露光装置の光源　どのような光源があるのか？波長が短いほど微細化できるのはなぜか？

この記事で分かること

露光装置の光源

　半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。

半導体の前工程とは

　半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。

主な前工程は以下の通りです。

ウェハ準備

　シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。

• スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
• 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
• 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。

成膜

　ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。

• 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。

フォトリソグラフィ

　ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。

• 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
• 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。

エッチング

　フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。

• エッチングには、液体を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。

不純物導入（ドーピング）

　半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。

• イオン注入法などが用いられます。

平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）

　表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。

• 化学的な腐食と механическая研磨を同時に行います。

配線形成（メタライゼーション）

　形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。

• スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。

これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。

露光工程とは

　露光工程は、半導体チップの微細な回路パターンをシリコンウェーハ上に「焼き付ける」工程です。フォトリソグラフィ（光による石版印刷）の中核をなし、光化学反応を利用してマスク（原版）のパターンをウェーハ上の感光性樹脂（フォトレジスト）に転写します。

　フォトマスクを通して、光源からの光（主に紫外線またはEUV）をウェーハ上のフォトレジストに照射します。光の当たった部分のみでフォトレジストが化学反応が発生します。

　ポジ型レジストの場合、光が当たった部分のフォトレジストが化学変化を起こし、現像液に溶けやすくなります。 ネガ型レジストの場合、光が当たった部分のフォトレジストが化学変化を起こし、現像液に溶けにくくなります。

　この工程の精度が、半導体デバイスの性能（速度、消費電力など）と集積度（チップあたりのトランジスタ数）を直接的に決定するため、半導体製造において最も技術的難易度が高く、かつ重要な工程の一つとされています。

露光装置の光源とは

　半導体露光装置の光源部は、フォトレジストにパターンを転写するために必要な光を生成する非常に重要なコンポーネントです。

　微細な回路パターンを形成するためには、より短い波長の光が必要とされます。以下に、主要な光源の種類とその特徴を詳しく解説します。

1. 紫外線（UV）光源

　初期の半導体製造から現在に至るまで幅広く使用されています。波長が短いほど高解像度が得られます。

a. 水銀ランプ (Mercury Lamp)

• 波長: 主に以下の特定の波長（輝線）が利用されます。
  • g線: 436 nm
  • h線: 405 nm
  • i線: 365 nm (最も広く使われる)
• 特徴:
  • 比較的安価で、装置の構造もシンプルです。
  • 主にレガシーノード（古い世代のプロセス、例: 90nm以降）や、パッケージング、MEMS、パワー半導体などの製造で現在でも広く使われています。
  • 連続スペクトルを持つため、特定の波長だけを取り出すためにフィルターが必要です。
• 適用例: i線ステッパー/スキャナー

b. エキシマレーザー (Excimer Laser)

　高出力で短波長のレーザー光を生成します。半導体の微細化を大きく推進しました。

• KrF（フッ化クリプトン）エキシマレーザー:
  • 波長: 248 nm
  • 特徴: 水銀ランプよりも大幅に短い波長で、0.25μm（250nm）から0.11μm（110nm）程度のプロセスノードに対応しました。
  • 高出力で、均一な照射が可能です。
• ArF（フッ化アルゴン）エキシマレーザー:
  • 波長: 193 nm
  • 特徴: KrFよりもさらに短い波長で、90nmプロセス以降の微細化を可能にしました。
  • 現在も主力技術の一つです。
• ArF液浸リソグラフィ (ArF Immersion Lithography):
  • 波長: 193 nm (ArFレーザーを使用)
  • 原理: レンズとウェーハの間の空間を空気ではなく、屈折率の高い液体（通常は超純水）で満たします。これにより、光の波長が液体中で実質的に短くなり、見かけ上のNA（開口数）を向上させることができます。
  • 特徴: 193nmの波長でありながら、65nmから28nm、さらには10nm台のプロセスノード（マルチパターニングと組み合わせて）まで対応可能になりました。これにより、EUVの導入が遅れた期間の微細化を支えました。
  • ASMLがこの技術で圧倒的なシェアを持っています。

2. 極端紫外線（EUV）光源 (Extreme Ultraviolet Light Source)

