露光装置の種類｜半導体工程を支える中核的生産装置

露光装置の種類

半導体製造工程で欠かせない技術の一つにフォトリソグラフィがある。フォトリソグラフィではシリコンウェハ上のフォトレジスト層にパターンを転写するが、その転写を実行する際に用いられるのが露光装置である。これらの装置は微細な回路を形成するうえで高い解像度と精度が求められ、同時に生産性やコスト、歩留まりなどの面でも大きな役割を果たす。

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露光装置の種類

コンタクト式露光装置

コンタクト式とは、ウェハ上のフォトレジストに転写したいパターンが刻まれたマスクを直接接触させ、紫外線などの光源を照射する方式の露光装置である。接触式のためマスク上のパターンがほぼそのまま転写され、非常に高精度な露光が期待できる。しかしマスクとウェハが接触することで物理的なダメージや汚染が発生しやすく、マスクの寿命にも影響が及ぶ。この方式は歴史的に最も早期から利用されてきたが、微細化が進むにつれてマスクの保護と歩留まり向上のために、より非接触な方式への移行が主流となった。

プロキシミティ式露光装置

プロキシミティ式はコンタクト式と異なり、マスクとウェハを極めて近距離に配置しながらも直接は接触させない露光装置である。接触しない分、汚染リスクや物理的損傷を軽減できるが、わずかな隙間による回折や波面変形が生じやすく、高い解像度を得にくいという課題があった。そのため微細なパターンの量産を想定する現代の半導体工程ではあまり主流ではないが、比較的簡易なパターン形成や小規模な試作などには引き続き利用されている。

プロジェクション式露光装置

プロジェクション式はマスクとウェハの間に投影レンズを挟み、レンズ系でパターンを縮小投影する露光装置である。マスクのパターンがレンズを通して投影されるため、非接触かつ高精度な露光が可能となり、微細化の要望に応える技術として急速に普及した。マスクを拡大したレチクルを用い、光学系の補正を加えることで高い解像度を維持しながら大面積のウェハに露光できる点が特徴である。一方、レンズ系のコストや光学性能の維持、光源強度など、装置開発には高度な技術を要する。

ステッパー

ステッパーはプロジェクション式の一種であり、ウェハ上の各ダイ（チップ領域）に対してステップ単位で順次露光を行う露光装置である。通常は一回の露光で単一あるいは複数ダイを写し込み、ウェハをステージ上で微細に移動させながら全ダイにパターンを転写する。ウェハごとの露光範囲が狭いため、極めて高いレンズ精度とアライメント（位置合わせ）が要求される一方、各ダイを繰り返し露光するため量産性とのバランスをとりやすい。ステッパーの出現により、サブミクロン領域の回路パターン形成が一気に進展した。

スキャナー

スキャナーはステッパーの発展形であり、投影レンズ下でマスクとウェハを同期して動かしながら露光を行う方式の露光装置である。マスク側とウェハ側を逆方向に動かして露光領域をスキャンすることで、単位時間あたりの露光面積を大きく確保できる利点がある。さらにスキャン時のレンズ利用効率や照射均一性の向上により、高い解像度とスループットを両立することが可能となった。最先端の微細化工程ではスキャナー方式が主流であり、解像度を示すNA（開口数）の向上や液浸技術との組み合わせで、数nmのパターン形成が現実化している。

電子ビームによる直接描画装置

電子ビームによる直接描画装置は、マスクを使用せずに電子ビームを直接フォトレジストに照射し、回路パターンを描画する方式の露光装置である。マスク設計のコストや時間を省けるため、試作段階や低ボリューム生産などに向いている。一方、電子ビームはフォトレジストに対する感度が低い場合があり、また並列処理が難しく書き込み速度が遅いという課題がある。微細化要求が厳しい工程では電子ビームの高解像度が魅力となるが、量産を支えるには依然としてプロジェクション系の方が優勢である。

EUV露光装置

EUV（Extreme Ultraviolet）露光は波長13.5nm帯の極紫外線を用いる最新鋭の露光装置である。従来の深紫外線（DUV）より大幅に短い波長を用いることで、理論的にはさらなる微細化が可能とされる。一方、極紫外線は大気中を透過しにくく、装置内部を真空環境にする必要があるうえ、反射鏡を含む光学系の製造も非常に困難であり、装置コストが高騰している。それでも半導体の微細化を推進するうえで最有力の技術として期待され、多くの大手メーカーがEUV対応ラインを本格運用している。

世界で最も複雑な装置の開発競争https://t.co/nKyGNeuTWb
オランダのASMLで稼働を開始した半導体露光装置はAIに特化した次世代チップの生産に必須。
集積度上げるのに光の波長が短い必要あるから極端紫外線を使う。いまのところASMLのみだが他のメーカーも次世代露光装置を開発中という話

— ゆきまさかずよし (@Kyukimasa) March 16, 2025

マスクレス露光

マスクレス露光とは、従来のように固定的なパターンが描かれたマスクを使用せず、可変な光学デバイスを用いてパターンを直接生成する技術である。代表的な方式として、DMD（Digital Micro-mirror Device）を利用した手法が挙げられる。これは無数の小型ミラーを動的に制御することで、光のオン・オフを瞬時に切り替え、必要なパターンを形成する仕組みである。マスク作製コストを削減できるため試作などで大きな利点があり、デザインを変更する場合でもソフトウェア上のパターン修正だけで対応可能である。一方で、単位面積あたりの露光速度や解像度が従来のマスク投影方式に比べて劣る場合が多いため、大量生産ラインへの本格導入には光源出力や装置の並列化などの技術的課題を克服する必要がある。またDMDデバイスの耐久性や、大面積に対して一様な照射を実現するための光学設計も重要なポイントとなる。しかし試作や小ロット生産、研究機関向けの特殊パターン作成など、用途次第では従来方式にない柔軟性が強みになり得る。

ホログラフィー

ホログラフィーを露光に応用する試みは、レーザー干渉を利用して非常に細かなパターンを生成できる可能性を示唆する。基本原理は、2つ以上のレーザービームを干渉させて形成される光の明暗パターンをフォトレジスト上に記録し、微細な構造を作り出すというものである。従来のレンズを使用しない方法であり、マスク作製も不要となるため、極めて高解像度なパターン形成や三次元構造の作製にも応用が期待される。ただし、干渉によるパターンは単純な周期構造が主となる場合が多く、複雑なIC回路の描画には追加の工程や複数の干渉パターンを組み合わせる工夫が不可欠となる。また、振動や温度変化などに対して非常に敏感であり、装置全体を安定した環境下で運用する必要がある。加えて、光源のコヒーレンス特性やビーム整形の精度など、実用化にはハードルが高い課題も残されている。それでも非接触かつ大面積にわたる微細パターン生成という観点では有望な技術であり、研究機関や特殊用途でのニーズに応じて開発が進められている。