LSIの開発競争とEUV光源の研究

大西正視

平成２８年4月２８日（木）

シンビオ社会研究会講演会京都大学,百周年時計台記念館

Out Line of Talk1) Background of the research 

What is EUV? Why is EUV?2) Semi‐conductor Lithography3) Microwave Discharge Plasma Production (MDPP)    4) EUV Measurement5) Experimental Results6) Future Prospect of MDDP7) Summary and Future Issues

1993～2018年の世界半導体市場の売上高。2014年以降は予測値である。単位は十億米ドル　出典：IC Insights

半導体リソグラフィプロセス

193nmArFレーザー

Moor’s  Law

Number of transistors doubling every 24 months

Number of Transistors Doubling every 18 month

Jack KilbyNobel Prize

トランジスタ微細化の動向

光源の種類 波長 ゲート長

i線 365nm ～400nm

KrF（フッ化クリプトン）エキシマレーザ 248nm 250・180・130nm

ArF（フッ化アルゴン）エキシマレーザ 193nm 90nm・65nm

F2（フッ素）レーザ 157nm 実用化せず

ArF（フッ化アルゴン）エキシマレーザ液浸 193nm 5X・4X・3X・2Xnm

EUV（ExtremeUltra Violet） 13.5nm 1Xnm

露光技術の歴史

70.6%

20.6%8.7%

半導体用露光装置メーカー別販売比率

（2010年）

ASML

ニコン

キャノン

9

EUV光源開発の背景

9

波長が短いほど細かいパターンの転写が可能PCの速さ・複雑さの性能向上メモリー容量の増加, 省電力消費

より微細なIC作成のため、半導体露光の微細化が進む。特にEUV (Extreme Ultara Violet)露光が有力視

100 0200300

短波長紫外線レーザー 極端紫外光

KrF(250,180,nm)

ArF(90,65,nm)

EUV(10, 7 nm)

ArF　液侵(45,22,14nm)

加工の露光波長

1996  2014

年代

20072002

NEO省エネルギー技術フォーラム2011　ギガフォトン　報告書

ＥＵＶ光源市場（ＥＵＶ光源市場（20202020年まで）年まで）ＥＵＶ光

源市

場・メンテナンス費[億

円]

FoundryLogicへの普及

メモリへの普及

光源出荷額：露光装置の10%メンテナンス費用：光源価格の15%*光源の寿命を10年以上とし累積

出荷台数を基に算出

光源市場：757億円メンテナンス費用：413億円（2020年）（累計459台）*年ごとに累計出荷台数が増大するので、規模は拡大

10

EUV露光装置の転写模式図Komatsu Technical Report 59 (2013) 166 11

EUV露光装置概念

EUV(13.5nm)光の生成

13.5nm（92eV)のＥＵＶ光はＸｅ+10の4ｄ‐5ｐ遷移で放出される. 従って, 電子温度20～30 eVのＸｅプラズマの生成

出力：250W, 光源の大きさ：1mm以下

放電生成プラズマ（ＤＰＰ）およびレーザ生成プラズマ（ＬＰＰ）による光源の開発が進められている

現在開発が進められている方式ではデブリと呼ばれる微粒子の生成を伴い、シリコンウエハーへの付着汚染、ミラーへの付着によるミラーの短寿命に結果する.（クリーンなEUV光）その解決法が見出されておらず実用化する上で大きな困難に直面している.

どの方式でも目標の出力を達成していない.

13

EUV光源の開発の現状

LPP(Laser‐Produced Plasma)

LDP(Laser‐assisted Discharge Plasma)

方式

短パルス運転・安定動作

ターゲットや電極からの不純物生成

‘Debris’

EUV;50－90W EUV;~30W

EUV光時間平均値

の高出力化

250W出力が要求

14

マイクロ波プラズマ生成装置

14

Micro wave

Xe Gas supply

Visible light

View port

1)発信器（マグネトロン）；マイクロ波生成

2)導波管；マイクロ波伝送

3)方向結合器；入射反射電力測定

5)（自動）チューナー；反射電力抑制

6)キャビテー；マイクロ波共振器（TEモード、TMモード

7)スタブチューナー；共振器の整合　

Wave Guide

Calorie meter

Cavity50cm

15

The microwave discharge produced plasma (MDPP) system. 

