前回の記事では、ウェーハの製造、酸化プロセス、集積回路の歴史の一部を紹介しました。ここで、電子回路パターンをウェハ上に転写するフォトリソグラフィープロセスについて見ていきましょう。フォトリソグラフィーはフィルムカメラで写真を撮るのと似ていますが、正確にはどのように機能するのでしょうか?

フォトリソグラフィー、白黒写真の現像に似ています

一般に「写真」と呼ばれるフォトリソグラフィーは、フォトマスクを通してパターンを露光することによって回路設計をウェーハ上に転写するプロセスにちなんで名付けられました。ウェハー上にレプリカを作成することは、感光紙上に白黒フィルムを現像することに似ています。

回路パターンの高密度化に伴い、チップ部品も高精度のナノスケールプロセスを使用して小型化する必要があります。これらのより微細な回路パターンの製造は、フォトリソグラフィープロセスに大きく依存しています。そのため、チップの微細化に伴い、高精度かつ高度なフォトリソグラフィー技術が必須となります。

ウェハー上に回路パターンを描画する準備

フォトリソグラフィーのプロセスを詳しく見てみましょう。最初のステップは、コンピューター支援設計ソフトウェア (EDA) を使用して、ウェハー上に描画される回路パターンを設計することです。この電子回路パターンのキャンバス上に、エンジニアは半導体チップの集積レベルを決定する正確に設計されたレイアウトを作成します。

写真のネガと同様に機能するフォトマスクの作成

クロム (Cr) を使用して超高純度石英で作られたガラス基板上に微細回路を転写し、回路設計を表すフォトマスクを作成します。フォトマスクはレチクルとも呼ばれ、回路パターンを反映する写真フィルムのような役割を果たします。より微細なパターンを実現するために、フォトマスクは回路寸法よりもはるかに大きく設計され、レンズ光学系を使用してウェーハ上に光学的に縮小されます。

フォトリソグラフィープロセスには、コーティング、露光、現像の各段階が含まれます。

1. コーティング: フォトレジスト (PR) の層がウェーハの表面にコーティングされます。

準備が完了したら、次のステップはウェハ上にパターンを描画することです。まず、光に感応するフォトレジスト (PR) の層がウェーハの表面に均一に塗布されます。これにより、ウェハは写真の現像に使用される感光紙として機能します。高品質で正確な回路パターンを生成するには、フォトレジスト層は薄くて均一であるだけでなく、紫外線に対する感度が高い必要があります。

2. 露光：光を使ってウェハ上に回路パターンを描画します。

フォトマスク上の回路設計をステッパーを用いて紫外光を用いてフォトレジストを塗布したウエハー上に投影・転写します。このプロセスは「ステップアンドリピート露光」と呼ばれます。半導体チップには高い精度が要求されるため、露光領域は選択可能であり、正確に制御されます。

3. 開発: 開発プロセスを通じて回路パターンが形成されます。

フォトリソグラフィープロセスの最後のステップは現像と呼ばれ、写真を現像するプロセスと似ています。このステップは、ウェハ上の回路パターンの最終形状を決定するため、非常に重要です。現像液がウェーハ上にスプレーされると、特定の領域が選択的に除去されて、目的のパターンが作成されます。

フォトレジストは、光に対する反応に応じてポジ型またはネガ型のいずれかになります。ポジ型フォトレジストを使用する場合、光にさらされた（露光された）領域は現像中に除去され、露光されていない領域が残ります。逆に、ネガ型フォトレジストを使用すると、その逆のことが起こります。

現像ステップが完了すると、フォトリソグラフィープロセスは終了します。光学顕微鏡を含むさまざまな機器を使用して、ウェーハを注意深く検査します。すべての検査に合格したウェーハのみが次のステップに進みます。

この記事では、精密な回路設計をウェハ上に投影するフォトリソグラフィープロセスを紹介しました。このシリーズの次のパートでは、エッチングプロセスを通じて不要な材料を選択的に除去して、ウェハ上に目的の回路パターンを作成する方法を学びます。