EUVリソグラフィーマシンの控えめな王様
コア不足、TSMC、地政学などの複数の要因の影響により、半導体業界への注目が急速に高まっています。 これにより、ASMLは、その背後にある半導体産業の発展を静かにサポートしているこれらの企業を前面に押し出しました。 半導体装置の世界有数のサプライヤーとして、オランダのこの会社は、世界のチップ生産でバイパスできない重要な装置であるリソグラフィーマシンを提供しています。 特にEUVリソグラフィーマシンでは、市場の注目は前例のないものです。 これは、このデバイスが7nm未満のチップ製造プロセスの鍵であるためです。一方、このデバイスの価格は数億ドルにも上り、ASMLだけがそれを行うことができます。 そのため、世界中から大きな注目を集めていることは理解できます。
多くのアナリストが言っているように、EUVリソグラフィーマシンは実際にはチップ製造の「王冠」と呼ぶことができます。
ASML技術開発担当副社長のトニー・イェン氏は、EUVリソグラフィーマシンを例にとると、今年3月のメディアとのインタビューで、EUVリソグラフィーマシンは10万個以上の精密部品で構成されていると述べました。関連レポートでは、EUVリソグラフィーも指摘されています。機械重量180トンで非常に大きい。250ワットの電力を維持するには12億5000万キロワットの電力が必要。ASMLを紹介した前回の記事で、EUVリソグラフィー機械の輸送には40個のコンテナ、20台のトラック、3台が必要であるとニューヨークタイムズは強調した。ボーイング747飛行機。
このような巨大なものは、ウェーハ上で非常に高精度な作業を行うだけでなく、より高い生産能力を維持する必要があります。その構成要素の観点から、「リソグラフィーマシン」の名前が定義するように、「軽量」です。 EUVリソグラフィーマシンの重要な部分になっています。これらすべてを理解するには、まずリソグラフィーマシンの動作原理について説明する必要があります。
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公式から話す
ASMLが述べたように、リソグラフィの本質は実際には投影システムです。光はレチクルを通して投影され、ウェーハ上に画像化され、最終的にウェーハ上に層ごとに複雑なトランジスタを構築します。リソグラフィー技術では、旅の途中で常に「より小さな」方向に向かっています。リソグラフィーの分野では、「ムーアの法則」のような業界の発展を導く公式があります。ムーアの法則とは異なり、この物理的な公式によって明らかにされた光学原理は、より克服できないようです。これは、ASMLのほぼすべてのオフィスに共通するレイリー基準の公式です。
上の図に示すように、レイリーの式では、K1は定数であり、チップ製造プロセスに関連する多くの要因に依存します。 ASMLによると、その物理的限界は0.25です。 λはリソグラフィーマシンで使用される光源の波長を表し、NAは光学デバイスの開口数であり、光を集めることができる角度の範囲を表します。CDは線幅、達成できる最小のフィーチャサイズを表します。 、そして私たちが話しているのは数ナノメートルのチップです。、このCD値を小さくすることです。
10000ｍｗ高出力レーザー
式から、CDを小さくするために、K1とλを減らすことに加えて、NAを増やすこともCDを減らすためのオプションであることがわかります。著者の理解によれば、K1の現在の値は限界に近づいています。このため、業界は、λを減らし、NAを増やすことを、ムーアの法則を継続するための重要な方向性と見なしています。
NAに関しては、報告によると、ASMLは現在0.33から0.55への前進を目指しています。今年3月のsemiwikiのレポートによると、ASMLのHigh-NAリソグラフィーマシンは、執筆から現実へと移行し、モジュールとフレームワークを構築する段階に達しました。彼らの予測によると、High-NA機器の最初のバッチ（0.55NA）は2022年の後半に納品される予定です。その中で、EXE：5000システムはEXE：5200システムと一緒に開発される可能性があります。その理由は、EXE：5200システムが2025/2026にHigh-NA生産システムの最初のバッチになるためです。 Intelはまた、同社が2025年にHigh-NAリソグラフィーマシンを使用することを先に述べました。これは、semiwikiのレポートが妥当であることを示しています。
