集積回路の製造工程には、重要なつながりがあります。リソグラフィーまさにそのおかげで、私たちは小さなチップに機能を実装できるのです。現代の彫刻技術は190年前に遡ります。1822年、フランス人のニセフォール・ニエプスは、さまざまな素材に光を当てて実験した後、油紙にエッチングされた印象（パターン）を複製しようと試み始めました。彼は油紙をガラスのスライドに置き、ガラスのスライドには植物油に溶かしたアスファルトを塗布しました。2、3時間日光に当てると、光透過部分のアスファルトは明らかに硬化しますが、不透明部分のアスファルトはまだ柔らかく、ロジンと植物油の混合物で洗い流すことができます。ニエプスは、強酸でガラス板をエッチングすることにより、1827年にアンボワーズ司教の彫刻の複製を作成しました。

ニエプスの発明から100年以上経った第二次世界大戦中、この技術は初めてプリント基板、すなわちプラスチック基板上に銅回路を形成するために用いられました。1961年までに、フォトリソグラフィーはシリコン上に多数の微細トランジスタを製造するために使用され、当時の解像度は5μmでした。現在では、可視光リソグラフィーに加えて、X線や荷電粒子スクライビングといった、より高解像度の技術が登場しています。

Wikipediaの定義によれば、いわゆるフォトリソグラフィーは、半導体デバイス製造プロセスにおける重要な工程である。この工程では、露光と現像を用いてフォトレジスト層上に幾何学的構造を描画し、その後、エッチングプロセスによってフォトマスク上のパターンを基板に転写する。ここでいう基板とは、シリコンウェハだけでなく、SOSにおけるガラスやサファイアなどの金属層や誘電体層も含まれる。

フォトリソグラフィー基本理念光レジスト（またはフォトレジスト）の特性を利用して、光照射後の光化学反応により耐食性を形成し、マスク上のパターンを加工対象表面にエッチングする。

リソグラフィーの原理意図

リソグラフィーは単純なプロセスではなく、多くの工程を経ます。

フォトリソグラフィープロセス

それでは、フォトリソグラフィーのプロセスを詳しく見ていきましょう。

1.ウェーハ洗浄

シリコンウェハーを洗浄する目的は、汚染物質や微粒子を除去し、ピンホールなどの欠陥を減らし、フォトレジストの密着性を向上させることである。

基本的な手順：化学洗浄 - すすぎ - 乾燥。

シリコンウェハは様々な工程を経て加工されるため、その表面は深刻な汚染を受けています。一般的に、シリコンウェハ表面の汚染は大きく3つのカテゴリーに分類できます。

A. 有機不純物による汚染：有機試薬による溶解と超音波洗浄技術によって除去することができる。

削除します。

B. 粒子汚染：物理的方法を用いると、機械的洗浄や超音波洗浄技術を用いて粒径が0.4μm以上の粒子を除去することができ、メガソニック波を用いると粒径が0.2μm以上の粒子を除去することができる。

C．金属イオン汚染：汚染を除去するには化学的方法を用いる必要がある。シリコンウェーハ表面の金属不純物汚染には、大きく分けて2つの種類がある。

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a. 一つのタイプは、汚染イオンや原子が分散し、吸着によってシリコンウェーハの表面に付着するものである。

b. もう一つのタイプは、正に帯電した金属イオンが電子を受け取り、シリコンウェーハの表面に付着する（「電気めっき」など）というものです。

シリコン研磨ウェハー化学洗浄の目的は、この汚染物質を除去することです。一般的に、以下の方法で洗浄や汚染物質の除去を行うことができます。

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a. 強力な酸化剤を使用して、シリコン表面に付着した金属イオンを「電気めっき」したり、金属に酸化したり、洗浄液に溶解させたり、シリコンウェーハ表面に吸着させたりする。 

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b. 無害な小径の強力な陽イオン（H+など）を使用して、シリコンウェーハの表面に吸着した金属イオンを置き換え、洗浄液に溶解させる。

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c. 超音波洗浄には大量の脱イオン水を使用し、溶液中の金属イオンを除去する。

