J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.6 (2020)２８３‐２８９解説

次世代半導体リソグラフィの実用化に至る
EUV 光源のプラズマ研究開発のあゆみ
The Progress on the Plasma Research for EUV Light Source
for Next Generation Semiconductor Lithography
佐々木 明
SASAKI Akira
量子科学技術研究開発機構 関西光科学研究所（原稿受付：２０
２
０年４月１日）半導体製造技術の極端紫外（EUV）リソグラフィ用光源の研究開発は，これまで２０年をこえて続けられてきた．プラズマ物理の基礎研究によって，レーザー生成プラズマ光源の EUV リソグラフィ用光源としての技術的な可能性が明らかとなり，次いで，プラズマを制御する新しい技術の開発によって出力エネルギーと信頼性が高まり，昨年ついに量産技術となった．２０
００年ごろから始められた EUV リソグラフィ用光源の研究プロジェクトは，
高温プラズマと半導体技術の研究を結びつけるきっかけとなったが，その後のコンピュータ技術の発展の効果はさらに大きく，世界中の産業，社会の仕組みに変革がもたらされている．この解説では，そのような半導体技術の歩みを振り返った後で，EUV リソグラフィ研究が，光源開発だけに留まらず，総合技術として材料技術（フォ
トレジスト），光学技術（ミラー等）などにも広くつながっており，プラズマ研究に新しい研究課題を提供していることを紹介する．
Keywords:
laser plasma, lithography, EUV, spectroscopy, simulation

１．はじめに

モリ製造のための ALE，ALD（Atomic Level Etching およ半導体デバイスは，私たちが日常使う電子機器に広く使び Deposition）を始め，半導体製造技術は，最前線のプラ

われ，それを作る技術「半導体製造技術」は，一つの重要ズマ研究の課題と深い関わりを持っている．すなわち，社

な産業分野である．

会のニーズ，技術のシーズをより良く理解すれば，プラズ

一辺の長さが数 mm から数 cm くらいの大きさのシリコ

マ研究をより深めるとともに，世界の産業に広く貢献でき

ン基板の上に，精細な電子回路を構成した LSI（大規模集ると考えられる．

積回路）は，まず，写真技術を応用したリソグラフィ技術

２．EUV リソグラフィの実用化に至る半導体製造技術の進展によって回路パターンを基板上に縮小露光，転写し，次にプラズマエッチング，デポジションの技術によって個々の電子素子とそれを組み合わせた電子回路を作るという工程

日本での半導体製造技術の始まりは，１９５５年のソニーのを経て製造されている．より波長の短い光を使うリソグラ

トランジスタラジオの発売だったのではないかと思われる

フィ技術の開発を通じて，より多くの素子を集積してより高い性能を持つ半導体デバイスが製造され，新しい機能を持つ電子機器が実用化され，普及すると言う流れが続いている．
１９９
０年代の後半から，それまで使われていた紫外光に代えて，波長が 10 nm 前後の EUV（Extreme Ultra-Violet）光を用いて，半導体デバイスをさらに微細化することが考えられるようになった．高温のプラズマ，特にレーザー励起
プラズマを光源とする EUV リソグラフィ技術が注目されるようになった．
図１ １
９５
５年に発売されたソニーのトランジスタラジオ TR-52（https://ja.wikipedia.org/wiki/トランジスタラジオ）．

以下の解説では，主に EUV リソグラフィ光源のためのプラズマ研究を取り上げるが，後半にあげたフラッシュメ

Kansai Photon Science Institute, National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology, Kizugawa, KYOTO 619-0215, Japanauthor’s e-mail: sasaki.akira@qst.go.jp

２８３!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.6 June 2020

（図１）．１９４０年代後半に，米国ベル研究所において，電気

namic Random Access Memory）と呼ばれる記憶デバイス

信号を増幅したりスイッチングしたりできる固体電子デバを組み合わせ，PC（Personal Computer）が発売され，オイスとしてトランジスタが発明された．それまでのラジオ

フィスや家庭で使われるようになった．

は，真空管を使い，コンパクトなモデルでも重量数 kg で，

PC の普及の初期には，日本のメーカーもインテル製の数 10 W 以上の電力を消費したが，トランジスタを使えば，プロセッサと互換性があるプロセッサを製造し，それを用乾電池で動作し，ポケットに入れて持ち運べる大きさ，重いたPCを販売していたが，
１９８０年代の後半以降，インテル

