斬新なハードマスク - 常州リモーネ株式会社

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12180 (2022) この記事を引用

2208 アクセス

2 引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この書簡は、フォトリソグラフィーに基づいたシリコン内のマイクロメソスケール構造の製造を妨げる大きな障害を解決するものである。従来のフォトリソグラフィーは通常、滑らかで平らなウェーハ表面上で実行され、2D デザインを配置し、その後それをエッチングして単一レベルのフィーチャを作成します。ただし、平坦でない表面やすでにエッチングされたウェーハを処理したり、構造内に複数のレベルを作成したりすることはできません。この研究では、基板内にそのようなマルチレベルの階層的な 3D 構造を簡単に作成できる、クリーンルームベースの新しいプロセスフローについて説明しました。これは、基板上に極薄の犠牲二酸化ケイ素ハードマスク層を導入することによって実現され、最初に複数回のリソグラフィーによって 3D パターニングされます。この 3D パターンは、垂直方向に 200 ～ 300 倍に拡大縮小され、シングルショットのディープエッチングステップによってその下の基板に転写されます。提案された方法は、さまざまなトポグラフィーと寸法の特徴を使用して、エッチング速度と選択性を定量化することもでき、容易に特徴づけることができます。この特性情報は、後で特定のターゲット構造を製造する際に使用されました。さらに、この研究では、新しいパターン転写技術を、グレースケールリソグラフィーやチップスタッキングなどのマルチレベル構造を作成する既存の方法と包括的に比較しています。提案されたプロセスは、他の方法と比較して安価で高速であり、標準化が容易であることが判明しました。これにより、プロセス全体の信頼性と再現性が向上しました。これにより、いくつかのマイクロメソスケールデバイスの劇的な性能向上の鍵を握るハイブリッド構造のさらなる研究が促進されることを期待しています。

リソグラフィーベースのマイクロ・ナノ加工技術の進歩により、10 nm 未満の長さスケールからミリメートルスケールまでの構造をコスト効率よく大量生産できるため、世界中の技術に革命をもたらしました。これらの構造の一部には、FET、IGBT1 などのナノメートルスケールの電子部品、光導波路 2、フレネルレンズ 3、フォトニックデバイス 4、マイクロナノ流体デバイス 5 などのサブミクロン機能が含まれます。わずかに大きなマイクロ (1 ～ 100 μm) およびメソ (0.1 ～ 1 mm) スケールの特徴は、現代の技術ではさらに有用であり、マイクロ流体工学 6、冷却技術 7,8、電池研究 9、吸着脱着 10、脱塩 11、および触媒作用 12 において無数の応用が見られています。。遍在的で多用途であり、マイクロ・ナノ製造技術として不可欠であるにもかかわらず、従来のクリーンルームベースのリソグラフィーには 1 つの大きな制限があります。このタイプの処理では、2.5D または単一レベルの構造 (図 1a、b) のみを効率的に作成できますが、マルチレベル、ハイブリッド、3D 階層構造 (図に示すように、複数の高さまたは深さのレベルを持つ構造) を確実に作成することはできません。図 1c ～ e) の深さは 1 ～ 5 μm を超えます。従来の LELE (リソエッチングリソエッチング) ルートを通じて、2D 設計/パターン (2D でフィーチャ設計を完全に制御可能) が、まず犠牲マスク層 [通常はフォトレジスト (PR) と呼ばれる感光性ポリマー] 上にリソグラフィーによって配置されます。ウエハー上で。このマスクは現在、ウェハ上の設計の露出部分をエッチングするための保護として使用されています。 1 回の「リソグラフィー + エッチング」により、デザイン全体を 1 つの特定の深さまでのみエッチングすることができるため、単一レベルの構造が得られます。従来のLELEクリーンルームプロセスでは、通常、目的のマルチレベル構造を実現するために、複数回の「リソグラフィー+エッチング」を連続して行う必要がありました(図1f–i)。このボトルネックは、すでに「リソグラフィー + エッチング」を 1 回繰り返し、エッチングされたフィーチャ (高さ ≥ 5 μm) が形成されたウェーハ上でのリソグラフィーの 2 回目のラウンドが不十分であるために発生します (図 1i)。これは、ハイブリッド構造が既存のデバイスの性能の劇的な向上の鍵を握る時代において、製造上の大きなハードルとなります。 (ハイブリッド構造の有用性に関する詳細は、「影響」セクションを参照してください。)

2.5Dと3Dの2種類の構造。 (a、b) すべてのフィーチャが同じ深さ/高さである単一レベルの構造を示しています。これらは、このレターの残りの部分全体で 2.5D 構造と呼ぶ構造でもあります。 (c–e) 2.5D 構造とは対照的に、マルチレベルである 2 つの異なる完全 3D 構造を示します。ウェーハの異なる部分は異なるエッチング深さ/高さを持ちます。 (d) (c) の捏造バージョンです。 (1) 従来の LELE (f) スピンコート PR、PR 層の均一性は下流プロセスの成功にとって重要です (g) PR 上に 2D パターンを作成するための完全な露光と現像 (h) を作成するためのディープ Si エッチングまず単一レベル構造。 (i) エッチングされた構造の高さが PR 層の厚さ (4 ～ 10 μm) より高い場合、2 回目の PR スピンコーティングは失敗します。 (2) チップ積層 (j) ターゲット 3 レベル構造。 (k,l) マルチレベル構造は、まず複数のシングルレベル構造に分割され、別々のウェーハ上に作成してから結合する必要があります。 (m) チップスタッキングの制限。 (3) グレースケールリソグラフィー (n,o) PR コーティング後、全線量 (エネルギー) と部分線量リソグラフィーの組み合わせを実行して、PR 内に 3D 構造を作成します。 (p) エッチングにより、PR からその下の Si に 3D パターンが転写されます。 (q) 主に部分的なグレー線量に関連するグレースケールリソグラフィーの制限。