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1970年にアメリカのRCA研究所が提案した浸漬RCA化学洗浄プロセス以来、広く利用されてきました。1978年には、RCA研究所はメガソニック洗浄プロセスも発表しました。近年では、RCA洗浄理論に基づいたさまざまな洗浄技術が継続的に開発されており、例えば、アメリカのFSI社が導入した遠心スプレー化学洗浄技術、アメリカのオリジナルCFM社が導入したフルフローシステム閉鎖オーバーフロー洗浄技術、アメリカのVERTEQ社が導入した浸漬式と閉鎖式の中間の化学洗浄技術（Goldfinger Mach2洗浄システムなど）、アメリカのSSEC社の両面サッサフラス洗浄技術（M3304 DSS洗浄システムなど）、研磨済みウェーハの表面洗浄技術を新たなレベルに引き上げた日本の化学薬品不使用誘電性イオン水洗浄技術（誘電性超純水による洗浄）、HF/O3ベースのシリコンウェーハ化学洗浄技術などがあります。

2.プレベイクとプライマー蒸気 

フォトレジストには溶剤が含まれているため、フォトレジストを塗布したシリコンウェハーは約80度シリコンウェーハの脱水ベーキングは、ウェーハ表面から水分を除去し、フォトレジストと表面との密着性を向上させるために行われ、通常は約100℃で行われます。これはプライマー塗布と同時に行われます。

プライマーコーティングは、フォトレジスト（PR）とウェーハ表面との密着性を向上させます。広く用いられている方法としては、ヘキサメチルジシラミン（HMDS）、PRスピンコーティング前のHMDS蒸着コーティング、PRコーティング前の冷却プレートによるウェーハ冷却などがあります。

プレベークおよびプライマー蒸気塗布

3.フォトレジストコーティング

フォトレジスト塗布の一般的な手順は、フォトレジストを塗布する前に900～1100度で湿式酸化を行うことです。この酸化膜は、湿式エッチングやBイオン注入のマスクとして使用できます。フォトリソグラフィープロセス自体の最初のステップとして、一般にフォトレジストとして知られる、紫外線に感光する有機ポリマー化合物の薄膜をサンプル表面（SiO2）に塗布します。まず、フォトレジストを容器から取り出し、接着剤塗布装置に置かれたサンプルの表面に滴下します（サンプルは真空負圧によってサンプルステージに固定されます）。次に、サンプルを高速で回転させます。回転速度は、接着剤の粘度と所望の接着剤の厚さによって決まります。このような高速では、接着剤は遠心力の作用により端に向かって流れます。

接着工程これは、グラフィック変換プロセスにおける最初にして重要なステップです。接着剤の品質は、処理されたデバイスの欠陥密度に直接影響します。線幅の再現性と後続の現像時間を確保するためには、同一サンプル内の接着剤の厚さの均一性と、異なるサンプル間の接着剤の厚さの一貫性が±5nm（1.5μmの接着剤の厚さの場合は±0.3%）を超えないようにする必要があります。

フォトレジストの目標厚さの決定は、主にレジスト自体の化学的性質と、コピーするパターンの線とギャップの細かさを考慮します。接着剤が厚すぎると、エッジの被覆や接続、丘状またはフィールド状の接着剤の外観、歩留まりの低下につながります。MEMSでは、接着剤の厚さ（ベーク後）は0.5～2μmですが、特殊な微細構造の製造では、接着剤の厚さが1cmオーダーになる場合もあります。後者の場合、スピンコーティングは、キャスト接着剤やプラズマ接着剤重合などの方法に置き換えられます。従来のフォトレジスト塗布プロセスの最適化には、接着剤の滴下速度、滴下量、回転速度、周囲温度と湿度などを考慮する必要があります。これらの要素の安定性は非常に重要です。

ここで説明しておきたいのは、フォトレジストの主な構成要素は、ポリマー（樹脂）、増感剤、そして溶剤であるということです。ポリマーは光照射を受けると構造が変化し、溶剤によって押し出されて試料表面に薄膜が形成されます。そして増感剤はポリマー相の化学反応を制御します。増感剤を含まないフォトレジストは、単一成分系または一成分系と呼ばれることがあり、増感剤を含むフォトレジストは二成分系と呼ばれます。溶剤やその他の添加剤は、フォトレジストの光化学反応に直接関与しないため、通常は計算に含まれません。

