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フォトマスクとは、電子部品の製造工程で使用される写真原版であり、「フォトリソグラフ」と呼ばれる光学的な転写によって電子部品の回路パターンを写し取り描画するための元画像となるガラス等の透明な板である。

半導体素子、フラットパネルディスプレイ、プリント基板といった電子部品の製造工程で、配線層や部品層といった異なる画像を写すために、数枚から数十枚のフォトマスクが使用され、露光工程で1枚ごとにフォトレジストと呼ばれる感光性材料の光を当てられた箇所だけが固着することで保護され、その後のエッチング工程と呼ばれる溶解処理で除去される部分と残される部分が作り分けられる。

高密度半導体の製造に使われる高精細のフォトマスクのものではレチクルと呼ばれるものがある。

◆ 製造工程と使用法

フォトマスクに使う基板には、石英ガラス上にクロムで描画図形が描かれるものが多いが、用途によってはエマルジョンマスクと呼ばれる柔軟性のある透明な高分子フィルム上に図形が描かれるものもある。

半導体とフラットパネルディスプレイ、プリント基板ではフォトマスクを使った製造工程が多少異なる。

◇ 半導体用

フォトマスクは、製造しようとする素子の各積層ごとやビアやウェルといった加工処理ごとにその図形が必要となる。そのため、素子の構造が複雑になればそれだけフォトマスクの枚数は増加する。

材質には、ハードマスクとエマルジョンマスクがあり、ハードマスクではクロムの薄膜で、エマルジョンマスクは黒化金属銀でそれぞれ遮光膜部分を作り、両者の支持体(基板、サブストレート)はハードマスクではガラス製、エマルジョンマスクではガラス製、又は高分子フィル製である。ガラス製でのプロセスルールが180nm以下程度の高精細プロセスでは、通常のソーダライム・ガラスに代わって合成石英ガラスが使用される。これは通常のガラスでは熱膨張による位置誤差が無視できず石英ガラスは熱膨張率が20分の1以下であるためや、紫外線領域である350nmからは通常のガラスでは透過率が落ち300nmではほとんど透過しなくなるためでもある。

マスクの遮光膜パターンそのものも光学的技術によって作成される。まず高平滑に磨かれたサブストレートの片側全面に塗布によって遮光膜を作成し、フォトレジストを塗布して光線によって描画する。光線の違いによってレーザー描画装置と電子ビーム露光装置があり、これらは半導体製造装置の中でも最も高価な装置の1つである。一般に前者はスループットに優れ、後者は解像度で勝る。描画方法の違いでラスタ方式とベクタ方式、スタンプ方式がある。露光後に、現像、洗浄、乾燥、ポストベーク、ディスカムディスカムでは、酸素プラズマを当てて表面を削り、残渣除去と濡れ性を高める。というパターン現像と呼ばれる一連の工程が行なわれる。この工程だけではパターンに応じたレジスト膜が付けられただけなので、続くパターンエッチング工程によって、不要な遮光膜が取り除かれる。エッチング後に洗浄と乾燥が行なわれ、パターン形成工程は完了する。

パターン形成工程後は検査がおこなわれる。寸法検査で発見されたサイズや位置の不良では修正が不可能であるが、欠陥検査によって発見された欠陥はかなりのものが欠陥修正装置で修正が可能になっている。欠陥修正装置で行なわれるパターン修正の内、余分な箇所は黒欠陥修正と呼ばれ通常はレーザービームで除去され、欠けている箇所は白欠陥修正と呼ばれ通常はイオンビームで足されることになる。

フォトマスクやレチクルはステッパ等で扱われる間に埃などが表面に付くと不良の原因となるので、ペリクルと呼ばれる透明な膜がプロテクタに支持されて6.3mmの高さで表面上に張り渡される。この距離によって埃がペリクル上にあっても焦点からは遠く光線は結像に影響せずにすむ。これでフォトマスク、又はレチクルが完成する。

半導体製造工程ではステッパーによりウェハ上を移動しながら順次露光され、碁盤目状に多数の素子のパターンが転写される。ダイの大きさに応じて、2×2や3×3個分のパターンをマスク上に描画しておき、1回の露光で転写できる素子数を増やすことで生産性を向上させることも行なわれる。

露光は1990年ごろまでは1:1サイズであったが、回路の微細化によって直線寸法で4-5倍の大きさで作られたフォトマスクで縮小露光されるものが現れた。先端の半導体製造現場ではこれらは特にレチクルと呼ばれ等倍のフォトマスクとは区別される半導体LSIができるまで編集委員会編著 『半導体LSIができるまで』 日刊工業新聞社 2001年12月5日初版1刷発行 ISBN 452604569。

