将来リソグラフィー用EUV-FEL光源中村 典雄A), 加藤 龍好A), 阪井 寛志A), 土屋 公央A), 谷本 育律A), 本田 洋介A), 宮島 司A)
島田 美帆A), 山本 将博A), 谷川 貴紀A), 田中 織雅A), 帯名 崇A), 河田 洋A)A) 高エネルギー加速器研究機構 (KEK)

第20回⽇本加速器学会年会 2023年8⽉29⽇ − 9⽉1⽇ ⽇本⼤学理⼯学部・船橋キャンパス1

関連するポスター発表（本学会）• TWSP27, 島田 美帆他, 「KEKコンパクトERLの現状」• TUP27, 坂本 文人他, 「光伝搬に外部境界条件を組込んだ自由電子レーザのシミュレーション」• THP25, 谷川 貴紀他, 「Compact ERLにおけるFEL強度増強に向けた光共振器型FELのシミュレーション」• THP27, 加藤 龍好他, 「EUV-FELへの超伝導アンジュレータの導入可能性の検討」• THP46, 本田 洋介他, 「バンチエネルギーチャープとテーパーアンジュレータによるFEL発振制御の試験にむけて」• THP57, ナマ プラギャ他, 「1.3 GHz cERL入射器空洞用試作カップラーを用いた大電力試験結果の報告」• FRP26, 谷川 貴紀他, 「次世代EUVリソグラフィー用高出力EUV-FELにおける偏光制御シミュレーション」• FRP27, 加藤 龍好他, 「EUV-FELの再生増幅化に必要な光フィードバックと光取り出しの検討」

2

発表内容
• 背景
• EUV-FEL光源の概要と特長• cERLを用いたEUV-FEL光源の概念実証• まとめ3

発表内容• 背景• EUV-FEL光源の概要と特長• cERLを用いたEUV-FEL光源の概念実証• まとめ4

半導体リソグラフィー
ムーアの法則光源の波長EUVによる先端半導体チップ

Hg lamp g-line 436 nm

2019年頃から既に量産化されている。
7 nm node

Hg lamp i-line 365 nm

ArF laser 193 nm(+immersion)

2年ごとに2倍に増加

Mobile processor

https://semiconductor.sa
msung.com/processor/mobile-processor/exynos9825/

Mo/Si 68 %Reflectivity

KrF laser 248 nm

Mo/Si多層膜ミラーの反射率曲線

Apple computer chips
5 nm node

Wavelength[nm]EUV 13.5 nm

分解能

R=k1
NA=n sinqn : 屈折率 (n=1 for air)q : レンズ開⼝⾓の1/2!
"#l : 光源の波⻑
NA : 開⼝数
k1 : プロセスパラメータ

J. van Schoot et al., 5th EUV FEL Workshop (2021).

5

EUVリソグラフィーの現状と課題
A. Yen, EUVL Workshop 2018

EUV光学系を含むスキャナーシステム

I. Fomenkov, Source Workshop 2019.
LPP光源
中間集光点

レチクルステージ

液滴生成器

照明光学系

250W LPP光源容器

集光ミラー

プラズマ
投影光学系

CO2
レーザー

ウェハーステージ

液滴補足装置

EUVリソグラフィー用露光装置 (NXE3400B from ASML)
ArF (6.4 eV)

I. Fomenkov,Source Workshop 2019.

劣化率： 0.05%/GP
交換時間 : 8時間(NXE:3400C,3600D)

Reflectivity[%]

劣化率： 0.15%/GP
交換時間 : 28時間
(NXE:3400B)

Dose = 10 mJ/cm2

ウェハー
ステージ

レーザー⽣成プラズマ(LPP)光源とEUVスキャナーシステム
EUV (92.5 eV)

P. De Bisschop et al., Proc SPIE 9048 (2014) 904809.

Dose = 10 mJ/cm2

プラズマ残留物の影響
60 GP 〜 2週間（連続運転の場合）

顕著な改善はあるが、1年に6回程度交換

EUV集光ミラーの反射率劣化レジストに吸収される光⼦の分布
照射量当たりの光⼦数の⼤幅な減少(GP)

