂アッシングによる除去性

一般的なUV-NILで用いられる光硬化性樹脂は、主にフッ酸溶液処理により除去できるようデザインされています。しかしシリコンフォトニクスでは、下部クラッド材としてSiO₂を用いていることから、エッチング後の除去プロセスとしてフッ酸溶液処理は適当ではありません。そのため、有機溶剤処理もしくはO₂プラズマアッシングで除去できることが必須となります。

（3）ワーキングスタンプ剤との親和性

光硬化性樹脂には、スタンプモールド表面からの適切な離型が可能なデザインが必須となります。併せて、NILプロセス時に均一にUV照射を行う目的から、光硬化性樹脂の屈折率はスタンプモールドの屈折率と近いことが望ましいです。今回は、EVGのナノインプリント装置をベースとしており、スタンプ剤としてEVG NIL UV/AS5を用いています。

成果2：UV-NILを用いたシリコンフォトニクスプロセスの確立

今回開発したシリコンフォトニクスプロセスは「NIL工程」（図3a）と「光回路形成工程」（図3b）の2つのプロセスフローに分かれています。

NIL工程

工程A：	光回路パターンが形成されたシリコンマスタースタンプに、離型剤およびワーキングスタンプ剤（EVG NIL UV/AS5）を塗布（図3aの1, 2）
工程B：	上部からポリエチレンテレフタラートのフレキシブルバックプレーンを押し当てて、紫外線硬化させた後に離型（図3aの3, 4）
工程C：	SOI（Silicon on Insulator）ウェハに密着材および開発した光硬化性樹脂をスピンコートした後、先ほど作製したワーキングスタンプを押印（図3aの5, 6）
工程D：	UV照射を行った後、ワーキングスタンプを脱離させ、NILによって光回路パターンを形成（図3aの7, 8）

本プロセスでは、光硬化性樹脂の膜厚および充填率、回路レイアウトなどを最適化することで、膜厚20 nm以下の残膜制御が可能となっています（図4a）。

光回路形成工程

工程A：	SF6-C4F8混合ガスによるドライエッチングにより光硬化性樹脂の残膜除去（図3bの1）
工程B：	連続してSF6-C4F8混合ガスによるドライエッチングにより、シリコン層をエッチング（図3bの2）
工程C：	O2アッシング処理により、マスクとして用いた光硬化性樹脂を除去（図3bの3）
工程D：	プラズマCVDにより、上部クラッドとしてSiO2を堆積（図3bの4）

NILによるパターン形成後は、光硬化性樹脂の除去にO₂プラズマアッシングを用いる点を除いて、標準的なシリコンフォトニクスプロセスと同一の手順です。エッチング工程では、十分な垂直性を維持したまま、標準的なシリコン導波路パターンを形成できることを確認しました（図4b）。

成果3：開発プロセスで作製したシリコン導波路の伝搬特性