NPO法人放射線教育フォーラム、2022年度第3回勉強会
令和4年2月27日（日）14:20～14:50
オンライン開催

講演2．デジタル社会を支える超微細加工への放射線利用

国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構
高崎量子応用研究所
先端機能材料研究部
山本 洋揮

放射線利用と放射線の特徴
放射線を医療、農業、工業、学術等の分野において利用することを放射線利用という。
医療・医学利用:
農業利用:
食品利用:
工業利用:
環境利用:
芸術利用:

人体内部の撮影、PETを用いたがんの診断、がんの治療への応用、医療器具（注射針）などの消毒。
不妊化による害虫の駆除、作物の品種改良。
食品の滅菌および殺菌、発芽防止。
非破壊検査、プラスチックや木材の強化、厚さなどの計測、回路のパターンの焼き付け（リソグラフィ）、各種材料での穿孔。
排煙、排水や汚泥、 PCBなどの処理
X線CT 、ラジオグラフィー（中に何があるか開けなくてもわかる）〇放射線の特徴① 物質を透過したり、原子核を散乱したりするため、その物質や生体の内部を細部まで調べることができる。
② 局部的に大きなエネルギーを付与して微細加工を行ったり、材料に特殊な機能を与えてこれまでの技術では得られない新しい材料を創成したりする。
③ 周囲への影響を抑えながら、集中的に細菌やがん細胞等を殺傷する能力を有する④ 有害な化学物質等を利用せずに加工処理ができるため、環境への負荷が小さい

1放射線利用の経済規模（H27年度）

内閣府HPより引用

2デジタル社会半導体

3

半導体の集積度をさらに高めるた
めに放射線が利用されている。

電子デバイスの高速化、大容量化、省電力化●半導体は経済安全保障と直結●半導体はデジタル化の基幹製品●半導体の省エネ化・グリーン化に必須。

経済産業省の半導体戦略より引用

半導体デバイスの微細化による高性能（高密度）化であり、リソグラフィの技術革新

半導体の高集積化
1971:4004 Microprocessor

The processor debutedwith42
milliontransistors and circuitlines of 0.18 microns.
Intel's
first
microprocessor,
the4004, ran at 108
kilohertz(108,000hertz), compared to theIntel® Pentium® 4
processor's initial speedof 1.5 gigahertz (1.5billion hertz). 1.5 x 1.5
cm 478-pin.

2000:
Pentium® 4 Processor

Carmean, Doug (Spring 2002).から引用

4半導体の高集積化（スマートフォン）

5

iPhone1２シリーズに電力を供給する
A14Bionic内チップには118億個のトランジスタ搭載。EUV（放射線）がはじめて使用された最新のiPhone13シリーズに電力を供給するA15Bionicチップセットには、150億個のトランジスタが搭載

リソグラフィ工程（HMDS 処理など）

4. プリベーク

3. スピンコート

2. 塗布

1. 表面処理6

レジスト溶媒
レジスト

シリコンウェハ
被加工膜・基板

ホットプレート
5. 露光

6. PEB（露光後加熱）

溶媒を蒸発

ホットプレート
加熱により化学反応を進行させる
7. 現像

8. リンス＆乾燥TMAH

溶媒で照射部を溶かす（ポジ型レジスト）

貧溶媒で溶媒を洗い流す

光もしくは放射線化学反応で潜像を形成
9. エッチングプラズマ

10. レジスト剥離

レジストをマスクにして基板を加工

2003 ITRS 半導体ロードマップ

２０03 ITRS roadmapより引用

7

2003 ITRS 半導体ロードマップ

２０03 ITRS roadmapより引用

8

リソグラフィ技術の変遷
レイリーの式l
解像度 R = k1
NA
EUV
(13.5 nm)

0

水X線

10
EUV

液浸露光
レンズ
トップ
コート
レジスト
Si

F2(157 nm)

KrF(248 nm)
ArF(193 nm)

100
紫外光

250

9i線
(365 nm)g線(436nm)

500
可視光

短波⾧化

露光波⾧(nm)1,000

ＥＵＶは究極の縮小投影リソグラフィ

10○リソグラフィで大量生産に電離放射線を使うのは初めて

ASMLのHPより引用

EUVリソグラフィの特徴

 Extreme Ultra Violet light(極端紫外光)は波⾧13.5nmとArF(193nm)より一桁短い。
 レイリーの式 R=K1x(λ/NA)より
K1=0.3,λ=13.5 NA=0.33 としてR=11nmが解像可能。
 露光機は多層膜反射ミラーを組み合わせた反射光学系で構成される。

