U.D.C. 771.531.31.02.001.6:621.3.049.73:621.794.4:535.374 マイクロミラーアレイ直描対応感光性フィルム Photosensitive Film for Micromirror Array Direct Imager 市橋靖久* 鍛治誠* Yasuhisa Ichihashi 大橋武志** Makoto Kaji 磯純一** Takeshi Ohashi 熊木尚* Takashi Kumaki Junichi Iso 近年の微細配線化に対応した直描露光方式として，波長405nmの青紫色レーザを光源とするマイクロミラーアレイ直描方式が提案された。光増感剤の検討とFT-IRによる光重合の解析を行い，405nm露光での高感度化とフィルムの安定性を両立させた。さらに，露光エネルギーのシミュレーションから高解像化のための露光条件を検討し，マイクロミラーアレイ直描対応新規感光性フィルムとして，エッチング用途のDL1000シリーズを開発した。 A Micromirror Array Direct Imaging system using 405 nm blue-violet Laser Diode (LD) as a light source has been proposed to apply for fine patterning. We investigated optimum photosensitizers and analyzed the photopolymerization by using FT-IR. The compatibility between high photospeed and good shelf life was achieved through these studies. We also simulated the optimum exposure energy and discussed suitable exposure conditions for fine pattering. We have developed a new photosensitive film named DL-1000 suitable for the etching process. 様が変えられることも利点である。〔１〕緒言現行のマイクロミラーアレイ直描機では，光源に405nmを近年，配線板の多層化や配線の微細化につれて，スルーホー発振波長とする青紫色レーザを使用している。このため，こルやブラインドビアなどの穴空け部分への精度要求や，製の光源に対して分光感度マッチングされた専用のD/Fを開発品ごとのマスク数増大の問題が隘路となってきている。する必要があった。また，ファインパターンを解像させるた電子機器の配線形成は，感光性フィルム（ドライフィルムレジスト，以下D/Fと略す）を用い，主にマスクを介したイメージ露光によりレジスト形成するフォトリソグラフィー法めに本方式の描画条件を詳しく調べる必要があった。本報では，それらの検討に基づきマイクロミラーアレイ直描対応の感光性フィルムを開発したので，以下報告する。を用いて行っている。分割領域ごとに位置合わせできる投影露光方式は，PWB用途で検討が始まっており，現行材料がそのまま適用できるメリットがある。一方，直描露光方式では，露光のためにマスクが不要であるため，多品種生産時のコスト低減と短納期化にメリットがある（表１）1-3）。また，位置精度はワークサイズごとではあるが，基板の伸縮にあわせてオフセット補正が可能である。従来，直描方式としてガスまたは固体レーザを複数のビームとして独立に変調し，基板レジスト上にラスタ描画するレーザ描画（Laser Direct Imaging，以下LDIと略す）があった。4） LDIでは超高感度レジストと高度な光学系の両者を要求し，あまり一般化するには至っていない。さらにLDIでは，光学系の物理的制約からビーム径を十分小さく絞れず，微細な配線加工には対応できなかった。チップ上に機械駆動が可能な多数個の微小ミラーを有する MEMS （Micro-Electro-Mechanical Systems）デバイスが開発され，これを利用した直描露光機（以下，マイクロミラーアレイ直描機と呼ぶ）の開発が活発に行われている。マイク 5）ロミラーアレイ直描機は，微小なマイクロミラーのオン・オ表１マスク露光法と直描露光法の工程直描露光法はフォトツール作成工程を省略できるため，歩留り向上とサイクルタイム短縮に有効である。 Table 1 Steps in the conventional process and Direct Imaging system The Direct Imaging system, which does not require a sequence of photo-tool processes, can improve the yield and shortens the cycle time. マスク露光 Mask exposure 直描露光 Direct exposure CADデータ CAD data CADデータ CAD data ラスタデータ Raster data ラスタデータ Raster data フォトツール露光 Photo-tool exposure 現像 Development 伸縮チェック Expansion and contraction check 検査 / 修正 Test / Correction ワークフィルム作成 Preparation of work film 検査 Test レジストラミネートレジストラミネートいる（図１）。