露光装置

露光装置は、あらゆる電子デバイスの心臓部である半導体の製造において重要な役割を果たす機械です。

しかし、露光装置は製品ごとに特徴が異なっています。そのため、目的や現場の状況に合わせた機械を選ぶことが重要です。

この記事では、一般的な露光装置の特徴と価格帯、構造の解説から、種類別のメリット・デメリット、選定基準、そして主要なメーカーまで紹介しています。

導入検討前に情報を整理しておくことで、最適な機械選びが可能となるので、ぜひ最後までご一読ください。

露光装置とは？　機能の特徴・原理と価格帯を紹介

まず最初に、露光装置の基本的な特徴・原理と価格帯について説明します。

露光装置の基本的な特徴・原理

露光装置は、パソコンで作成した回路パターンデータを、ウェーハと呼ばれるシリコン基板に焼き付けて描画する装置です。

原版をステージに置き、上から紫外線（UV）光を照射すると、光が投影レンズを通過して、基板に回路パターンを結像します。このプロセスのことを、フォトリソグラフィーと呼びます。

回路パターンとは、半導体チップ上に形成される、電気的な経路のことです。このパターンは、チップが特定の機能（計算、データの保存、信号の送受信など）を実行できるようにするために不可欠です。

フォトリソグラフィーは、感光性の化学物質（フォトレジスト）をウェーハの表面に塗布することから始まります。次に、原版（マスク）を用いて、特定のパターンがデザインされた紫外線（UV）光をウェーハに照射します。

このマスクは、光を通す部分と通さない部分があり、光が通る部分だけがウェーハ上のフォトレジストを硬化させます。

露光装置は、一般的に次のような一連の流れで動作します。

1. 感光性材料の塗布されたシリコンウェーハに対して、マスクを用いて正確な位置合わせを行い、紫外線光を照射してマスクのパターンを転写
2. 露光後のウェーハを現像し、露光された（または露光されていない）部分の感光性材料を除去
3. エッチングプロセスを用いてウェーハから不要な部分を取り除き、電子回路のパターンを形成
4. 最終的な感光性材料を除去し、形成された回路パターンの品質を検査

露光装置の価格帯

露光装置の値段は、種類や性能によって大きく異なりますが、一般的には数億円から数百億円で購入が可能です。

例えば、価格帯を次の三区分に分けることが可能です。

ここまで、露光装置の基本的な特徴・仕組みと価格帯について説明しました。次の章では、露光装置の基本構造を解説します。

基本的な特徴と仕組みを押さえた上で構造を理解することで、種類別の特徴が理解しやすくなります。ぜひ続けてお読みください。

露光装置の基本構造を解説

露光装置は大きく分けて、光源・光学系・ウェーハステージから構成されます。

光源

回路を刻むためのレーザーを発生させます。高精度の回路パターンを形成するため、波長が短いほど細かいディテールのレーザー露光が可能になります。

現在は紫外線の一種であるArFエキシマレーザー（193ナノメートル）が広く使用されていますが、さらに微細な回路製造を可能にする極端紫外線（EUV）技術（13.5ナノメートル）への移行が予測されています。

光学系

微細な回路をウェーハに正確に転写するために、回路が刻まれたマスクからの光を特殊なレンズで1/4～1/5に縮小して照射します。

この技術は、マスク上のパターンを実際にチップ上に形成するパターンよりも大きく設計できるため、製造の柔軟性と精度を高めるという利点を提供します。

ウェーハステージ

半導体ウェーハ上に精密な回路を形成するプロセスでは、ウェーハの位置を微調整しながらレーザーを照射する必要があります。

精密な位置調整とウェーハの移動は、以前の露光で形成されたパターンと完璧に一致させるため、及びウェーハ全面にわたって均一な露光を保証するために不可欠です。このプロセスにより、高品質な半導体デバイスの製造が可能になります。

ここまで、露光装置の基本構造について説明しました。

露光装置の基本構造はこれで押さえられましたが、この構造部分の変動によって、露光装置の種類が異なってきます。次の章では、7種類の露光装置を確認し、各メリットとデメリットを説明します。

7種類の露光装置とメリット・デメリット

ここからは、露光装置の種類とそれぞれのメリット、デメリットについて解説します。露光装置は、次の7種類に分けることができます。

コンタクト露光

マスクとウェーハを直接接触させて行う方式です。原寸大で回路が描かれたフォトマスクを使用し、そのマスクをウェーハ表面の感光材料に密着させ、その後平行光（一定の方向に進む光線）で照射することでパターンを転写します。解像力を求める場合に最適です。

