フォトリソグラフィー

フォトリソグラフィー（光学リソグ​​ラフィーとも呼ばれる）は、光を用いてサンプル（通常はシリコンウェハ）上に堆積されたフォトレジスト層にパターンを転写するプロセスである。集積回路の製造に用いられる。

このプロセスは、フォトレジストと呼ばれる感光性材料を基板に塗布することから始まります。次に、所望のパターンが描かれたフォトマスクをフォトレジストの上に置きます。フォトマスクを通して光を照射すると、フォトレジストの特定領域が露光されます。露光された領域は化学変化を起こし、現像液に溶解するか不溶になります。現像後、エッチング、化学気相成長法、物理気相成長法、めっき、またはイオン注入法によって、パターンがサンプル上に転写されます。

フォトリソグラフィプロセスは、使用する光の種類に応じて、紫外線リソグラフィ、深紫外線リソグラフィ、極端紫外線リソグラフィ（EUVL）、およびX線リソグラフィに分類できます。使用する光の波長によって、フォトレジストに形成できる最小パターンサイズが決まります。一般的には紫外線（UV）が使用されます。^{[ 1 ]}

フォトリソグラフィーは、半導体製造において最も一般的な方法であり、固体メモリやマイクロプロセッサなどの集積回路（ICまたはチップ）の製造に用いられます。数ナノメートルという極めて微細なパターンを形成でき、形状やサイズを精密に制御できます。また、ウェハ全体にパターンを一度に、迅速かつ比較的低コストで形成することが可能です。複雑な集積回路では、ウェハがフォトリソグラフィー工程を最大50回も経ることがあります。さらに、マイクロ電気機械システム（ MEMS ）などのマイクロファブリケーション全般に​​おいても重要な技術です。しかしながら、フォトリソグラフィーは、完全に平坦でない表面にマスクを形成するためには使用できません。また、他のチップ製造プロセスと同様に、極めてクリーンな動作環境が求められます。

フォトリソグラフィーは、パターン化された薄膜を生成するプロセスの総称であるマイクロリソグラフィーのサブクラスです。このより広いクラスに含まれる他の技術には、操縦可能な電子ビームの使用、あるいはよりまれにナノインプリント、干渉、磁場、または走査プローブの使用が含まれます。より広いレベルでは、マイクロ構造およびナノ構造の指向性自己組織化と競合する可能性があります。^{[ 2 ]}

フォトリソグラフィーは、フォトレジストに光を照射することでパターンを作成するという点で、写真といくつかの基本的な原理を共有しています。これは、レンズを通して直接投影するか、コンタクト印刷のように基板上に直接配置されたマスクを照らすことによって行われます。この技術は、プリント回路基板の製造に使用される方法の高精度版と見なすこともできます。この名前は、紙にリソグラフィー印刷するための版を作成する伝統的な写真方法との緩やかな類似性から生まれました。 ^{[ 3 ]}しかし、プロセスのその後の段階は、従来のリソグラフィーよりもエッチングと共通点が多くなっています。

従来のフォトレジストは、一般的に樹脂、感光剤、溶剤の3つの成分から構成されている。

「photo」「litho」「graphy」という語根はすべてギリシャ語に由来し、それぞれ「光」「石」「書写」という意味を持つ。これらの語根を組み合わせた名称が示すように、フォトリソグラフィーは（もともとは石灰岩の印刷版を用いた）印刷方法であり、光が重要な役割を果たす。

1820年代、ニセフォール・ニエプスは、天然アスファルトであるユダヤ瀝青を最初のフォトレジストとして用いた写真技法を発明した。金属、ガラス、石などの板に薄く塗られた瀝青は、光にさらされた部分では溶解性が低下した。光にさらされていない部分は適切な溶剤で洗い流すことができ、下地の材料が露出した。この下地の材料を酸浴で化学的にエッチングすることで、印刷版が作られた。瀝青の感光性は非常に低く、長時間露光が必要だったが、後に高感度な代替品が登場したにもかかわらず、その低コストと強酸に対する優れた耐性により、20世紀初頭まで商業的に利用され続けた。

1940年、オスカー・ズースはジアゾナフトキノンを用いてポジ型フォトレジストを開発した。これは逆の作用をするものであった。コーティングは最初は不溶性であったが、光にさらされると溶解性になった。^{[ 4 ]} 1954年、ルイス・プランベック・ジュニアはダイクリルポリマー活版印刷プレートを開発し、製版プロセスを高速化した。^{[ 5 ]}フォトレジストの現像は、以前は現像液の浴槽に浸したウェーハのバッチ処理で行われていたが、現代のプロセスではプロセス制御を改善するためにウェーハ1枚ずつ現像する（シングルウェーハ処理）方式が採用されている。^{[ 6 ]}

