Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 THOA14

将来リソグラフィー用 EUV-FEL 光源
EUV-FEL LIGHT SOURCE FOR FUTURE LITHOGRAPHY
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)
Norio Nakamura , Ryukou Kato A), Hiroshi Sakai A), Kimichika Tsuchiya A), Yasunori Tanimoto A), Yosuke Honda A),
Tsukasa Miyajima A), Miho Shimada A), Masahiro Yamamoto A), Takanori Tanikawa A), Olga Tanaka A),
Takashi Obina A), Hiroshi KawataA)A) High Energy Accelerator Research Organization

Abstract
A more powerful EUV light source will be required for lithography in future to overcome the stochastic effects forhigher throughput and finer patterning. In Japan, Rapidus Corporation for mass production and LSTC(Leading-edge
Semiconductor Technology Center) for open R&D were recently established in framework for next-generation
semiconductor project. We have designed and studied a high-power EUV-FEL light source based on energy-recovery
linac (ERL) for future lithography. In this paper, after overview of the EUV-FEL light source, we show that the EUVFEL light source has many advantages such as extremely high EUV power, no tin contamination, narrow spectral width,
upgradability to a Beyond EUV (BEUV) FEL, polarization controllability and low electric power consumption perscanner, as compared to the laser-produced plasma (LPP) source used in the present EUV lithography exposure tool.
Furthermore, demonstration of proof of concept (PoC) of the EUV-FEL is in progress using the Compact ERL (cERL) at
KEK. We also briefly present the current state of the PoC of the EUV-FEL.

1.

背景半導体リソグラフィーの分解能 R は、光源波長l、開口数 NA、プロセスパラメータ k1 によって次のように与えられる。
𝑅 = 𝑘!

"#$(1)

そのため、半導体チップ内のトランジスタの数が 2 年に約2 倍になるというムーアの法則を維持するように光源の波
長は徐々に短くなってきている。現在最も短い波長はEUV リソグラフィーの 13.5 nm で、これは EUV 光学系に使用されている Mo/Si 多層ミラーの反射率曲線の波長に合わせられている。EUV リソグラフィーでは、250 W のレーザー生成プラズマ（LPP）光源を用いてモバイルやPC に使われる先端半導体の量産製造が 2019 年頃に開始された。LPP 光源では、CO2 レーザーとスズ(Sn)液滴
によって生成されたスズプラズマが EUV 光を生成し、四方に散らばった EUV 光を集光ミラーで集めて EUV 光学系を含むスキャナーシステムに供給している[1]。スズプ
ラズマ残留物の集光ミラーへの汚染とそれによる反射率の劣化はこの光源の問題の１つで、年に何回も高価なミラーを交換する必要がある。
EUV リソグラフィーにおけるより一般的な問題として、ストカスティック効果（確率論的効果）がある。EUV リソグ
ラフィーでは、光子エネルギーがこれまでのエキシマレーザー(ArF)に比べて 14 倍高いため、同じエネルギー
線量ではウェハー上のレジストに吸収される光子数はエキシマレーザーよりも格段に少ない[2]。線量が不十分な____________________________________________# norio.nakamura@kek.jp

場合には半導体のウェハー上にストカスティック効果によるパターン欠陥が現れやすくなる[3]。高いスループットとストカスティック効果抑制に必要な線量を同時に実現す
るには、光源に高い EUV 出力（パワー）が必要とされる[4]。今後、高まる先端半導体需要や高分解能化（高 NA化、短波長化）に対応するためにも、将来より強力な光源が必要になる。
日本国内では、2022 年 8 月に将来の次世代半導体の量産製造拠点となる新しい会社、ラピダス（株）が設立され、11 月にはトヨタ自動車(株)やソニーグループ(株)など大手 8 社から出資を受けることになった[5]。ラピダスは2027 年までに 2 nm 技術ノードの先端半導体を委託販売することを目指している。一方、日本政府は、次世代半導体の研究開発拠点として、2022 年末に最先端半導
体 技 術 セ ン タ ー (LSTC: Leading-edge Semiconductor
Technology Center)という公的機関を新たに設立した[6]。
ラピダスが先端半導体の量産製造を行い、LSTC が関連する先端設計や先端装置・素材技術の開発研究を行うという次世代半導体プロジェクトの体制が構築されつつある。LSTC の参加機関には、ラピダスだけでなく、研究開発に必要な日本の主要な研究機関や大学が含まれていて、高エネルギー加速器研究機構(KEK)は 9 つのLSTC 参加機関の一つになっている。
我々は、2015 年頃からエネルギー回収リニアック（ERL）の産業利用としてリソグラフィー用高出力 EUVFEL 光源の設計及び研究開発を行ってきた[7-10]。上述
した国内外での半導体リソグラフィーの状況の下、KEKを中心にこのような将来リソグラフィー用光源の研究開発を行っていくことは次世代半導体プロジェクトとその将来の発展に向けて期待されるところである。以下では、
EUV-FEL 光源の概要を示し、本光源が LPP 光源と比較して優れている主な特長について述べる。また、cERL を- 225 -