J. J. Biafore et al., Proc SPIE 7273 (2009) 727343.

ストカスティック効果とそれによるパターン欠陥例

ストカステック効果を抑えて高スループット・高分解能を実現するために将来より強力な光源が求められる。

6

国内の動向https://www.meti.go.jp/press/2022/11/20221111004/20221111004-1.pdf（最先端半導体技術センター）

東会長

小池社長

[LSTC]

Rapidus（株）の設立 (2022.8.10)
5年後に2nmの先端半導体の受託生産を開始することが目標。国内８社から出資を受ける。
https://www.sankei.com/article/
20221111-OGNQOL3KWNJ7VKRSXWNUUDXYUI/

小池さん

東さん

中村
<LSTC参加機関>

東・小池両氏のcERL見学（2021.6.14）

高エネルギー加速器研究機構(KEK)はLSTC参加機関の１つになっている。

7

発表内容
• 背景
• EUV-FEL光源の概要と特長• cERLを用いたEUV-FEL光源の概念実証• まとめ8

EUV-FEL光源
エネルギー回収リニアック（ERL）を用いたEUV-FEL光源ERL-FELを用いる理由（利点）第1アーク(1) 高平均電流（高バンチ繰り返し） à 高EUV出力(2) エネルギー回収 à 低消費電力(3) 低ダンプエネルギー à 低放射化
(4) 中パルスエネルギー à 低ミラーダメージ（光輸送）

ビームダンプ
ダンプライン

パラメータ

設計値

ビームエネルギー

800 MeV

バンチ電荷

60 pC

バンチ繰り返し

合流部

第2アーク

入射リニアック
電子銃©Rey.Hori/KEK

162.5 MHz

平均電流

10 mA

RF周波数

1.3 GHz

EUV波長13.5 nm

EUVパワー> 10 kWN. Nakamura et al., Proc. ERL2015, pp.4-9(2015).
H. Kawata et al, J. Micro/Nanopattern Mater. Metrol. 212(2), 021210 (2022).

9

EUV-FEL光源の主要コンポーネント
第1アーク部
バンチ圧縮
DBAセル x 3

偏光可変アンジュレータ@PF⻘：偏向電磁⽯
⾚：四極電磁⽯
⻩：六極電磁⽯

アンジュレータシステム（FEL）

主超伝導リニアック
64空洞（16クライオモジュール）第2アーク部

N. Nakamura et al,
J. Phys.: Conf. Ser.
874(1), 012013 (2017).

T. Konomi et al., Proc.
ERL2022 (2022).

バンチ伸⻑
TBAセル x 2

光陰極DC電⼦銃

加速勾配Eacc=12.5〜15 MV/mでの安定運転@10mA

⼊射超伝導リニアック
M. Yamamoto et al.,Proc. ERL2015 (2015).

KEKで開発された第２電⼦銃

電子銃

cERL 2セル超伝導空洞

cERL⼊射クライオモジュール

E. Kako et al., Proc. IPAC2012, (2012); Watanabe et al., NIM A714, 67(2013).

cERLクライオモジュールx2

EUV-FEL⼊射部配置

10光ビームライン
EUV-FEL光源と露光装置間の光ビームライン配置

EUV-FEL光のエネルギー密度とアブレーション閾値
EUV光のパルスエネルギー密度（光源出口から3mの位置） : ~10 mJ/cm2/pulse
c.f. Mo/Si多層膜及びシリコンのアブレーション閾値 : ~20 mJ/cm2/pulse (< 10 ps)

露光装置（LSI Fab)M. Nishikino et al.,Proc. 2018 Source Workshop (2018).

