フォトマスク　フォトマスクとは何か？どのような機能が求められるのか？

この記事で分かること

フォトマスク

　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で用いられるフォトマスクの解説となります。

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。

フォトリソグラフィの露光工程とは何か

　半導体前工程におけるフォトリソグラフィの露光工程は、ウェーハ上に微細な回路パターンを形成する上で最も重要な工程の一つです。

　光を用いて、感光性のあるレジスト層にマスクのパターンを転写する「写真」のようなプロセスです。

露光工程の基本原理

• レジスト塗布: まず、シリコンウェーハの表面に「フォトレジスト」と呼ばれる感光性のある樹脂を均
• マスク（フォトマスク）のセット: 回路パターンが描かれた「フォトマスク」をウェーハの上部に配置します。このマスクは、光を透過させる部分と遮光する部分で構成されています。
• 露光: マスクを通してウェーハ上のフォトレジストに特定の波長の光（通常は紫外線やEUV（極端紫外線））を照射します。光が当たった部分のフォトレジストは化学変化を起こします。
• 現像: 露光によって化学変化したフォトレジストを現像液で選択的に除去します。これにより、マスクのパターンがレジスト層に転写されます。残ったレジストパターンは、後工程のエッチングでウェーハを保護する「マスク」の役割を果たします。

フォトマスクとは何か

　「フォトマスク」は、半導体製造のフォトリソグラフィ工程において、微細な回路パターンをウェーハ上に転写するための「原版」または「型」となるものです。例えるなら、写真の「ネガフィルム」のような役割を担っています。

フォトマスクの基本構造

　フォトマスクは、主に以下の要素で構成されています。

1. 透明基板: 高品質なガラス（ソーダライムガラス）や、より高い精度が求められる場合は合成石英（クォーツ）が使用されます。これは、露光に用いられる光（紫外線やEUV）を透過させるためのものです。特に、EUVリソグラフィでは、EUV光がガラスを透過しにくいため、特殊な反射型マスクが用いられます。
2. 遮光膜: 透明基板の上に、光を遮断するための薄い金属膜が形成されています。一般的には「クロム（Cr）」が使用されますが、EUVリソグラフィではモリブデンとシリコンの多層膜などが用いられます。この遮光膜に、電子ビーム描画装置などを用いて回路パターンが描かれます。

フォトマスクの役割

フォトリソグラフィ工程におけるフォトマスクの主な役割は以下の通りです。

• パターン転写の型: コンピュータで設計された複雑な回路パターンを、光を通してウェーハ上のフォトレジストに正確に転写するためのマスターテンプレートです。
• 高精度な回路形成: 半導体チップの性能や機能を左右する微細な回路パターンを、高い精度で再現するために不可欠な存在です。ナノメートルレベルの微細加工を実現するためには、フォトマスク自体の寸法精度や欠陥の有無が極めて重要になります。
• 生産の効率化: フォトマスク一枚で同じ回路パターンを繰り返しウェーハに転写できるため、大量生産において非常に効率的です。

フォトマスクの種類（投影露光用）

主に投影露光で使用されるフォトマスクには、露光装置との関係でいくつかの種類があります。

• 等倍マスク: マスクに描かれたパターンがそのままのサイズでウェーハに転写されるタイプです。
• 縮小マスク（レチクル）: マスクに描かれたパターンが、露光装置のレンズによって数分の1（通常は1/4や1/5）に縮小されてウェーハに転写されるタイプです。現在の最先端半導体製造では、この縮小露光が主流であり、特に高精度な縮小マスクは「レチクル」と呼ばれることもあります。マスク上では実際のチップサイズよりも大きなパターンが描かれているため、描画や検査が比較的容易になり、微細な回路パターンをウェーハ上に形成できます。

フォトマスクの有力なメーカーはどこか

　フォトマスクは、半導体製造の根幹を支える非常に重要な部材であり、その製造には極めて高度な技術力が求められます。

　世界のフォトマスク市場は、以下のような少数の大手企業によって寡占されており、特に日本企業がその中で大きな存在感を示しています。

1. 大日本印刷（DNP）
   • 日本の大手印刷会社ですが、長年の印刷技術で培った微細加工技術を活かし、半導体用フォトマスク分野で世界的なリーダーの一つです。
   • 特に最先端のEUV（極端紫外線）リソグラフィに対応したフォトマスクの製造にも力を入れています。
2. 凸版印刷（Toppan Photomask / Texcel Photomask）
   • こちらも日本の大手印刷会社であり、半導体用フォトマスク事業でDNPと並ぶ世界的な主要メーカーです。
   • 元々は凸版印刷の一部門でしたが、現在は子会社であるToppan Photomaskとして事業を展開しています。近年、Texcel Photomaskに社名変更されました。
3. HOYA（ホーヤ）
   • 光学ガラス製品で有名なHOYAも、フォトマスクの基板となる「マスクブランクス」の分野で世界的に高いシェアを誇ります。
   • 特にEUVリソグラフィに対応した高品質なマスクブランクスを提供しており、最先端半導体製造に不可欠な存在です。
4. Photronics Inc.（フォトロニクス）
   • アメリカに本社を置く世界的な独立系フォトマスクメーカーです。幅広い半導体デバイス向けにフォトマスクを提供しています。
5. SK-Electronics（エスケーエレクトロニクス）
   • 日本のメーカーで、主に液晶パネルや有機ELパネル向けの大型フォトマスクに強みを持っていますが、半導体向けも手掛けています。
6. LG Innotek（LGイノテック）
   • 韓国のLGグループ傘下の企業で、電子部品やディスプレイ関連のフォトマスクなどを手掛けています。