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用 い た EUV-FEL 光 源 の 概 念 実 証 (PoC: Proof ofConcept)についても簡単に触れる。

2.

EUV-FEL 光源の概要

2.1 光源設計の概要
ERL を用いた EUV-FEL 光源のイメージ図と基本パラメータ値を Fig. 1 に示す。この光源では、バンチ繰返し
周波数 162.5 MHz で光陰極 DC 電子銃から発生するバンチ電荷 60 pC の電子ビームを、入射超伝導(SC)リニ
アックで約 11 MeV、主 SC リニアックで 800 MeV に加速する。電子バンチは第１アークの磁気的バンチ圧縮によって圧縮され、周回部のアンジュレータシステムでSASE-FEL による EUV 光を生成する。FEL 発振後、電子ビームは主リニアックに戻り、エネルギー回収されてビームダンプに廃棄される。このエネルギー回収により、10 mA の高い平均電流が達成され、10 kW を超える高い EUV 出力を供給することができる。

Figure 1: 3-D illustration and design parameters of the
EUV-FEL light source based on ERL.
光源の主要なコンポーネントは入射部、主リニアック、
2 つのアーク部、アンジュレータシステムである。入射部
は電子銃、ソレノイド電磁石、バンチャー空洞、超伝導加速空洞、マッチング部、合流部で構成される。電子銃は国内外での大電流・高品質ビームの生成・運転において実績のある光陰極 DC 電子銃[11, 12]を採用し、入射リニ
アックも cERL で実績のある超伝導空洞の技術とシステ
ム[13, 14]を活用した設計としている。主リニアックは、電流 10 mA において加速勾配 12.5 ~ 15 MV/m で安定運
転可能なように設計した 9 セル超伝導加速空洞 64 台で主に構成される[15]。第 1 アーク部は 3 セルの DBA ラティス、第 2 アーク部は 2 セルの TBA ラティスで構成され、それぞれバンチ圧縮とバンチ伸長を行う[16]。EUV
光を発生するための FEL のアンジュレータには、偏光制
御とコスト削減のために固定ギャップの APU(Adjustable
Phase Undulator)型可変偏光アンジュレータ（周期 lu =28 mm 、 アンジュレータパラメータ aw = 1.168、ギャップ
g=10 mm）を検討している。
2.2 光ビーム輸送
EUV-FEL 光源の EUV 出力は 10 kW 以上が期待できるので、経済性や効率から考えて複数台の露光装置に EUV 光を同時に供給することが前提になる。放射線遮蔽された光源から別の建屋にある各露光装置の第１EUV ミラーまで EUV 光を輸送・分配・サイズ調整するための光ビームラインが必要になる。EUV-FEL 光のパルス
幅は FWHM で約 100 fs で、そのパルスあたりのエネル
ギー密度は FEL 出口から 3 m 離れた地点でおよそ10 mJ/cm2 となる。一方、SACLA の軟 X 線ビームラインの FEL 光(パルス幅: 100~300 fs)と EUV レーザー(パルス幅: 7 ps)を用いた 2 つの実験から得られた Mo/Si 多層膜やシリコンのアブレーションの閾値はどちらも約20 mJ/cm2 であった[17]。これより、本光源のパルスエネ
ルギーはアブレーション閾値よりもやや低いことがわかる。
加えて、アブレーションによるミラー損傷をより安全に回避するために、Fig. 2(a)に示すように視射角 2 度程度と小さい湾曲した全反射ミラーで垂直方向の光サイズをおよそ 100 mm まで広げ、さらに Fig. 2(b)に示すように分割された湾曲型全反射ミラーによって水平方向に広げつつ光を露光装置の数だけ分岐させる。その結果、エネル
ギー密度は大幅に減少し、アブレーションの閾値よりも 4桁小さくなる[9]。この下流に、各露光装置の第１EUV ミ
ラーに最適なビームサイズを供給できるように、水平・垂直方向の集光ミラーをそれぞれ設置する。これらの集光
ミラーもやはり視射角の小さい全反射ミラーを使用する。
このような方法を用いることで、光のロスやミラーの損傷なく各露光装置まで光を輸送できる。

