電⼦・情報
次世代半導体微細加⼯・評価基盤技術の開発

極端紫外線（EUV）を利⽤した次世代のマスクブランクス検査技術を確⽴
レーザーテック株式会社
取材︓ August 2018

進歩する半導体デバイスのための、次世代の検査技術を確⽴
電⼦機器の⾰新を可能にするのは、半導体デバイスの進歩に他なりません。そして半導体デバイスの進歩は、その電⼦機器の⼼臓部であるICチップを構成する電⼦回路の微細化によって実現します。その製造過程で重要になってくるのが微細なダストや傷、それによる⽋陥などを⾒つけるための検査技術です。⾼度な半導体デバイスにおいては、その材料や電⼦回路上の数nm(10億分の1m)という微細な⽋陥が、動作における致命的⽋陥になり得ます。レーザーテック株式会社は、最先端の半導体デバイスを開発する現場からの要請に応えるため、NEDOプロジェクト「次世代半導体微細加⼯・評価基盤技術の開発」の下で次世代のEUVマスクブランクス⽋陥検査技術の確⽴に成功。その技術を使った検査装置「EUVマスクブランクス⽋陥検査/レビュー装置『ABICS』」を2017年4⽉に販売開始しています。そして「ABICS」は、これからの半導体デバイスの進歩を⽀える、次世代のマスクブランクス検査装置におけるデファクトスタンダードとなる技術として、世界中から期待を集めています。

検査技術は半導体製造の「縁の下の⼒持ち」
電⼦機器の⼼臓部に当たるものが、複雑で多層な電⼦回路を持つ「ICチップ」です。検査技術の多くは、このICチップ製造の上流⼯程で使われるものです（「なるほど基礎知識」参照）。

「ICチップ製造の上流⼯程は、フィルムカメラで撮る写真の現像によく似ています。写真はまずカメラで撮影を⾏い、そのフィルムを現像し、ネガを作製します。このネガが、フォトマスクに相当します。ネガを印画紙に転写するための露光を⾏うのと同様に、ICチップの場合はウエハー上にフォトマスクのパターンを露光するわけです」。レーザーテック技術五部部⻑の宮井博基さんはこのように例えます（写真1、図1）。

写真１

マスクブランクス（左）とフォトマスク（右）（写真提供︓レーザーテック）

図1 半導体デバイスは①〜⑤の⼯程を経て製造される（資料提供︓レーザーテック）

写真と同様、ICチップは⼀つのフォトマスクから⼤量の“焼き増し”を⾏うことができます。そのため、フォトマスク製造⽤の材料となるマスクブランクスや「回路パターン」の原版であるフォトマスクに微細なダストの付着や傷、凹凸から⽣ずる⽋陥があると、多数の不良品のICチップが⽣まれてしまいます。いわば、傷のついたネガからは、傷のある写真しか現像できないのと同じです。
半導体デバイスメーカーはこうした⽋陥をゼロにしたいと考えます。しかし現実的には、全て良品とすることは難しく、⼀定数の不良品が⽣まれてしまいます。そのため検査装置には、マスクブランクスやフォトマスク上の重⼤な⽋陥を検知し、ICチップの製造⼯程の「歩留まり」を上げることが求められます。
その歩留まり向上のため、レーザーテックは世界に先駆け、1976年に半導体フォトマスク⽋陥検査装置を製品化しました。業界では「骨の折れる作業」といわれていた顕微鏡による目視の検査の時代に、⾃動で検査を⾏える検査装置を⽣み出したのです。2000年にはマスクブランクス上の非常に微細な⽋陥さえも検出可能な「マスクブランクス⽋陥検査装置ズ」を開発しています。

