スマートフォンやパソコンに使われる半導体。その小さなチップの中には、目では見えないほど細かなトランジスタや配線が作り込まれています。
こうした微細な構造は、どのように作られているのでしょうか。
半導体製造で重要な役割を担うのが、**光を使って細かな模様を写す「フォトリソグラフィ」**です。
名前は難しく感じますが、基本の考え方は「光に反応する材料に設計図の模様を写し、それを使って加工する」というもの。写真の現像や、型紙を使った模様づくりをイメージすると理解しやすくなります。
この記事では、フォトリソグラフィの仕組みや工程、半導体製造で重要な理由、EUVとの関係まで、わかりやすく解説します。
フォトリソグラフィとは？
フォトリソグラフィとは、光に反応する材料を使って、基板の表面に微細なパターンを作る技術です。
英語では「Photolithography」と表記され、日本語では「光リソグラフィ」とも呼ばれます。
「パターン」とは、線や穴などを組み合わせた模様のこと。半導体製造では、この模様を利用して、トランジスタや配線などを作る場所を決めます。
基本となるのは、次の三つです。
- **フォトレジスト：**光によって性質が変わる材料
- **フォトマスク：**転写したい模様を持つ原版
- **露光：**レジストに光を当てる工程
基板にレジストを塗り、マスクの模様に応じて光を当て、現像によってレジストの一部を取り除く。この流れで、表面に狙ったパターンを作ります。www.tok-pr.com
微細加工の中で「どこを加工するか」を決める
半導体製造には、材料を薄く積み重ねる「成膜」や、材料の一部を取り除く「エッチング」など、さまざまな工程があります。
その中でフォトリソグラフィが担うのは、加工する場所と、残す場所を細かく指定する役割です。
たとえば、薄い膜に溝を作りたい場合、まずレジストで保護する部分と開口する部分を分けます。その後、開口した部分から下の膜を取り除くと、狙った位置に溝ができます。
このように、フォトリソグラフィは、ほかの加工技術と組み合わせることで微細な構造を生み出します。
フォトリソグラフィの仕組み｜光で「加工用の型紙」を作る
紙に好きな形の穴を開け、その上から絵の具を塗ると、穴の部分だけに色が付きます。型紙によって、色を付ける場所を選べるわけです。
フォトリソグラフィでも、これに近い考え方を使います。
ただし、最初から細かな型紙を切り抜くのではなく、光と化学反応によって、基板の表面に加工用の型紙を作ります。
流れを大まかに表すと、次のようになります。
光で模様を写す → 現像してレジストの模様を作る → その模様を使って材料を加工する
ここで大切なのは、フォトマスクとレジストの役割の違いです。
フォトマスクは、光の模様を決める「原版」。一方、現像後に残ったレジストは、基板上で加工する場所を分ける「保護膜」として働きます。
設計図の模様を、光を介して加工用の模様に変える技術と考えると、全体像をつかみやすくなります。
フォトリソグラフィで使う材料と装置
仕組みを理解するために、主な用語を整理しましょう。
| 用語 | 役割 | イメージ |
|---|---|---|
| ウェハ | 半導体を作り込む薄い基板 | 回路を作る土台 |
| フォトレジスト | 光によって現像液への溶けやすさが変わる材料 | 光で模様を作れる膜 |
| フォトマスク | 転写する模様を持つ原版 | パターンの設計図 |
| 露光装置 | 狙った位置に光の模様を写す装置 | 精密な投影装置 |
| 現像液 | レジストの一部を選択的に取り除く液体 | 模様を形にする液体 |
ウェハ：回路を作り込む土台
ウェハは、半導体製造に使われる薄い基板です。代表的なものは、シリコンから作られた円盤状の板です。
ウェハの表面に加工を繰り返して回路を作り込み、製造後に個々のチップへ切り分けます。つまり、最初から小さなチップ一つずつに回路を作るのではなく、一枚のウェハ上で多数のチップを製造します。www.jp.nikon.com
フォトレジスト：光の模様を記録する材料
フォトレジストは、光を受けると化学的な性質が変わる感光性材料です。
露光と必要な処理によって、光を当てた部分と当てていない部分で、現像液への溶けやすさに差が生まれます。この差を利用すると、特定の部分だけを取り除いて模様を作れます。
「光を当てた場所が、現像後の形に反映される材料」と考えるとわかりやすいでしょう。
フォトマスクと露光装置：設計した模様を写す
一般的な透過型のフォトマスクには、光を通す部分と遮る部分があり、その配置によってレジストに届く光の模様が決まります。
半導体の量産で使われる投影露光装置は、光学系を使ってマスクの模様を縮小し、ウェハ上に写します。
ただし、露光方法には、マスクを基板に近づける方式や、光学系で投影する方式など、複数の種類があります。用途や必要な細かさに応じて使い分けられます。www.asml.com
フォトリソグラフィを使った加工の流れ
