フォトリソグラフィ

2025年10月19日

フォトリソグラフィ

英語表記: Photolithography

概要

フォトリソグラフィは、「半導体プロセス」において、集積回路（IC）の核となる微細な「論理回路」パターンをシリコンウェハ上に正確に形成するために不可欠な中核技術です。この技術は、光（Photo）を利用し、感光性の材料（フォトレジスト）に回路設計図を焼き付ける（Lithography）ことで、複雑な電子回路の構造を物理的に転写します。私たちが日々利用する高性能なコンピュータやスマートフォンの進化は、このフォトリソグラフィの精度向上、すなわち「集積回路と製造技術」の進化に直接支えられていると言っても過言ではありません。

この工程の精度が、最終的な半導体の性能、消費電力、そしてコストを決定づけるため、半導体製造技術のまさに心臓部として位置づけられています。

詳細解説

論理回路の具現化と製造技術

フォトリソグラフィの最大の目的は、設計された「論理回路とゲート」の構造を、誤差なく、大量かつ均一にシリコン基板上に具現化することにあります。現在の最先端の集積回路では、数ナノメートル（nm）という信じられないほど小さな線幅で回路が形成されています。このような超微細加工を実現するために、フォトリソグラフィは「集積回路と製造技術」の中で最も高度な光学技術と精密機械技術を要求される工程となっています。

動作原理：半導体プロセスにおける型作り

フォトリソグラフィは、「半導体プロセス」の多層構造を形成する際の、各層の「型作り」を担当します。このプロセスは、写真の現像に非常に似た仕組みで進められます。

フォトレジスト（感光材）の塗布:
まず、加工対象となるシリコンウェハの表面に、光に反応する特殊な樹脂液（フォトレジスト、略してレジスト）を薄く、均一に塗布します。これは、カメラでいうところの「感光フィルム」の役割を果たします。
露光（回路パターンの焼き付け）:
次に、設計された回路パターンが描かれた透明な原版である「フォトマスク」を通して、紫外線などの光をレジストに照射します。この照射には、非常に高精度な「露光装置」（ステッパーやスキャナーなど）が使用されます。光が当たると、レジストの化学的な性質が変化します。
現像:
露光後、現像液に浸すことで、性質が変化した部分のレジストのみを溶解・除去します。例えば、ポジ型レジストであれば光が当たった部分が溶け、ネガ型レジストであれば光が当たらなかった部分が溶けます。

この結果、ウェハ上には、次の工程（エッチングやイオン注入）で必要となる、回路パターン通りのレジストの「壁」（保護膜）が正確に形成されます。このレジストのパターンが、ウェハ本体に実際に回路を刻み込む際の「型枠」として機能するのです。

主要な構成要素

フォトマスク: 回路設計図を何百倍にも拡大した高精細な原版です。このマスクの品質が、転写される回路の精度を決定します。
フォトレジスト: 光に反応する感光性樹脂です。レジストの選定と塗布技術が、微細なパターンを維持するための鍵を握っています。
露光装置（リソグラフィ装置）: マスクのパターンを正確に縮小し、ウェハに転写する装置です。現在、最も微細な回路（例えば数ナノメートル級の「論理回路」）を形成するためには、波長の短い極端紫外線（EUV）を使用するEUVリソグラフィ装置が必須となっており、その技術競争は熾烈を極めています。

この一連の精密なプロセスこそが、目に見えないほど小さなトランジスタの「ゲート」構造を、ウェハという物理的な基盤に確実に作り上げるための土台となっているのです。