フォトリソグラフィ

光でパターンを感光性のコーティングに投影し、エッチングする

フォトリソグラフィーは、ステンシル越しに写真を現像するように、光でシリコンウェーハにパターンを焼き付ける工程です。コンピュータチップ上の何十億ものトランジスタと配線を、1 層ずつ描きます。スマートフォンのどのチップも、これを何十回も経ています。

写真：Le hollandais volant, CC BY 4.0, 提供： Wikimedia Commons

フォトリソグラフィーの 1 サイクルを 6 つの断面で各パネルは、そのステップの後のウェーハのごく小さな一部の断面です。丸数字は下のステップに対応しています。

しくみ

レジストをスピンコートする。 ウェーハには、パターンをつくる薄い層(酸化ケイ素や金属など)がすでにのっています。そこにフォトレジスト(感光性の液状プラスチック)を数滴垂らし、ウェーハを毎分数千回転で回すと、厚さ約 1 マイクロメートル以下の均一な膜になります。短時間のベークで乾かします。
位置合わせと露光。 マスク(1 層ぶんのパターンをクロムで描いたガラス板で、レチクルとも呼ばれる)を、ウェーハ上にすでにあるパターンに、先端チップでは数ナノメートル以内の精度で位置合わせします。UV 光がマスクの透明な部分を通り、レンズが像を、通常 4 分の 1 に縮小してレジストに投影します。ステッパーやスキャナーと呼ばれるこの装置は、これをウェーハ全面で、領域ごとに繰り返します。
現像する。 現像液がウェーハを洗います。最も一般的なポジ型レジストでは、光が当たった部分が溶け、マスクの透明な部分と同じ形の開口が残ります。
エッチングする。 プラズマエッチャー(電気を帯びたガスのチャンバー)の中で、レジストが開いている場所だけ、プラズマが層を削り取ります。それ以外の場所は、レジストが守ります。エッチングの代わりに、開口部に新しい材料や注入した原子を加えることもあります。
剥離する。 残ったレジストを、溶剤や酸素プラズマで取り除きます。これでパターンは、層そのものの中にできています。
繰り返す。 新しい層を加え、次のマスクでサイクルが再び始まります。どのパターンも、下のパターンに位置を合わせます。先端チップは、このサイクルを何十回も繰り返します。

主なポイント

材料: フォトレジストを塗ったシリコンウェーハ。ガラス、化合物半導体、回路基板も
代表的な部品: 1 層ずつ積み重ねる平らなパターン:トランジスタ、配線、センサー、ディスプレイのバックプレーン
部品サイズ: 直径最大 300 mm のウェーハ。1 回の露光で約 26 × 33 mm の領域をカバー
精度: 簡易な実験室用アライナーで約 1 マイクロメートル。193 nm のレーザー光で数十ナノメートル。EUV(13.5 nm)光で 10 nm 近く
表面仕上げ: それ自体の質感は残らない。パターンをつくったウェーハは虹色にきらめく
向いているロット数: 大量生産:1 組のマスクが数千枚のウェーハに使え、各ウェーハには数百から数千個のチップが載る
金型・設備コスト: 研究室用のマスクアライナー:数万〜数十万ドル。EUV スキャナー:数億ドル。先端のマスクセット:数百万ドル
速度: 生産用スキャナーは、1 時間におよそ 100〜300 枚のウェーハを、1 層ずつ露光する

強みと限界

強み

ウェーハ全体を並行してパターニング:何十億もの形状を一度に
最新のスキャナーでは、ナノメートルスケールのディテールに届く
再現性が非常に高い:あらゆるチップ生産の基盤
大量生産では、トランジスタ 1 個あたりのコストが非常に低い

限界

機械、マスク、クリーンルームが非常に高価
光の波長が、最も細かいディテールの限界を決める
平らな層のみ。3D 構造は何十層も積み重ねてつくる
塵も振動もない部屋と、黄色い照明が必要

使われる場所

エレクトロニクスプロセッサー、メモリチップ、カメラのイメージセンサー
ディスプレイLCD や OLED の画面の裏にあるトランジスタの格子
センサーと MEMS加速度センサー、マイクロフォン、圧力センサー
フォトニクスLED チップ、レーザーダイオード、チップ上の導光路
回路基板ドライフィルムレジストでパターニングした銅の配線
研究マイクロ流体の「ラボ・オン・ア・チップ」デバイス

見分け方

パターンは目には見えません。 最も細い線は髪の毛の何千分の 1 の細さで、見るには電子顕微鏡が必要です。それらは、スマートフォン、ノートパソコン、自動車のすべてのチップの中、そして画面の一つひとつの画素の裏に隠れています。
虹色のきらめき。 むき出しのウェーハやチップを光の下で傾けると、虹色に光ります。規則的なパターンが、CD のように光を分けるからです。
黄色い照明の部屋。 工場の写真では、リソグラフィーの区画は黄色く光っています。レジストが黄色い光に反応しないからです。
回路基板。 緑色の回路基板にある細い銅の配線も、マスクを通した光で、ずっと粗いスケールで定義されています。