マスクレス露光装置の物理と周辺技術

マスクレス露光装置は、フォトマスクの代わりにデジタルデータから露光パターンを生成し、レジスト上へ直接描画する装置である。光学像形成に加えて、反応拡散・溶解・機械安定性・位置合わせ・データ生成が結合した総合技術である。

参考ドキュメント

• 日本半導体製造装置協会（SEAJ） リソグラフィWG資料（マスクレス露光・電子ビーム直描の位置づけを含む） https://www.seaj.or.jp/activity/tech/file/2012litho.pdf
• 大阪府立産業技術総合研究所 技術シート：マスクレス露光装置による微細構造の直接描画（DMD投影装置の構成・用途例） https://orist.jp/technicalsheet/24-14.pdf
• The Principle and Development of Optical Maskless Lithography System Based on DMD（DMD投影型の方式整理：CD、オーバレイ、スループットの観点） https://www.mdpi.com/2072-666X/16/12/1356

1. マスクレス露光とは何か

マスクレス露光（maskless lithography, direct-write lithography）とは、マスクを介さずに設計データ（GDSII, DXFなど）を露光パターンへ変換し、レジストへ直接転写する露光方式の総称である。目的は大きく二つに分けられる。

• 試作・研究開発の高速化
  マスク製作の待ち時間を削り、設計変更の反映を迅速化する。
• 小ロット多品種への適応
  同一基板内で異なるパターンを露光する、グレースケール露光で3次元形状を作るなど、マスク露光では不利な作り方を可能にする。

一方で、同一パターンを大量に繰り返す場面ではマスク露光（ステッパ/スキャナ）の優位が大きく、マスクレスは用途と速度の設計思想が異なる。

2. 方式の分類（装置アーキテクチャ）

マスクレス露光装置は、露光パターン生成の方式で分類すると理解が速い。

2.1 空間光変調器（SLM）投影型（DMD, LCoS）

DMD（Digital Micromirror Device）やLCoS（Liquid Crystal on Silicon）で、照明光の空間分布を画素単位で変調し、投影レンズでレジストへ縮小投影する方式である。DMD型は反射型で高速スイッチングが可能であり、PWMによる照射量制御（グレースケール）と相性が良い。

典型構成は以下である。

• 光源（UV LEDやレーザー）
• 照明光学（均一化、開口制御、偏光制御など）
• SLM（DMD/LCoS）
• 投影光学（縮小投影、テレセントリック、高NA化）
• 空間フィルタ（回折高次数の除去など）
• ステージ（ステップ式、または走査同期）
• フォーカス/アライメント（自動焦点、マーク検出）

DMD投影は「1ショットの露光領域」が有限であり、ステップ&リピート（ショットのつなぎ）で広面積を作る設計が多い。

2.2 走査スポット型（レーザーダイレクト描画、LDI/DWL）

集光スポット（ガウスビーム等）をガルバノミラー、ポリゴンミラー、ステージ走査で走らせ、線画やラスター描画で露光する方式である。PCB分野のLDI（Laser Direct Imaging）は代表例であり、フォトマスクを使わずにドライフィルムレジストへ直接描画する。

2.3 荷電粒子ビーム直描（電子線、イオンビーム）

電子線描画（EBL）は、電子光学系で微小ビームを形成し、レジストへエネルギーを与えて潜像（主に主鎖切断または架橋）を作る方式である。波長が極小で回折限界がほぼ関与しない一方、散乱（前方散乱・後方散乱）による近接効果と、描画の逐次性に起因する描画速度が主要制約となる。高速化のためマルチビーム化が研究・実用化されてきた。

2.4 近接場・干渉・特殊方式

干渉露光、ホログラフィック露光、近接場を用いる方式は、周期構造や限定されたパターンには強いが、任意形状の自由度は一般に低い。マスクレスの一種として位置づくが、用途は特殊である。

以下では、研究開発用途で頻出する DMD投影型、レーザー走査型、電子線直描の3系統を中心に物理と周辺技術を整理する。

3. 露光の物理：光学像形成と材料応答

3.1 投影露光の基本式

投影露光の限界はRayleighの関係で概略評価される。

$$CD\approx k_1\frac{\lambda }{NA}$$$$DOF\approx k_2\frac{\lambda }{N{A}^2}$$

ここで $\lambda$ は波長、$NA$ は開口数、$k_1,k_2$ は像形成・プロセス条件をまとめた係数である。マスクレスでも投影光学を使う限り、この関係が設計の骨格となる。

