Hitotsubashi University
Institute of Innovation Research

半導体R&Dシステムのオープン化：F2リソグラフィ事例に学ぶ

東川 巌

IIR Working Paper WP#13-10

2013年3月

一橋大学イノベーション研究センター
東京都国立市中2-1
http://www.iir.hit-u.ac.jp

『半導体 R&D システムのオープン化：F2 リソグラフィ事例に学ぶ』

東川巌

一橋大学イノベーション研究センター 客員研究員1【Abstract】 Nikon、Canon 二社で 80%に達する 199 年代初頭の絶頂期から、国内半導体
デバイスメーカの凋落と時を一に国内半導体露光装置メーカ Nikon、Canon の地盤沈下が続いている。2002 年には着実にシェアを伸ばしてきた ASML 社がトップに躍り出た。露光装置はコンタクト露光に始まり、プロキシティ露光、1:1 ミラースキャンから縮小投影露光
へ進み、縮小投影露光は g 線、i 線、KrF、ArF と短波長化し、Step&Repeat から Step&Scanに移行してきた。競争は過酷で次世代露光装置の開発に露光装置メーカの命運がかかっている。2000 年前後には ArF 193 nm の次の技術が混沌としていた。ArF 193 nm に目途がついた 1950 年代後半、次世代リソグラフィの選択は、露光装置メーカだけでなく半導体業界全体の問題でもあった。波長メリットが少ないとされた F2 157 nm は当初選択されず EPLに代表される電子線投影露光や EUVL と呼ばれる軟Ｘ線縮小投影露光が候補になっていた。
しかし開発は進展せず F2 157 nm に軸を置かざるを得なくなった。本稿では露光装置メー
カ、デバイスメーカ、コンソーシアムなどが、EPL、EUVL に代えて再浮上させた F2 157 nm
リソグラフィ技術の選択、開発の遅延、ArF 193 nm 液浸リソグラフィ技術への急展開と集中、F2 157 nm リソグラフィの断念、ArF 193 nm 液浸リソグラフィの急成長、限界となる
NA 1.35 装置の投入へと突き進んだ過程を追い、技術開発の方向を変えていく様、リソグラ
フィ技術の世代交代の過酷さ、更なる寡占化を生んだ選択と集中・成長サイクルの創出過程に垣間見られるオープンイノベーション戦略の優劣に迫る。

1

はじめに

2

半導体産業

3

2.1

Moore’s Law

2.2

産業政策、標準化、ロードマップ活動

リソグラフィ技術開発の歴史
3.1

コンタクト露光からダブルパターニングへ

3.2

SEMATECH、IMEC、ANT/CNSE

1［謝辞］ 本稿は、一橋大学イノベーション研究センター科研費プロジェクト：「産学官連携によるイノ
ベーション過程の研究」の成果である。執筆にあたっては、一橋大学イノベーション研究センター中馬宏
之教授のご指導を頂きました。本稿を担当する機会を提供して頂いた一橋大学イノベーション研究センタ
ー、並びに中馬宏之教授に心から御礼申し上げます。
一橋大学イノベーション研究センター 東京都国立市中 2-1 http://www.iir.hit-u.ac.jp

1

4

F2 157 nm
4.1

F2 157 nm の選択

4.2

F2 157 nm 技術開発

4.3

ArF 193 nm 液浸技術開発

4.4

F2 157 nm の終息

4.5

ASML 社の躍進- 半導体装置メーカの頂点へ -5

失敗に終わった F2 157 nm

6

おわりに

1. はじめに大戦後に米国で生まれた半導体技術は成長を続け、世界を変える産業に至っている。
Fairchild、Texas Instruments、Bell 研に始まり、半導体製品は産業活動の根幹に組み込まれ、IBM、Intel が時代を造り、PC、携帯電話、スマートフォンが生まれ、Google、Apple が世界を変え、全世界にネットワークを構築し、地球上のどこからでもコミュニケーションが出来る時代を迎えている。デジタルという言葉が氾濫し、想像すらできなかった膨大なデジタルデータが安価に処理され、蓄えられ、デジタルカメラは汎用の銀塩写真を駆逐し、電力消費に占めるデジタル機器の比率は増え続けている。経済活動の根幹に浸透した半導体製品は、全ての産業を転換している。
資源に乏しい日本では輸出産業として半導体産業への期待が黎明期から大きい。韓国、台湾も同じ土俵に有り産業振興策が半導体産業の育成に寄与している。しかし日本の半導体産業の盛況は 80 年代に日米半導体摩擦を生んで終焉し、以後凋落の一途を辿っている。
1987

Rank

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

1997
2007
2011
Country of oRevenue
CompanyCountry of oRevenue
CompanyCountry of oRevenue Market s
CompanyCountry of oRevenue Market s(million(million(million(million$ USD)$ USD)$ USD)$ USD)NEC Semiconductors
Japan
3 368 Intel CorporationUSA
21 746 Intel CorporationUSA
33 995 14.8% Intel Corporation(1)USA
49 685 15.9%
Toshiba Semiconductor Japan
3 029 NEC Semiconductors
Japan
10 222 Samsung Electronics
South Kore 19 691 6.9% Samsung Electronics
South Kore 29 242 9.3%
Hitachi Semiconductors Japan
2 618 Motorola Semiconductors USA
8 067 Texas Instruments
USA
12 275 5.5% Texas Instruments(2)USA
14 081 4.5%
Motorola Semiconductors USA
2 434 Texas Instruments
USA
7 352 Toshiba Semiconductor Japan
12 186 5.0% Toshiba Semiconductor Japan
13 362 4.3%
Texas Instruments
USA
2 127 Toshiba Semiconductor Japan
7 253 STMicroelectronics
FranceItaly 10 000 4.9% Renesas Electronics
Japan
11 153 3.6%
Fujitsu Semiconductors Japan
1 801 Hitachi Semiconductors Japan
6 298 Hynix
South Kore
9 047 4.3% Qualcomm(3)USA
10 080 3.2%
Philips Semiconductors Netherlands 1 602 Samsung SemiconductorsSouth Kore
5 856 Renesas TechnologyJapan
8 001 4.0% STMicroelectronics
FranceItaly
9 792 3.1%
National Semiconductor USA
1 506 Philips Semiconductors Netherlands 4 440 SonyJapan
7 974 3.0% Hynix
South Kore
8 911 2.8%
Mitsubishi SemiconductorsJapan
1 492 Fujitsu Semiconductors Japan
4 622 Infineon Technologies
Germany
6 201 3.1% Micron TechnologyUSA
7 344 2.3%
Intel Corporation
USA
1 491 SGS-Thomson
FranceItaly
4 019 AMDUSA
5 918 2.7% BroadcomUSA
7 153 2.3%
top 10 commulative % 54.3%
top 10 commulative % 51.3%
Company

表 1 半導体企業トップテン (iSuppli2公開資料をもとに作成)
3.11 震災で壊滅的な被災となったルネサス那珂工場は、自動車産業界の支援を受けて短期の復旧を成し遂げたが、円高・ウォン安を始めとする環境の変化は国内デバイスメー
カの存亡に関わる事態に至りエルピーダは再生手続きに入り米マイクロン社の傘下に入り、
パナソニック、ルネサス等は事業の縮小を図っている。現在（2013）に至っては、ルネサ
スには金融機関に加えてマイコン製品等の顧客企業が資金導入を行う。さらに、富士通、
パナソニック、ルネサス三社は、SoC 事業の再編を目指し、設計・開発の事業統合会社設2

iSuppli http://www.isuppli.com/Pages/Home.aspx2

立を描いている。
デバイスメーカだけではない。国内半導体装置メーカの多くも競争の激化に加えて、国内デバイスメーカの低迷、円高環境で苦戦している。半導体露光装置は Nikon、Canon
が市場を制していた時代から ASML 社の時代に移り、2002 年には半導体露光装置メーカのトップの座に至った。ASML 社は参入から着実にシェアを伸ばし、2005 年以降、特にリー
マンショック以降は顕著な寡占化を成し遂げている。2011 年には装置価格の高騰、前工程
におけるリソグラフィ設備投資の占有比率の増大が、ASML 社を全半導体装置メーカ売上高の頂点に押し上げている。1980 年代に頂点に立っていた Nikon は 1990 年代初めから低落傾向を示している。しかし、現在、状況はさらに激変している。2012 年に入ると ASML 社に Intel 社 、 TSMC 社 、 Samsung 社 の 資 金 が 入 っ た 。 開 発 投 資 (ASML's Customer
Co-Investment Program: 三社計$1.69 billion)だけでなく三社は株主になる。その規模はIntel 15%、TSMC 5%、Samsung 3% (三社計$4.76 billion)と大きい。
本稿では、国内デバイスメーカの凋落と時を一に低落を示している国内半導体露光装
置メーカが 2000 年前後に取り組んだリソグラフィ技術開発に焦点を当てたい。1990 年代
後半、ArF 193 nm リソグラフィの次の世代は EPL、EUVL で描かれていたが開発は遅延し、押しやられていた F2 157 nm リソグラフィが浮上した。その後短期間のうちに F2 157 nm
は ArF 193 nm 液浸に開発の軸足が切り替えられていく。そこでは装置メーカだけでなく
IMEC、SEMATECH、さらに ITRS といった組織や、半導体業界トップに居続ける Intel 社、
さらには TSMC 社が重要な役割を担った。短命とされていた F2 157 nm の延命策の検討に紛れていた ArF 193 nm 波長で純水という選択肢を見逃さなかった見識、ウエハの露光領域
だけを純水で満たす Local Fill Concept、Local Fill Concept を支えた純水の表面張力、液滴を残さない撥水性が液浸露光リソグラフィを実現していった。しかし結果は ASML 社のさらなる寡占であった。Local Fill Concept を打ち出しても勝てなかった Nikon、液浸では全く出遅れを挽回できない Canon を生んだ。新たな露光装置プラットフォームの開発では覇者が代わる。成功を生んだ因子、失敗を生んだ因子に迫り世代交代の過酷さに学びたい3。

2. 半導体産業
2.1

Moore’s Law

まず、Moore’s Law に触れたい。世代交代という切り口で技術・産業・ビジネスの絵姿が鮮明になる。半導体産業とその成長を支えているリソグラフィ技術の特徴は Moore’s Law
でさらに整理し易い。技術のトレンドも良く説明され、ロードマップが語られる補足 1。
Moore’s Law は Gordon E. Moore 自身の 1965 年の予測が出発点である[1]。10 年後1975 年に見直している[2]。1965 年の著書では 4 製品の集積度をプロットし、外挿したに過ぎない。パターン寸法を×0.7 して面積 1/2 で同等の集積度を得て、同一の面積に集積度×2 を実現するトレンドを予測した。横軸を年とし、縦軸にチップに搭載される Tr 数を片対
3