EUV-FEL光源

光ビームラインの概念設計

H. Kawata et al, J. Micro/Nanopattern Mater. Metrol. 212(2), 021210 (2022).

(2) 水平サイズの拡大と分岐(1) 垂直サイズの拡大
湾曲全反射ミラーの使用~0.1 mJ/cm2

分割型湾曲全反射ミラーの使用
垂直に広げられた
EUV-FEL光の入射

EUV-FEL光…

(3) 露光装置の第１ミラーに最適な光サイズの調整~0.1 mJ/cm2

各露光装置へ~2.5 µJ/cm2~20 x 20 mm2（ミラーから3mの距離）

全反射ミラーの使用

EUV光の⼤きなロスとミラーの損傷なく各露光装置まで輸送することが可能である。

11

高EUV出力
EUV-FEL光源のS2Eシミュレーション
FELパルスエネルギー（円偏光モード）

FEL入口

Mo/Siミラー反射率曲線109.4 µJ

79.2 µJ

LPPスペクトル

LPP
光源

Mo/Siミラー反射率

Ipeak = 724 A

第1アーク入口

st = 38.9 fs
sp/p = 0.106 %enx = 2.02 µm radeny = 0.90 µm rad

Ipeak = 21 A

st = 0.99 ps
sp/p = 0.092 %enx = 0.94 µm radeny = 0.90 µm rad

EUV-FELスペクトル(FEL出口)E~800 MeV

FELパワー（テーパー最適化） : 17.8 kW @ 9.75 mA (162.5 MHz)35.5 kW @ 19.5 mA (325 MHz)

入射部出口
st = 1.01 ps
sp/p = 0.225 %enx = 0.94 µm radeny = 0.90 µm rad

EUV-FEL光源は⾮常に⾼いEUV出⼒性能を有する。
EUV-FELスペクトルの幅はMo/Si多層膜ミラーの反射率曲線の幅よりも⼗分に狭い。
FEL発振後もビームはロスなくダンプラインまで到達。
未考慮の物理や誤差の影響を⼊れてさらに精度を⾼めていく予定。
N. Nakamura et al., Jpn. J. Appl. Phys. 62, SG0809 (2023).

電子分布(Np=500k)

e-E~11 MeV
12

Beyond EUV(BEUV)光源へのアップグレード
ダンプ

入射部
主リニアック(ML)EUV FEL

アンジュレータ(FEL)
EUV光入射部ダンプ

Beyond EUV(BEUV)lFEL : 13.5 à 6.7 nm
Ebeam : 0.8 à 1.14 GeV()(𝜆!"# ∝ 𝐸$%&')

ダンプ
主リニアック(ML)EUV FEL

アンジュレータ(FEL)
ダンプ

主リニアック(ML)BEUV FEL

分岐部(A) シングルループ配置

BEUV光アンジュレータ(FEL)
EUV光分岐部

合流部
主リニアック2(ML2)
主リニアック1(ML1)

BEUV FEL
入射部

ダンプ
アンジュレータ(FEL)(B) ダブルループ配置 1

BEUV光

BEUV光(C) ダブルループ配置 2FEL power spectrum [a.u.]

主リニアック(ML)主リニアック(ML) 合流部

アンジュレータ(FEL))

入射部

EUV FELEUV光入射部BEUV FEL

アンジュレータ(FEL)

ダンプ入射部

R. Kato,4th EUV-FEL Workshop(2019).

M. D. Ackermann et al.,2021 Source Workshop.

0.04 nmWavelength [nm]BEUV-FELスペクトル（計算） BEUV多層膜ミラー反射率（測定）

ERLを⽤いたFEL光源はより⾼分解能を⽬指すBEUVリソグラフィーでも有望な光源である。

13Beyond EUV(BEUV)光源へのアップグレード
ダンプ

入射部
主リニアック(ML)EUV FEL

アンジュレータ(FEL)
EUV光入射部ダンプ

Beyond EUV(BEUV)lFEL : 13.5 à 6.7 nm
Ebeam : 0.8 à 1.14 GeV()(𝜆!"# ∝ 𝐸$%&')

ダンプ
主リニアック(ML)EUV FEL

分岐部(A) シングルループ配置
入射部
主リニアック(ML)EUV FELEUV光入射部
主リニアック(ML) 合流部

BEUV FELアンジュレータ(FEL)

ダンプ

アンジュレータ(FEL)
ダンプ

主リニアック(ML)BEUV FEL

入射部

BEUV光アンジュレータ(FEL)

BEUV光(C) ダブルループ配置 2
R. Amano et al, JJAP 57,070311 (2018).