また，露光ワークサイズは，面積に応じて， Resist lamination Resist lamination マイクロミラーアレイユニットを増減することで，柔軟に仕露光 Exposure 露光 Exposure フで直接描画できるため，微細なパターン形成が期待されて＊当社総合研究所＊＊当社感光性材料事業部開発グループ日立化成テクニカルレポート No.44（2005-1） 9 領域では光吸収が無いため，500nm以上の波長領域であるイエロー光では感度をもたないようにできると考えられる。以 2D Micromirror array 上の考えに基づいて，青紫色半導体レーザ対応感光性フィル 2Dマイクロアレイムを試作した。 Mirror Light source ミラー光源従来の一括露光での光源である水銀ショートアークランプの露光波長と，直描での露光波長およびフィルムの分光感度の模式図を図２に示す。 Project system 投影系 i-line 分光感度（a.u.） Spectral sensitity(a.u.) 強度（a.u.） Intensity(a.u.) Blue-violet LD h-line 図１マイクロミラーアレイ直描機の模式図マイクロミラーのオン・オフでステージ上にパターンを投影する。 Fig. 1 Schematic diagram of a micromirror array direct imager The pattern image is projected on the stage by the on/off control of the micromirror. 350 360 370 380 390 400 λ （nm） 410 420 430 図２水銀ランプの発振スペクトル，青紫色レーザのスペクトルおよびフィルムの分光感度 405nmに分光感度をもたせ，かつ可視光領域の分光感度を低くおさえている。〔２〕光増感剤の検討と分光感度設計従来のマスク露光では，水銀灯の365nmを中心露光波長とするブロードバンド露光が主であった。これに対して，マイクロミラーアレイ直描機では，青紫色半導体レーザの405nm Fig. 2 Spectra of the Hg-lamp and blue-violet laser, and the spectral sensitivity of the film This film has high spectral sensitivity at 405 nm and low spectral sensitivity in the visible light region. 発振を用いるが，これに対する高感度化とともに，それより図２のように，青紫色レーザの発振波長に分光感度を持た長波長の明室下で作業できる必要があることから，可視光感せ，かつ可視光領域の分光感度を低く抑えることで，高感度度を低く抑えることが作業性の面から重要である。とイエロー光安定性の両立を目指した。表２光開始剤のモル吸光係数 405nmと，これより長波長（450nm）で Optical density）を変化させたフィルム（24 mm厚）を作製の光開始剤の光吸収を比較した。し6），1 kWの超高圧水銀灯で30秒間光を照射し，分光感度を Table 2 Molar extinction coefficient of photoinitiators Molar extinction coefficient at 405 nm and 450nm of photoiniators were compared. 測定した。結果を図３に示す。アミノベンゾフェノン系光増感剤を使用し，吸光度（O.D.: 光開始剤 Photoinitiator モル吸光係数 ε O.D.（405nm）＝0.14 Molar extinction coefficient 405nm 450nm 432 0 1700 0 アミノベンゾフェノン系光増感剤 Photosensitizer containing 0.44 aminobenzophenone compound 複素環含有光増感剤 Photosensitizer containing 0.81 heterocyclic compound 表２に光開始剤成分のモル吸光係数（ε）の値を示す。ここに示した2種類の光増感剤は，いずれも高効率な光増感剤であり，最小限の405 nmでの増感能とイエロー光下の安定性 405nm を併せ持つことから，青紫色半導体レーザに対して有用であることを確認できた。 334nm 図３試作フィルムの分光感度スペクトル 405nmでの吸光度が高くなアミノベンゾフェノン系光増感剤と複素環含有増感剤を用いれば，405nm近辺に感度を持たせ，かつ450nm以上の波長 10 365nm ると高感度になる。 Fig. 3 Spectral sensitivity Higher absorbance at 405nm enables higher photospeed. 日立化成テクニカルレポート No.44（2005-1）通常の感光性フィルムで使用される光増感剤量では，405nm での吸光度は0.14であり，405nmでの分光感度はほとんどない。しかし，図４より，光増感剤量を増やすと405nmでの分〔４〕露光エネルギーのシミュレーションマイクロミラーアレイ直描機では，マイクロミラーのオン・オフにより，配線などの画像を形成する。そのため，レ光感度が向上することが確認できた。〔３〕単色光露光における吸光度の最適化ジスト表面上でのスポットサイズと各々のスポットでの重ね合わせ間隔であるピッチの大小によって，得られるラインなマスク露光が水銀灯によるブロードバンド露光であるのにどのイメージパターン上の露光エネルギープロファイルが異対し，直描露光では，単色光露光であるために材料設計上，なるため，当然のことながら，露光後のレジスト形状に影響注意が必要であることが，これまでの検討で分かっている。