本文中では液浸を Immersion あるいは Wet と表記し、従来型を Dry と表記する場合がある。

3

数でプロットするとほぼ直線になる 2~3 年で倍増している定率増加モデルであり、過去 50
年に渡る半導体産業の有り様をよく示している経験則でありビジネスモデルである4。
Moore’s Law の典型は Intel 社の製品に見られる(補足参照)。業界の雄 Intel 社は二年サイクルを刻み×0.7 を推し進めてきた。本稿で扱うリソグラフィ技術も新たなプラットフォームの導入を繰り返して Moore’s Law に対応している。次世代製品技術には微細化を軸に、トランジスタ構造、メモリセル構造の革新、それを実現する新規材料、新規プロセスといった新たな要素が組み込まれる。新たな技術の導入無しでは次世代への移行は出来ない。
新たな設備・工場投資が生まれる。デバイス開発に先行してリソグラフィの方針が必要となる為、既存技術の延命か、次世代技術への移行かの決断には大きなリスクが伴う。設備投資規模は大きく、また設計制約が伴う為、デバイス開発段階からの継続性も重視される。
Moore’s Law で扱われるデバイスは Tr 数あるいは Bit 数で製品の仕様が代表される
CPU/ASIC、DRAM、Flash といった Digital 処理、Digital Memory に関わるデバイスで、世代交代は集積度”n 倍”へのジャンプである。近年は CPU/ASIC で half node を刻む製品もあるが DRAM が典型である…→4k→16k→... →16G→…といった 2n 刻みでの世代交代が繰り返されている。Digital 処理では Bit 長 8、16、32、64 といった Data が扱われ、2n での世代交代は理にかなっている。Intel 社は CPU で二年サイクルを刻む。

2.2

産業政策、標準化、ロードマップ活動

半導体産業においては各国の産業政策の関与も大きな要素である。成功例として超 LSI技術研究組合が挙げられる。1966 年から始まった工業技術院・大型プロジェクト、1975
年にスタートした電電公社（武蔵野電気通信研究所）・超 LSI 開発プロジェクトに続いて一
年遅れて旧通産省が興したプロジェクトで、1976 年～1979 年の 4 年間の補助事業（超LSI 技術研究組合）、1980 年～1982 年の 3 年間の独自事業、1983 年～1986 年の 4 年間の追加事業と続いた。超 LSI 技術研究組合の日本の半導体製造技術開発に果たした役割は大きく、日本の世界シェアを激増させ、日米半導体摩擦に至った。
日米半導体摩擦は日米半導体協定を生んだ。急激な日系メーカの DRAM の対米輸出、シェアの拡大が生んだ状況は米国半導体メーカのみならず米国の国防の観点での議論をも伴い、1985 年の SIA5 301 条提訴に始まり、1986.9~1991.7
1991.8~1996.7

第一次日米半導体協定、

第二次日米半導体協定に至った。ArF 193 nm の工場導入、F2 157 nm 技

術開発は半導体協定が終わり、WSC(1997~)が構築され、国際協調が模索された時期にあたる。DARPA から 2012 年に出ている米国 DARPA 側のレポートもいきさつを知る上で興味
4

Gordon E. Moore 氏は Intel 社の創設者の一人で Intel 社の Homepage には Moore’s Law に関する資料が纏めて掲載されている。
HTTP://WWW.INTEL.CO.JP/CONTENT/WWW/JP/JA/SILICON-INNOVATIONS/MOORES-LAW-CONSUM
ER-TECHNOLOGY.HTML
HTTP://WWW.INTEL.COM/PRESSROOM/KITS/EVENTS/MOORES_LAW_40TH/
HTTP://WWW.TF.UNI-KIEL.DE/MATWIS/AMAT/SEMITECH_EN/KAP_5/BACKBONE/R5_3_1.PDF
5
WSC (the World Semiconductor Council 世界半導体会議 ) 1997 年設立。現在は、米、日、欧、台、韓、中の業界団体が参加する。

4

深い6。
海外でも公的資金の投入は産業振興の基本施策である。超 LSI 技術研究組合の成果が著しかった為その後の SEMATECH 等の海外の研究開発体制に多大な影響を与えた。もっとも、その後 10 年越える空白を経て始まった ASPLA、Selete などのデバイスメーカが主導した国内コンソーシアムが成功したとは言い難い。F2 157 nm 開発でも ASET-INOL を始めとして公的資金の活用が模索された。NEDO プロジェクトも個々の課題は成功裏に終わっているが意図していた半導体産業の振興に寄与したとは言えない。2000 年代に入りさらに凋落している。
半導体産業は、製品のみでなく製造技術に関わる装置・材料でも標準化が図られてきた点にも特徴がある。半導体産業の勃興期を経て多くの企業の参入がなされたが、当時のシリコンウエハは各社が自身で製造したりするほどバラバラであった。半導体需要の高まりとともに専業メーカからの購入が拡大するとバラバラな規格では不都合が生じ始めた為、外形規格を始めとして標準化が図られた。その時 SEMI スタンダードが組織的に動き始めた。
当初は 2 インチ 3 インチのウエハの規格を設定した。ウエハ、マスクといった材料の外形
規格、物性値規格、さらにその数値を保証するための測定に関わる規格の開発から始まった。スタンダード活動は、さらにキャリアの規格などに広がり、時代の要請に伴ってその守備範囲を拡大した。標準化では 300mm ウエハの製造ラインに向けての活動が著名である。
300mm の標準化は 1994 年に、日系・海外の関連メーカを巻き込んで始められた。日系では、JEIDA、JSNM、SIRIJ、EIAJ、SEAJ などの半導体関連 5 団体が協力して J300 を組 織 し て 300mm 標 準 化 を 推 進 し た 。 こ れ に 対 し て 、 海 外 で は 、 米 国
SEMATECH(SEmiconductor MAnufacturing TECHnology)などが中心となり、i300i7を組織した。200mm ウエハから 300mm ウエハへの移行は大口径化ウエハ導入のサイクルから次の重要な選択肢であったが、移行の為の開発コスト・製造ラインへの投資は膨大でリスクを伴うものであった。300mm 口径への移行にあたっては、新たにハンドリングの自動化な
ど規格の開発が多くの領域で進められた。規格に至らないガイドラインの開発も活発になされた。開発の加速と開発投資の抑制、ひいては工場投資の抑制を狙い SEMATECH が戦略的に標準化を推し進め装置開発などを推進した。WSC の設立と共に 1997 年からは i300iと J300・Selete との情報交換が始まった8。i300i に対しては Selete が対抗軸となり JEITA
J300 の組織化に至っていた。装置・材料メーカが多く存在する日本は i300i、J300 の技術
情報交換の場で、例によって圧力に屈しつつ、対応した。多くのガイドラインが纏められた。また標準化のプロセスは SEMI でなされた。意図されたように、将来技術の標準化作業
では、企業の戦略の衝突と共に技術のベンチマークに伴う技術開示が生じた。独占禁止法
6

7

http://www.issues.org/28.3/van_atta.html

International 300 mm Initiative (I300I) is incorporated as a subsidiary of SEMATECH in
November 1995.
8
I300I and J300, the Japanese-led 300 mm development effort, sign the Global Joint
Guidance Agreement to identify the 300 mm standards requirements of global device
makers (1997).
5

に触れないルールでなされる標準化であったが Intel 社など積極的に標準化を推し進める企業の存在は大きかった。300mm 標準化は結果的に多くの企業の盛衰に影響した。寡占化を生んだとも言われる。また、日本のデバイスメーカが 300mm 工場投資で遅れ切った結果、シェアを低下させた一因とも言われている。半導体露光装置では積極的に 300mm 工場投資を行った韓国、台湾のデバイスメーカに対するビジネスで成功した ASML 社の躍進が目立
つ結果を生んだ。この間、1998 年には、SEMATECH は International SEMATECH へと変貌
し、マイクロリソグラフィ、ESH のプログラムを立ち上げた9。1999 年頃からは、Workshop
や Symposium を立ち上げ技術交流の場を設けて技術開発を取り仕切ることを狙った。
半導体業界の研究開発の構図の理解の為には ITRS(International Technology Roadmap
for Semiconductors) ロ ー ド マ ッ プ 活 動 に も 言 及 す る 必 要 が あ る 。 ITRS の 前 身 は
NTRS(National Technology Roadmap for Semiconductors)で、米国の組織活動であった。
SIA 下の活動であり、SIA は 1977 年に対日強硬派 5 社が設立した米国の半導体業界団体である。SIA が日米半導体摩擦・日米半導体協定に大きな役割を果たしたことはよく知られている。SIA が米国半導体産業の再浮上を狙い、ロードマップの作成を行った。1987 年には、
SEMATECH の設立に至っている。SEMATECH では、14 の半導体メーカと政府が製造課
題の克服とリスクのシェアを図った。
1996.7 の第二次日米半導体協定の終結は次の契機であった。1992 から続いた NTRSは、1998 から日本、台湾、韓国、欧州が参加する ITRS に拡大され世界の主だったプレー
ヤーを網羅したロードマップ活動に移行した。リソグラフィ関係では SEMATECH が主催する Workshop、Symposium と共に、研究開発の動向を拡散させ、技術候補の把握、開発リ
スクの分散、開発の加速、技術の絞り込みに寄与した。ITRS の議論は、開発資金の注入に影響し、本稿で議論していくリソグラフィ技術の世代交代を誘導し、露光装置メーカの寡占化に発展したとみることもできる。

3. リソグラフィ技術開発の歴史
3.1

コンタクト露光からダブルパターニングへ“Chronology of Lithography Milestones”, Version 0.9 May 2007, by AtsuhikoKato10に、露光装置を切り口に、今日に至るリソグラフィ技術が網羅され整理されている[3]。
コンタクト露光に始まり、プロキシティ露光、1:1 ミラースキャンから縮小投影露光へと突き進み、技術世代ごとに露光装置メーカに覇者が生まれた。縮小投影露光は、step&repeat
から step&scan に進展し、1990 年代の Nikon の時代を経て、2000 年代には ASML 社の時代に至った。露光装置メーカは PE、Nikon、Canon の様に光学機器メーカが手掛けて発展
9

SEMATECH launches a new subsidiary, International SEMATECH, expanding the
involvement of its non-US members in programs on 300 mm, lithography, ESH, andmanufacturing methods (1998)
In January, SEMATECH's name officially changes to International SEMATECH,
reflecting a unified global consortium (2000).

