レチクル・マスク製造とフォトマスク欠陥

マスクは回路の「原版」である

リソグラフィは、光でレジストにパターンを転写して回路を刻む工程です（基礎は /semiconductor/photolithography/）。そのパターンの元になる原版がフォトマスク、特に先端の縮小投影で使う1層分の原版を**レチクル（reticle）**と呼びます。レチクルは透明な石英ガラス基板の上に、光を遮る薄膜（クロムやMoSiなどの吸収体）でパターンを描いたものです。

ここで決定的に重要なのが、現代の露光機が1倍の密着転写ではなく、4倍の縮小投影を行う点です。レチクル上に設計の4倍の大きさで描いたパターンを、投影レンズで1/4に縮めてウェハに焼きます。

レチクル上の寸法 = ウェハ上の目標寸法 × 4

例) ウェハ上で 40nm の線
    → レチクル上では 160nm で描けばよい

縮小には二つの実利があります。第一に、レチクルを実寸の4倍で作れるので、原版を描く電子線描画装置やマスク検査装置の解像度要求が1/4に緩みます。第二に、レチクル上の寸法誤差や微小な異物もウェハ上では1/4に縮むため、**4倍の「縮小マージン（MEEF経由で一部は増幅されるが基本は緩和）」**が効きます。

電子線描画 ── VSBからマルチビームへ

レチクルそのものはマスクで焼けません。原版なので、光ではなく**電子ビームで一筆ずつ描画（直接描画）**します。電子線は波長が極めて短く回折限界が小さいので、ナノスケールの形状を描けます。代表方式が二つあります。

VSB（Variable Shaped Beam）は、四角や三角の「ショット」を多数並べて図形を塗りつぶす方式です。直感的ですが、後述するOPC（/semiconductor/resolution-enhancement/）で輪郭が曲線的・微細になるほど1図形あたりのショット数が爆発し、1枚に十数時間かかることもあります。

そこで先端世代ではマルチビーム描画が主流化しました。数十万本の微小電子ビームを格子状に並べ、各ビームを個別にオン/オフ（ブランキング）しながら基板を走査し、画像をビットマップとして一括で描きます。描画時間がパターンの複雑さにほとんど依存しないため、EUV用の曲線的なマスクや高密度OPCに適します。

描画後はレジスト現像、吸収体のエッチング、レジスト除去を経てパターンが石英上に残ります。ここまでがマスク「製造」の本体です。

位相シフトマスク ── 振幅だけでなく位相も作る

単純に光を通す/遮るだけのマスクをバイナリマスクと呼びます。線が細くなると回折で光が回り込み、暗いはずの隙間が明るくなってコントラストが落ちます。これを解くのが**位相シフトマスク（PSM）**で、原理と方式（Alt-PSM／Att-PSM）の全体像は /semiconductor/resolution-enhancement/ を参照してください。

マスク製造の観点で要点は、位相シフトは膜厚・掘り込み深さの精度問題になることです。光路長を半波長分だけ変えて位相を180度回すには、石英の掘り込み深さ、あるいはMoSi位相シフタ膜の厚みをナノメートル精度で制御せねばなりません。深さが目標から外れると位相が180度からずれ、暗線のコントラストが落ちます。つまりPSMでは、平面パターンの精度に加えて**「縦方向（深さ）の精度」という新しい誤差軸**がマスク品質に乗ります。

ペリクルと4倍縮小がつくる欠陥の物理

マスク表面に塵が1個載ると、その影がパターンと一緒に焼かれます。これを防ぐのがペリクル── マスク表面から数mm離して張った薄い透明膜です。鍵は「数mm浮かせる」点にあります。

ペリクルが効く理由（焦点ぼけの利用）

投影レンズはマスク面（パターン）にピントを合わせる
  → パターンは像として鮮明にウェハへ
ペリクル膜はマスク面から数mm離れている＝焦点から大きく外れる
  → 膜表面に載った異物は完全にぼけて像を結ばない
  → ウェハ上では露光ムラ程度に薄まり、欠陥にならない

異物を物理的に除くのではなく、焦点外に追いやって転写されないようにするのがペリクルの本質です。EUVでは膜が13.5nmを吸収してしまうためペリクルの実現自体が難所になりますが、原理は同じです。