メリット

コンタクト露光技術の最大の利点は、その優れた解像度です。直接マスクをウェーハに接触させることで、非常に細かいパターンも鮮明に転写することが可能です。

また、初期設備投資が比較的低いため、特に小規模生産や研究開発用途においてコスト効率の良い選択肢となります。

微細な回路設計が求められる現代の半導体製造において、このタイプが依然として重要な役割を果たしています。

デメリット

大面積のウェーハへの一貫した高精度の露光が困難である点が挙げられます。マスクとウェーハの均一な接触が難しいためで、露光の品質が一定でなくなりがちです。

また、マスクの直接的な物理接触による摩耗や損傷は、マスクの頻繁な交換を必要とするため、運用コストの増大につながります。

歩留まり（品質基準を満たす製品の割合）の低下も大きな問題の一つであり、特に大量生産においては、この点がコストパフォーマンスに大きく影響を及ぼします。

プロキシミティ露光

マスクとウェーハの間に微小な隙間を設けて露光を行う方式です。導入コストが比較的低く、初期投資を抑えたい小規模から中規模の生産に適しています。

メリット

マスクとウェーハが直接接触しないため、双方への物理的なダメージを大幅に減少させることができます。マスクの耐久性が向上し、長期間にわたって高品質の露光が可能になります。

さらに、マスクとウェーハの間に隙間があることで、微細な調整が可能となり、より柔軟な製造プロセスを実現します。

デメリット

マスクとウェーハの間に隙間を設けることで、理論上は解像度が低下する可能性があります。特に、大面積のウェーハに対して一貫した高精度の露光を行うことがより困難になります。

また、この技術はマスクとウェーハ間の距離を非常に精密に制御する必要があり、そのためのシステムが追加のコストや複雑さをもたらす傾向にあります。

投影露光

マスクとウェーハの間に投影レンズを配置して、回路パターンをウェーハに投影する方式です。この方法により、極めて高い精度のパターン転写が可能になり、微細な回路設計のニーズに応えることができます。

メリット

転写時にマスクやウェーハへの物理的なダメージがほぼ発生しない点にあります。これにより、マスクの長寿命化と、ウェーハの品質維持が可能となります。

さらに、レンズを通じて回路パターンを縮小して投影することで、より細かいディテールの再現が可能になり、高い解像度の回路設計が実現します。また、非接触方式であるため、大面積ウェーハへの均一な露光も容易です。

デメリット

投影露光技術の導入コストは高額です。高度な精密機械と先進的な光学システムが必要となるため、初期設備投資が大きな負担となります。

また、システムの複雑さから、運用時のメンテナンスや調整にも高度な技術が求められ、維持管理費用が増加する可能性があります。専門知識や技術者が必要となることもデメリットとして挙げられます。

ステッパー

ステッパーは、マスクを介さずにウェーハに直接縮小してパターンを露光する方式です。露光エリアを小さく区切り、一つずつステップ・アンド・リピートすることで全面を露光します。半導体生産ラインの中核技術として広く利用されています。

メリット

露光する際に各露光ポイントでピント調整が可能であることです。ウェーハ全体にわたって均一かつ高精度のパターン転写が実現されます。

また、非接触式であるため、マスクやウェーハへの物理的損傷のリスクが大幅に減少し、装置の耐久性向上にも寄与します。微細な回路設計にも対応可能であり、最先端の半導体デバイス製造に不可欠です。

デメリット

先進的な光学系と精密な機械制御技術が必要とされるため、初期投資が大きくなりがちです。

また、一括露光方式に比べて露光に要する時間が長くなるため、製造プロセスのスループットが低下する可能性があります。大量生産環境においては特に重要な課題となり得ます。

スキャナー

レチクル（マスクの一種）とウェーハを同時に移動させながら細長いスリット形状の光をウェーハ全面にスキャンする方式です。レンズの大きさを変えずに大面積のウェーハにも高精度な露光を行うことができ、凹凸のあるウェーハ表面に対しても精密な露光が可能です。半導体生産において中核的な役割を担っています。

メリット

大面積ウェーハに対してもレンズの大きさを変更することなく均一で高精度な露光が可能です。また、露光プロセス中にレンズのフォーカス調整が可能であるため、ウェーハ表面の微妙な凹凸にも対応し、高い品質の半導体デバイス製造を実現します。