10

http://www.lithoguru.com/scientist/litho_history/Kato_Litho_History.pdf

6

したケースとデバイスメーカが元となった ASML、Hitachi に代表されるケースに大別される 。 露 光 装 置 の 歴 史 に は 、 K&S(Kulick & Soffa, 1965~) 、 Cobilt(1972~: Computer
VisionApplied Materials)、Kasper(1973~)、Perkin Elmer(1973~; PE Micralign projection
scanner: Micralign300, Micralign500 、 Micrascan: SVGLASML:) 、 Canon (1973~;
PLA-300 、 PLA-500/600 、 1980~; MPA-500 、 FPA…) 、 GCA (1978~; DSW 4800:
GCAGeneral Signals_GCAIntegrated Solutions, Inc.(ISI)Ultratech)、Nikon (1980~:
NSR-1010G、…)、Censor (Censor PE 1984)、ASML (Philips and ASM launch ASML 1984:
PAS 2000/10、…)、Ultratech、Hitachi (…LD-50xx)の名前が挙がるが、多くのデバイスメー
カが何らかの露光装置開発を行ったこともよく知られている。SVGL は、PE の技術を継承
し、Step&Scan システムをいち早く 1990 年代始めには世に送り出し、250 nm (lamp)への短波長化で先行したが市場を握ることは出来なかった。最終製品は、ASML にマージされた
後、IMEC に納められた F2 157 nm プロト機であった。日立製作所が Stepper と手掛け、i線を最後に撤退している。ASML 社は後発で有ったが、Philips 社での基本技術開発を基に、1985 年に g 線で一号機を出し、1987 年に Canon に先行して i 線を投入、参入から着実に
韓国・台湾市場でシェアを伸ばし、1997 年に KrF Step&Scan、1998 年に ArF Step&Scan、
さらに 2000 年に画期的な TWINSCAN platform を投入し、2002 年に市場シェアトップに躍り出た11。結局、2000 年代には Step&Scan を手掛ける ASML、Nikon、Canon 三社の寡占状態となり、2010 年代には ASML が先端市場すなわち液浸露光機市場の 80%を獲得して、Nikon がその市場に果敢に挑戦している状況に至っている[4]~[7]。
縮小投影露光装置の歴史は、短波長化、高 NA 化、Low-k1 の実現の歴史である一方、処理能力向上の歴史でもある。しばしば解像性能と焦点深度を表す次の二つの式で縮小投
影露光の歴史が整理される。
R

k1

DOF

k2

R: resolution(解像力)
NA: numerical aperture(開口数) NA=n sinθDOF: Depth of Focus
k1、k2: process などによる定数

点光源の分解能 k1=0.61、二光束干渉条件 k1=0.25が導かれている。k2 は通常 0.5。(1:1 Full Wafer Mirror Projection では、NA の限界を 0.167としている[8])最先端の 193 nm water immersion では、究極の二重極照明を構築して二光束干渉条件
で k1~0.25、NA=1.35 で計算できる Line & Space

R(Half pitch) ~ 36 nm を得る。

11

http://www-qas.asml.com/doclib/investor/presentations/2007/asml_20070918_BofA_Tech_Conference_-_
ASML_presentation.pdf

7

NA & wa
avelengtth challenges- expos
sure tool data she
eet -

1.6
1.4

ArF immm.

1.2
ArF 193 nm

NA

1
0.8

KrF 248 nm

0.6
i 365 nm0.4
0.2

g 436 nmm01980 1985 199
90 1995 2
2000 2005 2010 2015
2
20200

Year
図2

短波長化、高 NA 化のの歴史(Nikkon、Canonn、ASML、S
SVGL 社等のの公開情報を
をもと

成)
に作成

1.5

1

1.2

0.8

0.9

0.6

0.6

0.4

NA KrF

0.3

0.2

NA ArF

Resolution
NA g
k1

NA & Resolution [au], [micron]

k1 Challlenges

0
970
19

1980
0

1990
2000
Ye
ear

2010
2

0
2020

NA i

k1(Caluc
culated)

図 3 Low k1
k 化の歴史 (Nikon、C
Canon、ASM
ML、SVGL 社等の公開情社
情報をもとにに作成)
今
今日、300 mm
m ウエハでで処理能力 2200 wph(waafer/hour)がああたり前の開開発仕様にななって8しまった。ウエハの平坦化が焦点深度の確保を緩和し、高 NA 化、Low-k1 の開発を導き、平坦化は CMP 技術の登場によってもたらされ、高 NA 化は、偏光照明の採用に至った。高価格化という見方もできる。最初に開発されたステッパは 1 億円足らずであったが、解像性能に対応してほぼ一率で価格は上昇し続け、最新鋭の液浸機は 40~50 億円に達している(現製品でも、i 線、KrF、ArF_Dry、ArF 液浸の価格比は、1:2:4:8。次世代 EUVL はさらに倍の価格とされている)。
NA、k1 は限界に向かって突き進んで来たがその進展は大きな飛躍をいきなり実現して得ているわけではない。位相シフトマスク、OPC、SRAF、ILT に代表されるマスク技術、
レジスト・レジストプロセス、照明光学系に加えてウエハの CMP 平坦化や、反射防止膜技術の寄与、更に、リソグラフィから生じる設計制約を取り込み、デバイスパターンを単純化し、その時点で完成度を見据えて新たな技術を採用して高 NA 化、Low-k1 を実現している。一度登場した技術は次の波長に移って解像力が改善されても省略されない。その技術をさらに改善して取り込み続けることにより更なる解像性能の達成やプロセスウインドウの確保に結び付けてきた。また、リソグラフィ技術にとって計算機環境は制約条件であるとともに前提条件であり技術開発の成果である半導体デバイスが生む計算機の処理能力が新たなリソグラフィ技術に結び付いてきた。
露光装置開発では、光源に加えて、硝材、反射防止膜コーティング、パージといった透過率に関わる課題が大きい。KrF、ArF では合成石英の開発が鍵となり透過率・照射耐性の改善は継続的に続けられてきた。また、ｇ線の時代以前から光強度の大きな表面に堆積物が生じ透過率、反射率が劣化していく問題が知られていたが、短波長化に伴って顕著になり、高度な雰囲気制御（パージ）技術が開発された。マスクにも生じ曇りとなって透過率を低下させ、点在して異物となり、ウエハに欠陥を転写した。成長性欠陥(Haze)と呼ばれ、ペリクルの貼られたマスクであっても表面の残留物・吸着物を核として雰囲気に微量に存在する有機物などが固定される。ペリクルには、枠に貫通穴が設けられ雰囲気・圧力を同等とする機構が設けられており、パーティクルの侵入を防ぐためにフィルターが装着されているが Haze の原因物質を防ぐ機能は乏しい。Haze は、短波長化でフォトンエネル
ギーが大きくなることでさらに顕在化する為、露光装置開発では設計段階からの検討が不可欠である。
300mm ウエハが本格化する頃からウエハ処理枚数が仕様に露出してきた。定義が明確にされ（125 shots/wafer: レジスト露光量 ArF 30 mJ/cm2、KrF 50 mJ/cm2、i-line 200
mJ/cm2）、差別化を顧客に訴追する競争が始まった。結果として、wph(wafer per hour)は、改善され続けている。更に稼働率等を取り込み wpd(wafer per day)で CoO をアピールする。
スキャン速度と加速度の開発競争である。今日、700mm/sec を実現しているが、マスクス
テージはその四倍速である。また、位置決めは六軸対応であり、高次のダイナミック補正を行う。NA 1.35 の限界を迎え、DP、MP の要求に答えるべく重ね合わせ精度の向上が図られている。収差の更なる改善はもとより、高さマッピング機能の高速化、精度向上、補正

9

の高次化も凄凄まじい。
機能のwafer per hour (125 shots @ 300 mm)

Exp
posure ttool throoughpuut challe
enges
250
200
150
wph@300 mmm100

wph@200 mm
m

50

0
1995

2000

図 4 スルーープットの改
改善

2005
Year

2010

20155

(Nikonn、Canon、ASML、SV
VGL 社等の公公開情報をももとに作成))
露露光装置メー
ーカの寡占化化が進んだがが、その過程程で SVGL 社の去就は大社
大きな影響をを残した。日米半導体摩摩擦・半導体体協定に見らられる急激な
な海外製品のの流入拡大かからの産業保保護だ
なく、米国ででは国防の見
見地からの半半導体産業へ
への関わりがが顕著にある
る。本来は特特殊なけでな
国防のの装備品調達達にかかわるるデバイス製製造を国内メメーカで行いい、技術の流流出を防ぐこことが目的でである。デババイスだけででなく製造装装置にも関心心が向けられれ、Nikon、C
Canon が過半半を握っていいた先端露光光装置への依
依存に懸念をを持ち、露光光装置メーカカの米国内維維持に腐心ししていた。そその対象はままず GCA であったがそでの後は SVG
GL であった。
。SVGL Miccrascan は IBBM と密な関関係を持ってて始まっていいる。1993 年までは IB
BM のみが顧顧客で有ったたと言ってもよい。
SEMATECH も数
数台の導入をを行って開発発を促していいる。1994 年からは海外
年
外を含めて多多くのに納入していいる。IBM とデバイスのとの開発などでで関係していいた東芝、Soony が開発に
に導入
顧客に
した。
。資金の投入入は IBM に加加えて、199 5 年には、In
ntel, Motorola Inc. and T
Texas Instrum
ments
Incorrporated かららも得た。SVGL 社は並
並行して、Ap
pril 1993 からら Novemberr 30, 1994 の長期のに渡っって Canon と提携交渉渉を行った。 この交渉は米
米国商務省のの拒絶にあいい頓挫した。非常に興味味深い記載ががある[9]。原
原文には

10

「The Company and Canon were unable to reach agreement and the letter ofintent expired on November 30, 1994.

Although Canon is contractually prohibited

until April 2003 from manufacturing a specifically defined step and scan
photolithography machine or disclosing related information, Canon could introduce a
product that includes certain step and scan technology without violating thisprohibition.

As a result of the expiration of the letter of intent, the Company believes

that Canon has accelerated its previously suspended development of a step and scan
photolithography product which will compete with Micrascan.」と記載されているが、Canon は 2003 年 4 月までの 10 年間制約を受ける。米国の処理に関わる DoD 1995 レポートも興味深い[10]。
SVGL 社は PE 社の流れを汲み Catadioptric を採用し、F2 では CaF2 で製造した大きなBeam splitter を採用した。SVGL は Scan の草分けであるがステージは縦型で、光学系がCatadioptric で、短波長化で先行するなど先進的であった。SVGL はまたスキャン長を伸ばすマスクサイズにも取り組むなど多くの技術に取り組んでいた。後に Nikon、ASML、Canon
はスキャン露光をレンズで水平ステージの構成で投入したが、スリット幅は SVGL に倣っ
ている。

3.2

SEMATECH、IMEC、ANT/CNSE

SEMATECH12、IMEC13、ANT/CNSE14は、半導体技術の研究開発に大きな存在感を示している。90 年代前半に SEMATECH 主催で開催された何回かの Workshop の終了後に、
SEMATECH メンバーである米国のデバイスメーカが集まって、今後の方針と対策に関する議論がなされる場があった。そこに日本のデバイスメーカの代表とヨーロッパの代表（IMEC）も呼ばれ、議論への参加と方針への提言を求められた。しかし最終的な議論は、米国のメンバーだけで決定されていた。90 年代後半になると日本のメーカの代表も複数となり、韓国や台湾からの代表も参加するようになった。さらに SEMATECH は、90 年代後
半からは積極的に Work Shop や Symposium を開催し、世界各極の技術者の参集を促し、
デバイスメーカの必要とする技術の開発を鼓舞した151617。国内では 1996 年度から（株）半導体先端テクノロジーズ（Selete）が、300mm の開発を行い、1997 年度からは ArF 露光に取り組み、そこから「あすかプロジェクト」に発展した。あすかプロジェクト第 1 期：
2001 年度～2005 年度では、F2 と EPL、第 2 期：2006 年度～2010 年度では、EUVL に取