MDPP, TE and TM mode Resonant Cavity 

Plasma ( Size ~ 1– 3mm)Magnetic field Coil

Wave guide

Auto Tuner

permanent magnet

Resonant Cavity

共振回路とQ値

17

2) MD　　　　

17

1mm ‐ 3 mm

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

Y [m

]

0.40.30.20.10.0

X [m]

Quartz tube

View port

PlasmaEUV

Cavity

入射マイクロ波の波長にあわせて共振器の体積を変化させ、共振器内に電磁波を充填する石英壁を透過したマイクロ波はXeをプラズマ化し、EUVを生成する

Micro‐wave

　　　　　　　　共振器とマイクロ波

Q=8,000

Comparison（EUV光源の比較）　

（2011年公表データ）

1～2W@250W,Xe, CW

250W, Xe      低CW Multi‐source

19

Reflection meter(Calorie meter)

The reflection meter system, which consists of a Zr filter, two Mo/Simulti‐layer reflection mirrors, apertures of 5 and 10, and a photo diode.

Zr filteraperture(5)

Mo/Si mirror

aperture(10)

Photo diode

Mo/Si mirror

20

Reflectivity of the  Mo/Si & transmission of Zr filter

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

pene

trat

ion

and

refle

ctio

n ef

ficie

ncy

20181614121086

wave length [nm]

Zr Mo/Si

The reflectivity of the Mo/Si mirror and the transmission of the 100 nmZr filter as functions of the wavelength.

~ 70% for Mo/Si mirrora full width‐half maximum / = 0.048 at  = 13.5 nm

The Zr filter cuts out the visible light

21

Estimation of EUV power

zrmmdEUV TRRRR

dtVstrWW 112]2/[

1

0

;Solid angle of reflection meter system (str)V; output voltage of photodiodeR; Resistance in the amplifierRd; Responsivity of the diode (A/W)Rm; Reflection ratio of EUV mirror (~0.6)TZr; Transparency of Zr(Si3N4) filter (~0.12)

The calibration of the calorimeter was carried out by the standard E‐Mon ( in Osaka university).

EUVデーターベースレーザー装置での較正

22

E-mon

関大反射計

Target；Sn

45

45

レーザー

パルス幅~ 7 nsのレーザーをエネルギー500–1000mJで入射。レーザー入射ポートに

対して対称に両計測器を設置。

60

50

40

30

20

10

0V

olta

ge [m

V]

43210-1

time [s]

Input energy 555 mJ E_mon Kandai

E-mon ; 5.30×10-8 VsKandai; 1.14×10-8 Vs

較正済み反射計；

未較正

23

発振器；マグネトロンと固体発信器の相異

23

EUV放射効率0.01%→0.2%

-80

-60

-40

Inte

nsity

[dbm

]2.45102.45002.4490

f [GHz]

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0Ret

urn

Los

s [db

m]

2.4512.4502.449

f [GHz]

Magnetron　5 kW Solid State 10 W

発振器

共振器

共振器の共振特性

Q=5000

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

EU

V [W

]

543210-1

time [s]

SolidState0.1 kW

Magnetron1 kW

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

inte

nsity

[dB

m]

2.46602.46502.4640

f [GHz]

入射する電磁波の質(f)によって加熱効率は変化する

TM010モード

貫通孔部で電界集中していますプラズマ励起時は同軸構造となり、

外部に漏洩しているものと思われます

Q=8,600

EB

TE111モード/電子サイクロトロン共鳴加熱

TM010よりも低損失。

石英管が電界中心部に到達していないので異常放電が発生する恐れあり。

Q=9,000

E

石英管の径が小さくなると、高いガス圧で最大値を示し、反射も減少

70

65

60

55

50

45

40

P ref/P

in [%

]108642

Gas Pressure [Pa]

1mm 2mm 3mm

40x10-3

30

20

10

0

EU

V [W

/2s

tr]

1086420

Gas Pressure [Pa]