1957年、ジュールズ・アンドラスはベル研究所で働きながら、半導体製造のためのフォトリソグラフィープロセスを特許取得した。^{[ 7 ] [ 8 ]}同時期に、アメリカ陸軍通信隊のモー・エイブラムソンとスタニスラウス・ダンコは、回路を印刷する技術を開発した。^{[ 8 ]}

1952年、米国軍は、国立標準局（後に米国陸軍ダイヤモンド兵器信管研究所となり、最終的に合併して現在の陸軍研究所となった）のジェイ・W・ラスロップとジェームズ・R・ナルに、近接信管内の限られたスペースに必要な回路をより適切に収めるために電子回路のサイズを縮小する方法を見つける任務を与えた。^{[ 9 ]}金属製航空機翼のリベット穴の境界をマークするために使用される感光性液体であるフォトレジストの応用からヒントを得て、ナルは、同様のプロセスを使用してトランジスタ内のゲルマニウムを保護し、光で表面をパターン化できると判断した。^{[ 10 ]}開発中に、ラスロップとナルはこの技術を使用してトランジスタを備えた2次元の小型ハイブリッド集積回路を作成することに成功した。^{[ 9 ]} 1958年、ワシントンDCで開催されたIREプロフェッショナルグループ電子デバイス（PGED）会議において、彼らは写真技術を用いたトランジスタの製造を記述した最初の論文を発表し、そのプロセスを記述するために「フォトリソグラフィー」という用語を採用した。これは、半導体デバイスのパターニングを記述するためにこの用語が初めて公表された例となった。^{[ 10 ] [ 3 ]}

電子部品のフォトリソグラフィーは、従来のリソグラフィー印刷のように石をエッチングして「マスター」を作成するのではなく、金属の複製をエッチングするものであるにもかかわらず、ラスロップとナルは「フォトエッチング」よりも「フォトリソグラフィー」という用語を選んだのは、前者が「ハイテク」に聞こえるからである。^{[ 9 ]}会議の1年後、ラスロップとナルのフォトリソグラフィーに関する特許は、1959年6月9日に正式に承認された。^{[ 11 ]}フォトリソグラフィーは後に、最初の半導体ICや最初のマイクロチップの開発に貢献することになる。^{[ 9 ]}

フォトリソグラフィの 1 回の反復では、いくつかのステップが順番に組み合わされます。最新のクリーンルームでは、自動化されたロボットのウェーハトラックシステムを使用してプロセスを調整します。^{[ 12 ]}ここで説明する手順では、シンニング剤などの高度な処理は省略されています。^{[ 13 ]}フォトリソグラフィ プロセスはウェーハトラックとステッパー/スキャナによって実行され、ウェーハトラックシステムとステッパー/スキャナは並べて設置されます。ウェーハトラックシステムは、ウェーハコーター/デベロッパーシステムとも呼ばれ、同じ機能を実行します。^{[ 14 ] [ 15 ]}ウェーハトラックは、機械内でウェーハを運ぶために使用される「トラック」にちなんで名付けられていますが、^{[ 16 ]}最新の機械ではトラックは使用されていません。^{[ 15 ]}

露光システムは通常、フォトマスクを使用してウェハ上に画像を生成します。フォトマスクは、一部の領域では光を遮断し、他の領域では光を透過させます。（マスクレスリソグラフィは、マスクを使用せずに正確なビームをウェハに直接投影しますが、商業プロセスでは広く使用されていません。）露光システムは、マスクからウェハに画像を転送する光学系によって分類できます。

フォトリソグラフィーは、印刷層がより滑らかで、波状のパターンが少なく、ドレイン・ソース電極の位置合わせがより正確であるため、印刷エレクトロニクスよりも優れた薄膜トランジスタ構造を製造します。^{[ 37 ]}

マスク用の画像は、コンピュータ化されたデータファイルから作成されます。このデータファイルは、一連のポリゴンに変換され、フォトリソグラフィプロセスを用いて、クロム層で覆われた溶融石英基板の正方形に書き込まれます。レーザービーム（レーザーライター）または電子ビーム（電子ビームライター）を用いて、データファイルで定義されたパターンを露光し、基板表面をベクトル走査またはラスター走査で走査します。マスク上のフォトレジストが露光された箇所では、クロム層をエッチング除去することで、ステッパー／スキャナーシステムの照明光が通過できるクリアな経路が確保されます。