マルチレベルの 3D 構造は、PDMS (ポリジメチルシロキサン) などの柔らかい材料や、変形技術 (2 ステップのソフトリソグラフィ 13、逐次サーマル 14 および UV15 のナノインプリントリソグラフィ (NIL)、毛細管力リソグラフィ 16、ナノトランスファープリンティング ( NTP)17) しかし、シリコンのような硬い材料で 3D マルチレベル構造を製造するための信頼できる方法はまだ不足しています 18。最近、二光子リソグラフィーにより、フォトポリマーで複雑な完全 3D パターンの製造が可能になりました 19,20 が、これらのシステムの印刷体積は非常に小さくなります (学術界や産業界で使用されている最先端の多光子システムである Nanoscribe GT)最大 300 × 300 × 300 μm3) の体積を、構造ごとに 12 時間以上の同様に長い書き込み時間で印刷できます。この理由により、2 光子リソグラフィーは使用コストが法外に高く、商業的な大量生産シナリオに統合することが困難になります 20、21、22。グレースケールリソグラフィーと呼ばれる別の技術 23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44 は、ある程度の成果を上げています。しかし、この方法は高価で、退屈で、特性を明らかにするのが難しい場合が多い22、45、46、47、48。このアプローチでは、完全な照射量からクリアまでのエネルギーよりも低いエネルギーを持ついくつかのグレー線量を使用して、フォトレジスト (PR) を照射します。このグレーの線量で露光されたゾーンの PR は部分的な光化学反応を受け、現像するとレジストの一部だけが洗い流されます。露光光のエネルギーと焦点面を正確に制御することで、レジスト内に複数の高さの 3D 構造が形成され、その後、その下の基板に転写されます（図1n–q）。しかし、灰色の被曝線量がいくつかの制御不能な問題に関連していることがすぐに判明しました22,45,46,47,48,49。モーガンら。は、グレースケールリソグラフィープロセスステップの標準化が欠如していることを挙げて、この困難を証明しました。彼らによれば、これは、グレー線量被曝に本質的に関連するいくつかのパラメータの制御が厳しく制限されているために発生します47。グレースケールリソグラフィーで遭遇するこれらの課題には、複雑で高価なマスクモデリング 22,48、10 μm 未満のフィーチャサイズで悪化する線量依存の寸法歪み 49、フォトレジストの特性応答曲線のフィーチャサイズ依存のシフト 49、プロファイルのうねりおよび側壁のテーパ化などがあります。灰色の線量、乱雑な現像後の PR 表面。これらすべての問題により、目標とするレジストプロファイルの達成が非常に困難になります22。これらの問題は、プロセス全体を成功させるために、広範な実験による特性評価と退屈な数値モデルベースの誤差修正を通じて完全に対処する必要があります22。モーガンら。さらに、正確に制御されたグレーフィーチャの作成はプロセス条件に大きく依存し、非常に厳しいプロセス許容範囲内で動作するため、レシピやプロセスの知識をある研究室から別の研究室に移転することはほぼ不可能であると述べています。プロセス機器や環境の小さな変化により、グレースケールプロセスに大きな変化が生じます47。

最近、独創的な両面処理技術が数人の研究者によって開発され 50、51、52、53 、この技術を使用して、高出力エレクトロニクスのホットスポット (設置面積 25 ～ 100 mm2) 用の 2 レベルの 3D マニホールド構造を作成することができました。冷却。その後、ハズラら。は、非常に大面積 (≥ 500 mm2) の高熱流束 3D マニホールドマイクロクーラーを作成するための、このプロセスフローの拡張性を実証することに成功しました54。ただし、この方法は、ウェーハの両面からエッチングされた 2 つのデザインの交差によって作成できる、非常に特殊な 2 レベル構造の作成にのみ適しています。さらに、硬い Si ウェーハ上に従来のマイクロリソグラフィー技術または両面マイクロリソグラフィー技術によって作成された 3D 構造の歩留まりは、既に深い Si エッチングが行われた脆弱なウェーハを手作業で取り扱うため、約 50% まで大幅に低下します。したがって、商業的には、より高い（≧ 10 μm）マルチレベル構造の作成は、伝統的にチップ積層法によって行われてきました 50,56。このアプローチでは、完全な 3D デザインがいくつかの異なる 2.5D 構造に分割されます。これらの2.5D構造は、従来の「リソグラフィー+エッチング」を使用して別々のウェーハに製造され、その後、はんだダイアタッチまたは薄い共晶接合技術を使用して積層されます（図1j〜m）。これらの個別の層のそれぞれに使用されるウェハの厚さによって、このプロセスで達成できる段差の高さが決まります。多くの場合、小さな段差の高さを実現するには、バックグラインドツールを使用してウェハを薄くする必要があります。ウェーハの薄化は 30 ～ 50 μm 未満では不可能であり、このプロセスの最小ステップ高さまたは垂直解像度に非常に大きな制限が課せられます。さらに、非常に薄いウェーハは、反ったり、欠けたり、破損したりする傾向があります。最終的に接着されたチップスタック構成は寿命が短く信頼性が低く、接着部位が主な故障の原因となります。これらの問題は、大規模な周期的熱応力または機械的応力を受けるデバイス、特に高熱流束のマイクロ流体冷却デバイスでより頻繁に発生します。また、チップ積層技術には、スタックの中間ウェーハ層が自立構造を持つことができないため、製造できるデバイス構成の点で制限があります（たとえば、この技術を使用してマルチレベルのピンフィンアレイ構造を作成することはできません）。したがって、現在の微細加工コミュニティは、シンプルでコスト効率が高く、妥当なプロセス公差の間で動作できる、高アスペクト比で背の高い（100μm以上）マイクロメソスケールのマルチレベル構造を作製するための、標準化され、容易に特徴付けられるプロセスを切実に必要としている。したがって、最終的には、ある研究室から別の研究室に簡単に変換できます。

この論文では、フォトリソグラフィ技術を使用してマルチレベル構造を確実に作成できると同時に、チップのような既存の最先端の方法を使用する際に生じるいくつかの実用的な課題を解決できる、新しい二酸化シリコンからシリコンへのパターン転写プロセスについて説明しました。スタッキングおよびグレースケールリソグラフィー。パターン転写プロセスは、シングルショットのディープシリコンエッチングステップによって実現され、製造歩留まりが 40% 以上向上します。さらに、Si:SiO2 のエッチング選択性は、Si:PR のエッチング選択性と比較して 1 桁以上高い 25、26、27、28、29、30、49 ため、非常に高く (最大 500 μm)、アスペクト比 (約 10 ～ 15) の構造は、メソスケール機能に依存するアプリケーションで非常に役立ちます。記載されたプロセスは全線量露光を使用するため、部分線量グレー露光に伴うすべての課題と困難を回避します。グレー露光ステップを削除すると、同時に、グレーリソグラフィーの部分露光ステップに本質的に関連付けられている「制御が難しい」パラメータも削除されます 47。特徴付けられるパラメータは二酸化シリコンとシリコンのエッチングに関連するものだけであるため、この新規プロセスは一般化が容易であり、非常に厳しいプロセス公差を必要としません。このレターでは、簡単な特性評価方法について言及し、使用するツールとステップ条件に特有の SiO2 および Si エッチングに関するデータを詳しく説明します。このプロセスでは、特性評価と標準化が容易であることに加え、非常に一般的に使用されるクリーンルームベースのツールとプロセスを使用して、マルチレベルの微細構造を作成します。これにより、ある研究室から別の研究室への知識の伝達がはるかに容易になります。最後に、この手紙は、2 回の「リソグラフィー + エッチング」の実行によるこの方法の概念実証を示し、作成されたいくつかの 2 レベルおよび 3 レベルの微細構造の SEM 画像を示しています。ただし、構造の種類、トポロジー、構成、長さスケールの可能性は無限です。最後に、この手紙は、現在製造が可能になっており、次世代の高性能マイクロ流体工学および冷却技術への道を開く可能性がある、これらの新規なハイブリッド構造のいくつかの刺激的な応用例を列挙して終わります。

