EUV 露光技術の開発と放射光の役割
岡崎信次

技術研究組合超先端電子技術開発機構〒1358073 東京都江東区青海 245

要旨タイム24ビル10F

光リソグラフィの解像限界を突破する技術として，EUV (Extreme Ultra-Violet) 光を用いた露光技術が注目されている。本技術によれば，ナノメータ領域の量産加工技術も見えてくるが，開発課題も多い。 EUV 露光の光源として，放射光を用いることは無いが，露光光学系の計測評価，実験用露光装置，反射率の高精度な計測評価，コンタミネー
ション評価等，その技術開発に放射光が多用されている。EUV 露光技術の開発経緯と，現状の開発状況について，主に放射光の果たしている役割を中心に紹介する。

1. はじめに

スクとレジストプロセスの研究が，技術研究組合，超先端電子技術開発機構（ASET）で行われている。以下放射光半導体集積回路の高集積化，半導体素子の微細化は，リを用いた EUV 露光技術の開発状況について紹介する。

ソグラフィ技術の発展によって支えられて来た1)。現在，最先端の半導体素子は，既に 100 nm より微細な，ナノ2. EUV 露光技術の概要

メータ加工の領域に到達しており， ArF エキシマレーザ
を光源としたスキャナーを用いて製作されている。しかEUV 露光技術は，先にも述べたように，通常の光露光

し，こういった光を用いる露光技術では，解像限界が近づ方式と同様の，縮小投影露光方式をとる。従って，解像度

いており，さらに微細な45 nm レベル以降の加工が難しい

は，次に示す，いわゆるレーリーの式で表される。

とされている。この45 nm 以降の微細な寸法を加工するた

R＝k1l/NA

め に ， 波 長 13.5 nm の 光 ［ EUV ( Extreme Ultra-Violet )光と呼ばれる］を用いた露光技術が提案されている2,3) 。
露光方式は，従来の光露光方式と同じ，縮小投影型の露光

ここで R は解像度， k1 は比例定数， l は露光波長， NA方式を用いる。量産に対応できるナノテクノロジーと言っは投影光学系の開口数である。現在最先端の光露光装置でても，過言では無いだろう。13.5 nm の光は，一般的には用いられている露光波長が ArF エキシマレーザーの 193

軟 X 線領域の光であるが，EUV 光とした理由は次の通り

nm であるから， EUV 露光は， 1 桁以上の短波長化となである。すなわち，米国の国立研究所でこの技術の開発予る。

算を，“縮小 X 線露光技術”として提案した所，“ X 線に

しかし， EUV 光は全ての物質において吸収され，透過はすでに多くの予算を投じている”とのエネルギー総省の型の光学系，すなわちレンズ光学系が使えない。このた意見があった。このため，通常の X 線と区別する目的でめ，全て反射型の光学系を用いることになる。しかも通常EUV ( Extreme Ultra-Violet ) という言葉が造語されたとの金属反射面ではなく，多層膜を用いた反射面が必要となのことである。

る。この多層膜を用いた反射面では，多層膜を構成する材

従来から研究されている， X 線等倍転写技術では，光料に よって， 反射する光 の波長や反射 率が変化す る。

源として放射光が期待されていたが，EUV 露光技術におEUV 露光に用いる場合，波長10 ～20 nm 附近で高い反射

いては，放射光では光量が足りないため，レーザ励起型プ率を示す多層膜として，Mo/Be や Mo/Si の組み合わせがラズマ（LPP ）光源やガス放電型プラズマ（GDPP ）光源ある。前者は，11.5 nm 附近で高い反射率を示し，ピークが，量産用露光装置には期待されている4,5) 。しかし，研反射率として理論的に 80 程度を示す。一方，後者は，究用の露光装置の光源や，光学系の波面計測用光源，さら13.5 nm 附近にピークを持ち，70程度の反射率を示す。