する。すなわち，単色光露光では，フィルムの吸光度がレジスト形そこで，スポットサイズとピッチの条件をそれぞれ変えて，状に与える影響が大きいことが明らかになっている 7）。アミ露光エネルギー分布がどのようになるかをシミュレーションノベンゾフェノン系光増感剤量を変えることで吸光度を変化した。その結果を図５の上段に示す。左列はスポットサイズさせたフィルムを作製し，FT-IRを用いて光架橋基（メタク 10µm，ピッチ3.12µm，右列はスポットサイズ5µm，ピッチリレートの1650cm 付近）のピークの変化から，405nm単色 1.56µmでのシミュレーションパターンである。スポットサイ光露光およびブロードバンド露光で光反応率を調べた結果をズとピッチをそれぞれ半分に縮小するだけで，エネルギープ図４に示す。ロファイルは大きく異なることが分かる。しかしながら，こ -1 れらは装置上，同一の解像パターンを形成する条件となる。将来の微細配線形成においては，これらのパラメータを考慮しながら材料設計することが重要な課題となってくる。 70.0 図５の下段にはシミュレーションの条件で露光したレジス光反応率（%） Photoconversion（%） 60.0 ト形状を示す。露光条件を変える事で，レジスト線幅が変化 50.0 することがわかる。今後，特にファイン仕様には，装置の露 40.0 光条件も含めて材料開発を行ってゆく。 30.0 405 nm exp. 20.0 BB exp. スポットサイズ， Spot size 10 µm ピッチ， Pitch 3.12 µm 10.0 0.0 0 0.2 0.4 スポットサイズ， Spot size 5 µm ピッチ， Pitch 1.56 µm 0.6 Amount of photosensitizer（w t %）光増感剤量（w t%）図４光反応率と光増感剤量 405nm exp.: 405nm単色光露光，BB exp.: ブロードバンド露光ブロードバンド露光では，光反応率のピークが2つある。 Fig. 4 Photoconversion and the amount of photosensitizer 405nm exp.: monochromatic exposure at 365 nm, BB exp.: broadband exposure Broadband exposure has two peaks in conversion. 図４から，405nm単色光露光では，光増感剤量が0.24wt% でのみ光反応率が最大値をとることが分かる。これに対して，図５直描露光の露光シミュレーション（上図）と直描露光によるレジスト形状のSEM写真 (下図) スポットサイズとピッチが大きいとスブロードバンド露光では，光増感剤量が0.06wt%と0.24wt% ペースが埋まりやすい。に2つのピークが存在する。ブロードバンド露光では，365 Fig. 5 Direct Imaging exposure simulation patterns (upper) and SEM images of the pattern profiles with using Direct Imaging system (lower) A larger spot size and pitch will cause a narrower space. nmの波長の光以外に405nmの波長の光も同時に照射されている。このため，中心露光波長である365nmの吸光度が大きくなり，365nmの波長の光がフィルムの底部まで届かなくなっても，比較的吸光度の小さい405nmの光が底部まで透過する〔５〕マイクロミラーアレイ直描用感光性フィルムの特性ため，フィルムの底部においても十分硬化し，結果として，これまでに得られた知見を元に，マイクロミラーアレイ直レジスト形状が矩形となる。これに対して，単色光露光では，描用感光性フィルムとして，フォテックDL-1000シリーズをブロードバンド露光とは異なり，第二の露光波長による寄与開発した。表２にDL-1000シリーズの一般特性を示す。なお，がないため，表層硬化と内部硬化を同時には達成しにくい。露光量は，この光源波長での光量測定の標準化ができていなそのため，単色光露光用のD/Fでは，フィルムの吸光度の調いので，シャープカットフィルターを用いた水銀ショートア整は，極めて重要であり，露光波長におけるフィルムの吸光ークランプによる当社の代替評価での値を示した。度を0.5近辺にすることが望ましい。マイクロミラーアレイ直マイクロミラーアレイ直描機で得られたDL-1038のレジス描用フィルムでは，単色光露光で使用されるため，露光波長ト形状SEM写真を図６に，開発品のファインパターン用のレである405nmにおけるフィルムの吸光度を0.5近辺に調整し，ジスト形状SEM写真を図７に示す。良好なレジストの底部硬化性およびテンティング性を確保することが出来た。エッチング用レジストであるDL-1038では，高スループットが要求される高多層板製造においてもマイクロミラーアレ日立化成テクニカルレポート No.44（2005-1） 11 表３フォテックDL-1000シリーズの一般特性 405 nmに高感度でテンイ直描機で量産適応できる高感度を有し，テンティング性もティング性に優れるエッチング用D/Fである。良好である。 Table 3 Properties of PhoTech DL-1000 series The DL-1000 series feature high sensitivity at 405 nm and good tenting properties and are suitable for etching process. 