ペリクルとは？フォトマスクを守る薄い膜の仕組みと、EUVペリクルが難しい理由・作る会社

ペリクルとは、フォトマスクの表面を枠で数ミリ浮かせて覆う、薄い防塵の膜です。落ちてきたゴミを膜の上で受け止め、露光のピントの外に置きます。

ただのカバーに見えます。ところが EUV 用は、ほとんどの物質が光を吸ってしまうため、光を通しつつ熱に耐える膜を極めて薄く作らなければなりません。そのため最先端の材料として話題になっています。

先に読みたい節 仕組み/DUV用とEUV用の違い/作る会社

ペリクルとは

ペリクルの仕組み：膜を浮かせて、ゴミを「ピントの外」に置く

ペリクルは、膜(メンブレン)と枠(フレーム)の2つの部品でできています。枠をマスクの模様がある面に貼り、その枠の上に膜を張ります。膜はマスクの表面から離れた位置で、マスクの模様の全体を覆います。

なぜ、マスクに直接ラップのように貼らないのでしょうか。露光装置は、マスクの模様の面にピントを合わせてウェーハに写します。ゴミが模様の面に付けば、模様と同じようにくっきり写ってしまいます。けれど、膜の上に乗ったゴミは、ピントの合う面から離れているので、ぼやけて広がり、ウェーハには写りません。写真で、レンズの前の小さなほこりが写らないのと同じ理屈です。

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ゴミ1個が「チップ全部」の不良になる理由

ウェーハの上の1か所にゴミが付いても、だめになるのはその1個のチップだけです。ところがマスクの上のゴミは話が違います。露光装置は、同じマスクの模様を1枚のウェーハに何百回も並べて写し、さらに何枚ものウェーハに同じマスクを使います。マスクにゴミが付いたまま露光すると、そのゴミの影が、写したすべてのチップの同じ場所に繰り返し入るのです。

だから、マスクは「汚れたら拭く」ではなく「最初から汚れさせない」部品です。三井化学は、ペリクルを「フォトマスクに塵が付着しシリコンウェハーやパネル基盤に結像することを防ぐために、フォトマスクのカバーとして使用される保護膜」と説明しています。マスクはウェーハの前の工程で検査され、ペリクルを付けて出荷されます。ペリクルを付けた後は、膜の上にゴミが乗っても写らないので、マスクをクリーンな状態で長く使い続けられます。

DUV用とEUV用のペリクルは、何が違うのか

ペリクルの考え方は、KrF・ArF の深紫外線(DUV)露光でもEUV露光でも同じです。違うのは、光がマスクをどう通るかと、光が物質にどれだけ吸収されるかです。

EUV用がとくに難しいのは、「光を通す」と「熱に耐える」を同時に満たす材料がほとんどないからです。膜を薄くすれば光は通りますが、弱くなります。厚くすれば丈夫になりますが、光を吸収して熱くなり、ウェーハに届く光も減ります。しかも反射型のマスクでは光が膜を2回通るので、吸収の影響も2回分かかります。

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EUVペリクルの膜は、シリコン系からCNTへ

EUVペリクルは、2021年に三井化学がASMLからライセンスを受けて、岩国大竹工場(山口県)で世界に先駆けて商業生産を始めました。この既存のEUVペリクルは、膜材にシリコン系の素材を使っています。

次の課題は、露光機の高出力化です。露光機の光源が強くなるほど、膜が受ける熱も増えます。三井化学と imec は、次世代の 0.33NA EUV露光機の出力が600W以上になる2025〜2026年に合わせて、カーボンナノチューブ(CNT)の膜を使うペリクルの事業化で提携しました。CNTの膜は、EUVをよく通し、反射が少なく、1kWを超える露光出力にも耐えると説明されています。

imec は2020年の発表で、CNTペリクルをEUV露光機(NXE:3300)に載せて露光し、単回の透過率で最大97%を示しています。透過率が数%上がるだけで大きな話に聞こえるのは、光が膜を2回通るうえ、透過率がそのままウェーハに届く光の量、つまり露光機の生産性に直結するからです。

ペリクルを作る会社と、まわりの会社

ペリクルは、マスクメーカーでも露光装置メーカーでもない、材料の会社が作ります。日本の会社が中心にいる分野です。

投資の目で見るときの注意は2つです。ペリクルは会社全体の売上の中では小さな事業で、株価がペリクルだけで動くことはまずありません。もう1つは、EUVペリクルの材料はまだ移り変わりの途中で、どの材料が標準になるかは決まっていないことです。

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まとめ

よくある質問

この記事で見たペリクルとフォトマスクを、リソグラフィの工程全体から知りたい方に。本書（技術評論社）は、半導体製造プロセスの全体像から各工程までを図解した本で、「リソグラフィ」の章では、露光、液浸露光技術、ダブル／マルチパターニング、EUV露光技術、リソグラフィ装置とメーカーが取り上げられています。