12

http://www.sematech.org/
http://www2.imec.be/be_en/home.html
14
http://cnse.albany.edu/WorldClassResources/CNSEAlbanyNanoTechComplex.aspx
15
Next-Generation Lithography Workshop (involving experts from all over the world) (1997)
16
The First International Symposium on 157 nm Lithography (drives industry acceptance of the
manufacturability of optical lithography to below the 100 nm technology node) (2000)
17
First/Second immersion workshop (2002/2003)1311

り組んだ。

4. F2 157 nm
4.1

F2 157 nm の選択

F2 が候補に挙がったのは 1990 年以前で、既に KrF、ArF、F2、Ar2 の流れが描かれていた。短波長光源の選択肢から出されたものである。90 年代後半になり、ArF に目途が立ち、波長が 81%となる F2(gi 84%, iKrF 68%, KrFArF 78%, ArFF2 81%, ArFAr2
65%)が、他の NGL 技術、PXL、EUVL、EPL(SCALPEL/PREVAL)、IPL 等と比較された。
157 nm は一世代と短命位置づけられ、透明な硝材、光学系、真空仕様（ガスパージ）、マスク、レジストは極めて困難な課題であり、1997 ITRS には 157 nm が示されていなかった。
候補は EPL、EUVL であった。しかし、1998 年に入っても NGL 候補の開発は停滞しており、ポスト ArF 開発の本命に F2 157 nm が押し込まれた。日本で開催された SEMATECHと ASET 主催の会議で、Intel が飛び入りの意見として F2 の開発を提案し、これが本格的な開発の発端となった。SEMATECH はワークショップを立ち上げ、半年間隔で開催した。
当初から F2 157 nm の開発期間には無理が存在し懸念されていた。KrF 248nm は 1970
年代後半には文献に登場し、1988 年には、NSR-1505EX が登場し、1997 年に 0.25μm の生産に寄与していた。工場導入までの開発期間はデバイスの試作に耐える露光領域を有している装置の登場から考えても 10 年かかっていた。レーザ光源、化学増幅系レジストの開発は重く、その間、i 線が延命された。KrF 248nm への本格的な移行は結局、300mm でScanner であった。ArF 193 nm は、1992 年に文献に、PAS5500/900 が 1998 年に、
FPA-5000AS1、NSR-S305B が 1999 年に登場していた。2001~2002 年の 130 nm 生産への導入が予定されていた。ArF ではレジストを含めて基本的な技術課題には解があったが、それでも、上記露光装置の登場から 3~4 年が必要であり露光装置は次機種が登場していた。
しかし、F2 157 nm は、NGL の遅延に伴って急浮上(再浮上)した為、1999 時点でのターゲットは 2005 年の 70~100 nm のデバイス生産と、全く開発期間に余裕がなかった。Full fieldのプロト機の計画は 2003 年であり、2005 年まであまりに短かかった。しかし、この時点
で他の選択肢はなかった。
この間の ITRS roadmap の report をもう少し詳細に追うと別の切り口で流れが鮮明に
18なる 。
ITRS1997 では、157 nm は無く 130 nm の候補には 193 nm DUV、PXL、EPL、EBDW、
EUV、IPL が挙げられていた。100 nm の候補は、EPL から始まっている。
ITRS1999(Jan. meeting)では 157 nm が 90 nm、65 nm に記載されている。Spring
Meeting では、区切りが 180 nm、130 nm、100 nm、70 nm、50 nm となり 180 nm~が KrF、
130 nm~が ArF、100 nm~が F2 であった。50 nm~には 157 nm F2 は登場せず、基本的に157 nm F2 が一世代の技術であるとしている。
18

http://www.itrs.net/ ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors)

12

ITRS2000 では同様に 157 nm が 193 nm に続き 100 nm に記載され、70 nm では 157 nm+ PSM がトップに位置する。157 nm は 50 nm には記載されていない。
ITRS2001 ではまだ immersion は登場していない。区切りが 65 nm、45 nm、32 nm となり、157 nm が 65 nm の一番目に記載され、45 nm では 157 nm が消え、EUV が一番目に位置し他の NGL が並ぶ。
ITRS2002 の議論でも、まだ immersion は登場せず、100 nm が 193 nm + PSM と PELに絞られており、157 nm は 65 nm 一世代の技術となっている。
ITRS2003 では 65 nm 以降に 157 nm が残る(65 nm: 193 nm + RET + litho-friendly
designs、157 nm + RET + litho-friendly designs、193 nm immersion lithography、EPL, PEL)が、193 nm の延命が本命とされ、157 nm が間に合わないとの考えが反映されているとともにここに初めて 193 nm immersion が記載される。
ITRS2003 December Meeting で immersion が 65 nm、45 nm、32 nm に記載されたが、この時点では、Water の記載がなく、厳密な切り分けをしていない。また、157 nm immersionが入っている。
ITRS2004July Meeting の議論では、157 nm は 157 nm immersion でしか記載されていない。65 nm に PEL が残り(65 nm: 193 nm + LFD、193 nm immersion、PEL)、EUV は無い。45 nm で EUV が 193 nm immersion + LFD に続く。
ITRS2005 July Meeting で 157 nm が消えた。32 nm の候補のトップに EUV が残り、
193 nm immersion with other fluid が続く(32 nm: EUV、193 nm immersion with other fluids
and lens material、Innovative 193 nm immersion with water、Imprint, ML2)。
ITRS2006update に Double patterning が登場した。
1999 の Roadmap の議論では、NA を 0.68 (KrF、ArF）、0.7 (F2)としている。Dry では
最終的に NA 0.93 の製品まで開発されたが、この時点では高 NA 化の進展を予測しきれてい
ない。

4.2

F2 157 nm 技術開発

F2 157 nm の開発課題は、まず光源、透明材料の見極めにあり、露光装置だけでなく、マスク、レジスト、さらにペリクルに材料開発の先行が必要であった補足 2。
光源に関しては、1997 年に、Lambda Physika から F2 レーザのレポート[11]がある。157
nm 域では硝材が限定され CaF2（蛍石）、MgF2 が透明材料として知られていた。CaF2 はカメラで色消しに使われるなど光学業界ではよく知られた材料であったが、F2 露光装置に搭載するレンズで要求される仕様には至っていなかった。CaF2 には、熱膨張係数が大きい（2×10－5／K）という問題もあった。マスク基板としても使うに値しない数値で、EPL、
EUVL を候補として挙げる一要因であり、開発着手の障壁となっていた。
合成石英 SiO2 は、
8～9eV のバンドギャップを有し、本来は 145 nm 程度の波長域まで光透過性を有するはずであった（CaF2 (10.0eV)、MgF2 (11.8eV)）。Ar2 126 nm はさらに短波長であるため硝材

13

の選択肢がさらに無い。しかし、F2 レーザと並行して F 添加合成石英を用いることによりマスクブランクで必要とされる透明度を達成する知見が得られ、マスク開発に目途が立ち、マスクブランクとしての合成石英開発は、1999 年には数社の硝材メーカの数値が纏められ報告される段階に達し、合成石英ガラスメーカ間の競争段階となっていった。光源とマス
クブランクに解が見え露光装置メーカのリスクは低減した。常に五年後の候補であった
EPL、EUVL などの NGL は、この時点でも ArF の後継に値するまでには開発が進んでいなかった。まして、NGL の絞り込みすらできるレベルではなかった。
ペリクルがマスクに関わる最重要課題として残された。開発は、従来のペリクルを継承するメンブレンタイプ(ソフトペリクル)を理想として透明樹脂の開発に臨んだが、候補であった F 系樹脂はなかなか透明度が達成できず、照射耐性に乏しく、透過率低下、アウト
ガス、破損が回避できなかった。KrF、ArF のペリクルでは、旭硝子が提供するサイトップ
樹脂が用いられており F2 ペリクルの開発でも旭硝子が国内での開発の中心となった。ソフ
トペリクルの開発は困難を極めていたため並行してハードペリクルの検討・開発が進められ最終的には 800μm 厚の合成石英を用いる構成に収束した。この開発でも旭硝子の石英部門が国内での開発の中心となった。ハードペリクルはレンズと同じ扱いとなるためレンズ並みの、面精度、膜厚分布、さらには重力撓みに対応することが求められたが解の存在確認には至った。露光装置は量産機では対応するとされた (ASML 社の SVGL MS VII はレ
チクルが垂直姿勢で有った為 300μm 厚で可能とされていた。)。
F2 157 nm 光学系は All CaF2 で検討され光源狭帯域化が困難な事情からミラーを組み込む Catadioptric lens であった。157 nm laser は、自然に発光している場合は単一の peakでは無く bandwidth は広かった。High NA(>0.8)が必要で、選択肢は、bandwidth 0.15 pm
で、all-refractive lens、0.5~0.6 pm で two material lens であった。
Catadioptric lens は 0.5~1.0
pm を可能としていた。BaF2 の開発、狭帯域レーザの開発が不透明で有った為 Catadioptriclens が志向された。この点では SVGL 社の設計が先行していた。SVGL MS VII は多軸でビームスプリッターを組み込んだ縦型であった。193 nm 以前から硝材、コーティングの経年劣化は問題であったが、
157 nm では短波長化によりさらに高エネルギーのフォトンで硝材、
コーティングの損傷となる。10 年といった寿命が要求となる。照射耐性は光源が開発途上で有ったこともあり評価すら課題となった。光学用の CaF2 は結晶成長で製造される。
Camera では色消しレンズの構成に採用されていたが、露光装置では高 NA 化で必要とする
250 mm 径が求められた。また、157 nm 波長域の透明度の改善も要求された。透明度のある大きな結晶が出来ていなかった。多くの硝材メーカが開発に取り組んだが Schott lithotec
が欧州の資金のもとに大規模に開発を進めた。
露光装置開発に暗雲をもたらした大きな出来事が 2001 年に起こった。NIST から CaF2の IBR(Intrinsic Birefringence)が報告された[12], [13]。IBR は設計に考慮されていなかった為
157 nm の開発に波紋を投げかけた。集中した検討から一年足らずで結晶軸を組み合わせることで収差を目標に納める解が示され克服されたが開発の遅延を伴った。また、大口径

