半導体のフォトリソグラフィ

スマートフォンやパソコンなど、私たちの生活を支える半導体。その製造には「フォトリソグラフィ」が欠かせません。光を使って微細な回路を描くこの工程は、半導体の性能を左右する重要な役割を担っています。

半導体のフォトリソグラフィとは？

フォトリソグラフィとは、光を使ってシリコンウェーハ上に非常に細かいパターンを描き出す技術です。

特殊なフォトレジスト（感光材）をウェーハに塗布し、光を当てて特定の部分に化学変化を起こさせます。この変化を利用して、必要なパターンを形成。露光された部分が溶けたり硬化したりすることで、光が当たる場所によってパターンが現れる仕組みとなっています。

フォトリソグラフィの流れ

コーティング

基板表面を精密洗浄した後、パターニング（基板にパターンを形成する加工）を施すための薄膜をコーティングします。基板にわずかでもゴミや汚れが残っていたり、薄膜に欠陥があったりするとパターンの仕上がりに影響するため、注意が必要です。

レジスト塗布

薄膜の上に有機溶剤で溶かしたフォトレジストを塗布します。フォトレジストには、ネガ型とポジ型の2種類あり、露光により感光した部分がパターンになるのがネガ型、露光により感光しない部分がパターンとなるのがポジ型です。

プリベーク（熱処理）

フォトレジストを基板に固定するため、有機溶剤を蒸発させる目的で80～100℃に加熱します。この工程では、適切な温度と時間の管理が重要です。加熱が不十分だとフォトレジストの密着性が低下し、後の露光・現像工程で剥がれやムラが生じる可能性があります。逆に加熱しすぎると、フォトレジストの感光特性が変化し、意図しないパターン形成を引き起こすことがあるため注意が必要です。

露光

基板に固定したフォトレジストに紫外線を照射し、フォトマスクのパターンを転写する工程です。マスクの精度や透過特性は、転写されるパターンの品質に大きく影響するため、ナノメートル単位での管理が求められます。

現像・リンス

露光後、現像液でレジストを処理し、不要な部分を除去してパターンを現像します。ポジ型レジストでは露光部分が溶解し、ネガ型レジストでは非露光部分が溶解。現像後、リンスを行い現像液を完全に除去します。

ポストベーク

ウェーハを100℃から150℃程度に加熱し、フォトレジストの定着性を向上させるとともに、残留した溶媒を完全に蒸発せます。ポストベークは、エッチング工程中のレジスト剥がれを防ぎ、微細なパターンを正確に保持するために必要な工程です。

エッチング

エッチングとはレジストで保護されていない部分のウェーハを削り、所望のパターンに形成する工程です。化学薬品を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。

ウェットエッチングは比較的安価で簡単に実施でき、複雑な形状でも均一にエッチングできる点が特徴です。一方ドライエッチングは、微細なパターン形成に有利で、環境負荷が低い一方で、コストが高くなります。

エッチング後、不要となったフォトレジストを除去すれば、薄膜のパターンが完成です。

フォトリソグラフィ技術の今後の展望

半導体の微細化に伴い急速に進化しているフォトリソグラフィ技術。従来の露光方式では解像度に限界がありましたが、近年では極端紫外線を用いたEUVリソグラフィの導入により、ナノスケールのパターン形成が可能になりました。EUVリソグラフィは、5nmプロセスやそれ以下の次世代半導体製造に不可欠な技術となっており、今後もさらなる改良が期待されます。

これらの技術革新により、フォトリソグラフィは今後も半導体産業の発展において重要な役割を果たし続けるでしょう。

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