フォトレジストは、その特性に応じて以下のように分類できます。ポジティブな接着剤(NAIST) とネガティブグルー。      

プロセス開発の初期段階では、フォトリソグラフィプロセスにおいてネガ型接着剤が主流でした。しかし、VLSI ICの登場と2～5ミクロンのパターンサイズ化に伴い、ネガ型接着剤では要求を満たせなくなりました。そこでポジ型接着剤が登場しましたが、ポジ型接着剤の欠点は接着力が低いことでした。

ポジ型接着剤を使用する場合、マスクの極性を変更する必要があり、これは単純なパターン反転とは異なります。マスクは2種類のフォトレジストと組み合わされているため、フォトリソグラフィによってウェハ表面に形成されるパターンのサイズが異なります。パターン周辺の光の回折効果により、ネガティブマスクとブライトフィールドマスクをフォトレジスト層に組み合わせた場合のパターンサイズは、マスク上のパターンサイズよりも小さくなります。ポジ型レジストとダークフィールドマスクを組み合わせることで、フォトレジスト層上のパターンサイズを大きくすることができます。

フォトレジストコーティング

4.ソフトベイク

フォトレジストを塗布した後、ソフトドライ工程が必要です。この工程はプレベークとも呼ばれます。プレベークを行うことで、フォトレジスト中の溶剤を蒸発させ、塗布されたフォトレジストを薄くすることができます。

液状フォトレジストでは、溶剤成分が65～85%を占めています。接着剤を除去した後、液状フォトレジストは固体フィルムとなりますが、それでも10～30%の溶剤が残存しており、埃による汚染を受けやすい状態です。高温でベーキングすることで、フォトレジストから溶剤を蒸発させることができ（予備ベーキング後には溶剤含有量が約5%に減少）、埃による汚染を低減できます。同時に、この工程は高速回転によるフィルム応力も軽減し、フォトレジスト基板への密着性を向上させる効果もあります。

プレベーク工程では、溶剤の揮発によりフォトレジストの厚みも薄くなります。一般的に、フォトレジストの厚みは約10～20%程度になります。

ベーキングシステム

5.アラインメント

フォトリソグラフィにおけるアライメント技術は、露光前の重要な工程です。フォトリソグラフィの3つのコア技術の一つとして、アライメント精度は一般的に最小線幅の1/7～1/10程度が求められます。フォトリソグラフィの解像度が向上するにつれて、アライメント精度に対する要求もますます高くなっています。例えば、45μmの線幅の場合、アライメント精度は5μm程度が求められます。

リソグラフィ解像度の向上に伴い、アライメント技術も急速かつ多様な発展を遂げてきました。アライメント原理とマーク構造の分類という観点から見ると、アライメント技術は、投影リソグラフィにおける初期の幾何学的イメージングアライメント法（ビデオイメージアライメント、双眼顕微鏡アライメントなど）から、後のゾーンプレートアライメント法、干渉強度アライメント法、レーザーヘテロダイン干渉法、モアレ縞アライメント法へと進化しました。アライメント信号という観点から見ると、主にマーク付き顕微鏡イメージアライメント、光強度情報に基づくアライメント、位相情報に基づくアライメントが含まれます。

位置合わせのルールは、最初のフォトリソグラフィでは、図に示すように、マスクのY軸をウェハの平面エッジに対して90°にするだけでよい。以降のマスクはすべて、位置合わせマークを使用して、前のパターン化されたマスクに位置合わせされる。位置合わせマークは、各チップパターンのエッジに配置された特殊なパターンである（図を参照）。フォトリソグラフィ工程後、位置合わせマークはチップ表面に永久に残り、次の位置合わせに使用できる。

位置合わせ方法次のとおりです。

a. 事前アライメント、シリコンウェハ上のノッチまたは平面を介した自動レーザーアライメント

b. 切断溝に設けられた位置合わせマークを通して位置合わせを行います。さらに、層間位置合わせ、すなわち重ね合わせ精度により、シリコンウェハ上のグラフィックと既存のグラフィックとの位置合わせが保証されます。