この論文で説明する新しいプロセスは、マルチリソグラフィー LELE 技術とグレースケールリソグラフィーからインスピレーションを得ています。この 2 つを巧みに組み合わせて、マルチレベル 3D 構造を確実に製造すると同時に、PR ベースのグレースケールリソグラフィ技術に関連するいくつかの実用的な課題を解決します。従来のリソグラフィー (図 1f ～ h) では、通常、エッチングされたフィーチャの作成は次の手順に従います。つまり、ウェーハ上にフォトレジスト (PR) をコーティングします (図 1f)。適切な波長とエネルギーの光で PR に 2D デザインを露光します。これにより PR 内で光化学反応が起こり、現像液と呼ばれる特別な溶媒に溶解可能になります (現像液は通常、TMAH、水酸化テトラメチルアンモニウムなどの非常に腐食性の高い塩基の高希釈溶液です)。露光後、現像液を使用して前のステップで露光されたPRの部分を洗い流し、ウェーハ表面にPRの2Dパターンを残します（図1g）。その後、反応性イオンベースのボッシュシリコンディープエッチングを実行して、ウェーハの露出部分を必要な深さまでエッチング除去します。これにより、シリコンウェーハ内にすべてのフィーチャが同じ深さを持つ単一レベルの構造が残ります（図1h）。）。この従来技術を用いて多層構造を実現するには、LELE（litho-etch-litho-etch）と呼ばれるプロセスフローが使用される。このプロセスでは、「リソグラフィー + エッチング」という一連のステップを、各ステップで異なる露光設計と異なるエッチング時間を使用して複数回繰り返す必要があります。主な課題は、既にエッチングされたフィーチャーを備えたウェーハ上に PR を塗布しようとする 2 番目のリソグラフィー・ステップで発生します。スピンコーティングプロセスは、高 RPM で回転するシリコンウェーハの中心にパドルを塗布して PR を放射状に外側に広げ、ウェーハ上に薄く均一なコンフォーマルコーティングを形成します。 PR の厚さ (4 ～ 10 μm) がフィーチャのエッチング高さに比べてはるかに大きい場合、すでにエッチングされたウェーハ上のスピニングプロセスは満足のいく (薄くて均一な) ものになります。したがって、すでにエッチングされたフィーチャの高さが 1 ～ 4 μm 以下の IC 製造の一部のケースでは、LELE プロセスは完全に機能します。ただし、マイクロ流体工学、液体冷却、光学および半導体製造のいくつかの有用な用途では、これらのエッチング深さはマイクロメソスケールであり、10 μm から 500 ～ 600 μm の範囲に及ぶ可能性があります。より大きな段差（5 ～ 10 μm 以上）で PR スピニングを行うと、コーティングが不満足になります（図 1i）。ストリーキング (エッチングされたフィーチャや障害物にぶつかった後に PR 層にしわが寄る)、フィンガリング (PR が深いキャビティ/チャネルに閉じ込められ、それらのチャネルに沿ってのみ進行する)、不完全なカバレッジ (エッチングされたフィーチャの角に当たる PR やウェーハの残りの部分をカバーできない場合）、リソグラフィーの 2 回目のラウンドでのスピンコーティングプロセスが損なわれます。これにより、下流の露光プロセスが失敗し、その成功は PR コートの均一性にのみ依存し、プロセス全体の失敗につながります。

我々は、信頼性の高い製造を複雑にする従来の方法における 2 つの大きな問題を特定しました。それは、LELE プロセスにおける高さ 5 μm 以上のエッチング構造に対する PR コーティングの問題です。そして、グレースケールリソグラフィーにおける部分的なグレー線量露光に関連する避けられない制御不能な問題。これに関連して、当社は一般的に使用されるクリーンルームツールを使用した新しいプロセスフローを発明しました。これにより、これらすべての問題が軽減され、マルチレベルの階層構造を簡単に作成できるようになります。エッチングマスク材料を 3D パターニングするグレースケールリソグラフィーの原理に触発され、私たちは最初に PR とシリコンウェーハの間に極薄の SiO2 犠牲層を導入しました。 SiO2 層は、深い Si エッチングプロセス中に PR の代わりにマスキング材料として機能します。このアイデアは、下のシリコンを直接パターン化するのではなく、従来の LELE リソグラフィーを複数回実行して、この新しく導入された SiO2 マスク層をパターン化することです。この後、深い Si エッチングによって、SiO2 内のこの 3D マルチレベルパターンが垂直方向にスケーリングされ、シリコンに転写されます。全体的なプロセスフローを図 2 に概略的に示します。このプロセスフローの最初のステップでは、薄い (最初に、250 ～ 350 °C での化学蒸着 (CVD) または熱酸化プロセス (≧ 850 °C) によって、SiO2 の 1 ～ 3 μm) 層がウェーハ上に堆積されます (図 2b)。あるいは、プロセスをより BEOL (バックエンドオブライン) に適したものにするために、高密度プラズマ強化 CVD (HDPECVD) プロセスを使用することもできます。このプロセスでは、高品質の SiO2 を 90 ～ 120 °C のはるかに低い温度で堆積できます。指向性プラズマを使用して堆積プロセスを強化します。 SiO2 層の成長/堆積に続いて、各ラウンドで異なる設計と SiO2 エッチング時間を使用して、SiO2 層上で複数回のリソグラフィーが実行されます (図 2c ～ h)。 SiO2 層は非常に薄いため、SiO2 の最大エッチングステップ高さ (≤ 3 μm) は、スピニングプロセス中にその上に広がる PR 層の厚さ (4 ～ 10 μm) よりも常に小さくなります。 SiO2 のこれらの低アスペクト比の特徴は PR スピニングプロセスを妨げないため、複数のリソグラフィーステップ中に SiO2 層上に完全に均一でコンフォーマルな PR コートが形成されます (図 2f)。複数回のリソグラフィーラウンドを通じて SiO2 層に所望の 3D プロファイルをエッチングした後、ウェーハをディープ Si エッチャーに置き、時間多重ディープ反応性イオン (DRI) プロセス (ボッシュエッチングプロセスとも呼ばれる) によって Si に異方性プロファイルを実現します54。。このエッチングステップは、Si:SiO2 エッチング選択性によって SiO2 の 3D プロファイルを垂直にスケーリングし、その下のシリコンに転写するワンショットプロセスです (図 2i)。このエッチングステップはシングルショットプロセスであるため、チップスタッキングや従来のLELEプロセスのような壊れやすいディープエッチングウェハの手作業も不要になり、プロセスの歩留まりが50%から90%に向上します。さらに、これらの構造はモノリシックになっているか、単一のバルク Si 基板で作られているため、チップ積層アプローチに必要ないくつかの接着層が不要になり、デバイスの信頼性と堅牢性が向上します。チップスタック構成における熱的および機械的ストレスサイクルによる故障が効果的に回避されます。前述の効果をすべて組み合わせると、産業用大量生産シナリオにおける処理時間の短縮、歩留まりの向上、スループットの向上が実現され、最終的にはデバイスの価格が安くなります。このセクションの冒頭で述べた 2 つの主要な問題も、このプロセスフローを通じて軽減されます。極薄 SiO2 の使用により、SiO2 のエッチングされたステップ上の PR スピンコーティングの問題が排除され、SiO2 をパターン化するために全線量露光ベースのリソグラフィーが実行されます。この層は、グレー線量リソグラフィーに関連する特徴付けるのが難しい問題を解決します。さらに、エッチングハードマスクとしての SiO2 は、Si に対して非常に高いエッチング選択性 (200 ～ 300) を提供します。これは、最大 Si:PR 選択性 80 ～ 100 の 2 倍以上です。これにより、非常に薄い（≤ 3 μm）SiO2 を使用して、高さ 500 μm を超えるメソスケール構造を簡単に作成できるようになります。