に光学部品のコンタミネーション評価等に，放射光が多用

Fig. 1 に多層膜の反射特性を示す。この図からわかるようされている67) 。現在，我が国においての EUV 研究は，に，反射率の高さからいえば，Mo /Be が良く，光源とし露光装置，計測技術と光源の研究が，技術研究組合，超紫て検討されている Xe を用いたレーザープラズマ光源の発

外線露光システム技術研究機構（ EUVA ）で行われ，マ

光ピーク波長とも近いため，米国の国立研究所を中心に，128 ● 放射光 May 2005 Vol.18 No.3
(C) 2005 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Researchナノテクノロジー特集 ■ EUV 露光技術の開発と放射光の役割

大いに検討された。しかし，Mo/Be が Mo/Si に比べ，安基板の凹凸や，基板上の異物，多層膜中の異物や欠損によ定性が悪いことと， Be の持つ毒性が，工業用には適さなり，反射率は変化しなくても，位相が変化する部分がある

いとの判断から，日，米，欧の工業界が反対し， Mo / Siと，欠陥となってしまう等，多層膜に特化した欠陥が考えが選択されたという経緯がある。

られ，これを低減する必要がある。

EUV 露光光学系は，Mo/Si の多層膜をコーティングしこれらの EUV 露光技術の課題を Fig. 4 にまとめる。光

た複数枚の反射ミラーから構成される。それぞれの多層膜

源，照明光学系，投影光学系，反射型マスク，レジストプの反射率は 70 前後である。実用的な露光装置ではこの

ロセス，そして装置技術に技術課題がある。これらの技術

反射面を，照明光学系で少なくとも 6 枚，マスクで 1

課題に関して，様々な研究機関で研究開発が進められてい枚，投影光学系で 6 枚，合計で 13 枚用いることが計画さる。以下，放射光を利用した技術開発状況について紹介すれている。Fig. 2 に 6 枚系の投影光学系の例を示す。これる。

らの反射面数は， EUV 露光を適用する 45 nm 以降の微細化に要求される精度を維持するために必要最小限の枚数とされている。また露光実験用の装置では，2 枚―4 枚の反

3. EUV 露光技術開発の歴史と，光源としての放射光射面を持った装置が開発されている9,10)。
マスクは Fig. 3 に示すように，多層膜上に吸収体を設けEUV 露光装置の研究は，全て放射光を用いて始まった反射型のマスク構造となる。ここでの最大の課題は，多た。一つは我が国の NTT の Super-Alis を用いた NTT の層膜の欠陥を如何に低減するかにある。基板となる多層膜研究者等の実験，続いて米国の Brook heaven 国立研究所

は，通常の光マスクにおけるガラス基板と同様の役目を果の 光 源 を 用 い た ATT の 研 究 者 等 の 実 験 が そ れ で あたすことになり，多層膜部分に反射しない部分や，反射しる2,3)。さらに我が国では，高エネ研の放射光を用いた日ても位相が変化するような欠陥があってはならない。しか立の研究者等の実験や，ソルテックの放射光を用いたニコし，多層膜中や多層膜上に欠陥や，異物があると，反射しンの研究者等の実験が続く11,12)。これらの実験は全て，2ない部分や，反射率が低下するなど，欠陥になる。さらに枚の球面鏡を用いたシュバルツシルト露光光学系が用いられていた。その後米国では，プラズマ線源の研究が盛んになり，放射光を光源とする研究は下火になった。しかし，後述するように，EUV に関する様々な基礎的な実験は，Fig. 1Re‰ectivity of Multilayer Mirrors.

Fig. 2

Fig. 3Structure of Multilayer Mask.

An Example of 6 Mirror Exposure Optics.

放射光 May 2005 Vol.18 No.3 ● 129

Fig. 4

Fig. 5

Issues of EUV Exposure System.

Beamline of ASET for EUVL Development (NTTSuper ALIS).