Figure 2: Handling of the EUV-FEL light in the opticalbeamline. (a) Vertical expansion of the EUV-FEL light by
a curved grazing mirror with a small glancing angle. (b)Horizontal expansion and separation of the EUV-FEL lightby a segmented multi curved mirror.

3.

EUV-FEL 光源の特長

EUV-FEL 光源は LPP 光源と比べて優位性のある多くの特長がある。ここでは、その主な特長について述べる。
3.1 高 EUV 出力
EUV-FEL 光源の EUV 出力の評価を S2E シミュレー
ションで行った[10]。3 つのシミュレーションコードが使われ、GPT と GENESIS はそれぞれ入射部と FEL システム、
Elegant は他のビームライン（周回部や主リニアックなど）に使用された。トラッキング粒子数は 500 k とした。GPTによる入射部のシミュレーションでは、入射部出口でバン
チ長に対して横方向エミッタンスの代わりに縦方向エミッ
タンスを最小化するようにした[18]。また、縦方向の空間
電荷効果を全てのシミュレーションにおいて考慮した。シミュレーションによる最適化の結果、FEL 入口でのバンチ
長と運動量広がりは 39 fs と 0.1 %で、水平および垂直方向の規格化エミッタンスはそれぞれ 2.0 と 0.9 mm mradになった。
Figure 3(a)と Fig. 3(b)は、アンジュレータセクション内
でのバンチあたりの FEL パルスエネルギーの成長と FEL
出口での FEL パワースペクトルである。ここでは、全アン- 226 -

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ジュレータで円偏光モードが仮定されている。最適化されたリニアテーパリング値（4 %）では、計算された FEL パ
ルスエネルギーは 109.4 µJ で、電流 9.75 mA に対して
17.8 kW（19.5 mA では 35.5 kW）で本光源が非常に高い
EUV 出力性能を有していることがわかる。また、FEL のス
ペクトル幅は、Fig. 3(b)に示すように Mo/Si ミラー反射率に対して十分に狭い。一方、Sn の LPP 光源ではスペクト
ル幅はミラーの反射率曲線の幅よりも倍近く広がり[1]、本光源は高出力性能のみならずスペクトル幅でも優れていることがわかる。FEL 発振後、運動量広がりは 0.1 %から 0.34 %まで増加するが、電子ビームは cERL と同程度の開口部を持つビームダクトでビーム損失なしにダンプラインまで輸送できることがわかった。今後、未考慮のビームダイナミクスのプロセスやさまざまな誤差も加えて、シミュレーションの精度を高めていく予定である。

増やすことになる。他の 2 つの方式は、光源の長さを増やさないようにダブルループにした配置案の例である。
Figure 4(b)はビームは主リニアックによって 2 回加速を行う案で、Fig. 4(c)は 1 回加速ではあるが、主リニアックを 2
つの部分に分けて配置している。Figure 4(d)は計算された BEUV-FEL スペクトルを示す[19]。このスペクトルの幅(FWHM:~0.04 nm)は、Fig. 4(e)[20]で測定された BEUV
ミラー反射率曲線の幅よりも少し狭いことがわかる。これは、ERL による BEUV-FEL が BEUV リソグラフィーでも非常に有望な光源であることを示している。LPP 光源ではスズの代わりにガドリニウム（Gd）を用いることで 6.7 nmの BEUV 光を生成できるが、スペクトル幅は BEUV-FELと比べて格段に広がっていて、0.04 nm の幅に全光子数の 2.4 %しか入らないという実験結果が報告されている[21]。
3.3 偏光の利用と制御式(1)に示すように、同じ波長でも NA が高いほど高分解能が得られる。光の偏光は、同じ波長でより高分解能が得られる高 NA リソグラフィーに有用である。開口角qが大きい高 NA 配置では、Fig. 5 に示すように、s 偏光
モードの光の方が p 偏光モードよりも光の干渉によってウェハー上での光の強度とコントラストに優れている。実際に、実験でも高 NA リソグラフィーにおけるこのような偏光効果が確認されている[22]。

