フォトマスク

製造工程と使用法

フォトマスクに使う基板には、ガラスや合成石英上にクロムを遮光膜として描画図形が形成されるものが多いが、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。

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。現在最も一般的なフラットパネルディスプレイである液晶ディスプレイでは、それぞれ機能を造り込まれた2枚のガラスに液晶を挟み込むことによって形成されているが、画素のON/OFFを司るTFT (Thin Film Transistor) 基板では3から6枚、画素の色をコントロールするカラーフィルタ基板では4から7枚のフォトマスクが用いられる。
半導体用と異なり、ほとんどの工程では等倍露光が用いられる。ただし、低温ポリシリコン液晶のTFTなど一部の工程では拡大、縮小露光も用いられている。露光方法としては、フォトマスクの像をレンズないしプロジェクションミラーによって転写するプロジェクション方式、及び光学系を使わず、フォトマスクと被転写基板を数十～数百μmの間隔で近接させて転写するプロキシミティ方式の両方が用いられる。前者は解像度、転写像の忠実性に優れ主にTFT基板加工用に用いられ、後者はコスト、及びタクトタイムに優れ、比較的パターンの大きいカラーフィルタ基板で主に用いられる。ただし、TFT基板でプロキシミティ方式を用いたり、カラーフィルタ基板でプロジェクション方式を用いるケースも見られる。
液晶ディスプレイの製造において特徴的なのは、コストダウンを目的として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が存在することである。転写後は、初期膜厚に近いレジスト残膜となる部分、中間の膜厚となる部分、レジストが除去される部分の3通りの状態となる。これにより、1回の露光で形成したレジストパターンを使って、積層された二つの層に順次エッチングを行うことが出来、工程削減、すなわちコストダウンが可能となる。当初は韓国のパネルメーカーで始まった技術であるが、現在ではかなり一般的に用いられるようになってきている。フォトマスク上への半透過部の形成については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

プリント基板では半導体用途のような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、または積層するだけの単純なプロセスであるため、フォトマスクは簡単であり枚数も少ない。スルーホールはドリルで空けることが多いが、パターン、ビア（バイアホール）などの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。マザーボード用途とは異なり、主にパターンが微細な小型のプリント基板、LSIパッケージ、ベアチップなどを搭載するインターポーザ（サブストレート）などの製造に用いられる。

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[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13.5nm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おり、半導体の製造装置メーカーであるクレステックと、東北大学の江刺正喜教授の開発チームが、2014年までの製品化を目指している。

大型化と価格の高騰

半導体に次ぐ市場規模を持つ液晶ディスプレイ用のフォトマスクでは、半導体とは状況が異なり微細化に大きな注力はなされず、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、プロジェクション方式の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、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。
フォトマスクも世代に合わせて大型化が進んでおり、半導体で使用する5インチ、6インチの正方形とは比較にならないほどの大きさとなっている。G5で520mm×800mm、G6では800mm×920mm、最新のG8では1,220mm×1,400mmと各辺共に1mを超えるサイズとなってきている。また、液晶を形成するガラスと異なり露光機内で基板周辺のみで保持されるフォトマスクでは、たわみを低減させるために板厚が非常に厚くなっており、G8世代では13mmに達する。その結果マスク重量は50kg程度の重さとなり、装置内保持機構のほかマスクの搬送等にも専用の設備が必要な状況となっている。また、G10世代ではさらに大型化し、短辺が約1,600-1,800mmと板厚は20mmを超え、G8世代の3-4倍の約150ｋｇに達している。
現在、G8世代のマスクフォトマスクの価格は1枚あたり数千万円する。一般にTFTアレイ側の加工で4-6枚、カラーフィルター側の加工で4-7枚程度のマスクが必要であり、半導体同様にセットレベルでのマスクコストの高騰がいわれていた。そこへ2008年からの急激な景気後退によりパネルメーカーの収益が悪化、パネルやセット価格が大幅に低下したことからマスクに対する価格低下圧力が従来にも増して非常に強くなり、3年前と比較すれば単価は50%以上低下している。フォトマスクは、製造しようとするパネルの回路設計によってその都度デザインされ、加工される一点物であり、スケールメリットが出しにくい商材であること、パネルメーカーと比較してマスクメーカーの規模がやや小さく大規模投資が望みにくい一方で、市場規模に対してマスクメーカーの数がまだ多いことから、ほぼ全てのマスクメーカーの収益性は従来と比較して急激に悪化している。