LBNL の ALS で続けられ，最近では，新しい 2 枚の非球の木下研究室で露光実験が再開された14,15)。ASET では，

面光学系を用いた，MET (Misro Exposure Tool) と呼ばNTT の Super-ALIS を用い， 1999 年から， 2 枚の球面鏡

れる露光装置により露光実験が行われており，様々な成果からなるシュバルツシルト光学系を備えた露光実験装置がをあげている13)。日本では， EUV 研究が一時途絶えてい用いられた。2004年 8 月からは，2 枚の非球面鏡を備えた

たが，1998年に米国の EUVLLC の計画に触発されて，発露光装置 HiNA を用いて，露光実験が行われている16) 。

足した ASET の EUV 研究室と，姫工大（現兵庫県立大）姫工大では New-SUBARU を光源として， 3 枚の非球面

130 ● 放射光 May 2005 Vol.18 No.3

ナノテクノロジー特集 ■ EUV 露光技術の開発と放射光の役割鏡を備えた露光実験装置が用いられている。また米国で最新の露光装置 HiNA が，この最終段に設置されたシュは，先にも述べたように， LBNL に非球面鏡 2 枚を備えバルツシルト型露光装置を置き換えて，設置されている。

た露光実験装置が稼動しており， 2004 年 2 月から本格的

Fig. 6 にその外観図を示す。ここで露光光学系の NA はな露光実験が続いている。さらに欧州では， PTB の放射0.3，フィールドサイズは，300 mm×500 mm，照明光学系

光を光源として実験用の非球面鏡 2 枚を備えた露光実験の s は， 0.8 と 0 を選択可能である。この露光装置 HiNA装置が稼動している。

で得られている露光結果の一例を Fig. 7 に示す。 EUV 露

実用光源として放射光を用いる試みも，欧州で検討された。1998年に発足した EUCLIDES と呼ばれるプロジェク

光の適用が期待される，45 nm 以下の微細加工が実現されている。

トでは，ASML, Zeiss, Oxford Instruments が組んで，EUV 露光装置の開発を検討した17) 。ここでは， Oxford

4. 反射率の計測用光源

Instruments がウイグラーからの光を何本か合成して利用する光源を検討した18)。500 MeV のリング 1 台に，3.4 m

先にも述べたように，EUV 露光技術では，反射光学系の直線部を 2 本設け，これを複数台並列で稼動させようが用いられるが，その反射面は，多層膜から構成されていというものであった。この場合，1 本当り16. W 余りの出る。その反射特性を評価するために，高精度な反射率計が力が期待された。当初光源に要求された，光源強度は，数非常に重要である。1 枚の反射面の反射率を70程度とす

十 W であったため，この方式も候補となった。しかし，ると，照明光学系の 6 枚で，すでに照明光学系全体の光露光装置に要求される光源強度は，実用化検討が進むと共の透過率は 10 程度となり，マスクと投影光学系を合わに高まり， 100 W 以上が要求されるようになった。そのせると，照明光学系へ入力した光は，その 1 しかウエ

結果，光源としては，プラズマ線源にその可能性を譲っハ面に到達しないことになる。このため，各反射面での反た。現状で要求される光源の出力は， 115 W とされてい射率が 1 変化しても，全体では 10 近い変化となる。

る19)。

このように，反射率の僅かな変化が全体の光の透過率を左ASET の露光実験に用いられているビームラインの例

右するため，その高精度な計測が求められている。また，を Fig. 5 に示す。ここでは，後述する反射率計とコンタミ

多層膜は，バンドパス型の反射特性を示すため，その反射

ネーションの評価設備，さらに露光実験装置（シュバルツ

帯域のマッチングが重要であり，その波長精度にも高精度シルト型）がこのビームラインに装備された。現在では，が要求される20)。
露光装置やマスクは，世界中で製作，利用されることが予想され，世界各極での計測装置の反射率やその波長精度の較正が重要である。このため，米国の LBNL ，NIST ，ドイツの PTB や ASET が共同し，同一の多層膜資料を持ち回って計測するラウンドロビンを行った。ラウンドロビ
ンでの計測の結果， LBNL, PTB, ASET の計測結果が非常に良い一致を示した。今後は，こういった較正された計測器を標準として，各極の反射特性を較正していく必要がある。

5. コンタミネーションの評価
Fig. 6

High NA Small Field EUV Exposure System ``HiNA3''.