M. D. Ackermann et al.,2021 Source Workshop.

only 2.4%
in 0.04 nm

アンジュレータ(FEL)
EUV光
分岐部

合流部
主リニアック2(ML2)
主リニアック1(ML1)

BEUV FEL
入射部

0.4 nm0.04 nmダンプ
アンジュレータ(FEL)(B) ダブルループ配置 1

BEUV光

Gd LPP光源スペクトル（測定） BEUV多層膜ミラー反射率（測定）

ERLを⽤いたFEL光源はより⾼分解能を⽬指すBEUVリソグラフィーでも有望な光源である。

14

偏光の利用と制御
⾼NAリソグラフィーにおける偏光の効果
高NA à 同波長でより微細な加工

低NA

半導体基板⾼NAリソグラフィーの概念図

xxintensity

高NA（開⼝⾓が⼤）intensity*

R=k1 +,x-position(b) p-偏光モード(TM)

qq

分解能

(a) s-偏光モード(TE)(b) p-偏光モード(a) s-偏光モード

157-nm light, NA=0.85, 60nm half-pitch

⾼NAリソグラフィーでの偏光利⽤実験
x-position

⾼NAリソグラフィーにおける光の⼲渉と強度分布

B. W. Smith et al., Proc. of SPIE 5377, 68-79 (2004).

偏光制御スキーム (検討中)(1) 全数円偏光モード
パワー重視(低NA)(2) 全数直線偏光モード
偏光重視（高NA）(3) ハイブリッドモード
偏光重視（高NA）

ポスター発表谷川貴紀他
FRP26

EUV/BEUV-FEL光源は⾼NAリソグラフィーのための偏光制御が可能である（LPP光源は無偏光）。

15消費電力
持続可能な半導体製造技術・システム
・ 半導体製造の微細化に伴ってCO2排出量や電力消費が急増し、環境への配慮（グリーン化）が求められつつある。
新項目

L. V. den Hove, Proc. SPIE PC12053,PC1205301(2022).

CO2排出量 vs 微細化

半導体チップ開発における要求項⽬

EUV光源の消費電力
Ø EUV-FEL : ~7.0 MW/10-kW EUV ⇒ ~0.7 MW/1-kW EUV(or 露光装置)
Ø LPP: ~1.1 MW/250-W EUV ⇒ ~4.4 MW/1-kW EUV(or 露光装置)
EUV-FEL光源は露光装置１台あたりの消費電力を大幅に下げることができる。

EUV露光装置の消費電力（» LPP光源の消費電力）項目

電力 [MW]

冷凍機システム3.2 *1)RF源

1.3 *2)電磁石・真空・制御他

1.0

ユーティリティ1.5

合計

7.0*1） 主リニアック超伝導空洞仕様：
Q0=1 x 1010, Eacc=12.5 MV/m
50%のマージン含む*2） 変換効率30%を仮定

Wall plug power [kW]EUV-FEL光源の必要電力

2022年

M. V. den Brink,
ITF USA (2020).

EUV-FEL光源は露光装置１台あたりの建設・運転コストも下げられる可能性がある。à N. Nakamura et al., Jpn. J. Appl. Phys. 62, SG0809 (2023).

16

発表内容
• 背景
• EUV-FEL光源の概要と特長• cERLを用いたEUV-FEL光源の概念実証
• まとめ

17

EUV-FEL光源の概念実証（PoC）
コンパクトERL(cERL)
cERLでは低い電⼦ビームエネルギーのためにEUV光の代わりに⾚外光をアンジュレータから発⽣する。
()
𝜆!"# ∝ 𝐸$%&'

アンレジューEL)
F(タ第1アーク部
周回𝐴 = 𝜋𝑟 !

ビームダンプ
ダンプライン

主リニアックcERLのパラメータ（現状）
第２アーク

⼊射リニアック
電⼦銃
M. Akemoto et al.,Nucl. Instrum. Methods A877, 197–219 (2018).

