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引言
作為半導體器件和MEMS微加工技術基礎的光刻技術中，顯影和清洗等濕法工藝是必不可少的。在本稿中，介紹了能夠定量評價超臨界CO2處理對微細光刻膠圖案―基板間的粘接強度帶來的影響的、用于微小結(jié)構(gòu)材料的粘接強度試驗法。 并且，實際利用該試驗法，測量在不同的超臨界CO2處理條件下制作的微細光刻膠圖案的粘附強度，通過超臨界處理條件提高粘附強度的定量性證明了這一點。
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實驗
該微細加工技術還應用于Micro―electro―mechanical system(MEMS)器件的微機械元件的制造。 MEMS器件是指在基板上集成由數(shù)～數(shù)百微米尺寸的部件構(gòu)成的微機械元件和電子電路。 圖1顯示的是一般的半導體·MEMS微加工技術的示意圖。 圖1左圖是作為半導體器件制造基礎的二維微細加工技術，利用光刻法，在通過旋涂等在基板上薄薄涂布的感光性光刻膠膜上，利用紫外線、電子束等對微細圖案進行曝光、顯影，從而在基板上用高分子光刻膠薄膜制作超微細圖案的技術。 通過利用該微細抗蝕劑圖案作為掩模對基板上的薄膜進行蝕刻，或者利用該微細抗蝕劑圖案作為模具進行氣相沉積、電鍍等，在基板上制作高密度集成電路。
在MEMS器件中，通過組合該二維光刻法和三維微加工雙方的微細加工技術并反復實施，同時進行超微細電子電路和微小機械要素的制造、組裝。
如前項所述，由于急劇的高集成化，光刻膠的圖案寬度急劇減少，與此相對，光刻膠膜厚的減少率較低，其結(jié)果是微細光刻膠圖案的高長寬比（圖案高度/圖案寬度）化得到了發(fā)展。
為了解決顯微抗蝕劑圖案與各種溶液之間起作用的表面張力的問題。 圖2顯示的是由于超細微抗蝕劑圖案的細微化、狹窄化、高長寬比化而產(chǎn)生的新問題的模式圖。 在顯影·清洗等濕法工藝中，由于光刻膠圖案變窄·高長寬比化，在表面張力的影響下，各種溶液向光刻膠圖案間的侵入·循環(huán)·排出受到阻礙（圖2上圖）。 因此，沒有足夠的新鮮溶液供應到微細化的光刻膠圖案內(nèi)部的各個角落，導致微細化圖案的顯影不良和圖案底部的清洗不良。 而且，在利用微細圖案的電鍍和蝕刻等濕法工藝中，如果向圖案內(nèi)部的新鮮溶液循環(huán)受到阻礙，反應就無法進行，因此會發(fā)生電鍍不良和蝕刻不良等各種問題。 另一方面，在干燥過程中，由于毛細力的影響，在超微細化和高縱橫比的抗蝕劑圖案的間隙中殘留大量溶液，并且由于圖案內(nèi)部的毛細力和外部的氣壓之間的差，在圖案外部產(chǎn)生力。
以下介紹實際將超臨界CO2應用于光刻的顯影·清洗·干燥工序等的研究事例。 作為將超臨界CO2應用于光刻顯影的例子，有利用超臨界CO2溶解某種高分子的性質(zhì)，用超臨界CO2成功顯影導入了甲基硅氧烷結(jié)構(gòu)和碳氟化合物結(jié)構(gòu)的光刻膠的研究14），15）。 此外，還進行了在加入添加劑的超臨界CO2溶劑中可顯影的EUV曝光用光刻膠的開發(fā)16），17），以及為使極性聚合物的顯影成為可能的向超臨界CO2溶劑中添加氟化銨鹽等的研究開發(fā)。
為了防止這種情況的發(fā)生，需要對微細光刻膠圖案的粘接強度和工藝條件的關系進行定量評價的方法。構(gòu)成半導體·MEMS器件的微小結(jié)構(gòu)部件大多是為了制作微小尺寸的部件而新開發(fā)的材料，或者用特殊的制造法制作的。 由于這些只能通過微小尺寸得到，因此不能適用于使用通常尺寸的試驗片的材料評價試驗，其機械特性有很多不明確之處。 而且，微結(jié)構(gòu)材料的機械特性受到光刻和微加工等各工藝條件的強烈影響，但由于工藝工序涉及多個方面，其影響程度目前還不清楚。