14

CaF2 への要求が緩和されるわけではなかった。CaF2 の開発では、ASML は Schott、Canon
は Optron、Nikon は応用光研、SVGL は Bicron と関係が深かった。Nikon、Canon も CaF2のプラントを立ち上げた。Canon は 2003 年には子会社 Optron への$40 million 以上の投資計画まとめていた19。
F2 157 nm では、光路は酸素（水）の吸収を避けるため窒素パージが必要となる。また、ArF にもまして Contamination の問題が大きく課題に挙がっていた。酸素、水の吸収が大きい為、光路は Pure N2 あるいは Pure He で満たし、残留酸素、残留水分を ppm、sub-ppm
レベルにする必要がある。ハイドロカーボンの排除も求められる。内壁、レジストからのアウトガスも問題となる。レジストからのアウトガスは露光に伴って発生しウエハに近接する面にデポする。レジスト材料側での開発も必要になる。
レジスト開発ではまず 157 nm での透明樹脂の選択肢は F 系樹脂であった。化学増幅系
で既存の TMAH 現像液との組み合わせが嗜好された。ベースとなる樹脂は旭硝子等の F 系
樹脂に強みを持つ企業に依存していた。レジスト開発では露光装置が不可欠で Selete、
SEMATECH 等が小フィールドの露光装置を導入してレジストの開発を促進した。
F2 157 nm 開発はコンソーシアムの存在感が増した開発であった。
日本では Selete、海外では SEMATECH、IMEC が重要な役割を担った。ArF の開発に目途をつけていた ASET が 1997 年 4 月に、当時の通商産業省機械情報産業局に VUV project、F2 (157 nm)から Ar2 (121nm) (注：波長が 121nm になっている)への提案を行っている。この年、1997 年 5 月には、Bloomstein T M(MIT)の EIPBN の講演[11]、1997 年 10 月には ASET
笹子氏の秋応物(応用物理学会学術講演会)での報告がなされている[14]。1998 年の時点では
Kr2 146 nm の Paper も散見される。1998 年 6 月には、IEEE VLSI Symp.で ASET 笹子氏
が Plenary Talk で"Lithography Solution for 0.1u Generation"と題して講演している[15]。1999
年には、光リソグラフィ技術総合調査(INOL)を組織化し、VUV 関連大型プロジェクト(250
億円規模）の提案に向けて活動し、Selete project 等に繋がる。1999 年 6 月に開催された
VUV Workshop in Japan は一つの活動であった。欧州では、ASML 社が中心となって
Medea+ project T401/Fluor20が動いた。連携して、UV2LITHO21が IMEC を軸に組まれた。
米国では、SEMATECH、NIST、SRC、大学等に DARPA 資金が投入されている (米国では、国の資金投入が DARPA を軸になされ、産業振興目的では州の資金が投入されている。のちに SEMATECH は TX Austin の契約が終了すると NY との契約に移行し、Albany に拠点を移し、CNSE の核となって資金を得ている。もともと DARPA は、国防の為の ASIC デバイス製作技術に固執してきた。) 。SEMATECH は 1998 年 12 月の NGL Workshop で Voting を
19

Tokuyama が NEDO プロジェクトで CaF2 の開発を行っている。他に Corning, Inc. (Corning, NY),
Optovac (Sturbridge, MA)
20
Medea+ project T401/Fluor: European initiative for 157 nm lithography, (Project timing: 1/1/2001 30/10/2004)
21
European IST project/UV2LITHO, IST–2000-30175: Usable Vacuum Ultra Violet Lithography, (Covering
period 1.9.2001-30.9.2004)

15

得て EUV 一番、SCALPEL (scanning e-beam system: scattering with angular limitation projection
electron-beam lithography)を二番とし 1999 年のメッセージに反映していた。この時期に
SEMATECH は International SEMATECH へと拡大していた。90 年代後半の大きな取り組み、
i300i が収束に向かいリソグラフィへの取り組みの拡大へと移行していく時期であった。
Selete は 1999 年度から F2 レジスト材料の探索・開発に取り組み、1999 年に Ultratechの 157 nm Microstepper の導入を決めていた。Ultratech の数台の Microstepper は Cymerの Laser を搭載し、2000 年には Resist 評価結果を出していた。Selete は 2001 年度には、マスク三社、マスク用電子ビーム描画装置メーカ三社との共同開発体制を構築した。2001には、SEMATECH、Selete は、Exitech 社製の Microstepper (こちらは 6-watt, 157 nm
Novaline F630 F2 laser from Lambda Physik Inc.)での転写に漕ぎ着け、2002 の SPIE で報告が出た。報告のポイントに光学系の劣化・コンタミがあった。2000 年には、F2 157 nmのプロト機の導入計画が決まって行った。Selete は Canon、IMEC は SVGL を選択し、レジストの開発に使う。TSMC も SVGL Micrascan VII を選択していた(Sept. 2000)。ASML
社は量産機 AT1600 を提案し PO 獲得に邁進していた22。

4.3

ArF 193 nm 液浸技術開発

ArF 157 nm 液浸露光技術の開発では TSMC B. J. Lin 氏のチャレンジ、SEMATECH の果たした役割が絶大であり、早期に取り組みを示した Nikon が開発を牽引した。特に、Nikon
大和氏が示したローカルフィル機構が装置開発の方向を決めたと考えられる。
液浸技術は光学の世界では長い歴史を有する確立した技術で有る。半導体露光装置への適用も何度か浮上していた。B. J. Lin 氏自身も以前から論文などで示している。しかし、過去の検討では、液浸顕微鏡で採用されていた高屈折率液体、すなわちオイルを用いる検討であった為、n=2 を超える高い屈折率を用いて高 NA が得られるものの、高い粘度や透明度の不足などの光学特性、さらにその材料価格などが壁となり、机上検討レベルに終始していた。その間に、より波長の短い露光装置が出現して液浸検討は立ち消えとなっていった。明らかに半導体露光装置を意識した液浸露光装置の特許は古く、USP 4346164 Filed
Oct. 6, 1980, Werner Tabarelli et al. (Liechtenstein)には液の循環供給が提案されている
[16]

。

22

EEtimes: 7/13/2000 9:11 AM EDT“Nine chip makers sign up with ASML to develop 157-mm litho tools”, VELDHOVEN,
the Netherlands--ASM Lithography today announced the nine leading chip makers that havejoined its consortium to develop 157-mm wavelength exposure tool. The consortium is oneof several being formed by lithography suppliers to build support for their next-generation
technologies.
16

図 5 USP 4346164
4
Filed Oct. 6, 1 980, Werne
er Tabarelli ete al.[16]大大きな契機がが 2002 年 SPIE(spie20
S
002 March 5-8
5 Santa Clara)での
CTS
SMC B. J. Lin の
Inviteed talk である
る[16]。液浸ををしっかり指指摘しているる。前年 200
01 年に 193 nm の液浸液
液の候
補に純純水を指摘しした EIPBN での M. Sw
witkes らの発発表がここでで引用されてている。EIPB
BN での発表
表は、157 nm
n の延命をを主眼としてての perfluoro
opolyethers を用いる 1557 nm 液浸のの検討
で、1193 nm でのの純水は従な
な内容であっった(Paper としてと
J. Vacc. Sci. Techhnol. B 19, 2353
(Nov../Dec. 2001))に掲載されれる) [17]。F2 1
157 nm 露光
光装置の開発が進み始め、
4 nm、その次の 45
世代のの選択肢の第第一が EUVL とされていいた 2001 年に、65
年
nm 世代、一世代
世代の短命技術
術とされていいた F2 157
7 nm の延命を可能にする
る液浸技術をを提案する斬斬新な Papeer であったがが、既に何回回か過去に登登場してきた
た液浸露光装装置提案の域域にあり、ままた MIT かららの発表でああった
ことも、発表の場
場が EIPBN であったこ ともあったことも加わっってリソグララフィ関係者者の認変えるには至至らなかったた。翌年、B
B. J. Lin 氏がそれを引用し、193 nm
m water imme
ersion
識を変が 15
57 nm dry を凌駕する技を技術であるこ とを Invited talk で SPIE
E の全参加者
者に鮮明にししたことにななる。Opticcal Microlitho
ography XV のセッションでは. M. Switkes
S
も、前年の EIPB
BN の報告を発展させたた液浸露光技技術の講演をを行っておりり、B. J. Lin
n 氏の Invitedd talk を聴講講した

17

リソグラフィ関係者の注目を集めるに至った[18]。
さらに大きな役割は、Nikon Soichi Owa らであった。2002 年(3-6 September)の 3rd 157
nm Symp.で 157 nm と並べて 193 nm Immersion を Nikon の選択肢として描いている[19]。
このシンポジュウムは液浸にとって象徴的である。F2 157 nm のシンポジュウムであるにもかかわらず ArF 193 nm 液浸は Nikon 大和氏、TSMC B. J. Lin 氏[20]、MIT M. Switkes and
M. Rothschild ら[21]の三件が触れている。ASML、Canon、SVGL はこの時点では言及していない。更に指摘しなければならない点は、B. J. Lin 氏は 2002 年 3 月の SPIE で使ったウエハが水没する絵(図 5)を示し、Nikon 大和氏は Nikon Y. Fukami and N. Magome の 1999
年の特許(PCT/JP99/1262 (1999) WO99/49504)[24]のローカルフィル（レンズとウエハの間隙だけに液）の図面(図 6)を示している点である。M. Switkes and M. Rothschild らは、157
nm、193 nm 液浸を包括的に検討し、193 nm に Water と重ねて指摘している。
液浸露光装置の実現には三つの方式が考えられる。一つは、先述した Werner Tabarelli
らの特許[6]で描かれている Wafer stage に水槽(Bus tab)を載せ Wafer が水没する方式で Lin氏の示した絵もこの範疇である。二つ目は Wafer stage が水槽(Pool)に丸ごと水没する方式、三つ目は Nikon 大和氏が示した Wafer stage のレンズと対する領域だけに純水を保持する
Nikon Y. Fukami and N. Magome らの特許に記載されていた”Local fill”方式である。スキャ
ン露光ではステージの高速スキャンが大前提となるが重量と粘度の負荷は膨大でステージの水没、さらにステージ駆動系の水没では開発負担が重く、またウエハの交換機構も複雑になる為まず第二の選択肢 Pool は外される。Lin 氏が描いたウエハステージに水槽を載せる方式も高速スキャンの実現とウエハの交換機構に負担が大きい。ステージにどのようにしてウエハをチャックするかの技術開発を考えただけで気が遠くなる。Nikon 大和氏の示した”Local fill”が今日の液浸露光装置の絵姿を描き出したと考えたい。大和氏のこの講演内容
から ASML、Canon が”Local fill”の未来に気付いたのではないかと思われる。大和氏はこの講演で計算結果等を報告し、157 nm と並べて 193 nm Immersion を Nikon の選択肢として描いている。

18

図 6a B.J. Lin, “Semic
conductor F oundry, Lithhography, an
nd Partners”” (Invited Paaper),
Proce
eedings of SPIE Vol. 4688 (20002) © 2002 SPIE, From Emergging Lithogrraphic
Technologies VI,, SPIE Advanced Lithog
graphy (Micropatterning Division, TS
SMC, Inc.)

