半導体の微細化が限界領域に迫る中、露光工程の精度と安定性を支えるフォトレジストの重要性がかつてないほど高まっています。感光性材料としての役割にとどまらず、パターン形成能やエッチング耐性など、複数の機能を高度に両立させる必要があるフォトレジストは、まさにリソグラフィー技術の進化とともに進化を続けてきました。

本稿では、フォトレジストの基本原理と特性に加え、日本メーカーが圧倒的シェアを誇る市場構造、さらには次世代技術であるEUV対応材料の開発動向まで、業界の現状と今後を多角的に掘り下げていきます。

フォトレジストとは

フォトレジストは、半導体の微細加工工程において不可欠な材料のひとつであり、露光工程でウェーハ表面に回路パターンを転写する際に使用される感光性の樹脂膜です。液状の樹脂としてシリコンウェーハ上にスピンコートされ、フォトマスク越しに光を照射することで化学反応を起こし、光を受けた領域とそうでない領域に差を生じさせます。この差によって、現像液に対する溶解性が変化し、所定の回路パターンを正確に形成することが可能になります。

このパターンが形成された後は、残されたレジストがエッチング工程における耐食性マスクとして機能し、基板への回路構造の転写が完了します。高集積・高精度が要求される現代の半導体製造では、フォトレジストに対しても極めて高い性能が求められています。

フォトレジストに求められる4つの基本特性

最先端の微細加工技術において、フォトレジストには以下のような明確な性能要件があります。

まず塗布性です。ウェーハ表面に膜厚の均一な薄膜を形成できることが前提であり、通常はスピンコート法によって成膜されます。膜厚はプロセスによって異なりますが、一般に数百ナノメートルから数マイクロメートルの範囲に収められます。

第二に求められるのが感光性です。露光時に使用される特定波長の光に対して十分な反応性を持ち、同時に適度な透明性も必要です。光を受けた領域では、ポリマー構造が変化し、現像液に対して選択的に溶解性が変わることで、パターン形成の基礎が築かれます。

三点目はパターン形成能です。光の照射像に対して忠実なエッジと分解能で反応部が形成され、マスクイメージに忠実な構造を再現できる必要があります。レジスト材料の反応性・解像性・コントラストの最適化が求められます。

最後に重要なのがエッチング耐性です。レジストはパターン形成後も、プラズマエッチングなどの高エネルギー環境下に晒されるため、下層の基板を守る役割を果たさねばなりません。したがって、熱・物理・化学的な耐性を備える必要があります。

日本企業が9割のシェアを握る市場構造

フォトレジストの市場は、極めて寡占的な構造を持っており、JSR、東京応化工業、信越化学工業、住友化学、富士フイルムの5社で世界シェアの約9割を占めています。2019年時点の市場シェアでは、JSRが27%、東京応化工業が24%、信越化学工業が17%、住友化学が14%、富士フイルムが10%と、日本企業が技術面・供給面で世界をリードする構図となっています。

このような背景には、日本企業が長年にわたり光源の波長変化（i線、KrF、ArF、EUVなど）に合わせて材料開発を積み重ねてきた技術的蓄積と、フォトマスクや現像液との連携設計における高い統合力があります。

EUVリソグラフィーの登場と市場の再構築

従来の光リソグラフィーから、次世代のEUV（極端紫外線）リソグラフィーへの移行は、フォトレジスト市場にも大きなインパクトを与えています。EUVでは、これまで複数工程を必要としていた回路形成が、1回の露光で完結するケースもあり、それに伴ってレジストの使用量が相対的に抑制される可能性があると指摘されています。

一方で、EUV用フォトレジストは光源の波長が13.5nmと極端に短いため、これまでのArF用とはまったく異なる材料設計と堆積制御技術が求められます。2019年時点では、東京応化工業、JSR、信越化学工業がこの分野の開発を牽引しており、今後は各社のEUV対応技術への研究開発投資が、業界勢力図を左右する重要な要素となるでしょう。

実際、EUV用フォトレジストの市場は2027年において販売量3万5000リットル、前年比90%増の売上高が見込まれており、新たな成長セグメントとして注目を集めています。

まとめ

フォトレジストは単なる感光材料ではなく、回路形成の精度、工程数、歩留まり、さらには将来的なスケーリングの限界をも左右する戦略的な要素です。露光技術の進化とともに、フォトレジストもまた革新を求められており、とりわけEUVへの適応は次世代製造のボトルネックともなり得る分野です。

日本勢が世界シェアの大部分を維持している現状は、国内化学技術の優位性を証明するものであると同時に、今後も先端リソグラフィーと密接に連動しながら、その中核材料として市場を牽引し続けることが求められています。