新しいアプローチを使用したマルチレベル構造の作成プロセスフロー。 (a) フィーチャーのないベアウェーハを洗浄します。 (b) 中間の極薄マスキング材料が堆積されます。この場合、SiO2 は CVD 堆積されます。 (c) フォトレジスト (PR) の回転は均一であり、下の SiO2 層よりも厚いため、このプロセスは妨げられません。設計 1 の露光と現像。 (d) PR をマスク層として使用し、下層の SiO2 を正確な量 \({t}_{1}\) までエッチングします。 (e) PR を除去する。 (f) 2 回目のリソグラフィーが実行されます。この状況では、PR の厚さはすでにウェーハ上にある最大の SiO2 フィーチャの厚さの少なくとも 1.5 倍であるため、スピンコーティングプロセスは成功し、3D フィーチャの SiO2 全体に薄いコンフォーマルコートが生成されます。今回は、デザイン 2 が異なる深さ \({t}_{2}\) まで SiO2 にエッチングされました。 (g) 2 ラウンドのリソ処理の後、SiO2 上に 2 レベル構造が作成されます。 (h) リソをさらに 2 ラウンド行った後、さらに 2 つのレベルを作成できます。理論的には、\(n\) 回のリソグラフィーにより、構造内に少なくとも \(n\) レベルを作成できます。 (i) 3D 構造の SiO2 層を持つウェハをディープ Si 反応性イオンエッチング装置 (RIE) でエッチングして、Si:SiO2 選択性 (この例では約 200 ～ 300) によって SiO2 3D パターンを垂直方向にスケーリングし、転写します。その下のシリコンウェーハに。最後に、\(n\) レベル、高アスペクト比構造、Si の深い構造が残ります。 (j) マルチレベル構造とは対照的に、これは比較のために示されたシングルレベル構造です。

また、このプロセスを構成するために使用されるすべてのステップは、リソグラフィー (スピン PR、露光サブ 10 μm フィーチャ設計、開発)、Si ウェハ上での SiO2 の堆積または成長、SiO2 反応性イオンエッチング (RIE) などのようになっていることに注意することも重要です。シリコンの DRI エッチングは、クリーンルーム微細加工コミュニティで非常に一般的に使用されています。これにより、ある研究室から別の研究室へプロセス知識を簡単に転送できますが、これはグレースケール技術ではほぼ不可能です47。さらに、このプロセスフローでは、さまざまな種類と厚さのポジ型レジストとネガ型レジストについて広範に特性評価され、文書化されている完全露光リソグラフィーのみが使用されます。グレー線量曝露の排除により、グレー線量誘発 PR 応答曲線のシフト、グレー線量プロファイルのうねり、現像後の乱雑な表面、グレー線量依存の寸法歪みなど、グレースケール技術に関連する避けられない問題のいくつかが解消されます 22,45,46,47。これらの問題がなければ、必要となる高価で退屈な実験および数値プロファイル誤差修正ステップも効果的に回避されます。必要とされる唯一の特性評価は、SiO2 と Si のエッチングに関連しており、どちらも以前の多くの研究者によって広範に特性評価されています。これらのプロセスは非常に一般的であり、その特性データは微細加工コミュニティで広く入手可能ですが、そのような構造を製造しようとしている人に出発点を提供するために、使用したツールとレシピに固有の特性データをセクションの後半で詳しく説明します。私たちの研究で使用した特定のツールとレシピに関する情報は、補足情報 (SI) 表 1 にあります。SI 表 3 には、この新しい方法とチップスタッキングおよびグレースケールリソグラフィー (マスクおよびグレースケールリソグラフィー) の既存のプロセスとの表形式の比較も含まれています。マスクなし）。

この新しいプロセスフローを使用した予備テスト (図 2) では、公称寸法 (幅) が 5 ～ 10 μm、アスペクト比 (高さと幅の比) が 10 ～ 15 程度の 3D 階層フィーチャを作成できることが実証されました。従来のフォトリソグラフィーの代わりに電子ビームリソグラフィーを使用することで、解像度を 500 nm 未満のスケールまでさらに向上させることができます。マルチレベル構造を作成するプロセスフローは、信頼性と再現性を確立するために、異なる大きさのステップ高さ (250 nm ～ 1.5 μm) で 5 回テストされています。

プロセスの解像度と再現性は、シリコンのエッチング速度、SiO2 のエッチング速度、および Si:SiO2 のエッチング選択性を正確に特徴付ける能力に依存します。２つの特性評価マスクは、リソグラフィーで位置合わせされたときに、重なり合う直線マイクロチャネルおよび角柱アレイの小さな設計パッチを含むように構築された。これら 2 つのリソグラフィーマスクを使用して、3 つの異なる特性評価ウェーハを異なる 3 日にエッチング量を変えてエッチングしました。これら 2 つのマスクは、Oxford RIE という反応性イオンエッチングツールで CHF3 と CH4 を 3:1 の比率で含む 600 ～ 800 W のプラズマを使用してさまざまな時間エッチングされ、SiO2 内に 250 nm ～ 1.5 μm の間で変化するステップ高さのステップが生成されました。層。 SiO2 のエッチングレシピは、SiO2:PR 選択性が 1 以上になるように選択されました。これにより、PR 層 (4 ～ 10 μm) が常にその下の薄い (3 μm) SiO2 を完全にエッチングするのに十分な厚さになるため、もう 1 つの層が除去されます。パラメータ (SiO2:PR エッチング選択性) を正確に評価する必要がないようにします。このシナリオでは、SiO2 エッチング速度情報のみが重要になります。 SiO2 エッチングの結果を図 3 にまとめます。図 3 の作成元となった生データは、SI 表 2 にあります。

