[論文レビュー] Microscope Projection Photolithography Based on Liquid Crystal Microdisplay

Young‐Gu Ju, Hyeon-Jun Kim+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Electrowetting and Microfluidic Technologies参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、液体結晶マイクロディスプレイをソフトウェアでプログラミング可能なフォトマスクとして用いることで、従来のガラスマスクに代わる低コストで再構成可能な顕微鏡投影フォトレジスト工程装置（MDMPP）を提案する。UV-LEDを光源とし、4倍望遠レンズを用いることで、過剰露光とアンダーエッチング効果を活用し、理論的な4.2 μmの限界よりも小さい2.4 μmの線幅を実現した。この技術により、物理学、化学、生物学分野における教育的・研究的応用を想定したマイクロ構造の迅速プロトタイピングが可能となる。

ABSTRACT

We developed a microdisplay-based microscope projection photolithography (MDMPP) technique in which a liquid crystal (LC) microdisplay is used as a reconfigurable photomask for a microscope projector. The LC microdisplay provides a significant advantage in terms of cost and speed since patterns can be generated through software instead of redesigning and fabricating glass photomasks. The constructed MDMPP system could produce line patterns as narrow as 2.4 um, smaller than that specified by the diffraction limit, with the aid of a 4X objective lens. The achievement of a linewidth smaller than the theoretical limit may be ascribed to a combination of overexposure and the underetching effect, in addition to the good optical performance of the system. In a diffraction experiment performed with fabricated slits, the application of the MDMPP technique helped provide various patterns of the slits, demonstrating the potential usefulness of the MDMPP system in undergraduate optics courses. We expect that MDMPP can contribute to the field of physics education and various areas of research, such as chemistry and biology, in the future.

研究の動機と目的

• 高価で固定されたガラスフォトマスクを必要としない低コストで再構成可能なフォトレジスト工程装置の開発を目的とする。
• 電子ビームリソグラフィーやレーザーライティングを用いた高解像度フォトマスクの製造に伴う時間的・経済的コストの削減を目的とする。
• ソフトウェア駆動のLCマイクロディスプレイによるパターン変更を可能とし、セットアップ時間と実験準備時間を短縮することを目的とする。
• 最適化された露光およびエッチング条件を通じて、回折限界を下回る線幅の実現可能性を実証することを目的とする。
• 学部レベルの光学教育および研究分野におけるマイクロ構造のファブリケーションに役立つ、アクセスしやすく実践的なツールの提供を目的とする。

提案手法

• MDMPPシステムは、従来のガラスフォトマスクの代わりに、再構成可能なフォトマスクとして液体結晶（LC）マイクロディスプレイを採用する。
• 光源としてUV-LEDを用い、被写体上での露光の一様性を確保するためコハラー照明を採用する。
• 4倍望遠レンズを用いて、LCマイクロディスプレイのパターンをフォトリソグラフィー用のレジスト被膜が付着したガラス基板に4倍の倍率で投影する。
• 3Dプリンターで作成した光学キャリブレートを用いて機械的安定性と正確な位置合わせを確保し、画像センサーを用いてマイクロディスプレイと基板間の共役像像の確認を行う。
• 露光時間や現像条件といったフォトレジスト工程のパラメータを最適化し、高解像度のパターンを実現した。
• さまざまなマイクロパターン（例：スリット、円、長方形）のプロトタイピングとその後の回折実験を通じて、システムの有効性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体結晶マイクロディスプレイが顕微鏡投影フォトレジスト工程において、固定されたガラスフォトマスクに効果的に代わることができるか？
• RQ2 LCマイクロディスプレイを用いたMDMPPシステムで達成可能な最小線幅は何か？ また、理論的な回折限界と比較するとどうなるか？
• RQ3 過剰露光とアンダーエッチング効果が、回折限界を下回る解像度にどの程度寄与しているか？
• RQ4 MDMPPシステムは、光学教育に用いるためのさまざまなマイクロパターン（例：二重スリット、複数スリット）を信頼性を持って生成できるか？
• RQ5 光学画像測定および回折解析による測定時、作製されたパターンの寸法はどの程度正確か？

主な発見

• MDMPPシステムは、理論的回折限界（4.2 μm）よりも小さい2.4 μmの線幅パターンを成功裏に作製した。
• 2.4 μmの線幅は、4倍望遠レンズと1.8 μmのマイクロディスプレイ画素サイズを用いて達成されたことから、画素未満の解像度能力を示している。
• 理論的解像度は、式：解像度 = 1.22 × λ × f/# を用いて計算され、λ = 0.39 μm、f/# = 5.0 の条件下で2.4 μmとなった。
• 作製されたスリットの回折パターンから測定された波長（650 nm）は、製造元の仕様値と測定誤差の範囲内で一致し、パターンの正確性が確認された。
• ソフトウェアによる変更のみで、マスクの物理的交換なしに、矩形、円、三角形、複数スリットなど多様なパターンを容易に生成できることを示した。
• 作製されたスリットを用いた回折実験では、明確で測定可能な回折パターンが得られ、本システムが光学および波動現象の教育的応用に有効であることが裏付けられた。