「半導体製造装置について勉強したい」
「リソグラフィーってどんなプロセス？」
「具体的な処理内容や装置の仕組みを教えてほしい」
このような疑問にお答えします。
こんにちは。機械設計エンジニアのはくです。
2019年に機械系の大学院を卒業し、現在は半導体製造装置メーカーで機械設計エンジニアとして働いています。
本記事では、半導体製造装置を学ぶ第4ステップとして「リソグラフィー装置の特徴」をわかりやすく解説します。
この記事を読むとわかること。
- リソグラフィープロセスの内容がわかる
- リソグラフィー装置の種類がわかる
- リソグラフィー装置のシェアが高いメーカーがわかる
リソグラフィープロセスは、半導体の微細化に欠かせない技術。
レジスト塗布・露光・現像といった工程にわかれており、それぞれで最先端の技術が使われています。
今回は、そんな半導体のリソグラフィープロセスを工程別にわかりやすく解説します。
ぜひ参考にしてください。
半導体のリソグラフィープロセスとは
リソグラフィープロセスとは、光を利用してシリコンウェーハ上に回路パターンを転写する工程です。
フォトレジストと呼ばれる感光材（光に反応する材料）を塗布し、回路として残したい部分（または取り除きたい部分）にだけ光を当てることで、パターンが転写されます。
光に反応して性質が変わる化学薬品。
露光後に現像液を塗布すると、光が当たった部分（または当たらなかった部分）のレジストだけが現像液と反応して除去される。
リソグラフィー装置の種類
リソグラフィープロセスは、フォトレジストを塗布するためのレジスト塗布装置、光を照射する露光装置、必要なレジスト膜を残す現像装置、不要なレジストを除去するアッシング装置から構成されます。
レジスト塗布装置（コータ）
レジスト塗布装置は、シリコンウェーハ上にフォトレジストを塗布する装置です。
一般的には「コータ」と呼ばれます。
レジストは、ウェーハ上に均一の膜圧となることが重要。
そこで、コータでは、ウェーハを回転させながらノズルでレジストを塗布するスピンコータが採用されています。
スピンコータは、ウェーハを1枚ずつしか処理できないので、枚葉式の装置です。
また、レジストの粘度に応じてウェーハの回転数を変えることで、膜圧を調整します。
露光装置
露光装置は、光を当ててレジストに回路パターンを転写する装置です。
レチクルと呼ばれるフォトマスクを利用します。
フォトマスクは簡単に言うと、回路パターンが描かれた透明なガラス板のこと。
パターンとして残したい部分だけ光を通し、それ以外の部分は光を通さない（マスクされている）ので、露光するとマスクのパターンがレジストに転写されます。
微細化の進展により、マスクは実際の回路パターンよりも大きく作り、レンズで縮小して転写するのが一般的です。
半導体の微細化には、露光装置の発展が欠かせません。
特に重要なのが光源の開発で、微細化のためにはより短い波長の光を使う必要があります。
先端の露光装置には、光源としてフッ化クリプトンKrF（波長248nm）やフッ化アルゴンArF（波長193nm）が用いられていますが、さらなる微細化に対応するため次世代の光源として開発が進んでいるのがEUV（波長13.5nm）です。
EUV露光装置は、オランダのASMLという会社だけが開発・製造しています。
現在は量産向けに評価が行われている状況ですが、次世代の微細化を牽引する技術として開発が進んでいます。
現像装置（デベロッパー）
現像は、露光後に不要な部分を除去し、必要な部分だけを残すためのプロセスです。
ポジ型レジストの場合は、光が当たった部分が可溶性となり、現像液を塗布すると除去されます。
（ネガ型レジストの場合は逆で、光が当たらなかった部分が除去される。）
現像装置はデベロッパーと呼ばれており、コータと同じくウェーハを回転させながら現像液を塗布します。
レジスト塗布装置→露光装置→現像装置の順で使われるので、これらの装置はそれぞれ独立ではなくシステム化されて構成されているのが特徴です。
アッシング装置
アッシングは、リソグラフィ→エッチングの後に不要になったレジストを除去するプロセスです。
具体的なプロセスは、酸素プラズマを発生させ、プラズマ中の酸素ラジカルで有機成分を燃焼させます。
他の工程よりも比較的単純なプロセスなので、装置の世代交代がそこまで激しくないのも特徴です。
アッシング装置にはいくつか種類があり、以前は複数のウェーハをまとめて処理できるバレル型が主流でした。
ウェーハの大口径化にともなって、現在は枚葉式が主流になっています。
気体を構成する分子が電離して陽イオンと電子に分かれて運動している状態。
気体の温度が上昇すると気体分子は解離して原子になり、さらに温度が上昇すると陽イオンと電子に分かれる（電離）。
リソグラフィー装置のシェアが高いメーカー
さいごに、リソグラフィー装置をつくっている製造装置メーカーにはどんな会社があるかを紹介して記事を終わりたいと思います。
東京エレクトロン
東京エレクトロンは、レジスト塗布・現像装置のコータ・デベロッパーでシェア8割以上を獲得しています。
半導体製造装置メーカーとしては日本1位、世界でも4位にランクインしている企業です。
ASML
ASMLは、オランダにある半導体製造装置メーカーです。
さきほど紹介したEUV露光装置で、シェア100%を誇っています。
露光装置は、以前はキャノンやニコンといった日本企業が高いシェアを獲得していましたが、微細化の進展についていけず、変わってASMLが台頭してきました。
まとめ：リソグラフィー装置は微細化の発展に不可欠！
記事の内容をまとめます。
- リソグラフィープロセスは、シリコンウェーハ上に回路パターンを転写する工程
- レジスト塗布・露光・現像の3つに大きく分かれる
- レジスト塗布装置（コータ）は、ウェーハを回転させながらレジストを塗布する
- 露光装置は、光を使ってマスクのパターンをウェーハに転写する
- 現像装置（デベロッパー）は、不要な部分を除去し必要な部分だけを残す
- アッシングは、不要になったレジストを除去する
- コータ・デベロッパーでは、東京エレクトロンのシェアが高い
- EUV露光装置は、オランダのASMLがシェア100%
以上です。
リソグラフィー装置は、半導体の微細化進展に必要不可欠。
EUV露光装置のように技術革新がどんどん進んでいる分野ですので、興味がある方は自分で調べてみると面白いでしょう！
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