DMD投影型では画素化の影響も大きい。DMD画素ピッチを $p_{DMD}$、投影縮小率を $M$（例：$M=10$ なら10分の1縮小）とすると、レジスト面での画素ピッチは概ね

$$p_{wafer}\approx \frac{p_{DMD}}{M}$$

で与えられ、これが実質的なサンプリング間隔になる。光学PSF（点像）と画素の畳み込みでエッジが決まるため、単に $NA$ を上げるだけでは改善が飽和する場合がある。

3.2 DMDの回折と空間フィルタ

DMDは微小ミラーが周期配列した反射素子であり、光学的には回折格子として振る舞う。ミラーの傾き角（ON/OFF）に応じて主反射方向が変わり、さらに回折高次数が発生する。投影系では、不要な回折成分を空間フィルタで切り、像コントラストと迷光を抑える構成が用いられる。

このとき、照明のコヒーレンス（部分コヒーレント条件）が像のMTFや線幅制御に関与する。DMD投影のモデル化では、部分コヒーレント結像と「実機の投影特性」を同時に扱う必要がある。

3.3 露光量（dose）と潜像形成

レジストが反応するのは照度そのものではなく、露光時間で積分したエネルギー密度である。露光量 $E$ は

$$E=\int I(t)dt$$

であり、定常照明なら $E\approx I\cdot t$ である。

化学増幅型レジストでは、露光で酸が生成され、PEBで酸触媒反応（脱保護）が進み、現像溶解性が変化する。DMD投影型のグレースケール露光は、画素のON/OFFを高速に切り替えて時間平均照度を制御する（PWM）ことで、実効的に $E$ を連続量として制御する。

一方、電子線では、一般に面積当たり電荷量（例：$\mu C/c{m}^2$）でドーズを置く。ビーム電流を $I$、照射時間を $t$、照射面積を $A$ とすれば、

$$D=\frac{It}{A}$$

となる。エネルギー付与は電子散乱で広がり、近接効果として像が太る。

3.4 近接効果：電子線直描

電子線直描では、前方散乱と基板での後方散乱により、点照射が点として留まらずPSF（Point Spread Function）として広がる。設計パターン $P(\mathbf{r})$ とPSF $h(\mathbf{r})$ の畳み込みで実効露光分布 $E(\mathbf{r})$ が決まる近似は直観が良い。

$$E(\mathbf{r})\approx (P\ast h)(\mathbf{r})$$

近接効果補正（PEC）は、この畳み込みにより生じる過露光・露光不足を、局所ドーズの変調で補う操作である。精度と計算量の兼ね合いが難所であり、PSFのモデル化（複数ガウス、複合関数、モンテカルロ由来など）が継続的に研究されている。

4. 装置設計：性能指標と支配因子

マスクレス露光で頻繁に最適化対象になる指標は以下である。

• 解像度（最小線幅、エッジの鋭さ）
• 位置精度（絶対位置、繰返し、ひずみ補正後の残差）
• オーバレイ（多層合わせ）
• 速度（面積/時間、データ転送を含む実効速度）
• 欠陥（粒子、迷光、ドーズ誤差、描画継ぎ目）
• 3次元/グレースケール能力（高さ制御、連続形状）

以下、方式別に支配因子をまとめる。

4.1 DMD投影型：画素化・光学・ショットつなぎ

1. 画素化と縮小投影
   画素ピッチがそのまま露光面の最小ステップを与える。縮小率を上げれば細かくなるが、視野が狭くなりショット数が増える。

2. 結像と迷光
   DMDの回折高次数、ミラーの面外散乱、レンズの収差、照明均一性が像コントラストとCDUに効く。空間フィルタと照明条件（部分コヒーレンス）の設計が重要である。

3. ショットつなぎ（ステップ&リピート、または走査同期）
   広面積露光は、有限のショット領域を繋いで作る。継ぎ目がCD段差・位置段差として現れるため、

• ステージの直交性、ピッチ/ヨー、スケール誤差
• 光学歪み（倍率変動、像面湾曲）
• スイッチング遅延と同期誤差 の補償が必要になる。

4. グレースケール露光
   PWMで露光量を連続制御でき、マイクロレンズ、回折光学素子、流路の深さ変調、レジスト厚さ方向の形状制御に使える。反応・現像モデル（露光量→溶解深さ）が形状再現性を支配する。

4.2 レーザー走査型：ビーム品質・走査制御・加速度

1. スポットサイズとプロファイル
   解像度は集光NAと波長、ビーム品質（$M^2$）、焦点位置で決まる。ガウスビームの半値幅がそのまま線幅にならず、レジスト反応のしきい値と現像で実効線幅が決まる。