ウェハ上に小さな特徴の鮮明な画像を投影する能力は、使用する光の波長と、照射されたマスクから十分な回折次数を捕捉する縮小レンズシステムの能力によって制限されます。現在の最先端のフォトリソグラフィツールは、波長が 248 nm (KrF) および 193 nm (ArF) のエキシマレーザーからの深紫外 (DUV) 光を使用しており(したがって、今日の主流のリソグラフィ技術は「エキシマレーザーリソグラフィ」とも呼ばれます)、最小特徴サイズを50 nm まで縮小できます。したがって、エキシマレーザーリソグラフィは、過去 20 年間のムーアの法則の継続的な進歩において重要な役割を果たしてきました(下記^{[ 41 ]}を参照)。 

プロジェクションシステムが印刷できる最小フィーチャサイズは、おおよそ次の式で表されます。

${\displaystyle CD=k_{1}\cdot {\frac {\lambda }{NA}}}$

どこ${\displaystyle \,CD}$は最小フィーチャサイズ（クリティカルディメンション、ターゲットデザインルール、または「ハーフピッチ」とも呼ばれる）です。${\displaystyle \,\lambda }$は使用される光の波長であり、${\displaystyle \,NA}$これは、ウェハーから見たレンズの開口数です。

${\displaystyle \,k_{1}}$（一般にk1係数と呼ばれる）は、プロセス関連の要因を包括する係数であり、生産の場合、通常は0.4に等しい。${\displaystyle \,k_{1}}$実際には、レチクルへの入射光の角度や入射光強度分布などのプロセス要因の関数です。プロセスごとに固定されています。）計算リソグラフィによってこの係数を小さくすることで、最小フィーチャサイズを小さくすることができます。

この式によれば、波長を短くし、開口数を大きくすることで（より狭い集束ビームとより小さなスポットサイズを実現するため）、最小特徴サイズを小さくすることができる。しかし、この設計方法には相反する制約がある。現代のシステムでは、焦点深度も考慮すべき点である。

${\displaystyle DOF=k_{2}\cdot {\frac {\lambda }{\,{NA}^{2}}}}$

ここ、${\displaystyle \,k_{2}}$は、プロセスに関連するもう一つの係数です。焦点深度は、フォトレジストの厚さとウェーハ上のトポグラフィーの深さを制限します。 高解像度リソグラフィー工程の前に、トポグラフィーを平坦化するために化学機械研磨がよく用いられます。

古典光学では、レイリー基準により k1=0.61 となる。^{[ 42 ]} 1.22 波長/NA 未満の距離で分離された 2 つの点の像は、その分離を維持せず、 2 つの点のエアリー ディスク間の干渉により大きくなる。ただし、2 つの特徴間の距離はデフォーカスによっても変化する可能性があることも覚えておく必要がある。^{[ 43 ]}

解像度は、2 次元のコンテキストでも自明ではありません。たとえば、線ピッチが狭いほど、線の端間のギャップ (垂直方向) が広くなります。^{[ 44 ] [ 45 ]}さらに根本的には、x ピッチと y ピッチの両方が解像度限界に近い場合、短い長方形の特徴では直線エッジが丸くなります。^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

先進ノードでは、波長ではなくぼけが解像度を制限する主要な要因となります。最小ピッチはぼけシグマ/0.14で与えられます。^{[ 50 ]}ぼけは線量^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]}だけでなく量子収率^{[ 54 ]}にも影響され、EUVの場合、確率的欠陥とのトレードオフにつながります。^{[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]}

解像度に加えて、焦点深度 (DoF) もリソグラフィ システムにおける重要な指標です。投影リソグラフィ システムでは、焦点深度は開口数 (NA) の二乗に反比例します。^{[ 58 ]}周期構造を照明することで焦点深度を大幅に向上させることができます。例えば、固定ライン ピッチの 2 ビーム イメージングなどです。一方、チップ ツー チップ ギャップなどの非周期的な特徴は焦点深度を著しく制限し、縮小できる範囲を制限します。これは、最小ピッチよりも解像度を効果的に制限します。^{[ 59 ]}