EUVリソグラフィの問題

 光学系の反射ミラーの反射率は70％程度である。
これを4～6枚組み合わせるため、レジストを露光する際は光の減衰が大きい。このため、高出力の光源および高感度レジストが必要。
 光学系がレジストと同じ真空系内に存在するため、レジストからのアウトガスにより反射ミラーのコンタミネーションが懸念される。

EB/EUV化学増幅型レジストの問題点
EB/EUVレジスト材料の要求特性○解像度(パターンの大きさ）○感度（パターン形成に必要なエネルギ-）○ラフネス（パターンの正確度）

化学増幅型レジストの利用(感度からの要求)nO

C酸発生剤+ (Ph3S+CF3SO3-）

EUV
照射H+ + X酸

O RO

H+nポリマO不溶C

O R

酸触媒分解＋ R・OH

可溶

O

H+レジスト材料

nH+露光部酸発生

露光部溶解

化学増幅型レジストの問題点
解像度

感度

ラフネス
解像度・感度・ラフネスのトレードオフ問題

従来の酸触媒反応による高感度化では克服することは困難

放射線化学・物理により反応メカニズムを解明し、高感度・高解像度化学増幅型レジストの設計

11放射線誘起反応に基づいたレジスト設計指針の提案
光リソグラフィを支えてきた光化学を基礎とした知識インフラに匹敵する放射線化学を基礎とする知識インフラを早急に整備する必要

課題:放射線化学・物理に立脚したレジスト設計指針なし
放射線誘起反応に基づいたレジスト設計指針の提案
光からイオン化放射線へ露光源の高エネルギー化

レジストのイオン化ポテンシャル（~ 10 eV)S. Tagawa, et.al. SPIE 3999 (2000) 204.

脱プロトン化におけるマトリクスポリマーの影響を検証

12

放射線誘起反応に基づいたレジスト設計指針の提案
色素をフィルムに添加したin situ測定で露光後の酸発生を定量評価
酸指示薬の特性
クマリン６の選定
露光
色素（無色）
色素-H+ (発色)in Polymer (EUV)(中性~弱酸)C6色素による酸発生量の定量化でマトリクスの影響を解明(超強酸)

脱プロトン化しやすいポリマーが有効
ヒドロキシル基をもつポリマー（PHS)が有力

照射前 照射後 照射前 照射後脱プロトン化効率の高いレジスト材料の設計

相対的なレジストの膜厚

OH基の導入(65%)、 脱プロトン化する保護基の探索（パターン形成に不可欠）
レジストIの性能評価
脱プロトン化保護基の酸発生効率のPHS比

アダマンチル基でPHS以上の脱プロトン化達成

10.80.6

感度:0.8 mC/cm2

0.40.20012
34
露光量（mC/cm2)

5

線量:15 mC/cm2
線幅:50 nm
ラフネス:解析不能

高感度・高解像度パターン形成

132021 IRDS 半導体ロードマップ
DRAM配線ピッチの1/2２０２１ IRDS roadmapより引用

14EB・EUVレジスト設計
EB・EUVレジスト
化学増幅型レジスト系ではフォトレジストとは異なる

15

レジスト材料の透明性による制限がないので様々な材料が使用できる。

レジスト材料の透明性の問題は考慮しなくてもよい

材料の自由度は大きい。
高分子、低分子、メタルレジスト
解像性から分子サイズを小さくする方向

Transmission spectra of a DQ/N (novolak type) photoresist,
polymethylmethacrylate (PMMA), polydimethylglutarimide (PMGI) andpolyhydroxystyrene (PHS).

Sub-Half-Micron Lithography for ULSIs edited by K. Suzuki, S. Matsui and Y. OchiaiEBとEUVのエネルギー付与の違い

16電子線とEUVでは反応機構が同じであるが、ポリマーへのエネルギー付与が異なる

EBEUV
EUVに対する吸収断面積を増やす原子を導入

衝突断面積が大きい
重原子を導入Photoabsorption cross-section
x 103 (cm2/g)

Bethe equation

200

Lambert law
エネルギー付与が異なる電子線とEUVではレジストの設計指針が異なる?
（プラスの要因）

160120FO

80
400F原子の導入NHBeCSiS

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Atomic NumberFigure. Elemental absorption crosssections at 13.4 nm wavelength.

f吸収係数が増加a（マイナスの要因）
酸発生効率が減少 fa

酸発生効率と吸収係数のどちらの寄与が酸濃度への影響力がある?

