露光装置　露光工程とは何か？なぜ重要なのか？

この記事で分かること

露光装置

　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。

　今回はフォトリソグラフィの露光工程、露光装置の概要の解説となります。

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。

露光装置にはどのようなものがあるのか

　現在の最先端半導体製造では、主に以下の2種類の露光装置が使用されています。現在の最先端ロジックLSIやDRAMの製造では、EUVスキャナーが主流となっています。

ステッパー (Stepper)

　マスクのパターンを「ステップ・アンド・リピート」方式でウェーハに露光します。つまり、一つのショット領域（チップ領域）を露光し、次のショット領域へウェーハを移動させてから再び露光する、という繰り返しです。

　露光範囲は比較的小さく、一度に一つのチップまたは数個のチップ分を露光します。レンズ全体を使うため、レンズの歪みの影響を受けやすいという側面もあります。

スキャナー (Scanner)

　マスクとウェーハを同期して動かしながら、細長いスリット状の光で「スキャン」するように露光します。

　広範囲を一度に露光できるため、生産性が高いです。レンズのごく一部（歪みの少ない中心部分）のみを常に使用するため、高解像度かつ均一なパターン形成が可能です。

露光装置はどのような構造なのか

　半導体製造における露光装置は、回路パターンをウェーハに転写する「心臓部」ともいえる装置です。その構成は非常に複雑かつ精密であり、微細化の進展とともに技術的な要求はさらに高まっています。露光装置は、大きく以下の3つの主要なサブシステムで構成されています。

1. 光源部 (Light Source Unit)

　露光に用いる光を生成する部分です。波長が短ければ短いほど、より微細なパターンを形成できます。

• UV光源 (i線, KrF, ArF):
  • 水銀ランプ (i線: 365nm): 比較的古い世代の露光装置で使用されます。
  • エキシマレーザー (KrF: 248nm, ArF: 193nm): 高出力のレーザー光を生成します。半導体製造の主流として長く使われてきました。
    • ArF液浸リソグラフィ: ArFレーザーの光とウェーハの間に純水などの液体を満たすことで、レンズの実質的な開口数（NA）を上げ、解像度を向上させます。
• EUV光源 (Extreme Ultraviolet: 13.5nm):
  • 現在の最先端半導体製造（7nm、5nm、3nmプロセスなど）で不可欠な光源です。
  • LPP (Laser-Produced Plasma) 方式: 非常に小さなスズ（Sn）の液滴に強力なレーザー光を照射し、プラズマを発生させることで13.5nmのEUV光を生成します。この光は、多層膜ミラーで集光されます。
  • EUV光は空気中で吸収されるため、EUV露光装置全体が真空環境に保たれている必要があります。

2. 光学系 (Optical System)

　光源から発せられた光を整形し、フォトマスクのパターンをウェーハに正確に投影する部分です。

• 照明光学系 (Illumination Optics):
  • 光源からの光を均一に拡散させ、フォトマスク全面を均一な強度で照射するためのレンズやミラーの組み合わせです。
  • コンデンサーレンズ: 光源からの光を集光します。
  • フライアイレンズ: 光を均一に分割し、照明強度分布を均一にします。
  • アパーチャ（絞り）: 照明光の形状やコヒーレンス（波のそろい具合）を調整し、解像度や焦点深度を最適化します。
  • EUV露光装置では、レンズではなく多層膜ミラー（モリブデンとシリコンを交互に多数層積層したもの）が使用されます。これは、EUV光が通常のレンズガラスを透過しないためです。
• 投影光学系 (Projection Optics):
  • フォトマスクを透過（または反射）した光をウェーハ上に縮小投影するための高精度なレンズ（またはミラー）システムです。
  • 複数のレンズ（ミラー）群: 複雑な形状と配置で構成されており、光の収差（歪み）を極限まで補正し、微細なパターンを高解像度でウェーハに結像させます。
  • NA（開口数）: 投影レンズのNAが大きいほど、高解像度が得られます。
  • EUV露光装置では、全て反射型ミラーで構成されています。

3. ステージ部 (Stage Unit)

　フォトマスクとウェーハを精密に位置決めし、露光中に正確に制御する部分です。

• マスクステージ (Mask Stage / Reticle Stage):
  • フォトマスクを保持し、露光中にXY方向（水平方向）や回転方向、さらにはZ方向（上下方向）にナノメートルオーダーの精度で精密に移動・調整します。
  • スキャナータイプでは、露光中にウェーハステージと同期して移動します。
  • EUV露光装置では、EUV光がフォトマスクで反射されるため、マスクはウェーハと逆方向を向いて配置されます。
• ウェーハステージ (Wafer Stage):
  • ウェーハを吸着・保持し、露光中に極めて高い精度でXY方向や回転方向に移動・調整します。
  • アライメント機構: 既存の回路パターンと新しい露光パターンの正確な位置合わせを行います。ウェーハとマスクのアライメントマークを光学的に読み取り、ステージを調整します。
  • 焦点深度（Z軸）制御: ウェーハ表面のわずかな凹凸や傾きに対応するため、Z軸方向にも高精度に調整され、常に最適焦点にウェーハが来るように制御されます。
  • スキャナータイプでは、露光中にマスクステージと同期して移動し、広範囲を露光します。
  • EUV露光装置のウェーハステージは、真空環境下で超高精度な動作が求められるため、磁気浮上方式など、非常に高度な駆動システムが採用されています。