図 6b B. J.. Lin, “Driverrs, Prospectts, and Challenges for Im
mmersion LLithography”, Sep.
11 20
002 3rd 157 nm Sympos
sium

19

図 7 Soichi Owa, Naommasa Shiraisshi, Issei Tanaka, Yasuh
hiro Ohmuraa, Jun Nagattsuka,
Shunnsuke Niisakka, Kazuhiroo Kido and S
Shigeru Sak
kuma, “Nikonn F2 Exposuure Tool”, Se
ep. 112002
2 3rd 157 nm
m Symposiumm
S
SEMATECH
H の寄与は大大きい。Decc. 17 2002 にはに First Immersion Woorkshop in Austin
Aを開催催した。100
0 名を超えるる規模であっった。SEMATATECH は"Toop ten issuess"をリストしし、半年でのの判断を企画画した。また
た、Resist、 Bubbles、F
Fluids Prope
erties の三つ
つの Task Forrce を
走らせ
せた。
2
2003 年 SPIE AL での Nikon、Owa
Na, S. and Na
agasaka, H.の講演[22]で Local fill co
onceptの基礎
礎実験、二光光束干渉液浸浸露光でのレ
レジストパタターンが提示示され、液浸浸の開発がささらにしっか
かり本命と認認識されたとと考えられるる。Local fill concept はス
スキャン露光光の実現性にに光明を与える画期的なな提案であり講演で示さされた実験デ
データはそのの後の液浸開開発に多大なな影響
さらに決定的
的な液浸へのの転換は Inteel 社が 157 nm
n F2 を第一一候補から落落としを与えている。さ点とも考えらられる。Intel: Peter Silve
erman は 20003 SPIE でのの RIT、SRC
C、ASML、Nikon、た時点
Canoon 等の報告から 193 nm
m Water Imm
mersion に障障壁は無いとし、2003 年 5 月には時
時間軸の合わ
わない 157 nm
n F2 を 45
5 nm 世代(20007)の Intel Roadmap から外した。
か同時に EUVL も
45 nm 世代にはタイミングをを逸している
るとし、193
3 nm の延命
命後 EUV へのの路線を示しした。
影響もあり、、業界の軸足
足は液浸の見見極めに集中中された。
この影
半
半年後、Julyy 11. 2003 に 200 名の規規模で約束さされた 2nd im
mmersion woorkshop が開開催され、""Top ten isssues"がフォローされ、 基本的に障壁
壁がないことが Workshhop の纏めととなっ20た(July 11. 2003 at IBM Almaden Center in San Jose)。液の保持方法として、ウエハが完全に液に埋没する(Pool あるいは Bath tub)タイプは消え、2003 年 SPIE AL で Nikon Owa 氏が示したレンズとウエハの間隙のみ液を満たす”Local Fill”タイプが本命視された。
ASML 社は Oct. 7 2003 には、AT:1150 を液浸対応に改造し、初の Immersion exposureを実施した。Nov. 13 2003 の ASML 社の Financial analyst 向けの資料で既に Immersion がRoadmap に載った。ASML 社でも Immersion が本命視されるに至っていた点がわかる。
ASML 社は矢継ぎ早に顧客の場での液浸技術開発に向けて実験機を出荷した。2004 年 8 月には、ANT に AT:1150i、数か月後には TWINSCAN XT:1250i を TSMC、IMEC、Applied
Materials, Inc.に出荷した。1150i は Proto 機、1250i は Pre-production 機に位置づけられる。
生産機としての製品となった XT:1400/XT:1400i NA=0.93 は、Dry でも Wet でも使える装置として開発され、液浸固有の欠陥という懸念材料を抱えていた顧客を取り込んだ。液浸の狙う本命 NA>1.0 に対しては、2006 年 ASML TWINSCAN XT:1700i NA 1.20 を出荷、2007
年 XT:1900i NA 1.35 と短期間で限界の NA 1.35 に持ち上げた。
2004 年 6 月の NGL workshop で SEMATECH が、最終的な F2 の開発中止の判断に至っている。
F2 に対して ASML 社はプロセス開発機として SVGL Micrascan VII を当て、量産機はAT1600(Carl Zeiss 光学系)を予定した。液浸が選択された時点で、確定した受注は 10 台を越え、さらに 20 台ほどのスロットをすり合わせていたとされる。Canon は、Selete に向けた FS1、自社での開発の為の FS1 一台、さらに FS2 にも着手し、三台が仕込まれていた。
Selete は、マイクロステッパを用いた F2 レジストへの取り組みや、マスク関連での共同開発体制で F2 開発における存在感を示していたが、2003 年に開発の重点が液浸、それも 193 nm water immersion に移行していく状況に全く対処できていない。加えて Full fieldの Canon FPA-5800 FS1 の出荷は 2004 年の 7 月と SEMATECH が 6 月に F2 をギブアップ
した後になっている。ASML 社は SVGL Micrascan VII を IMEC に向けて一年以上早く 2003
年 4 月 2 日に出荷している。さらに、IMEC は 2004 1 27-29 に開催された Litho Forum でMicrascan VII 評価の詳細を報告し、懸念されていたコンタミネーションは無く、装置は 4か月安定に動作、157 nm resist の評価に適用、F2 は実用には後 4 年かかり、タイミングは
32 nm node になると纏めて、この時点で既に F2 157 nm を断念している。2004 SPIE AL
では、IMEC、
Selete からの報告も含めて 80 件近い Paper が 157 nm 関連で報告され 157 nm
開発は終息し、翌年の SPIE AL では件数が激減している。流れは完全に液浸に移行し、2004
年に Paper がエントリーされる 2005 年 2 月末の SPIE AL Symp.にその反映が見られる。

21

Paper counnts in SPIES
syymposiium
160
140
120
100
80

157 nm (F2)60

immersio
on_AL

40
20
0

図 8 SPIES
AL Pap
per 数

(東川
川が集計)

N
Nikon は結果
果的に三つのの失策を犯ししたと考えてている。Nikoon は Owa 氏
氏の上述の PaperP
で引用用されている
るように特許許[23], [24]でス テージ上での液浸構成技
技術(Local ffill)をカバーし、液浸露光
光装置で最終終的に採用さされたローカカルフィル方方式のコンセセプトで先行行したのでははないかと思思われるが、、先行の優位
位性を維持でできなかったた上に、NA>>1 の製品と して、NA 1.07 のレンズ
ズ搭載機を出出し、時期的的な先行を狙狙ったもののの、対する ASML
Aのミラ
ラーを組み込込んで構成すする高 NA の本命、のCata
adioptic でのの NA=1.2 の製品に十分の対抗出来なかかった。さららに、
Cataddioptic の世世代では、Nikon はミラ ーが三枚の奇奇数の構成ととなり、マス
スクパターン
ンが反転し、、対する AS
SML が偶数数の構成でマ スクが従来どおりであっった為、Nikkon 社が顧客
客に心理的 な負担を強いた[25]。また、高 NA 化の選択で
で ASML 社が純水液浸
社
浸の限界 NA=1.35
A=1.20 の次の製品としてて）を製品化化していく戦戦略に対し NA=1.30
Nの設設計を投入すする判（NA断をした。この三三点を指摘ししたい。さららに指摘したたい点がある。Nikon 社はは Local fill・・液浸対策で社外をを活用しきれれなかった。 トラックのの雄 TEL とのの共同開発もも排他的に寄寄与し欠陥対たのかか判然としなない。
一一方、ASML
L 社の ArF 液浸開発に 於ける顧客とのかかわり方が最終的的な優位に結結びついたと考えているる。その前にに、ASML にはは二つの幸運
運とも呼べる
る要素があっったと考えられる。
容易に他社にに先駆けて実実機で液浸ス
スキャン露光
光に漕ぎ着けけ、技術開発発を先一つは、比較的容
は、SVGL 社
社の買収によより、F2 1557 nm のププロト機を SVGLS
行出 来たこと、 もう一つは
ascan VII で提供できたでた点である。 前者には TW
WINSCAN プラットフォ
プォームの寄与
与が考
Micra
えられ
れる。計測をを Dry で、露露光を Wet で行う構成が既に完成していた TW
WINSCAN で実現で22できた。アライメントや高さマッピング(フォーカス)を Dry の状態で行い、レンズの下部では液浸状態で露光する構成である。対して Nikon 社は最終的に Tandem stage と呼ぶ設計を新たに開発し、計測専用のステージを用意することになった。また、Carl Zeiss 社が NA>1の Catadioptric 光学系の設計で先行できたことも ASML 社にとって大きかった。顧客とのかかわり方の中でも、IMEC の液浸露光技術の開発が果たした役割は大きい。歴史的に IMEC
は設立当初から ASML 社の開発と密に係わってきた。開発機を導入した IMEC、TSMC の
存在は ASML 社の開発と共に考える必要がある。液浸露光技術の開発では、液浸固有の欠陥の発生に悩まされていた。TSMC をはじめとする複数のデバイスメーカが開発機を導入して液浸欠陥の評価を進めた。当時、露光装置メーカは開発に使える欠陥検査装置を自前で所有していなかった。欠陥検査をこなせる場はデバイスメーカであった。また、欠陥に関係してレジストなどの材料開発が並行して進む状況の中でもあり、開発機を多く出荷して、デバイスメーカのフィードバックを多く得られる状況が ASML の開発を加速した面がある。IMEC はまた多くのレジストメーカと開発のスキームを持ち材料開発で優位に立ち
ASML 社の装置開発にフィードバックが働いたと考えられる。開発段階で実験機を多く提供できたかの差が課題の解決に優劣をつけたのではないかと考えられる。ASML 社はまた顧客に積極的に自社 CR のデモ機を解放した。持ち込まれた材料・プロセスのフィードバックだ
けでなく、顧客の取りこみに寄与したと考えられる。その点でも、Nikon 社、Canon 社は
限られた場で開発を進めていたと言える。さらに ASML 社 XT:1400i NA=0.93 が果たした役
割が無視できない。Dry の設定も可能となる仕様は、出荷されなかった F2 157 nm AT-1600の代替え機となったと想定され、また Nikon 社のレンズで実現する NA 1.07 液浸機 NSR
S-609C への顧客の流出を阻止している。
2007 年に Nikon S610C (NA 1.30)と TWINSCAN XT:1900i(NA 1.35 ASML 社液浸第五世
代)が出荷されて優劣が決まった。それ以前は数%であった日本市場での ASML の飛躍は2007 の液浸露光装置の納入にある。さらに Nikon 社にとって厳しかった状況はリーマンシ
ョックによりもたらされた市場の急激な萎縮により発生している。国内デバイスメーカの惨状もある。2009 年に各社売り上げが激減した中で ASML 社のシェアは増大し決定的な差となった。その後、円高も加わって Nikon、Canon の回復は見られず、Canon 社は液浸露
光から脱落した。
G 線にはじまり i 線、KrF、ArF と進んだ開発競争の最後に登場した ArF-immersion は
非常に短期の決戦であった。二年足らずで NA 1.35 まで進展している。Nikon 社が NA 1.07
で先行し、NA 1.30 を開発した。ASML 社は Dry/Wet 選択可能な NA 0.93 から、NA 1.20、
NA 1.35 へと進んだ。現時点(2013)では Nikon 社は、1.35 の製品で性能競争に挑み挽回を図っている。ASML 社は 1150i、1250i を alpha 機、pre-production 機の位置づけで出し、1400i
を Dry の限界 NA 0.93 で Dry/Wet の生産機として提供する顧客対応で研究開発というビジネス領域から工場投資に誘導し、液浸の本命である NA>1 の製品では、Nikon 社の先行を許さなかった。NA 1.20 の 1700i の出荷が 2006 年末までに 25 台程度まで伸びその後の顧客

