半導体の回路は“写真の現像”で作られていた——光で焼き付けるリソグラフィを、1枚のチップに何十回も繰り返す

リソグラフィとは何か

リソグラフィとは、感光材を塗ったウェハーに光を当てて、回路のパターンを転写する工程のことです。手順は大きく3つ。感光材（フォトレジスト）を薄く塗る「塗布」、設計図の原版（フォトマスク）越しに光を当てる「露光」、光の当たった部分と当たらなかった部分を薬液で選り分ける「現像」です。露光装置を作るASML自身も、この塗布→露光→現像の流れをリソグラフィの基本形として説明しています。

原理は、フィルム写真の現像とまったく同じです。フィルム（ネガ）に光を通して印画紙に像を焼き付け、現像液に浸すと写真が浮かび上がる——あの仕組みの「印画紙」がレジストを塗ったウェハーで、「ネガ」がフォトマスクにあたります。違いは精度だけです。写真は目に見える像を写しますが、リソグラフィはナノメートル（100万分の1mm）単位の回路を、レンズで縮小しながら焼き付けます。

まず、塗って・焼き付けて・現像するまでの一連の流れを、3Dモデルで見てください。

感光する薬は、どうやってナノの薄さに塗るのか

最初のステップは、レジストをウェハー全面に薄く均一に塗ることです。使うのは意外なほど原始的な方法で、ウェハーの中心に液体のレジストを垂らし、ウェハーごと高速回転させて遠心力で塗り広げます。スピンコートと呼ばれる方法で、回転数を変えることで膜の厚さを調整します。ろくろの上で回る粘土に釉薬を垂らすと薄く広がっていく、あのイメージです。

もちろん、ただ回せばいいわけではありません。塗る前にはウェハー表面を薬品で処理してレジストの密着性を高め、塗ったあとは加熱（ベーク）して溶剤を飛ばし、膜を安定させます。ナノ単位の回路の土台になる膜なので、厚さのムラもホコリ一粒も許されません。このレジストという「光の薬」自体が驚異的な化学製品で、その中身は「「半導体の回路を焼き付ける「光の薬」を、日本4社が世界の9割で独占していた」」で詳しく扱っています。

露光では何が起きているのか

露光とは、フォトマスク越しに光を当てて、回路のパターンをレジストに焼き付けることです。フォトマスクは、チップ1層分の回路パターンを描いたガラスの原版で、いわば「回路のネガフィルム」。露光装置はこのマスクに光を通し（EUVでは反射させ）、レンズやミラーでパターンを縮小してウェハーに投影します。

原版そのものの作り方は「「チップの“原版”はどう作られるのか。フォトマスクという縁の下」」をどうぞ。

このとき、レジストの中では化学変化が起きています。光が当たった部分だけ、現像液に溶けやすい性質に変わるのです。つまり露光が終わった時点で、目には見えない「潜像」——写真でいう、現像前のフィルムに写った見えない像——がレジストに刻まれています。

使う光の波長が短いほど、細かいパターンを焼き付けられます。最先端はEUV（極端紫外線）と呼ばれる特殊な光で、この装置を出荷できるのは世界でオランダのASML1社だけです。

EUVの仕組みと1台300億円超の中身は「「1台300億円超。最先端チップを生む露光装置とASMLの独占」」で解説しています。本稿では深入りせず、工程の流れを先に進めます。

現像すると、模様はどう現れるのか

現像とは、露光でできた「見えない像」を、薬液で目に見えるパターンにする仕上げの一手です。現像液をかけると、光が当たって溶けやすくなった部分だけが溶けて流れ、当たらなかった部分のレジストが残ります。これで、マスクに描かれていた回路パターンが、レジストの「型」としてウェハーの上に立ち上がります。写真の現像とそっくりの原理で、名前がそのまま「現像」なのはこのためです。

なお、レジストには2つのタイプがあります。光が当たった部分が溶けるポジ型と、逆に光が当たった部分が固まって残るネガ型です。どちらを使うかで、同じマスクから白黒反転したパターンができます。

大事なのは、この時点ではまだ回路そのものは出来ていない、ということです。出来たのはレジストの「型」だけ。この型をマスク代わりにして下の膜を削ったり不純物を打ち込んだりする加工が続き、役目を終えたレジストは最後に剥がして捨てられます。型枠を使ってコンクリートを流し、固まったら型枠を外す——建築のあの手順と同じです。

なぜ「塗って・焼いて・現像」を何十回も繰り返すのか

チップの回路が、何十もの層を積み重ねた立体構造だからです。1回のリソグラフィで作れるのは1層分のパターンだけです。だから層を1つ積むたびに、膜を積み（前回歩いた「成膜」です）、レジストを塗り、露光し、現像し、加工する——このサイクルを最初からやり直します。最先端のチップでは配線だけで10層程度に及び、トランジスタを作る層も合わせると、露光を伴うサイクルは1枚のチップで何十回にもなります。

前工程全体の工程数が数百に達するのは、この繰り返しが理由です。全体像は「「1枚のシリコンが、チップになるまでの数百工程をたどる」」で見渡せます。そもそも半導体とは何か、から知りたい場合は「「半導体とは何か」」が入口です。そして毎回の露光では、前の層とのズレをナノメートル単位で合わせ続けなければなりません。

1回でも大きくずれれば、その上に積む層がすべて無駄になります。リソグラフィが前工程の主役と呼ばれるのは、微細さと積み重ねの両方を、この工程が一手に背負っているからです。

この工程は、どの企業が握っているのか

リソグラフィは、工程の3つの要素——露光装置・塗布/現像装置・レジスト材料——のそれぞれに、代替の効かない寡占企業がいます。

露光装置は、オランダのASMLが市場の約94%を握り、最先端のEUV露光装置に至っては世界で同社しか作れません。かつて王者だった日本のニコン・キヤノンは成熟世代の装置や独自技術で戦っており、その攻防は「「かつて露光装置の王者だった日本勢は、どこで負け、どこで挑むのか」」で追っています。企業としてのASMLの分析は「「1台数百億円。この1社がなければ最先端チップは作れない」」をどうぞ。

塗布と現像を担う装置——コータ・デベロッパは、東京エレクトロンが世界シェア約9割、EUV向けに限ればほぼ100%という圧倒的な存在です。ASMLの露光装置はこの装置と直結して1つのラインとして動くため、露光への投資が増えるほど東京エレクトロンにも需要が落ちる構図になっています。詳しくは「「半導体の“塗って・削って・盛る”工程は、この日本企業が握っている」」で。

そしてレジスト材料は、日本勢が世界シェアの約9割を占める、日本の独壇場です。東京応化工業が世界シェア24.7%で首位、JSRがトップクラスで続き、信越化学工業も約830億円を投じた新工場でEUVレジストを増産中です。企業分析は「「ゴムから始まった会社が、最先端露光の“感光材”を握っている」」と「「世界の回路の4分の1は、川崎の“感光する液体”から生まれていた」」をどうぞ。

次回は、現像で浮かび上がったレジストの型に沿って、下の膜を削り出す「エッチング」の工程を歩きます。