フォトリソグラフィーとは何か？フォトグラフィーの重要性は？HMDS処理とは何か？

この記事で分かること

フォトリソグラフィー

　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。

　今回はフォトリソグラフィの概略とHMDS処理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。

フォトリソグラフィとは何か

　半導体の前工程におけるフォトリソグラフィは、半導体デバイスの微細な回路パターンをシリコンウェーハ上に形成するための、非常に重要な技術です。

　写真の現像技術を応用したもので、光（主に紫外線）と感光性材料であるフォトレジストを用いて行われます。

　フォトリソグラフィは、半導体デバイスの性能を大きく左右する微細な回路を形成する上で不可欠な技術です。

　LSI（大規模集積回路）の集積度を高め、高性能化、低消費電力化を進めるためには、より微細なパターンを正確に転写する技術が求められます。

　そのため、露光技術の進歩（光源の短波長化、露光装置の高性能化）と、それに合わせたフォトレジスト材料の開発が常に進められています。

どのような工程でフォトリソグラフィが行われるのか

　フォトリソグラフィは、以下の基本的な工程から成り立っています。

前処理

　ウェーハ表面の洗浄を行い、フォトレジストの密着性を高めるための処理（HMDS処理など）を行います。ウェーハ表面が親水性だと、現像液がレジストとウェーハの間に入り込み、レジスト剥がれの原因となるため、疎水性に改質します。

フォトレジスト塗布

　ウェーハの全面に感光性の液体であるフォトレジストを均一に塗布します。

　これは「スピンコート」と呼ばれる方法で行われ、ウェーハを高速で回転させることで遠心力によりレジスト液が均一に広がります。

　レジストの膜厚は、パターン寸法に大きく影響するため、回転数やレジストの粘度などが厳密に管理されます。

プリベーク

　塗布されたレジスト膜に含まれる溶媒を除去し、ウェーハとの密着性を向上させるために加熱（プリベーク）します。

露光

　フォトマスク（回路パターンが描かれた原版）を介して、フォトレジストに光（主に紫外線）を照射します。

　この工程で使用されるのが露光装置（ステッパーなど）です。光源から出た光がマスクのパターンを通り、レンズを通してウェーハ上のレジストに転写されます。

　微細化の要求に伴い、より短い波長の光（KrF、ArFエキシマレーザー、さらにはEUVなど）が使用され、高精細なパターン形成が可能になっています。

　フォトレジストには、光が当たった部分が溶けやすくなる「ポジ型レジスト」と、光が当たった部分が硬化して溶けにくくなる「ネガ型レジスト」があります。

　これらによって、露光後の現像で残るパターンが異なります。

現像

　露光されたウェーハを現像液に浸すことで、不要なフォトレジストを除去し、回路パターンを形成します。ポジ型レジストの場合は露光部が溶解し、ネガ型レジストの場合は未露光部が溶解します。

ポストベーク

　現像後のレジストパターンを安定化させ、次の工程（エッチングやイオン注入）での耐性を高めるために、再度加熱（ポストベーク）します。

レジスト除去

　エッチングやイオン注入などの工程が完了した後、役目を終えたフォトレジストは、専用の剥離液やプラズマアッシングによって除去されます。

HMDS処理とは何か

　半導体前工程のフォトリソグラフィにおいて、HMDS（ヘキサメチルジシラザン：Hexamethyldisilazane）処理は、フォトレジストとウェーハ表面との密着性を大幅に向上させるために不可欠な前処理であり、主な目的は、ウェーハ表面を疎水化することです。

現像時のパターン剥がれ防

　特に、ポジ型レジストを使用する場合、現像液は水溶液が主体です。

　ウェーハ表面が親水性のままだと、現像液がレジストとウェーハの間に入り込み、レジストのパターンがウェーハから剥がれてしまう現象（リフトオフ）が起こりやすくなります。

　HMDS処理で疎水化することで、このような現象を防ぎ、微細なパターンを忠実にウェーハ上に残すことができます。

フォトレジストとの密着性向上

　シリコンウェーハの表面は、通常、水酸基（-OH基）が多く存在するため、親水性（水に濡れやすい性質）です。

　しかし、フォトレジストは有機溶剤を主成分とするため、そのままでは親水性のウェーハ表面との密着性が悪く、フォトレジストを塗布した際に「はじき」や「塗布ムラ」が発生したり、現像工程でフォトレジストパターンが剥がれてしまう「レジスト剥がれ」などの問題が発生しやすくなります。

　HMDS処理を行うことで、ウェーハ表面がフォトレジストとの親和性の高い疎水性（水をはじく性質）に改質され、密着性が劇的に向上します。

なぜ、ヘキサメチルジシラザンで処理することで疎水性になるのか

　HMDS（(CH₃)₃SiNHSi(CH₃)₃）は、シリコンウェーハ表面に存在する水酸基（-OH基）と化学反応を起こします。

　具体的には、HMDSが水酸基の水素と反応してアンモニア（NH₃）を生成し、残りのトリメチルシリル基（-(CH₃)₃Si）がウェーハ表面の酸素と結合します。

　この反応により、ウェーハ表面にメチル基（-CH₃）が結合した状態となり、表面が疎水性に変化します。

　この疎水化された表面は、フォトレジストの有機成分との親和性が非常に高いため、強力な接着力が得られます。

HMDSの提供で有名なメーカーはどこか

　HMDS（ヘキサメチルジシラザン）は、半導体製造におけるフォトレジストの密着性向上に不可欠な化学薬品であり、その製造・供給において以下のようないくつかの主要なメーカーが存在します。

• Dow Corning（ダウ・コーニング）: シリコンベースの材料で世界的に有名であり、HMDSにおいても高い市場シェアを持っています。半導体製造やシリコンベースのコーティング向けの高度なHMDSをリードしているとされています。
• Shin-Etsu Chemical（信越化学工業）: 日本を代表する化学メーカーであり、半導体材料分野において非常に強力なプレゼンスを持っています。HMDSに関しても、医薬品合成やハイテク材料向けの高度なHMDS製剤を専門とし、高い市場シェアを占めています。

　HMDS処理を行う装置を提供するメーカーとしては、日本国内のハイソル株式会社などが、HMDS蒸着成膜装置を製造・販売しています。