λの面では、下図に示すように、その値を小さくするために、過去数年間のリソグラフィーマシンの光源の開発は、g-lineとi-を含む高圧水銀ランプから始まりました。ライン、KrFとArFを介して、そして最近数年がEUV時代に入りました。将来的には、リソグラフィー装置の光源が、波長13.5nmのEUVから0.01nmから10nmの波長のX線に入ると予想される人もいます。
λをさらに低減するために、業界はリソグラフィーマシンの進化中に液浸リソグラフィーシステムも導入し、DUVがチップスケーリングの促進においてより多くの役割を果たすことを可能にしたことは言及する価値があります。これは、エンジニアの強さも反映しています。
上記の説明から、CDが縮小し続ける場合、λを減らし続ける唯一の方法は、継続する最も簡単な方法です。しかし、過去数年間の光源の開発を振り返ります。この一見比較的単純な道路は、実際には滑らかな道路ではありません。特に、現在世界中で普及しているEUVリソグラフィーは、サプライチェーンの共同努力の結晶と見なすことができます。
EUVが答えになります
2007年、日本の著名なアナリスト、朋子隆が「EUV量産機は実現できないのか」というテーマで、当時開発困難に直面していたEUVについて関連調査を行った。彼が提供した結果は、18人のリソグラフィ関連の担当者に尋ねた後、10人がEUVリソグラフィマシンを実現できないと答えたことを示しました。確かに、EUVリソグラフィは、このような非常に複雑なデバイスにとって非常に難しい課題です。特に光源とレンズの面で、それによってもたらされる課題は前例のないものです。
原理的な観点から、リソグラフィーマシンの動作原理は、光をフォトマスクに通し、次にそれを一連のレンズを通して収縮させ、最後にフォトレジストで覆われた基板に当たることです。フォトマスクにより、フォトレジストの一部に光が照射され、硬くなります。製造工程では、未露光部分をエッチングと呼ばれる工程で化学的に洗い流します。そうすることで、レジストの下に存在する材料も除去されます。したがって、レジストの残りの部分を除去した後、フォトマスクパターンがシリコンウェーハ（またはレジストが適用される前にシリコンウェーハ上に堆積された材料）に現れ、「刻印」される。
リソグラフィーマシンの基本原理
前述のように、より小さな「特徴」を実現するために、リソグラフィーマシンの光源は数世代にわたって進化し、ついにEUV時代に入りました。しかし実際には、これはすべてスムーズな航海ではありません。関連する報告によると、DUV後の時代には、EUV、電子ビーム、イオンビームリソグラフィの3つの候補があります。数年の開発の後、157ナノメートルの深紫外線リソグラフィオプションが追加されました。しかし、業界の参加者はついにASMLが最終的な答えであることに気づきました。より高い解像度を得るには、イオンと電子を近づける必要がありますが、これらの粒子は互いに反発し合うためです。つまり、解像度を上げるにつれて電流を減らす必要があります。ただし、この設計の悪影響は、スループットが低下することです。これは電子ビームとイオンビームにあります。
ただし、問題も発生します。
下の図に示すように、電磁スペクトルでは、極紫外線が紫外線領域で最もエネルギーが高い部分です。その波長範囲は100ナノメートルから10ナノメートルで、X線放射（
電磁スペクトル
要約すると、地球上では、EUVは完全に人工的なソースから製造されています。これにより、2つの明らかな課題が発生します。
第一に、EUV光を制御された方法で生成することは困難です。複数のイオン化された原子の内殻で励起された電子のみがEUVを放出できます。これらの電子は、高温で高密度のプラズマ（太陽の最も外側の領域など）でのみ検出され、これらの電子を作成することは非常に困難な作業です。または、シンクロトロンを介して自由電子を放出してEUV光を生成します。これは巨大で非常に高価なデバイスです。
第二に、EUV光は空気やその他のガスに簡単に吸収されます。これは、光が生成された瞬間からシリコンウェーハに当たる瞬間まで、光が高品質の真空を通過する必要があることを意味します。これはまた、「EUVレンズ」を構築することが不可能であることを意味します。代わりに、非常に複雑な曲面鏡が必要です。従来のフォトマスクも光を吸収しすぎるため、反射する必要があります。
言い換えれば、EUVリソグラフィーマシンの場合、光源とレンズ部分が2つの最大の課題になります。他のシステムと組み合わせると、これはASMLだけでは完了できない広大な設計プロジェクトになるはずです。この目的のために、オランダの巨人は業界の多くのメーカーと協力してきました。たとえば、Zeiss、Cymer、TRUMPFは、ASMLEUVリソグラフィーマシンの背後にあるめったに言及されない巨人です。
カメラの後ろの「みんな」