さになると考えられた．トランジスタラジオは４，５個のは知的所有権について厳しい姿勢を取るようになって互換

トランジスタを用いた機器であったが，初期のトランジス

プロセッサは排除され，インテルと米国の企業が，マイクタの性能，信頼性は「実験室レベル」であり，それを一般

ロプロセッサとコンピュータの技術をコントロールするよの人が日常生活で使えるようにする改良が行われて，普及うになって現在まで続いている．

するようになった．

DRAMについても，
１９８０年代には日本のメーカーのマー

１９６０‐
７０年代の日本では，半導体デバイスを活用した，カケットシェアが世界一だったが，１９９０年代以降，シリコン

ラーテレビ，ビデオカセットレコーダー，携帯用音楽プレサイクルと呼ばれる，新製品の発表によって利益が得られイヤーなどの機器が開発され発売された．これらの製品のる時期と，供給過剰で価格が低下する時期が繰り返しされ多くは輸出され，ソニーのブランドの高い品質が世界的にる に つ れ 次 第 に 下 が り，現 在 は 韓 国 の メ ー カ ー

知られるようになった．

（Samsung，SK hynix）が 2/3 のマーケットシェアを持って

１９６０年代の米国では，テキサスインスツルメンツ社のいる．

ジャック・キルビーや，フェアチャイルド社のロバート・

一方で，日本のメーカー（ニコン，キヤノン）はその優ノイスらによって，多数のトランジスタで作られる電子回れた光学技術によって，収差のない高精細なイメージング

路を一つのチップ上に搭載した集積回路（IC: integratedができる露光機を開発し，世界的に大きな存在感を持つよcircuit）が発明された．ノイスは，フェアチャイルド社にうになった．

おいて，トランジスタの発明者の一人であるウイリアム・

リソグラフィ技術は，最初，水銀ランプの g 線（波長ショックレーが所長を務めた半導体研究所のメンバーと436 nm），そ し て i 線（365 nm），つ い で KrF（249 nm），

なった．研究所の人々は，当時から集積回路技術を用いたArF（193 nm）エキシマレーザーを光源として，徐々に短コンピュータの構造，機能と性能，そしてそれがどのよう波長化，微細化が進められてきた．そして，1986 年によりな用途に使われるかについて考えていたのでのではないか

波長の短い極端紫外（EUV: Extreme Ultra-Violet）光を用と思われる．コンピュータは第二次世界大戦の時に作られいる EUV リソグラフィ技術が木下らによって提案された

た ENIAC から始まってから徐々に普及するようになって．しかしながら，EUVリソグラフィを実現するには，さ［１］

いたが，当時は，企業や大学に一台くらいの割合で設置さまざまな難しさがあると考えられ，具体的な研究開発が始れる程度であった．彼らは，どうしたらオフィスや家庭にまるまでに長い時間をかけて検討が行われた．

普及させられるかを考えた．そしてノイスは，研究所の同１９９０年代になると，EUVリソグラフィの重要性は広く知僚のゴードン・ムーアとともに１９６８年にインテル社を設立られるようになり，米国で，インテル，AMD，モトロー

し，１９７
１年に，２，
３００個のトランジスタからなる LSI を用

ラ，IBM などのデバイスメーカーが出資して，EUV/LLC

い，コンピュータの計算，制御の機能を一つのチップ上に（Limited Liability Company）が設立された．そして，EUV

まとめたマイクロプロセッサ４００４を発表した．

リソグラフィ実現のためには，国立研究所の持つ最先端の技術を利用し，またそれまで考えられていなかったような

それ以来，LSI の中の電子回路をより微細化し，より多くのトランジスタを搭載することによって，コンピュータ

画 期 的 な 技 術 を 見 出 す 必 要 が あ る と 考 え ら れ，LLNLの性能は向上 し 続 け て い る．そ の 進 歩 の ペ ー ス につい（Lawrence Livermore National Laboratory），SNL（Sandiaて，１８ヶ月毎に LSI の集積度が２倍上がるという，ムーア

National Laboratory），LBNL（Lawrence Berkeley Na-の法則として知られる関係が，現在まで続いている．最近

tional Laboratory）の三研究所を仮想的に統合した VNLのマイクロプロセッサには１００億個のトランジスタが搭載（Virtual National Laboratory）を組織し，EUV/LLC からのされていると言われている．

委託で基礎研究が行われた．

ムーアの法則が受け入れられ，広まったことは，同時に，VNL では，テス ト 用 露 光 機，ETS（Engineering Test

ある性能の半導体デバイスが社会に受け入れられるかは，Stand）が作られたが，そ の 活 動 の よ り 大 き な 成 果 は，それを所定のコストで製造することができるかで決まる，

