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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】

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】 お知らせ
SEMICON CAMPUS 無料講座露光コース3級 入門 ・ 第2講
レジストは、光が当たった所と当たらない所で、溶けやすさが変わる膜光が当たった所光が当たらない所光が当たらない所現像液(溶かす液)ポジ型なら、黄色の所が溶けます。ネガ型なら、まわりが溶けます。
レジストの膜を上から見た断面です。光は上から当てます。

今回のテーマは、

「光を当てると、なぜ膜に形を残せるのか」

答え:レジストは、光が当たった所と当たらない所で、現像液への溶けやすさが変わる膜です。ポジ型は当たった所が溶け、ネガ型は当たった所が残ります。少ない光でも働くように、光で酸をつくる方式(化学増幅型)が使われます。

黄色のマーカー = この講座のテストに出す重要ポイント

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。
レジスト液の3つの成分樹脂膜の骨組み感光剤光に反応する溶媒液体に保つレジスト液(ウェハに塗る)ウェハ上の膜
3つの成分を混ぜた液を、ウェハに塗ります。矢印は、混ぜる向きと、塗る向きです。

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。

確認クイズ:レジストの3成分のうち、光に反応して溶けやすさを変えるのは、どれでしょう?

答え:感光剤です。

くわしく見る:なぜ3つに分けて考えるのか

レジストを新しくつくるとき、全部を一度に変える必要はありません。たとえば、より短い波長の光に合わせたいなら、感光剤だけを変え、樹脂は同じまま使う、という考え方ができます。成分ごとに役割を分けておくと、材料の改良が進めやすくなります。

これは、考え方の説明です。実際の材料開発では、成分どうしが互いに影響し合うため、1つだけを変えるのは簡単ではありません。

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。

マスク(上から)中央に、四角い透明な穴ポジ型の現像後穴の形に、ウェハが顔を出すネガ型の現像後穴の形のレジストだけが残る灰色はウェハの表面、赤はレジストです
矢印は、マスクから現像後の形へ進む向きです。

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)。

確認クイズ:透明な穴が1つだけあるマスクで露光しました。ネガ型では、現像後に何が残るでしょう?

答え:穴の形のレジストだけが残ります。

くわしく見る:溶けて取り除かれる面積を、割合で見る

マスクの透明な部分が、全体の10%だったとします。

ポジ型では、光が当たる10%の部分が溶けて取り除かれ、残りの90%が膜として残ります。ネガ型では、光が当たる10%だけが残り、残りの90%が洗い流されます。

ポジ型:10%が除かれる / ネガ型:100 − 10 = 90%が除かれる

同じマスクでも、溶ける量が大きく違います。数字は、考え方を示すための仮のものです。

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。

光が当たらない所光が当たった所樹脂(ノボラック)DNQ(溶けを邪魔)現像液に溶けにくい光樹脂(ノボラック)DNQが変化して弱まる現像液に溶けやすい
左の状態に光を当てると、右の状態になります(矢印の向き)。

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)。

確認クイズ:DNQ-ノボラックで、光が当たらない部分が溶けにくいのは、何が溶けるのを抑えているからでしょう?

答え:DNQです。

くわしく見る:0.26N のTMAHを、質量のパーセントに直す

TMAHは1価の塩基なので、0.26N は1リットルあたり0.26モルです。TMAHの式量(1モルの質量)は、約91.15 g/mol です(一般的な化学の値です)。

0.26 mol/L × 91.15 g/mol ≈ 23.7 g/L

水溶液1リットルの質量を、約1,000gとみなすと、

23.7 ÷ 1,000 ≈ 0.0237 = 約2.4%

です。この計算は、溶液の密度を水と同じと見なした近似で、厳密ではありません。

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。

化学増幅型:1個の酸が、反応を何度も進める光(1個)酸光で発生加熱で動く樹脂の反応(保護が外れ、溶けやすくなる)酸は反応のあとも残り、次の反応を進めます(触媒)
光1個から、酸1個ができ、その酸が左から右へ、次々と反応を進めます。

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

確認クイズ:化学増幅型で、1個の酸が多くの反応を進められると、何が助かるでしょう?

答え:必要な光の量が少なくて済みます。

くわしく見る:光の数の目安を、簡単な計算で見る

光1個から酸が1個できて、その酸が1個あたり N 回の反応を進めるとします。同じ量の反応を起こすのに必要な光の数は、反応を進めなかった場合の 1/N です。

N = 200 のとき: 1 ÷ 200 = 0.005 = 0.5%

実際には、光1個が酸1個になる効率や、酸が動ける範囲によって、この数字は変わります。上の計算は、考え方を示す目安です。なお、酸が動く範囲が広がりすぎると、形がぼけます。このぼけと感度の両立は、2級で学びます。

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)。

高さ400nm(4:1)高さ600nm(6:1)幅100nm幅100nm倒れやすい(縦と横の比は、わかりやすくした図です。幅100nmを25pxで描いています)
左は4:1、右は6:1の高さの壁です。右は、矢印の向きに倒れかかっています。

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。

確認クイズ:幅100nmの壁を、アスペクト比4:1にするには、高さは何nmにすればよいでしょう?

答え:400nmです(100 × 4 = 400)。

くわしく見る:膜の厚さと、つくれる細さの関係

アスペクト比の上限を4とします。幅50nmの壁をつくるとき、高さの上限は次のとおりです。

50 × 4 = 200(nm)= 0.2μm

逆に、膜の厚さが約1μm(1,000nm)のとき、4:1を守れる最小の幅は、

1,000 ÷ 4 = 250(nm)

です。薄い膜にするほど、細い形がつくれる、ということです。ただし、膜を薄くすると、あとのエッチングで下の層を守る力は弱まります。薄さと強さは、両立が難しい関係です。この数字は、目安の計算です。

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

この講のポイント

レジストは、樹脂、感光剤、溶媒の混合液で、光で現像液への溶けやすさが変わります。
ポジ型は光が当たった所が溶け、ネガ型は当たった所が残ります。従来型はDNQが溶けを抑え、化学増幅型は酸が反応を何度も進めます。
細かい形ほど、アスペクト比を4:1より小さくするため、レジストの膜を薄くする必要があります。

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。

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