ここでは、ポジ型レジストを使い、基板上の薄膜をエッチングする場合を例に説明します。
ポジ型は、光を当てた部分が現像で取り除かれるタイプのレジストです。
① 基板を洗浄し、レジストを塗る
まず、基板表面の汚れなどを取り除き、レジストを塗ります。
代表的な塗布方法が「スピンコート」です。基板に液状のレジストを載せて回転させ、表面に薄く広げます。
その後、加熱して溶媒を減らすなど、露光に適した状態に整えます。レジストの厚さや均一さは、パターンの仕上がりに関わる大切な条件です。www.cleanroom.byu.edu
② 位置を合わせて露光する
次に、マスクの模様が狙った位置に写るように調整し、レジストに光を当てます。
この位置合わせを「アライメント」、光を当てる工程を「露光」と呼びます。
すでに下の層に回路がある場合は、その回路に合わせて次の模様を写す必要があります。
③ 現像してレジストに開口部を作る
露光後は、必要に応じた加熱などを行い、現像液でレジストの一部を取り除きます。
この例のポジ型では、光を当てた部分が取り除かれます。すると、レジストに開口部ができ、その下の薄膜が露出します。
**現像で形を作る対象は、基本的にはレジストです。**この段階で、下の薄膜に最終的な溝や穴ができるわけではありません。
④ エッチングで下の薄膜を加工する
レジストにできた開口部を利用して、下の薄膜を取り除きます。この工程がエッチングです。
レジストが残っている部分は保護され、開口した部分では薄膜の加工が進みます。
エッチングには、薬液を使う「ウェットエッチング」や、反応性ガスやプラズマなどを使う「ドライエッチング」があります。
⑤ 不要になったレジストを取り除く
加工が終わったら、役割を終えたレジストを除去します。
これにより、下の薄膜に転写されたパターンが残ります。
この例では、模様が次の順に移っていきます。
フォトマスクの模様 → レジストの模様 → 薄膜の模様
実際の半導体製造では、こうしたパターン形成を、成膜やエッチング、イオン注入などと組み合わせて回路を作ります。www.asml.com
ポジ型とネガ型の違い
フォトレジストには、ポジ型とネガ型があります。
基本的な違いは、光を当てた部分が、現像で取り除かれるか、残るかです。
| 種類 | 光を当てた部分 | 光を当てていない部分 |
|---|---|---|
| ポジ型レジスト | 現像で取り除かれる | 残る |
| ネガ型レジスト | 残る | 現像で取り除かれる |
たとえば、レジストに丸い形の光を当てたとします。
ポジ型では、丸い部分が取り除かれ、レジストに丸い開口部ができます。ネガ型では、光を当てた丸い部分が残ります。
つまり、同じ光の模様でも、使用するレジストによって残る形が変わります。www.tok-pr.com
フォトレジストを「光で固まる材料」とだけ覚えると、ポジ型の仕組みを理解しにくくなります。まずは、現像後にどちらの部分が残るのかを押さえておきましょう。
なぜフォトリソグラフィが半導体製造で重要なの？
細かなパターンを繰り返し作れる
半導体には、膨大な数のトランジスタや配線が必要です。
それらの形を一つずつ加工するのでは、量産に時間がかかります。フォトリソグラフィでは、多数の線や穴を含むパターンを光で転写できます。
さらに、ウェハ上の位置を変えながら露光することで、同じパターンを繰り返し作れます。
細かな模様を、多数のチップに再現性よく転写できることが、半導体の量産を支える強みです。www.asml.com
複数の層を正確に重ねられる
半導体の内部は、一枚の平面に描いた回路だけでできているわけではありません。
トランジスタや絶縁膜、配線などが組み合わさった立体的な構造になっています。そのため、層ごとに異なるパターンを作り、正しい位置に重ねる必要があります。
たとえば、下の層の接続先に対して、上の層の配線がずれると、必要な場所がつながらなくなる可能性があります。
そこで重要になるのが「重ね合わせ精度」です。フォトリソグラフィには、模様を細かく写す能力に加えて、下の層に対して正確に配置する能力も求められます。www.jp.nikon.com
どこまで細かくできる？光の波長とEUVの関係
フォトリソグラフィで作れるパターンの細かさは、光の波長、光学系、レジスト、加工条件などによって決まります。
波長の短い光ほど細かな模様を写しやすい
光の波長とは、光が持つ波の山から、次の山までの間隔です。
ほかの条件が同じなら、一般に波長の短い光ほど、細かな模様を分けて写しやすくなります。
半導体製造では、用途に応じて次のような光が使われます。
| 光の種類 | 代表的な波長 |
|---|---|
| i線 | 約365 nm |
| KrFエキシマレーザー | 約248 nm |
| ArFエキシマレーザー | 約193 nm |
| EUV（極端紫外線） | 約13.5 nm |
