半導体製品の製造には、数百もの工程が必要です。製造工程全体を8つのステップに分けます。ウェハープロセス処理-酸化-フォトリソグラフィー-エッチング-薄膜堆積-エピタキシャル成長-拡散-イオン注入。
半導体および関連プロセスを理解し、認識していただくために、各号でWeChatの記事を配信し、上記の手順を一つずつご紹介していきます。
前回の記事では、ウェハー様々な不純物から酸化膜が形成される――酸化プロセス。本日は、形成された酸化膜上に半導体設計回路を撮影する「フォトリソグラフィープロセス」について解説します。
フォトリソグラフィープロセス
1. フォトリソグラフィープロセスとは何ですか？
フォトリソグラフィーは、チップ製造に必要な回路や機能領域を作製するための技術である。
フォトリソグラフィ装置から発せられる光は、パターンが刻まれたマスクを通してフォトレジストを塗布した薄膜を露光するために使用されます。フォトレジストは光を受けると性質が変化するため、マスク上のパターンが薄膜に転写され、薄膜は電子回路図としての機能を持つようになります。これがフォトリソグラフィの役割であり、カメラで写真を撮るのと似ています。カメラで撮影した写真はフィルムに印刷されますが、フォトリソグラフィは写真ではなく、回路図やその他の電子部品を刻み込むのです。
フォトリソグラフィーは精密なマイクロ加工技術である。
従来のフォトリソグラフィーは、波長2000～4500オングストロームの紫外線を画像情報キャリアとして使用し、フォトレジストを中間（画像記録）媒体として使用してグラフィックの変換、転送、処理を行い、最終的に画像情報をチップ（主にシリコンチップ）または誘電体層に伝達するプロセスです。
フォトリソグラフィーは現代の半導体、マイクロエレクトロニクス、情報産業の基盤であり、これらの技術の発展レベルを直接的に決定づける技術であると言える。
1959年の集積回路の発明成功以来60年以上が経過し、その描画線幅は約4桁縮小され、回路集積度は6桁以上向上した。これらの技術の急速な進歩は、主にフォトリソグラフィーの発展によるものである。
（集積回路製造の様々な開発段階におけるフォトリソグラフィ技術の要求事項）
2. フォトリソグラフィーの基本原理
フォトリソグラフィー材料は一般的にフォトレジストと呼ばれ、フォトリソグラフィーにおいて最も重要な機能材料です。この種の材料は、光（可視光、紫外線、電子ビームなど）に反応する特性を持ち、光化学反応後、溶解度が大きく変化します。
ポジ型フォトレジストは現像液への溶解度が高まり、得られるパターンはマスクと同じになります。一方、ネガ型フォトレジストは現像液に露光すると溶解度が低下したり、不溶性になったりするため、得られるパターンはマスクとは逆になります。2種類のフォトレジストは用途が異なり、ポジ型フォトレジストの方が広く使われており、全体の80%以上を占めています。
上記はフォトリソグラフィープロセスの概略図である。
（１）接着：
すなわち、シリコンウェハ上に均一な厚さ、強い密着性、欠陥のないフォトレジスト膜を形成することである。フォトレジスト膜とシリコンウェハ間の密着性を向上させるため、多くの場合、まずヘキサメチルジシラザン（HMDS）やトリメチルシリルジエチルアミン（TMSDEA）などの物質でシリコンウェハの表面を修飾する必要がある。その後、スピンコーティングによってフォトレジスト膜を作製する。
（２）予備焼成：
スピンコーティング後、フォトレジスト膜には一定量の溶剤が残存する。高温でベーキングすることで、溶剤の除去量を最小限に抑えることができる。プレベーキング後、フォトレジストの含有量は約5%まで減少する。
（３）暴露：
つまり、フォトレジストに光を照射すると、光反応が起こり、照射された部分と照射されていない部分との間で溶解度の差が生じる。
（４）開発と強化：
製品は現像液に浸されます。このとき、ポジ型フォトレジストの露光領域とネガ型フォトレジストの非露光領域が現像液に溶解し、立体的なパターンが形成されます。現像後、チップは高温処理によって硬質膜となり、主にフォトレジストと基板との密着性をさらに向上させる役割を果たします。
（５）エッチング：
フォトレジストの下の材料はエッチングされます。これには、液体を用いたウェットエッチングと気体を用いたドライエッチングがあります。例えば、シリコンのウェットエッチングにはフッ化水素酸の酸性水溶液が用いられ、銅のウェットエッチングには硝酸や硫酸などの強酸溶液が用いられます。一方、ドライエッチングでは、プラズマや高エネルギーイオンビームを用いて材料表面を損傷させ、エッチングすることがよくあります。
（６）脱ガム：
最後に、レンズ表面からフォトレジストを除去する必要があります。この工程は脱ガムと呼ばれます。
半導体製造において、安全性は最も重要な課題です。チップのリソグラフィ工程で使用される主な危険で有害なフォトリソグラフィガスは以下のとおりです。
1. 過酸化水素
過酸化水素（H2O2）は強力な酸化剤です。直接接触すると、皮膚や目に炎症や火傷を引き起こす可能性があります。
