はじめに
スマートフォンやパソコン、AIサーバーなどに使われる半導体の中には、非常に細かな回路が作り込まれています。
しかし、シリコンウエハの上に直接ペンで回路を描くことはできません。
そこで使われるのが、リソグラフィと呼ばれる技術です。
リソグラフィは、光と感光材料を使って、シリコンウエハ上に回路パターンを転写する工程です。
この記事では、
- リソグラフィとは何か
- 露光や現像の仕組み
- フォトレジストやフォトマスクの役割
- i線・KrF・ArF・EUVの違い
- ASML・ニコン・キヤノンなどの関連企業
について、半導体初心者にもわかりやすく解説します。
リソグラフィとは？
リソグラフィとは、半導体の回路パターンをシリコンウエハ上に転写する技術です。
日本語では、一般的に写真製版技術や露光技術と説明されます。
半導体製造では、ウエハの表面に光に反応する「フォトレジスト」を塗り、その上から回路パターンに沿って光を当てます。
その後、現像液を使って必要な部分または不要な部分のレジストを取り除き、ウエハ上に回路の形を残します。
簡単に表すと、次のような流れです。
フォトレジストを塗る
↓
回路パターンに沿って光を当てる
↓
現像してレジストの形を残す
↓
エッチングやイオン注入を行う
リソグラフィは、それ自体で金属やシリコンを削る工程ではありません。
後に行われるエッチングやイオン注入のために、加工する場所と保護する場所を分ける工程です。
写真に例えるとわかりやすい
リソグラフィは、写真を撮影して現像する流れとよく似ています。
写真では、
フィルムや印画紙
↓
光を当てる
↓
現像する
↓
画像が浮かび上がる
という流れで写真が完成します。
半導体では、
フォトレジストを塗ったウエハ
↓
回路パターンに沿って光を当てる
↓
現像する
↓
回路パターンが残る
という流れになります。
つまり、フォトレジストが写真のフィルム、フォトマスクが回路の原版、露光装置が高精度な投影装置に相当します。
なぜリソグラフィが必要なのか？
半導体の回路は非常に小さいため、通常の印刷技術や機械加工では作れません。
そこで、光を使って小さな回路パターンをウエハ上に転写します。
リソグラフィによって作られる回路が細かくなるほど、同じ面積のチップに多くのトランジスタを搭載しやすくなります。
その結果、
- 半導体の高性能化
- チップの小型化
- 消費電力の低減
- 多機能化
につながります。
リソグラフィは、半導体の微細化を支える重要な製造技術の一つです。
リソグラフィの基本的な流れ
① ウエハ表面を準備する
最初に、シリコンウエハの表面へ絶縁膜や金属膜などを形成します。
この膜が、後のエッチングやイオン注入によって加工される部分になります。
また、レジストを均一に塗れるように、ウエハ表面の洗浄や水分除去も行います。
② フォトレジストを塗る
次に、ウエハ表面へフォトレジストと呼ばれる感光材料を塗ります。
フォトレジストは、光が当たることで現像液への溶けやすさが変化する材料です。
一般的には、ウエハを高速で回転させながら液状のレジストを塗る「スピンコート」が使われます。
ウエハを回転させることで、表面に薄く均一なレジスト膜を作ります。
③ プリベークを行う
レジストを塗った直後には、レジストの中に溶剤が残っています。
そのため、露光前にウエハを加熱して溶剤を減らします。
この工程は、
- プリベーク
- ソフトベーク
- PAB（Post Apply Bake）
などと呼ばれます。
プリベークを行うことで、レジスト膜を安定させ、露光や現像を正しく行いやすくします。
④ フォトマスクを使って露光する
次に、フォトマスクに描かれた回路パターンをウエハ上へ転写します。
フォトマスクは、半導体回路の原版に相当します。
露光装置の中では、光源から出た光が光学系とフォトマスクを通り、レジストを塗ったウエハ上へ投影されます。
実際の半導体製造では、回路パターンをウエハ上の決められた位置へ繰り返し転写します。
