半導体製造は、材料 × プロセス × 装置 の掛け算で成り立つ産業。

その中でも装置は、

●　微細化（2nm→1nm）

●　3D構造（FinFET→GAA）

●　高アスペクト比（100:1以上）

●　新材料（High-k、Low-k）

●　高密度配線　などの要求を実現する最も重要な基盤。

技術進化の限界は、装置技術の限界で決まる と言っても過言ではない。

（1）EUVとは

EUVリソグラフィは波長13.5nmの光を使う露光技術。

従来のArF（193nm）より非常に短い波長であり、微細化の鍵を握る究極のリソグラフィ装置。

 

（2）EUVの構造と特徴

EUV装置は世界で最も複雑な装置の一つ：

　・ レーザーでSn（スズ）をプラズマ化 → EUV光を生成

　・ 反射率の低い光のため、すべて“反射光学系”

　・ 反射鏡はMo/Si多層膜（100層以上）

　・ 真空環境が必須

　・ マスクも反射型（EUV mask）

1台 300〜400億円 と超高額。

 

（3）EUVの課題

　・ マスク欠陥（Mask Defect）

　・ Stochastic effect（確率的欠陥）

　・ 光源出力不足

　・ 露光スループットの限界

　・ 高NA化による鏡面加工精度要求の上昇

特に確率的欠陥は、写真現像と同じように粒状ノイズが結果を左右する ため厄介。

 

（4）高NA EUV（0.55NA）

次世代の主役。

　・ 解像度が大幅向上

　・ 1nm台のパターニングに必須

　・ しかし装置サイズは巨大化（高さ=バス2台分）

　・ マスクブラー（Mask 3D Effect）が深刻化

IntelとASMLが初導入する予定。

微細加工はほとんどが真空下で行われる。

真空が必要な理由

　●　気体分子の衝突を避ける

　●　反応ガスの純度を上げる

　●　プラズマ安定性の向上

　●　膜堆積の均一化

　●　表面汚染の防止

真空ポンプ、配管、シール技術は非常に重要。

 

代表的なプロセスと真空の関係

　●　CVD → 低圧（LPCVD）

　●　PVD → 高真空

　●　ALD → 超高真空・精密ガス制御

　●　イオン注入 → 高真空

　●　EUV → 極高真空（10⁻⁶ Paレベル）

真空の品質が直接歩留まりに影響する。

プラズマは、エッチング、成膜、表面処理の主役。

 

（1）プラズマとは

電子・イオン・中性粒子が混ざった「電離ガス」。

特性：

　・ 高エネルギー反応

　・ 表面化学を自在に制御

　・ 反応の選択性が高い

　・ 温度を上げずに加工できる

 

（2）プラズマエッチング

特徴：

　・ 異方性加工（サイドウォールが垂直）

　・ 高アスペクト比対応（100:1 超）

　・ 選択性の制御

　・ プラズマダメージを最小化する工夫が重要

AIチップの溝形状やTSV形成に不可欠。

 

（3）プラズマ成膜（PECVD等）

用途：

　・ SiO₂

　・ SiN

　・ Low-k材料

　・ パッシベーション膜

プラズマ特性（周波数、パワー、ガス組成）が膜質を決める。

 

（4）プラズマの最新技術

　・ 原子層堆積用プラズマ

　・ ダメージレスエッチング

　・ 低エネルギーイオン制御

　・ 高密度プラズマ（ICP）

　・ プラズマ中の電荷ダメージ制御

装置メーカーのコア技術領域となっている。

●ガス制御

　・ MFC（Mass Flow Controller）

　・ プレカーサ（ALD/CVD用）

　・ 反応速度の微細制御

　・ パーティクル管理

 

●薬液制御

　・ HF、H₂O₂など高危険材料の管理

　・ ウェットエッチング

　・ 洗浄プロセス（SC-1/SC-2など）

ガスと液 の純度が歩留まりを左右する。

工場は装置の集合体で動く。

最近は：

　・ AI × 装置データ解析（FDC）

　・ デジタルツインでの装置動作シミュレーション

　・ 自動搬送システム（AMHS）との連携

　・ リアルタイムプロセス制御（APC）　が標準となりつつある。

装置技術は単体で存在せず、工場全体の最適化（Smart Fab）が必須。

　・ 高NA EUVの実装

　・ EUVマスクブラー対策

　・ Stochastic defect の低減技術

　・ 超高真空 × プラズマの複合装置

　・ ALD × エッチングのハイブリッドプロセス

　・ ガスのクリーン化（pptレベル）

　・ 装置データのAI解析

特にEUV世代では、装置の限界＝微細化の限界 と言えるほど重要性が高い。

　・ EUV、真空、プラズマは先端デバイスの基盤技術

　・ 装置性能が微細化（2nm → 1nm）を決める

　・ 真空・温度・ガス制御が歩留まりを左右

　・ Smart Fab 化が進み、AI活用が必須に

　・ 装置技術の理解は半導体技術者にとって最重要スキル

１．EUV装置で真空環境が必須な理由は？

２．プラズマが半導体加工で使われる主な理由を2つ挙げてください。

３．高NA EUVが必要になる背景を説明してください。

 

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

 

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。