光は光子で構成されているため、低線量では最終的に画像品質は光子数に依存します。これは、極端紫外線リソグラフィ（EUVL）の使用に影響を与え、EUVLは20光子/ ^nm²程度の低線量の使用に制限されます。^{[ 60 ]} これは、波長が短いほど（光子あたりのエネルギーが高いほど）、同じエネルギー線量で得られる光子の数が少なくなるためです。画像を構成する光子の数が少ないため、エッジの位置決めにノイズが発生します。^{[ 61 ]}

ピッチパターンが大きくなり、回折次数が増え、照明光源点が増えると、確率的効果はより複雑になる。^{[ 62 ] [ 63 ]}

EUVリソグラフィにおける二次電子は確率的特性を悪化させる。^{[ 64 ]}

歴史的に、フォトリソグラフィーでは、水銀を使用したガス放電ランプからの紫外線が使用されてきました。場合によっては、キセノンなどの希ガスと組み合わせて使用​​されることもありました。これらのランプは、紫外線領域にいくつかの強いピークを持つ広いスペクトルの光を生成します。このスペクトルは、単一のスペクトル線を選択するためにフィルタリングされます。1960年代初頭から1980年代半ばまで、水銀ランプは、436 nm（「g線」）、405 nm（「h線」）、および365 nm（「i線」）のスペクトル線のためにリソグラフィーに使用されていました。しかし、半導体業界では、より高い解像度（より高密度で高速なチップを製造するため）とより高いスループット（より低いコストのため）の両方が必要になったため、ランプベースのリソグラフィーツールは、業界のハイエンドの要求を満たすことができなくなりました。   

この課題は、1982 年にIBM で Kanti Jain によってエキシマ レーザーリソグラフィが提案され、実証されたときに克服されました。 ^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]}エキシマ レーザー リソグラフィ装置 (ステッパーとスキャナ) はマイクロエレクトロニクス製造の主要なツールとなり、チップ製造における最小フィーチャサイズを 1990 年の 800 ナノメートルから 2018 年の 7 ナノメートルに縮小することを可能にしました。^{[ 69 ] [ 70 ]}さらに広い科学技術の観点から、1960 年のレーザーの最初の実証以来 50 年の歴史の中で、エキシマ レーザー リソグラフィの発明と開発は大きなマイルストーンとして認識されています。^{[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ]}

リソグラフィシステムで一般的に使用される深紫外エキシマレーザーは、波長248 nmのクリプトンフッ化物（KrF）レーザーと波長193 nmのアルゴンフッ化物（ArF）レーザーです。1980年代のエキシマレーザー光源の主要メーカーは、Lambda Physik（現在はCoherent, Inc.の一部）とLumonicsでした。1990年代半ば以降、Cymer Inc.がリソグラフィ装置メーカーへのエキシマレーザー光源の主要サプライヤーとなり、Gigaphoton Inc.が最も近いライバルとなっています。一般的に、エキシマレーザーは特定のガス混合物で動作するように設計されているため、波長を変更することは容易ではありません。新しい波長を生成する方法が完全に異なり、材料の吸収特性が変化するためです。たとえば、空気は波長193 nm付近で大きく吸収し始めます。193 nm未満の波長に移行するには、リソグラフィ装置に真空ポンプとパージ装置を設置する必要があります（これは大きな課題です）。不活性ガス雰囲気は、配管工事を不要にするために、真空の代わりとして用いられることがある。さらに、二酸化ケイ素などの絶縁材料は、バンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ光子にさらされると、自由電子と正孔を放出し、その結果、有害な帯電を引き起こす。    

光学リソグ​​ラフィは、193 nm ArF エキシマレーザーと液浸技術 を用いて、50 nm以下の微細加工まで拡張されました。液浸リソグラフィとも呼ばれるこの技術により、開口数（NA）が1.0を超える光学系の使用が可能になります。使用される液体は通常、超純水で、レンズとウェーハ表面間の通常の空気ギャップよりも高い屈折率を提供します。熱による歪みを排除するために、水は継続的に循環されます。水では最大で約1.4のNAしか得られませんが、より高い屈折率の液体を使用すれば、実効NAをさらに高めることができます。 

 F2 エキシマレーザーの157 nm 波長を現在の露光システムと同様の方法で使用した実験ツールが構築されました。これらはかつて 65  nm フィーチャサイズノードで 193 nm リソグラフィの後継となることを目標としていましたが、現在では液浸リソグラフィの導入によりほぼすべて廃止されています。これは、157  nm 技術の継続的な技術的問題と、193 nm エキシマレーザーリソグラフィ技術の継続使用を強く促す経済的考慮によるものです 。高屈折率液浸リソグラフィは、検討されている 193 nm リソグラフィの最新の拡張です。2006 年にIBM はこの技術を使用して 30 nm 未満のフィーチャを実証しました。 ^{[ 74 ]}これらのシステムでは、CaF2 フッ化カルシウムレンズが使用されました_。 [ ^{75 ] [ 76 ] 157} nmでの液浸リソグラフィが検討されました。^{[ 77 ]}  