項目膜厚 (µm) DL-1029 DL-1038 29 38 20 25 現在，開発中のファインタイプミラーアレイ直描機に対応したパッケージ基板加工用ファインレジストを装置メーカの協力を頂きながら進めている。ファインパターン用の試作品は感度はDL-1000と比べて低いものの，マイクロミラーアレイ直描機でL/S=15 µm/15 µmが解像できる。 Thickness (µm) 露光量 (mJ/cm2)＊1 〔６〕結言 Exposure Dose (mJ/cm2)＊1 密着性 (L/S=x µm/400 µm) Adhesion (L/S=x µm/400 µm) 解像度 (L/S=x µm/x µm) Resolution (L/S=x µm/x µm) テンティング性＊2 マイクロミラーアレイ直描対応感光性フィルムの開発を目 30 35 405nm露光での高感度化とフィルムの安定性を両立させた。 30 35 Good Excellent Good Good 45 60 Stability under yellow light＊3 剥離時間（s）＊4 さらに，露光エネルギーのシミュレーションから高解像化のための露光条件を検討した。その結果，マイクロミラーアレ Tenting property＊2 イエロー光安定性＊3 的に，光増感剤の検討とFT-IRによる光重合の解析を行い， Stripping time (s)＊4 シャープカットフィルターを使用した代替評価、＊2 6mmφのスルーホールで評価、＊3 イエローランプ下で3日間放置、＊4 3wt% NaOH 50 ℃ 浸漬テスト＊1 Evaluated by an alternative method using a sharp-cut filter, ＊2 Evaluated for 6 mmφ through-holes, ＊3 Setting under yellow lamp for 3 days, ＊4 3 wt% NaOH 50℃ dip test ＊1 イ直描機で，高多層板の量産製造に適応可能な感度を有し，良好な解像度およびテンティング性を持ちながら，従来のUV レーザ露光用感光性フィルムと同程度の安定性を有するDL1000シリーズを開発した。ファインパターン用感光性フィルムを検討し，試作品にてマイクロミラーアレイ直描機でL/S=15µm/15µmの高解像度なパターンが形成できた。終わりに，マイクロミラーアレイ直描機の実験の際，御協力いただいた日立ビアメカニクス株式会社殿，ペンタックスインダストリアルインスツルメント株式会社殿に感謝致します。参考文献 1） B. B. Ezra: Laser Direct Imaging, Meeting the Challenges for CostEffective Production, Advanced Technologies, 11, 20-21 （1998） 2） K. H. Dietz: High Speed Photoresists for UV Laser Direct Imaging （LDI）, Electronic Circuits World Convention Tokyo99, PO4-1, 1-4 （1999） 3） J. Murry: Laser Direct Imaging, PC Fab, 22, 22-28 （1999） 4）村上, 他: 日立化成テクニカルレポート, 37, 21-24 （2001） 5）A. Ishikawa: Diversion of Exposure Technology, Born from Development of Spherical Semiconductor - The Maskless Exposure Apparatus -, J. Photopolym. Sci. Technol., 15, 707-712 （2002） 6）I. Itoh and M. Kaji: Resist materials for Two-dementional Micromirror Array Direct Imager, Proc. RadTech Asia '03, 583-584 図６ DL-1038のレジスト形状のSEM写真（L/S=35 µm/35 µm）レジスト形状は矩形である。 Fig. 6 SEM image of a pattern profile with DL-1038 (L/S=35 µm/35 µm) The pattern profile is rectangular. （2003） 7）Y. Ichihashi and M. Kaji: Analysis of Photopolymerization of Negative Photoresist by Monochromatic and Broadband Exposure, J. Photopolym. Sci. Technol., 17, 135-138 （2004）図７ファインパターン用試作品（25 µm膜厚）のレジスト形状の SEM写真 (L/S=15 µm/15 µm) 高解像なパターンが得られる。 Fig. 7 SEM image of a pattern profile with a new trial film (25 µm thick) for finer pattering (L/S=15 µm/15 µm) The new trial film will make very fine patterns. 12 日立化成テクニカルレポート No.44（2005-1）