フォトレジストとは？露光でのレジストの役割としくみをわかりやすく解説【露光3級・第2講】

この記事でわかること

• ① レジストの中身
• ② ポジ型とネガ型
• ③ 従来型のレジスト
• ④ 光で酸をつくる方式
• ⑤ 薄い膜にする理由

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① レジストの中身：樹脂・感光剤・溶媒

大事なポイント：レジストは、樹脂、感光剤、溶媒の3つを混ぜた液で、塗ったあとに膜になります。

第1講では、露光が「光で型をつくる工程」であること、レジストにはポジ型とネガ型があることを学びました。この講では、型の材料であるレジストの中身を説明します。

フォトレジストは、光を当てると、現像液への溶けやすさが変わる材料です。名前の「レジスト（resist）」は、英語で「抵抗する」の意味で、エッチングなどの薬品に耐えて、下の層を守る役目から来ています（これは一般的な説明です）。

従来型のレジストは、次の3つの成分からできています。

• 樹脂：膜の骨組みになる材料です。ウェハへのくっつきやすさや、薬品への強さを決めます。プラスチックの仲間と考えると、イメージしやすいでしょう。
• 感光剤：光に反応して、溶けやすさを変える成分です。
• 溶媒：樹脂や感光剤をとかし、塗れる液体の状態に保ちます。

この3つの役割分担を知っておくと、あとの節の「化学増幅型」や「DNQ-ノボラック」の話が、整理しやすくなります。

たとえば、写真フィルムを思い浮かべてください。フィルムの表面には、光に反応する物質が塗られていて、光が当たった所だけが変化します。レジストの感光剤も、同じように、光が当たった所だけが変化します。そして、現像液は、溶ける部分だけを溶かし取る液体です。レジストが形を残すには、「溶ける所」と「溶けない所」の差が必要です。

② ポジ型とネガ型：残る形が逆になる

大事なポイント：光が当たった所が溶けるのがポジ型、溶けなくなるのがネガ型です。

第1講で出てきた2種類について、もう少し説明します。

まず、形ができるまでの流れです。

1. マスクを通して、レジストに光を当てます（露光）。
2. ウェハを、現像液につけます（現像）。
3. ポジ型なら光が当たった所が、ネガ型なら光が当たらなかった所が、溶けます。
4. 残った膜が、エッチングなどの型になります。

それぞれの特徴は、次のとおりです。

• ポジ型：光が当たった部分が、現像液に溶けるようになります。光が当たらなかった部分が、膜として残ります。
• ネガ型：光が当たった部分が、現像液に溶けなくなります。光が当たらなかった部分が、洗い流されます。

ポジ型は、最も一般的な種類とされます。ネガ型の例には、エポキシ系の樹脂を使った材料があり、これは取り除きにくいため、残したままにする構造に向く、とされます。

図のように、同じマスクでも、ポジ型では穴の部分が抜け、ネガ型では穴の部分だけが残ります。どちらを使うかは、つくりたい形や、必要な性質で選びます。なお、ネガ型で光が当たると溶けなくなるのは、一般には、材料どうしが網のように結びつく反応（架橋）が起こるためです（一般的な説明です）。

③ 従来型のレジスト：DNQ-ノボラック

大事なポイント：従来型のポジ型は、感光剤が溶けるのを邪魔していて、光が当たるとその邪魔が弱まります。

長く使われてきたポジ型のレジストに、DNQ-ノボラックがあります。ノボラックは、フェノールとホルムアルデヒドからできた樹脂です。DNQ（ジアゾナフトキノン）は感光剤です。

この組み合わせでは、光が当たらない部分で、DNQがノボラックの溶けるのを抑えています。光が当たると、DNQが変化して、溶ける速さが上がります。この速さの差を使って、形をつくります。

現像には、塩基性（アルカリ性）の水溶液を使います。DNQ-ノボラックでは、0.26N（規定）のTMAHという水溶液が、例として挙げられています。TMAHは、金属を含まない塩基です。規定（N）は、溶液の濃さを表す単位の1つです。

ここで大切なのは、「溶ける速さ」です。光が当たらない部分も、ほんの少しは溶けます。ただし、光が当たった部分のほうが、ずっと速く溶けます。この速さの差が大きいほど、形がはっきり残ります（一般的な説明です）。