 UVエキシマレーザーは、約126 nm (Ar ₂ *の場合)まで実証されています。水銀アークランプは、50～150ボルトの安定した直流電流を維持するように設計されていますが、エキシマレーザーはより高い解像度を持っています。エキシマレーザーは、通常、電界によって帯電した不活性ガスとハロゲン化ガス (Kr、Ar、Xe、F、Cl) で満たされたガスベースの光システムです。周波数が高いほど、画像の解像度が高くなります。KrFレーザーは、4  kHzの周波数で動作できます。より高い周波数で動作することに加えて、エキシマレーザーは、水銀アークランプよりも高度な機器と互換性があります。また、より遠い距離 (最大25メートル) から動作でき、一連のミラーと反射防止コーティングされたレンズで精度を維持できます。複数のレーザーとミラーを配置することでエネルギー損失が最小限に抑えられ、またレンズには反射防止材料がコーティングされているため、レーザーから出た光がウェハに当たるまで光の強度は比較的変化しません。^{[ 78 ]}

レーザーは、極端紫外線リソグラフィ 用に、13.5 nmの非コヒーレント極端紫外線 (EUV) 光を間接的に生成するために使用されてきました。EUV 光はレーザーからではなく、エキシマレーザーまたはCO ₂レーザーによって励起されたスズまたはキセノン プラズマから放出されます。^{[ 79 ]}この技術はシンクロトロンを必要とせず、前述のように、EUV 光源はコヒーレント光を生成しません。しかし、X 線スペクトルの端 (10 nm から始まる) の紫外線を扱うには、真空システムと多くの新しい技術 (現在生成されているよりもはるかに高い EUV エネルギーを含む) が必要です。2020 年現在、EUV は TSMC や Samsung などの最先端のファウンドリで量産に使用されています。 

理論的には、フォトリソグラフィーの代替光源として、特に波長が極端紫外線やX線まで短くなる場合、自由電子レーザー（X線装置の場合はXaserとも呼ばれる）が挙げられる。自由電子レーザーは、任意の波長で高品質のビームを生成できる。

可視光および赤外線フェムト秒レーザーもリソグラフィーに応用されています。この場合、光化学反応は多光子吸収によって開始されます。これらの光源の使用には、真の3Dオブジェクトの製造や、優れた光学的耐性を持つ非光増感（純粋な）ガラス状材料の加工など、多くの利点があります。^{[ 80 ]}

フォトリソグラフィーは、長年にわたりその終焉の予測を覆してきました。例えば、1980年代初頭には、半導体業界の多くの人々が、1ミクロン未満のパターンは光学的に印刷できないと考えるようになっていました。エキシマレーザーリソグラフィーを用いた最新の技術では、すでに使用する光の波長の数分の1の寸法のパターンを印刷できます。これは驚くべき光学的偉業です。液浸リソグラフィー、デュアルトーンレジスト、多重パターニングなどの新しい技術により、193 nmリソグラフィーの解像度は向上し続けています。一方、現在の研究では、電子ビームリソグラフィー、X線リソグラフィー、極端紫外線リソグラフィー、イオン投影リソグラフィー など、従来の紫外線に代わる技術が研究されています。極端紫外線リソグラフィーは、2018年にサムスン^{[ 81 ]}によって量産に導入され、他のメーカーもそれに続いています。

大規模並列電子ビームリソグラフィはフォトリソグラフィの代替として研究され、TSMCによってテストされましたが、成功しませんでした。この技術の主要開発者であるMAPPERの技術はASMLに買収されましたが、電子ビームリソグラフィはかつてIBMによってチップ製造に使用されていました。^{[ 82 ] [ 83 ]}電子ビームリソグラフィは、フォトマスク製造などのニッチな用途でのみ使用されています。^{[ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]}

2001年のNISTの出版物では、フォトリソグラフィー工程がウェーハ処理コスト全体の約35%を占めていると報告されている。^{[ 89 ]： 11}

2021年には、フォトリソグラフィー産業の市場規模は80億米ドルを超えた。^{[ 90 ]}

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