半導体露光装置は、ナノメートル単位の回路形成を支える非常に高精度な装置です。
⑤ 露光後ベークを行う
露光した後に加熱する工程を、PEB（Post Exposure Bake）と呼びます。
特にKrFやArFなどで使用される化学増幅型レジストでは、露光によって発生した酸の反応を進める役割があります。
PEBには、
- レジスト内の化学反応を進める
- 回路パターンを安定させる
- 露光によるムラを抑える
といった目的があります。
ただし、温度や時間が適切でないと、パターン寸法が変化することがあります。
⑥ 現像する
露光後のウエハを現像液に触れさせ、溶けやすくなった部分を取り除きます。
これにより、ウエハ上にレジストでできた回路パターンが残ります。
フォトレジストには、主に次の2種類があります。
ポジ型レジスト
光が当たった部分が現像液に溶けます。
露光された部分が取り除かれるため、フォトマスクのパターンに対応した形を作りやすいのが特徴です。
ネガ型レジスト
光が当たった部分が硬化し、現像液に溶けにくくなります。
光が当たらなかった部分が取り除かれます。
半導体製造では、工程や必要な性能に応じてレジストが使い分けられます。
⑦ エッチングやイオン注入を行う
現像後に残ったレジストは、ウエハを部分的に保護するマスクとして働きます。
レジストがない部分だけをエッチングで削ったり、イオン注入によって不純物を入れたりします。
その後、役割を終えたレジストを除去します。
つまり、リソグラフィの役割は、
次の工程で加工する場所を決めること
です。
リソグラフィは何度も繰り返される
半導体の回路は、一度のリソグラフィだけでは完成しません。
成膜、リソグラフィ、エッチング、イオン注入、CMPなどの工程を繰り返し、トランジスタや配線を少しずつ作っていきます。
基本的な流れは次のとおりです。
成膜
↓
レジスト塗布
↓
露光
↓
現像
↓
エッチングまたはイオン注入
↓
レジスト除去
↓
次の層を形成
この繰り返しによって、複雑な半導体回路が作られます。
リソグラフィに使われる主な材料と装置
| 材料・装置 | 役割 | 関連企業の例 |
|---|---|---|
| シリコンウエハ | 回路を作る土台 | 信越化学工業、SUMCO |
| フォトレジスト | 光に反応して回路パターンを作る | JSR、東京応化工業、富士フイルム |
| フォトマスク | 回路パターンの原版 | TOPPAN、DNP |
| レジスト塗布・現像装置 | レジストを塗布し、露光後に現像する | 東京エレクトロン、SCREEN |
| 露光装置 | 回路パターンをウエハへ転写する | ASML、ニコン、キヤノン |
| 検査・計測装置 | パターン寸法や欠陥を確認する | KLA、レーザーテック、日立ハイテク |
リソグラフィは露光装置だけで成立する工程ではありません。
材料メーカー、装置メーカー、マスクメーカー、検査装置メーカーなど、多くの企業が関わっています。
露光に使われる光の種類
半導体の微細化に伴い、露光に使用する光の波長は短くなってきました。
基本的には、光の波長が短いほど、細かな回路を形成しやすくなります。
代表的な光源は次のとおりです。
| 露光方式 | 主な波長 | 主な用途・特徴 |
|---|---|---|
| g線 | 436nm | 比較的大きな回路パターン |
| i線 | 365nm | パワー半導体、センサー、成熟プロセスなど |
| KrF | 248nm | ロジック、メモリなど幅広い用途 |
| ArF | 193nm | より微細な回路形成 |
| ArF液浸 | 193nm | レンズとウエハの間に液体を入れ、解像度を高める |
| EUV | 13.5nm | 最先端ロジックやメモリの微細層 |
| High-NA EUV | 13.5nm | より高い開口数を使う次世代EUV |