EUV リソグラフィを実現するためにどのような要素技術と言う生産性の考え方が確立したことを意味する．それはが必要で，それをどのように開発するのが良いかという方

本来どのような産業，社会的な活動にも当てはまることだ

針が決まったことではないかと思われる［２］．図２に示す，が，決められた期間にどのような新しい技術を実現すればEUV リソグラフィの露光機の概念図のように，現在ま良いかと言うロードマップが描かれ，個々の研究者，技術で，光源，光学系（多層膜やミラーの技術，照明の技術），者から企業，研究機関に対しても，具体的に目標が与えら

材料（光学材料やフォトレジスト），検査，露光機のシステれるようになったように思われる．

ム，EUV リソグラフィと相補的になる技術（ナノインプリ
ント，自己組織化リソグラフィ）などの要素技術ごとに，

１９８０年 代 に は，マイ ク ロ プ ロ セ ッ サ と，DRAM（Dy２８４

Commentary

The Progress on the Plasma Research for EUV Light Source for Next Generation Semiconductor Lithography

A. Sasaki

が，期待通りのイメージングの性能が得られることがわかり，実用化をめざした研究開発が進められた．
このように２０００年代は，EUVリソグラフィの実用化が遅れた一方で，液浸リソグラフィ，ダブルパターニング，光学近接効果補正（OPC: Optical Proximity Correction）などの技術が開発されて，ムーアの法則に従う半導体デバイスの微細化と性能の向上が続いた．
リソグラフィの解像度 #は，用いる光の波長 "，光学系の開口数 NA と定数 $! を用い，
#!$!"
!
"!
で表される．液浸リソグラフィは，レンズと材料の間を屈図２EUVA（極 端 紫 外 線 露 光 シ ス テ ム 技 術 開 発 機 構（２
０
０
２
‐
２
０
１
０）
）による EUV リソグラフィの露光機の概念図．

折率の大きい液体で満たし，開口数を大きくする技術である．この方法を用いことにより，真空中の光の波長よりも精細なイメージングが行われるようになった．

研究開発が進められている．VNL には，４００人近いメン

図３に文献［４］によるダブルパターニング技術で高精細バーが加わり，６
００編の学術論文，１５０件の特許を発表し，なイメージングを行う方法を示す．マスクのピッチの 1/2

法律や経営の専門家も参加して，４００個あまりの技術項目のパターンができることを示すが，簡単な形状のパターンについてリスクの解決が行われたとされる．EUVリソグラにのみ適用できること，マスクのパターンが複雑になり，フィのための幅広い技術については書籍も参照されたい

工程数が増えること，正確な位置合わせが必要になること

［４，
５］．

などの制約がある．

VNL の活動を通じ，光源が最も大きな課題であることがまた，解像度の限界に近い露光を行うと，光学系の性能明らかになった．EUV の波長域では，ほとんど全ての物質に依存してイメージの歪みが生じ，しばしば欠陥を生じは光を強く吸収するので，反射光学系を用いる必要がある

る．光源の開口の形状を変えてコヒーレンスを変え，あるが，高い反射率を持つ反射ミラーは，限られた波長でしかいはイメージの歪みを想定したマスクパターンを用いるな

得 ら れ な い．最 も 良 い 特 性 を 持 つ 材 料 の 一 つ で あ る，

どの補正技術を OPC（Optical Proximity Correction）と呼Mo/Si 誘電体多層膜ミラーの波長（13.5 nm）の光を発生すぶ．マスクパターンから光学シミュレーションで露光パる光源が必要と考えられた．

ターンを予測し，それをもとにマスクパターンを最適化す

EUV波長域での光源としては，以前から加速器光源が知る技術が活用されている．

られていたが，大規模で高価な装置であり，用途は基礎研

半導体デバイスという点では，ロジック，DRAM に加え究に限られていた［３］．それに対して，レーザー生成プラてフラッシュメモリが半導体デバイスの中で重要な位置をズマ，特にレーザー励起 Sn プラズマを用いると，コンパク

占めるにようになった．特に，２００７年ごろから半導体基板トな装置で，Mo/Si 誘電体多層膜ミラーの波長 13.5 nm に中にメモリセルを積層する技術が用いられるようになり，おける発光が得られることが注目され，EUV光源として実大容量化，低価格化が進んでいる．フラッシュメモリの製用化するためのプロジェクトが行われることになった［５］．
１９９０年代後半には，日本でも次世代リソグラフィ技術についての関心が高まり，EUV光源の実現が重要という考えのもとに，２０００年代の初めから，経産省の EUVA プロジェ
クト，文科省のリーディングプロジェクト（LP）で，研究開発が進められた．
しかし研究開発を進めるに従って，レーザー励起プラズ
マ（LPP: Laser Pumped Plasma）光源を開発することのむ
ずかしさが明らかになり，特に２０１０年代の中盤まで，十分な発光出力が得られなかったことで，EUVリソグラフィの実用化は，予定より１０年あまりも遅れることになった．この間，EUVリソグラフィの露光機が一台あたり５０億円程度と非常に高価 に なる こ と が 明 ら か に な り，オ ラ ンダの

