193ナノメートルの光で、なぜ数十ナノメートルの線が焼けるのか？ 液浸露光とマルチパターニング

193ナノメートルの深紫外線で数十ナノメートルの線が焼けるのは、波長のほかに4つの工夫があるからです。レンズがどれだけ斜めの光まで取り込めるか（開口数）、レンズとウェーハのあいだに水を入れること（液浸露光）、密すぎる層を2回、3回に分けて焼くこと（マルチパターニング）、そしてフォトマスクの図をあらかじめ直しておくことです。液浸露光は英語でimmersion lithography、193ナノメートルのArFエキシマレーザーと組み合わせるので「ArF液浸」とも呼ばれます。マルチパターニングのうち、2回に分けるものはダブルパターニングといいます。

リソグラフィの基本の流れは「フォトリソグラフィとは？」、マスクの図の直し方は「OPC（光近接効果補正）とは？」へ。この記事では残りの3つを扱います。

光のほうが線より太いのに、なぜ焼けるのか

光はフォトマスクのとても細いすき間を通ると、横に広がります。これを回折といい、すき間が細いほど、より斜めに広がります。露光装置のレンズは、広がった光を集め直して、ウェーハの上に図を組み立て直します。そして図のいちばん細かいところは、いちばん斜めに広がった光が運んでいます。

だから波長のほかに、レンズがどれだけ斜めの光まで取り込めるかが効きます。これを開口数（NA）といい、大きいほど斜めの光まで集められます。

教科書では、焼ける細さはおおよそ「係数×波長÷開口数」と説明されます。係数はプロセスの腕前（光の当て方、レジストの良し悪し）で決まり、1回の露光では理論上0.25が下限で、量産ではそれより少し大きくなります。ここでいう「細さ」は、同じ幅の線とすき間がびっしり並んでいるときの、線1本の幅のことです。

レンズとウェーハのあいだが空気だと、なぜ足りないのか

従来のドライ露光では、レンズの最後の1枚とウェーハのあいだは空気です。光がガラスから空気へ斜めに出るとき、ある角度より斜めだと外に出られず、全部はね返されます。水にもぐって斜めに見上げると、水面が鏡のように見えるのと同じです。そのため空気の中では開口数は必ず1より小さく、いちばん進んだドライの装置で約0.93でした。

式に入れると、0.25×193÷0.93で約52ナノメートル。これがドライの1回露光の理論上の限界です。

水を入れると、なぜよくなるのか

屈折率は、その物質の中を光がどれだけゆっくり進むかだと考えてください。空気は1、193ナノメートルの光に対して水は約1.44です。レンズとウェーハのあいだを水にすると、それまではね返されていた斜めの光が水に入り、ウェーハまで届きます。開口数は1を超えられるようになり、最大で約1.35です。

別の見方もできます。水の中では光の波長が1÷1.44に縮み、193ナノメートルの光は約134ナノメートルになります。「実効波長」が短くなるのです。

係数が同じなら、開口数が0.93から1.35になると、焼ける線は約3割細くなります。0.25×193÷1.35で約36ナノメートル。量産での1回露光は、40ナノメートル前後が目安です。液浸露光は2000年代半ばから量産に使われています。

液浸露光では、1つずつ何に気をつけるのか

水のおかげで線は細くなりましたが、気をつけることも増えました。

ステップ1：レジストの上に、まず保護をのせる

• 何をする：レジストを塗ったあと（「フォトレジストとは？」）、とても薄い保護膜（トップコート）を重ねることが多く、表面が自然に水をはじくレジストを使うこともあります。
• なぜ：レジストが水につかると、成分の一部が水に溶け出し、水もレジストにしみ込みます。
• しないとどうなる：レジストの光への感じやすさが変わり、線幅がずれます。欠陥が増えることもあります。

ステップ2：水はレンズの下だけに。送りながら吸い取る

• 何をする：レンズの下の輪のようなフードが、レンズとウェーハのあいだの狭いすき間に超純水を送りつづけ、外側から吸い取ります。
• なぜ：露光中、ウェーハステージはレンズの下を高速で動き、1ショットずつ焼いていきます。水をレンズの下の小さな範囲にとどめておかないと、振り飛ばされてしまいます。
• しないとどうなる：水が行くべきでないところへ行き、ウェーハや装置に水滴や汚れが残ります。

ステップ3：水はとても純粋に、とても安定させ、泡を入れない

• 何をする：溶けている気体を抜いた超純水を使い（「超純水はどれくらい純粋？」）、温度もとても安定させます。
• なぜ：泡やパーティクルは光を散らします。カメラのレンズについたほこりのようなものです。また水の屈折率は温度で変わるので、温度がふらつくと、光の焦点の位置もふらつきます。
• しないとどうなる：泡の影がレジストに焼き付いて欠陥になります。焦点がずれれば、図がぼやけます。