私たちの方法の再現性と標準化性を確立するには、酸化物のエッチング速度の正確な特性評価が不可欠です。直線チャネルと角柱アレイで構成される特性評価用ウェーハをさまざまな時間 (1 ～ 100 秒) でエッチングし、1 秒あたりのエッチング量 (Å/s) をフィーチャーのタイプと寸法の関数としてプロットしました。これらの曲線をプロットするために使用される生データは、補足情報にあります。 1 秒あたりのエッチング速度は約 5 nm/s で安定していることがわかりました。ただし、重要な観察は、SiO2 でのアスペクト比依存エッチング (ARDE) が認められないという事実です (さまざまな形状での 1 秒あたりのエッチングの最大変動は ~ 1 nm/s であることがわかりました)。SiO2 では一貫した 1 秒あたりのエッチング値が示されています。機能の寸法と荷重条件が異なります。 1 秒あたりのエッチングは、特に総エッチング時間が短い (<5 秒) 場合、総エッチング時間により大きな影響を受けることがわかりました。これは、エッチング時間がわずか 1 秒の場合、エッチングチャンバー内の予測不可能で不均一なプラズマ分布の結果です。。エッチング時間が長くなると (30 秒、60 秒、100 秒)、1 秒あたりのエッチングの変動は少なくなり、互いに近づきました (45 ～ 50 Å/秒)。これは、良好なプロセス制御、再現性、および信頼性を示しています。

当社独自のレシピを使用した酸化物のエッチング速度の詳細な特性評価に続いて、酸化シリコンに 3D 構造を正確に構築できます。当社の極熱流束冷却デバイスのターゲット構造は非常に高く (約 500 μm)、マスクとして 3 ～ 4 μm の SiO2 層が必要です。前述したように、SiO2:PR 選択性が 1 以上の積極的な酸化物エッチングレシピを選択しました。これは、比較的薄い PR 層を使用して厚い SiO2 層 (最大 4 ～ 6 μm) をエッチングできるようにするために必要です。 (4 μm、したがって 10 μm 未満の分解能を維持します)。ただし、積極的な SiO2 エッチングレシピ (1 秒あたりのエッチング値が高い) を選択すると、ターゲット構造の垂直解像度が悪化します。図 3 は、総エッチング時間とフィーチャ寸法の関数として 1 秒あたりのエッチング (Å/s) をプロットしたもので、平均エッチング速度は広範囲のターゲットに対して 45 ～ 54 Å/s の範囲内で適切に制御されています。構造および 1 秒を超えるすべてのエッチング時間。 1 秒では、エッチングはプラズマが大幅に不足し、エッチング速度ははるかに低くなり、約 30 Å/s になります。さらに、1 秒では、プラズマがチャンバー内に均一に分布するのに十分な時間がないため、フィーチャの寸法がエッチング速度により強く影響するアスペクト比依存エッチング (ARDE) も発生します (これは灰色で表示されます (1 秒) etch) 図 3 の線プロット)。したがって、当社のエッチングレシピを使用した 3D 構造の垂直解像度は、最低 2 秒のエッチングによって決まり、SiO2 層では約 10 nm に制限されます。これは、ステップがスケーリングされ、DRIE を通じてシリコンウェーハに転写される場合、約 2 ～ 3 μm に相当します。エッチングのレシピを調整して (それぞれのガスの流量を減らし、CHF3 と CH4 の比率を減らすことができます)、エッチングの攻撃性を下げることで、1 秒あたりのエッチング値を減らすことができます。これにより、エッチングの制御が向上します。 SiO2:PR 選択性は低下しますが、SiO2 3D 構造の解像度は向上します (10 nm 未満)。酸化物エッチングステップの特性評価に続いて、パターン転写のためにプラズマサームディープシリコンエッチャー (PTDSE) でディープシリコンエッチングレシピが使用されました。このレシピは、幅 100 ～ 200 μm の直線チャネルを備えたテストウェーハを使用して特性評価も行われました。合計 200 μm のエッチング深さにわたる平均の Si:SiO2 エッチング選択性は、約 270 ～ 290 であることがわかりました。このエッチングのレシピは、Hazra らによる以前の研究によって広範囲に開発されました。この研究者らは、エッチング選択性が 220 ～ 240、エッチング速度が 8 μm/min であると報告しています54。 Hazra et al. が使用した DSE レシピ。また、1000 μm という極端な合計エッチング高さに対応するために、非常に積極的なレシピでしたが、この積極的なレシピは、Si:SiO2 の選択性の低下につながります。今回の研究では、選択性を高め、より真っ直ぐで異方性の高いエッチングプロファイルを実現するために、レシピをわずかに変更しました (シリコンエッチングステップの「etchA」時間が 3.354 秒から 3.1 秒に短縮されました)。我々の特性評価構造（異なる幅と 100 ～ 400 μm の間隔の垂直に配置された直線チャネルアレイ）のエッチングの進行を調査しました。 172 μm のシリコンが 0.61 μm の酸化物に対してエッチングされることがわかり、平均の Si:SiO2 エッチング選択比は約 282 になります。このプロセスフローを通じて得られた最終的なマルチレベル構造の一部を図 4 に示します。

当社の作製方法を用いた3D構造のデモンストレーション。 (a) マルチレベルピンフィン構造（等角図）。このタイプの構造は、従来のチップスタッキングや両面エッチング技術では作成できません。 (b) (側面図) マルチレベルピンフィンアレイ。 (c) ピンフィンとピンホール。 (d) ウェーハ表面からオフセットした直線マイクロチャネル（表面からわずかにオフセットした微細構造を作成する機能は、特に極度の熱流束冷却用途において、異なるコンポーネントの接着、統合、およびパッケージングを容易にする計り知れない可能性を秘めています）。 (e) 異なるアスペクト比と間隔の鋸歯状フィン構造。 (f) ピン-フィンピンホールサンプルの拡大画像。 (g) (側面図) 4 つの異なるレベルを示す鋸歯状のフィン構造。 (h) 2 レベルの鋸歯状フィンの等角図。 (i) 3 レベルの鋸歯状フィンを作成するために使用されるオーバーラップマスク設計。 (j) 2 つのマスクデザインを重ね合わせて作成されたピンホールを持つ 3 レベルのチャネル。このような小さなピンフィンまたはピンホールタイプの構造を、その下にある大きなメソ構造上に分散させることは、冷却器の能動伝熱ゾーンの熱性能を向上させる簡単かつ実行可能な方法です。 (k) チャネル側壁の高さよりも高いチャネルベースから突き出ているピンフィン (一部のフィンはウェハダイシング中に破損しました)。 (l) チャネルの側面に正方形パターンのマスクデザインを重ね合わせて作成された 3 レベルの「椅子」デザイン。 (m) 2 レベルのチャネル上にパターン化されたピンフィンアレイの最初の概念は、整然とした表面強化構造も作成できることを示唆しています。

