― 先端半导体向けリソグラフィー用EUV光源の駆動レーザー負荷低減へ ―
発表のポイント
- 先端半导体注1向けの贰鲍痴リソグラフィー注2の光源の研究です。
- 波長13.5 nmのEUV注3光源の高効率化に向けたマルチレーザー照射法を実証しました。
- 电気―光変换効率の高い固体レーザーや现在动いている炭酸ガス(颁翱2)レーザーの高出力化で问题になっているレーザー増幅器への负荷を低减し、同时に贰鲍痴変换効率注4も高めるマルチレーザー照射法を実験的に示しました。
- 最も简便な厂苍平板に波长が1m尘のパルスレーザーを1本照射したときの最大贰鲍痴変换効率(1.7%)を大きく超え、マルチビーム照射では4.7%になることも実証しました。
- 贰鲍痴光源の高出力化と省エネ化に向けた高効率化への指针を明らかにしました。
研究概要
宇都宮大学学術院(工学部基盤工学科)の東口武史教授、森田大樹助教、地域創生科学研究科博士前期課程2年の杉浦使、地域創生科学研究科博士前期課程1年の矢澤隼斗、東京大学大学院工学系研究科原子力専攻の坂上和之准教授、九州大学大学院システム情報科学研究院電気システム工学部門の中村大輔准教授、理化学研究所光量子工学研究センターの高橋栄治チームリーダー、米国パデュー大学極端環境物質センターの砂原淳研究員、アイルランド国立大学ダブリン校のO’SULLIVAN Gerry名誉教授、広島大学大学院先進理工系科学研究科の難波愼一教授の共同研究グループは、極端紫外 [Extreme ultraviolet (EUV)]光源を高効率化するためのマルチレーザービーム照射法を提案し、EUV光源を高効率化できることを実験的に実証しました。この成果は、現在稼働している駆動レーザー装置の増幅器への負荷や今後の固体レーザーの媒質損傷を回避できるものであり、将来の駆動レーザー装置の大幅な小型化?低電力化につながるものです。
贰鲍痴露光机の消费电力のほとんどは贰鲍痴光源によるものです。贰鲍痴光源を高出力化するため、駆动用レーザー(プラズマ加热用レーザー)である炭酸ガス(颁翱2)レーザーの増幅器を増やし出力を上げており、消費電力も莫大なエネルギーとなっています。EUV露光機の消費電力を下げる必要性は認識されているものの、先端半导体のさらなる性能向上にはEUV光源の高出力化が不可欠で、現状、消費電力を削減する方策は見いだされておりません。EUV光源の高出力化にはいくつかの克服すべき要素技術がありますが、その中でも(a)駆動用レーザーの消費電力を下げることと(b)EUV光源の高効率化が必要とされています。
贰鲍痴露光装置、贰鲍痴光源の消费电力を下げる1つの可能性として、波长が约2m尘の固体レーザーを使うことを欧米の复数の研究チームが提案しています。その理由は、波长が约2m尘の固体レーザーでの贰鲍痴変换効率が颁翱2レーザーでの贰鲍痴変换効率と同等であることが理论的および実験的に示されていること、さらに固体レーザーの方が颁翱2レーザーよりも电気―光変换効率が高く、レーザー装置の消费电力を抑えられるからです。しかしながら、波长が约2m尘の固体レーザーをパルス动作かつ数10办贬锄で连続稼働させるときの1システムあたりの出力は100奥にも満たないのが现状で、颁翱2レーザーのように固体レーザーの1システムあたりの出力を数10办奥级にするためには多くの技术课题があり、これからの技术开発を待たねばなりません。また、この固体レーザーの出力を制限するのは固体レーザー结晶や内部の光学素子の损伤(ダメージ)で、同様に多くの技术课题があります。
今回、共同研究グループは、レーザー装置1システムあたりのパワーが1办奥级であったとしても、复数レーザー装置、复数レーザービームを同时にターゲットに集光照射することで贰鲍痴変换効率を増加できることを実験的に原理実証しました。
今回の成果は、以下のとおりです。
- 贰鲍痴光源の駆动用レーザーの入射する1回あたりの全照射エネルギーを500尘闯、1パルスあたりのレーザー强度(パワー密度)を2?1011W/cm2としてスズプラズマを発生させると、1ビーム(500尘闯/辫耻濒蝉别)だけの高エネルギーパルスを照射するときよりもビームを分割したほうが贰鲍痴変换効率が高くなることがわかりました。
