半導体工場のマスクエンジニアは何をしている？

半導体工場のマスクエンジニアが見るのは、工場にあるすべてのフォトマスク（レチクルとも呼びます）です。マスクをつくる工場から受け入れ、検査し、保管し、守り、しばらく使ったら外してもう一度検査し、汚れたり傷んだりしたら洗浄や修正を手配します。フォトマスクは露光に使う「ネガ」です。それがどうやってパターンをウェーハに焼き付けるかは「フォトリソグラフィとは？」で書いたので、ここではくり返しません。

「マスクエンジニア」は、マスクそのものをつくる工場の仕事を指すこともあります。この記事はもう一方の話です。マスクが半導体工場に届いたあと、それをきちんと守る人のことです。

なぜフォトマスクに専任の人がいるの？

マスクは「はんこ」だからです。露光装置は同じマスクで、ウェーハに1ショットずつ押していき、全面を埋めます。マスクに点がひとつ増えれば、どのショットにも、同じ位置に点がひとつ増えます。

しかも押すのは1枚のウェーハだけではありません。同じマスクが、今日はこのロット、明日は次のロットを焼きます。誰も気づかない点は、ロットからロットへ焼き付けられ、たくさんのチップがまとめて不良になり、歩留まりが下がります。

そのうえマスクは高価です。チップの層ごとに1枚ずつマスクがあり、1セットで数十枚になることもよくあります。1枚がだめになれば、予備がない限り、その層はつくれません。だからマスクの小さなミスは、ウェーハ1枚のミスよりずっと高くつくことが多いのです。

マスクが届いたら、何を調べる？

マスクはマスクショップから専用のケースに入って届きます。受け入れのとき、マスクエンジニアはまず3つのことを確かめます。

• 正しい1枚か：マスクの番号が合っているか。
• きれいか：マスク検査装置で全面をスキャンします。パーティクルや、パターン上にあってはいけないものが、明るい点として示されます。
• 出荷報告と合っているか：マスクショップも出荷前に調べていますが、輸送中に何か起きることもあります。

工場によっては、先にテスト用のウェーハを1枚露光して線幅を測り、欠陥を見て、問題がないと確かめてからロット全体を流します。これを試し露光といいます。

ペリクルは何のため？

マスクの上には、透明な薄い膜がかぶせてあります。ペリクルといいます。枠で支えられ、パターンの数ミリ上に浮いています。

この数ミリが大事です。露光装置のピントはパターンに合っています。膜の上に落ちたほこりはピントから遠すぎて、ぼやけて焼けるので、たいてい見えません。パターンに直接落ちたほこりは、くっきり焼き付けられます。ペリクルは、ほこりを「ピントの合わない場所」に落とすためのものです。クリーンルームがどれほどきれいでも、空気中にはわずかにパーティクルが残っています（「クリーンルームはどれくらいきれい？」）。だからこの膜が要るのです。

ペリクルにも手入れが要ります。

• とても薄く、じかに触れてはいけません。
• 露光の光を浴び続けると少しずつ劣化するので、使える量に上限があります。
• 傷ついたり破れたりすると、ほこりがパターンまで届くかもしれないので、たいていははがして張り替えます。

極端紫外線で使うマスクは光を反射させる別の種類で、ペリクルはさらにつくるのが難しくなります。とても吸収されやすい光を通さなければならず、その光で熱くなるからです。くわしくは「極端紫外線（EUV）とは？」へ。

マスクはなぜ「ヘイズ」で曇るの？

ヘイズは、マスクをしばらく使ううちに、表面にゆっくり育つとても細かい結晶です。ガラスが曇ったように見えます。

ほこりが落ちたのではなく、「育つ」ものです。よく言われる説明はこうです。表面にごくわずかに残った化学物質、たとえば洗浄で残ったイオンが、露光の光と空気中の水分に出会い、ゆっくり反応して結晶になる。研究で見つかった主な成分は硫酸アンモニウムです。露光が多いほど速く育ち、露光の光の波長が短いほど問題は大きくなります。

はじめのうち、結晶は通り抜ける光を少し暗くするだけで、線幅がわずかにずれるかもしれない程度です。大きく育つと、ウェーハにそのまま焼き付けられます。だからマスクはふだん専用のケースや保管庫に入れ、できるだけきれいで乾いた状態にして、育つのを遅らせます。