ここで4倍縮小の二面性が効きます。ペリクルや空中の異物は焦点外でぼけて救われますが、マスクのパターン面そのものに焼き付いた固定欠陥は救えません。しかも縮小投影機は1枚のレチクルをステップ＆スキャンで何百ショットも繰り返し焼くため、レチクル上の1個の固定欠陥は、ウェハ上の全チップの同じ座標に必ず再現します。

欠陥の分類 ── クリア欠陥とオペーク欠陥

マスク欠陥は、吸収体（遮光膜）が「足りない／余る」の二方向で整理します。

オペーク欠陥（不透明・残り欠陥）: 本来抜くべき所に吸収体が残る
  → ウェハ上で本来明るい所が暗くなる → 線が太る・穴が塞がる

クリア欠陥（透明・欠け欠陥）: 本来残すべき吸収体が欠ける/ピンホール
  → ウェハ上で本来暗い所が明るくなる → 線が細る・切れる

検査で問題なのは「どの欠陥がウェハ上で致命的になるか」です。設計余裕の大きい所の微小欠陥は転写されても無害ですが、最小寸法部の同サイズ欠陥は線切れを起こします。この致命性の判定を支えるのが次のプログラム欠陥です。

プログラム欠陥とソフト欠陥 ── 検査感度を保証する

マスク検査装置（die-to-dieやdie-to-database方式）が「どれだけ小さい欠陥まで確実に捕まえるか」は、実際に既知サイズの欠陥を埋め込んで確かめます。インラインのウェハ検査一般の考え方は /semiconductor/inline-metrology-inspection/ に通じます。

• プログラム欠陥（programmed defect）: 設計データに意図的に既知サイズ・既知位置の欠陥を仕込んで作った検査用テストマスク。これを検査装置にかけ、仕込んだ欠陥を漏れなく検出できるかで検出感度（最小検出サイズ）を校正・保証します。仕込んだ欠陥より小さいものは取りこぼす可能性があるため、感度の下限が定量化できます。
• ソフト欠陥（soft defect）: 製造直後には無い、または無害だが、運用中に育つ欠陥です。代表がヘイズ（haze）── 露光で吸収体表面に硫酸塩などの結晶が成長し、曇りとして現れる潜在欠陥。出荷検査では合格しても、繰り返し露光のうちに成長してクリア欠陥化します。ハードな固定欠陥と区別し、定期再検査やマスク洗浄で管理します。

欠陥修正 ── 削るか、足すか

検出された致命欠陥は、廃棄せず**修正（repair）**します。レチクルは1枚が高額で再描画に時間がかかるためです。

• オペーク欠陥の修正: 余分な吸収体を集束イオンビーム（FIB）や電子ビーム誘起エッチングで削り取る。
• クリア欠陥の修正: 欠けた遮光部に、**ガス導入下の電子ビーム誘起堆積（EBID）**で吸収材を局所的に積み戻す。

位相シフトマスクでは修正がさらに難しくなります。クリア欠陥を吸収材で埋めても、その箇所の位相が周囲と合っていなければ新たな位相欠陥を生むからです。修正では振幅（遮光）と位相（光路長）の両方を元通りにする必要があり、ここでも深さ精度が効きます。修正後は再び検査して、修正痕自体が新たな欠陥になっていないかを確認します。

まとめ

• レチクルは石英＋吸収体の回路原版で、露光機が4倍に縮小投影してウェハへ転写する。縮小は原版・検査の解像度要求を緩める。
• レチクルは光で焼けないため電子線描画で作る。VSBはショット数が爆発しやすく、先端ではマルチビームが主流。近接効果はPECで補正する。
• 位相シフトマスクは振幅に加え**位相（掘り込み深さ）**の精度が品質軸に加わる。
• ペリクルは異物を焦点外に追いやって転写を防ぐが、パターン面の固定欠陥は救えない。縮小投影の繰り返しで固定欠陥は全チップの同位置を決定論的に潰す。
• 欠陥はクリア/オペークに分け、プログラム欠陥で検査感度を保証、**ソフト欠陥（ヘイズ）**は運用中に育つ。修正はFIB/EBIDで削る・足すが、PSMでは位相も戻す必要がある。
• 関連: 露光の基礎 /semiconductor/photolithography/、マスクを歪める解像度向上 /semiconductor/resolution-enhancement/、欠陥と歩留まり /semiconductor/yield-defect-density/、検査の一般原理 /semiconductor/inline-metrology-inspection/。