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【纳米压印新潮流】(下)用R2R方式量产LED用模

发布时间:2019-06-12

  采用纳米压印技术的精细图案形成技术对提高LED和有机EL等的发光效率也是有效的。东芝机械公司开发出了可将LED的发光效率提高20~30%的技术,其中包括专用的压印装置等(图7)。据称是利用在蓝宝石基板表面形成凹凸图案的“PSS”(Patterned Sapphire Substrate,图形化蓝宝石衬底),提高了反射率等,从而提高了发光输出。

  图为东芝机械开发的、提高LED发光效率的技术及其装置(a~d)。利用纳米压印技术在生长GaN结晶的蓝宝石基板上形成图案,从而提高了反射率、减少了结晶缺陷等。LED的发光效率增加了20~30%。另外,通过卷对卷量产模具,还实现了低成本和高品质。(摄影:东芝机械)

  存在的课题是如何减少模具的缺陷数量,以及如何使成本比用现有步进器形成图案时更具优势。“基板有缺陷,LED就不会发光。而为了降低成本而反复使用模具,缺陷就会越来越多”(东芝机械纳米加工系统业务部副业务部长后藤博史)。

  该公司针对这两个课题采取的对策是,把利用R2R方式大量复制的树脂模具制成一次性产品。“把4英寸晶圆的成本降到5美元以下的目标已有眉目”(后藤)。树脂模具还有一个优点,那就是适合不一定平坦的蓝宝石基板。

  最近还出现了利用纳米压印技术进一步提高LED效率的可能性。古河机械金属、金泽工业大学、东芝机械以及早稻田大学副教授水野润的研究室利用纳米压印技术开发出了将GaN晶体的位错*降至大约原来的1%的方法(图8)。

  图为早稻田大学水野润研究室与古河机械金属等以纳米压印技术为基础制作的高品质GaN晶体。通过用带裂缝的SiO2层遮挡GaN的晶体生长,位错大幅降低。(摄影:早稻田大学)

  *位错:晶体中含有的线状缺陷。此前,GaN晶体的位错密度高达1×109/cm2以上,被认为是向LED流过大电流时导致发光效率降低的原因。

  具体方法是:首先在原来的GaN晶体上形成SiO2薄膜,利用纳米压印技术形成几十nm宽的小口;然后再次生长GaN晶体。这样,SiO2膜下方的GaN晶体的位错就不会到达上方的GaN晶体,由此能减少上方GaN晶体的位错。早稻田大学的水野教授介绍说,“我们试制了LED,确认该技术可提高输出功率并延长寿命。应该也能用于功率半导体”。

  水野表示,该技术还有望降低LED的驱动电压。“由于位错少,以前必须达到140μm厚度的GaN晶体可大幅减薄至21μm以下”。

  在半导体制造领域,纳米压印技术经历了漫长冬季后,也终于出现了实用化的可能性。以前,在成本和量产性方面,该技术无法超越现有的光刻技术。不过,在分辨率为20nm以下的领域,需要EUV光刻等非常昂贵的技术,因此纳米压印可能会实现逆转。而且,纳米压印技术自身在这3年左右的时间里也取得了大幅进展(图9)。

  图为MII公司最近的技术改善情况。从2011年2月起的2年里,量产时的缺陷密度大幅降低(a)。半间距为26nm的线%以上(b)。(表和图由MII公司提供)

  打算制造NAND闪存等的MII公司的纳米压印装置用不到半年时间把2012年9月时为5个/cm2的复制模缺陷减到了3个/cm2。据向MII公司提供模具的大日本印刷介绍,“2014年2月减到了1.2个/cm2”。精细图案的成品率也在这不到3年的时间里大幅提高。

  处理能力(吞吐量)低这个问题的解决方法也逐渐浮出水面。日本的产业技术综合研究所、东北大学及兵库县立大学开发出了在容易凝缩的氟里昂替代物系气体中压印、抑制了气泡缺陷的技术等(图10)。该技术大幅提高了树脂的涂敷速度,“1小时可压印100块晶圆,而且一个模具可使用2万次”(产业技术综合研究所集成微系统研究中心副研究中心长广岛洋)。与MII公司最近的技术相比,这相当于其5~10倍的吞吐量。

  图为产业技术综合研究所和东北大学等共同开发的利用凝缩气体的光纳米压印法概要。通过在纳米压印时使用凝缩性气体,气泡会液化,因此不会出现缺陷(a,b)。MII公司的技术存在的一大课题——吞吐量方面,预计将达到原来的5倍以上(c)。(照片和表由产业技术综合研究所提供)。

  关于纳米压印在硬盘领域的应用,离散轨道方面基本没有可能性了(a)。2015年有望亮相的位元规则介质方面,HGST公司通过结合高分子自组织技术和纳米压印技术,成功形成了直径为10nm的点图。(摄影:HGST公司)

  关于以前备受期待的在离散轨道*领域的应用,该方式未能实现。而在位元规则介质(Bit Patterned Media)*领域的应用还存在可能性。HGST公司2013年宣布,将结合纳米压印技术和自组织技术实现实用化。“2015年将是能否实现实用化的关键一年”(某纳米压印技术的研究人员)。(作者:野泽哲生,日经技术在线!供稿)

  *离散轨道:为防止以同心圆状排列的硬盘记录区域(轨道)间的干扰,在轨道间设置沟槽的技术。是为实现1Tbit/英寸2的记录密度而开发的。2000年下半年即将实现量产时因发生雷曼危机便中止了。

  *位元规则介质(BPM):在硬盘的位记录区配置磁性颗粒物的技术。估计最大可实现5Tbit/英寸2的记录密度。