図３

ASML が世界でただ一つのメーカーになるという大きな転換が起こった．ASML は，EU 圏の技術を集めてテスト用の露光機を製造し，韓国，台湾を初めとする各国のデバ
イスメーカー，ファウンドリ（Samsung，TMC）に納入した．光源の出力の不足のために初期の生産性は低かった
２８５

ダブルパターニング技術の模式図（a）
第１露光，現像でできたパターンのスリミング，幅を削る処理を行い，そのパターンと半周期ずらして第２露光，スリンミングを行い，パターンピッチの 1/2 のパターンを生成する．（b）
第１露
光，現像でできたパターンの両側にスペーサを堆積し，エッチングとレジストの除去によってパターンピッチの
1/2 のパターンを生成する［４］．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.6 June 2020

造では，デバイスを限界まで微細化するよりむしろ，アスを用いた露光機よりも高価になるため，より大きな光出力

ペクト比の大きい，直径に対して深さが数１０倍以上あるによってより多くのウェハを露光できることが必要であ

ホ ー ル の 加 工，ALE（Atomic Level Etching），ALD

る．
レーザー生成プラズマは，ターゲット物質に固有のスペ（Atomic Level Deposition）などによる，３次元的なエッチクトルを持つ X 線や EUV 光を放出することが知られ，Sn

ング，デポジションが重要な役割を持っている．
このようにして作られたフラッシュメモリは，それまでを 用 い る と，Mo/Si 誘 電 体 多 層 膜 反 射 ミ ラ ー の 波 長のコンピュータで使われていた磁気ディスクを次第に置き（13.5 nm）で最も効率的に発光が得られることが知られて換えるようになった．またフラッシュメモリの普及につれいた［８］．しかし，固体ターゲットをレーザーで照射するて，２００１年に発売された iPod がそれまでの CD/MD などのとデブリ粒子が発生し，ミラーを汚染し，装置の性能が損

光学メディアや磁気メディアを用いた携帯用音楽プレイなわれる．そこで，Sn ターゲットを用いてかつデブリ粒子

ヤーを置き換え，２００７年に発売された iPhone をはじめとすの発生とその影響を抑えること，デブリ粒子の発生しない

るスマートホンがそれまでの携帯電話を置き換え，仕事やターゲット物質を探すことの二つの方向で研究が進められ家庭生活に新しい変化をもたらし続けている．高い品質のた．

画像，音声を扱う機能と通信機能を統合的に備えるスマー

後者の方法では，Xe を使うことが考えられたが，発光ス

トホンは，コンパクトデジタルカメラ，ビデオカセットレ

ペクトルのピークの波長は１１nm であり，Mo/Si の代わり

コーダー，テレビを置き換えるようになっている．ここでに Mo/Be 誘電体多層膜反射を用いることも考えられたが，は，インターネットの速度が上がり，クラウドが普及した

Be の持つ毒性が懸念され採用されなかった．
Sn ターゲットを用いた光源の問題は，以下で述べる質量

こと，すなわち，音楽，写真や映像作品などのデータは，個々の PC やスマートホンではなくクラウドに保存される

制限ターゲット（Mass Limited Target）を使うことによようになり，コンテンツも所有するというよりは，配信さり，発光出力，効率，デブリなどのさまざまな点で解決されたものを視聴するようになったことも重要な変化であっれることになった．
電子温度 20−50 eV の Sn プラズマは，波長 13.5 nm にたと思われる．
電子デバイスをさらに広い意味に捉えると，２０００年ごろ

ピークを持つ，UTA（Unresolved Transition Array）と呼から液晶ディスプレイがそれまで用いられていたブラウン

ばれる擬似連続スペクトルを放出する．UTA は，非常に多管を置き換えて普及した．大画面の薄型テレビと，精細なくの微細構造スペクトル線が重なって発生すると考えら

ディスプレイを用いた，スマートホンやタブレット端末がれ，束縛電子を多く含む，多電子多価電離イオンのスペク

普及するようになった．現在は，液晶を使ったディスプレ

トルに現れる特徴の一つである．プラズマ中で Sn 原子はイとともに，LED を使ったディスプレイの製造で，韓国の１０価くらいまで電離されていると考えられているが，これメー カ ー（Samsung，LG）が 大 き な シ ェ ア を 持 っ て いらのイオンの主要な発光線である 4d-4f，4p-4d 遷移の波長