単に露光光が透過の有無の2値のみのマスクをバイナリマスク、又はバイナリレチクルと呼ぶ。これに対して、不透過部にも若干(数%程度)の透過率を与え、透過部との干渉を利用して解像度を向上させようとしたものをハーフトーンマスク、又はハーフレチクルと呼ぶ。主に光の位相差を利用して解像度向上を図ることから、フェーズシフトマスク、又はフェーズシフトレチクルと呼ばれることある。

光学的な解像度の限界を越えて求められる微細な半導体製造用の高精細なフォトマスクやレチクルでは、以下のような特別な工夫が行なわれている20世紀末までは、紫外線による波長の限界によって半導体回路の微細化が21世紀に入るとすぐに限界を迎えて、X線露光装置というさらに大掛かりな装置の導入が求められために、ムーアの法則で語られる半導体能力の向上速度は守られないという声が多くなっていた。。

:;位相シフト

:位相シフタによって位相の変わった光線と位相シフタを通過していない光線とを干渉させることで、通常では得られない光線波長以上の解像度を作り出す技術である。

:;OPC

:オプティカル・プロキシミティ・コレクション(Optical Proximity Correction)とは解像度の不足によって例えば画像の鋭角部分が丸く欠けるなどの変化をあらかじめ考慮して、カドに突起を付加しておくなどの元画像に修正を加えておく技術である。

◇ フラットパネルディスプレイ用

フラットパネルディスプレイ用でもフォトマスクは、製造しようとする素子の各積層ごとや加工処理ごとに1枚ずつ必要となる。そのため、ディスプレイ素子の構造が複雑になればそれだけフォトマスクの枚数は増加する。

液晶ディスプレイの製造において、フォトリソグラフィ工程の削減のため、露光量の部分的な制御のために半透過部を持たせたマスクも存在する。半導体製造と比較して低い解像度を逆に生かして、微細パターンをぼかして半透過部を作るものや、任意の透過率を持った膜をさらに積層、パターニングすることにより半透過部を形成するものが用いられる。前者をグレートーンマスク、スリットマスクといった名称で呼び、後者をスタックドレイヤーマスク、ハーフトーンマスクといった名称で呼ぶ。また、特許明細などでは、両者を包含してグレートーンマスクと称する例も見られる。

◇ プリント基板用

プリント基板では高度に微細な加工は求められず、また、各層では銅層を除去、又は積層するだけの単純なプロセスであるため、フォトマスクは他のものと比べれば簡単であり枚数も少ない。

ビアやスルーホールはドリルで空けることが多いが、導通加工処理はフォトマスクを使ったプロセスが使われる。

◆ 問題点

◇ 半導体用

  微細化と価格の高騰

半導体の微細化に伴い、フォトマスク作成の技術も高い精度が求められコストも増大している。

1つの半導体チップを作るには、各層ごとのレチクルが合計で数十枚ほど求められ、2004年では、0.18umプロセスのマスクセットを製造するのに約3,200万円、0.13umで約8,000万円、90nmで1億8,000万円にもなると云われていた[外部リンク]1。2008年現在の1セットのレチクル価格は65nm世代で約1億円とされ、世代交代されつある45nm世代で約2億円、32nm世代で約4億円に増大するとされる。1990年代の0.5umのマスクセットで数百万円オーダーだったのに比べ、指数関数的に増大している。

試作時のフォトマスクのコスト増を回避するために、1セットのマスクセットに、複数の試作チップを載せてコストを分担する。1ショットに複数の異なるチップが転写されるため、周期的な模様からピザマスクと呼ばれる。複数のプロジェクトで乗り合いの形になるため、期日が限定されているシャトルウエハという形態をとるが、プロセス調整の自由は失われる。

1990年代後半から一般化した、干渉を利用したフォトマスク上の工夫によって露光波長より微細な回路配線を作り込む技術では、フォトマスクの検査に今では1台35-40億円もの検査装置が必要となり、この検査だけでフォトマスクのコストの40%近くも占めるようになっている。

今後の22nm世代では、波長を12.5nmの極端紫外線(extreme UV, EUV)で露光する技術や、フォトマスクを使用せず、1万本以上の多数の電子ビームを並列的にウエハ上に照射して回路パターンを描画する技術などの使用が研究されている木村雅秀著 『フォトマスク』 日経エレクトロニクス 日経BP社 2008年11月17日号 37頁 。

◇ フラットパネルディスプレイ用

  大型化と価格の高騰

半導体に次ぐ市場規模を持つフラットパネルディスプレイ(FPD)用のフォトマスクでは、半導体とは状況が異なり微細化は見られず、基板サイズで製造ラインの世代を分類する Gx(Generation x)で表現すると、携帯電話用などの中小型パネルを生産するG3-G4の古く基板の小さい世代でも、マザーガラスの1辺が2mを超える最新のG8でも、露光機の解像度の指標の1つである開口数(NA)は殆ど変わらない。一方では、FPDパネルと製造・検査装置の大型化が進んでおり、パネルメーカーや装置、部材メーカーの技術開発エネルギーの大半は大型化に注がれている。

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