2. キシレン
キシレンは、ネガ型リソグラフィーで使用される溶剤および現像剤です。可燃性で、融点はわずか27.3℃（室温付近）と低く、空気中の濃度が1～7%になると爆発します。キシレンに繰り返し接触すると、皮膚炎を引き起こす可能性があります。キシレン蒸気は、飛行機のスプレー缶のような甘い匂いがします。キシレンに曝露すると、目、鼻、喉の炎症を引き起こす可能性があります。ガスを吸入すると、頭痛、めまい、食欲不振、倦怠感を引き起こす可能性があります。
3. ヘキサメチルジシラザン（HMDS）
ヘキサメチルジシラザン（HMDS）は、製品表面へのフォトレジストの密着性を高めるためのプライマー層として最も一般的に使用されています。可燃性で、引火点は6.7℃です。空気中の濃度が0.8%～16%になると爆発性があります。HMDSは水、アルコール、鉱酸と強く反応してアンモニアを放出します。
4. テトラメチルアンモニウムヒドロキシド
テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（TMAH）は、ポジ型リソグラフィーの現像剤として広く用いられています。毒性と腐食性があり、飲み込んだり皮膚に直接触れたりすると致命的な場合があります。TMAHの粉塵やミストに触れると、目、皮膚、鼻、喉に炎症を引き起こす可能性があります。高濃度のTMAHを吸入すると死に至ります。
5. 塩素とフッ素
塩素（Cl2）とフッ素（F2）は、エキシマレーザーにおいて深紫外線および極端紫外線（EUV）光源として使用されます。どちらのガスも有毒で、淡緑色をしており、強い刺激臭があります。高濃度のガスを吸入すると死に至ります。フッ素ガスは水と反応してフッ化水素ガスを生成することがあります。フッ化水素ガスは強酸であり、皮膚、目、呼吸器を刺激し、火傷や呼吸困難などの症状を引き起こす可能性があります。高濃度のフッ素は人体に中毒症状を引き起こし、頭痛、嘔吐、下痢、昏睡などの症状を引き起こす可能性があります。
6. アルゴン
アルゴン（Ar）は不活性ガスであり、通常は人体に直接的な害を及ぼすことはありません。通常の状態では、人が呼吸する空気中に約0.93%のアルゴンが含まれていますが、この濃度では人体に明らかな影響はありません。しかし、場合によってはアルゴンが人体に害を及ぼすこともあります。
考えられる状況としては、密閉空間ではアルゴンの濃度が上昇し、空気中の酸素濃度が低下して低酸素症を引き起こす可能性があります。これにより、めまい、疲労感、息切れなどの症状が現れることがあります。また、アルゴンは不活性ガスですが、高温高圧下では爆発する可能性があります。
7. ネオン
ネオン（Ne）は、安定した無色無臭の気体で、人間の呼吸過程には関与しません。そのため、高濃度のネオンガスを吸入すると低酸素症を引き起こします。低酸素症の状態が長時間続くと、頭痛、吐き気、嘔吐などの症状が現れることがあります。また、ネオンガスは高温高圧下で他の物質と反応し、火災や爆発を引き起こす可能性があります。
8. キセノンガス
キセノンガス（Xe）は、安定した無色無臭のガスであり、人間の呼吸過程には関与しないため、高濃度のキセノンガスを吸入すると低酸素症を引き起こします。低酸素症の状態が長時間続くと、頭痛、吐き気、嘔吐などの症状が現れることがあります。また、キセノンガスは高温高圧下で他の物質と反応し、火災や爆発を引き起こす可能性があります。
9. クリプトンガス
クリプトンガス（Kr）は、安定した無色無臭のガスで、人間の呼吸過程には関与しないため、高濃度のクリプトンガスを吸入すると低酸素症を引き起こします。長時間低酸素状態が続くと、頭痛、吐き気、嘔吐などの症状が現れることがあります。また、キセノンガスは高温高圧下で他の物質と反応して火災や爆発を引き起こす可能性があります。酸素欠乏環境で呼吸すると低酸素症を引き起こすことがあります。長時間低酸素状態が続くと、頭痛、吐き気、嘔吐などの症状が現れることがあります。また、クリプトンガスは高温高圧下で他の物質と反応して火災や爆発を引き起こす可能性があります。
半導体産業向け有害ガス検知ソリューション
半導体産業では、可燃性、爆発性、有毒、有害ガスの生産、製造、加工が行われます。半導体製造工場でガスを使用するすべての従業員は、使用前に様々な危険ガスの安全データシートを理解し、ガス漏れが発生した場合の緊急対応手順を把握しておく必要があります。
半導体産業の生産、製造、保管においては、これらの有害ガスの漏洩による人命や財産の損失を回避するために、対象ガスを検知するガス検知器を設置する必要がある。
ガス検知器は、今日の半導体産業において不可欠な環境モニタリング機器となっており、最も直接的なモニタリングツールでもある。
理研計器は、半導体製造業界の安全な発展に常に注力し、人々の安全な作業環境を創造するという使命のもと、半導体業界に適したガスセンサーの開発に尽力し、ユーザーが直面する様々な問題に対する合理的な解決策を提供するとともに、製品機能の向上とシステムの最適化を継続的に行っています。
投稿日時：2024年7月16日