プリベーク　どんな工程なのか？なぜプリベークが必要なのか？

この記事で分かること

プリベーク

　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工程である、プリベーク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。

プリベークとはどんな工程か

　プリベーク（Pre-bake）は、半導体製造のフォトリソグラフィ工程において、フォトレジストをウェーハ表面に塗布した直後に行われる熱処理工程です。

　別名「ソフトベーク（Soft Bake）」とも呼ばれます。

プリベークの目的

　プリベークの主な目的は、塗布されたフォトレジスト膜中の溶剤を効率的に除去・蒸発させることです。これにより、フォトレジスト膜を次の工程である露光に適切な状態に安定させます。

溶剤の除去

• フォトレジスト液は、高分子の樹脂や感光剤などを溶剤に溶かした状態の液体です。スピンコート後、まだ多くの溶剤がフォトレジスト膜中に残っています。

• プリベークで加熱することで、これらの溶剤が揮発し、フォトレジスト膜が固形化します。

膜厚の安定化

• 溶剤が抜けることで、フォトレジスト膜の体積が収縮し、最終的な膜厚が確定・安定します。これにより、露光時に膜厚の変動による不均一な露光を防ぎます。

露光時の感度・解像度向上

• 膜中に溶剤が残っていると、露光時に溶剤が光を吸収したり、光による化学反応を阻害したりする可能性があります。
• 溶剤を除去することで、フォトレジストがより光に反応しやすい状態になり、感度と解像度が向上します。

密着性の向上

• 加熱によってフォトレジストがウェーハ表面に密着しやすくなり、その後の露光や現像工程でパターン剥がれや浮きが発生するリスクを低減します。

物理的強度の向上

• 固形化することで、膜の物理的な強度が増し、次の工程での取り扱いや、露光装置内での搬送時の傷つきを防ぎます。

どのような工程で行われ、なぜ重要なのか

　　プリベークの一般的なプロセスは以下のような手順で行われます。

• 温度: 通常、70℃〜120℃程度の範囲で、フォトレジストの種類や膜厚によって最適な温度が設定されます。高すぎるとフォトレジストの感光剤が熱分解したり、レジスト自体が劣化したりする可能性があります。
• 時間: 数十秒から数分程度。これもフォトレジストの種類や膜厚、使用する装置によって調整されます。
• 方法: 通常、ホットプレート（加熱された板の上にウェーハを置く）またはオーブン（ウェーハをまとめて加熱する）が使用されます。ホットプレートの方が温度制御が正確で均一性が高く、生産性も良いため、半導体製造の量産ラインでは一般的です。

プリベークの重要性

　プリベークは、一見単純な工程に見えますが、その後の露光、現像、エッチングといった全てのプロセスに影響を与えるため、非常に重要な工程です。プリベークが不適切だと、以下のような問題が発生する可能性があります。

• 露光不足/過剰: 溶剤が残存することで露光に必要な光量が変わってしまい、露光不足や過剰露光に繋がる。
• 解像度低下: 溶剤が均一に除去されないことで、膜厚ムラが生じ、パターン形状が悪化する。
• パターン剥がれ: 密着性が不十分だと、現像液やエッチング液によってパターンが浮いたり剥がれたりする。
• ピンホール: 溶剤の急激な揮発によって膜中に小さな穴（ピンホール）が発生し、エッチング欠陥に繋がる。

どのような装置が使用されるのか

　プリベーク工程で使用される装置は、主にフォトレジスト塗布・現像装置（コータ/デベロッパ）の一部として組み込まれている加熱ユニットです。半導体の量産ラインでは、自動化されたシステムの中でウェーハが順次処理されます。