る．青色半導体の発明はLEDの照明用としての応用も可能

は価数が変わってもわずかしか変化しないので，波長にし，白熱電球や蛍光灯を置き換えるようになっている．

13.5 nm において強い発光が得られる．

また，現在は太陽光パネルも重要な半導体デバイスであ

固体ターゲットをレーザー光で照射すると，表面が加熱る．以前は非常に高価であったが，２０１０年代中盤以降，中されてプラズマとなって噴出する．プラズマの高温になっ国で低価格で大量に生産されるようになり，再生可能エネた部分から EUV 光が発生するが，レーザーのエネルギー

ルギーの普及が進んでいる．

の一部は，熱伝導で周囲のターゲット物質を加熱し，溶融，蒸発などのアブレーション現象を起こし，一部の物質はデこれらを含めた新しい半導体製造技術は，個人の生活か

ブリ粒子として飛散する．

ら社会のあり方に大きな変化をもたらし続けている．まデブリ粒子として飛散する部分のターゲット物質は，発た，世界の各国がそれぞれの特徴を生かす形で，多様な用光という点では必要ないから，その部分を取り去ったド途に使われる多様なデバイスが製造されている．

ロップレットターゲット，直径数十 μm の Sn 液滴をター

３．EUV 光源としてのプラズマ研究の発展ゲットとして使うと良いと言うのが，質量制限ターゲット

本学会誌では，すでにたびたび EUV 光源の研究についの考え方である．理想的な条件で，ターゲット物質を全てての小特集や解説などの記事が掲載されている
［６，
７］．し

プラズマ化することができれば，電磁場でガイドすることたがって，ここでは，EUV 光源の研究に一定の寄与を果たができ，デブリ粒子によるミラーの汚染を防ぐことができしたと考えている，プラズマ原子分子過程，分光研究の見ると考えられる［８］．

地で，研究の発展について紹介することを試みる．

一方，Sn プラズマの発光特性の基礎研究は，高い効率を

EUV リソグラフィが十分な生産性を持つ技術となるた得るためには，レーザー生成プラズマとしては比較的低密めの光源は，波長 13.5 nm の２％帯域幅内に，250 W 以上の度（イオン密度 !!!1019 /cm3）かつ，密度とプラズマの広出力を発生することが必要とされた［８］．帯域幅は，露光がりの積である光学的厚みが１程度であることが好ましい

機本体を Mo/Si 誘電体多層膜反射ミラー６枚で構成する場

ことを示した．そして，理想的な条件のプラズマを生成す

合に，ミラーの帯域から決まる値である．EUV リソグラ

ることができれば，照射レーザーのエネルギーに対する出

フィの露光機はそれまでの液浸，ダブルパターニング技術

力 EUV 光のエネルギーの割合で定義する変換効率（CE:２８６Commentary

The Progress on the Plasma Research for EUV Light Source for Next Generation Semiconductor Lithography

A. Sasaki

めに重要である［１０］．

Conversion Efficiency）は８％まで向上する可能性がある
ことを示した［９］．しかし，プラズマの密度が高くになる

このダブルパルス励起法が考え出され，使われるようににつれ，Sn 多価イオンに多く存在する多重，内殻励起状態

なると，それまで１０W 程度で停滞していた EUV 光源の出のポピュレーションが増加し，スペクトル幅が所定の帯域力が増加し，量産化に必要とされた 250 W を達成し，さら（２％）を超えて広くなるため，利用できる光の割合が減少に短時間では 500 W（Cymer），360 W（ギガフォトン）のする．また，光学的厚みが大きくなると，プラズマ中で発出力が得られるようになり，これを用いて２０２３年頃までに生した EUV 光が再吸収されてしまう．

高 NA の露光機を実現することを目指して研究開発が進められている．

これらの課題は，EUVA，LP のような光源開発のプロジェクトが終了してから１０年くらいの期間をかけて，ギガ

図４は，ギガフォトンで開発されている光源の模式図でフォトンおよびCymerにおいて理論的，実験的に詳しく解ある．ドロップレットジェネレータから射出されたSn液滴析された．高出力の EUV 光を高い効率で得るために，発光を，同軸上にアライメントしたプリ，メインパルスレー