1mm 2mm 3mm

EUV vs. Xe Pressure & Reflection(TMモード)

Visible light

EUV vs. Xe Gas pressure(Xeガスによる吸収考慮）

27

50x10-3

40

30

20

10

0

EU

V [W

/2s

tr]

86420

Gas Pressure [Pa]

3mm 2mm

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0E

UV

[W/2s

tr]

86420

Gas Pressure [Pa]

1mm

•TM mode

•The EUV power (PEUV) dependence on Xe Gas pressure  shows optimum pressure (~ 6 Pa @1mm sized plasma). 0.7W@250W net input power

28

Discharge Waveforms (TE mode)

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

EU

V [W

/2s

tr]

-2 -1 0 1 2

time [s]

~ 400 W

~ 120 W

~ 30 W

400

300

200

100

0

Inci

dent

Pow

er [W

]-2 -1 0 1 2

time [s]•CW operation  (~ 3.5 sec.)•The EUV intensity depend on the incident RF power and gas pressure. The dependence of EUV on power and gas pressure is investigated.

EUV out put (February,2015)

240

200

160

120

80

40

0

120

100

80

60

40

20

0

（Xeガスによる吸収補正済）

TM010とTE111の反射率の比較データ

その１100

80

60

40

20

0

refle

ct/in

put [

%]

700600500400300200100

Input [W]

600

500

400

300

200

100

0R

F net [W]

反射率 8Pa TE111RF net 8Pa TE111

100

80

60

40

20

0

refle

ct/in

put [

%]

7006005004003002001000Input [W]

400

300

200

100

0

RF net [W

]

反射率　1.3Pa TM010RF net 1.3Pa TM010

TE111型の8Pa TM010型の1.3Pa

31

磁場による熱負荷の低減

31

4x10-3

3

2

1

0

[V]

3210

time [s]

1 CW 2 kW (In 1 kW, Ref. 1 kW)EUV ; 30 mW/2str

Duty10%のパルス運転→連続運転にすることで時間平均値が向上

磁場を印加することで石英管（磁力線垂直方向）への粒子損失を減らした。熱負荷が軽減し定常運転を可能とした。

B

32

EUV Powers in TM010 and TE111 modesSize of Quarts tube

TM010  TE111

3mm Closed

0.03W (0.9 Pa) 0.26 (3 Pa)

2mm Closed

0.04 W (1 Pa) 0.77 (5 Pa)

1mm Closed

0.7 W (6 Pa) 0.63 W (5.5 Pa)

3 mm Open

~ 0 W 1.1 W (5 Pa)

2mm Open

~ 0 W 0.28 W (3.5 Pa)

The absorptions of EUV by Xe gas are considered.

Distribution of electric field  of TM010 mode cavity

EUV parameters and MDDP

New Cavity with Magnet and Coolant

Fe Tuner

Alumina /sapphireFluornert

inletHalbach magnet

Fe Fe

FeFe

Neodymium magnet 

2mm30mm

Co‐axial Cablefor Microwaveantenna

hole

Fluorinertoutlet

20mm1.5 T 0.1 T

真空排気ポンプ

光学系

縦断面図マイクロ波光源装置キャビテイ

Xeガス注入

マイクロ波入力

スタブチューナー 石英管

永久磁石

250W 商用EUV光源の概念

1基出力:～30W

8基→250W

IF

上面図

マイクロ波EUV発生装置

真空容器

真空排気ポンプ

商用EUV光源：250W EUV @ IF , CE=1%

Summary & Issues

1) The EUV Lithography is indispensable technology for the next generation LSI.2) The development of EUV light source, above all, is behind with the other technologies, such as mask, resist , EUV optical system.3) The EUV light source which meets the requirement of the semiconductor industry has not been realized.4) The microwave DPP may be most promising EUV light source.5) The engineering issue is tuning so as to suppress the reflection at the existence of a plasma.  

Ａｃｋｎｏｗledgment

The research is supported by the START Project of the Ministry of Education, Art, Sport, Science and Technology. I express my appreciation to Dr. S.Tashima, postdoctoral researcher for the experiments.

ご清聴ありがとうございました