他にも、非接触式であるため、マスクやウェーハへの物理的損傷のリスクが低く、長期間にわたる使用が可能です。

デメリット

導入コストが非常に高価です。また、装置のステージ系統の構成が複雑であり、運用やメンテナンスには専門的な知識と技術が必要となります。

一括露光方式に比べて露光プロセスに時間がかかるため、製造スループットが低下する可能性があり、大量生産環境においてはコストや効率の面で課題となることがあります。

ダイレクトイメージ

パソコン上で設計されたパターンデータをマスクを介さずに直接ウェーハ上に露光する方式です。特に、研究開発や少量生産の試作品作成に最適であり、迅速かつ効率的な製造プロセスを実現します。

メリット

全自動化により露光プロセスがスピーディかつ低コストで行えます。データから直接露光への転写が可能なため、時間とコストを大幅に削減し、迅速なプロトタイピングが可能になります。

また、従来の方法に比べて材料の無駄が少なく、経済的な運用が期待できます。

デメリット

アライメント時にマスクマークとワークマークの観察ができないため、精密な位置合わせが難しくなります。

また、非常に高精度な駆動系と制御機能が必要とされるため、システムの複雑さとコストが増大する可能性があります。高度な技術力と設備投資を要求されるため、導入を検討する際には十分な検討が必要です。

マスクレス露光装置

従来のマスクを必要としない直接露光方式です。PCから直接送られたパターンデータをウェーハ上に転写することができます。研究開発やカスタム生産の少量試作に特に適しており、迅速なプロトタイプ製造や柔軟な生産ラインの変更が可能です。

メリット

非常に精密な位置精度と線幅の制度を実現できます。

また、マスクを使用しないため、設計変更が容易で、迅速な試作と生産のスピードアップが可能になります。マスクの製作と保管に関わるコストが不要になるため、全体的な製造コストの削減に寄与します。

デメリット

大量生産には向いていません。マスクを使用する従来の方法に比べて、一度に露光できる範囲が限られるため、大量のウェーハを迅速に処理することが難しくなります。

また、非常に高精度な駆動系と制御機能が必要なため、装置のコストが高額になる要因となり得ます。導入と運用には慎重なコスト評が求められます。

ここまで、各露光装置の特徴とメリット・デメリットについて説明しました。

次の章では、実際に数多くある露光装置の中から、貴社に最適な機械を選ぶ際の基準を4つ解説します。選定基準を把握することが一番大切ですので、ぜひ続けてお読みください。

選定方法は？露光装置の比較基準3点

ここからは、露光装置を選ぶ際の選定基準を解説します。機械の導入に際して、検討すべき事項は以下の3点です。

解像度

露光装置の解像度は、製造したい製品の細かいパターンや機能を正確に再現できるかどうかを決定します。高解像度の装置は、微細な構造や細かいディテールが必要な用途に適しています。

高解像度は、より細かいパターンや微細なディテールを正確に再現する能力を持っているため、高度な半導体回路の製造や精密部品の加工に適しています。半導体の場合、より高い解像度によってチップ上により多くのトランジスタを配置することが可能になり、性能の向上や消費電力の削減に寄与します。

一方で、高解像度を担保する露光装置は一般に高価であり、設備投資コストが増加します。同じく、運用コストも高い傾向です。高い解像度を達成するためには、露光プロセスが複雑になりがちで、プロセス制御の難易度も上がります。

反対に、低解像度の装置は一般的に価格が安く、設備投資や運用コストを抑えることができます。そして、プロセスも単純なことから、運用やメンテナンスが容易です。解像度が低いと露光時間が短縮されることもあり、生産性の向上につながる場合があります。

ただし、精細なデザインや微細なパターンの再現は難しいです。半導体製造においては、低解像度ではチップ上に配置できるトランジスタの数が限られ、性能向上やコスト削減の面で不利になります。

スループット

スループットは、単位時間あたりに装置が処理できるウェーハの数、つまり装置の処理能力を指します。この数値が高いほど、多くのウェーハを短時間で処理でき、大量生産に適しています。

高スループットの装置は、大量生産が求められる半導体工場にとって必須です。一定時間内により多くのウェーハを処理できるため、生産効率が大幅に向上し、市場への製品供給スピードも早くなります。

しかし、高スループット装置はその性能を支えるために先進的な技術や複雑な機構が必要とされるため、導入コストやメンテナンスコストが高くなる傾向があります。高い投資を正当化するためには、装置の稼働率を最大限に高め、生産効率を確保する必要があります。

