先端半導体の製造に欠かせないEUV（極端紫外線）露光装置が、日本国内に本格的に導入される。露光装置は、回路パターンを焼き付けるための装置。開発以前は「実現不可能」ともされていた同装置は、実際にどう動作するのか。世界で唯一開発するオランダASMLの日本法人に聞いた。
半導体デバイス微細化のカギとなるのが、波長13.5nmの極端紫外線を使うEUV露光装置だ。フォトリソグラフィー工程において、フォトマスクのパターンをウエハー上に転写する露光を担う。7nm世代以降のロジック半導体や最先端メモリーの製造で不可欠な同装置は、世界でオランダASMLだけが供給している（図1）注1）。
米Intel（インテル）や韓国Samsung Electronics（サムスン電子）、台湾積体電路製造（TSMC）といった大手半導体メーカーはASMLのEUV露光装置を導入して先端半導体デバイスを量産している。一方、大手3社のような先端半導体デバイスの製造拠点を持たない日本では、これまで同装置による本格的な量産はなかった注2）。
ところが近年、風向きが変わり始めた。国内企業の支援を受けて設立された半導体企業Rapidus（ラピダス、東京・千代田） は、北海道の半導体工場にEUV露光装置を導入すると表明した。米Micron Technology（マイクロン・テクノロジー） も広島工場に、同装置を導入する見込みだ。
いよいよ国内にも本格的に導入されるEUV露光装置。技術的な特長はどこにあるのか。ASMLの日本法人であるエーエスエムエル・ジャパン テクニカルマーケティングディレクターの森崎健史氏によると、同装置を構成する高精度な「ミラーレンズ」と、出力25kWの炭酸ガス（CO2）レーザーを用いた「EUV光源」の実現が、同装置を開発する上で壁だったという。
ミラーレンズでEUV光を届ける
半導体デバイスの製造に必要なフォトリソグラフィー工程は、エッチング工程の前段階に当たる工程で、大まかに（1）フォトレジスト塗布（2）露光（3）現像の3段階を経る（図2）。
まず、ウエハー上の薄膜にフォトレジストを塗布し、パターンが描かれたフォトマスクを用いて露光する。このときウエハー上に投影されるのは、フォトマスクのパターンを縮小したパターンだ。現像すると、露光したパターンに従ってフォトマスクが取り除かれ、薄膜が露出した部分が現れる。そして、その露出部分だけを後のエッチング工程で削り取るという流れだ。
一連のフォトリソグラフィー工程の中で、露光装置はその名称の通り、フォトマスクを使った露光作業を担う。一般に、短い波長の光源を使う露光装置ほど、微細なパターンを露光できる。EUV光による露光技術は現時点で最先端とされ、前述の通り世界ではASMLだけが同装置の量産に成功している。
同社のEUV露光装置では、光源から出力したEUV光をミラーレンズ†で反射させながらフォトマスクに届け、フォトマスクで反射したEUV光を、さらにウエハーに届ける（図3）。露光を終えたらステージ上のウエハーを動かし、次々と同じパターンを照射していく。
EUV光はさまざまな物質に吸収されやすく、空気にも吸収されるため、前述した一連の機能は真空チャンバー内にある。
光の反射を多用しているのも特長だ。従来の露光装置では、光源からの光がフォトマスクとレンズを通過した後、ウエハー上のフォトレジストに届く。写真機と似た仕組みだ。
一方、EUV露光装置では、EUV光源からの光をフォトマスクに当てた反射光を利用する。反射を多用するのは、透過させるとそこでEUV光が吸収されてしまうため。フォトマスクのパターンを縮小投影するのに使うレンズも、反射を利用するミラーレンズだ。
ミラーレンズの製造元は独Carl Zeiss（カール・ツァイス）の子会社。微細なパターンを投影するために、同レンズの表面加工には高い精度が必要となる。具体的には、表面粗さ50pm（ピコメートル、ピコは10－12）以下の精度で磨かれており、「ドイツの国土面積に対して高さのばらつきを1mm以下に抑えるようなもの」（森崎氏）という。
スズの液滴に25kWのレーザーを照射
EUV光源の開発も、技術的に難易度の高い挑戦だった。ASMLのEUV露光装置では、まずスズ（Sn）を溶かした微小な液滴を出力し、その液滴に炭酸ガスレーザーを照射することで、プラズマ発光を得る。その光をコレクター（集光器）で集めて送り出し、EUV光源とする仕組みだ（図4）。
より強力なEUV光を得るには、レーザーの出力を大きくしたり、液滴の数を増やしたりする必要がある。そこで、「レーザー兵器にも匹敵する」（森崎氏）という出力25kWの炭酸ガスレーザーを採用した注3）。
スズの液滴の直径は約25µm。「ドロップレットジェネレーター」と呼ぶ装置で、毎秒5万個を打ち出す。ここで発光効率を高めるため、毎秒5万個の液滴に対して、それぞれ2回ずつレーザーを正確に照射する。「1回目の照射でスズの液滴をふわっとした雲状にしてから、さらにもう1度照射する」（森崎氏）
ただし、レーザー出力25kWのうちEUV光として変換されるエネルギーはわずか数％。残りのエネルギーは主に熱に変わるため、コレクターをはじめとする光源の周辺には、水冷機構を配置している。
ASMLが世界で独占供給するEUV露光装置は、こうした要素技術に支えられているというわけだ。
高NAで大型化するEUV露光装置
2nm世代以降のさらなる微細化に向けて、EUV露光装置の技術動向として注目されるのが、開口数（NA）の向上だ。開口数はレンズの集光効率を表す指標で、その数値が大きい露光装置ほど、微細な露光が可能とされる。
現在のEUV露光装置は開口数0.33が主流で、ASMLは開口数を0.55に高めた装置を開発している。2023年12月、同社は高NA装置の第1号機をIntelへ出荷したことを明かした。Intelは1.4nm世代の製造プロセス「Intel 14A」で同装置を利用し、2027年ごろに量産を開始するとみられる。
高NAへの対応によって、露光装置やフォトリソグラフィー工程は何が変わるのか─。森崎氏によると、高NAのEUV露光装置でも波長13.5nmの極端紫外線を使う点は変わらないものの、まずは装置サイズが大型化する。
例えば、前述のミラーレンズは、従来よりも加工精度を高めた上で大型化する必要があり、それを複数収める真空チャンバーも大きくなる。「従来は装置1台を分解して客先へ運ぶのにジャンボジェットの貨物機3機分で済んだが、高NAでは6機分になる」（同氏）
加えて、機械的な動作速度を高める必要もある。開口数の向上は微細化につながる一方、1度の露光面積が半分になるからだ（図5）。
現行のEUV露光装置では、フォトマスクのパターンを縦方向と横方向の両方で4分の1に縮小してウエハー上に投影する。それに対して、高NAでは光学上の都合から縦と横で縮小率が異なり、縦は4分の1、横は8分の1になる。すると、同じ動作速度のままでは、ウエハー単位で生産性が半分になる。
そこで同社は、ウエハーを載せるステージなどの機械部分について、位置決め精度を高めるのと同時に、動作速度の向上を図っている。「仮に、現行装置の処理能力が1時間当たりウエハー200枚であれば、顧客は高NAでも同じ処理能力を求めてくる」（森崎氏）からだ。
半導体デバイスの微細化に欠かせない最先端技術という意味で、高NAを含むEUV露光技術には注目が集まる。一方、ASMLはEUV露光が登場する前の世代に当たる液浸露光装置†の開発も続けている。「使える技術は共通化しながら開発効率を高め、コストを下げていく」（森崎氏）考えだ。