するプラズマの温度，密度を最適化すると同時に，プラズ

ザーで照射しプラズマ化し，発生した EUV 光をコレクタ

マのプロファイルを最適化し，励起レーザー光のエネル

ミラーで中間フォーカス点（Intermediate Focus）へ転送

ギーの吸収率を高めることと，発生した EUV 光がプラズする．発生したデブリのうち，荷電粒子を超電導磁場でトマによって再吸収されることによる損失を減らすことをめラップして取り除くことを示す．
量産化のために重要な工学的な要件である，稼働率も向ざした研究開発が行われた．
レーザーで固体状態のターゲットを照射してプラズマを上している．偶発的な故障が減ったこと，ドロップレット

生成したとき，プラズマの特徴的な密度は，レーザーに対ジェネレータなどの保守時間が短くなったこと，そして集する臨界密度で決まるとされる．イオン密度 !!!10 /cm

光ミラーの寿命が伸びたことで，Cymer の光源では８５％以のプラズマを生成するためには，波長 10 μm の CO2 レー

上の稼働率が得られている．

19

3

ザーの方が，波長1 μmのYAGレーザーよりも優れている．

集光ミラーは，光源プラズマから発生するデブリ粒子にしかし，生成されたプラズマは急激な密度勾配を持ち，晒されたり，その中の高速のイオンによってエッチングさ

レーザー光の多くが臨界密度面で反射され，一部のエネル

れたり，低速の微粒子が表面に堆積することで劣化する．

ギーだけしか吸収されない．照射レーザー光のエネルギー

プラズマからのデブリ粒子の発生を減らすとともに微量のの吸収率が低く，高い変換効率は得られない．

ガスを流すことで，デブリ粒子がミラー表面に到達するのギガフォトンで，ドロップレットターゲットをダブルパを防いだり，ガスの化学反応を利用してミラー表面のク

ルス照射する画期的な方法が見出された．パルス幅がピコ

リーニングをすることが試みられている．例えば，H２ガス

秒の YAG プリパルスレーザーでターゲットを照射すると，を導入し，それをプラズマ化して H ラジカルを生成する

ターゲット内部に衝撃波が発生し，ターゲットは破砕されと，それがミラー表面に堆積した Sn と反応して SnH４を生る．そうしてできる微粒子の雲のような状態が，初期の成し，それを取り除くことでクリーニングすることができ

ターゲット半径 10 μm のおよそ１０倍の 100 μm まで膨張しる．このような技術を活用することで，現在では１
０９パルス

た時点で，CO2 メインパルスレーザーを照射して，最大で当たりの反射率の低下を 0.1％ 以下に抑えられるように６％の変換効率で EUV 光を発生させることに成功した．

なっている．

二つのレーザーのエネルギーやパルスの間隔を制御する

４．EUV リソグラフィにおけるプラズマの新しい研究課題

ことで，発光に最も適した条件のプラズマを生成することができると考えられる．さらに，プリパルスレーザーでターゲットを膨張させることは，メインパルスレーザーのEUVリソグラフィ技術がさらに発展するためには，リソ

集光スポットサイズとのマッチングを改善し，照射レーグ ラ フ ィ と エ ッ チ ン グ を 同 時 に 最 適 化 す る こ と，ザー光のエネルギーを有効に使い，高い変換効率を得るた

co-optimization が重要であると言われている［１１］．ここでは，フォトレジスト技術に注目して，リソグラフィとエッチングの境界にあたる領域でのプラズマ研究について検討する．
フォトレジストの感度，すなわち単位面積のレジストのパターン露光に必要な EUV 光のエネルギーの値は，要求される出力を左右することから，研究の初期から EUV リ
ソグラフィ技術の中でも最も重要な研究課題の一つと考えられていたが，感度の高いレジストは加工の精細さが劣る
こと，解像度（Resolution）とラフネス（Line Width Roughness，露光でできる像の粗さ）と感度（Sensitivity）が両立しない，RLS トレードオフの関係があることが認識されるようになった．

図４

EUV 光源の模式図［１０］．

EUV リソグラフィでは，当初，化学増倍型レジストが使
２８７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.6 June 2020

われると考えられていた．代表的な化学増倍型レジスト

う高エネルギー密度プラズマ状態が作られる可能性があは，酸に対して反応性の高いポリマーと酸発生剤を組み合り，それを活用する新しい加工技術の可能性もあるのではわせたもので，KrF レーザーリソグラフィ技術のために開ないかと思われる．