Table 4-1. Absorption coefficient and acid yield of Fluorinatedpolymer per photon.
Concantrationof
fluorine atoms (wt%)

4238
33250Absorption coefficientAcid generation(mm-1)
efficiency per photon

7.08.68.1
6.6
4.0

1.6
1.7
1.9
2.3
2.4

 dI c( z)  f     faI 0eaz
 dz 
fとaから酸の深さ方向のプロファイルを求める

Acid concentration (nm-3)

EUVレジストの設計指針

170.06
0.05
0.04

38 %

0.03

33 %

0.02

25 %

0.01
00%
25 %
33 %
38 %
42 %

42 %

00%

200
400
600
800 1000
Depth from resist surface (nm)Figure. Depth profile of acid concentration calculated with acidgeneration efficiency, absorption coefficient and the exposure
dose of 5 mJ/cm2.と薄膜ではPHSよりフッ素樹脂のほうが発生する酸濃度が高いEUVレジストではポリマーの吸収を増加させ、薄膜化させてやることにより単位体積あたりの酸発生効率を向上させることが可能シングルナノ加工のためのレジストの開発
パターン倒れを防ぐため、微細化とともに薄膜化しなければならない。
また、現在の高分子レジストでは十分なエッチング耐性が期待できない。
革新的なレジスト開発が必要。
レジストの薄膜化 (<20 nm)

レジストを構成する主成分であるポリマーの吸収係数を上げるのには限界がある。
EUVリソグラフィに対応可能な高感度レジストを開発するためにはEUVに対して吸収断面積の大きい金属元素を導入することで高感度化が可能である

⾧所:高いエッチング耐性
小さなビルディングブロック
EUV吸収が高い

短所:低感度
高い感度を示したシングルナノ加工を指向した新規レジストの開発が必要不可欠

18

EUV露光装置（高崎研）によるレジスト研究開発 19
EUVレジスト評価用露光装置の整備

1)EUV光源の発光確認済

2)搬送システムは起動確認済

3)スピン現像システム稼働中

EUV露光実験

EUVレジスト評価用露光装置によるメタルレジストのEUV照射を実施し、高感度にパターン形成可能であることを実証した。

高崎研におけるレジスト研究開発
新規レジストの設計と合成手法の研究
ガンマ線照射施設

配位子

金属コア

ガンマ線照射による放射線還元または化学合成によりパターン形成可能なメタルレジストを合成

関西研のピコ秒EUVレーザ
短パルス・高強度の次世代EUVによるリソグラフィを世界に先駆けて実証
Sample

強度補正-強度モニタビームライン
構築
CCD
X線強度可変装置

モニター

集光ミラー
(Mo/Si)

軟X線レーザー(13.9nm 7ps)
X線ビームスプリッタ

SACLA-BL1(SXFEL)QSTハブ拠点を中心に他施設（国内外の大学等）と連携して、レジスト材料の評価を実施

レジスト材料

SACLA-SXFEL（サブピコ秒）にX線強度連続可変装置を整備• λ : 13.5nm (92eV)• Energy: ~80 µJ
サブピコ秒EUVレーザーにより、レジスト材• Divergence: < 1mrad
料の加工・評価
SXFEL (SACLA BL-1)

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EUVリソグラフィの発展・応用
リソグラフィ技術は、半導体以外の様々な分野の加工にも応用されており、その裾野は非常に広い。それぞれの応用分野によって要求される解像度などは異なるが、半導体分野の仕様要求が最も厳しく、今後も当分、半導体分野の応用（半導体デバイス、量子デバイス、量子コンピューター等）を中心にリソグラフィ技術の発展が続くと考えられる。
このように、放射線は危険とイメージがあるが、我々の身近なスマートフォーンのチップセット等の作製に使用されており、あまり知られていないが身近なもの利用されている。
今後、産業への放射線利用が拡大されるので、中学生をはじめ学生さんへの放射線教育の重要性が益々重要になってくると思われる。

21

22

ご清聴ありがとうございました

量子科学技術研究開発機構（QST）は、量子科学技術による「調和ある多様性の創造」により、平和で心豊かな人類社会の発展への貢献を理念とし、「世界トップクラスの量子科学技術研究開発プラットフォーム」の構築を志します。
■ ＱＳＴホームページ ： http://www.qst.go.jp/■ QST未来戦略２０１６： http://www.qst.go.jp/about/welcome/plan2016.html