④ 化学増幅型：少ない光で、たくさん反応させる

大事なポイント：光で「酸」をつくり、その酸が、反応を何度も進めます。だから、少ない光で足ります。

回路が細かくなると、光は弱くなり、レジストが十分に反応しにくくなります。そこで考えられたのが、化学増幅型です。しくみは、次の手順です。

1. 光で酸が出る：光が当たると、光酸発生剤が分解して、酸ができます。
2. 加熱で酸が動く：露光のあとの加熱（露光後ベーク）で、酸が樹脂の中を動きます。
3. 酸が反応を進める：酸は、自分は減らずに、まわりの樹脂の反応を進めます（このような働きを触媒といいます）。
4. 溶けやすくなる：反応した樹脂は、現像液に溶けやすくなります。

1個の酸が、休まず、たくさんの樹脂を次々と変えていく様子を、思い浮かべてください。光の役目は、最初の酸を1個つくることだけです。

1個の酸が、たくさんの反応を起こせるので、光の数を少なくできます。仮に、1個の酸が200回の反応を起こし、光1個が酸1個をつくるとすると、必要な光の数は、1/200です。この方法は、1982年に提案され、1980年代半ばから1990年ごろに、半導体の生産で使われはじめたとされます。 ▶ 2級でくわしく

⑤ 薄い膜にする理由：細くて高い壁は倒れる

大事なポイント：細かい形ほど、レジストは薄くしないと、倒れてしまいます。

レジストの膜を、そのまま壁のように残すと、細くて高い壁になります。細くて高い積み木が倒れやすいのと同じで、細くて高い壁は、現像のときに倒れることがあります。

壁の高さを幅で割った値を、アスペクト比といいます。たとえば、幅100nm、高さ400nmの壁は、アスペクト比が4です（4:1と書きます）。一般に、アスペクト比は4:1より小さくするとされ、125nmより小さい密な形では、膜の厚さを0.5μm（500nm）より薄くする必要があるとされます。μm（マイクロメートル）は、1mの100万分の1の長さで、1μm＝1,000nmです。

膜の厚さは、形の細かさに合わせて選びます。厚い膜は、下の層を守る力が強い代わりに、細かい形には向きません。薄い膜は、細かい形に向く代わりに、守る力が弱くなります。そのため、細かさと守る力の間には、バランスがあります（一般的な説明です）。

言いかえると、形を細かくするには、光の波長を短くするだけでなく、レジストの膜も薄くする必要があります。

安全のひとこと：現像液に使うTMAHは、毒性が高く、皮膚に触れると危険な薬液です。工場では、専用の設備と決まりで厳重に管理されます。取り扱いは、必ず職場の決まりとSDS（安全データシート）に従います。

この講のまとめ

次の講では、レジストを塗り、焼き、現像する、前後の手順を学びます。

ことばのおさらい

• 樹脂：レジストの骨組みになる材料です。
• 感光剤：光に反応して、溶けやすさを変える成分です。
• ポジ型・ネガ型：光が当たった所が溶けるのがポジ型、溶けなくなるのがネガ型です。
• DNQ-ノボラック：従来型のポジ型レジストです。DNQが溶けるのを抑え、光で弱まります。
• 化学増幅型：光で酸をつくり、その酸が反応を何度も進めるレジストです。
• アスペクト比：壁の高さを、幅で割った値です。

よくある誤解

Q. ポジ型は、光が当たった所が残るのですか？

いいえ。ポジ型は、光が当たった所が溶けて、なくなります。残るのは、光が当たらなかった所です。

Q. 化学増幅型では、光1個で反応も1個だけ起こるのですか？

いいえ。光1個でできた酸が、触媒として、何度も反応を進めます。これが、少ない光で済む理由です。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Photoresist」（レジストの3成分、ポジ型とネガ型、DNQ-ノボラック、0.26NのTMAH、化学増幅型、ネガ型の例）
• Wikipedia「Photolithography」（ポジ型が最も一般的であること、アスペクト比4:1、125nm未満で0.5μm未満）

TMAHの式量、規定とモル濃度の換算、架橋の説明、「レジスト」の語源、酸が200回反応する数字は、一般知識や仮の数字です。図は、記事用に描いた簡易の図です。