発掘力と豊かな着想力があれば，人もお金も後からついてくる

聞き手：アライナーやステッパーと呼ばれるリソグラフィ用の半導体露光装置に関して，ユーザーとして，自社製や， パーキンエルマ社やGCA社などの海外製，国内製それぞれのご使用経験があったとお聞きしています。それぞれに感じたこと等，ヨーロッパ製が強い現状と比較してお話をお聞かせください。

門田：半導体は，「論理回路（紙の上のLogic回路）を固体素子（Solid State Deviceチップ）に物理・化学変換をする」ところから始まりましたが，その変換機器は，いわゆる「リソグラフィ技術」です。幸いにも，私は，VLSIの黎明期からこの微細化リソグラフィに関与できました。先人もほとんど居ない状態で，いきなり，トップ集団を走ったのです。
　5μm世代までの露光機は，上述した様にコンタクト露光（1：1のネガ型レジスト・プロセス）であり，女性作業員たちが，手動でアライメントし，国内外のファブもこれで構成されていました。
　しかし，初期世代のVLSIを開発するとなると，新規に3μm世代の設計とリソグラフィ技術が必要となりました。主な理由は，ネガ型レジストでは，現像中に膨潤を起こし，隣のパターンと接触，スペースが開かなくなる，ドライエッチング耐性が乏しく，プラズマ中で劣化する等々の基本的弱点がありました。また，転写に用いるマスクは，ウエハと100回も“コンタクト“を繰り返すと，ランダム欠陥が発生する上に，アライメント精度が上がらず，設計仕様が未達になるからでした。
　これらの弱点を一挙に克服できるのは，プロジェクション（1：1のポジ型レジスト・プロセス；等倍アライナー）でした。マスクとウエハは，約1m離れた構造のため，互いに接触せず，欠陥が入らないため，高精度のオリジナルマスクが1枚あれば，数万枚も露光できました。また，ポジ型レジストは，プラズマ耐性に強いノボラック系を用いたので，設計→露光→エッチ→完成まで，寸法シフトを極めて少なくできました。この一連の方式が，生産技術としてネガからポジへの「パラダイムシフト」となりました。
　露光機メーカーとして，米国パーキンエルマ社が世界を席巻していましたが，IBMが協業者として技術をリードしていました。同社は，後にハッブル望遠鏡をNASAに収める等，プロジェクションの実績は偉大でした。その後，国内ではキヤノンが参入，現在に至ります。
　しかし，さらにチップを70％シュリンクして，2μm世代に対応するには，重ね合わせ（アライメント）精度が不足しました。そこで登場したのがステッパーです。当時は，露光波長436nm（g-線）で縮小比率10：1 ，NA＝0.28の画角，チップサイズ上限は，10mmでしたが，これで±0.5μmの2層間重ね合わせが生産技術として実現できました。生産技術の意味は，年間360日，10～20台のステッパーを休まずフル稼働させ，数万枚のウエハ上で実現できる精度，すなわち，デザインルールとなることを意味します。ただし，難点は，露光処理能力（スループット）が極めて低く，高価なステッパーをファブに大量に並べるのは抵抗もありましたが，設計ニーズに合わせて大型投資を行いました。 　露光機メーカーとしては，1980年代，米国GCA社が世界を席巻したが，この余波で，パーキンエルマ社は凋落して行きました。国内では，ニコン，キヤノンが後続参入し，世界の御三家となりました。
　その後，半導体の微細化は次々に進み，露光波長は，436nm（g-線）→365nm（i線） →248nm（KrF-レーザー） →193nm（ArF-レーザー）と進化することで，レジスト材料と合わせ，ナノレベルのパターン形成が可能となりました。同時に，チップサイズの拡大に対応して，レンズも4：1縮小，高NA＝1.35に変わり，画角サイズも20mm以上が可能となりました。露光時の雰囲気もドライ型から液浸型に進化し，現在では，1層のマスクパターンを2分割，4分割して重ね露光するダブルパターン，クワッドパターンなどで，20nm以下も生産が可能な時代となりました。
