マイクロアライン

マイクロアラインは、1973年にパーキンエルマー社によって導入されたアライナーのファミリーです。マイクロアラインは、半導体製造コストを劇的に削減したコンセプトである最初のプロジェクションアライナーでした。チップヒストリーセンターによると、それは「文字通り現代のICを製造した」とのことです。集積回路産業」^{[ 1 ]}

マイクロアラインは、初期の集積回路（IC）業界における重大な問題、すなわち、製造されたICの大部分に欠陥があり、使い物にならないという問題を解決しました。平均すると、複雑なICのうち正常に動作するのは約10個に1個、つまり歩留まりは10%程度でした。マイクロアラインはこの歩留まりを50%以上に、多くの用途では70%にもまで向上させました。その結果、マイクロプロセッサやダイナミックRAM製品の価格は1974年から1978年の間に約10分の1にまで下落し、この頃にはマイクロアラインはハイエンド市場でほぼ普遍的な存在となっていました。

当初は50台程度しか売れないと予想していたパーキンエルマー社は、最終的に約2,000台を販売し、¹⁹⁷⁰年代後半から1980年代初頭にかけて半導体製造装置分野で圧倒的に最大のベンダーとなった。マイクロリソグラフィー部門として設立された同社は^、1980年までにパーキンエルマー社の部門の中で最大の収益を上げ、同社の利益の大部分を占めるようになった。

同社は、1980年代半ばからほとんどの用途で投影アライナーに取って代わったステッパーの台頭への対応が遅れた。これに対し、極端紫外線（EUV）技術への移行を試みたが、技術が未成熟だったため失敗に終わった。その後、ヨーロッパのステッパー会社を買収するという試みも、業績を好転させるには至らなかった。1990年、パーキンエルマーはこの部門をシリコンバレーグループ（現在はASMLホールディング傘下）に売却した。

集積回路（IC）は、フォトリソグラフィーと呼ばれる多段階プロセスで製造されます。このプロセスは、ブールと呼ばれる結晶円筒から高純度シリコンの薄いディスクを切り出すことから始まります。最初の処理後、これらのディスクはウェーハと呼ばれます。ICは、ウェーハの表面にパターン化された1つ以上のラインと領域層で構成されています。^{[ 3 ]}

ウェハにはフォトレジストと呼ばれる化学物質が塗布されます。最終的なチップ設計の1層は、ステンシルに似た「マスク」に印刷されます。マスクをウェハの上に置き、紫外線（UV）ランプ（通常は水銀アークランプ）をマスクに照射します。プロセスに応じて、光にさらされたフォトレジストの領域は硬化または軟化し、軟化した領域は溶剤で洗い流されます。その結果、マスクのパターンがウェハの表面に複製されます。次に、化学処理によってパターンに所望の電気的特性が付与されます。^{[ 3 ]}

このプロセス全体を数回繰り返して、完全なIC設計を構築します。各ステップでは、異なるマスク上に異なる設計を使用します。特徴はマイクロメートル単位で測定されるため、既に堆積された以前の設計は、適用される新しいマスクに正確に位置合わせする必要があります。これがアライナーの目的であり、元々は顕微鏡を使用して手動で行われていた作業です。^{[ 3 ]}

より大きなウェハを使用することには、より多くの個々の IC を表面にパターン形成し、一連の単一の操作で製造できるため、同じ期間により多くのチップを生産できるという強力な経済的根拠があります。しかし、より大きなウェハは重大な光学上の問題を引き起こします。非常に高い均一性を維持しながら領域全体に光を集中させることは大きな課題でした。1970 年代初頭までに、ウェハの 直径はしばらくの間約 2.5 インチで、ちょうど 3 インチに移行しようとしていましたが、既存の光学システムはこのサイズで問題を抱えていました。新しいウェハ サイズが導入されるたびに、光学システムをゼロから再設計する必要がありました。^{[ 4 ]}

マイクロアラインの歴史は、1967年に米国空軍と締結した高解像度アライナーの契約に遡ります。当時、空軍はICの最大ユーザーの一つであり、ICはミニットマンミサイルをはじめとする多くのミサイルシステムに使用されていました。コスト、特に市場投入までの時間は、空軍が改善に関心を持っていた大きな問題でした。^{[ 10 ]}

近接アライナーという別のタイプのアライナーも使用されていました。名前が示すように、これはマスクをウェハに直接接触させるのではなく、ウェハに非常に近い位置に保持します。これによりマスクの寿命が延び、より複雑な設計が可能になりましたが、回折効果により、コンタクトアライナーに比べて比較的大きな特徴にしか使用できないという欠点がありました。さらに厄介だったのは、マスクをウェハに対して完全に平坦にするために3軸で位置合わせする必要があり、これは非常に時間がかかるプロセスであり、マスクが垂れ下がらないように保持する必要があったことです。^{[ 10 ]}