最後に、薄い低アスペクト比のマスキング層をマルチリソグラフィーでパターニングし、そのパターンをシングルショットエッチングによって下にある基板に転写するという提案された製造コンセプトは、他のマスク材料や基板にも拡張できることは言及する価値があります。組み合わせも。 CVD 二酸化シリコンの代わりに、薄い金属層 (Au、Pt、Cr、W、Al) または他の酸化物 (アルミナ) または窒化物 (SiNx) 材料をマスク層として使用することもできます。 Al マスク層を使用したシリコンの DRIE では 105 という優れたエッチング選択性が観察されています 31。したがって、これを私たちの方法と組み合わせることで、極端なアスペクト比 (≥ 35) のマルチレベル構造の作成が可能になります。これらの新しいマスキング材料は、蒸着、スパッタリング、原子層堆積 (ALD)、電気めっきなどの他の技術を使用してウェハ上に堆積または成長させることもできるため、このコンセプトは幅広い製造シナリオに適用できます。マスクと基板材料のセットが異なる場合でも、特性評価プロセスは比較的変わりません。特性評価マスクを使用した 1 回の実行で、使用するツールとプロセス条件に特有のエッチング速度と選択性を定量化する必要があります。これらのパラメータはその後、設計に使用されます。最終的なターゲットのマルチレベル構造を取得するためのプロセスフロー。

この方法を使用して作成された、フィーチャの幅と高さ、およびトポグラフィーが異なる、さまざまなタイプのマルチレベルフィーチャを図 4 に示します。図 4 のすべての構造は、2 つのリソグラフィマスクを重ね合わせて 2 回のリソグラフィを実行して作成されます。理論的には、ウェーハ上で数回のリソグラフィーを実行して \(n\) レベルの構造を作成できます。

通常、「リソグラフィ + SiO2 エッチング」ステップの数は、マルチレベル構造に必要なレベルの数と同じです (図 2a ～ i を参照)。これらの構造に必要な処理ステップの数。たとえば、SiO2 層の最終段の高さをベークしたフォトポリマーで完全に置き換えることができ、これにより「リソ + SiO2 エッチング」の 1 ラウンドが削減されます。ただし、これにはプロセス中の PR、SiO2、Si の異なるエッチング速度と選択性を考慮しながら製造フローを設計する必要があります。これらの簡素化に加えて、マスク設計自体を「リソ + SiO2 エッチング」の異なるラウンド間で巧みに組み合わせたり重ね合わせたりすることができ、より少ない回数の「リソ + エッチング」を使用してより多くのレベルを生成できます。例は図 5 に示されており、2 つのマスクを含む 2 回の「リソ+エッチング」により 3 レベル構造を生成できます。より多くのそのような構造が図4g、i、j、l、mに見られ、それらはすべて2つのマスクを重ね合わせることによって作られています（正確なマスク設計は読者のための演習として残されています）。

マスク設計を重ねて複雑な構造を作成します。 (a) 最初のマスク設計 ((d) に示す) が露出され、SiO2 が \({t}_{1}\) 量だけエッチングされます。（ｂ）第２の設計は、ステップ（ａ）および（ｃ）で形成されたステップ上に部分的に重なる。ＳｉＯ２エッチングが実行されて、ＳｉＯ２上に３レベルの３Ｄフィーチャが得られる。この 3 レベル構造の 2D 対応物を (e-iv) に示します。 (d) 2 回の「リソ + SiO2 エッチング」用の 2 つのマスクが示されています。右側の画像は、マスクがどのように重なるかを示しています。 (e) SiO2 の 1 μm までの段差は露光プロセスに影響を与えないことが確認されています。ステップ高さが 1.5 μm 以上の場合、SiO2 の 2 つのレベル 1 と 2 の間で露光品質に差が生じる可能性があります。この状況では、下のステップが露光不足になり、PR が取り残される可能性があります。下流のデスカミングステップが長くなります ( ≥ 2 分)、この残留 PR をすべて削除することで問題を解決します。 (f) DRIE 後、構造は垂直方向にスケーリングされ、下層の Si に転写され、新しい 3 レベルのピン、フィン、ホールの組み合わせアレイが表示されます。 (g) 3D 構造の拡大図。 (h) 側断面図。数字はさまざまなレベルを表します。

図 5 は、一緒にエッチングされたピラーとポケットフィーチャを備えたマルチハイトピンフィン構造を示しています。また、非常に高い構造を作成する際のリソグラフィーの露光段階で発生する可能性のある問題についても簡単に説明します。 MLA ハイデルベルグマスクレスアライナー (露光ツール) による寸法精度と露光品質は、露光エネルギー (線量) と PR 上面に対する焦点位置 (デフォーカス) という 2 つの主なパラメータに依存します。主な決定要因。最適焦点面からのデフォーカス値の± 1 μm の変化は、露光ステップに大きな影響を与えないことが以前に観察されています。これは、SiO2 の 3D フィーチャとステップ高さが十分に低い (サブミクロン) 場合、露光ステップに大きな影響を与えないことを示唆しています。 2 段階の露出品質は比較的良好です。オーバーラップ設計を 0.5 ～ 1 μm のステップ高さでテストしたところ、両方のレベルで満足のいく露光量であることがわかりました (図 5a ～ c)。 1.5 μm 以上離れた SiO2 ステップ高さでフォトリソグラフィーを試みると、SiO2 の 2 つの異なるレベルの露光品質がわずかに異なる可能性があります (図 5d ～ e の回路図に示すように、レベルの 1 つが異なる可能性があります)。露出オーバーまたは露出不足）、これは露出ステップ中に考慮する必要があります。簡単で迅速な解決策の 1 つは、完全露光リソグラフィーが上部レベルまたはステップの最上部で行われるように、露光光の焦点面を選択することです。これは同時に、下位レベル (ステップの底部) が露出不足であり、残留 PR が取り残される可能性があることを意味します。これは、下流の脱脂ステップの時間を長くすることで対処できます (数分以上)。超低電力 (50 W) O2 プラズマデスカミング時間により、SiO2 ステップの底面から残留 PR がすべて除去され、この問題が解決されます。ただし、これらの場合は、デスカミングステップ中にエッチングされる余分な PR に対応するために、最初の PR コートを少し厚くする (≧ 5 μm) と恩恵を受ける可能性があります。これにより、デスカミング後でも下層の SiO2 層を完全にエッチングするのに十分な PR がまだ残っていることが保証されます。デスカムステップが長くなります。