使ううちに、なぜまた検査するの？

届いたときにきれいでも、ずっときれいとは限らないからです。ヘイズは育ち続けます。動かすたび、装置に載せたり外したりするたびに、パーティクルがつくかもしれません。静電気や電界でさえ、マスクの細い線を傷めることがあります。

そこで、しばらく使ったマスクは、外してもう一度スキャンします。検査しすぎればマスクが使えない時間が増え、少なすぎれば問題が育ってから見つかるかもしれません。どれくらいの間隔がいちばん割に合うかを調べた研究もあります。

ウェーハの側も見ています。現像後の検査で、どのショットにも同じ位置に同じ点があれば、それは繰り返し欠陥と呼ばれ、ほぼマスクの問題です。1ショットにしかない点なら、ウェーハ上のパーティクルの可能性が高いです。

マスクには1枚ずつ履歴もあります。いつ届いたか、ペリクルを張ってどれくらいか、どれだけ露光したか、検査のたびに何が見つかったか。

マスクが汚れたり傷んだりしたら、どうする？

まず使うのをやめ、予備に替え、それから調べます。マスクを露光装置から外し、予備があれば載せ替え、外したマスクを検査装置で拡大して見ます。そしてさかのぼります。この点は、どのロットから出ていたのか。そのロットはまずホールドし、ロットの担当者が判断します。まだエッチングに進んでいないウェーハならリワークできます。

どうするかは、見つかったものしだいです。

見つかったもの	よくある対処
ペリクルの上の小さなほこり	たいてい焼けない。位置を記録して、その後も追う
ペリクルの下、パターン上のパーティクル	ペリクルをはがし、洗浄し、新しいペリクルを張って、もう一度検査
ヘイズ	ペリクルをはがし、結晶を洗い落とし、新しいペリクルに。マスクショップに送り返してやることが多い
ペリクルの傷・破れ	新しいペリクルに張り替え
パターンそのものが余分・欠けている	洗っても落ちない。マスクショップがとても細いイオンビームなどで修正し、直せなければつくり直す

省けないことが2つあります。ひとつは、洗浄・修正・ペリクル張り替えをしたマスクは、戻す前に必ずもう一度スキャンし、場合によっては試し露光もすること。もうひとつは、マスクは何度でも洗えるわけではないこと。洗うたびに、マスク上の膜が少し削られ、光の通り方も変わることがあります。

マスクが出ているあいだ、その層は予備に頼ります。予備がなければ、その層のロットは待つしかありません。

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、左右にスワイプしてマスクエンジニア（Beta）で止めます。一日の大半はリソグラフィのエリアと自分の席のあいだです。そのエリアがなぜ黄色いかは「リソグラフィのエリアは、なぜ黄色い照明なのか」へ。4つのシフトのどれになるかは、開いた時刻で決まります。

• 深夜シフト「曇り」：今週のマスクのオンコール当番はあなた。03:10、マスク検査装置が1枚のマスクにヘイズを報告し、次のロットが露光装置の前でそのマスクを待っています。家で記録と画像を見て、ロックしたまま予備を使うか、先に装置に載せるかを決めます。夜が明けたら洗浄依頼書を書きます。
• 朝シフト「洗浄から戻った」：2日前に洗浄に出したマスクが戻ってきました。出荷報告には、きれいとあります。自分で受け入れ検査をして1行ずつ突き合わせると、ペリクルの下にとても小さなパーティクルが1つ。見つけたことを、そのままマスクショップに伝えるか。10:30に特急ロットがこのマスクを使います。先に1枚試し露光するか。
• 昼シフト「膜に1本の線」：あるマスクのペリクルに傷が1本。その層には予備がありません。斜めの光で、傷が膜の上かパターンの上かを見分け、使い続けるか、ペリクルの張り替えに出してその層を2日止めるかを決めます。
• 夜シフト「同じ位置」：リソグラフィのプロセスエンジニアから電話。どの露光ショットにも、同じ位置に同じ点がある。先に予備に替えてもらうか。外してみると、外から来たパーティクルでした。マスクショップへ送り返すか、工場内で洗って自分で確かめるか。最後に、それがどのロットから出始めたかを突き止めます。

ゲームに出てくる会社、マスクショップ、人物、マスクの番号、ロット番号、数字は架空です。マスクエンジニアが何を見ているか、ヘイズやペリクルのしくみは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。実際の仕事の分け方は会社ごとに違います。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。