露光｜フォトマスクを用いて微細パターンを転写する工程

露光

露光とは、半導体の微細パターンをウェハ上に形成するフォトリソグラフィ工程で、マスク（レティクル）に描かれた回路パターンを感光剤（フォトレジスト）へ転写するプロセスを指す。高エネルギーの光源を用い、回路の寸法や特性を正確に反映させることで、高集積かつ高性能なICの量産が可能になる。微細化技術が進むにつれ、使用される波長が短くなり、露光装置の構造やレジストの種類も高度化している。

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フォトリソグラフィ工程の概要

半導体デバイスの製造工程では、露光が回路パターンの基礎となる工程である。まずウェハ表面にフォトレジストを塗布した後、レティクルを通して紫外線などの光を照射する。続いて現像工程で不要部分を溶解除去し、デバイス形成に必要なパターンを残すという流れである。このパターンはエッチングや拡散といった次工程で形状が確定し、最終的にトランジスタや配線層となって機能する。

ステッパーとスキャナーの仕組み

露光装置として広く用いられているのが、ステッパーやスキャナーと呼ばれる縮小投影型の装置である。レティクルに描かれたパターンを縮小光学系を介してウェハ上に結像し、1ステップごとにウェハを移動させながら繰り返し転写するのがステッパー方式である。一方スキャナーは、ウェハとレティクルを同期的に走査させることで高スループットを達成する。いずれの方式も高精度のアライメントシステムを備え、数ナノメートルオーダーでの位置合わせが求められる。

光源の種類と波長

初期の半導体製造ではi線（365nm）やg線（436nm）といった比較的長波長の光源を使用していたが、微細化が進むにつれArFエキシマレーザ（193nm）やKrFエキシマレーザ（248nm）が主流となった。さらに近年はEUV（Extreme Ultraviolet）と呼ばれる13.5nmの極紫外線を利用する技術が実用化されつつある。波長が短いほどより小さなパターンを形成しやすいが、同時に装置コストやプロセス難易度が飛躍的に上昇する。

フォトレジストとプロセス制御

露光された光によって化学変化を起こす材料がフォトレジストである。ポジ型とネガ型に大別され、ポジ型レジストは光が当たった部分が溶解除去され、ネガ型はその逆で光が当たった箇所が残る仕組みになっている。超微細パターンではレジストの厚さや光の干渉、表面反射による影響が無視できず、スピンコート条件やベーク工程などを綿密に制御しなければならない。

解像度とNA（開口数）

露光の解像度はレーリ限界に大きく依存し、使用する波長と投影レンズのNA（Numerical Aperture）でほぼ決まる。NAが高いほど解像度は向上するが、レンズが大口径になり装置の複雑化やコスト増加を伴う。さらに被写界深度が浅くなるため、焦点合わせがシビアになる点も問題である。微細化の壁を突破するために、液浸露光やマルチパターン技術が積極的に活用されてきた経緯がある。

マルチパターン技術の登場

光学的な解像限界を補うため、同じウェハに複数回の露光を行うマルチパターン技術が重要となっている。例えばダブルパターニングでは、一度転写・現像したパターンに再度レジストを塗布し、別のパターンを重ね合わせる方法である。この工程を複数回繰り返すと、実質的に半分や四分の一の線幅を作り出すことが可能となり、ArFエキシマレーザを使いながらもより微細な回路を作り込める。

EUV露光の課題と展望

EUVリソグラフィは波長13.5nmという短波長を扱うことで高い解像度を狙うが、大気中での吸収が大きいため真空下での作業や反射型マスクの採用が必須となり、装置は非常に高価かつ大型化している。光源の安定性やマスク欠陥の抑制、レジストの感度など、未解決の課題も多い。一方でEUVの本格導入は次世代ノードを支えるカギとされ、多くのメーカーが投資を強化している。

プロセス統合とメトロロジ

最新の半導体製造ラインでは、露光工程だけでなく、直後の検査やアライメント調整、欠陥マップ解析といったメトロロジ（計測）ステップが密接に組み合わされている。インライン検査装置と露光装置間でデータを連携させ、異常があればすぐにプロセス条件を修正できるよう設計されている。このようなプロセスインテグレーションが進むほど、歩留まり改善と迅速なトラブルシュートが実現し、高性能製品の量産が可能になる。