液浸

液浸技術の概要とその応用

液浸技術は、光学系に液体を使用することにより、性能向上を図る手法です。特に、半導体製造や光学顕微鏡において、この技術はその効果が実証されています。液体を用いることで、光の波長が短縮され、解像度が高まることが実現されます。液浸には、一般に純水などが利用されるほか、油浸と呼ばれる技術もあります。

半導体製造における液浸の役割

半導体回路の製造過程では、ステッパーの投影レンズによりウェハー上のフォトレジストに回路パターンが転写されます。この際、投影レンズとレジストの間に屈折率の高い液体を挿入することで、光の波長を短縮し、高い解像度を得ることができるのです。このような手法を液浸技術と呼びます。最も一般的に用いられるのは純水で、この場合、193nmの波長を持つArFレーザー光を利用すると、純水中では光の波長が134nmに短くなるため、半導体の集積度を高めることができます。

半導体の集積回路は、構成回路が微細であるほど高速動作や省電力性、低発熱性が有利になるため、開発の初期から微細化競争が行われてきました。2007年時点では、半導体の製造プロセスは50nmオーダーに達し、ArFエキシマレーザー露光技術や超解像技術が取り入れられています。しかし、投影レンズとウェハーの間の空気によって微細化が制限されていました。

そこで、ウェハーと投影レンズの間を液体で満たし、より微細な露光が可能となる技術が開発されました。従来、同様の技術は光学顕微鏡にも用いられており、半導体製造への応用は技術的な課題が解決された結果、実現されたものです。2007年現在、液浸には超純水が使用されており、今後はさらなる高屈折率の液体の検討が進められています。

液浸技術にはいくつかの課題が存在します。これには以下のような点が含まれます。

• - 液体の温度変化による影響（微細気泡や屈折率の変動）
• - 液体の純度保持や補給・回収の問題
• - 投影レンズと接触部分のみ液浸する際の液体の動きに関する問題（エアカーテンの使用など）
• - ウェハーからの液体への成分溶出の影響
• - 液体によるウェハーへの影響、特に超撥水コーティングの必要性

これらの課題は一応解決の目処がつき、実用化が進んでいます。

光学顕微鏡における液浸技術

光学顕微鏡では、約40-100倍の高倍率かつ高分解能の対物レンズに液浸技術が使用されています。高倍率・高開口数のレンズは観察物に近接して観察が行なわれるため、入射光の角度が浅いと全反射が起き、光学系に光が入ることができなくなります。この現象により、対物レンズの開口数には理論的な限界が設定されていました。

カバーガラスと対物レンズの隙間に液体を用いることで、この開口数を向上させることができます。通常、光学オイルが使用され、これを用いたレンズは「液浸レンズ」または「油浸レンズ」と呼ばれます。この技術により、開口数は1.2から1.6の範囲にまで増加し、分解能も1.2から1.6倍向上し、200nm程度の微細構造を観察可能となります。細菌学などの分野で特に微小なものを観察する場合に、多く用いられています。

顕微鏡で用いられる液体には以下のものがあります。

• - 水：生きたプランクトンの観察など、水の封入が必要な場合に使用されることが多いです。
• - グリセリン：蛍光観察において自己蛍光を避けるために使われることがあります。
• - アニソール：油浸レンズに代用可能ですが、揮発性があるため取り扱いには注意が必要です。

その他の応用

加えて、特殊な望遠鏡ではレンズの接合部分に光学オイルを充填し、性能向上や組み立ての誤差を吸収するための技術も存在します。液浸技術は、このように多岐にわたる応用があり、今後もさらなる進化が期待されています。

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