空軍は偵察用光学機器に関して長年パーキンエルマー社と協力しており、ライト・パターソン空軍基地の空軍資材軍団は、近接マスキングシステムを改良できるかどうかを試す契約をパーキンエルマー社に提供した。^{[ 10 ]}その結果生まれたのがマイクロプロジェクターである。設計の鍵は、極めて集束された光源を生成する16個のレンズ構成であった。このシステムは、最高のコンタクトアライナーに匹敵する2.5μm（100万分の1インチ）の微細構造を生成できた。^{[ 9 ]}  

このシステムは空軍が設定した目標を達成する上で効果的であったものの、実用的ではなかった。^{[ 11 ]}レンズの数が多かったため、分散が大きな問題となり、1,000Wランプからの光の大部分を捨てて、幅わずか200オングストロームの紫外線帯（G線）以外のすべてをフィルタリングすることで 対処した。これにより、露光時間は既存の近接設計よりもさらに長くなった。^{[ 9 ]}

もう一つの大きな問題は、フィルターが可視光だけでなく紫外線も除去してしまうため、オペレーターがアライメントプロセス中にチップを目視することができなくなることでした。この問題を解決するために、アライメント中に使用できる紫外線から可視画像を生成するイメージインテンシファイアシステムを追加しましたが、これによりユニットのコストが増加しました。^{[ 9 ]}

当時電気光学部門のマネージャーだったハロルド・ヘムストリートは、パーキンエルマー社がマイクロプロジェクターを改良できると考えていた。彼は同社の主任光学設計者であるエイブ・オフナーに解決策を考案するよう依頼した。オフナーは、レンズの代わりにミラーを使って光を集束させるシステムを模索することにした。これにより、分散の問題を回避できると考えた。ミラーには収差という別の問題があり、ミラーの端付近で焦点を合わせるのが難しい。3インチの大型ウェハーへの移行という要望と相まって、ミラーは利点があるにもかかわらず、難しい解決策となった。^{[ 9 ]}

オフナーの解決策は、ミラーシステムのごく一部だけを使ってマスクを結像させることだった。その部分では焦点が確実に合っていることが保証されていた。これは主鏡の中心からほぼ半分ほど外側に伸びる細いリングに沿った部分だった。つまり、マスクの像のこの細片だけが適切に焦点が合っていた。この方法は、得られた光をマスクのサイズまで拡大すれば使えるが、ロッド・スコットは代わりに、この細片の光をマスク全体に走査して使うことを提案した。^{[ 12 ]}

スキャンでは、コンタクトアライナーでウェハ全体に光を照射する場合と同じ時間だけフォトレジストに光を照射する必要があるため、一度に小さな部分しか画像化できないスキャナーは動作がはるかに遅くなることを意味していました。しかし、ミラーが無色収差であるため、狭い周波数帯域だけでなく、ランプの出力全体を使用することができました。最終的に、2つの効果が互いに相殺し合い、新しいシステムの画像化時間はコンタクトシステムと同等になりました。^{[ 9 ]}

ジョン・ボッサングは、マスクを写真スライドにコピーする概念実証システムを構築した。これにより、実用例を製作するための10万ドルの契約を空軍から獲得した。^{[ 13 ]}

10万ドルではそのようなシステムを商業生産するには不十分だったため、ヘムストリートは経営陣に開発資金を出すよう説得しなければならなかった。当時、別の部門がレーザー活版印刷機、高速通貨印刷システムの開発資金を求めており、ヘムストリートは、そのプロジェクトではなくそちらに資金を出すべきだと主張しなければならなかった。^{[ 14 ]}取締役会が潜在的な市場について尋ねたとき、彼は会社がシステムを50台販売できるかもしれないと提案したが、誰もそのような機械が50台も必要になるとは想像できなかったため、笑いものにされた。^{[ 15 ]}それにもかかわらず、ヘムストリートはプロジェクトの承認を得ることに成功した。^{[ 16 ]}

1971 年 5 月、機械設計者のジェレ・バックリーと光学エンジニアのデイブ・マークルが率いる製造チームが結成された。オフナーの当初の設計では、マスクとウェハーを水平方向に、マスクがミラーシステムの有効領域を通過するのと全く同じ動きで走査する必要があった。これは、必要な精度で配置するのが非常に困難であるように思われた。^{[ 13 ]}彼らは、マスクとウェハーの両方を C 字型ホルダーの両端に保持し、主鏡に対して直角に配置する新しいレイアウトを開発した。新しいミラーは光を直角に反射するため、ホルダーの垂直方向の動きが主鏡上の水平走査に変換され、ルーフプリズムが最終画像を反転させることで、マスクとウェハーが鏡像を生成しないようにした。C 字型ホルダーを十分に大きくすることで、アセンブリを回転させると、必要な解像度に対して十分すぎるほど正確な水平走査の複製が得られた。非常に滑らかな回転運動を実現するためにフレキシブルベアリングが使用された。パーキンエルマーは、機構に一握りの砂を投げ込んでも完璧に動作すると自慢した。^{[ 17 ]}スキャナが故障したという記録はない。^{[ 18 ]}

