現像工程とは何か？どのような工程があるのか？スピン現像が優位な理由は？

この記事で分かること

現像工程

　半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。

　今回は工程の一つである、現像工程についての解説となります。

半導体の前工程とは

　半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。

主な前工程は以下の通りです。

ウェハ準備

　シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。

• スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
• 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
• 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。

成膜

　ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。

• 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。

フォトリソグラフィ

　ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。

• 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
• 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。

エッチング

　フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。

• エッチングには、液体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。

不純物導入（ドーピング）

　半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。

• イオン注入法などが用いられます。

平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）

　表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。

• 化学的な腐食と механическая研磨を同時に行います。

配線形成（メタライゼーション）

　形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。

• スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。

これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。

現像工程とは何か

　半導体製造の現像工程は、リソグラフィ（フォトリソグラフィ）における非常に重要なステップの一つです。

　前の露光工程でウェハ上のフォトレジスト膜に形成された「潜像」（光によって化学変化が起きた部分）を、実際に目に見える回路パターンとして顕在化させる役割を担います。

　写真の現像プロセスに似ていますが、半導体製造ではナノメートルレベルの微細な精度が求められます。

現像工程の目的

　回路パターンの形成: 後工程のエッチングやイオン注入などのプロセスで、フォトレジストを「マスク」として利用できるように、正確な形状と寸法を持つレジストパターンを作り出すこと。

　潜像の顕在化: 露光によってフォトレジストに形成された化学的な変化（光が当たった部分と当たらなかった部分の違い）を、現像液を使って選択的に溶解・除去し、目的の回路パターンをフォトレジスト上に形成すること。

現像はどのように行われるのか

　現像の工程は以下のような手順で行われます。　

現像液の塗布・供給

• 露光が終わったウェハに、現像液を塗布または供給します。
• 一般的には、ウェハを回転させながら現像液を均一にスプレーする「スピン現像」や、ウェハを現像液に浸す「ディップ現像」といった方式があります。スピン現像が微細化対応や均一性の点で主流です。
• 現像液は、フォトレジストの種類（ポジ型かネガ型か）によって異なります。

化学反応とレジスト溶解

• ポジ型レジストの場合: 光が当たった部分（露光部）のフォトレジストは、光によって化学結合が変化し、現像液に溶けやすくなっています。現像液がこの溶けやすくなった部分を溶解し、除去します。光が当たらなかった部分は現像液に溶けにくく、ウェハ上に残ります。
• ネガ型レジストの場合: 光が当たった部分（露光部）のフォトレジストは、光によって架橋反応などを起こし、現像液に溶けにくくなります。光が当たらなかった部分が現像液に溶けやすく、除去されます。光が当たった部分はウェハ上に残ります。

リンス（純水洗浄）

• 現像が完了した後、ウェハを純水で十分に洗浄します。
• これは、ウェハ上に残った現像液の成分（特にアルカリ性の現像液の場合）を洗い流し、レジストやウェハ表面への影響を防ぐためです。現像液が残ると、パターンの劣化や次の工程での汚染の原因となります。

乾燥

• リンス後にウェハを乾燥させます。
• 通常は、ウェハを高速で回転させて水滴を吹き飛ばすスピン乾燥や、窒素ガスなどの不活性ガスを吹き付けて乾燥させる方法が用いられます。水滴の跡（ウォーターマーク）が残らないように、きれいに乾燥させる必要があります。

ポストベーク（Post Bake / Hard Bake）

• 現像・乾燥後、ウェハを再び加熱します。
• この工程は、残ったレジスト膜中の溶剤を完全に除去し、レジストの膜硬度を高めてウェハへの密着性をさらに向上させる目的があります。
• これにより、後工程のエッチングやイオン注入において、レジストパターンが剥がれたり変形したりするのを防ぎ、より安定した加工を可能にします。

なぜ、スピン現像のほうが微細化、均一化に優位なのか

　スピン現像がディップ現像よりも微細化と均一性に優れているのは、その原理と制御性の違いにあります。

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スピン現像の優位性

　スピン現像は、ウェハを高速で回転させながら現像液を供給・除去する方式です。この方法が微細化と均一性に優れる主な理由は以下の通りです。

1. 遠心力による均一な液膜形成と排出
   • 均一な液膜: ウェハの中心に現像液を滴下し、高速回転させることで、遠心力が現像液をウェハの表面全体に均一に広げます。この遠心力によって現像液の膜厚が制御され、液だまりやムラが生じにくくなります。これは、塗布工程で行われるスピンコートと似た原理です。
   • 均一な現像反応: 現像液が均一に広がることで、ウェハ上のどの場所でも現像液がレジストに接触する時間や濃度がほぼ同じになり、均一な現像反応が促進されます。
   • 現像液の排出: 現像完了後、さらに高速回転させることで、現像液や溶解したレジスト、リンス液をウェハ表面から素早く完全に振り切ることができます。これにより、現像液の残りカスによるパターンの汚染や劣化を防ぎ、現像の終点を明確にできます。
2. ウェハごとの個別制御
   • スピン現像は通常、枚葉処理（1枚のウェハずつ処理）で行われます。これにより、ウェハごとに現像液の種類、濃度、供給量、回転速度、現像時間、温度などを細かく調整・最適化できます。
   • 個々のウェハの状態（例えば、露光後の潜像のばらつき）に合わせて条件を微調整できるため、高い精度でのパターン形成が可能です。
3. 汚染のリスク低減
   • 常に新しい現像液が供給され、使用済みの現像液はすぐに排出されるため、現像液の劣化や、溶解したレジスト成分による再付着のリスクが低減されます。
   • これは、特に微細パターンにおいて、現像液中の微粒子や不純物がパターンに付着し、欠陥となることを防ぐ上で非常に重要です。

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ディップ現像の課題

一方、ディップ現像は、ウェハを現像液を満たした槽に浸漬して現像する方式です。

1. 現像液の劣化・不均一性
   • 多数のウェハを同じ現像液に浸漬するため、現像液中のレジスト溶解成分が増え、現像液自体の性能が時間とともに変化し、不均一な現像につながりやすいです。
   • 槽内の現像液の攪拌が不十分だと、部分的に現像が進行しすぎたり、足りなかったりする可能性があります。
2. ウェハ間のばらつき
   • バッチ処理（複数のウェハを同時に処理）が多いため、個々のウェハの状態に応じた微調整が難しく、ウェハ間の現像状態にばらつきが生じやすいです。
3. 液だまり・乾燥ムラ
   • ウェハを引き上げる際に現像液が均一に流れ落ちず、液だまりや乾燥ムらが発生するリスクがあります。これが、パターンの変形やウォーターマークの原因となることがあります。