半導体デバイスを微細化する最先端技術「EUVリソグラフィ」

MAGICS

シリー半導体デバイスを構成する電⼦回路を微細化するために開発されている技術が「極端紫外線（EUV︓Extreme Ultraviolet）」を⽤いた「EUVリソグラフィ」です。先述した通り、ICチップは、電⼦回路を紫外線によってウエハーに露光し転写するリソグラフィによって作られます。フォトマスクの設計回路は、ウエハー上に縮⼩投影されます。より微細な回路を転写するためには、従来よりも短い波⻑を⽤いて解像度を⾼める必要があるのです。
「フォトマスクの回路パターンをウエハーに転写する際、⽤いる光の波⻑が短くなるほど解像度を上げることができます。これまで193nmの波⻑の光が露光に⽤いられてきましたが、より微細化を進めるには、13.5nmのEUVリソグラフィを⽤いなければ厳しいだろう、と予想されてきました」（宮井さん）
EUVリソグラフィは⾼解像度を得ることができるため、従来技術では複数回の露光で実現可能となる微細な回路パターンを、1回の露光で実現でき、コストを抑えることが期待されます。最先端のフォトマスク製造の現場では、EUVリソグラフィの実⽤化に向け、フォトマスクの材料となるマスクブランクスの⽋陥検査装置の開発が求められていました。

NEDOプロジェクトの下で引き継がれていく技術開発
レーザーテックのEUVマスクブランクス⽋陥検査装置の開発に⾄る経緯は、NEDOプロジェクトに間接的に関わったことから始まっています。
2006〜2010年度に実施された「次世代半導体材料・プロセス基盤（MIRAI）プロジェクト（第3期）」では、マスク全⾯検査ができるプロトタイプ機が製作され、EUVを⽤いたマスクブランクス検査の可能性が確認されました。同プロジェクトは、
Selete（株式会社半導体先端テクノロジーズ）によって⾏われたものです。Seleteは⽇本国内の主要半導体メーカーによって共同設⽴された研究開発組織であり、EUVリソグラフィを含む多様な基盤技術の開発を⾏ってきました。

この時レーザーテックは、EUVリソグラフィ技術開発のための検査機器を納⼊し、NEDOプロジェクトへの協⼒を始めました。
2010〜2015年度に、レーザーテックはEIDEC（株式会社EUVL基礎開発センター（現・株式会社先端ナノプロセス基盤開発センター））の共同研究先という形で、NEDOの「次世代半導体微細加⼯・評価基盤技術の開発」プロジェクトに本格的に参画しました。

EIDECは、ブランクメーカー、デバイスメーカー、そしてマスクメーカーなどによって共同設⽴された研究開発組織で、EUVリソグラフィにおける基盤技術の研究開発を目的として、マスクブランクスやフォトマスクの⽋陥検査および評価技術なども開発していました。
「プロジェクトに参画した2010年ごろは、まさに世の中がEUVリソグラフィの実⽤化に向けて動き出そうとしていたころでした。その実⽤化を前に、検査技術においてもEUVを⽤いた検査が必須の技術になるだろうと考えました」（宮井さん）「EIDECのような国内外の半導体に関する主要メーカーから優秀な⼈材が集まる中で仕事ができたことは、エンジニアとして⼀⽣ものの経験でした。あのような環境を作り上げるためには、NEDOとの協働が⽋かせないものだったと思っています」と語るのは、当時、EIDECで開発を主導し、現在レーザーテックに移り技術五部のシニアエンジニアである渡辺秀弘さん。こうして「EUVマスクブランクス⽋陥検査/レビュー装置『ABICS』」の開発が進められました。

微細な⽋陥を⾒つける、次世代の“目”「ABICS」は、マスクブランクスの⽋陥を検査する装置です。そもそもマスクブランクスにはどのような⽋陥があるのでしょうか︖

マスクブランクスというものは多層構造になっており、底からサブストレート、モリブデンとシリコンの多層膜「マルチレイヤー」、そして回路パターンが描画されるアブソーバーから成ります。マスクブランクスの⽋陥には、まずアブソーバー上やレイヤー裏⾯などに微細なダストが付いてしまうような表⾯上の⽋陥があります。さらにマルチレイヤーの内部でひずみが発⽣している場合などの、内部の⽋陥があります（図2）。