一方、スループットが低い装置は、導入コストが比較的低く、小規模生産や研究開発用途に適しています。しかし、大量生産のニーズに応えることが難しく、生産能力の限界により市場の要求に迅速に対応することが困難になる可能性があります。

露光波長

露光光源の波長は、材料選択やプロセスの柔軟性に大きく影響を与えます。目的に応じて、適切な波長を持つ装置を選択することが重要です。

長波長だと、使用できるフォトレジスト（感光性材料のこと）や基板の種類が多くなります。さらに、長波長の光源は技術的に単純である傾向があり、装置全体のコストを抑えることが可能です。

しかし、長波長の使用は微細なパターンの再現性が低下するというデメリットも持ち合わせています。また、解像度が低いため、製造プロセスの許容範囲、いわゆるプロセスウィンドウが狭くなり、製品の品質を一定に保つことが難しくなることがあります。

一方で、短波長だとより微細なパターンの再現が可能です。さらに、短波長を用いることで、より多くのトランジスタをチップ上に集積でき、性能が高く省エネルギーのデバイス製造に貢献します。

しかし、短波長の光源やその光学系は技術的に複雑であり、装置コストが高くなりがちです。特に極端紫外線（EUV）露光装置などの先端技術は、高い初期投資を必要とします。また、短波長の光は材料によっては吸収されやすく、使用できるフォトレジストや基板の材料が限られます。

以上、露光装置を選定する際の基準3点を紹介しました。次の章では、露光装置を製造するメーカーを紹介します。続けて読むと、貴社にとって適切なメーカーがわかりますので、是非ご一読ください。

露光装置を製造している主要メーカー

ここからは、露光装置を製造している主要企業を紹介します。貴社の導入条件を整理し、比較基準の3点を確認した後は、実際に露光装置を製造している企業を探しましょう。

JET-Globalに問い合わせる

※JET-Globalの問い合わせフォームに遷移します。
一部の会社とは正式な提携がない場合がありますが、皆さまに最適なご案内ができるよう努めています。

• ニコン / Nikon
• キヤノン / Canon
• ウシオ / Ushio
• スクリーン ピーイー ソリューションズ / SCREEN PE Solutions
• オーク製作所 / ORC Manufacturing

※クリックで各メーカーの詳細に飛びます。

ニコン / Nikon

ニコンは、ArF液浸からKrF、i線まで幅広い露光装置ラインアップを持ち、高スループットとオーバーレイ精度に強みを持つメーカーです。

代表製品には「NSR-S636E」「NSR-S322F」「NSR-S220D」「NSR-SF155／NSR-2205iL1」などがあり、先端層からパッケージまで対応できる総合力と高い精度が評価されています。

半導体前工程からパッケージ製造まで幅広く利用されています。

キヤノン / Canon

キヤノンは、半導体露光からパネル、大判、ナノインプリントまで幅広い分野に対応し、量産運用ノウハウを豊富に持っています。

代表製品には「FPA-6300ES6a」「FPA-5550iZ2」「FPA-5520iV」「FPA-8000iW」「FPA-1200NZ2C」があり、ウエハからパネルまで広いアプリケーションに対応できる点が特徴です。

生産性と歩留り最適化に優れ、多様な製造現場で導入されています。

ウシオ / Ushio

ウシオは、独自光学と光源技術を活かした大画角ステッパで、パッケージ基板や大型サブストレート対応に強みを持っています。

代表製品には「UX-5シリーズ」「UX-7シリーズ」があり、大画角投影に優れ、先端パッケージ量産にも適用できる点が特徴です。

パッケージ基板や大型基板の露光工程で広く導入されています。

スクリーン ピーイー ソリューションズ / SCREEN PE Solutions

スクリーン ピーイー ソリューションズは、UV-LED多波長同時照射技術により高感度と高精細を両立し、プリント配線板分野で世界的な実績を持つメーカーです。

代表製品には「Ledia 6」「Ledia 6H」「Ledia Qs」があり、高解像度と高歩留りを実現し、多様な基板に適応できる点が魅力です。

プリント基板の量産工程に広く活用されています。

オーク製作所 / ORC Manufacturing

オーク製作所は、ウエハ用ステッパからパネルレベル、基板用ダイレクト露光装置まで幅広く対応できるラインアップを揃えています。

代表製品には「PPS-8200/8300」「PPS-8500」「FDi／EDi／RDiシリーズ」があり、ウエハから基板まで一社で最適機を選べる柔軟性が強みです。

半導体後工程や実装系アプリケーションで導入されています。