半導体製造における露光装置と計測・検査装置の基礎知識

半導体製造は、大きく前工程と後工程に分かれます。前工程では、シリコン製の基板の「ウェハ」に、露光装置を用いて回路パターンを転写します。後工程では、このウェハを個々のチップに切り分け、パッケージングします。

前工程において重要な役割を担うのが「露光」という工程で、ここで露光装置が重要な役割を果たします。露光装置は、フォトマスクと呼ばれる設計図をもとに、回路パターンを極めて高い精度でウェハ上に縮小して投影します。完成した半導体チップは数mm四方ですが、そこには髪の毛の太さの数千分の一という極めて微細な回路が刻まれます。この驚異的な精度から、露光装置は「人類史上最も精密な機械」と呼ばれています。

例えば自動車には、駆動の制御には「非微細系」、情報処理を担うCPUには「微細系」と、回路の幅が異なる半導体が利用されています。製造する半導体の用途に応じて、さまざまな半導体露光装置が使い分けられます。

半導体露光装置の性能を決める第1の技術は、「投影レンズの解像度」です。レンズの解像度が高いほど、細かい回路パターンを転写することができます。ニコンではレンズの原材料の調合から熔解、研磨、コーティング、組み立てまで一貫した生産体制で品質を管理し、レンズ性能を高めています。投影レンズは、20枚以上のレンズを組み合わせ、その全⻑は1m以上にもなります。

第2の技術は、「重ね合わせ精度」です。シリコンウェハ上に電⼦回路のパターンを露光する際には、何度もフォトマスクを交換しながら、繰り返し焼き付けていく作業が必要になります。ニコンではフォトマスクとシリコンウェハの位置がずれないように複数のセンサーを用いてnmレベルで超精密に位置合わせしています。

アナログ半導体やパワー半導体は、比較的大きな回路パターン幅で製造されるため「非微細系」の用途に分類されます。

アナログ半導体は、スマートフォンのカメラや自動車のADAS（先進運転支援システム）などに、パワー半導体は、自動車や産業機器、再生可能エネルギーシステムなどの電力制御に不可欠な要素となっています。このような用途では、波長の長いKrFレーザー（248nm）やi線（365nm）を使用した露光装置が主に用いられます。

KrFスキャナーは、特に大規模な生産ラインでの使用に適し、スループットの高さと高精度な重ね合わせが求められる工程で活躍します。一方、i線ステッパーは、優れたコストパフォーマンスを発揮し、小型デバイスの量産や、コストが重要視される製品ラインで幅広く利用されています。

最先端の高性能半導体製造では、ArFタイプの露光装置が幅広く活用されています。この装置は、ArF（フッ化アルゴン）の特性を活かした193nmの短波長レーザーを使用することで、ウェハ上に非常に微細な回路パターンを形成できます。

ArFタイプの露光装置は、特にCPUやメモリーなど、コンピュータの頭脳にあたる高性能な半導体の製造に適しています。スマートフォンやデータセンター向けの高性能チップにも対応し、高度情報社会のデバイスに求められる高い処理性能を実現します。

また、ニコンはこの技術に「液浸露光」方式やマルチプルパターニング（露光を繰り返すことで回路の密集度を高める技術）を取り入れ、ArF露光装置の解像度を向上させることで、10nm以下のプロセスノードまで微細化を実現しています。

半導体製造には、比較的大きな回路パターンを扱う「非微細系」と高性能の「微細系」、それぞれに適した露光装置が必要となります。ニコンはこの両方の分野で細やかにニーズに応える露光装置を提供していることが特長です。

また、ニコンでは露光装置だけでなく、計測・検査装置も手掛けており、これによりお客様の課題解決を包括的にサポートできます。これは光学メーカーとして長年産業分野で培ってきた技術力によるものです。これからも豊富な製品ラインナップを通じて最適な装置環境を提供し、ますます多様化するデバイス製造に貢献していきます。