前述のように、EUV光の特性により、EUVリソグラフィーマシンでは反射レンズが非常に重要であり、非常に複雑です。これは主に、EUVの大部分を単層で反射できる材料が現実の世界にないためです。 。光。ただし、複数の層が相互の反射を高める可能性があるため、業界では、この方法を使用して非常に効率的なEUVミラーを作成し、画像を縮小して焦点を合わせることが検討されています。モリブデン（EUV光を部分的に反射する）とシリコン（ほとんどEUVを透過する）の交互のナノ層で作られたミラーが私たちの取り組みの方向性になっています。
しかし、そのようなEUVミラーの製造は、その表面がほぼ完全に滑らかできれいである必要があり、各ナノ層が正確に定義された厚さを持っている必要があるため、非常に複雑です。各原子を正しい位置に配置する必要があります。そうしないと、光が失われたり、画像が変形したりする可能性があります。ツァイスは間違いなく皆の助けの対象になっています。
ウィキペディアによると、1846年に30歳で、カールツァイスはイエナに精密光学機器加工工場を設立し、1847年に最初の顕微鏡を製造しました。 1866年から、エルンスト・アッベとオットー・ショットの支援を受けて、ツァイスの工場は徐々に顕微鏡の分野で発展し、光学ガラスの製造を開始しました。 1888年、ツァイスは写真業界に携わり始めました。同年、エルンスト・アッベの後援によりツァイス財団が設立されました。 1891年、ツァイス財団はツァイス工場の唯一の所有者になりました。
過去100年間の発展を振り返ると、ツァイスは常に光学関連デバイスを同社の主な方向性と見なしており、半導体は1960年代から参入した道でした。回路基板プリンター用の最初のレンズ（今日のウェーハステッパーとスキャン装置の前身）が1968年にAEG Telefunken用に製造されて以来、同社はこの市場で着実に成長してきました。
1977年にツァイスは1ミクロンの解像度のS-Planar10 / 0.28レンズを発表し、アメリカの会社David Mann（後のGCA）によって製造された世界初のウェーハステッパーに使用しました。1982年にツァイスは最初の光学システムSを製造しました。 -ナノ世界への第一歩である365nm（i-line）の動作波長を備えたPlanar 10 / 0.32（構造サイズ：800 nm）; 1993年にZeissはS-Planar5 / 0.6レンズを発売しました（動作中）波長：365 nm）は、半導体市場における大きな進歩です。1998年に発売されたStarlith 900は、世界初の大量生産された193 nm波長リソグラフィ光学デバイスであり、ナノメートル未満の解像度で100システムを初めて実現しました。Starlith1900i、 2007年に発売されたは、38ナノメートルの限界解像度に到達した最初の液浸光学系です。現在、世界の高性能マイクロチップの大部分がこの技術を使用して製造されています。2012年に、世界初のEUV光学システムが大量生産されました。 、そしてツァイスは半導体産業が新しい段階に入るのを助けました。
世界初のEUV光学システム
2020年9月30日に終了する2019/2020会計年度のツァイスグループの年次報告書によると、同社の半導体製造技術部門は、統計期間中に18億3300万ユーロの収益を生み出し、前年比で12％増加しました（16億3400万ユーロ）。ユーロ）。半導体製造技術部門のすべての戦略的ビジネスユニットがこの新しい収益記録に貢献し、各部門の収益は前年よりも増加しています。その中でも、深紫外線（DUV）およびEUVリソグラフィシステムに対する顧客の高い需要も続いています。 DUVリソグラフィシステムは、この分野の主な収益ドライバーです。
ASMLは2016年に、ツァイスの関連する光学システム子会社の24.9％の株式を約11億米ドルの現金で取得したことを発表しました。また、1回限りの共同研究開発プロジェクトに約2億4,400万米ドルを投資しました。今年（2016年から）、さらに6億米ドルが資本設備やその他のニーズに費やされます。
このことから、EUVリソグラフィーマシンにおけるツァイスの重要性を理解することができます。
光源の分野で強力
上記の紹介では、EUV光源は自然に生成することはできず、さまざまな特性があることをお話しました。このため、光源の生成方法は、開発者が直面するもう1つの困難な問題になっています。 21世紀初頭、Xtreme Technologiesや他の企業が推進し、放電プラズマに基づく光源が最も有望であるように思われました。しかし、その後まもなく、レーザー生成プラズマ光源（LPP：レーザー生成プラズマ）が出現し、やがて日本、欧米のグループが取り組む方向になりました。