基本的な機械設計は 1971 年 11 月までに完了しました。次のステップは、ミラーの湾曲部分を効率的に照らすことができるランプを考案することでした。彼らはAdvanced Radiation Corporationの Ray Paquette に連絡し、約 2 時間作業した後、湾曲ランプのサンプルを作成しました。次に Offner は、湾曲形状に対応する新しいコリメータを設計しました。ランプからの光のほぼすべてが使用されるため、スキャンは 10 ～ 12 秒で完了し、従来のシステムに比べて劇的に改善されました。次の問題は、システムが UV 光のみを集束するため、マスクをどのように位置合わせするかでした。これは、 UV 光を反射するが可視光を反射しない誘電体コーティングを追加することで解決されました。位置合わせプロセスでは別のランプが使用され、光は光学系を通過して、オペレーターがマスクの位置合わせに使用する顕微鏡に送られました。^{[ 17 ]}

製品は1973年の夏に発売される予定だった。発売前の販売活動として、同社はテキサス・インスツルメンツ向けに一連のウェハーを製造し、それを「ゴールデンウェハー」として潜在顧客に見せた。ウェハーをレイセオンに見せたところ、拒否された。ナショナル・セミコンダクターは感銘を受け、フェアチャイルド・セミコンダクターはウェハーの電子顕微鏡画像を作成したが、そこには「ひどいエッジ」があることが示された。ノークロスにある本社に戻る頃には、レイセオンは問題はアライナー自体ではなく、フォトレジスト層にあるかもしれないと示唆していた。彼らは経験豊富なオペレーターの1人をパーキンエルマーに派遣し、同社がこれまで対処したことのない製造上の実際的な問題の解決に取り掛かった。^{[ 6 ]}

現在マイクロアライン100として知られるこの装置の最初の販売は1974年にテキサス・インスツルメンツ社で、同社はこの装置に98,000ドルを支払った。これは2025年の639,777ドルに相当し、既存のハイエンドコンタクトアライナーの約3倍の価格だった。^{[ 19 ]}その後、インテル社とレイセオン社にも販売された。インテル社は自社のシステムを秘密にしており、特にメモリデバイスなどの新製品を他社には真似できない価格で導入することができた。秘密は最終的に、インテル社の従業員が退職した際に漏洩した。^{[ 20 ]}

初期の顧客へのセールストークは単純だった。既存のガラス製マスターマスク、つまり「レチクル」を使用すれば、作業用マスクを印刷する必要が全くなくなる。マスクは10回ではなく10万回使用できる。翌年には、同社はフル生産体制に入り、1年分の受注残を抱えていた。1976年までに、月30個を販売していた。^{[ 21 ]}初期使用中に見つかった唯一の問題は、長時間露光により熱膨張による新たな問題が生じたことで、これは従来のソーダ石灰ガラスからホウケイ酸ガラスにマスクを変更することで解決された。 ^{[ 22 ] [ b ]}

本当の利点はマスクコストの削減ではなく、歩留まりの向上でした。1975年の第三者調査会社の報告書では、その驚くべき利点が概説されています。汚れや乳剤の付着による接触の問題が解消されたため、歩留まりが劇的に向上しました。7400シリーズのような単純な単層ICの場合、コンタクトプリンティングでは歩留まりが75%でしたが、Micralignでは90%に向上しました。より大きなチップでは結果はさらに劇的でした。一般的な4機能電卓チップでは、コンタクトプリンティングでは歩留まりが30%でしたが、Micralignでは65%になりました。^{[ 6 ]}

マイクロプロセッサは、Micralign の導入後に初めて真に役立つようになりました。^{[ 23 ]} Intel 8088 の歩留まりは、旧システムでは約 20% でしたが、Micralign では 60% に向上しました。^{[ 24 ]}他のマイクロプロセッサは、最初から Micralign での製造を前提として設計されました。Motorola 6800 はコンタクト アライナーを使用して製造され、単体で 295 ドルで販売されました。Chuck Peddle は、顧客がその価格では購入しないことに気づき、低コストの代替品を設計しました。Motorola の経営陣が開発資金の提供を拒否したため、彼は退社し、MOS Technologyに移りました。同社のMOS 6502は、Micralign を念頭に置いて特別に設計され、高い歩留まりとより小さな機能セットの組み合わせにより、1 個あたり 5 ドルの設計コストを達成しました。彼らは6800のわずか1年後に6502を発表し、単品で25ドルで販売し、その後、RIOTサポートICを搭載した6507をアタリに1ペアあたり合計12ドルで販売した。^{[ 25 ]}