2. 走査によるドーズ均一性
   走査速度 $v$ と線方向の単位長さ当たり露光量の関係は概略

$$E_{line}\propto \frac{P}{v}$$

（$P$は光パワー）となり、加減速区間のドーズ補償が不可欠になる。パターン角部や短線分で過露光が出やすい。

3. レーザー変調とデータ同期
   AOM/EOM等で高速変調し、走査位置と完全同期させる必要がある。データ生成（線分分割、ラスター化）と装置制御が結合する。

4.3 電子線直描：散乱、ドーズ制御、マルチビーム化

1. 近接効果とPSF
   散乱が像を左右するため、PECの出来がCDとLERを強く支配する。

2. ステッチングとドリフト
   フィールド描画の継ぎ目、長時間描画による熱ドリフト・チャージアップが線の曲がりや寸法誤差を生む。

3. スループット
   逐次描画のため速度は厳しい制約となる。高スループット化の方向としてマルチビームが本質的であるという認識が強い。

5. 周辺技術

5.1 レジストと材料設計

• 感度：必要露光量が小さいほど高速化に有利であるが、統計揺らぎによるLERや欠陥増加と表裏である。
• 解像：薄膜化、溶媒残り制御、PEB条件最適化が効く。
• 現像：溶解速度の非線形性がエッジとCDUを規定する。
• 形状安定性：微細パターンでは乾燥時の毛管力で倒壊が起こり得る。表面張力 $\gamma$ と曲率スケール $r$ に対し

$$\mathrm{\Delta }P\sim \frac{2\gamma \cos \theta }{r}$$

のような毛管圧が発生し、$r$が小さいほど不利である（$\theta$は接触角）。

5.2 多層化（ARC/BARC、ハードマスク）

反射・定在波を抑えるためのARC/BARC、薄膜レジストの耐プラズマ性を補うハードマスクは、マスクレスでも同様に重要である。像形成が良くても転写で形状が崩れれば意味がないためである。

5.3 アライメントとオーバレイ

マスクレスでは、パターンデータ自体は「理想座標」であり、実基板の伸縮・歪み・既存パターンの位置誤差へ追従して露光座標系を補正する必要がある。一般化すると、設計座標 $\mathbf{r}$ と装置座標 ${\mathbf{r}}^{\prime }$ の間に

$${\mathbf{r}}^{\prime }=\mathbf{A}\mathbf{r}+\mathbf{b}+\mathrm{\Delta }(\mathbf{r})$$

（$\mathbf{A}$：線形変換、$\mathbf{b}$：並進、$\mathrm{\Delta }$：高次歪み）を導入し、アライメントマークの観測から係数を推定して補正する。DMD投影型では光学歪み（倍率ムラ）も同時に入るため、ステージと光学の複合補正になる。

5.4 データ技術：GDSから露光パターンへの変換

マスクレスの本質は「データ→光/ビーム」の変換である。典型的には次を含む。

• 図形の分割（fracturing）
  ポリゴンを機械が扱いやすい要素へ分解する。
• ラスター化（pixelization）
  DMD型では特に、画素格子へ落とし込む操作が画質を左右する。
• 露光量マップ
  グレースケール（多値）露光では各画素に露光量を割当てる。
• 装置同期
  ステージ位置、露光タイミング、SLM更新を同期する。

「正しいデータ変換」は、等価的には装置のPSFや歪みを含めた逆問題になり、確認はCDの測定とフィードバックで進む。

5.5 計測・検査：CD、形状、欠陥、材料状態

• CD-SEM、光学顕微鏡、プロファイラ、AFM：線幅と形状
• 散乱計測（scatterometry）：周期構造の形状推定
• 薄膜評価（膜厚、屈折率）：露光・現像再現性の基礎
• 表面分析（XPS、TOF-SIMS）：密着・残渣・汚染

マスクレスではパターンが多様なため、代表パターンを設計側で用意し、計測から補正する運用設計がそのまま性能を決める。

6. 応用例

• MEMS・センサ：多品種のマスクセットを避けつつ試作反復する
• マイクロ流路：グレースケール露光や段差構造を用いた流体機能
• フォトニクス：回折格子、導波路、メタサーフェスの試作
• PCB/パッケージ（LDI）：高密度配線・多層位置合わせ
• ASICの短納期開発：電子線直描による少量生産の議論が古くからある
• フォトマスク作製（周辺領域）：EBLやレーザー直描はマスク製作と連続している

