ネガ型レジストの原理と適した用途を解説

ネガ型レジストは、露光部が硬化して残るタイプのフォトレジストです。ポジ型レジストとは逆の挙動を示し、厚膜形成や高アスペクト比パターンの形成に適した特性を持っています。

本記事では、ネガ型レジストの原理、特徴、ポジ型との違い、適した用途について解説します。

ネガ型レジストとは

ネガ型レジストは、光や紫外線を照射された部分（露光部）が化学反応により硬化し、現像後も基板上に残るタイプのフォトレジストです。マスクの遮光部に対応する領域（未露光部）が現像液に溶解して除去されるため、マスクパターンの「ネガ像」が基板上に形成されます。

この名称は、写真のネガフィルムと同様に、明暗が反転したパターンが得られることに由来しています。露光によって架橋反応や重合反応が進行し、溶解性が低下するという化学的特性がネガ型レジストの基本的な動作原理となっています。

ネガ型レジストの原理

ネガ型レジストの動作原理は、露光による化学反応で高分子の架橋構造が形成され、現像液に対する溶解性が低下することにあります。この反応メカニズムは、使用される感光性材料によっていくつかのタイプに分類されます。

光架橋型

光架橋型は、露光により高分子鎖同士が架橋結合を形成するタイプです。架橋が進むと三次元的な網目構造が生成され、現像液に溶解しにくくなります。比較的古くから使用されている方式で、環化ゴム系レジストなどがこのタイプに該当します。

光重合型

光重合型は、露光によりモノマーが重合反応を起こし、高分子化するタイプです。光開始剤が紫外線を吸収してラジカルを生成し、このラジカルがモノマーの重合を開始します。厚膜レジストに多く採用されている方式です。

化学増幅型

化学増幅型ネガレジストは、露光により酸発生剤から酸が生成され、この酸が触媒となって架橋反応を促進するタイプです。少量の光で多くの架橋反応を誘発できるため、高感度が得られます。露光後にベーク（加熱処理）を行うことで反応が進行するのが特徴です。

ネガ型レジストの特徴

ネガ型レジストには、ポジ型レジストとは異なるいくつかの特徴があります。用途や要求特性に応じて、これらの特徴を理解した上で選定することが重要です。

厚膜形成に適している

ネガ型レジストは、一般的に厚膜形成に適した特性を持っています。高粘度の材料を用いることで、数十μmから数百μmの膜厚を実現できる製品もあります。MEMSやパッケージング分野では、この厚膜形成能力が重要な選定要因となります。

基板への密着性が高い

架橋構造の形成により、ネガ型レジストは基板への密着性に優れる傾向があります。後工程でのめっき処理やエッチング処理において、レジストの剥がれやアンダーカットを抑制できる場合があります。

耐薬品性・耐熱性に優れる

架橋構造を持つネガ型レジストは、一般的に耐薬品性や耐熱性に優れています。めっき液や各種プロセス薬液に対する耐性が求められる用途では、この特性が有利に働きます。

膨潤の影響を受けやすい

ネガ型レジストは、現像時に未露光部だけでなく露光部も現像液を吸収して膨潤する傾向があります。この膨潤により、微細パターンの解像性が低下したり、パターン寸法が変動したりすることがあります。微細パターン形成においては、この点を考慮した条件設定が必要です。

ポジ型レジストとの違い

ネガ型レジストとポジ型レジストは、露光に対する応答が逆であるだけでなく、特性面でもいくつかの違いがあります。

パターン形成の違い

ポジ型レジストは露光部が現像液に溶解するため、マスクの透過部に対応する領域が除去されます。一方、ネガ型レジストは露光部が残るため、マスクの遮光部に対応する領域が除去されます。同じマスクを使用しても、得られるパターンは互いに反転した形状となります。

解像性の違い

一般的に、ポジ型レジストの方が高解像性を実現しやすいとされています。これは、ネガ型レジストでは膨潤の影響や、露光部のエッジでの架橋反応の広がりがパターン精度に影響を与えるためです。ただし、化学増幅型ネガレジストの進歩により、高解像性を実現する製品も開発されています。

膜厚の違い

ネガ型レジストは厚膜形成に適しており、数十μm以上の膜厚を実現できる製品が多くあります。一方、ポジ型レジストは薄膜での高解像パターン形成に適した製品が多く、一般的な膜厚は数μm程度です。用途に応じた膜厚要件によって、使い分けが行われます。

プロセス特性の違い

ネガ型レジストは耐薬品性・耐熱性に優れる傾向があり、後工程でのプロセス耐性が求められる用途に適しています。ポジ型レジストは剥離性に優れる傾向があり、パターン形成後にレジストを除去する工程がある用途に適しています。

まとめ

1. ネガ型レジストは露光部が硬化して残るタイプで、架橋反応や重合反応により溶解性が低下する
2. 光架橋型、光重合型、化学増幅型など、反応メカニズムによって複数のタイプが存在する
3. 厚膜形成、高密着性、耐薬品性に優れる一方、膨潤による解像性への影響に注意が必要である
4. ポジ型レジストとは露光応答が逆であり、解像性や膜厚特性にも違いがある
5. MEMSやめっき工程など、厚膜やプロセス耐性が求められる用途で多く使用される