フォトレジストの塗布工程　どのように塗布されるのか？スピンコート法とは何か？

この記事で分かること

フォトレジストの塗布工程

　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。

　今回は半導体前工程の一つである、フォトレジストの塗布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。

フォトレジスト塗布工程とは

　半導体前工程におけるフォトレジスト塗布工程は、微細な回路パターンを形成するための非常に重要なステップです。フォトリソグラフィと呼ばれる一連のプロセスの初期段階にあたります。

　この工程では、半導体ウェーハの表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。現在は、スピンコート法という方法が主流になっています。

スピンコート法の原理

　スピンコート法の原理は、非常にシンプルでありながら、高い精度で薄膜を形成できる点が特徴です。

液体の滴下

　まず、塗布対象となる基板（半導体ウェーハなど）をスピンコーターと呼ばれる装置のステージに固定します。そして、基板の中心に塗布したい液体（フォトレジスト液など）を少量滴下します。

高速回転

液体を滴下した後、ステージを高速で回転させます（通常、数千rpm：1分間に数千回転）。

遠心力による広がりと膜厚制御

　高速回転によって発生する遠心力により、滴下された液体は基板の中心から外周へと放射状に広がっていきます。余分な液体は遠心力で基板の外へ飛ばされます。

　広がるにつれて液体の膜厚は薄くなり、溶剤が蒸発することで粘度が増し、最終的に薄く均一な膜が形成されます。

膜厚の制御方法

• 回転速度: 回転速度が速いほど、遠心力が大きくなり、より薄い膜が形成されます。
• 回転時間: 長時間回転させることで、溶剤の蒸発が促進され、膜厚が安定します。
• 液体の粘度: 粘度が高い液体ほど、厚い膜が形成されやすくなります。
• 液体の量: 滴下する液体の量が多すぎると、均一な膜を形成するのが難しくなります。
• 環境要因: 温度や湿度、排気流量なども、溶剤の蒸発速度や液体の粘度に影響し、膜厚に影響を与えます。

スピンコート法の特徴

• 高い均一性: 遠心力により液体が均一に広がるため、非常に均一な膜厚の薄膜を形成できます。これは、微細な回路パターンを形成する半導体製造において極めて重要です。
• 薄膜形成能力: 数nmから数十μm程度の非常に薄い膜を形成することが可能です。
• 高速性: 短時間で塗布工程を完了できるため、生産性に優れています。
• 装置の簡便さ: 真空プロセスのような複雑な設備が不要で、装置構成が比較的シンプルかつ低コストです。
• 幅広い用途: 半導体製造のフォトレジスト塗布だけでなく、ディスプレイ、光学コーティング、バイオ関連など、様々な分野で薄膜形成技術として利用されています。

スピンコート法のメリット・デメリット

メリット

• 均一な薄膜を高速で形成できる。
• 装置が比較的安価で、操作も容易。
• 幅広い膜厚に対応可能。
• 生産性が高い。

デメリット

• 材料ロスが大きい: 遠心力で多くの液体が基板外に飛散するため、塗布液のロスが大きくなります。ただし、最近では回収・再利用の技術も進んでいます。
• エッジビードの発生: 基板の外周部分（エッジ）では、表面張力の影響で液体が盛り上がったり、基板の裏面に回り込んだりする「エッジビード」と呼ばれる現象が発生しやすいです。これは、後の工程でパターン欠陥や発塵の原因となるため、エッジリンスやバックリンスといった追加の工程で除去する必要があります。
• 大面積化への課題: 非常に大きな基板（例えば、大型ディスプレイ基板）への均一な塗布は、遠心力の均一性や液体の広がりやすさの観点から課題となる場合があります。

スピンコートの装置のメーカーは

　半導体前工程のフォトレジスト塗布に用いられるスピンコート装置のメーカーは、主に以下の企業が挙げられます。

主要なメーカー（日本国内および国際的に認知されている企業）

• 東京エレクトロン (TEL)：半導体製造装置の世界的なリーディングカンパニーであり、コータ/デベロッパ（フォトレジスト塗布・現像装置）において高いシェアを持っています。
• SCREENホールディングス (旧 大日本スクリーン製造)：こちらも半導体製造装置の主要メーカーであり、コータ/デベロッパを主力製品としています。
• タツモ株式会社：コータ・デベロッパを中心に、ウェットプロセス装置を開発・製造しています。
• 東京応化工業 (TOK)：フォトレジスト液材のトップメーカーであると同時に、関連する塗布・現像装置も提供しています。

その他のメーカー（研究・開発用、特定用途向け、小型装置に強みを持つ企業）

• ミカサ株式会社：特に研究・ラボ用途向けの小型スピンコーターで長い歴史と実績があります。
• 株式会社アクティブ：スピンコーター、クリーンブース、特殊電気炉などをカスタマイズ設計・製造・販売しています。
• ハイソル株式会社：精密スピンコーターなどを手掛けています。
• ジャパンクリエイト株式会社：卓上型マニュアルスピンコーターなどを提供しています。
• 株式会社SDI：実験・研究・開発用から量産向けまで幅広いスピンコーターを提供しています。
• 株式会社エムテーシー：フォトマスク製造関連装置や半導体製造関連のレジスト塗布装置などを手掛けています。
• 株式会社ダルトン：レジスト塗布・現像スピンコーターなどを提供しています。

海外の主要メーカー

• EV Group (EVG)：オーストリアの企業で、レジストプロセス装置（スピンコーターを含む）やボンディング装置などを提供しています。
• SUSS MicroTec AG：ドイツの企業で、スピンコーターやナノインプリントリソグラフィ装置などを手掛けています。
• Brewer Science：フォトレジスト材料だけでなく、関連する塗布技術や装置も提供する場合があります。
• Ossila (英国)：特に研究室向けの小型で高性能なスピンコーターを提供しています。

　これらのメーカーは、半導体ウェーハのサイズ（例：300mmウェーハ対応）、自動化の度合い（全自動、セミオート、マニュアル）、対応するフォトレジストの種類、膜厚の均一性、生産能力などによって、様々なモデルを提供しています。