Figure 3: (a) Simulated FEL pulse energies with 0 and 4 %tapering as a function of the undulator section length and(b) FEL spectrum at the FEL exit with the Mo/Si mirror
reflectivity curve (a broken line).
3.2 BEUV-FEL 光源へのアップグレード
Figure 4(a)から 4(c)は、EUV-FEL 光源からより微細加工可能な Beyond FEL(BEUV)-FEL 光源への 3 つの可能なアップグレード配置案の概略を示す。

Figure 4: Three possible upgrade schemes to a BEUV-FEL
based on (a) single-loop layout and (b)(c) double-loop
layout, (d) a simulated BEUV-FEL spectrum and (e)measured reflectivity curve of a BEUV mirror.
BEUV リソグラフィーでは光源の波長は約 6.7 nm であるために、ビームエネルギーを 800 MeV から約 1.14 GeVに上げることで BEUV 光の発生が実現可能となる。
Figure 4(a)は単純なシングルループ配置で、同じ加速勾配を維持する場合は主リニアックの長さをおよそ 1.4 倍にFigure 5: Schematic of two plane waves propagating on
different paths in high-NA configuration and the lightintensity produced by interference of the two waves on awafer for the (a) s-polarized and (b) p-polarized modes.
EUV-FEL 光源および BEUV-FEL 光源には、前述したように可変偏光アンジュレータを使用することを検討している。低 NA リソグラフィでは、EUV パワーを優先してすべてのアンジュレータを円偏光モードで動作させることが考えられる。一方、高 NA リソグラフィにおいては、上述した偏光効果を最大限生かすことが重要となる。最も簡単な方法は、リソグラフィーのパターンに対して s 偏光となる水平または垂直の直線偏光モードで全てのアン
ジュレータを運転することが考えられる。また、上流の何台かのアンジュレータを円偏光モードとし、残りのアン
ジュレータを直線偏光モードで運転することで、全ての台数を直線偏光モードで運転するよりもより高い出力を得られるような方式の可能性も検討している[23]。いずれにしても、EUV-FEL および BEUV-FEL 光源では NA に応じて柔軟な偏光制御を行うことができる。一方、LPP 光
源は無偏光であり、NA が大きくなるとウェハー上での強度とコントラストが減少することになる。

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3.4 消費電力
半導体製造においても最近になって、その技術やシステムの持続可能性が重要視されるようになった。これは、微細化に伴って CO2 排出量や電力消費が急増しているためで、半導体チップ開発においてコストや性能とともに環境への配慮やグリーン化が求められている[24,25]。EUV 露光装置の電力の大部分は LPP 光源で消費されるために、光源の消費電力低減が EUV 露光の電力削減には効果的と言える。Table 1 に EUV-FEL 光源に必要な電力量の内訳を示す。超伝導加速空洞用のヘリ
ウム冷凍機の電力がその中で最も大きく、空洞の加速勾配 12.5 MV/m、Q 値 1x1010 に対して見積られた値であるが、安定運転のために実際の電力の 1.5 倍の値になっている。RF 源については変換効率 30 %で計算した値である。その他の光源機器としては電磁石・真空・制御システ
ムなどがあり、インフラ設備としては冷却水や空調システ
ムなどがある。総電力は、10 kW の EUV 出力に対しておよそ 7 MW であるため、1 kW の EUV 出力または 1 kWの露光装置あたり 0.7 MW となる。一方で、LPP 光源は250 W の EUV 出力で約 1.1 MW の電力を消費し[26,27]、1 kW の EUV 出力に対しては約 4.4 MW を消費することになる。従って、EUV-FEL 光源に代わることで露光装置 1 台あたりの消費電力を大幅に削減できる。
Table 1: Electric Power Needed for the EUV-FEL
Item
Refrigerator System
RF Source
Other Components
Infrastructure
Total

Electric power [MW]
3.2
1.3
1.0
1.5
7.0

光源にかかる建設コストや運転コストも重要である。特に現在の LPP 光源では集光ミラーの交換・保守費用が大きいと考えられる。EUV-FEL 光源の使用によって露光装置 1 台あたりの建設コストと運転コストも削減できる可能性がある[10]。