その他の重要な構成要素

• 制御システム: 全てのサブシステム（光源、光学系、ステージ、真空システムなど）を統合的に制御し、精密な露光プロセスを実行します。高度なソフトウェアとハードウェアで構成され、リアルタイムでのフィードバック制御を行います。
• 真空システム（EUV露光装置の場合）: EUV光が空気中で吸収されるため、露光装置全体を高度な真空状態に保つためのポンプ、真空チャンバー、ガス供給・排気システムなどが組み込まれています。
• 振動除去システム: 地震や周囲の振動が露光精度に影響を与えないよう、装置全体が高度な除振機構の上に設置されています。
• 温湿度制御システム: 装置内部の温度や湿度の変動は、光学系の性能やステージの精度に影響を与えるため、厳密に管理されています。
• アライメント計測器: ウェーハ上のアライメントマークを正確に検出し、パターン同士の重ね合わせ精度を確保するための高精度なセンサーや画像処理システム。
• エアシャワー / クリーンルーム設備: 露光プロセスは塵や微粒子の影響を非常に受けやすいため、装置内部や周囲はクリーンルームの基準をはるかに超える清浄度が維持されます。

　これらの要素が高度に統合され、ナノメートルレベルの精度で動作することで、今日の高性能な半導体チップが製造されています。露光装置は「精密機械の塊」であり、その製造には非常に多くの専門技術が結集されています。

有名なメーカーはどこか

　半導体露光装置のメーカーは、世界的に見ても非常に限られています。その中でも、特に有力な3社が市場の大部分を占めています。

1. ASML (オランダ)

• 圧倒的な市場シェア: ASMLは、現在の半導体露光装置市場において、特に最先端技術分野で圧倒的なシェアを誇ります。
• EUVリソグラフィの独占: 現在、EUV（極端紫外線）露光装置を量産できる唯一のメーカーです。EUVは7nm、5nm、さらには3nmといった最先端プロセスノードの半導体製造に不可欠な技術であり、ASMLの装置なくしてはこれらのチップは生産できません。
• ArF液浸露光のリーダー: EUVだけでなく、その一世代前の技術であるArF液浸露光装置でも9割以上のシェアを占めています。
• 強み:
  • 技術的優位性: 長年にわたるEUV技術の研究開発と巨額の投資により、競合他社を大きく引き離しています。
  • ツインスキャン方式: 露光ステージと計測ステージを分けることで、生産性を大幅に向上させています。
  • 顧客との密接な連携: 半導体メーカー（TSMC、Samsung、Intelなど）との強力なパートナーシップにより、開発初期段階から需要を把握し、技術課題を共有しながら装置開発を進めています。
  • 高度なソフトウェアと制御技術: ハードウェアだけでなく、露光精度を最大化するソフトウェアや制御技術も強みです。

2. ニコン (日本)

• 歴史と実績: カメラの光学技術で培った精密加工技術を活かし、長年にわたり露光装置市場の主要プレイヤーです。
• ArFドライ露光の強み: ArFドライ露光装置では高いシェアを持っています。
• 得意分野:
  • ステッパー方式: 高精度なステッパー（縮小露光装置）に強みがあります。
  • 液浸技術: ArF液浸露光装置も提供していますが、ASMLが先行しています。
  • 幅広いプロセス対応: ロジック、メモリーだけでなく、パワー半導体やMEMSなど、多様なデバイスの製造に適した装置を提供しています。
  • 光学技術: カメラで培った光学技術は、高精度なレンズ設計や製造に活かされています。

3. キヤノン (日本)

• 多様な露光装置: 半導体露光装置だけでなく、FPD（フラットパネルディスプレイ）用露光装置やナノインプリントリソグラフィなど、幅広い露光技術を手掛けています。
• 得意分野:
  • i線露光装置: 比較的古い世代の技術ですが、コスト効率の良さから、特にパッケージング工程や一部の汎用半導体製造で広く使われており、キヤノンがトップシェアを誇ります。
  • KrF露光装置: こちらも高いシェアを持っています。
  • ナノインプリントリソグラフィ (NIL): ASMLやニコンとは異なる原理の露光技術であり、次世代の微細加工技術として注目されています。キヤノンはこの分野の開発を積極的に進めており、将来的にASMLのEUVに代わる（あるいは補完する）技術となる可能性を秘めています。

その他のメーカー

• ウシオ電機（日本）: i線などの特定波長光源の提供や、一部の露光装置も手掛けています。
• その他の国内企業: 一部のニッチな分野や、研究開発向けの露光装置を提供している企業も存在します。