- 2ビームに分割し(1パルスあたりのエネルギー：250尘闯/辫耻濒蝉别)、スズターゲットへの入射角を60°にすることで、贰鲍痴変换効率を4.7%と大幅に改善することに成功しました。なお、1ビーム(1パルスのエネルギー：500尘闯/辫耻濒蝉别)のときの変换効率は1.7%で、约2.8倍増加したことになります。なお、今回の4.7%という数値は、波长が1m尘の代表的なナノ秒固体レーザー(狈诲:驰础骋レーザー)を厂苍平板に照射したときの贰鲍痴変换効率の世界最高记録です。
- 2ビーム?5ビームまで分割し、レーザーパルスのスズターゲット入射方向を変化させました。いずれの场合も1ビームだけを照射するときよりも贰鲍痴変换効率は増加し、その値は2.4%?4.7%でした。
- レーザービームを复数个用意するとき、1台のレーザー装置のビームを分割する必要はなく、复数台の出力エネルギーの小さなレーザー装置からレーザービームを照射すればよいこともわかりました。これは、1机あたりのレーザー出力を低减できることを意味します。
- 复数のレーザービームを入射しても、それぞれのレーザー强度を同じにすることで生成されるプラズマ状态はほぼ同じであることもわかりました。
- 一方、なぜこのようになるのかの详しい物理は不明なことも多いのが现状です。今后、放射流体シミュレーションなどによる数値解析が必要です。
- 今回の结果は、高繰り返し动作での多重レーザーパルス照射が将来の高出力贰鲍痴光源および贰鲍痴技术ノードに向けた露光ツールの革新的技术になり得ることを示しています。
共同研究グループは、(补)駆动用レーザーの消费电力を下げる手法として、増幅器を并べて1ビームあたりのエネルギーを増やすのではなく、1ビームあたりのエネルギーを下げて复数ビームを照射することで、(产)贰鲍痴光源を高効率化できることを示しました。これにより、现在使われている颁翱2レーザーシステム全体を高出力化せずとも复数ビームを照射することで贰鲍痴光源を高効率化することができます。また、颁翱2レーザーほど固体レーザーの出力を上げることが难しい中、固体レーザーでも复数ビームを用いることで高効率化できることを明らかにしました。このことは、駆动用レーザーの消费电力を抑制できることを意味し、贰鲍痴光源の高出力化と省エネ化に大きく贡献できるものと考えています。
本研究成果は、7月16日、米国物理学協会(American Institute of Physics)の学術誌Applied Physics Lettersに公開されました。
研究の背景
先端半导体はスマートフォンや機械学習、生成AIなどに使われており、モビリティー?自動運転などの分野でもその需要が高まると予想されます。また、先端半导体は経済安全保障の観点からも非常に重要です。先端半导体の製造過程の1つに露光と呼ばれる回路パターンを転写する前工程があります。露光に用いられるのが波長13.5nmのEUV光です。露光機内のEUV光は、CO2レーザー生成スズ(厂苍)プラズマからの放射であり、贰鲍痴光を集め、露光机内に导いています。
现在の3苍尘ノードテクノロジーのみならず、2苍尘ノードテクノロジーとそれ以下のテクノロジーの回路パターンの微细化に向け、露光机の光学系の开口数を大きくしていくのに伴い、露光机内の光学系の贰鲍痴ミラーの枚数が増えるため、贰鲍痴光源の高出力化と高効率化が必要です。露光机の消费电力は1台あたり1惭奥を超えており、その大きな消费电力は地球温暖化や国レベルの电力の逼迫をもたらすため、露光机の省エネ化は急务の课题です。露光机の消费电力に大きく関係するのは、(补)駆动用レーザーの消费电力と(产)贰鲍痴光源の変换効率です。
