半導体製造の工程の中でも「リソグラフィ」は、微細な回路パターンをシリコンウェハ上に描き出す重要な技術です。前回の記事ではリソグラフィの基本を紹介しましたが、今回はその中心となる 「露光」 に焦点を当てます。露光とは何か、どのような光源が使われてきたのか、そして現在の最先端技術である EUVリソグラフィ へと進化してきた背景を整理します。
半導体製造で最重要な工程の一つに「リソグラフィ」があります。 スマートフォンやパソコン、自動車などに使われる半導体には、数十億個ものトランジスタが集積されており、それらを正確に配置するためには、ナノメートル単位の精度でパターンを描く技[…]
露光とは？
「露光」とは、フォトマスクに描かれた回路パターンを光を使ってウェハ上の感光性材料（レジスト）に転写する工程です。写真フィルムに光を当てて像を焼き付けるのと同じ原理で、半導体製造ではナノメートル単位の精度でパターンを形成します。
露光の精度は、使用する光の波長に大きく依存します。波長が短いほど細かいパターンを描けるため、半導体の微細化は「より短い波長の光源を使えるかどうか」にかかっていると言っても過言ではありません。
光源の進化：波長短縮の歴史
半導体露光で使われてきた光源を整理すると、以下のようになります。
| 光源 | 波長 | 主な世代 | 特徴 |
|---|---|---|---|
| g線（水銀ランプ） | 436nm | 1980年代 | 初期のリソグラフィ。解像度は低いが装置が簡易。 |
| h線 | 405nm | 1980年代後半 | g線より微細化可能。 |
| i線 | 365nm | 1990年代 | DRAMやロジックの量産に広く使われた。 |
| KrFエキシマレーザー | 248nm | 1990年代後半～2000年代 | 0.25μm世代。液浸技術前の主流。 |
| ArFエキシマレーザー | 193nm | 2000年代～現在 | 液浸リソグラフィで微細化を延命。10nm世代まで対応。 |
| EUV（極端紫外線） | 13.5nm | 2019年以降 | 7nm以下の世代で必須。ASMLが独占的に供給。 |
この表から分かるように、半導体の進化は「光の波長を短くする歴史」そのものです。
EUVとは？
EUV（Extreme Ultraviolet）は波長13.5nmという極端に短い光を用いる露光技術です。従来のArF液浸リソグラフィでは限界が見えていたため、7nm以降の世代ではEUVが不可欠となりました。
EUVの仕組み
- 光源：高出力レーザーをスズ（Sn）に照射し、プラズマを発生させてEUV光を生成。
- 反射光学系：EUVはほとんどの物質に吸収されるため、レンズではなく多層膜ミラーで反射を繰り返して光を導く。
- マスク：透過型ではなく反射型マスクを使用。欠陥検査が難しい。
- レジスト：高感度かつ高解像度の材料が必要。
EUVの課題
- 光源の出力不足 による 生産性（スループット）の制約：
EUVでは、スズ（Sn）をレーザーで照射してプラズマを発生させ、その際に出る13.5nmの光を使います。しかし、この光は非常に弱く、十分な強度を得るのが難しいのです。光が弱いと、ウェーハ上のレジストにパターンをしっかり焼き付けるために 時間がかかる か、あるいは 複数回の露光 が必要になります。
- マスク欠陥の検出・修正が難しい：
EUVはほとんどの物質に吸収されてしまうため、従来の透過型マスクではなく「多層膜の反射型マスク」を使います。この多層構造の中に欠陥があると、検出が困難で修正も難しいです。透過型マスクならレーザー修正などで欠陥を直せますが、反射型マスクは層構造が複雑で、修正すると光学特性が崩れてしまう可能性が高いです。
- EUV装置コストと供給リスク：
EUVリソグラフィ装置は 1台あたり数百億円規模という非常に高価な設備で、導入できる企業は限られます。さらに、世界で唯一量産レベルのEUV露光装置を供給しているのはオランダの ASML社であり、事実上の独占状態です。そのため、高額な投資負担による参入障壁の高さと、特定企業への依存による サプライチェーンリスクという二重の課題が存在します。
今後の展望：High-NA EUVへ
EUVはすでに量産ラインに導入され、7nm世代以降の先端ロジック半導体では必須技術となっています。今後の進化として注目されているのが High-NA EUV です。
- High-NA EUV：開口数（NA）を0.33から0.55へ拡大し、解像度をさらに向上。2nm世代以降での導入が期待される。
- マルチパターニングとの併用：EUV単独では限界があるため、複数回の露光を組み合わせる技術が必要。
- 材料革新：新しいレジストやマスク技術の開発が進行中。
以上、今回は「露光」やその最新技術である「EUV」についてまとめてみました。