6.暴露

この工程では、基板を覆うフォトレジストに特定の波長の光を照射します。フォトレジスト中の光増感剤が光化学反応を起こし、ポジ型フォトレジストが照射された領域（感光領域）とネガ型フォトレジストが照射されなかった領域（非感光領域）の化学組成が変化します。化学組成が変化したこれらの領域は、次の工程で専用の現像液に溶解されます。

ポジ型フォトレジスト中の感光剤DQは、光照射を受けると光化学反応を起こしてケテンとなり、さらに加水分解されてインデンカルボン酸（CA）となる。カルボン酸のアルカリ溶媒への溶解度は、フォトレジストの非感光部分の溶解度よりも約100倍高い。生成されたカルボン酸はフェノール樹脂の溶解も促進する。感光性フォトレジストと非感光性フォトレジストのアルカリ溶媒への溶解度の違いを利用することで、マスクパターンを転写することができる。

露出方法次のとおりです。

a. コンタクトプリンティング（コンタクトプリンティング）マスクはフォトレジスト層と直接接触します。

b. 近接印刷：マスクプレートとフォトレジスト層は、約10～50μmのわずかな距離で分離されます。

c. プロジェクション印刷。マスクとフォトレジストの間にレンズを使用して光を集束させ、露光を行います。

d. ステッパー

ここで特別なことを言わせてください投影露出分類：

露出における最も重要な2つのパラメータは以下のとおりです。

1. 照射エネルギー（エネルギー）

2.集中する

エネルギーと焦点距離が適切に調整されていない場合、必要な解像度とサイズのグラフィックを取得できません。これは、グラフィックの主要寸法が要求範囲を超えていることを示しています。

7.開発

露光工程後に現像液を加えることで、ポジ型フォトレジストの感光領域とネガ型フォトレジストの非感光領域が現像液に溶解します。この工程が完了すると、フォトレジスト層のパターンが浮かび上がります。解像度を向上させるため、ほぼすべての種類のフォトレジストには、高品質な現像結果を保証する専用の現像液が用意されています。

現像工程では、露光工程で形成された劣性パターンを、フォトレジストの有無にかかわらず優性パターンに変換し、これを次の工程のマスクとして使用できます。現像工程で行われるのは選択的溶解プロセスであり、最も重要なのは露光領域と未露光領域の溶解速度比（DR）です。市販のポジフィルムは、DR比が1000以上で、露光領域の溶解速度は3000nm/分、未露光領域の溶解速度はわずか数nm/分です。

現在、2つの開発方法があり、1つは湿潤開発ICやマイクロマシニングで広く使われているもう一つの乾燥現像。

a. シリコンウェハー全量浸漬現像（バッチ現像）。

デメリット：開発者の消費量が多い。開発の均一性が低い。

b. 連続スプレー現像／自動回転現像。シリコンウェハが低速（100～500rpm）で回転しながら、1つまたは複数のノズルから現像液をシリコンウェハ表面に噴霧します。ノズルの噴霧パターンとウェハの回転速度は、溶解速度の再現性とウェハごとの均一性を実現するための重要な調整パラメータです。

c. パドル現像。ウェハ表面に十分な量（ただし、裏面の湿度を最小限に抑えるため、多すぎない量）の現像液を噴霧して、パドル状の形を作ります（現像液の流れを少なくして、エッジ現像速度のばらつきを減らします）。シリコンウェハは固定するか、ゆっくりと回転させます。一般的に、現像液を複数回スピンコーティングします。1回目は塗布し、10～30秒間保持してから取り外します。2回目は塗布し、保持してから取り外します。その後、脱イオン水でリンスし（ウェハの両面からすべての化学物質を除去するため）、スピンドライします。利点：現像液の使用量が少なく、シリコンウェハの現像が均一で、温度勾配が最小限に抑えられます。