IC市場の変化に対応するため、製造ラインにはいくつかの改良が加えられた。その最初の改良点の一つが、モデル110に搭載された自動ウェハーローダーである。これにより、作業者は多数のウェハーを連続して迅速にマスク処理できるようになった。

モデル111は、100の後継となるシングルウェハモデルで、2インチ、2.5インチ、または3インチのウェハに対応し、オプションで4×4インチ、3.5×3.5インチ、または3×3インチのマスクにも対応可能でした。モデル120は、自動ウェハローディング機能を備えた111でした。130は、 シングルウェハシステムで100 mmウェハと5×5インチのマスクに対応し、140は130にウェハローディング機能を追加したものです。 ^{[ 26 ]}既存のモデルは、変換キットを使用することで、他のウェハやマスクサイズに対応させたり、ウェハローディング機能を追加したりすることができました。^{[ 27 ]}

第2世代のMicralignは1979年に導入されました。これは高解像度とより大きなウェハーを扱う能力を提供しましたが、25万ドル（2025年換算で1,109,010ドル）と非常に高価でした。この高価格は、フィーチャーサイズが小さくなったため、ウェハーあたりにより多くのチップを印刷できる能力によって相殺されました。^{[ 28 ]} 1981年のモデル500はスループットを1時間あたり100枚のウェハーに増加し、スループットの向上により67万5000ドル（2025年換算で2,390,419ドル）の価格を相殺しました。^{[ 28 ]}

1980年代初頭までに、パーキンエルマーは、多くの企業がこの分野に参入しようと努力したにもかかわらず、アライナー市場の大部分をしっかりと支配していた。1976年から1980年の間に、同社の総売上高は3倍の9億6600万ドルとなり、2025年には37億7465万6704ドルに相当する。そのうち1億400万ドルはマイクロリソグラフィー部門からのもので、同社最大の部門であり、圧倒的に最も収益性の高い部門となった。^{[ 28 ]}

パーキンエルマーがマイクロアラインを発表していた頃、他のいくつかの企業も、ますます大きくなるウェハー全体に光を集中させるという同じ基本的な問題に対して、さまざまな解決策に取り組んでいた。以前はジオフィジカル・コーポレーション・オブ・アメリカと呼ばれていたGCAは、一度にウェハーのごく一部にのみ焦点を合わせ、マスクの画像を約10倍に拡大することで、より大きなマスクを通してより多くの光を照射し、単一のUV光帯域しか使用していないという事実を補うというコンセプトに取り組んでいた。IBMはマイクロアラインが市場に出たのとほぼ同時期にこのシステムを購入したが、このシステムを諦め、決して機能しないと結論付けた。^{[ 29 ]}

1981年までに、GCAはステッパーシステムの問題を解決した。その期間中、チップ業界はより高密度な機能とより複雑な設計へと絶えず移行していた。Micralignは解像度が限界に達しつつあったが、GCAシステムの追加の拡大により、より細かいフィーチャサイズでの動作が可能になった。Micralignがコンタクトプリンタの販売を終わらせたのとほぼ同じ速さで、GCAのステッパーはMicralignの販売を終わらせた。Perkin-Elmerは、より高い解像度を強く求めていた顧客の声に耳を傾けず、新しいシステムの研究開発を無視していただけだった。^{[ 30 ]}

ステッパーの代わりに、パーキンエルマーのモデル600は解像度の問題に対する解決策として「深紫外」（DUV）に賭けた。IBMはこれを使用してメモリチップシリーズを実行したが、DUVで機能する効果的なフォトレジストを他に持っている人はいなかったため、このシステムを購入する顧客はほとんどいなかった。^{[ 31 ] [ 32 ]}ステッパーはMicralignよりもはるかに遅く、はるかに高価だったため、販売は非常にゆっくりと始まったが、^{[ 28 ]} 1980年代半ばまでにステッパーは急速に市場を席巻した。^{[ 33 ]}

市場での地位を維持しようと、パーキンエルマーは1984年にリヒテンシュタインのステッパー会社であるセンサーを買収した。この製品は市場で大きな成功を収めることはなく、1987年のGCAの破産にもかかわらず、パーキンエルマーはマイクロリソグラフィー部門を諦め、電子ビームリソグラフィー（EBL）部門とともに1989年4月に売却することを決定した。EBL事業はすぐに売却されたが、アライナー部門は長引いた。1990年、シリコンバレーグループ（SVGL）がIBMを含む複数の企業による取引で買収した。この取引はニコンが仲介した。^{[ 34 ]} SVGLは2001年にASMLホールディングに買収された。^{[ 35 ]}