EUV 露光装置では，レジストからのアウトガスや，真空中の残留ガス，さらに真空チャンバ内に設置された様々な構造物や配線材料からのアウトガスにより，光学系やマスクが汚れてしまうという問題がある。いわゆるコンタミ
ネーションの問題である。レジストや，配線，構造物からのアウトガスには，様々な元素を含んだ材料が予想されるが，基本的には，残留ガス中のハイドロカーボンの分解によるカーボン汚染と，水分が主因の酸化が最も注意すべき検討項目である。
数 nm のカーボン付着により数のピーク反射率の低下を招き，全体の光透過率を大きく低下させる可能性があFig. 7

Exposure Results of HiNA3.

る。また残留水分からの酸素は，多層膜表面を酸化させ，放射光 May 2005 Vol.18 No.3 ● 131(a)Outgas Evaluation Apparatus
Fig. 9Dependence of oxidation on water pressure.

的にも注目される加速試験の検討が進められている22) 。

Fig. 9 に Super-ALIS のビームラインに設置したコンタミ
ネーション実験装置で得られた，真空中の水分濃度や，キャッ ピング層 の材質と酸 化の関係を調 べた例を示 す。

EUV 光の照射条件は，強度 16 mW / mm2 ，照射時間 4
時間である。ここにあるように，放射光を用いて， EUV(b)Fig. 8Analysis of Resist Outgassing

Experimental Apparatus and Results.

光の照射下で，残留ガスやキャッピング層の材質と，表面酸化の関係等を，詳細に検討している23)。

6. 絶対波面計測技術
やはり反射率を低下させる。このため，光強度や残留ガスの成分，特に H2O やハイドロカーボン等の分圧とカーボ

先にも述べたように， EUV の投影光学系は， 6 枚の非ン付着や，多層膜表面の保護膜（キャッピング層）の材質

球面ミラーから成り立っている。この 6 枚のミラーで超とその酸化の関係を詳細に調べる必要がある。

高精度な光学像を形成するために，その波面精度は非常に

EUV 露光におけるレジストからのアウトガスを出来る高いものが要求される。これを計測するため，様々な計測だけ抑制するため，各種のレジストに EUV 光を照射し，手法が検討されている。可視光を用いた計測装置が用いら

アウトガスを実際に分析する必要がある。このため， Fig.

れることも多い24,25)。しかし，多層膜で覆われた非球面反5 で示した ASET のビームラインにおいても，多層膜で射面を高精度に計測するには，露光波長での計測が不可欠

分光した EUV 光を直接レジストに照射し，そこからのアである26) 。これは，可視光の反射が，多層膜表面で起こウトガスを直接分析できるように，質量分析装置を設置しるのに対し，多層膜での EUV 光の反射は，多層膜表面だ

た。その評価装置の構造を Fig. 8(a)に，予備的な実験結果

けではなく，多層膜内に侵入した EUV 光の，多層膜内のの一部を Fig. 8( b )に示す。 EUV 光照射による膜厚の変動

干渉との組合せによって決まり，単に多層膜表面の形状だや，アウトガスの分析を行うことができる。また分析結果

けでは決まらないことによる。

からは，レジストのベースポリマーからのハイドロカーボ

露光波長での計測では，13.5 nm に急峻なピークを持っンや，感光性物質である酸発生材等からのアウトガスを検た強度の強い光源が要求される。Fig. 10 に露光波長を用い出している。さらに新しいアウトガス分析装置を，Super-

た光学系の波面計測方法の一例を示す。この方法は点回折ALIS のビームラインに最近設置して，検討を開始してい干渉計（PDI: Point DiŠraction Interferometer）と呼ばれる。

るもので，微細なピンホールを用いた，点光源を利用する

多層膜の表面における EUV 光照射効果の検討では，通ことになる27) 。このため，アンジュレータ光のように強常の放射光を用いた照射実験がその主体となる。我が国でい光源が要求される。米国では， LBNL の ALS にあるア

