半導体製造の鍵を握る「ghi線」：フォトリソグラフィ光源の基礎と計測の重要性

1. はじめに：フォトリソグラフィと光源の役割

半導体製造の心臓部であるフォトリソグラフィ工程は、光を用いて微細な回路パターンをウェハー上に焼き付ける極めて精密なプロセスです。この工程の成否は、使用される光源の質、とりわけ「波長の状態」に完全に依存しています。

高品質な半導体製造を実現するためには、光源の波長を厳格に管理し、レジスト（感光材）の反応に最適な光を照射し続けることが不可欠であり、これが露光エネルギーの安定化とプロセスウィンドウ（工程許容範囲）の維持に直結します。

これらの波長帯域を正しく理解することは、製造現場でのトラブルを未然に防ぐ第一歩です。しかし、安定した製造プロセスを維持するためには、単に知識を持つだけでなく、これらの光の特性を「強度」や「比率」といった定量的な数値として管理する必要があります。

2. 「ghi線」の正体：波長帯域の定義と分類

フォトリソグラフィでは、水銀ランプから発せられる特定の輝線（i線、h線、g線）が利用されます。装置やプロセスに応じて、特定の波長のみを抽出したり、複数の波長を混合したりして使用します。

以下の表に、主要な波長帯域の定義と、それらに対応する水銀ランプの輝線をまとめました。

名称	波長範囲 (nm)	関連する水銀輝線	特徴・用途
I線 (I-L)	330 – 380 nm	i線 (365nm)	高解像度が求められる微細パターン用
GH線 (GH-L)	380 – 450 nm	g線 (436nm), h線 (405nm)	厚膜レジストや汎用的なパターン形成用
GHI線 (GHI-L)	330 – 450 nm	g線, h線, i線	3波長を統合した広帯域光源

製造現場で使用される高度な計測機器（例：UV100）では、これらの波長を個別に選択、あるいは混合された「ghi線」として切り替えて検出する機能を備えています。特定の波長成分だけを監視したり、光源全体のエネルギーを把握したりと、プロセスの要求に合わせた柔軟な管理が可能です。

これら波長の定義を理解したところで、次はこれらの光をどのように「数値」として評価し、プロセスの安定性を担保していくべきか、その具体的な計測指標について解説します。

3. 精密計測の3つの重要指標：強度・波長・比率

光源の状態を監視する際、現場のエンジニアは「BASICモード」による迅速な数値確認と、「SPECTRUMモード」による詳細な分光分布解析を使い分けます。特に以下の3つの指標は、製品の歩留まりに直結する重要な監視項目です。

放射強度 (mW/m²): [I-L / GH-L / GHI-L]
- 計測目的: 露光エネルギー（ドーズ量）の安定性を確認するため。
- 強度が基準を下回れば未露光による解像不良を招き、強すぎれば過剰露光によるパターン細りが発生します。
ピーク波長 (λp):
- 計測目的: 意図した波長が正確に出力されているか、分光分布（Spectrum distribution）を監視するため。
- SPECTRUMモードでλpを確認することで、光学系の劣化による波長シフトを早期に発見できます。波長がわずかでもシフトすると、レジストの感光特性と不一致を起こし、像のボケや密着不良の原因となります。
強度比率 (I Ratio% / GH Ratio%):
- 計測目的: 混合光源における各成分のバランスを最適化し、レジストの感度特性（Sensitivity matching）を維持するため。
- 算出式: I Ratio% (I/GHI) / GH Ratio% (GH/GHI)
- たとえ総合的な「GHI線」の強度が一定であっても、内部の「I Ratio%」が低下していれば、最もエネルギーの高いi線成分が不足していることを意味します。このバランスが崩れると、レジストが底部まで十分に硬化（あるいは分解）しないなど、目に見えにくいプロセス不良を引き起こします。

これらの指標を継続的に監視することで、単なる「光の有無」ではなく「光の質」をコントロールすることが可能になります。

4. 効率的な監視体制：ハンドヘルド点検からリアルタイム監視へ

計測技術の進化は、運用面の合理化ももたらしました。半導体業界をリードするA社が採用したソリューションを例に、現場での具体的な監視スタイルを紹介します。

日常点検（ハンドヘルド・スポットチェック）
- UV100のような手持ち式デバイスを用い、定期的に装置内の特定の照射ポイントを計測します。これは、装置間の機差確認や、固定センサーでは届かない箇所の精密点検に不可欠です。
リアルタイム監視（内蔵モジュール・継続モニタリング）
- 装置内部に計測モジュールを組み込み、稼働中の光源状態を常時データ化します。突発的な出力変動や、長期間にわたる緩やかな劣化トレンドを自動で把握できます。

A社がこれらの機能を統合・追加した最大の価値は、**「ハンドヘルドと内蔵モジュールのデータ同期」**にあります。日常のスポットチェックと装置内の自動監視が同一のプラットフォーム（GHIライン検出機能）で行われることで、データに矛盾がなくなり、異常発生時の原因究明（トラブルシューティング）が劇的に迅速化されました。

5. まとめ：高品質な露光プロセスを維持するために

本稿で解説した「ghi線の管理」における重要ポイントは以下の3点です。