23

確保に着実に結びついた点も注目される。特に NA 1.35 の製品の発表が Nikon 社の NA 1.30の製品発表に遅れること数日の Semicon West 2006 期間中になされた点で顧客に与えた効果は絶大であったと考えられる。1.30 と 1.35 の NA の差は、実質の転写性能以上に心理的に顧客に大きな影響を与えたのではないかと思われる。
2008 年には、各社明確に次世代高屈折率液浸液を用いる露光装置開発を選択肢から切り捨て、193 nm 水液浸露光による延命が本命となった。開発の軸足は精度、スループットの改善となり、ユーザーにより多くの補正技術を提供する機能が搭載された。合わせ精度≦ 2 nm、スループット ≧200 wafers/hour (300 mm wafer, 125 Shots)が当たり前のターゲットになった。
ASML 社は NXT プラットフォームを投入し、Nikon 社はタンデムステージとローカル
フィルノズルに加え、新たに 3 つの新技術（Bird's Eye Control, Stream Alignment, Modular2
Structure)を採用した Streamlign Platform を投入している。大きな差を生んだ 2009 年では円高が国内デバイスメーカの低落と相まって Nikon 社のシェアを低下させた。ユーロ安の貢献度は大きい。

4.4

F2 157 nm の終息

どちらかと言えば最大の貧乏くじは Canon であったのではないかと考える。2005 年には、Dry の露光装置をベースとした NA 0.93 の液浸露光装置が登場し、2006 年には NA>1.0の製品が納入され完全に液浸になっているにもかかわらず、当時の Selete が Canon 社の
157 nm 露光機 FS1 を抱え続け、デバイスの研究開発に使う延命策を選択し、Canon の負担が継続した為、結局 IMEC の廃棄から 3 年以上稼働をサポートし、その間、Canon の負担は軽減されなかった。Canon 社は SVGL 社との提携交渉が拒絶にあった後遺症から脱却できなかった最悪期に F2 に取り組んでいたとも伺える。逆に ASML 社は、抱えていた 157
nm 露光装置の受注を最終的に 193 nm 露光装置に切り替える顧客対応等で早々に処理してしまった。ASML 社、さらには、Carl Zeiss 社、Schott 社などの研究開発資金が公的な資金に多くを依存しており開発の中止に伴う後遺症は軽微とされている点にも注目しておかな
ければならない。
F2 157 nm の開発の中止では、IMEC のすばやさも際立っている。SVGL Micrascan
VII(2003.4 の出荷)も数ヶ月稼動しただけで、撤去する決断である。この点でも ASML 社の負担は軽減されている23, [26], [27]。

4.5

ASML 社の躍進- 半導体装置メーカの頂点へ -今日、最先端露光装置は、NA 1.35 の 193 nm ArF 液浸露光装置である。NA 1.35 は 193
nm における純水の屈折率 1.44 で実現可能な NA の限界に位置する。いち早く NA 1.35 を出荷した ASML 社が市場を席巻した。ここに至って露光装置メーカの優劣が確定したかに
23

http://www.takeda-foundation.jp/reports/pdf/prj0103.pdf

24見える。NA 1.30 で対抗できずに遅れて NA 1.35 を投入した Nikon 社は、残念ながら劣勢を挽回できていない。Canon 社は更に凋落し、液浸露光装置のビジネスが成り立っていない。
2011 年の半導体装置サプライヤのトップに ASML が躍り出ている。

5. 失敗に終わった F2 157 nm
F2 157 nm リソグラフィの延命の検討から液浸が始まり、ArF 193 nm 純水液浸リソグ
ラフィが実現した。ArF 193 nm 純水液浸の次の世代は NA 1.35 の壁を打ち破る超高 NA 液浸とされ、高屈折率材料開発が進められた。超高 NA 液浸の実現は硝材、液浸液、レジストの三要素 CaF2、純水、ArF_CAR 全てを新たな高屈折率材料で置き換えて初めて実現される。第二世代 NA ~1.55、第三世代 NA ~1.70 に向けて、共晶、Nano Particle に至る材料まで探索されたが材料開発の壁は越えられなかった。2007 年を過ぎると DP が、32 nm、22 nm世代の技術になっている。ArF 193 nm 超高 NA 液浸に展望が拓けなくなりさらに厳しい F2
157 nm 液浸も完全に舞台から消えた。厳しい F2 157 nm の要求が鍛えてきた技術は生きている。合成石英の品質、パージにかかわる技術、さらに F2 157 nm Catadioptric 光学系の検討が ArF 193 nm NA>1.0 の設計に引き継がれたことも容易に推察される。
IBR の設計制約のみならず大口径 CaF2 の製造問題を抱えていた F2 に比べて、確立していた硝材、レーザ光源、マスク、レジスト、さらにペリクル技術が使える ArF のインフラが短期の ArF 液浸開発に結び付いた。
もっとも大きな違いは、F2 は透明材料、液浸は液浸欠陥が鍵となった点である。硝材
CaF2 の開発は出発材料の精製、結晶成長(Czochralski 法)という数ヶ月を要するサイクルである。大口径化でさらに期間が増す。白金るつぼは高価で開発段階でも設備投資負担は重い。F2 157 nm 露光装置の量産に対応する為にはさらに巨額の設備投資が求められる。開発に成功しても大口径 157 nm レンズ仕様の CaF2 には他の用途が無く、F2 157 nm から次のリソグラフィ技術に移行した段階で市場は収縮する。対して液浸欠陥は欠陥検査装置が制約であったが日の単位で実験サイクルが回った。この開発サイクルの違いは 2002 年 SPIE
からほぼ一年で液浸が本命視され、2003 年には実験機が登場し、矢継ぎ早に既存の露光装置を改造した実験機が欠陥検査装置を有する顧客に提供され、多くのレジストメーカが参画できた点でも際立っている。液浸欠陥の低減は加速され、一年足らずで二桁改善されている。
言い方を変えれば、F2 は科学の世界で、液浸はエンジニアリングの世界ではなかったのかと考える。液浸への流れの全ては純水を選択した時点で決まっていたのかもしれない。
ArF 193 nm 液浸の開発では純水の選択が決定的な役割を果たした。特徴を整理しておく。
1.

屈折率 1.44(at 193 nm)は 134 nm 相当。NA 1.35 が得られる。

2.

表面張力。

3.

蒸気圧。

25

4.

純水処理技術が使える。純度、脱気・脱泡。

5.

コスト、安全。排水(廃液)に障害はない。

6.

撥水技術。(トップコートは既に CAR で実績。)

7.

高 NA の本命 Catadioptric 光学系は F2 開発で検討していた。
水の表面張力、撥水が無ければ Local Fill の実現性はなかった。
結局、F2 157 nm は Intel 社が加速に働き SEMATECH を動かし、Intel Peter Silverman

が 2003 年 5 月に Intel 社の 45 nm node のロードマップから外すと公言して F2 157 nm を終わらせてしまったとも見える。結果的には非常に賢明な判断でありこの Intel 社の動きがさらに ArF 液浸の開発を加速した。動きの鈍かった SEMATECH も、2003 年に効率的に
Meeting を開催して液浸への流れを作った。ArF 液浸開発では、Local fill concept を打ち出
した Nikon 社に勝機があったのではないかと考える。液浸露光装置のプラットフォームの基本となった機構の提案であり Local fill concept 無しでは今日の液浸は有り得なかった。

6. おわりに
本稿の主題を F2 と ArF 純水液浸に置いた。何故 F2 が登場できなかったのか、何故 ArF
液浸が純水を得て成功したのか、開発の流れを追って考察した。Hard ペリクルの開発が頓挫した為欠陥のレベルは判然としないが、IMEC、Selete でのプロト機のデータで F2 の転写性能を検証できた。Selete が BEOL プロセスの開発に適用した実績は、レジスト開発があるレベルまで達成できたことを物語っている。筆者は、F2 が登場しなかったことよりも終息に課題があったと考えている。また、液浸技術開発では、顧客を取り込む仕組みが働いた。液浸欠陥対策は、露光装置と材料・プロセスの” Total solution”であり、開発段階で用いられた露光装置の機構・機能との組み合わせに制約され、他社の露光装置を導入するにはリスクを伴い、露光装置購入を一社に集約する結果を生んだと推察している。積極的に多くの実験機を提供し、多くの顧客と欠陥対策を進めた ASML の戦略が、Nikon、Canonを圧倒したのではないだろうか。AMAT 社の導入もその典型と考えられる。2001 年から2004 年の期間、Nikon と ASML/Carl Zeiss が特許で争っていたことも技術開発競争と共に考える必要がある。2004 年には、”cross-license”と 1 億 4500 万ドルの和解金を Nikon が得る形で決着しているが、その後の ASML の躍進を止めることは出来ていない。液浸露光装置の開発で実を得たのは ASML だった。(Canon とは 2007 年に”cross-license”に至っている。)
SEMATECH、ANT、IMEC、Selete を比べると唖然となる。ANT は 2004 年 8 月 AT:1150i、
IMEC は数か月後 12 月に TWINSCAN XT:1250i を入れている。IMEC は 2004 年 9 月にはTEL と液浸に関わるコラボレーションを始め、F2 露光プロセス開発の IIAP プログラムを
ArF 193 nm 液浸プログラムに切り替えている。日本からは松下、ソニー、NEC が参加し26ている。SEMATECH も Exitech、Amphibian Systems の装置を導入して開発している。しかし、Selete では、液浸に関わる開発は出来ていない。2001 年に始まった Selete 第二期
F2 開発計画に引きずられている。IMEC、SEMATECH の F2 の終息は素早い。
ITRS Roadmap だけでなく、Intel の公開する Intel Roadmap も影響力が大きい。Intel
は ITRS の主で有るだけでなく、Intel Roadmap の公開を戦略的に実施し技術開発を誘導している。SEMATECH のコントロールも出来ている。巧みな誘導は EPL、EUVL から F2 への切り替えを促し、SEMATECH のプログラムに加えて、SEMATECH 主催の Workshop、
Symposium を働かせた。液浸では、2002 年の Workshop で"Top ten issues"をリストし、Resist、Bubbles、Fluids Properties の三つの Task Force を走らせ 2003 年の Workshop で”nocritical issues”と纏め液浸への流れを鮮明にした。その間、SPIE AL を経て Intel Roadmap
から F2 157 nm (@45nm, 2007)を外すメッセージを関係者に発信している。デバイスの特徴が Intel の戦略をさらに巧妙にしている。Logic デバイスは冗長回路救済が困難で欠陥のレベルは Flash>>DRAM>>>CPU の順で厳しい。Intel は液浸欠陥の低減を自社で進めるとともに Flash、DRAM メーカが生産現場で習熟されていく技術を把握して液浸技術の導入を見極める。
次世代リソグラフィ技術の選択に於いては常に解像性能が重視される。縮小投影露光の解像限界は二光束干渉条件 k1=0.25 で計算される理論値を超えることは出来ない。波長と NA で容易に予測が出来た。液浸の延命は既に無いが、DP/MP を液浸の延命の範疇とす
るならば、EUVL が登場すれば、Dry → Wet → Vacuum と技術の流れを説明することになるのかもしれない。
デバイスメーカの寡占化とともに露光装置メーカが淘汰されてきた。しかし、過去、
新たな技術領域に踏み込む都度、既存技術を席巻する都度露光装置メーカの主役交代が演じられている。縮小投影露光に代わる NGL の登場がある時、また覇者が変わるのではないだろうか。
NGL の登場以前に 450 mm が始まっている。Foot print という視点では TWINSCAN
Platform の単純延長は負担が重い。Nikon が開発した Tandem stage のコンパクトさに期待したい。巨額の開発投資を要求される 450 mm に失敗は許されない。
科研費プロジェクト：「産学官連携によるイノベーション過程の研究」に携わる機会を得て 2000 年前後の次世代リソグラフィ技術開発の置かれた状況を調査した。半導体の歴史
はリソグラフィの歴史でもある。デバイスでは Moore’s Law の終焉が囁かれている。リソ
グラフィはコンタクト、プロキシミティ、縮小投影露光と進み、縮小投影露光は g 線、i 線、KrF、ArF と短波長化を成し、Stepper、Scanner、Immersion Scanner とプラットフォーム
を進化させて対応した。2007 年に ArF 193 nm 液浸露光装置が NA 1.35 の限界に達してから DP、MP が Moore’s Law を維持してきた。DRAM、NAND Flash に代表される Charge
がビット情報を記憶する Memory の限界も近いとされる。技術が揃わなければ次世代に移27