ニコンの現行ラインアップには、ArF液浸、ArF、KrFなどの露光装置があり、ArFでは波長193nmの光が使われています。
i線露光とは？
i線露光では、波長365nmの紫外線を使用します。
最先端の微細化用途だけを見ると新しい方式ではありませんが、すべての半導体に最先端露光が必要なわけではありません。
比較的大きなパターンを形成する工程や、パワー半導体、センサー、後工程など、幅広い分野で利用されています。
装置コストを抑えやすく、生産実績が豊富な点も特徴です。
KrF露光とは？
KrF露光では、波長248nmのエキシマレーザーを使用します。
i線よりも短い波長を使うため、さらに細かな回路パターンを形成できます。
ロジック半導体やメモリ半導体の製造では、すべての層に最先端のEUVを使用するわけではありません。
必要な回路寸法やコストに応じて、KrF、ArF、EUVなどを使い分けます。
ArF露光とは？
ArF露光では、波長193nmのエキシマレーザーを使用します。
KrFよりも細かなパターン形成に向いており、微細なロジック半導体やメモリ半導体の製造を支えてきました。
ArF露光には、空気中で露光するドライ方式と、レンズとウエハの間に水などの液体を入れる液浸方式があります。
ArF液浸では、液体によって光学的な解像性能を高め、より細かなパターンを形成します。ニコンは現在もArF液浸露光装置を提供しています。
EUV露光とは？
EUVとは、Extreme Ultravioletの略で、日本語では極端紫外線と呼ばれます。
EUV露光では、波長13.5nmの非常に短い光を使用します。従来のArF露光よりも短い波長を使うことで、より微細な回路パターンを形成しやすくなります。
EUVは主に、最先端のロジック半導体やメモリ半導体の重要な層で使用されます。
CPUやGPU、AI向け半導体などの高性能化を支える技術です。
EUVが難しい理由
EUV露光では、通常の露光方式とは異なる技術が必要になります。
主な理由は次のとおりです。
空気に吸収されやすい
EUV光は空気中を通過しにくいため、露光装置の内部を真空に近い状態にする必要があります。
通常のレンズを使えない
EUV光は一般的なガラスレンズを通過できません。
そのため、レンズではなく、特殊な多層膜ミラーを使って光を反射させます。
光源を作るのが難しい
EUV装置では、スズを使ったプラズマから13.5nmのEUV光を発生させます。光源、ミラー、真空制御、ステージ制御など、多数の高度な技術が必要です。
ASMLとは？
ASMLは、オランダに本社を置く半導体露光装置メーカーです。
i線、KrF、ArF液浸、EUVなどの露光技術を展開しており、特にEUV露光装置で重要な役割を持っています。
EUV装置には、
- EUV光源
- 高精度ミラー
- 真空技術
- ウエハステージ
- マスクステージ
- 計測・補正技術
などが組み合わされています。
一つの技術だけでは実現できず、多数の企業と専門技術によって成り立つ装置です。
High-NA EUVとは？
High-NA EUVは、従来のEUVよりも開口数を高めた次世代の露光技術です。
NAはNumerical Apertureの略で、日本語では開口数と呼ばれます。
一般的に、NAが高いほど、より細かなパターンを形成しやすくなります。
従来のEUV装置のNAが0.33であるのに対し、ASMLのHigh-NA EUV装置は0.55の光学系を採用しています。ASMLはHigh-NA EUVによって、従来のEUVよりも小さなパターンを1回の露光で形成できると説明しています。
ただし、High-NA EUVを導入すれば、すべての露光装置が置き換わるわけではありません。
半導体製造では、必要な回路寸法、処理能力、装置価格などに応じて、i線、KrF、ArF、EUVを使い分けます。
リソグラフィに関わる主な企業
ASML
オランダの露光装置メーカーです。
EUVやHigh-NA EUVをはじめ、ArF液浸、KrFなどの露光システムを展開しています。