4.

cERL を用いた EUV-FEL 概念実証

EUV-FEL 光源の概念実証を示すことも重要である。
Figure 6 に示すように、KEK の ERL 実証機である cERLに、アンジュレータを設置して SASE-FEL 光を生成する
ことは、EUV-FEL 光源の概念実証の１つになる。ただし、
cERL では EUV ではなく赤外光を発生することになるが、それでも実現すれば、本光源の概念実証のみならず、
世界初の ERL の SASE-FEL 光源となる。幸い、分子振動遷移に基づく光吸収を利用した高効率レーザ加工のための高出力中赤外レーザの開発を目的とする NEDO
プロジェクトの一環として、2019 年 10 月から 2020 年 5 月にかけて cERL に 2 台の 3-m アンジュレータを設置してIR-FEL を建設することができた。ビームエネルギーは約17.5 MeV で、APU 型の水平偏光アンジュレータは FEL
波長 10〜20 µm をカバーする。IR-FEL のコミッショニン
グは、2020 年 6~7 月と 2021 年 2~3 月に実施された[28,29]。コミッショニングの結果、強い空間電荷効果を電子ビームが受けながらも、FEL パルスエネルギーは NEDO
プロジェクトの目標値をおよそ達成することができた。運転はエネルギー回収なしのバーストモードで行われたが、このような ERL 配置での SASE-FEL 光の有意な発生は、
EUV-FEL 光源の概念実証における重要なステップとなった。

Figure 6: Schematic of PoC of the EUV-FEL light source
using the cERL and the cERL parameters.
今後はバーストモードから CW モードに変えてエネル
ギー回収を伴う高出力 FEL 運転を目指すことになる。その準備として、cERL ダンプラインを 2020 年秋に改造し、ビーム損失を抑制するためにエネルギーアクセプタンス
を大幅に改善した[30]。さらに、IR-FEL 建設後の最初のCW モードでの大電流運転（最大電流約 250 µA）を
2022 年 2 月から 3 月にかけて行い、低バンチ電荷ながら~100 %のエネルギー回収率を達成できた[31]。今後
は、CW モードでの運転を増やしていくことになる。
予算獲得が前提ではあるが、さらに今後取り組むべき
課題について挙げておく。１つは、EUV-FEL 光源の主リ
ニアック用超伝導加速空洞の製作と試験である。現在のcERL 主リニアック空洞 2 台を含むクライオモジュールに代えて、EUV-FEL 用主リニアック空洞 4 台を入れたクラ
イオモジュールを設置することで、エネルギーを 5565 MeV に上げることができる。結果として、EUV-FEL 主空洞の性能評価と cERL の空間電荷効果の軽減及びビーム品質の向上が期待できる。また、EUV-FEL 光源と同じ 10 mA ビーム運転を電子銃システムと放射線遮蔽などの改善によって実現することを計画している。その他、
EUV-FEL 光源用 APU 型偏光可変アンジュレータの試作も検討している。

5.

まとめ

リソグラフィーにおいてストカスティック効果などを克服
しつつ、より高スループット・高分解能を実現していくた
めにより強力な光源が将来必要とされる。我々が設計・研究してきた ERL を用いた EUV-FEL 光源は LPP 光源と比べて、高 EUV 出力、ミラー非汚染、BEUV へのアッ
プグレード、狭スペクトル幅、偏光制御、露光装置１台あたりの低い消費電力など、優れた特長を有する。cERLを用いた EUV-FEL 光源の概念実証も進められている。
本光源は将来有望なリソグラフィー用光源であり、国内で次世代半導体プロジェクトが進む中、産業化に向けた研究開発を一段と推進していきたいと考えている。

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cavity for EUV light source accelerator”, Proc. ICFA Mini
Workshop on High Order Modes in Superconducting
Cavities, Rostock-Warnemünde, Germany, Aug. 2016.

謝辞
EUV-FEL 光源産業化研究会には、EUV-FEL 光源の産業化に向けた議論と研究会等の開催をしていただくとともに、EUV リソグラフィーに関する多くの情報も提供して頂きました。ここに、深く感謝致します。また、cERL 及
び IR-FEL の建設や保守・運転に尽力してきました cERL
共同チーム及び NEDO プロジェクトチームの全メンバーに心から感謝致します。

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