7. 方式比較

方式	パターン生成	代表波長/ビーム	解像の主因	速度の主因	強み	制約
DMD投影型	画素ON/OFF（多値可）	365–405 nm など	光学PSF＋画素化	ショット数、同期、照度	データ直結、グレースケール、装置が比較的簡潔	視野が有限、継ぎ目、画素由来の限界
LCoS投影型	位相/振幅変調（方式依存）	UV〜可視	光学PSF＋変調特性	更新速度、光効率	位相制御や高画素化の余地	偏光や応答速度、光効率設計が難しい
レーザー走査型	スポット走査	355/405 nm など	スポット径＋反応	走査速度、加速度	任意形状、比較的長視野、装置理解が直観的	角部ドーズ、走査同期、微細化で速度低下
電子線直描（EBL）	ビーム走査（ベクタ/ラスター）	10–100 keV	散乱・収差・レジスト	逐次描画、PEC計算	最高クラスの微細性、マスク作製	速度、近接効果、チャージアップ、長時間安定性
マルチビーム電子線	多数ビーム並列	50 keV など	散乱＋ビーム配列	データ帯域、並列制御	スループットの根本改善指向	システムが巨大、データ・補正が難しい
LDI（PCB）	レーザー直描	可視〜UV	スポットと材料	パネル搬送、照射速度	多層基板での位置合わせ、マスク不要	半導体級の微細化とは設計目標が異なる

8. 今後注目される技術

1. 画素化・PSF・現像を統合したモデル
   DMD投影では、画素化・回折・部分コヒーレンス・現像の非線形性を結合して「設計通りに出るデータ」を生成する問題が中心である。

2. オーバレイと大面積性の両立
   継ぎ目のCD段差と位置段差を抑えつつ、面積速度を上げる設計が鍵である。ステージ・光学歪み・焦点面の安定が支配する。

3. グレースケール露光の形状再現
   露光量→溶解深さ→最終形状の写像が材料依存であり、装置の多値制御に見合う材料モデルと校正が必要である。

4. 電子線の高スループット化
   マルチビーム化は原理的に有効であるが、データ帯域、PEC、長時間安定性、装置校正が難所である。

まとめ

マスクレス露光装置の物理は、光学（結像・回折・コヒーレンス）または電子光学（収差・散乱）でパターンを生成し、レジストの反応と現像で形状へ変換する過程にある。性能は装置単体では決まらず、レジスト、アライメント、ショットつなぎ、データ変換、計測補正が一体となって初めて所望のCD・オーバレイ・速度に到達する。用途（試作反復、グレースケール、微細限界、面積）に応じて、DMD投影型・レーザー走査型・電子線直描を使い分ける設計思想が重要である。

関連研究

• SPIE：Imaging simulation of maskless lithography using a DMD（DMD投影の結像モデル） https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/5645/0000/Imaging-simulation-of-maskless-lithography-using-a-DMD/10.1117/12.577352.full

• J-STAGE：LDI（レーザーダイレクトイメージング）システムによるマスクレス露光（PCB領域のLDI概説） https://www.jstage.jst.go.jp/article/ejisso/17/0/17_0_16/_article/-char/ja/

• 東京都立産業技術研究センター：マスクレス露光装置（DMD反射投影、ステップ式ショットつなぎの仕様例） https://www.iri-tokyo.jp/service/search/ele-h23-maskroko/

• 大阪大学 産学共創本部（PDF）：マスクレス露光装置（DMD原理、GDSII等入力、グレースケール露光の説明） https://www.parc.osaka-u.ac.jp/wp-content/uploads/2017/03/maskless.pdf

• NanoNet（PDF）：ダイナミックマスクレスリソグラフィ技術による3次元光造形（DMDの動的パターン制御と形状形成） https://nanonet.go.jp/data/doc/1654666579_doc_10_0.pdf

• Proc. SPIE：Electron multi-beam technology for mask and wafer writing（マルチビーム電子線の概説） https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/8680/868004/Electron-multi-beam-technology-for-mask-and-wafer-writing-at/10.1117/12.2014661.full

• Applied Optics：Measuring and modeling the proximity effect in direct-write electron-beam lithography（近接効果の測定とモデル） https://opg.optica.org/fulltext.cfm?uri=ao-34-5-897

• Nanoscale Research Letters（2025）：Proximity effect correction in electron beam lithography using a composite function model（近接効果補正とPSFモデル） https://link.springer.com/article/10.1186/s11671-025-04264-0

• Heidelberg Instruments：DWL 66+（レーザー直描装置の概要） https://heidelberg-instruments.com/product/dwl-66/

• optics.org（2025 press）：Heidelberg Instruments Enhances DWL 66+ Lithography（性能アップデートの報道） https://optics.org/press/6150