パラメータ

現在値

ビームエネルギー

17.5 MeV

入射エネルギー3 - 5 MeV

バンチ電荷

60 pC (最大)バンチ繰り返しcERLの写真81.25/1300 MHz

平均電流

1 mA (最大)RF周波数1.3 GHzcERLでのSASE-FEL光の⽣成 à ERLを⽤いたEUV-FEL光源の概念実証à 世界初のERL配置でのSASE-FEL光源

18cERL赤外FELの建設とコミッショニング
NEDOプロジェクト : 分子振動遷移に基づく光吸収を利用した高効率レーザー加工のための中赤外FELの開発
コミッショニング期間: 2020年6月〜7月, 2021年2月〜3月

赤外FEL
アンジュレータ1(U1)

Y. Honda et al., Rev. Sci. Instrum. 92, 113101 (2021).
阪井寛志他, 第18回⽇本加速器学会（2021年）.

パラメータ• エネルギー : 17.5 MeV• バンチ電荷: 60 pC• バンチ繰り返し: 81.25 MHz• IDタイプ : 水平偏光APU• ID長: 2.976 m x 2• ID磁場周期 lu : 24 mm• FEL波長 l : 10 – 20 µm

アンジュレータ2(U2)

FELモニタポート1

U1

FELモニタポート2

Mirror

U2アンジュレータ(U1, U2)

MirrorEnergy meterU2 light
MCT
BPF Mirror

FELモニタポート2

NEDO goal

U2~12 nJ~5.8 nJ

目標ビームパラメータから計算された値~0.72 nJ

U1

測定値(U1)

測定値(U2)
FEL energy/macro pulse[nJ]cERL配置図

バンチ当りのFELパルスエネルギー @20µm [µJ]

建設期間:2019年10月 – 2020年5月

U2U2

U1
Time[min]アンジュレータ部での進行方向位置[m]FELモニタポート1cERLでのSASE-FEL光の発生が確認され、EUV-FEL概念実証として重要なステップとなった。

FELモニタポート219

高出力FEL運転に向けて
FELコミッショニング/ ビーム調整(バーストモード)

高出力FEL運転 (CWモード)
PCWモード = Pバーストモード × (105 – 106)

マクロパルス(パルス幅 ~1 µs) @ 1 - 5 Hz

電子バンチ

電子バンチ

12.3 ns

バンチ繰り返し: 81.25 MHz

12.3 ns

バンチ繰り返し: 81.25 GHz
低バンチ電荷、FEL発振なし

N. Nakamura et al., J. Phys.: Conf. Ser. 2420, 012029.

cERL 配置
ダンプライン

ビームロスを抑えるためにエネルギーアクセプタンスを70 %以上改善させた。

高出力運転に向けたcERLダンプラインの改造~100% エネルギー回収

FEL建設後の最初の大電流運転(~250uA)
T. Tanikawa et al., IPAC2023.

高出力FEL運転に向けて準備（ダンプライン改造、FEL建設後最初の大電流運転など）が行われた。

20

今後取り組むべき課題(2) 10 mAビーム運転の実現

EUV-FEL 空洞 （高加速勾配、高いQ値）

Eacc = 8.5 à 12.5 ~ 15 MV/m
Q0 > 2 x 1010

光FEL

4空洞（１モジュール）Beam current [mA]

(1) EUV-FEL空洞の製作・試験
101 mA
10.1

10-2

NEDO project

10-3
10-4
2013

EL)
F(タレーュ
ジアン

10 mA ( = IEUV-FEL )

2014

2015

2016

2019

2020

2021

2022

Year

2023

電子銃高圧電源cERL最大ビーム電流の歴史
電子銃高圧電源と放射線遮蔽の改善によって実現可能である。

(3) EUV-FEL光源用アンジュレータの製作・試験
cERLビームエネルギー :17.5 MeV à 55 ~ 65 MeV
FEL波長 :
20 µm à 1.4 ~ 2 µm

固定ギャップで波長と偏光を制御可能

e-cERL ビームエネルギー増加
à 空間電荷効果の軽減 + 縦・横エミッタンス改善

対⾓ペア磁⽯列の位相シフトによる偏光制御

⽔平偏光APU (cERL)