由于試驗簡便，因此在研究開發(fā)現(xiàn)場被廣泛實施。 但是，該方法可以判定膠帶-試料間的附著力和基板-試料間的附著力中哪一個更強，因此很難進行嚴密的定量評價。 除此之外，作為能夠?qū)迳现谱鞯谋∧みM行直接試驗的方法，還有劃痕試驗另一方面，關于以MEMS的微機械要素等基板上制作的三維微小結(jié)構(gòu)材料為對象的定量粘接強度評價法，目前還沒有國內(nèi)外的試驗標準。 因此，對于三維精細結(jié)構(gòu)材料的定量粘附強度評估，需要統(tǒng)一的測試標準。
因此，下面整理了以三維微小結(jié)構(gòu)物為對象的定量粘接強度評價法標準化的必要條件。 首先是試驗片形狀，考慮到要進行各種工藝條件的評價，粘接強度試驗片最好是制作容易、工藝工序少的簡單形狀。 其次是試驗方法，為了能夠適用于大范圍的試驗機，要求試件的保持方法和對齊方法，以及對試件的加載方法要簡單且容易。 另外，一般情況下，粘接強度數(shù)據(jù)有很大的偏差，因此有必要對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析。
該微小結(jié)構(gòu)部件的粘接強度測量中使用的試驗裝置的必要條件為:①具有能夠?qū)⒓虞d夾具移動到微小圓柱形試驗片的加載位置的精密定位機構(gòu)；②具有能夠以一定位移速度對微小尺寸試驗片進行精確位移的機構(gòu)；③具有能夠精確測量、記錄當時負荷的系統(tǒng)。
在此，展示了實際使用抗蝕劑材料制作微小圓柱圖案，進行微小圓柱試驗片―基板間的粘接強度試驗，評價超臨界CO2工藝的例子。 本例使用的是以永久使用為目的開發(fā)的環(huán)氧系厚膜抗蝕劑SU-8。 SU-8是利用通用的紫外線曝光的光刻法，可以容易地制作厚膜、高長寬比的微細結(jié)構(gòu)物，因此作為發(fā)揮低彈性模量和穿透性等特征的永久使用的微細結(jié)構(gòu)部件，有望應用于懸臂梁、微流路、光波導等領域的光刻膠。 使用該SU―8，在15 mm見方的硅基板上，通過光刻法在同一工藝條件下，制作了多個圓柱直徑125μm、圓柱長度78―110μm的微小圓柱試驗片。
表1表示超臨界CO2處理條件的例子。 在本例中，將SU―8微小圓柱試驗片的基板分成兩部分，在相同條件下進行超臨界CO2處理后，分別在不同條件下進行減壓工序。
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表1
上述結(jié)果表明，在光刻的超臨界CO2處理中，如果控制減壓條件，就有可能提高SU―8微小光刻圖案的粘合強度。 像這個例子一樣，通過系統(tǒng)地改變超臨界CO2處理條件，定量地評價對微小光刻膠材料的粘著強度帶來的影響，可以認為這將有助于將超臨界CO2工藝更積極地應用于光刻工藝。
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討論和總結(jié)
本文在整理利用超臨界二氧化碳的半導體·MEMS的微細加工技術中可能發(fā)生的問題點的基礎上，介紹了能夠定量評價工藝對微細光刻膠圖案-基板間的粘附強度的影響的用于微小結(jié)構(gòu)材料的粘附強度試驗法。 超臨界二氧化碳處理作為解決在年復一年的微細化、高長寬比化、復雜化的微小加工技術中產(chǎn)生的表面張力和毛細管力問題的方法是非常值得期待的，但另一方面，對高分子抗蝕劑材料的影響，特別是對粘著強度的影響也令人擔憂。
為了積極推進超臨界二氧化碳處理技術的實用化，有必要定量評價該工藝對微小圖案的強度和附著力等機械性能的影響，保證其安全性。 而且，如果能夠明確工藝條件和微小圖案材料的機械性能的關系，就有可能通過超臨界二氧化碳處理積極地進行高分子的改質(zhì)等。 微小尺寸材料的機械性能評價將成為將超臨界二氧化碳處理積極應用于半導體制造技術的關鍵。