図2 マスクブランクスの⽋陥の種類（資料提供︓レーザーテック）

マスクブランクスの表⾯と内部の⽋陥を検知する技術が、「ABICS」の持つコア技術です。
本装置は、「暗視野検査技術」を⽤います。光の反射・屈折などを利⽤して物体の像を⽣じさせる、複数のミラーで構成された装置（光学系）を使い、照明光をマスクブランクスに照射します。すると、⽋陥の存在によって光が散乱するため、正反射しない成分が発⽣します。その光を上部の光学系で集め、撮像素⼦に結像させることによって⽋陥を検出します。
暗視野検査装置には⼆つの検査観察モードがあります。⼀つが検査の際に、⾼速（⾼スループット）で全⾯をスキャンする場合に⽤いる「26倍検査光学系モード」、もう⼀つが、⽋陥が検出された場所を局所的に観察し、詳細な情報を得るためのモードである「1,200倍観察光学系モード」です。
「1,200倍観察光学系では、市場要求性能を満たす解像度を得るために、多くの試⾏錯誤を繰り返しました。これまでの光学系の製作技術では満⾜のいく解像度を得ることができず、ミラーの研磨技術と光学系の調整技術を共に⾼めていく必要がありました。開発の結果、より⾼い精度の光学系を実現し、最終的に得られる画像の解像度を⾼めることができました」（宮井さん）
実際の開発では、Seleteで基本設計がなされた⾼精度反射光学系の最適化を、レーザーテックで⾏い装置に適⽤し、⽋陥観察像の特性を向上させました。また、マスク照明の照射角度範囲を広げることで光強度を⾼め、マスクへの⼊射光、反射光および散乱光のバランスを最適化することによって、微細な凹凸により発⽣する位相差を検出する⼿法を導⼊。結果として、幅50nm、⾼さ1nmほどの微細な位相⽋陥を安定して検出できるようになりました。
従来の193nm、266nm、488nmといった波⻑では、減衰し、表⾯付近の情報しか得られませんが、13.5nmの波⻑を持つ
EUVは、マスクブランクス内部深くまで減衰することなく届き、反射率の異常を察知し、⽋陥を検知することが可能です（図3）。
EUV光による検査においても多⼤な試⾏錯誤がありました。まず、検査光源をこれまで⽤いられていた深紫外線（DUV︓DeepUltraviolet）などの光からEUVへ転換するためには、従来の装置で⽤いられていた透過光学系が使えません。そのため非常に⾼精度で、市場要求性能を実現する新たな反射光学系を使⽤する必要がありました。

「開発の初期段階では、なだらかな形状の⽋陥をうまく検出することができないという課題がありました。照明条件のわずかな違いや⽋陥の種類によって検出できないことが分かったのです。これは製品化を⾏う上で致命的な問題でした。それらを改善するため、総合的なEUV光学系の技術開発をEIDECと⾏いましたが、試⾏錯誤の連続でした。検出対象となる⽋陥を観察、シミュレーションによる⽐較検証、改良した光学系の実機検証を繰り返し⾏いました。その結果、検査感度を要求されたレベルにまで⾼めることができました」（宮井さん）