EUV-FEL空洞の性能評価とcERLのビーム品質向上が期待される。

左右ペア磁⽯列の位相シフトによる波⻑制御

APU型可変偏光アンジュレータの磁⽯構造の例

コスト削減のためのギャップ固定式可変偏光APUを開発する。

21

発表内容
• 背景
• EUV-FEL光源の概要と特長• cERLを用いたEUV-FEL光源の概念実証
• まとめ

22

まとめ
• ストカスティック効果等を克服しつつ、より高スループット・高分解能を実現するためにより強力なリソグラフィー用光源が将来必要とされる。
• 我々のグループでは、ERLを用いた高出力のEUV-FEL光源を設計し、主要コンポーネントの開発研究を行ってきた。
• EUV-FEL光源はLPP光源と比べて、高EUV出力、ミラー汚染の有無、BEUVへのアップグレード、スペクトル幅、偏光制御、露光装置１台あたりの消費電力等で優れている。
• cERLでの赤外SASE-FEL光の発生に成功し、EUV-FEL光源の概念実証として重要な一歩を得た。CWのFEL運転の準備も行われている。
• EUV-FEL光源は将来有望なリソグラフィー用光源であり、産業化に向けて研究開発をさらに推進していきたい。
23謝辞 (1)
EUV-FEL光源産業化研究会 (2015年設立)
代表：

石原 直

これまでの活動・イベント
EUV-FELワークショップ(7回)
1st EUV-FEL Workshop(2016)兵庫県立大学

松田 巌

東口 武史

渡邊 健夫

2nd EUV-FEL Workshop(2017)

早稲田大学
鷲尾 方一

大阪大学

3rd EUV-FEL Workshop(2018)

古澤 孝弘

4th EUV-FEL Workshop(2019)
5th EUV-FEL Workshop(2021)
6th EUV-FEL Workshop(2022)
7th EUV-FEL Workshop(2023)

研究会全体会議(13回)

KEKのERL技術、QSTのFEL
技術をベースに産業化を検討

各分科会会合セミナー
その他の会合量子科学技術研究開発機構
羽島 良一

高エネルギー加速器研究機構
KEK河田 洋 他

産業技術総合研究所
清 紀弘24

謝辞 (2)cERL Collaboration TeamHigh Energy Accelerator Research Organization (KEK)
M. Adachi, D. Arakawa, H. Araki, M. Egi, S. Eguchi, M. Fukuda, T. Furuya, K. Haga, K. Harada, N. Higashi, T. Honda,
Y. Honda, T. Honma, X. Jin, E. Kako, Y. Kamiya, R. Kato, H. Kawata, Y. Kobayashi, Y. Kojima, M. Kurata,
H. Matsumura, S. Michizono, C. Mitsuda, T. Miura, T. Miyajima, H. Miyauchi, Y. Morikawa, S. Nagahashi, D. Naito,H. Nakajima, N. Nakamura, K. Nakanishi, K. Nigorikawa, T. Nogami, T. Obina, H. Sagehashi, H. Sakai, M. Shimada,T. Shioya, M. Shiozawa, M. Tadano, T. Tahara, T. Takahashi, R. Takai, H. Takaki, O. Tanaka, T. Tanikawa, Y. Tanimoto,
K. Tsuchiya, T. Uchiyama, A. Ueda, K. Umemori, M. Yamamoto, G. Yoshida
National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (QST)
R. Hajima, K. Kawase, R. Nagai, M. Sawamura, N. Nishimori
Michigan State University T. Konomi
Hiroshima University M. Katoh, M. Kuriki, A Kano
National Institute of Technology, Akita College F. Sakamoto

Collabolation Team for NEDO Project (IR-FEL)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
T. Sato, M. Kakehata, H. Yashiro
Tokyo University of Science (TUS) K. Tsukiyama, T. Kawasaki
Hamamatsu Photonics T. Edamura, N. Akikusa
25

ご清聴ありがとうございました。
Thank you for your attention!

26