原理的な観点から、この方法は非常に高出力のレーザーパルス（平均パルス出力30kW以上、パルスピーク出力は数メガワットにもなる可能性があります）レーザーパルスを使用し、滴下するスズビーズに当たって変換します。光るプラズマは、13.5nmの波長のEUV光を放出します。光が集束された後、最初に反射レンズを介してフォトリソグラフィマスクに透過され、次にウェーハ基板に照射されます。
上記の各ステップには、非常に複雑なテクノロジーが必要です。たとえば、光源部分では、レーザーパルスの生成方法と増幅方法に特に焦点を当てる必要があります。
まず、シード光として短パルスレーザービームを生成し、それを多段増幅させる必要があります。実際には、プレパルスとメインパルスの2つのパルスがあります。プレパルスは最初にスズビーズに当たって正しい形状になります。次にメインパルスが平坦化されたスズビーズをプラズマに変換し、貴重なEUV光を放出します。
ここでの難しさは、増幅ステージがそのパワーを継続的に増加させることですが、2つのビームがスズビーズ上で正しい光学性能、特に正しい焦点を持っていることを確認する必要があります。各パルスレーザーは、非常に小さなコンパクトな光粒子で構成されており、スズビーズに向かってしっかりと投げられます。ターゲットを正しくヒットするには、早すぎたり遅すぎたりしない適切なタイミングで到着する必要があります。そうしないと、衝撃力でブリキのボールを平らにすることができません。最悪の場合、2番目のレーザーパルスによって発射された弾丸がターゲットに当たらない場合、EUVは失敗します。上記のプロセスは1秒間に50,000回実行する必要があることを強調しておく必要があります。レーザービームを大きな出力で安定して送信するには、システムの複雑さが想像できます。
あまり知られていないメーカー-TRUMPFはその背後にある重要なプレーヤーです。
報告によると、彼らはEUVリソグラフィレーザー生成システムに15年以上投資してきました。 TRUMPFは、EUVリソグラフィーマシン用に、50キロヘルツの繰り返し率で40キロワットのパルス放射を生成できるレーザーを開発しました。レーザーには2つのシーダーと4つの増幅ステージがあり、非常に大きいため、EUVマシンの下の別のフロアに配置する必要があります。
関連情報によると、上の図に示すように、EUVレーザーシステムは約45万個の部品で構成され、重量は約17トンです。これらの部品が正しく組み立てられていることを確認するために、1,000を超える検査基準があります。これには、モジュールおよびサブモジュールの追加の事前検査基準は含まれていません。シードライトジェネレータからスズビーズまで500メートルを超える光路があり、すべての部品、特にシステムに含まれる400を超える光学部品に非常に厳しい要件が課せられます。これは、この点でのTRUMPFの強さも示しています。
TRUMPFの助けを借りて、サンディエゴを拠点とするCymerはEUV光源システムの最終的な勝者になりました。
ウィキペディアによると、サイマーは1986年にロバートエイキンス博士とリチャードサンドストローム博士によって設立されました。彼らは1970年代半ばにカリフォルニア大学サンディエゴ校の研究室のクラスで出会いました。 1986年、パーソナルコンピュータ市場は、エイキンスとサンドストロームが独自のレーザー知識を半導体リソグラフィに適用するための扉を開きました。 1988年、サイマーは、半導体リソグラフィ技術の開発をサポートする高度な研究開発アプリケーション向けの最初の光源を発表しました。 1990年に第2世代の光源が出荷され、同社は急速に発展しました。1988年から1994年までに合計78の光源システムが出荷されました。
2009年6月、Cymerは、EUVリソグラフィーマシンに統合するために、世界初の完全に統合されたLPPEUVリソグラフィー光源をオランダのフェルドホーフェンにあるASMLに出荷しました。 2012年10月、オランダの半導体機器メーカーASMLは、EUV機器戦略の一環としてCymerを買収すると発表しました。
この時点で、EUVリソグラフィーマシンの厳しい戦いは終わりました。
最後に書く
EUVリソグラフィーマシンの開発から、賢い人間の推進力の下で、一見不可能と思われる多くのタスクが可能になったことがわかります。また、このことから、大規模で複雑なシステムを完成させるには、複数の分野のトップサプライヤーの協力が必要であり、1社または2社だけで技術を進歩させ続けることは不可能であることがわかりました。
このことから、グローバルなサプライチェーンコラボレーションの重要性もわかります。