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光リソグラフィ:半導体チップ製造の核心プロセス

光リソグラフィの基本原理

光リソグラフィは、コンピュータチップの製造に通常用いられる化学プロセスです。フラットなウェハ(多くはシリコン製)にパターンをエッチングして集積回路を形成します。一般的に、ウェハを化学レジスト材でコーティングし、レジストを除去して回路パターンを露出させ、表面をエッチングします。レジスト除去の方法は、感光性レジストを可視光または紫外線(UV)に露光することであり、ここに「光」リソグラフィの由来があります。

光の役割:写真術との類似と相違

光リソグラフィの主役は光です。写真術と同様、感光性化学物質を光ビームに露光してパターン面を作ります。しかし写真術と異なり、リソグラフィでは通常、可視光、より一般的にはUV光の集束ビームを用いて、シリコンウェハ上にパターンを形成します。

プロセスのステップ

ステップ1:レジストコーティング

まずウェハ表面を化学レジスト材でコーティングします。この粘性液体がウェハ上に感光性フィルムを形成します。レジストにはポジティブとネガティブの2種類があります。ポジティブレジストは光が当たった領域が現像液で溶解し、ネガティブレジストは光が当たらなかった領域が溶解します。ネガティブレジストの方が現像液での歪みが少ないため、より一般的に使用されます。

ステップ2:露光とフォトマスク

次にレジストを光に露光します。ウェハ上にパターンを作るのが目的なので、光をウェハ全面に一様に当てることはありません。フォトマスク(ガラス製が多い)を用いて、露光させたくない領域の光を遮断します。また、レンズを用いて光をマスクの特定領域に集束させるのが一般的です。

フォトマスクの3つの使用方式

1. 接触露光(コンタクトプリント)
マスクをウェハに押し付けて直接光を遮断します。マスクやウェハの欠陥がレジスト面への光漏れを招き、パターン解像度を阻害する恐れがあります。

2. 近接露光(プロキシミティプリント)
マスクをウェハに近接させますが接触はさせません。マスク欠陥による干渉を減らし、接触露光に伴う摩耗も回避できます。ただし、マスクとウェハ間で光の回折が生じ、パターン精度が低下する可能性があります。

3. 投影露光(プロジェクションプリント)
最も一般的な方式です。マスクをウェハから離れた位置に置き、間にレンズを配置して光をターゲティングし、拡散を抑制します。通常、最も高解像度のパターンが得られます。

最終ステップ:現像とエッチング

レジスト露光後、ウェハを現像液で洗浄してポジティブまたはネガティブレジストを除去します。その後、レジストがなくなった領域をエッチングします。つまり、レジストがエッチングを「レジスト(抵抗)」するわけです。これにより、ウェハの一部がエッチングされ、他の部分は平滑なまま残ります。

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