は ， NTT の Super-ALIS を 用 い て ， ASET と EUVA でンジュレータ光が使われている28) 。我が国では， New-

その検討が進められている21) 。また New-SUBARU を光SUBARU のロングアンジュレータを光源として利用した源として，兵庫県立大もその検討を進めている。特に兵庫

PDI 法の研究が進められている。 ASET では，この PDI

県立大では，アンジュレータ光を用いた加速試験も行われ

法の基本技術を検討し，Fig. 11 に示すような 13.5 nm の光ており，通常光源の数十倍以上の光強度があるため，世界を用いた干渉縞を得た。

132 ● 放射光 May 2005 Vol.18 No.3

ナノテクノロジー特集 ■ EUV 露光技術の開発と放射光の役割

Fig. 10

Fig. 11

Fig. 12At Exposure Wavelength Metrology System.
Fig. 13

Experimental Arrangements of the Masks for PDI and LDI.

Fig. 14

Contrast Comparison of Interference Patterns between PDI
and LDI.

Fig. 15Comparison of the Zernike Coe‹cients between PDI and
LSI.

Metrology Experiment at New SUBARU.

Schematic View of the Experimental EUV Interferometer.

ではライン型のスリットが用いられ，光量を大きく取ることが出来るなど利点も多い。しかし，精度の観点からは，PDI 法が最も高精度と考えられ，計測値の基準となる。
さらに最近では， EUVA が，兵庫県立大と共同でさら

実際に得られた干渉縞の例を Fig. 14 に示す。この干渉縞に高精細な実験を行っている。ここでは，実用光学系を計を解析することで，測定する光学系の波面を精度高く計測測できる干渉計を開発しており，先に述べた PDI 法の他，できる。干渉縞の解析で得られた光学収差の係数を示す

LSI 法 （ Lateral Searing Interferometer ）， LDI 法 （ Line

Zernike 36項の値を，LSI 法と PDI 法で比べた例を Fig. 15

DiŠraction Interferometer ） や ， CGI 法 （ Cross Gratingに示す。このように， LSI 法でも PDI 法に匹敵する精度

Interferometer ）等の新しい計測法を開発している29) 。

が得られることが，こういった実験結果から分かるように

Fig. 12 に EUVA で開発された，実験干渉計の模式図を示なって来ている。

す。2 つのマスクステージに，様々な形状のマスクを設置することで，様々な干渉法を検討できる。この実験干渉計

7. その他の応用で検討されている PDI 法と LDI 法の実験配置例を Fig. 13に示す。 PDI 法ではピンホールを使うのに対し， LDI 法

多層膜の欠陥検査に関しても， LBNL で様々な検討が放射光 May 2005 Vol.18 No.3 ● 133

進められている。一つは， ALS のアンジュレータ光を集3)

光して多層膜表面に照射し，その散乱光を検出すること
で，多層膜上にある欠陥を検出しようというものである。
この方式では，30 nm 程度の欠陥を検出できるが，マスク面をスキャンするのに時間がかかることが課題である。現状では，6 インチマスク全面をスキャンするのに80時間も4)かかるため，実用的ではない30)。
一方，マスクの欠陥評価等を目的に，EUV 顕微鏡を開発しようという動きも活発である。兵庫県立大の木下教授

5)等が， EUV 顕微鏡の研究を進めている他， LBNL では，
顕微鏡部分にオフアクシス光学系を活用し，ゾーンプレー
トを用いたイメージングシステムを搭載した，EUV マス
ク欠陥検査システムを開発し， ALS のビームラインに導6)入した31) 。このように欠陥検査にも放射光の活用が望まれている。

8. まとめ7)