行出来ない。デバイスビジネスを取り巻く状況は激変している。規模拡大・寡占化の時代の先は見え難い。F2 157 nm 開発が頓挫し ArF 193 nm 液浸が純水で陽の目を見た。そこには開発を加速した情報の流れと共通認識の醸成が働いた。加速は F2 157 nm を見切ることで得られた。ITRS の Roadmap に見られるように常に技術を網羅して候補を挙げ、評価し、Roadmap を更新し続けるサイクルが Moore’s Law を支え続けてきた。F2 は外れた段階で処理の俊敏さが問われた。世代を支えるリソグラフィ技術の主役は常にひとつに集約されていく。多くの情報の中から同業他社の選択肢を見極める力が問われる。
最後に本プロジェクトに参画し推敲の機会を与えて頂きましたことを感謝いたしま

す。
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Jul. 18, 2001[13]. John H. Burnett, “Stress-Optical Coefficients of 157 nm Materials”, (SEMATECH
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11-24(2002),

From

Conference

Volume4688

Emerging

Lithographic

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Technol. B, Vol. 19, No. 6, pp. 2353-2356, (Nov. 2001). From ICEIPBTN: 45th
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(November 20, 2008)[26]. 「（財）武田計測先端知財団
Microelectronics Center)

IMEC

2008/9/9

第 3 章 IMEC (Interuniversity－世界の半導体企業にとって魅力ある独立研究機関

29－」http://www.takeda-foundation.jp/reports/pdf/prj0103.pdf[27]. 国立科学博物館 HP 産業技術史資料情報センター「露光装置技術発展の系統化調査」[28]. USP 4346164 “Photolithographic method For The Manufacture Of Integrated
Circuits”, Filed Oct. 6, 1980, Werner Tabarelli et al. (Liechtenstein)30

補足 1 露光方法: コンタクト、プロキシミティ、プロジェクション

[1] 露光装置光学系概念図[2] マ ス ク 照 明 領 域 形 状 と ウ エ ハ で の 露 光 方 法(一括、スリットスキャン、

Step&Repeat、Step&Scan)31[[3] 露光装置
置例

ASML 社

http://w
www.asml.coom/

補
補足 2 Mooore’s Law

[[1].

"CRAM
MMING MORE COMPONE
ENTS ONTOO INTEGRATEED CIRCUITSS", ELECTRONICSMAGAAZINE 19 APR
RIL 196532[[2].

“Cram
mming more Progress inn Digital Inttegrated Ele
ectronics”, 1 975 IEEE, IEDM
Tech DigestD
p. 11-13[[3].

“Lithography and the Future oof Moore's Law”,
L
Proc. SPIE
S
Vol. 24437, May 19
995

[[4].

ftp://download.inte
el.com/resea
arch/silicon// Gordon_Moore_ISSCC
C_021003.p
pdf

33

100,000.000

100,000
1

1,000.000

10,0001

10.000

1,000
1

0.100

100
1

0.001

10
1
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Year

[[5].

CPU TrT 数、プロセ
セス微細化のの歴史[[6].

http://fforum.hardm
mac.com/ind
dex.php?sho
owtopic=104452

Process [nm]Transistors [M Tr]

CPU History
H- Tran sistor cou
unt & Proc
cess -

Transisstors [M]
Processs [nm](公開情報をもとにグラフをを作成)((& http://dow
wnload.intel.com/newsro
oom/kits/22n
nm/pdfs/22n
nm-Details_P
Presentation
n.pdf)

34

[[7].

Sourcce Intel: Intell Tick Tock[[8].

Sourcce Intel, http://www.anan
ndtech.com//show/2161/4hhttp://maltiell-consulting..com/Siliconn_Technolog
gy-Intel_32nm_Microproocessor_Sys
stemon-Chip_SOC.pddfh
http://www.in
ntel.com/con
ntent/dam/d oc/technology-brief/32n
nm-logic-highh-k-metal-ga
ate-transisstors-presen
ntation.pdf

35

[9].

ITRS/EEtimes: fig. 1. Industry has traditionally partitioned process development
and yield improvement into three phases.

[10]. Source ITRS: www.itrs.net/

36[11]. http://webarchive.iiasa.ac.at/Research/TNT/WEB/Research/Understanding_the_dynamics_of_/DRAM_4/dram_4.html[12]. http://webarchive.iiasa.ac.at/Research/TNT/WEB/Research/Understanding_the_dynamics_of_/DRAM_5/dram_5.html

37

[13]. Sourcce IC Knowle
edge:

38

http://wwww.icknow
wledge.com//news/Econo
omics%20off%20the%200ITRS%20re
ev%2
01.pdff((注

台数ベ
ベースのグラフである。))[[14]. http://wwww.siliconsemiconducctor.net/artic
cle/74993-Ca
an-Nikon-or--Canon-Eve
er-Catch-AS
SML-in-the-L
Lithography--Market.php

39

[15]. http://wwww.asml.c
com/doclib/in
nvestor/pressentations/20
010/asml_20100512_20
010-0
5-12_
_DB_Singapore_Confere
ence.pdf

40[[16]. Bank of America, 37th Annuaal Investmen
nt Conferencce, San Franncisco, CA, Craig
ung, VP Inveestor Relatio
ons, Septem
mber 18, 200
07
DeYou

41

補足 3 F2 157 nm の抱え続けた課題

1.

F2 157 nm は EPL、EUVL などの開発に展望が拓けずに浮上したこともあり、もともと開発期間に余裕がなかった。

2.

F2 157 nm は ITRS2002 時点では 65 nm 一世代限りの技術であった。

3.

ArF 193 nm 水液浸は 134 nm 相当であり、F2 157 nm Dry に比べて微細化限界が伸びる。

4.

ArF 193 nm 液浸には純水に続く高屈折率液体の採用による延命の可能性があった(NA>1.35:

193 nm 超高 NA 液浸)。対して、純水の透明度の問題から F2 157 nm 水液

浸は無かった。
5.

F2 157 nm では、透明材料が乏しい。材料開発は時間がかかる。挫折するリスクがある。（純水液浸延命で取り組まれあた高屈折率材料探索も同類）

6.

・

CaF2 透明度、照射耐性、大口径化

・

CaF2 IBR

・

ペリクル材料CaF2 は結晶で非晶質の石英に比べて面精度が出なかった。研磨技術開発が必要になったが、収差・フレアレベルの達成に難課題があった。

7.

パージ、コンタミネーション対策が ArF に比べて桁違いに厳しかった。

8.

157 nm レーザの狭帯域化がパワーと両立せず Catadioptric 光学系が新たに必要であった。そこに IBR 対策の設計変更が入った為開発に遅延が生じた。
補足 2 略語

・

ANT/CNSE Albany Nanotech/College of Nanoscale Science and Engineering

・

ASPLA

Advanced SoC Platform Corporation (ASPLA)・CAR

Chemically Amplified Resist (CAR)・CoO

Cost of Ownership

・

DARPA

Defense Advanced Research Projects Agency

・DoF

Depth of Focus

・

DP/MP

Double Patterning/Multiple Patterning

・

EIAJ

Electronic Industries Association of Japan

・

EIPBN

EIPBN, the “3-Beams”, Conference・

EPL Electron-beam Projection Lithography (EPL)

・

EUVL

Extreme Ultra Violet Lithography

・

HALCA

高効率次世代半導体製造システム技術開発（Highly Agile Line Concept

Advancement）
・

東北大学

日本電子機械工業会（EIAJ）

未来科学技術共同研究センター

i SEMATECHIternational SEMATECH
42

・

I300I

・

IBR Intrinsic BiRefringence (IBR)・ILT Inverse Lithography Technology (ILT)

・

IMEC

Inter-University Microelectronics Center

・

ITRS

International Technology Roadmap for Semiconductors

・

J300

an alliance of five Japanese trade groups (JEIDA、JSNM、SIRIJ、EIAJ、International 300 mm Initiative (I300I)

SEAJ)
・

JEIDA

Japan Electronic Industry Development Association 日本電子工業振興協

会
・

JEITA

Japan Electronics and Information Technology Industries Association

一般社団法人 電子情報技術産業協会（JEITA）
・

JSNM

Japan Society of Newer Materials 社団法人新金属協会

・

MIRAI

半導体 MIRAI プロジェクト(Millenium Research for Advanced Information

Technology)

独立行政法人産業技術総合研究所

・ML2 Mask Less Lithography

・NA Numerical Aperture

・

NEDO

NEDO（New Energy and Industrial Technology Development Organization）

独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
・NGL

Next Generation Lithography

・

NIST

米国商務省の R&D 担当機関である国立標準規格技術研究所（National

Institute of Standards and Technology
・

NTRS

National Technology Roadmap for Semiconductors

・OPC

Optical Proximity Correction

・

PREVAILPREVAIL - Projection Reduction Exposure with Variable Axis Immersion

Lenses、IBM・

PSM

Phase Shifting Mask

・

SCALPEL

Projection Electron Lithography (SCALPEL)The SCattering with

Angular Limitation Projection Electron-beam Lithography (SCALPEL) 、Bell Lab.
・

SEAJ

Semiconductor EquipmentAssociation of Japan

社団法人・日本半導体製造装置協会（SEAJ）
・

Selete株 式 会 社 半 導 体 先 端 テ ク ノ ロ ジ ー ズ Semiconductor Leading Edge

Technologies, Inc.(Selete)
・

SEMATECH SEmiconductor MAnufacturing TECHnology

・

SEMI

・

SIA Semiconductor Industry Association 米国

・

SIRIJ

Semiconductor Equipment and Materials International

Semiconductor Industry Research Institute Japan (SIRIJ)
43

・

SPIE/ SPIE AL

SPIE Advanced Lithography Symposium The Society of

Photographic Instrumentation Engineers
・

SRAF

SRAF(sub resolution assist features)

・

STARC

株 式 会 社 半 導 体 理 工 学 研 究 セ ン タ ー (Semiconductor Technology

Academic Research Center)・

WSC

世界半導体会議（WSC: World Semiconductor Council）

44