開発者：

a. ポジ型フォトレジスト現像液。ポジ型接着剤の現像液はアルカリ水溶液です。KOHとNaOHは可動イオン汚染（MIC、可動イオン汚染）を引き起こすため、IC製造では一般的に使用されません。最も一般的なポジ型ゲル現像液はテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（TMAH）です（標準当量濃度は0.26、温度は15～250℃）。Iラインフォトレジスト露光中にカルボン酸が生成されます。TMAH現像液中のアルカリと酸は現像液中の露光済みフォトレジストを中和しますが、未露光のフォトレジストには影響を与えません。化学増幅型フォトレジスト（CAR、化学増幅型レジスト）に含まれるフェノール樹脂はPHSの形で存在します。CAR中のPAGによって生成された酸はPHS中の保護基（t-BOC）を除去し、PHSがTMAH現像液に速やかに溶解できるようにします。現像プロセス全体を通して、TMAHはPHSと反応しません。

b. ネガ型フォトレジスト現像液。キシレン。洗浄液は酢酸ブチル、エタノール、またはトリクロロエチレン。

開発FAQ：

a. 現像不完全。フォトレジストが表面に残っている。現像液不足が原因。

b. 発達中。発達時間が不十分なため、発達した側壁が垂直になっていません。

c. 過剰現像。表面に近いフォトレジストが現像液によって過剰に溶解され、段差が生じる。現像時間が長すぎる。

8.ハードベイク

レジスト現像が完了すると、パターンは基本的に決定されますが、フォトレジストの特性をより安定させる必要があります。これは、硬化とも呼ばれるハードドライニングによって実現できます。この工程では、高温処理によってフォトレジスト中に残存する溶剤を除去し、フォトレジストとシリコンウェハ表面との密着性を向上させ、後続のエッチングおよびイオン注入プロセスにおけるフォトレジストの耐エッチング性を改善します。さらに、フォトレジストは高温で軟化し、高温のガラスと同様の溶融状態になります。これにより、表面張力の作用によってフォトレジスト表面が平滑化され、フォトレジスト層の欠陥（ピンホールなど）が低減され、フォトレジストパターンのエッジ形状が補正されます。

現像後、サンプル全体をO2プラズマで処理して不要な残留物を除去します。これをデスカミングと呼びます。特にネガ型接着剤、そしてポジ型接着剤の場合、現像後、元の接着剤と基板の界面に薄いポリマー層が残ります。この問題は、1μm以下の構造や、深さ対幅比が大きい構造でより深刻になります。もちろん、デスカミング処理中に残存接着剤の厚さも減少しますが、その影響はそれほど大きくありません。

最後に、エッチングやコーティングの前に、残留現像液や水分を除去するためにハードベーク処理が必要であり、現像工程中の浸透と膨張によって生じる界面の接合状態を改善するためにアニーリング処理も必要となる。同時に、接着剤の硬度が増し、エッチング耐性も向上する。ハードベーク処理の温度は一般的に120℃以上と高く、時間は約20分である。主な制約は、高温によってパターンのエッジが劣化し、エッチング後の除去が困難になることである。

方法：ホットプレート、100～1300℃（ガラス転移温度Tgよりわずかに高い）、1～2分。

目的：

a. フォトレジスト中の溶媒を完全に蒸発させる（例えば、DNQフェノール樹脂フォトレジスト中の窒素がフォトレジストの局所的な破裂を引き起こすため、後続のイオン注入環境を汚染しないようにするため）。

b. イオン注入またはエッチング中にフォトレジストが下面を保護する能力を向上させるための硬質フィルム。

c. フォトレジストとシリコンウェーハ表面との密着性をさらに向上させる。

d. 定在波効果をさらに低減する。

FAQ：

a. アンダーベーク。フォトレジストの強度（エッチング耐性およびイオン注入時のブロッキング能力）を弱め、針穴のギャップフィル能力を低下させ、基板への密着性を低下させる。

b. オーバーベーク。オーバーベークはフォトレジストの流れを引き起こし、パターン精度を低下させ、解像度を悪化させます。また、深紫外光（DUV、深紫外）を用いてフィルムを硬化させることもできます。ポジ型フォトレジスト樹脂が架橋されて薄い表面硬質シェルが形成され、フォトレジストの熱安定性が向上します。これにより、後続のプラズマエッチングおよびイオン注入（125～2000℃）工程において、フォトレジストの高温流動による解像度低下が軽減されます。