このレターで説明されている新しいアプローチにより、特徴付けが容易で標準化可能なプロセスフローを通じて、マルチレベルのハイブリッド構造を正確に作成することができます。このような種類の構造のいくつかを図 2 および図 3 に示します。 4 と 5 ですが、可能性は無限です。これらの構造のほとんどは高さ (100 μm 以上、多くの場合 500 μm に達する) で、高いアスペクト比 (5 ～ 10) から極端な (15 ～ 25) までのアスペクト比を備えているため、この種の構造はミクロからメソまでの構造に最適であると予想されます。 - スケールのマイクロ流体および液体冷却アプリケーション。 3D、多機能、階層構造を作成する能力は、現在、学術および産業の研究環境にとって特に重要です。なぜなら、従来の単一レベルのデバイス構造を多機能かつ多層構造に置き換えるだけで、無数のマイクロメソスケールのアプリケーションのパフォーマンスが向上するからです。 -レベル、ハイブリッド機能。これらのアプリケーションの一部を次のセクションに示します。

フロータイプのマイクロ流体デバイスは、混合、粒子分離、選別、分離、分析などのさまざまな機能を備えた活性領域を備えています5、32、33、34、35、36。デバイスは、活性領域に加えて、通常、デバイス内のさまざまなサイズと異なるレベルにあるフローチャネル、入口、出口でも構成されます。フローチャネルは幅が広く、入口と出口は貫通エッチングされており、入口と出口の流れの接続が可能です。デバイス。このようなデバイスを大量に製造するための最も一般的なアプローチの 1 つは、熱または UV ナノインプリントリソグラフィー (NIL) です 14、15。これは、SU-8、PDMS、ポリウレタン (PU)、ポリカーボネート (PC)、PMMA などのいくつかの軟質ポリマーから反転ミラーを作成するために使用される剛性マスターまたはモールド (多くの場合 Si で作られる) を利用します。現在、その方法はありません。マルチレベルの剛性モールドの作成にはこの方法が存在します18。この方法では、この方法が非常に役立ちます。さらに、このプロセスにより、機能の幅と高さを独立して制御できるアクティブエリアの微細構造とフローチャネルの簡単な製造が可能になり、同じデバイスまたはチップ上でのマルチフィジックスへの道が開かれます57、58。 Duong et al.59 が 3D プリンティングによって実証したような複雑な流路や内部キャップ構造は、2 つのシリコンチップまたは対応する NIL キャストポリマーを接着することで簡単に作成できるようになりました。デジタルまたは液滴ベースのマイクロ流体工学も、このようなマルチレベル構造から多大な恩恵を受ける可能性があります57。慎重に作られた複数レベルのピンと穴（図4c、fに示すものなど）を複数レベルのチャネルと組み合わせて使用すると、液滴を効果的に作成、捕捉、輸送することができます。最近、ハイブリッド構造は光流体コミュニティからも多くの注目を集めています。らは、単一粒子検出のための PDMS ベースの流体ハンドリング層とシリコン光センサーの統合を実証しましたが、DNA の標識、単一分子の検出、粒子の混合、分配、フィルタリングなどの他の目的でのその機能性も示しました 60。マルチレベルフィーチャのもう 1 つの利点は、表面構造を作成できることです。これは、超疎水性、自浄性の蓮の葉、防汚性と抗力を軽減するサメの皮など、ターゲットを絞った機能を備えた生物からインスピレーションを得た表面デザインを設計する際にいくつかの可能性を提示します 13,39。軟体動物の殻のテクスチャ、反射防止のモスアイ、光子蝶の羽の構造、そしてナミブハムシの皮膚のような「水を採取する」マイクロバンプ。同じチップ上でいくつかの異なる機能を組み合わせることができるため、より多用途なラボオンチップ (LOC) デバイス 18 の作成が推進され、バイオマイクロ流体学 5,58,60,61,62 に多大な影響を与えることになります。液滴ベースの少量サンプル試薬検査、生物学的および化学的アッセイ、ポイントオブケア診断、細胞および DNA 操作 5,61,62 および検査、分離 35、選別 34、および分析 36。これらのタイプのマルチレベル材料は、表面および吸収の強化が必要な状況でもさまざまな用途に使用できます。その中には、吸水、脱塩、炭素捕捉、バッテリー技術、吸着強化、触媒作用、表面張力または毛細管力による輸送などがあります6,7。 8、9、10、11、12など

さらに、ハイブリッドマルチレベル構造は、おそらく組み込み液体冷却ソリューションの分野におけるデバイス性能の向上に最も大きな影響を与えます。コールドプレート側のマイクロチャネルのハイブリッド化（直線マイクロチャネルの底部にマイクロウィックまたは表面機能を導入することによる）は、強制供給マイクロチャネル冷却シナリオにおける熱性能の向上につながります8。朱ら。は、作動流体としてメタノールを使用した場合、圧力損失が大幅に増加することなく、高さ 25 μm および 75 μm のマイクロピラーそれぞれについて、滑らかなマイクロチャネルと比較して微細構造マイクロチャネルの熱伝達係数が 17% から 117% 以上に改善されたことを報告しました 56。従来の単多孔質の芯の代わりにハイブリッドの二多孔質芯を備えたヒートパイプやベイパーチャンバーなどのパッシブヒートスプレッダーは、熱拡散能力の大幅な向上を示しました。ダイら。複雑なハイブリッド芯をヒートパイプに使用すると、固体銅と比較して最大拡散可能熱負荷が 30 倍大幅に増加することが実証されました41。周ら。最先端の市販の単孔および複孔芯 TGP (サーマルグラウンドプレーン) と比較して、デバイスの熱抵抗がそれぞれ 28% および 17% 減少したことを報告することで、ベイパーチャンバーにおけるハイブリッド 2 レベル芯の優れた性能を検証しました42。。さらに、マルチレベルの階層構造を確実に作成できる当社の能力により、流体を効率的に供給するための 2 番目の 3D マニホールド層を使用して、強制対流ベースのアクティブ冷却デバイスを積極的にスケールアップすることができます。高性能クーラーのスケールアップは、組み込み冷却の分野で追求されている非常に重要な目標です。これにより、エネルギー密度の高いパワーエレクトロニクスコンポーネントを密に詰めることが可能になり、エレクトロニクスの速度とエネルギー密度を向上させる傾向を継続することができます 8,43,52,54。パンら。 ANSYS Fluent で数値シミュレーションを実行し、マニホールドクーラー (MMC) 設計を従来の 2D クーラー (TMC) と比較し、同じ流量では、MMC が TMC と同様のレベルの熱性能を達成しながら、4 倍から 6 倍という大幅な熱性能を達成できることを示しました。 × デバイスの総圧力が減少するため、成績係数 (COP) が 4 ～ 6 倍向上します43。アクティブクーラーに加えて、このようなハイブリッドのマルチハイトウィックにより、ヒートスプレッダーテクノロジーのスケールアップも可能になります。これは、蒸発器ウィック内で複数の深さの特徴を巧みに組み合わせることで、液体から蒸気への相変化ヒートスプレッダー内の薄い蒸発器ウィックによって本質的に課せられる物質輸送の制限を効果的に解決できるため、これが可能になります8。超薄型ベーパーチャンバー設計では、短いピラーをホットスポット上に配置して非常に薄い液体膜を保持することができ、より小さな熱抵抗と優れた熱性能をもたらし、一方、高いピラーは十分なウィッキング質量流量を供給する液体補充ルートとして機能します。凝縮器から蒸発器に戻るまでの装置面積が広い。マルチレベル構造の上記の使用に加えて、アクティブな熱伝達 3D 微細特徴表面自体を表面強化することができます (図 4m は、全体として 3 レベル構造を作成するための 2 レベル構造のチャネル上部の表面強化を示しています) ) この新しい方法を使用します。これらの表面強化は整然としており、その寸法は正確に制御されるため、制御や反復が難しい確率的表面粗さ要素 (ワイヤー 44、チューブ 38、針 63、ブロッコリー 64、ポリープ 65) を作成する従来の方法に代わることができます。これらの表面強化は、凝縮器から蒸発器へ戻る毛細管ウィッキングベースの輸送を強化することにより、デバイスの測定基準の大幅な改善につながります。これは、UV レーザー誘起粗さ 64,65、シリコン微細構造上での水熱 ZnO ナノワイヤ合成 56 を使用してハイブリッドウィックを作成し、次に毛細管上昇速度テストを実行して、表面のない非ハイブリッドの滑らかな対応物よりもウィッキング速度がはるかに速いことを示すことによって実証されています。機能強化。マルチレベル構造と組み合わせた表面強化により、強制供給対流および薄膜蒸発シナリオでの熱伝達に利用できる全体の表面積がさらに増加し66、プールおよび流動沸騰領域での気泡核生成サイトの増加につながります7、8、44。