1. ホットプレート（Hot Plate）

• 最も一般的で広く使用されている方式です。
• 仕組み: 加熱された平らなプレート（セラミックヒーターなどが内蔵されている）の上にウェーハを直接、またはリフトピンで支えて置くことで、ウェーハ全体を均一に加熱します。
• 特徴:
  • 高い温度均一性: プレート全体が均一に加熱されるため、ウェーハ面内の温度分布が非常に優れています。これは、フォトレジスト膜厚の均一性や後のパターニング品質に直結するため、極めて重要です。
  • 高速処理: ウェーハを一枚ずつ処理するため、昇温・降温の立ち上がりが早く、スループットが高いです。
  • 精密な温度制御: デジタル制御により、設定温度への到達が早く、±1℃以下の高い精度で温度を維持できます。
  • コータ/デベロッパとの統合: スピンコートや現像、冷却などのユニットと一体化した自動処理装置（コータ/デベロッパ）の中に組み込まれていることがほとんどです。ウェーハはロボットアームによって自動的に搬送され、各プロセスステーションで処理されます。
• 利点: 温度均一性、処理速度、省スペース性、自動化への適応性。
• 欠点: ウェーハのエッジ部分やリフトピンの接触点での温度分布がわずかに異なる可能性があり、微細なパターンでは影響を考慮する必要があります（ただし、最新の装置では工夫が凝らされています）。

2. オーブン（Oven）

• 比較的旧式な方法、または研究開発や小規模生産で使われることがあります。
• 仕組み: 加熱された密閉空間（オーブン）に複数のウェーハをまとめて入れ、熱風を循環させることで全体を加熱します。
• 特徴:
  • 一度に多くのウェーハを処理可能: バッチ処理に適しています。
  • コスト: ホットプレートよりも安価な場合があります。
• 利点: 複数枚同時処理、低コスト。
• 欠点:
  • 温度均一性: オーブン内の温度分布がホットプレートほど均一ではない場合があり、ウェーハごとの温度差やウェーハ面内での温度差が生じやすいです。
  • 熱履歴のばらつき: 加熱・冷却速度が遅く、ウェーハを投入・取り出すタイミングによって熱履歴にばらつきが生じやすいです。
  • 清浄度: オーブン内にパーティクルが発生・滞留するリスクがホットプレートより高い場合があります。
  • スループット: 立ち上がりが遅く、全体のスループットがホットプレートに劣る場合があります。

プリベーク装置の統合

　半導体製造の現場では、フォトレジストの塗布から現像までの一連の工程がコータ/デベロッパ（Coater/Developer）と呼ばれる統合された自動処理装置の中で行われます。

　この装置内に、スピンコーター、プリベーク用のホットプレート、冷却ユニット、露光後のベーク（PEB）用のホットプレート、現像ユニットなどが効率的に配置され、ウェーハがロボットアームによって自動搬送されます。

有名な装置メーカはどこか

半導体製造におけるフォトレジスト塗布・現像装置（コータ/デベロッパ）およびその中に組み込まれるプリベーク（ホットプレート）の装置メーカーは、世界的に見ても非常に限られています。これらの装置は、極めて高い精度と信頼性が求められるため、参入障壁が高い分野です。

主要なメーカーは以下の2社であり、特に日本企業が圧倒的な世界シェアを誇っています。

1. 東京エレクトロン (Tokyo Electron Ltd. / 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」分野では圧倒的な世界シェアNo.1を誇ります。
   • プリベーク用のホットプレートユニットも、このコータ/デベロッパ装置群の中に組み込まれています。
   • 最先端のEUVリソグラフィに対応した装置を開発・提供しており、微細化技術の進化に不可欠な存在です。
   • 高い処理能力、精密な温度制御、高純度環境の維持など、あらゆる面でトップクラスの性能を持っています。
2. SCREENホールディングス (SCREEN Holdings Co., Ltd. / 旧 大日本スクリーン製造)
   • 東京エレクトロンに次ぐ、コータ/デベロッパの主要メーカーであり、高い世界シェアを持っています。
   • TELと同様に、先端リソグラフィプロセスに対応した高性能な塗布・現像装置を提供しており、プリベークユニットもその主要な構成要素です。
   • ウェットプロセス技術に特に強みを持つ企業です。

　これらの2社が、世界の半導体量産ラインに導入されているコータ/デベロッパの大部分を供給しており、プリベーク装置もその一部としてこれらのメーカーが提供しています。