　現在の最先端半導体製造において、不可欠な光源です。

• 波長: 13.5 nm
• 特徴:
  • 既存のどのUV光源よりも圧倒的に短い波長であり、7nm、5nm、3nm、さらには2nmといった次世代のプロセスノードでの微細加工を可能にします。
  • 生成原理:
    • LPP（Laser-Produced Plasma）方式: 最も主流の方法。
      1. スズ液滴の生成: マイクロメートルサイズの小さなスズ（Sn）の液滴を高速で噴射します。
      2. プレパルスレーザー: まず、低出力のプレパルスレーザーを液滴に照射し、形を整え、予備的に加熱します。
      3. メインパルスレーザー: 次に、高出力のCO2レーザーを液滴に照射します。これにより、液滴が超高温のプラズマ状態になります。
      4. EUV光の放出: このプラズマが冷却される際に、13.5nmのEUV光を放出します。
  • 課題と対策:
    • 光の吸収: EUV光は空気やほとんどの光学材料で吸収されてしまうため、露光装置全体が高真空環境に保たれています。
    • 光学系: 通常のレンズは使えず、多層膜ミラー（モリブデンとシリコンを交互に多数層積層したもの）で光を反射・集光します。
    • 出力: EUV光源の出力は、半導体製造のスループット（ウェーハ処理能力）に直結するため、高出力化が常に求められています。
    • デブリ（ゴミ）: プラズマ生成時に発生するスズの微粒子（デブリ）がミラーに付着し、寿命を短縮させる課題があります。これを防ぐための高度なデブリ対策（水素ガスフローなど）が講じられています。
  • メーカー: ASMLのEUV露光装置に搭載されるEUV光源は、主にギガフォトン（日本）やサイマー（米）が製造しています。

波長が短いほど微細にできるのはなぜか

　波長が短いほど微細なパターンを形成できる理由は、主に光の回折現象（かいせつげんしょう）と、それを記述するレイリーの式という物理法則によって説明されます。

1. 光の回折現象とは

　光は波の性質を持っています。光が小さな開口部（マスクのパターンなど）を通過する際、その開口部の端で光がまっすぐ進まずに回り込んだり、広がったりする現象を「回折」と呼びます。

• 波長が長い光の場合: 波長が長い光ほど、障害物の陰に回り込みやすい性質があります。つまり、開口部を通過した後に大きく広がってしまい、くっきりとした像を結びにくくなります。
• 波長が短い光の場合: 波長が短い光は、回折の影響を受けにくい性質があります。そのため、開口部を通過してもあまり広がらずに直進し、よりシャープで鮮明な像を結ぶことができます。

　フォトリソグラフィでは、フォトマスクの微細なパターンが「開口部」として機能します。光源から出た光がマスクのパターンを通過し、レンズを通してウェーハ上のフォトレジストに投影されるわけですが、この際に回折現象が起こります。

　もし光の波長が形成したいパターンよりも長いと、回折によって光が大きく広がり、隣接するパターンとの境界がぼやけたり、細いパターンが消滅してしまったりします。

　結果として、マスクに描かれた通りの微細なパターンをウェーハに転写することができなくなります。

2. レイリーの式 (Rayleigh’s Formula)

　フォトリソグラフィにおける解像度（R、Resolution）は、以下の「レイリーの式」で定量的に表されます。

R=k1​×λ/NA

ここで、

• R (Resolution): 解像度。これは、フォトリソグラフィで転写できる最小のパターン寸法（例えば、線幅）を表します。この値が小さいほど、より微細なパターンを形成できます。
• λ (Wavelength): 露光に用いる光の波長です。
• NA (Numerical Aperture): 露光装置のレンズの開口数（光学系の性能を表す指標）です。NAが大きいほど、より多くの光を集めることができ、解像度が向上します。
• k1​ (Process Factor / Rayleigh Constant): プロセス係数またはレイリー定数と呼ばれ、フォトレジストの性能、照明方法（例：輪帯照明、四重極照明など）、光近接効果補正（OPC）などのプロセス条件に依存する定数です。この値が小さいほど、より高い解像度が得られます。理論的な下限値は0.25とされています。

この式から、R を小さくする（つまり解像度を上げる、微細化を進める）ためには、以下の3つの方法があることがわかります。

1. λ（波長）を小さくする: これが「波長が短いほど微細にできる」という理由の核心です。EUVリソグラフィが現在の最先端技術であるのは、13.5nmという極めて短い波長を利用しているためです。
2. NA（開口数）を大きくする: レンズのNAを大きくすることで、光の集光能力が高まり、回折の影響を軽減して解像度を向上させることができます。液浸リソグラフィはこのNAを実質的に向上させる技術です。
3. k1​（プロセス係数）を小さくする: これは、フォトレジストの性能向上、露光照明方法の最適化、OPCなどのソフトウェアによる補正技術によって実現されます。