ナノインプリント法を用いた超微細配線の創製

• Project/Area Number: 21K04713
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
• Research Institution: Hokkaido University of Science
• Principal Investigator: 見山 克己 北海道科学大学, 工学部, 教授 (70540186)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 齋藤 隆之 地方独立行政法人北海道立総合研究機構, 産業技術環境研究本部 工業試験場, 主査 (20469703)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: ナノインプリント / プリント配線板 / 半導体 / 微細配線 / 銅めっき / 熱可塑性樹脂

Outline of Research at the Start

ICT（情報通信技術）に用いられる半導体や部品実装は高密度化が一層進んでいる。電子機器の基幹部品であるプリント配線板に関して言えば，配線導体幅は現状で5μm程度が限界と言われており，その先には技術的解が存在しない。本研究は，フォトリソグラフィを利用した現在の製造方法に代えて，ナノインプリント法を用いた微細配線によりサブミクロンオーダーの配線幅実現を目指すものである。ナノインプリントにより樹脂基板に形成した溝（トレンチ）にめっき法で銅を充填することにより，配線導体とする。この際のインプリント条件・型モールドの材質・表面性状・銅めっき条件について実験的検討を行い，適正条件を見出す。

Outline of Annual Research Achievements

2022年度は基材としてPPS（ポリフェニレンサルファイド）を主体にナノインプリントおよび銅めっきによる導体形成に取り組み，下記の成果を得た。
(1)　ナノインプリント条件の適正化：粘弾性解析の実測結果からインプリント条件の詳細な検討を行った。動的粘弾性解析（DMA）の結果，材料の粘性を表す指標である損失弾性率がもっとも低下する温度は108℃であることがわかった。インプリント時の金型温度を108℃に設定することで良好なインプリント形状が得られた。また108℃で粘性が低下する現象は結晶化前の樹脂に特有の現象であるが，この状態でははんだリフローなど部品実装のための耐熱性を有しない。このため108℃でインプリント後連続して結晶化温度まで昇温させることにより，低温成形と耐熱性付与を1プロセスで完結させる工法を見いだした。
（２）　銅めっきによる導体形成：インプリントで成形したトレンチ（溝）を銅めっきで充填し，その後表層のめっき層を除去することでトレンチ内のみに銅が充填された状態を形成する。このための前処理・めっき・表層エッチングの条件を検討した。得られた成果の概要は下記の通りである。
めっき液の表面濡れ性を確保するためプラズマ処理が必要であった。この際サブミクロンレベルであるがわずかに樹脂がエッチングされる。トレンチ幅は1μm程度なので，サブミクロンレベルであってもエッチング量がトレンチ幅仕上がりに与える影響が大きい。このためエッチング量とめっき液濡れ性を両立させるプラズマ処理条件を検討し決定した。　また無電解の化学銅めっきをシード層として付与し，電解銅めっきでトレンチを充填した。薬液組成と電流密度等の条件を適切に設定することにより良好な充填性が得られた。最後に表層を化学エッチングにより除去し，線幅/間隙(Line&space)1μm/1μmを達成した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

樹脂の粘弾性挙動とインプリント成形性の関連について一定の成果が出ているとともに，トレンチの銅めっき充填についても目処がついた。これにより，目標とした1μm以下の配線幅に対し現時点で0.9μm程度の配線幅を実現するトレンチ形成および銅めっき充填が達成できている。なお銅めっきの評価を行った過程で，電解銅めっきが析出する際にトレンチ幅を広げる体積膨張を伴うことが判明した。このため，インプリントの際にはこの膨張量を見込んだトレンチ幅に仕上げておく必要がある。配線幅設計値に対してどの程度小さくトレンチを仕上げるかを金型補正値と呼ぶことにするが，この補正値を今後の研究で明らかにしていく必要がある。

Strategy for Future Research Activity

2023年度はLCP（液晶ポリマー）などPPS以外の樹脂について検討を行う。なお研究計画ではナノインプリントモールドの製造方法についても検討を行う予定であったが，電鋳型について情報収集を行ったところ，1μmクラスのトレンチを形成するための型を製作する場合はSiのマスター型を使い捨てにする必要があるなどコスト的にも現実性が薄いため研究対象から除外する。モールドについては，「現在までの進捗状況」に記載した金型補正値の検討を新たに研究対象に加える。