フォトレジストとは？半導体革命の隠れた主役 🖥️💡

2024年4月13日 20:13

フォトレジストは、文字通り「光（フォト）」に「抵抗する（レジスト）」材料です。半導体やプリント基板の製造過程で使用される特殊な感光性樹脂で、光を当てると化学反応を起こし、その性質が変化します。

この記事では、フォトレジストについて、詳しく解説していきましょう！

リソグラフィプロセス: フォトレジストの舞台 🎭

フォトレジストが活躍するのがフォトリソグラフィ（光リソグラフィ）というプロセスです。これは、半導体集積回路（IC）の製造に欠かせない技術で、光を使ってパターンを基板に転写します。リソグラフィプロセスの基本的な流れは以下の通りです:

基板準備: シリコンウェハーなどの基板を清浄にします。
フォトレジスト塗布: 基板にフォトレジストを均一に塗ります。
露光: フォトマスクを通して光を照射し、回路パターンを転写します。
現像: 露光された（または露光されなかった）部分を溶解除去します。
エッチングまたは成膜: 現像後のパターンを利用して、基板を加工します。
レジスト除去: 不要になったフォトレジストを取り除きます。

このプロセスを何度も繰り返すことで、複雑な集積回路が作られていくのです！ 🔄

さらに詳しいリソグラフィーの説明は以下の記事に書いたので、良ければ読んでみて下さい👍

フォトレジストの基本原理

フォトレジストの種類 🎭

フォトレジストには主に2つのタイプがあります：

ネガ型フォトレジスト 👥
- 光が当たった部分が硬化（重合）
- 現像後、光が当たった部分が残る
ポジ型フォトレジスト 👤
- 光が当たった部分が分解
- 現像後、光が当たっていない部分が残る

ちなみに、ネガとポジのどちらが、感光後に残るか消えるか分からなくならない様に効果的な覚え方があります✨

写真のネガ/ポジと関連付ける:
写真のネガは暗い部分が明るく、明るい部分が暗くなります。同様に、ネガ型フォトレジストは露光された部分が残ります。一方、ポジ型は写真のポジと同じく、露光された部分が除去されます。
「ネ」は「残る」の頭文字:
ネガ型は露光された部分が「残る」ことを覚えましょう。「ネ」は「残る」の頭文字と関連付けると覚えやすくなります。
「ポ」は「消える」のポジティブイメージ:
ポジ型は露光された部分が「消える」ことを覚えましょう。「ポ」は「ポジティブ」な印象があり、明るくなる（消える）イメージと結びつけます。

これらのコツを活用することで、ネガ型とポジ型フォトレジストの特性を効果的に覚えることができますよ💡

化学増幅型レジストと有機金属型レジスト

現在、レジストの種類は、化学増幅型レジスト（Chemically Amplified Resist：CAR）と有機金属型レジスト（Metal Organic Regist：MOR）の2種類に分類されます。それぞれ独自の特性と利点を持っています。🧪🔬

１．化学増幅型レジスト（CAR）

化学増幅型レジスト（CAR）は、1980年代に開発された現在最も主流なレジスト材料です。🚀

このレジストの特徴は、光酸発生剤（PAG）と呼ばれる化合物を含んでいることです。露光時に、PAGが活性化され、少量の酸を生成します。この酸が触媒として機能し、レジスト内で連鎖反応を引き起こします。🔗この反応により、露光された領域の溶解性が大きく変化します。

化学増幅型レジストの魅力は、その高感度にあります。少量の光エネルギーで大きな化学変化を引き起こすため、露光時間を短縮でき、生産性の向上につながります⚡

２．有機金属型レジスト（MOR）

有機金属型レジストは、有機金属化合物を主成分とする新しいタイプのレジストです。🔧

これらのレジストは、金属原子（例えばスズやジルコニウム）と有機分子で構成されています。露光時に、これらの有機金属化合物が分解または架橋し、金属酸化物のパターンを形成します🎨

有機金属型レジストの特筆すべき点は、その高いエッチング耐性です。形成された金属酸化物パターンは、従来の有機レジストよりもエッチングプロセスに強く耐えることができます。これにより、より深いエッチングや複雑な3D構造の形成が可能になります。🏔️

これまでは、化学増幅型レジストの使用がほとんどでしたが、ラインピッチが28 nm以降の次世代EUVリソグラフィーでは、有機金属型レジストが主流になると考えられています。