ステップ4：レンズが通ったあとに、水を残さない

• 何をする：ウェーハの表面をよく水をはじくようにし、フードが通ったところの水をすべて回収します。
• なぜ：ウェーハステージが速く動くほど、うしろに小さな水滴を引きずりやすくなります。表面が水をはじくほど、水がついてこられます。
• しないとどうなる：水滴が乾いて跡（ウォーターマーク）が残り、そこのパターンがだめになります。表面がどれだけ水をはじくかが、装置をどこまで速く動かせるかの上限にもなります。

1回の露光でまだ足りないときは？

もっと密になると、1回の露光では線と線を分けられません。そこで1つの層を何回かに分けてつくります。これがマルチパターニングです。よく使われるのは2つのやり方です。

2枚のマスクに分けて、2回焼く

密すぎる線の列を、1本おきに2枚のマスクに分けます。どちらのマスクも線の間隔が2倍に広がるので、1回の露光で焼けます。1枚目を焼いてエッチングし、2枚目を焼いてエッチングすると、2組の線が合わさって、間隔が半分になります。英語でlitho-etch-litho-etch、略してLELEと呼ばれます。

むずかしいのは位置合わせです。2回目は1回目にぴったり合わせなければならず、少しでもずれると、すき間が片側だけ広く、片側だけ狭くなります（「重ね合わせ（オーバーレイ）とは？」）。

まばらな線をつくり、その側面の膜を線にする（自己整合）

1. まばらな線の列をつくる：間隔は最終的にほしい間隔の2倍。1回の露光とエッチングでつくれます。
2. ウェーハ全体に均一な膜をつける：1本1本の線に上着を着せるようなものです。膜の厚さが、そのまま新しい線の幅になるので、とても均一に成膜します（成膜は「成膜とは？」）。
3. 真下に向かって削り、上と底の膜を取る：線の両側に張り付いた部分だけが残ります。削り足りないと線どうしがつながったまま、削りすぎると側面の膜まで少し削れてしまいます。
4. もとの線を取り除く：両側の膜が残り、1本の線が2本になって、間隔は半分になります。新しい線はもとの線に沿ってできるので、もう一度位置合わせをする必要がありません。だから自己整合といいます（自己整合ダブルパターニング、SADP）。
5. 切るためのマスクを、もう1枚焼く：できあがるのは端どうしがつながった線の列なので、いらない部分を切り離します。切らないと、つながってはいけないところがつながったままです。

これをもう1回くり返すと、間隔は4分の1になります。

代わりに何が増えるのか

• マスクが増える：いちばん焼きにくい層に、2枚以上のマスクが要ります（1セットがなぜ高いのかは「フォトマスクとは？」）。
• 工程が増える：露光、エッチング、成膜が1回増えるごとに、ウェーハが通る工程が増え、待ち時間も延び、失敗のチャンスも1回増えます。
• 位置合わせが厳しくなる：何回かに分けてつくった図を1つの層に組み合わせるので、許されるずれは1回で焼くときより小さくなります。
• 図を自由に描けない：近すぎる2つの図形は同じマスクに置けません。自己整合のやり方は、平行な線の列がいちばん向いています。

いちばん細い層は、その後どうなったのか

いちばん細いいくつかの層は、のちに波長約13.5ナノメートルの極端紫外線に移り、1回の露光で焼ける層も出てきました。くわしくは「極端紫外線（EUV）とは？」へ。ほかの多くの層は、いまも193ナノメートルの液浸露光です。チップには数十の層があり、どの層もそこまで細いわけではないからです。

fab24hrでは

「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「量産工場」を押して、左右にスワイプしてプロセスエンジニアにし、名前の下の「リソグラフィ」を押すと、リソグラフィのプロセスエンジニアになります。朝シフト「アライメント規格外」では、ロットP-3A08の重ね合わせが規格外で、リワークするか、そのまま流すかを決めます。

クリーンルームの左側にあるリソグラフィエリアを押し、説明カードで「分解して見る」を押すと、露光装置のモデルが開きます。部品のひとつ「液浸フード」には「レンズのいちばん下の1枚とウェーハのあいだには、ごく薄い超純水の層しかない」と書いてあります。「動きを見る」を押すと、マスクとウェーハが逆向きにいっしょに動き、1区画ずつ焼いていくところが見られます。ホーム画面の「学習」タブで「露光装置」を押しても、同じ装置が開きます。ゲームでは露光装置の開口数は出てこず、マルチパターニングも描いていません。装置のモデルは一般的な図解です。ゲームに出てくる会社・人物・ロット番号・数字は架空で、液浸露光とマルチパターニングは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。