上述の用途のいくつかは、ハイブリッド構造の優位性を高めるのに役立ちます。従来の単孔性または単一レベルの芯がハイブリッドの多層芯に置き換えられると、多くの用途で数段の改善が達成されます。このようなマルチレベル構造を製造するための標準化されたレシピがさらなる研究を促進し、最終的には商用デバイスや現実のシナリオでそのような構造が採用されることを願っています。

このレターでは、複数のリソグラフィーを使用して、最初に薄い低アスペクト比の SiO2 層をパターン化し、次にワンショットのディープエッチングによってその下の Si 基板に転写する、新しいシリコン酸化物 (SiO2) から Si へのパターン転写プロセスについて詳しく説明しました。技術。 Si:SiO2 エッチング間の 200 ～ 300 という非常に高いエッチング選択性により、比較的薄い (≦ 3) 酸化物を使用して、シリコン内に 500 μm 以上の非常に高い高さと非常に高いアスペクト比 (10 ～ 15 以上) のマルチレベル構造を作成できます。上にレイヤーを置きます。選択した現在の酸化物エッチングレシピでは、2 秒のエッチングで SiO2 で 90 ～ 100 Å の安定した解像度が得られます。これにより、Si で 2 ～ 3 μm の垂直 Si エッチング解像度が得られます。エッチングレシピをさらに微調整すると、1 秒あたりの酸化物のエッチング量が減り、解像度がさらに向上します。このプロセスは、従来のチップスタッキングやグレースケールリソグラフィのアプローチに比べていくつかの利点があり、補足情報の表3に詳しくまとめられています。この新しいプロセスは、図4に示すように、無数のマルチレベル構造を作成するために使用されています。図５は、より少ない数のリソグラフィステップを使用して、より多くのレベルを作成するために複数のリソグラフィマスクをオーバーラップさせる方法を示している。このようなマイクロおよびメソスケールのマルチレベル構造は、「はじめに」と「影響」セクションで簡単に説明したように、マイクロ流体工学、冷却技術、生物学、濾過、エネルギーの分野で広範囲に応用されています。さらに、私たちの新しいプロセスは、グレースケールリソグラフィーと従来のLELEプロセスの使用を妨げるいくつかの実用的な特性評価と標準化の課題を解決して、マルチレベルの階層構造を作成するため、おそらく商業的な大量生産、高スループットの状況により適しています。商用デバイスでマルチレベルの 3D 構造が定期的に観察されない主な理由は、厳しいプロセス公差による困難で非標準的な製造です。ある研究室から別の研究室に簡単に移行できる標準レシピがあれば、そのようなハイブリッド構造の研究開発において、機能を改善し、性能を何倍にも向上させる幅広い可能性が開かれます。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文とその補足情報ファイルに含まれています。

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この研究は、エネルギー省のエネルギー先端研究プロジェクト庁 (ARPA-E) の OPEN 2018 資金提供機会 (助成金番号 DE-AR0001055) からの資金提供によって支援されました。作業のいくつかの部分は、SNF (スタンフォードナノ製造施設) および SNSF (スタンフォードナノ共有施設) で実行されました。この著作物の一部は、契約番号 DE-AC36-08GO28308 に基づき、米国エネルギー省 (DOE) の国立再生可能エネルギー研究所の管理者および運営者である Alliance for Sustainable Energy, LLC によって執筆されました。この記事で表明された見解は、必ずしも DOE または米国政府の見解を表すものではありません。米国政府は、記事の出版を受け入れることにより、米国政府がこの著作物の出版された形式を出版または複製するための非独占的で、支払い済みの、取消不能な世界規模のライセンスを保持していることを認め、または他者にそのような行為を許可することを認めます。米国政府の目的のため。

スタンフォード大学機械工学科、スタンフォード、米国

ソウガタ・ハズラ、チー・チャン、Qianying Wu、メディ・アシェギ、ケネス・グッドソン

米国ミシガン州アナーバー、北米トヨタ研究所エレクトロニクス研究部

エルカン・M・デデ

カリフォルニア大学マーセド校機械工学科、米国カリフォルニア州マーセド

ジェームズ・パルコ

国立再生可能エネルギー研究所、米国コロラド州ゴールデン

スリーカントなるまんち

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SH は、現在の知識のギャップを特定し、プロセスフローを概念化し、実験作業を実行し、結果を検証する責任を負いました。さらに彼は原稿と図を作成しました。CZ は特性データの一部を提供しました。QW、MA、KG、ED、JP、SN は作業中に指導を提供し、原稿の準備中にフィードバックを提供しました。

ソウガタハズラ対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Hazra、S.、Zhang、C.、Wu、Q. 他。マイクロ流体工学および冷却技術におけるアプリケーション向けの、3D、マルチレベル、階層、高アスペクト比構造を作成するための、新しいハードマスクから基板へのパターン転写方法。 Sci Rep 12、12180 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16281-5

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受信日: 2022 年 3 月 17 日

受理日: 2022 年 7 月 7 日

公開日: 2022 年 7 月 16 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16281-5

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