以下に示すのは、東京エレクトロン（TEL）が発表しているリソグラフィーにおけるロードマップであり、MORが主流となっていくことが明記されています👇

ちなみに、ラインピッチとは、リソグラフィーで形成される隣接する2本の線（配線やパターン）の中心間の距離を指します🔬 ラインピッチは通常、ナノメートル（nm）単位で測定されます📏 例えば、「42 nmプロセス」と呼ばれる製造技術では、ラインピッチが約42nmであることを意味します。

フォトレジストの成分✨

フォトレジストは一般的に液体であり、一般的に４つの重要な成分が含まれています。ここでは、主に化学増幅型レジストに含まれている成分について分かりやすく説明します！🔍✨

１．ポリマー：フォトレジストの骨格となる成分🧬

リソグラフィーの過程で光に露光されると、このポリマーの構造が劇的に変化します。可溶性だったものが不溶性に、あるいはその逆の変化が起こり、これがパターン形成の基礎となるのです。

２．溶媒：フォトレジスト全体を液状に維持💧

溶媒がフォトレジストを液状に維持することで、ウェハー上に均一に薄く塗布することが可能になります。溶媒は、回転塗布（スピンコート）という技術を用いて、まるでピザ生地を伸ばすように、フォトレジストを薄く広げる手助けをします。

３．感光材：フォトレジストの目👁️

感光剤は、フォトレジストの「目」のような役割を果たします。露光中、この成分が光を感知し、化学反応を引き起こします。この反応が、ポリマーの構造変化を制御・調節するのです。

４．添加剤：フォトレジストに特別な効果を付与🧪

最後に、添加剤は、フォトレジストに特別な効果を与える「調味料」のような存在です。🌈 染色やその他のプロセス効果を実現するために、様々な化学成分が少量ずつ加えられます。これらの添加剤は、フォトレジストの性能を微調整し、より高度な機能を実現する上で欠かせません。

これら4つの成分の絶妙なバランスにより、フォトレジストの特性が決定されます。🎭 使用する露光機の光の波長や露光源に応じて、これらの成分の組み合わせや比率が細かく調整されます。

例えば、KrF（248nm）の露光波長を使用する場合、その特定の波長に最適に反応するようフォトレジストが調整されます。

フォトレジストの市場動向 📊

フォトレジスト市場は着実に成長を続けています。市場調査会社Mordor Intelligenceによると、2023年から2028年にかけて年平均成長率（CAGR）5%以上で成長すると予測されています。

特に、アジア太平洋地域が最大かつ最も成長の速い市場となっており、中国、日本、韓国などが牽引役となっています。

フォトレジストの応用分野 🌐

フォトレジストの応用は半導体産業にとどまりません：

プリント基板製造 📱
ディスプレイ製造 🖥️
MEMSデバイス 🕹️
バイオテクノロジー 🧬
ナノテクノロジー 🔬

例えば、バイオテクノロジー分野では、DNAチップの製造にフォトレジスト技術が応用されています。これにより、遺伝子解析の効率が飛躍的に向上しました。

フォトレジストの課題と未来 🔮

フォトレジスト技術には、まだいくつかの課題が残されています：

環境への影響: 一部のフォトレジストには有害物質が含まれています。
コスト: 高性能なフォトレジストは非常に高価です。
安定性: 長期保存や温度変化に弱いものがあります。

これらの課題を解決するため、研究者たちは日々新しい材料や技術の開発に取り組んでいます。例えば、住友化学は金属不使用で不純物の少ない次世代EUV露光向け新レジストを開発中です。

まとめ 📝

フォトレジストは半導体製造に欠かせない特殊な感光性材料です。
感光部分が残るネガ型と感光部分が消えるポジ型の2種類があり、用途に応じて使い分けられています。
材料による分類としては、化学増幅型レジスト（CAR）と有機金属型レジスト（MOR）があり、次世代リソグラフィー向けにMORの開発が進められています。
半導体以外にも、バイオテクノロジーやナノテクノロジーなど応用分野が広がっています。
環境負荷の低減やコスト削減など、課題解決に向けた研究開発が続いています。

フォトレジストは、私たちの目には見えませんが、現代のデジタル社会を支える重要な技術です。今後も進化を続け、より小さく、より高性能なデバイスの実現に貢献していくことでしょう。

今後も、半導体やテクノロジーに関する最新情報をお届けしていきますので、フォローもお忘れなく！
最後までお読みいただき、ありがとうございました！😊

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参考文献

https://www.spie.org/news/6534-novel-metal-oxide-photoresist-materials-for-extreme-uv-lithography