1.3 フォトリソグラフィー

フォトリソグラフィーは、フォトリソグラフィーとも呼ばれ、マイクロエレクトロニクス用の集積回路の製造に端を発している。フォトリソグラフィーは、シリコンなどの基材にフォトレジストを塗布し、マスクを通してエネルギービームにより高い究極分解能で露光する原理で、半導体構造やデバイス、集積回路の微細構造を製造するための重要なプロセス技術である。エッチングなどの手法で被加工材に構造物を形成する。フォトリソグラフィーの工程は、一般に、原画の制作、リソグラフィー、基板の前処理、フォトレジスト層のコーティング、プリベーク、露光、現像を含む。シャドーイング、膜硬化、エッチング、デボンディングなど。

1.4 エッチング技術

エッチングは通常、等方性エッチングと異方性エッチングに分けられる。等方性エッチングでは、高さが数ミクロン程度の任意の横方向の形状を持つ微細構造を製造することができ、平面構造の製造に限定される。異方性エッチングでは、アスペクト比が大きく、深さが数百ミクロンまでの3次元空間構造の製造が可能です。

(1) 化学異方性エッチング

化学エッチングは、結晶方位に依存した速度で材料をエッチングすることができる、独特の横方向のアンダーエッチング特性を有しています。単結晶シリコンは、結晶方位が異なる結晶面を持ち、アルカリ溶液中では、結晶面間のエッチング速度に大きな違いがあります。シリコンのドーピングを制御することで、非常に効果的なエッチングストップ層を導入し、エッチングが行われないようにすることで、微細構造作製のための選択的なエッチングを可能にします。

(2) イオンビームエッチング

また、イオンビームエッチングは、集束イオンビームエッチングと反応性イオンビームエッチングに分けられます。集束イオンビームエッチングは、サブミクロン径のビームをA/cm2オーダーのイオン密度で生成するため、ワークの表面を直接エッチングでき、ビーム密度とエネルギーを精密に制御することが可能です。入射イオンの運動量を被加工材表面の原子に伝達することで、被加工材表面を原子単位でエッチングし、ナノスケールの製造精度を実現する。反応性イオンビームエッチングは、物理化学反応によるエッチング法である。反応性ガスのイオンビームをワークピース表面に照射し、その反応により揮発性が高く、イオンの運動エネルギーで処理しやすい生成物を形成し、反応性ガスのイオンビームをスパッタリングすることでエッチングを行うものである。サブミクロン単位の微細加工技術である。

(3) レーザーエッチング

レーザーエッチングは通常、YAGレーザーとエキシマレーザーを用いて行われる。エキシマレーザーは、波長が短く、焦点径が小さく、パワースペクトル密度が高く、冷光源であることから、最も有望なレーザー光源です。最も一般的に使用されているエキシマレーザーは、フッ化アルゴンエキシマレーザーとフッ化キセノンエキシマレーザーです。

フッ化アルゴンエキシマレーザーから発生する遠紫外線レーザービームは、プラスチックなどの高分子硬質材料を、極めて細い線でエッチングするだけでなく、ビームが集光された材料の周囲に熱が拡散して焦げ付くこともなく、発熱もなくエッチングする。材料がエッチングされるのは、レーザービームの放射強度による直接的な結果ではなく、レーザー放射が高分子原子間の化学結合を切断し、非常に低い温度で気化して小さな分子を生成する結果である。

そして、これらの小さなディビジョンエキシマレーザーは、レーザーパルスの余分な熱を奪ってくれる。エキシマレーザーは、波長193nmの遠紫外線を、繰り返し周波数1Hz以上、パルス幅12nsで発生させます。 1パルスで数ミクロンの溝をエッチングすることができます。このレーザーパルスで、素材を1層ずつ剥がし、細い線にエッチングすることができます。

フッ化キセノンエキシマレーザーの波長は300nmである。 エッチング工程は、塩素ガス中に置かれたシリコンウエハにレーザー照射を行い、塩素分子が分解して塩素原子になると同時に、レーザー照射を受けたシリコンウエハ上の電子が塩素原子に付着して負に帯電した塩素イオンが生成し、これが正に帯電したシリコン原子と化学反応を起こして四塩化シリコンの揮発ガスとなって反応器に通され、このガスが四塩化ケイ素を除去し、新鮮な塩素ガスを供給することで、シリコンウエハを腐食させ、フォトレジストを必要とせず、所望の画像を得ることができます。