半導体のペリクルとは？フォトマスクを守る薄い膜の役割

ホコリひとつで、チップがだめになる

Semiconductor Engineeringの記事（2016年）では、フォトマスクにホコリなどの粒子が付くと、露光装置が、その欠陥を、ウェハに写してしまうと説明されています。ロジックのチップでは、欠陥がひとつあるだけで、そのチップ全体が使えなくなる、というのが、Applied Materialsの技術者の言葉として紹介されています。原版のホコリは、チップの不良に、直結します。

回路の原版「フォトマスク」

フォトマスクは、半導体の回路の形が描かれた、原版です。ウィーン工科大学のマスクの解説では、「ブランク」と呼ぶ透明な板に、光を通さない膜で、パターンが描かれたもの、と説明されています。板には、石英などのガラスが使われ、石英は、短い波長の光でも透明で、熱による膨張が、とても小さいという長所があります。光を通さない膜は、約100ナノメートルの、とても薄いクロムで、表面には、反射を抑える膜がつきます。高品質なフォトマスクには、平らさ、パターンの位置の正確さ、最小の線の細さ、線の太さの管理、欠陥の少なさなど、厳しい条件が求められます。

フォトマスクの欠陥は、ウェハに写る

三井化学の発表を伝えるMONOistの記事では、半導体のウェハに光を当てて、回路の形を描く工程が、フォトリソグラフィ工程と説明されています。フォトマスクは、その工程で、同じ回路を、何枚ものウェハに写すための、「型」です。そのため、マスクに欠陥があると、その欠陥も、そのまま写ってしまいます。

ウィーン工科大学の解説では、マスクの欠陥の例として、クロムが欠けた部分、クロムの小さな穴、解像されなかったクロムの領域が挙げられています。約0.1マイクロメートルより大きな欠陥は、自動の検査で見つけられ、レーザーやイオンビームで、修復されます。また、電子ビームで作ったマスクは、最大で75％に欠陥が見つかったという観測も紹介されています。

ホコリよけの膜「ペリクル」

ペリクルは、フォトマスクにかぶせる、薄くて透明な、ホコリよけの膜です。Semiconductor Engineeringの記事では、製造の流れの中で、露光装置が、粒子や汚れを出しやすいため、ペリクルで、それらがマスクに落ちるのを防ぐ、と説明されています。同時に、光を、装置からマスクへ通せるだけの透明さも、必要です。なお、メモリのチップは、予備の回路を持つため、ロジックのチップとは、事情が違うとも説明されています。

MONOistの記事によると、ペリクルは、光の波長ごとに、耐光性のある膜の材料を選び、光をよく通すように、膜の厚さを設計した、防塵カバーです。フォトマスクをきれいに保ち、半導体の生産性を高めます。三井化学は、1984年に、ペリクルを発売しました。ペリクルは、光は通して、ホコリは通さない、マスクのカバーです。

普通のマスクと、EUV用のマスク

Semiconductor Engineeringの記事によると、光を通す普通のマスクでは、何十年も前から、ペリクルが使われてきました。材料は、薄い樹脂です。一方、最先端の「EUV」露光では、事情が変わります。EUVは、MONOistの記事で、波長13.5ナノメートルの、極端紫外線と説明されています。EUV用のマスクは、光を通す板ではなく、シリコンとモリブデンの層を、40〜50層重ねた、鏡です。

EUVでは、以前、装置の中が、完全にきれいに保たれるなら、ペリクルは不要だという考えもありました。しかし、チップメーカーは、装置の中を、100％きれいには保てないとして、考えを改めました。Applied Materialsの技術者は、ペリクルがあると、マスクの取り扱いや保管も、ずっと楽になる、と話しています。

EUV用のペリクルは、光をよく通しながら、強い光にも耐える必要があり、開発が難しい部品です。2016年の記事では、膜が、とても高い温度になることが、課題として挙げられていました。三井化学は、2021年に、オランダのASMLからライセンスを受けて、EUV用ペリクルの商業生産を始めています。

次世代のペリクル：カーボンナノチューブ

MONOistの記事によると、次世代のEUV露光装置には、高い開口数と、600ワット以上の高出力が求められ、そのためには、過酷な露光に耐える新しい素材のペリクルが必要です。回路の線の幅が、7ナノメートル以下になる、超微細な半導体を作るために、EUV露光の採用が、広がっています。三井化学は、EUVの光を92％以上通し、1キロワットを超える露光出力にも耐える、カーボンナノチューブ（炭素でできた細い筒）の膜の、生産設備を設置することを、2024年に発表しました。年間5000枚を生産でき、完成は、2025年12月の予定とされています。いまのEUV用ペリクルの膜材は、シリコン系の素材で、カーボンナノチューブの製品は、それに加える、次世代の品ぞろえです。

製造の全体像は、半導体の製造工程の全体像で紹介しています。なお、設備の調整や復旧は、所属する工場やメーカーの正式な手順と、権限のある人の判断のもとで行います。この記事は、考え方の紹介で、設備の操作を指示するものではありません。

ことばのおさらい

• フォトマスク：半導体の回路の形が描かれた、原版です。
• ブランク：フォトマスクの、透明な板の部分です。
• ペリクル：フォトマスクにかぶせる、薄くて透明なホコリよけの膜です。
• EUV：波長13.5ナノメートルの、極端紫外線です。
• カーボンナノチューブ：炭素でできた、細い筒状の材料です。

よくある誤解

Q. ペリクルは、フォトマスクの、光を通さない膜のことですか？

いいえ。光を通さない膜は、クロムなどで、回路の形を作る部分です。ペリクルは、そのマスクの上にかぶせる、ホコリよけの、透明な膜です。

Q. EUVのマスクも、光を通す板ですか？

いいえ。EUV用のマスクは、シリコンとモリブデンの層が重なった、光を反射する鏡です。

まとめ

参考にした公式情報

• ウィーン工科大学 H. Kirchauer「2.4.1 Binary Masks」（マイクロエレクトロニクス研究所）
• MONOist「三井化学が次世代EUV露光用CNTペリクルの生産設備を山口県の工場に設置」（2024年）
• Semiconductor Engineering「Next EUV Challenge: Pellicles」（2016年）