nmは「ナノメートル」の略で、1 nmは10億分の1 mです。1 µmは1,000 nmに相当します。www.asml.com
ただし、**光の波長が、そのまま完成する回路の寸法になるわけではありません。**光学系やパターンの工夫、複数の工程の組み合わせも、加工できる細かさに関わります。
EUVもフォトリソグラフィの一種
EUVは「Extreme Ultraviolet」の略で、日本語では「極端紫外線」と呼ばれます。
EUV露光は、波長約13.5 nmの光を使うフォトリソグラフィです。先端半導体の中でも、特に細かなパターンが必要な層の製造に使われます。
EUVは空気や多くの材料に吸収されやすいため、通常の光とは異なる扱いが必要です。
たとえば、光の通り道を真空にし、レンズの代わりに特殊な反射鏡を使用します。フォトマスクも、光を透過させる方式ではなく、反射させる方式です。
なお、一つのチップのすべての層をEUVで作るとは限りません。必要なパターンの細かさに応じて、DUV（深紫外線）を使う露光技術などと組み合わせます。www.asml.com
フォトリソグラフィの難しいところ
原理を理解することと、微細なパターンを安定して作ることには、大きな違いがあります。
小さなほこりが欠陥につながる
基板に異物が付くと、光が正しく届かなかったり、レジストの模様が欠けたりする原因になります。
私たちには小さく見えるほこりでも、微細な回路に対しては大きな障害物になり得ます。
そのため、半導体製造は、空気中の粒子を厳しく管理するクリーンルームで行われます。微細加工では、装置の精度だけでなく、加工する環境の清浄さも重要です。www.asml.com
細かさ・正確さ・速さを両立する必要がある
きれいなパターンを一つ作れるだけでは、量産には十分ではありません。
細かな模様を正確な位置に写しながら、多数のウェハを効率よく処理する必要があります。
露光装置の性能を考えるうえで重要なのが、次の三つです。
| 性能 | 意味 |
|---|---|
| 解像度 | どれだけ細かな模様を写せるか |
| 重ね合わせ精度 | 下の層とどれだけ正確に位置を合わせられるか |
| スループット | 一定時間にどれだけ多く処理できるか |
半導体製造では、これらを高い水準で両立することが求められます。www.jp.nikon.com
フォトリソグラフィは半導体以外にも使われる
フォトリソグラフィは、CPUやメモリだけのための技術ではありません。
微細な形や電極を作れるため、MEMSや研究用デバイスなどにも利用されます。
MEMSや小型センサー
MEMSは、微小な機械構造と電気的な機能を組み合わせたデバイスです。
こうしたデバイスでは、電極や機械構造を作るために、加工位置を細かく決める必要があります。フォトリソグラフィは、そのパターン形成を支える技術の一つです。www.jp.nikon.com
マイクロ流路や微細な型
マイクロ流路は、少量の液体を流すための小さな通り道です。
フォトリソグラフィで厚みのあるレジストに模様を作り、それを流路の型として利用する方法があります。
このように、レジストは加工用の保護膜だけでなく、微細な型や構造を作る材料としても活用できます。www.imb-cnm.csic.es
フォトリソグラフィについてよくある疑問
露光とフォトリソグラフィは同じ？
露光は、レジストに光を当てる工程です。
フォトリソグラフィは、レジストの塗布、露光、現像などを組み合わせ、光でパターンを形成する技術を指します。露光は、その中の重要な工程の一つです。
現像とエッチングは何が違う？
現像は、レジストの一部を取り除いてパターンを作る工程です。
エッチングは、そのパターンなどを利用して、下にある薄膜や基板の材料を取り除く工程です。
「レジストの模様を作る」のが現像、「加工対象の材料を取り除く」のがエッチングと考えると整理できます。
光を当てるだけで回路ができる？
光を当てるだけでは、回路は完成しません。
光によってレジストに化学変化を起こし、現像でパターンを作り、そのパターンを使って材料を加工します。さらに成膜などの工程を繰り返すことで、半導体の複雑な構造を作り込みます。www.asml.com
まとめ｜フォトリソグラフィは微細加工の「場所」を決める技術
フォトリソグラフィは、光に反応するレジストを使って、基板上に細かなパターンを作る技術です。
仕組みを理解するうえで大切なのは、次の三点です。
- 光と現像によって、レジストに模様を作る
- その模様を使って、薄膜や基板を加工する
- 工程を繰り返し、複数の層を正確に重ねる
「光で回路を作る」と聞くと不思議に感じますが、実際には、光で加工位置を決める技術と、材料を加工する技術が組み合わされています。
身近な電子機器の小さなチップを支えるフォトリソグラフィ。光学・化学・精密な位置制御が結び付いた、半導体製造の中心的な技術なのです。
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