キヤノンサイエンスラボ 光って何?

コンピューターのCPUやメモリーといった電子部品には、ナノメートル単位の微細な電子回路が刻まれています。この電子回路をつくるのが半導体露光装置です。回路パターンの描かれた原画(レチクル)にレーザー光を照射して、シリコンウエハー上に回路を焼き付けていきます。超微細な電子回路を作成する装置ですから、レンズはもちろん、ウエハーを乗せるウエハーステージにもナノメートル単位の精密さが必要です。半導体は年々高集積化されてきていますが、そのキーデバイスが半導体露光装置です。

詳しく見てみよう
レーザー光で回路を露光する

半導体露光装置は、回路図の原板にあたるレチクルをもとに、シリコンウエハー上に回路パターンを縮小投影します。シリコンウエハーには感光性皮膜(フォトレジスト)が塗られていて、投影された回路パターンの部分だけが感光します。光で感光膜に像を焼き付ける――これはちょうどフィルム写真の原理と同じです。この露光処理の後、「現像」「エッチング」「ドーピング」などの処理を経てウエハー上に回路を形成します。現像とはウエハーを現像液に浸して不要なフォトレジスト層を溶かす処理、エッチングとは化学反応によって表面の二酸化ケイ素膜を除去加工するものです。ドーピングではイオン照射によって表面に導電型不純物を添加します。この一連の処理が30回以上も繰り返されて、一片のシリコンチップが誕生するのです。下図は簡単なトランジスター作成の手順です。

出来あがった半導体

出来上がったトランジスターはp型シリコンの一部にドーピングによってn型シリコンを作成し、その上に絶縁体を挟んで、導電体を配置しています。 この導電体に電圧をかけると、p型シリコンの導電体に対抗する部分に静電誘導によって電子が集中し、n型シリコン同士が通電するようになります。絶縁されているにもかかわらず、通電体の電界の影響をp型シリコンが受けて電子が集中するので、これを「電界効果」と呼びます。このトランジスターは導電体に電圧をかけたり、かけなかったりして使用します。このように半導体の上に絶縁体と金属をのせた構造のトランジスターをMOS(Metal Oxide Semiconductor)といい、さらに電界効果(Field Emission)を利用したトランジスターですから、通常、MOS FETと呼びます。

ウエハーステージの超精密位置決め技術

半導体露光装置で重要になるのが、シリコンウエハーを乗せるウエハーステージの位置決め精度です。微細な回路パターンを露光するためには、ウエハーを高速かつ正確に移動させなくてはいけないからです。130ナノメートル幅の回路パターンを焼き付ける場合、±10ナノメートルの移動精度が必要となります。この精度を実現するために、キヤノンの半導体露光装置のウエハーステージは「非接触エアガイド」となっています。これは、軸受に多孔質セラミクス静圧軸受を利用し、軸の駆動にはリニアモーターを利用。ウエハーステージは空気圧で浮上させています。これによって摩擦をなくし、高速で正確な位置決めが可能になっています。このウエハーステージでは、前後左右上下の各方向に数ナノメートル単位でウエハーの位置を制御することができます。今後はさらに回路が微細化し、ウエハーステージにもサブナノメートル単位の精度が必要となります。将来の半導体露光装置装置では露光精度を高めるために装置内は真空となるといわれていますが、キヤノンでも真空内でエアベアリングを利用するための「真空内エアベアリング」の技術開発をしています。

次世代の半導体露光技術

半導体に微細な回路パターンを投影するためには、きわめて波長の短い光源が必要になります。現在の半導体露光装置の光源に使われているのは、波長248ナノメートルのKrF(フッ化クリプトン)エキシマレーザー。あるいは波長193ナノメートルのArF(フッ化アルゴン)エキシマレーザーです。こういった光源で露光できるのは100ナノメートル幅の回路パターンまでといわれています。将来必要とされる50ナノメートル幅の回路パターンに対応するため、現在さまざまな光源の研究が進められています。波長157nmのF2(フッ素ダイマー)エキシマレーザーやX線の研究とともに、現在注目を浴びているのが「EUV光源」です。EUVとは波長13ナノメートルの極紫外線。これならば50ナノメートル以下の回路幅にも対応できます。ただしEUVは直進性が強く、レンズのような透過光学系では光の経路をコントロールできません。反射光学系で制御するための「多層膜ミラー」の技術開発が進められている最中です。多層膜ミラーとは、わずかに異なる屈折率を持った物質を交互に積層してEUV光を反射するものです。多層膜ミラーの製作には原子レベルで膜の厚みをコントロールする成膜技術が必要とされます。

大型の液晶パネルを露光する液晶露光装置

小さなシリコンチップとは正反対の、大画面液晶テレビなどの大きな液晶パネルを製造するためにも露光技術は活用されています。液晶パネルは、光学マスク上に描画された微細な画素パターンを投影、大型ガラス基板上に焼き付け(露光)、現像して製造されます。投影にはミラーやレンズが使われますが、ミラーを使った反射光学系は、レンズを使った透過光学系に対して構成がシンプルで色収差がなく像性能が劣化しないなどのメリットがあります。液晶露光装置では数μmのパターンを露光するため、ミラーは高精度のものが必要となります。特に凹面ミラーは、大画面を継ぎ目なく一括で露光できる露光幅とスキャン距離を確保できるような大口径のものが利用されます。またガラス基板は最大で2200×2500mm(「第8世代」といわれるもの)と広面積のため、超大型で精密に動くステージも必要です。