ニコン
日本の露光装置メーカーです。
ArF液浸、ArF、KrFなどの半導体露光装置を提供しています。
キヤノン
日本の露光装置メーカーです。
従来型のフォトリソグラフィ装置に加え、マスクの凹凸をレジストへ押し付けてパターンを形成する、ナノインプリントリソグラフィの開発も進めています。
東京エレクトロン
フォトレジストの塗布や現像を行うコータ・デベロッパなどを提供しています。
露光装置の前後工程を支える重要な装置メーカーです。
JSR・東京応化工業・富士フイルム
露光に必要なフォトレジストや関連材料を扱う材料メーカーです。
光源や工程条件に応じて、さまざまな種類のレジストが使用されます。
リソグラフィとエッチングの違い
リソグラフィとエッチングは、混同されやすい工程です。
| 工程 | 役割 |
|---|---|
| リソグラフィ | 加工する場所を決める |
| エッチング | 実際に膜や材料を削る |
リソグラフィでレジストのパターンを作り、そのパターンをマスクとしてエッチングを行います。
料理に例えると、
- リソグラフィ：クッキーの型を置く
- エッチング：型に沿って生地を切り取る
という関係です。
リソグラフィだけでは回路は完成せず、エッチングやイオン注入などの工程と組み合わせることで、実際の半導体構造が作られます。
フォトリソグラフィとリソグラフィの違い
リソグラフィは、微細なパターンを基板へ形成する技術全体を表す言葉です。
一方、フォトリソグラフィは、光を使ってパターンを形成する方式を指します。
つまり、
フォトリソグラフィは、リソグラフィの一種
です。
半導体製造では光を使った方式が広く使われているため、「リソグラフィ」と「フォトリソグラフィ」がほぼ同じ意味で使われることもあります。
ただし、キヤノンが開発を進めているナノインプリントのように、光学的な縮小投影とは異なる方法でパターンを形成する技術もあります。
よくある質問
リソグラフィとは簡単にいうと何ですか？
光とフォトレジストを使って、シリコンウエハ上に回路パターンを転写する技術です。
次のエッチングやイオン注入で、どこを加工するか決める役割があります。
露光とリソグラフィは同じですか？
厳密には同じではありません。
露光はレジストへ光を当てる工程であり、リソグラフィはレジスト塗布、露光、現像などを含む一連の工程を指します。
フォトレジストとは何ですか？
光が当たることで、現像液への溶けやすさが変化する感光材料です。
ウエハ上に回路パターンを作るために使われます。
EUVはすべての半導体に使われていますか？
すべての半導体やすべての層に使われるわけではありません。
必要な回路寸法やコストに応じて、i線、KrF、ArF、EUVなどが使い分けられています。
リソグラフィの後は何をしますか？
現像後のレジストをマスクとして、エッチングやイオン注入を行います。
その後、レジストを取り除き、次の回路層を作ります。
まとめ
リソグラフィは、光とフォトレジストを使って、シリコンウエハ上に回路パターンを形成する技術です。
ポイントを整理すると、次のとおりです。
- リソグラフィはウエハ上に回路パターンを転写する工程
- レジスト塗布、露光、現像などの工程で構成される
- リソグラフィで加工場所を決め、エッチングやイオン注入で実際に加工する
- i線、KrF、ArF、EUVなど複数の露光方式が使い分けられる
- EUVでは波長13.5nmの光が使用される
- ASML、ニコン、キヤノンなどが露光技術に関わっている
- 材料メーカーや検査装置メーカーなど、多くの企業によって工程が支えられている
リソグラフィは、半導体の微細化と高性能化を支える重要な工程です。
リソグラフィを理解すると、フォトレジスト、露光装置、エッチングなど、半導体製造に関わる材料や装置の役割も理解しやすくなります。
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