ステッパー

半導体用露光装置と一口に言っても、露光方式によってさまざまな種類に分けられます。ここでは、分割投影露光装置であるステッパーについて、特徴やメリット・デメリット、どんな方におすすめなのかをご紹介します。

光源・コスト・解像力で
比較
【量産向き】
おすすめステッパー5選

ステッパーの歴史・概要

ステッパーは、縮小投影露光装置とも言い、マスクを用いずに、レチクルのパターンをウエハに直接縮小露光する方式のことです。露光エリアをいくつかの小区画に分割し、ステップ・アンド・リピートして少しずつ露光することから、ステッパーと呼ばれています。1977年にGCA（Geography Corporation of America）が10：1ステッパー4800 DSWの販売を開始。1981年に、ニコンも超LSI研究組合に10：1ステッパーVL-SR2を納入、キヤノンが「FPA-1500FA」を開発しました。その後、微細化を追求する中で光源がg線からi線、KrF、ArFへ、波長の短いものに移行。それに伴い、開発力を持つニコンとキヤノンが2000年頃まで世界シェアの70～80%を占める時代が続きました。

現在も半導体生産ラインの中枢に位置し続けている露光方式です。 ステッパーの大きな特徴は、マスクとウエハとの位置合わせが必要なため、光軸外の位置合わせ機構が搭載されている点です。また縮小投影のため、投影露光法に比べて転写欠陥が少なく済むこと。このことから、将来の微細化に向けた期待と共に、欠陥抑制に有力な露光方式として普及しました。

ステッパーの
メリット・デメリット

縮小露光で欠陥露光を抑え、
マスクの製作が容易に

ステッパーは分割露光を行うため、一括露光に比べて処理能力が落ちる点がデメリットです。その一方でウエハ全体ではなく、一部分だけを露光するので、ウエハの平面度を気にせずに、露光箇所ごとにピントを合わせられる点がメリットです。

また例えば10：1ステッパーの場合、一括露光方式ではマスク上の1μmの塵埃はウエハで解像されて欠陥になりますが、ステッパーなら縮小されて1/10の0.1μmとなり、解像されずに欠陥となりません。 ゴミがついても影響を受けにくく、大口径化にも対応することが可能なため、マスクの製作が容易になるとともに、将来の微細化に対しても、非常に大きな技術的余裕を持てるようになりました。

ステッパーはこんな方に
おすすめ

マスクを用いずに、レチクルのパターンをウエハに直接縮小露光するステッパー。縮小投影のため、投影露光法に比べて転写欠陥が少なく済む点や、ウエハの平面度を気にせずに、露光箇所ごとにピントを合わせられる点がメリットです。分割露光のため、一括露光に比べれば生産能力は落ちますが、メリットが大きいため、現在の半導体の生産用露光装置はほとんどがこの方式を採っています。

装置コストが非常に高い反面、歩留まり・稼働率が高いため、高精度な露光装置をお求めの方におすすめです。

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技術的な背景と仕組み

①露光プロセスと縮小投影の仕組み

レチクルとウエハの連動

ステッパーでは、レチクル上に描かれたパターンを高精度な縮小光学系を通してウエハに転写します。縮小投影により、ウエハ上で再現されるパターンは、設計段階で想定された微細な寸法にまで達します。

光学系の役割

高精度レンズは、収差を最小限に抑えるために特殊な設計が施され、さらに高い数値開口（NA）を実現することで、解像力の向上に寄与します。これにより、極小のパターンも正確に焼き付けることが可能となります。

②位置合わせ技術と制御システム

高精度位置決め

ステッパーは、ウエハとレチクルの位置合わせが不可欠です。光軸外の位置合わせ機構や、レーザー干渉計、CCDセンサー、ビジョンシステムなどが用いられ、ナノメートル単位の精度でステージ移動とピント合わせが行われます。

ダイナミック補正

ウエハの平面度（ウエハの表面の凹凸）に対しても、各フィールドごとにピント調整が可能なため、全体として均一な露光が実現されます。

③プロセスのスループットと歩留まり

分割露光の利点

分割して露光するため、一度にウエハ全体を露光する方式に比べれば処理速度はやや低下しますが、各区画ごとに最適な焦点と露光条件を設定できるため、転写欠陥が少なくなり、結果として歩留まり（製品の良品率）が向上します。

欠陥抑制

縮小効果により、レチクル上の微小な塵埃や欠陥がウエハ上では影響を受けにくくなるため、特に大口径のレチクルや微細加工が求められる工程で大きな技術的メリットとなります。

④光源とコストの進化

光源の移行と性能向上

初期は高圧水銀灯のg線やi線が主流でしたが、その後、KrFエキシマレーザーやArFエキシマレーザーが導入され、短波長化に伴う高い解像度が実現されました。これにより、微細化要求がどんどん厳しくなる中でも、十分な解像力と高い歩留まりが維持されてきました。

コスト面とのトレードオフ

一方で、装置自体の高精度化・高性能化は初期投資やメンテナンスコストを増大させる一因ともなっていますが、分割露光方式ならではの高い歩留まりや信頼性が、トータルでの製造コスト低減に寄与しています。

ステッパーの利用シーンと将来展望

利用シーン

高精度な微細加工が求められる半導体製造

現在の半導体生産ラインでは、ほとんどがステッパーまたはその進化形であるステップ・アンド・スキャン方式が採用されています。特に、歩留まりや信頼性を重視するプロセスにおいては、分割露光のメリットが大きく発揮されます。

試作や低ロット生産にも柔軟に対応

マスクの製作が容易である点から、試作段階や低ロット生産にも適しており、設計変更にも迅速に対応可能です。

将来展望

技術の進化と融合

次世代の微細化要求に応じて、従来のステッパー技術は、光学系のさらなる高精度化、位置合わせ技術の高度化、そして新たな光源技術（例：EUVなど）との融合が進むと予想されます。

プロセス全体の最適化

ステッパー単体の性能向上だけでなく、レジストや現像、エッチングなどのプロセス技術と組み合わせることで、総合的な露光工程の効率化が今後の課題となるでしょう。