図3

EUV光の13.5nmの波⻑（左）により、内部深くまで検査が可能

⽋陥を「なかったことにする」⾰新的技術「⽋陥緩和」
⽋陥が存在しないマスクブランクスを作ることはできないのでしょうか︖

そもそも⽋陥さえなければ、各半導体メーカーは余分な費⽤を出すこともなく、さらには検査装置を⽤いることなく半導体産業は発展するはずです。
「⽋陥がまったくないマスクブランクスを作ることができるのなら、それがベストなことだと思います。しかし現実的には、⽋陥ゼロのマスクブランクスを作ることは非常に困難です。そこで⽋陥があるマスクブランクスでも使えるようにするための技術も、EIDECによる開発の際に同時に⽣み出しています」（宮井さん）
その技術が「⽋陥緩和」です。マスクブランクスの⽋陥を、⾼度な位置制御によって影響しないようにする技術です。
先述の通り、多層構造を持つマスクブランクスは、底からサブストレート、マルチレイヤー、そして回路パターンが描画されるアブソーバーから成ります。 ⽋陥があったとしても、⽋陥⾃体が、回路パターンのあるアブソーバーの下にある場合、その⽋陥は露光した際にウエハーへ転写されません。つまり、回路パターンが描画されるアブソーバーの下に配置できれば、その⽋陥は「もともとなかった」ことと同じになるのです。
「EUVリソグラフィというのは、ちょうど鏡の上にマジックで回路を書いて光を当てることに似ています。光を当てると、マジックで書いた回路のところは光が反射せず、マジックの線を除いた部分のみが光り、反射してウエハーを感光させる。これがEUVリソグラフィの基本的な考え⽅です。そして、マスクブランクスの⽋陥は反射率の異常ですから、⽋陥部位は光の反射を妨げます。よって、光を当てると、ウエハーには⿊い点として転写され、これが転写エラーとなります。この⽋陥が消せないものであるならば、そもそも回路を⽋陥の上に書いてしまおうというのが⽋陥緩和の考え⽅ですね」（渡辺さん）
⽋陥をゼロにできないのであれば、⽋陥をなかったことにすればいいという、まさに逆転の発想です。では、どうすればそんなことが可能になるのでしょう︖
先述した検出モードの⼀つ、1,200倍観察光学系は、⽋陥の位置を正確に把握することが可能です。したがって、⽋陥の座標の上に回路パターンが描写されるように調整することさえできれば、⽋陥を「なかったこと」にできるのです。
「⽋陥の正確な位置が分かれば、実際にフォトマスクを作る際に回路パターンを描画する位置を変えればいいだけです。パターンの位置を変える作業はソフトウエアを⽤いて⼀般的に⾏うことが可能です」（渡辺さん）

「目的は『⽋陥を回路パターンの下に隠す』ことですから、10〜20nmといった非常に微細な精度で⽋陥の場所を報告しないといけません。非常に⼩さい角度でもレンズがぶれてしまった
ら、CCD上に投影される⽋陥像がずれてしまい、⽋陥の座標を正確に捉えられません。座標の精度にはいつも気を使って開発を続けていましたね」と、レーザーテック技術五部スタッフエ
ンジニアの鈴⽊智博さんは当時をこう振り返ります。

写真2 検査画⾯を⾒る渡辺さん（右）と鈴⽊さん（左）試⾏錯誤が続いたEUV光源の「デブリ」問題
⼀⾒、良いことづくめのEUVですが、その光源には⼤きな問題が⽴ちはだかりました。⾼エネルギーの光源から発⽣する直径数⼗nmの微細な粒⼦「デブリ」の発⽣です。
デブリが発⽣すると、検査装置内部のミラーや光学系ユニット、さらには検査を⾏うマスクブランクス⾃体を汚染するため、検査装置としては致命的な問題です。
それまでの検査装置では、レーザーやランプなど、デブリがほとんど発⽣しないタイプの光源を利⽤していました。しかしEUV
マスクブランクス⽋陥検査では、非常に⾼いエネルギーを持ったプラズマ光源を⽤いる必要がありました。プラズマ光源からは、デブリが多数発⽣します。
「デブリが多数発⽣する光源を扱うこと⾃体、初めての経験でした。開発を始めた頃は、デブリの影響で、内部の光学系ユニットを数時間で交換しなければならず、検査を続けることがとても困難な状態でした。何よりも、⽋陥を⾒つけなければならないはずの検査機が、逆に⽋陥を増やしてしまっては元も⼦もありません」（宮井さん）
この状況に宮井さんは頭を抱えたと⾔います。EUV光源の場合にはデブリが発⽣しない検査⽤光源が存在しないため、デブリを除去する⽅法を探らなければなりませんでした。
突破⼝はマスクブランクス⽋陥検査装置で培ったデブリ対策のノウハウと、繰り返し⾏ったエンジニアの膨⼤な検証試験により⽣まれました。
宮井さんら開発チームは、光源の発光条件や装置内の気体の流量、光学ユニットへの熱⼊射条件など、条件を変え試験を⾏いました。それらの結果からどうすればデブリの影響を緩和でき、部材の寿命を延ばせるのかを推測し、観察、実験、評価をひたす
ら繰り返すことで、道なき道を切り開いてきたのです。
「数時間で光学ユニットがダメになることは⽇常茶飯事、ミラーがダメージを受け使えなくなることもありました。そうした結果を丁寧に観察し、シミュレーションによる予測を加え、最適な構造とダメージを受けない条件を推測し、実証評価を繰り返しました。最終的には良い条件を⾒つけることができ、実⽤的なスループットと感度の両⽅を達成することができました」（宮井さん）
これらのさまざまな試⾏錯誤によって、マスクブランクス内部の⽋陥の⾼精度な検知が可能になり、さらにプラズマ光源から発⽣するデブリの影響を最⼩限に抑える知⾒を得られたことで、最後の難関も乗り越えることができました。そしてついに2017
年4⽉、「ABICS」の製品化を実現しました。