以上，述べてきたように，EUV 露光技術に関して，量産用の光源にこそ，放射光を用いる予定は無いが，様々な形で放射光を利用した研究開発が進められている。 EUV

8)露光技術の発展に，放射光技術が果たしてきた役割は非常に大きい。特にアンジュレータ光を用いた光学系の波面計測技術は，露光装置開発に不可欠なものであり，今後もそ9)の重要性が高まるであろう。通常光源を用いた計測器の開発も検討されているが，こういった計測器が開発されたとしても，標準原器としてのアンジュレータ光を用いた波面計測器の役割は大きい。また，コンタミネーションの評価には，長時間の照射実験が不可欠であり，放射光を用いた実験はその重要な手段である。特にアンジュレータ光を用10)いた加速試験は，研究を効率的に進めて行く上にも，非常に有効である。その他，EUV 顕微鏡等，新しい観測手段
は，EUV 露光技術に止まらず様々な応用が考えられ，今11)後の展開を期待したい。
謝辞

12)

本研究の一部は， NEDO の委託研究，およびその継続研究として行われた研究の成果によるものである。また絶対波面計測技術の研究について，ニコンの村上勝彦氏から，コンタミネーションの研究について，キャノンの高瀬

13)

博光氏から，資料の提供を頂きました。ここに感謝の意を
表します。

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ナノテクノロジー特集 ■ EUV 露光技術の開発と放射光の役割

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D. A. AttowoodFED ジャーナル Vol. 8, No. 2, 1997 p17.
D. Attwood: ``SOFT X-RAYS AND EXTREME ULTRAVIOLET RADIATION'', Cambridge University Press, 1999,
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K. A. Goldberg, P. Naulleau, P. Denham, S. B. Rekawa, K.
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29 ) 村上勝彦｢ EUV 光学系絶対波面計測技術の開発」精密工学会誌「超精密」に掲載予定．
30) S. Jeong, L. Jhonson, Y. Lin, S. Rekawa, P. Yang, P. A.
Kearney, E. Tejnil, J. H. Underwood and J. Boker: ``Actinic
EUV mask blank bdefect inspection system'', Proc. of SPIE
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31) Y. Lin, A. Barty, E. Gullikson and O. R. Wood II: ``A dualmode actinic EUV mask inspection tool'', to be published inProc. of SPIE No. 5751 2005.

● 著者紹介 ●岡崎信次
技術研究組合 超先端電子技術開発機構
EUV フロセス技術研究部部長
E-mail: okazaki＠aset.tokyoinfo.or.jp
専門半導体リソグラフィ技術［略歴］
1970 年 3 月，東京工業大学理工学部電株 日立製作所
子工学科卒業，同年 4 月中央研究所入所。半導体プロセスとデバイスの研究に従事。主に高周波 GaAsFET の高性能化，微細 MOS デバイスのための微細加工技術の開発を担当。電子線リソグラフィ技術，光リソグラフィ
技術の高解像力化の研究を推進。この間
1980 年 か ら 1 年 間 ， 米 国 Rensselaer
Polytechnic Institute に 留 学 。 1993 年 2月，半導体事業部， 1998 年 2 月デバイ
ス 開 発 セ ン タ に 異 動 。 1998 年 7 月 ，ASET に出向。 EUV 研究室設立と共に同室長に就任， 2002 年 4 月， EUV プロ
セス技術研究部設立と共に，同部長に就任，現在に至る。工博，IEEE Fellow。

Development of EUV lithography and the role ofSynchrotron Radiation
Shinji OKAZAKI

Super advanced electronics technologies
Time 24 Bulid, 245 Aomi, Kotou-ku, Tokyo, 1358073, JAPAN

Abstract

The resolution limit of optical lithography is on the horizon. EUV (Extreme Ultra-Violet)
lithography is one of the most promising candidates of the post optical lithography. It will provide a real
nanometer patterning technology in the industrial environment. However, there are still many issues to besolved before the practical use of this lithography. Synchrotron Radiation will not be used for the light source
for EUV lithography. But, it has been widely applied for the development of this technology. Not only for thelight source of the experimental exposure system, but also it has been widely used for the light sources for theat wavelength metrology system, the multilayer mirror re‰ectmeter, the apparatus of contamination study,
the defect inspection system and so on. The history and the current development status of the EUV
lithography is introduced from the view of the role of Synchrotron Radiation technology.

放射光 May 2005 Vol.18 No.3 ● 135