　ここまでの対応は，特に高精度レンズの設計ができるか否か，まさに「目玉」で決まりましたが，自社でレンズ設計ができないGCAは途中退場となり，逆に，欧州でひっそりしていたASMLが，世界を席巻しはじめました。デザインルール上は，液浸ArFでクワッドパターンを行えば，約10nm世代までは，ナノレベルVLSIが実現できる見通しが得られています。
　これ以外のEUV露光技術（波長＝13nm）等は，国プロでも取り組みましたが，いまだ完成の見込みも無く，総コストも極めて高額であり，投資しても回収も不可能です。原理上も，液浸ArFを超える優位性は無く，VLSI産業には不要と思われます。野球で言うなら，大飯食いのベンチウォーマで，永久に出番は来ない戦力外のようなものです。
　エピソードとしては，365nm（i-線）レンズの開発で紆余曲折がありました。目標は，2μm世代以降を縮小倍率5：1で行ける大口径レンズがどうしても必要でしたが，国内外の露光機メーカーでは開発が遅延しました。NAを大きくし解像性能を上げる一方，露光画角も20mm以上を満たさねばならず，各種の光学収差を低減するために，レンズ設計と製作・調整に2～3年かかりました。試作しては露光テスト，微細パターンをSEMで多点測定し，結果をフィードバックするアナログ的な力仕事でしたが，喧々諤々の議論（協業）を繰り返し，ようやく完成にこぎつけました。
　この間，設計側（上流）でできる課題は無いかと考えて思い付いたのが，近接効果補正（OPC）を微細パターンのコーナー部分に配置し，精度を向上し，デザインルールを満たす手法です（p.1219図1右上）。この効果を予測するためには，計算機シミュレーションが必須でしたが，当時は，市販ソフト（EDA）などは無く，すべて自前でソフト開発し，大型計算機をぶん回すしかありませんでした。物理光学のアルゴリズムは存在しましたが，VLSIのパターンに適用する計算事例は無く，2年程度の試行錯誤を経て，実用レベルのソフトが完成しました。これを海外の学会で発表したが，世界初であり，聴衆の度肝を抜き，喝采を浴びました。あの最先端のIBMに勝てたのです。その後，このOPC技術は，各国でEDAツールの実用化が進み，広く世界標準になり，これが無くては，ナノレベルの光露光ができない基幹技術となりました。
　もう一つのエピソードは，検査・計測に用いる測長SEM（下流）です。1980年ごろまでは，VLSIのパターン検査，ランダム欠陥検査は，すべて金属顕微鏡で，肉眼による人海戦術しか手段がありませんでした。金属顕微鏡は安くて，カラー情報も得られますが，倍率が1000倍位になると，焦点深度が浅くなり高精度な測定が困難で，長時間の安定測定には目が疲れて耐えられません。
　そこで思い付いたのが，電子顕微鏡の採用です。しかし，当時の電子顕微鏡は，科学研究用途であり，像のコントラストを上げるために，表面に金をコートする，真空チャンバーが小さいので，対象のウエハを破断するために，測定後，プロセスに戻せない等々の問題がありました。金の汚染は，VLSIプロセスでは，VLS（蒸気・液体・固体）成長がデバイスを破壊するので，厳しいご法度の材料でした。金コート無しでSEM像を得るには，電子線を低加速電圧（1keV程度）にする必要がありますが，逆に，解像度が極端に低下し，使い物になりません。
　私は，電子顕微鏡開発者に，この半導体用途ニーズをぶつけたのですが，すべて，無理難題，矛盾だらけと否定されました。しかし，開発資金を提供するという約束で，要素研究から着手し，紆余曲折を経て，2年後にプロトタイプが完成しました。まだ測長機能や画像処理に不足もありましたが，金属顕微鏡をはるかに凌ぐ性能が得られました。その後，大きな改良を繰り返し，今や，世界標準機まで登り詰めました。
　この2例の様に，膨大な情報，データ，現実の山の中からニーズを見つけ，相棒（協業先）を勧誘し，並行して育む，つまりWin-Winするということは，いつの時代でも大切なことです。ニーズに向かって，発掘力と豊かな着想力があれば，人もお金も後からついてきます。 ＜次ページへ続く＞