発された．露光が行われて発生した酸が触媒となって周囲

将来のリソグラフィ技術のさらなる微細化のために，波のポリマーの架橋を起こす光化学反応を活用する材料がポ

長 6 nm 帯でのレーザー励起プラズマ光源の可能性が検討

ジ型レジストとして用いられる．一個の酸が拡散しながらされている．La/B４C，La２O３／B４C などのいくつかの種類

複数の架橋反応を引き起こすことで，EUV光に対しても高の材料を用い，波長 6 nm 帯において５０％程度の反射率をい感度を持つ材料が開発されている．

持つ誘電体多層膜ミラーが作られている［１６］．

EUVリソグラフィの一つの特徴は，露光するときの一個

Sn，Xe から，希土類原子を用いるレーザー励起プラズマの光子のエネルギーが大きく，光子数が ArF レーザーリソ

光源では，ターゲット物質をプラズ マ の 温 度，密 度 のグラフィの場合の 1/14 であり，照射の統計的なばらつき，

チューニングを行うことにより，ミラーの反射波長に合わ

光子ショットノイズが像の粗さを引き起こすことである．

せたスペクトルの発光が得られると考えられている．Gd

化学増倍型レジストで，酸の拡散が少なければ像の粗さがや Tb を用いて波長 6 nm 帯の光源の可能性が考えられてい大きくなり，酸の拡散が大きければ，像がぼやけて解像度

る．
プラズマ科学の研究の視点では，Sn を用いた EUV 光源が低下する．
このような問題を解決するために，物質と EUV 光の相の 研 究 を 通 じ て，シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 研 究 が 進 展 し，互作用のメカニズムを明らかにする研究が行われ，より良

Hullac［１７］や FAC［１８］などの計算コードによって発光線

いレジスト材料の開発が試みられている．

の波長，遷移確率が求められるようになり，Sn プラズマについては，実験との詳しい比較を経て，最適なプラズマ条

その一つのアプローチとして，EUV光に対する吸収率が件が明らかになった．

より高いレジストの開発が試みられている．より精細な像

希土類原子やより重い原子を用いたレーザー励起プラズの露光するためには，膜厚がより薄いレジストを用いる必要がある．それまで使われていた，有機化合物が主な成分

マ で も，4d-4f 遷 移 に 起 因 す る UTA が 強 く 発 光 す るであるレジストに，金属を添加することで吸収率を高める［１７，
１８］．その波長は，原子番号が大きくなるに従ってよりことが考えられている．例えば Sn 原子は，EUV 光源では短い波長へとシフトする．しかしながら，原子番号が大き発光に寄与している 4d-4f 遷移の内殻励起が起こるためにくなるに従って，シミュレーションで得られるスペクトル

大きな吸収率を持っている．このような金属原子のコアと，実験で得られたスペクトルとの差異が増す傾向がある．

と，それを取り囲む反応性を持つリガンドからなる，金属EUV 光源のシミュレーションは，原子過程，輻射流体を

ナノ粒子を用いたレジストが提案されている．粒子がEUV統合したモデルで行われる．しかし，原子番号の大きい原

光を吸収すると，リガンドが活性化されて，隣接する粒子子の多価電離イオンの原子構造，放出スペクトルの構造はと凝縮してクラスターが生成し，クラスターが像全体に広複雑なので，さまざまな近似が用いられている．例えば，がる，すなわちパーコレーションが起こることで，潜像がプラズマが平衡状態にあると考え，原子過程の計算と，輻できると考えられている［１２，１３］．

射流体力学のモデルを分離し，原子過程の計算によって求EUV光の光子のエネルギーは，レジストの成分の原子分

めた，プラズマの状態方程式，温度，密度に対する輻射の子の電離エネルギーよりも大きいため，光は内殻電離，内吸収，放出係数のテーブルを用いて，輻射流体力学の計算

殻励起とそれに続くオージェ過程によって吸収され，二次を行う．輻射輸送を計算する際は，輻射のスペクトルと角電子放出を起こす．エネルギーが数十 eV の二次電子の飛度分布を考慮することが必要だが，計算量が多くなりすぎ

程は数 nm 以下とごく短く，近傍のレジスト分子の反応をるので，拡散近似がしばしば用いられる．この近似は，プ引き起こすと考えられている．これらは，化学反応と言うラズマが局所熱平衡に近い場合には成り立つが，急激な密よりも，放射線科学でよく考えられてきた過程であり，ま度勾配があるレーザー励起プラズマには必ずしも当てはまたプラズマ科学の考え方は，レジスト中の原子分子の電離らないと考えられる．プラズマ科学の立場では，レーザーや励起の過程の解析に役立つと考えられる．