写真3ク）

レーザーテックの開発現場は、半導体製造のクリーンルーム同様に最⾼レベルの清浄度が保たれている（写真提供︓レーザーテッ

検査で⽀える、社会の未来「ABICS」の販売を開始した2017年は、半導体業界がEUVリソグラフィを実⽤化することが明確になってゆくタイミングでもありました。2011年3⽉からのNEDOプロジェクトにおける試作機の開発から約6年という開発スピードで、市場的にも非常に先⾒性の⾼い製品を世に出すことができたのは、共同研究体制の下で、レーザーテックの開発⼒が存分に発揮されたからと⾔えるでしょう。
「開発の初期段階だった2010年代前半は、EUVリソグラフィの将来性について議論されていましたが、実際に使われるかは不明確でした。そうした状況の中でも試⾏錯誤を重ね、開発を続けてきました。そして2017年、EUVリソグラフィが将来性のある技術として認識されたタイミングと同時期に『ABICS』が市場に投⼊され、その有⽤性が多くの⼈々に認識されたことは、非常に感慨深いものがありました。『ようやくこの時がきた』と、開発したことを皆で喜び合ったことを覚えています」（宮井さん）「『ABICS』はまぎれもなく、デファクトスタンダードとなる技術です。こうした技術を開発してこられたのは、主要メーカーから優秀な⼈材を集めたプロジェクトチームが実現できたからです。これは『NEDOプロジェクトである』ことがとても重要だったと思っています。EIDECにおいても、さまざまな企業の協⼒を得て研究開発を⾏っていく上で、NEDOプロジェクトの下、集まって仕事ができたことは⼤きなメリットでした」（渡辺さん）
インフルエンザウイルスよりも⼩さく、数⼗nmという非常に微細な⽋陥を検知する精度を誇る「ABICS」。今後、観察性能やスループットを⾼めていくといったマスクブランクスメーカーからの要請に応えながら、製品としてより進化していくことになります。
今後、スマートフォン、ノートパソコンなどの携帯端末、エアコンや冷蔵庫などのIoT家電、利⽤が拡⼤する⼈⼯知能（AI）、⾃動運転されるモビリティなどで半導体デバイスは使⽤され、需要は増加の⼀途をたどります。それに伴い、精度の⾼い検査技
術は半導体産業のみならず、社会そのものの発展に貢献していきます。

これからもEUVの検査技術を通して、世の中に貢献したい
宮井さんは、技術担当として「ABICS」の開発における技術全般に関わり、NEDOプロジェクトではレーザーテック内の技術開発の取りまとめを⾏ってきました。
「開発の中で最も記憶に残っているのは、検査結果が初めて得られたときですね。量産装置として市場に受け⼊れられるためにはスループットの確保が⽋かせませんが、具体的な目標として掲げていたスループットの達成が⾒えてきた瞬間の、得も⾔レーザーテック株式会社
技術五部 部⻑
宮井 博基 さん

われぬ興奮と安堵感は忘れられません」「今後、『ABICS』が市場に導⼊される段階では、技術の進展に伴い新たな要望が必ず出てくると予想しています。そうした要望を受け⽌めた装置を実現させ、EUVの検査技術を通して世の中に貢献したいと考えています」

ドリームチームと強い個⼈⼒で実現した「ABICS」
渡辺さんはEIDEC在籍時から技術担当として本プロジェクトに関わってきました。海外メーカー、そして国内の主要メーカー、⼤学の研究機関の叡智を結集したEIDECはまさにドリー
ムチーム。実際のプレーヤーと直接議論をしながら開発を進めることができたことで、装置の完成度を速いスピードで⾼めることができましたと語ります。
「NEDOにはプロジェクト終了後も、実⽤化に向けて継続的にレーザーテック株式会社
技術五部 シニアエンジニア
渡辺 秀弘 さん