9.エッチングまたはイオン注入

エッチングは、半導体デバイス製造において、化学的手法を用いて堆積層の特定部分を選択的に除去する工程です。エッチングはデバイスの電気的性能にとって非常に重要です。エッチング工程中にエラーが発生すると、シリコンウェハは廃棄され、修復が困難になるため、厳格な工程管理が不可欠です。半導体デバイスの各層は、複数のエッチング工程を経て形成されます。

エッチングは一般的に電子ビームエッチングとフォトリソグラフィーに分けられます。フォトリソグラフィーは材料の平面度に対する要求が高く、そのため高い清浄度が求められます。一方、電子ビームエッチングは電子の波長が非常に短いため、フォトリソグラフィーよりも解像度がはるかに優れています。マスクが不要なため平面度に対する要求は高くありませんが、電子ビームエッチングは処理速度が遅く、装置も高価です。

ほとんどのエッチング工程では、ウェーハ上層の一部がエッチングされない「マスク」で保護され、層の特定部分を選択的に除去します。場合によっては、マスクの材料はフォトリソグラフィーで使用される原理と同様に、フォトレジスト材料です。また、エッチングマスクは特定の化学物質に対する耐性が必要であり、そのような「マスク」を作成するために窒化ケイ素が使用されることがあります。

イオン注入は、特定のイオンを電場中で加速し、別の固体材料に埋め込む技術的手法です。この技術を用いることで、固体材料の物理的・化学的性質を変化させることができ、現在では半導体デバイス製造や特定の材料研究において広く利用されています。イオン注入は、核変換を引き起こしたり、一部の固体材料の結晶構造を変化させたりする可能性があります。

10.フォトレジスト除去

フォトレジストの主な機能は、基板全体が化学的または機械的な処理を受けている間、フォトレジストの下にある基板部分を保護することです。したがって、上記の処理が完了したら、フォトレジストを完全に除去する必要があります。この工程は接着剤除去と呼ばれます。感光性ポリイミドなど、高温でも安定なフォトレジストのみが、中間層または緩衝層としてデバイス上に残すことができます。

処理対象表面への損傷を避けるため、低温で穏やかな化学的方法を用いるべきである。超音波を照射することで剥離性能を向上させることも可能である。既知の剥離剤の中には、腐食の問題からアルミニウムなどの金属表面には使用できないものもある。このような場合は、まずオゾンまたは酸素プラズマ（アッシング）を用いる。これらのプラズマは、アルミニウム以外の表面に対するフォトリソグラフィー剥離剤としても有効であるが、デバイス表面への損傷は依然として解決すべき課題である。

エッチングまたはイオン注入後、フォトレジストは保護層として不要となり、除去することができる。接着剤の除去方法は以下のように分類される。

濡れた接着剤の除去

有機溶媒除去：フォトレジストを除去するために有機溶媒を使用する

無機溶媒：無機溶媒を用いることで、フォトレジストに含まれる有機物である炭素元素を酸化して二酸化炭素にし、その後除去する。

ドライフォトレジスト剥離：プラズマを用いてフォトレジストを除去する

これらの主要工程に加えて、基板の厚みを薄くするために広い領域を均一にエッチングする工程や、エッジの凹凸を除去する工程など、補助的な工程もよく用いられます。一般的に、半導体チップやその他の部品を製造する際には、基板を複数回フォトリソグラフィー加工する必要があります。

上記はフォトリソグラフィーの工程です。皆さんのためにまとめてみました。間違いがあればご指摘ください。

免責事項：この記事は「半導体業界概観」からの転載です。この記事は著者の個人的な見解を示すものであり、Sacco Microおよび業界の見解を示すものではありません。転載および共有は、知的財産権の保護を支援するためのみに許可されています。転載の際は、出典と著者名を明記してください。著作権侵害が疑われる場合は、削除いたしますのでご連絡ください。

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