EUV露光｜極端紫外線で切り拓くナノスケール半導体製造

EUV露光

EUV露光（Extreme Ultraviolet Lithography、極紫外線露光）とは、波長13.5nmの極紫外線を光源として用いるリソグラフィ技術であり、7nm以下の先端半導体プロセスノードにおける微細パターン形成を可能にする露光方式である。従来の深紫外線（DUV）を用いた光学リソグラフィと比較して波長が約1/14と格段に短く、単一露光で従来手法の多重パターニング相当の解像度を達成できる点が最大の特長である。装置はオランダのASMLが独占的に製造・供給しており、1台あたりの装置価格は数百億円に達する。半導体微細化の限界を打破する技術として各ファウンドリが採用を進めており、現代の先端チップ製造において欠かすことのできない工程となっている。

開発の背景と歴史的経緯

フォトリソグラフィにおける解像度は、使用する光源の波長が短いほど向上する。半導体産業は長年にわたりg線（436nm）→i線（365nm）→KrF（248nm）→ArF（193nm）と段階的に短波長化を進め、ムーアの法則が示す集積度向上を実現してきた。しかしArFを用いた193nm露光では、液浸リソグラフィや多重パターニングなどの補助技術を組み合わせても10nm以下のノードへの対応が困難となり、プロセスの複雑化によるコスト増と製造リードタイムの長期化が深刻な課題となっていた。こうした背景から、ArFの次世代技術として1980年代から研究が続けられてきたのがEUV露光であり、2010年代後半にASMLのNXEシリーズが量産ラインに投入されたことで実用化の段階を迎えた。

動作原理と光学系の特徴

EUV露光の光学系は、従来の屈折型レンズを一切使用せず、多層膜を施した反射鏡（ミラー）のみで構成される全反射光学系を採用する点が最大の特徴である。波長13.5nmの極紫外線はガラスや石英をほぼ完全に吸収するため、レンズによる光路形成が不可能であり、モリブデン（Mo）とシリコン（Si）の交互多層膜をコーティングした6〜11枚のミラーで光を誘導・縮小投影する。また、大気中の酸素や水分子もEUV光を強く吸収するため、光路全体を高真空に保つ必要があり、ウェハチャンバーから光源部に至るまでの全経路が10^-3 Paオーダーの真空環境に維持される。マスクもガラス透過型ではなく反射型（EUVマスク）が使用され、マスクブランクス上の欠陥管理が歩留まりに直結する。

プラズマ光源（LPP方式）

現行の量産装置で主流となっているのはレーザー励起プラズマ（LPP: Laser-Produced Plasma）方式の光源である。高出力CO₂レーザーを毎秒5万発以上の高繰り返しでスズ（Sn）液滴に照射し、スズプラズマから放射されるEUV光を集光して利用する。光源出力は量産性を左右する最重要指標であり、現行装置では250W以上が実現されているが、スズ飛散による集光鏡の汚染や光源の安定稼働が継続的な課題となっている。

EUVマスクと保護技術

EUV露光に用いるフォトマスクは、低熱膨張ガラス基板上にMo/Si多層膜を成膜し、その上に吸収体パターンを形成した反射型構造を持つ。マスクは高精度な欠陥検査と修正が必要とされ、数nm以下の欠陥でもパターン転写に影響を与えるため、ブランクス製造から検査・修正工程まで高度な品質管理が求められる。さらに、真空環境下での粒子汚染からマスクを保護するペリクル（保護膜）の開発も進められており、EUV光を透過しながら長期耐久性を持つ薄膜材料の実用化が業界全体の課題となっている。

EUV対応レジストの開発動向

EUV露光では、従来のArFリソグラフィとは異なるレジスト特性が必要とされる。EUV光子のエネルギーは高いものの、単位面積あたりの光子数はDUVに比べて少なく、感度・解像度・ラインエッジラフネス（LER）の三要素を同時に満たす「RLS（Resolution-LER-Sensitivity）トレードオフ」の克服が求められる。感光性樹脂の面では、金属酸化物系レジスト（MOレジスト）と呼ばれる高感度・低LERを両立する新材料が注目されており、従来の化学増幅型レジストに代わる次世代材料として量産適用への研究が加速している。

装置構成とASMLの優位性

露光装置の種類の中でもEUV露光装置はとりわけ高度な複合システムであり、光源・照明光学系・マスクステージ・投影光学系・ウェハステージが全て高真空チャンバー内に収められる。ASMLのNXEシリーズ（NXE:3400C等）は1台あたり装置重量が170トンを超え、設置には専用の防振基盤工事が必要となる。ウェハ搬送系には高精度な空気浮上ステージが採用され、位置決め精度は1nm以下のオーダーが要求される。ASMLはEUV装置の唯一のサプライヤーとして市場を独占しており、その供給能力が世界の先端半導体生産量を左右する構造となっている。

High-NA EUVへの進化

現行のNA（開口数）0.33のNXEシリーズに続き、NAを0.55に拡大したHigh-NA EUV装置（ASMLのEXEシリーズ）の開発・量産投入が進んでいる。High-NA化により解像度はさらに向上し、理論上8nm以下のハーフピッチが単一露光で達成可能となる見込みである。一方でNA拡大に伴い投影光学系のミラーが大型化し、ウェハ上の露光フィールドがハーフフィールド化（従来の半分）するため、スループットの確保とコスト管理が新たな設計課題として浮上している。

従来技術との比較

液浸リソグラフィでは193nmのArFレーザーと液浸光学系を組み合わせてNA1.35を実現し、マルチパターニングを駆使することで実効的な解像度を高めてきた。しかし5nm以下のノードでは4〜5回に及ぶ多重パターニングが必要となり、工程数の増大が製造コストを押し上げる要因となっていた。これに対しEUV露光は、単一露光でより微細なパターンを形成できるため、総工程数の削減とそれに伴うコスト・サイクルタイムの短縮効果が期待される。またEB露光と比較した場合、EUVは一括転写方式のためスループットが格段に高く、量産適用に適している。以下に主要なリソグラフィ技術の比較を示す。

量産適用と先端ノードでの展開

EUV露光は2019年にTSMCが7nmプロセスの一部層に初めて量産適用し、以降5nm・3nm・2nmと先端ロジックノードでの使用層数が拡大している。メモリ分野ではDRAMのメタル配線・コンタクト層への適用が進んでおり、集積回路全体の設計自由度向上に寄与している。露光工程における使用枚数（ウェハ処理枚数／時間）は量産性を示すKPIとして重要であり、現行装置では1時間あたり170枚以上のウェハ処理が可能とされている。先端ファウンドリへの装置納入数が各社の生産能力を直接規定することから、EUV装置のサプライチェーンは地政学的な重要インフラとして各国政府からも注目を集めている。