開発⽀援をしていただけたのがありがたかったと思っています。EIDECにおいて装置の完成度は⾼められていましたが、NEDOの⽀援のおかげで、市場に出てからの信頼性を⾼めるための開発に集中することができました」

好調な開発を続けることができたのは、苦難の中にも楽しみがあったから鈴⽊さんは⾼精度の座標測定⽅法の開発に関わってきました。
装置におけるステージ技術、対物レンズの保持などを主に担当していました。
「⾼精度座標測定⽅法の開発は試⾏錯誤の連続でした。座標変換の⽅法も⾃分で考えて、それをプログラムに落として計算させ、再現性が⾼い⽅法を導き出す開発⼯程をやってきました。
本当に⼤変な開発でしたが、正直楽しかったですね。最初はな
レーザーテック株式会社技術五部 スタッフエンジニア
鈴⽊ 智博 さん

かなか結果が出ないのですが、いろんなことを試して、違う結果が出てくるたびに驚きと発⾒がありました。最終的に実⽤化できたことは⼤きな喜びでした。これからは量産装置として継続して改善を進めていきます」

半導体デバイスの製造⼯程
半導体デバイスはさまざまな材料を⽤い、多くの設計、製造、検査の⼯程を経て製造されます。
半導体デバイスの機能中枢であるICチップの製造は、電⼦回路の「回路パターン」の設計に始まります。CADによって、メーカー側が求める性能を満たす電⼦回路を設計する「回路設計」を⾏う⼯程です。
そうして設計された回路パターンを、ガラス板の上に遮光膜を形成してできた「マスクブランクス」に転写し、回路パターンの原版である「フォトマスク」を製造します。できたフォトマスクを、「フォトレジスト」と呼ばれる感光剤が塗られたシリコンでできた円盤状の「ウエハー」に、特殊なレンズによって縮⼩投影し、複数転写を⾏います。
この製造⼯程は、紫外線を使って露光し、転写する「リソグラフィ」と呼ばれ、微細な回路構造を⽣み出すために重要な⼯程です。現在はより微細化された回路の転写を⾏うために、従来の紫外線よりも波⻑の短い「極端紫外線（EUV）」を⽤いた「EUVリソグラフィ」が活⽤され始めています。
リソグラフィを含む、ウエハー表⾯の平坦化などのさまざまな⼯程を繰り返し⾏いながら、トランジスタなど多数の素⼦をウエハー上に造り込みます。そしてダイヤモンドブレードで⼀つずつ切り分けることで、⼀つのICチップが完成します。

「次世代半導体微細加⼯・評価基盤技術の開発」（2010〜2015年度）（NEDO内担当部署︓IoT推進部）
⽇本の半導体関連産業の技術⼒強化のため、半導体LSIの微細化に対応できる半導体デバイスプロセス基盤技術の研究開発を実施しました。
NEDOは、2006〜2010年度に実施した「次世代半導体材料・プロセス基盤（MIRAI）プロジェクト（第3期）／次世代マスク基盤技術開発」において、EUVを使ったマスクブランクス⽋陥検査の原理検証を⾏い、その成果を本プロジェクトにつなぐことができました。本プロジェクトでは、EIDEC（株式会社EUVL基礎開発センター（現・株式会社先端ナノプロセス基盤開発センター））を中⼼として、関連サプライヤ企業と先進ユーザー企業との異業種間連携による開発を⾏い、レーザーテック以外に海外の先進半導体企業も参加した体制を構築し、プロジェクトを推進しました。
その結果、レーザーテックは、その成果を使って次世代の検査装置「EUVマスクブランクス⽋陥検査/レビュー装置『ABICS』」の開発に成功し、実⽤化を達成しました。

関連プロジェクト
次世代半導体材料・プロセス基盤（MIRAI）プロジェクト（2001〜2010年度）
次世代半導体微細加⼯・評価基盤技術の開発（2010〜2015年度）