励起プラズマの特性を正しく表すモデルを構築することが課題であり，もしそれができれば，核融合プラズマの解析

EUV光源については，以下の現在と将来の光源についてにも役立つことが期待される［１９］．

いくつかのテーマでの研究開発に興味が持たれている．
将来の露光機では 1 kW を超える EUV 光が必要であり，

今後のリソグラフィ研究との関連を考えるときには，半より高出力が得られるエネルギー回収型ライナック（ERL:

導体技術の将来について考えることが必要であろう．これEnergy Recovery Linac）を用いた光源を，レーザー励起プ

までの４０年間のコンピュータは，ノイマン型のアーキテク

ラズマ光源に代わって使う可能性が考えられている［１４］．

チャーのままで，性能の向上が図られてきた．それに対しライナック光源から発生する EUV 光は，短パルス高強て，提案されている新しいアーキテクチャーに，例えば度であることを考え，これを照射されたレジスト材料中のlogic-in-memory がある．それは，これまでのコンピュータ

露光過程について研究も始められている［１５］．精細なパでは，DRAM メモリにあるデータを CPU に転送して計算

ターンを露光しようとすると，レジストの微小な体積に瞬をし，メモリに戻す処理を行っていたが，メモリと計算を間的に大きなエネルギーが注入されて，プラズマ科学で言行うロジックを統合すれば，データの転送が不必要になり
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Commentary

The Progress on the Plasma Research for EUV Light Source for Next Generation Semiconductor Lithography

A. Sasaki

性能があがるのではないかという考え方である．また，近年，ニューラルネットワークを用いた人工知能の性能が向上し，具体的な応用のために活用され始めている．ニュー
ラルネットワークをハードウエアで実装すれば，高い性能が得られると考えられる．さらに量子コンピュータをこれまでのコンピュータの中に取り込むことも考えられている．このような半導体製造技術に関わる研究開発に加わるためには，社会のニーズ，技術の現状と将来性について検図５

討することが重要と考えられる．

レジストを用いないリソグラフィ技術の概念図［２２］．

このような EUV リソグラフィ技術について，毎年２月下旬，米国カリフォルニア州サンノゼで SPIE Advanced

参考文献

Lithography という会議が開かれている［２０］．３，０００人く［１］木下博雄 他：第４７回応用物理学関係連合講演会予稿集
No. 2, 28p-ZF-15, p.322 (1986).
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SPIE press 2015.
［１２］W. Hinsberg, et al., Proc. SPIE 10146, 1014604 (2017).
［１３］A. Sasaki, et al.: Jpn. J. Appl. Phys. 50, 055002 (2019).
［１４］E.R. Hosler, Proceedings of X-ray lasers 2016, Springer
proceedings in physics 202, 351 (2017).
［１５］M. Ishino et al., Appl. Opt. 59, 3692 (2020).
［１６］Y. Platonov, et al., Proc. SPIE 8076, 80760M (2011).
［１７］A. Bar-Shalom, et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf.
71, 169 (2001).
［１８］M.F. Gu, Astrophys. J. 590, 1131 (2003).
［１９］W. Svendsen et al., Phys. Rev. A50, 3710 (1994).
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conference-proceedings-of-spie/11323/113231M/
Resistless-EUV-lithography--patterning-with-EUVinduced-surface-reactions/10.1117/12.2552059.short.

らいの参加者があり，成果発表や情報収集のために良い会議と思われる．この解説では触れることができなかったが，精細なイメージングのための他の手法として，ナノイ
ンプリントや，自己組織化リソグラフィ（Self-Assembly）などの新しい技術についても議論，情報交換が行われている．
例えば，２０２０年の会議では，「レジストを用いないリソ
グラフィ（Resistless lithography）」というプラズマ技術が関わるトピックスについての議論が行われた．線幅 10 nm
以下の素子の製作のためには，原子単位の加工が必要となる．そこで，図５のように，表面が H 原子で終端された Si
基板を用意し，EUV 光の露光で H 原子を除去したあと，空
気中でパターンの部分に SiO2 層を生成し，それをマスクとしエッチングを行うという，ALE に似たアイデアによってパターンの形成できることが示された［２２］．
SPIE Advanced Lithography 会議では，通常の口頭発表（基調講演，キーノート講演を含む），ポスターセッションのほかに，将来の技術を展望し，過去の研究開発を回顧す
るパネルディスカッションも行われる．本解説で取り上げた EUV リソグラフィの歴史は，今年の会議において"EUV
Lithography Retrospective: from the beginning to HVM"という題で開かれたパネルディスカッションにおいて取材したものである．
学生や異分野から参加する人のためには，コースが開かれている．コースに参加することで研究開発を行うための基礎知識が得られるので，追加の参加費用がかかるが，学生や若手の研究者，技術者が参加することで必ず得るものがあると思われる．

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