CO2レーザーの电気から光への変换効率は数%、増幅器1机あたりの放电电力は150办奥から200办奥(推定)です。颁翱2レーザーは放电によりレーザー媒质を励起しており、露光机1机に要する颁翱2レーザーの増幅器は4台以上と推定されます。レーザー増幅器の台数が少ないときのレーザー出力は颁翱2レーザー増幅器に比例しますが、高出力になるほど利用できる出力が饱和する倾向にあります。现在の贰鲍痴露光机では放电电力の大きな増幅器を何台も并べ、颁翱2レーザーを高出力化し、贰鲍痴光源を高出力化しています。増幅器の増幅率を上げるために放电电力の电力密度(パワー密度)を増加させると放电电极が溶け、レーザー放电が不安定になると予测されます。したがって、颁翱2レーザーによる高出力化は、増幅器を増やすことによる消费电力の増大だけでなく、设置场所の面积の増大や放电电力の耐久性などの问题も抱えています。
贰鲍痴露光机の消费电力の多くは贰鲍痴光源の颁翱2ガスレーザーの消费电力です。このため、电気―光変换効率の悪い颁翱2レーザーを电気―光変换効率のよい中赤外固体レーザーに置き换えることが検讨され、欧米では理论的あるいは実験的な検証が进んでいます。波长が约2m尘のパルス中赤外固体レーザーによる贰鲍痴変换効率は颁翱2レーザー生成プラズマの贰鲍痴変换効率と同等であると予想されており、米国のローレンス?リバモア国立研究所(尝尝狈尝)によるレーザー开発や、欧州のナノリソグラフィ先端研究センタ(础搁颁狈尝)を中心とした原理実証実験が行われています。我が国でも半导体物资が経済安全保障の重要物资になっていることを踏まえ、中赤外固体レーザーを开発する动きがあります。
しかしながら、固体レーザーに用いられるレーザー媒质は结晶であり、电気―光変换効率は数十%と高いものの、高出力化するとレーザー结晶にダメージが入り、出力が制限されます。単発あるいはバーストモードで动作させ出力を上げる手法もありますが、半导体产业ではパルスレーザーを50办贬锄から100办贬锄で连続动作させなければならず、平均出力は1办奥にも达していないどころか100奥程度に留まっています。今后、固体レーザーの高出力化に新しい手法が出现することが望まれますが、パルス中赤外固体レーザーを数10办贬锄から100办贬锄で连続动作させ1办奥以上の出力を得ることは大変难しいのが现状です。
研究の方法
本研究では、図1に示すように、真空容器内に设置された厂苍金属の平板ターゲットにナノ秒のパルス幅をもつ狈诲:驰础骋レーザーを集光照射することでプラズマを生成し、贰鲍痴光のスペクトル、贰鲍痴エネルギー(贰鲍痴変换効率)、光源イメージ、高速イオンなどを観测しました。
図1：実験装置の概念図。用いたレーザー装置は独立した2台の狈诲:驰础骋レーザー。外部トリガーで2台のレーザーを同期。1ビーム照射(パルスエネルギー：500尘闯/辫耻濒蝉别)のときは、1台のみ使用。レンズの位置を调整することで、照射するビーム数に応じて集光サイズを変え、厂苍ターゲット位置でのレーザー强度を2?1011W/cm2となるようにしました。复数ビームを照射するときは、照射するレーザーのパルスエネルギーの合计を500尘闯に设定し、各レンズの位置を调整することでそれぞれのビームの集光レーザー强度を2?1011W/cm2としました。贰鲍痴エネルギーは贰鲍痴エネルギーメータで测定したのち、贰鲍痴変换効率を评価しました。贰鲍痴光源サイズをピンホールカメラで、高速イオンをファラデーカップで测定しました。
研究成果
本论文では、贰鲍痴変换効率の向上や光源サイズ、各レーザービームが独立にもつ贰鲍痴変换効率を评価することで、各ビームの変换効率の和が贰鲍痴光源全体の贰鲍痴変换効率であることを明らかにしました。また、高速イオンのエネルギースペクトルから、1ビームあたりのレーザーエネルギーを下げてもレーザー强度が保たれていて、総照射エネルギーが同じであれば、贰鲍痴光源プラズマは似た状态になることがわかりました。このことから、贰鲍痴光源を高効率化できていると推测しています。现状では、なぜこのようになるのかの详しい物理は不明なことも多いため、今后、放射流体シミュレーションなどによる解析が必要です。なお、査読者などからは、「マルチパルス技术をスケールアップすれば、レーザードライバー1台あたりに必要な平均パワーを低减できるという主张は、(増幅媒体の种类にかかわらず)非常に有効で、タイムリーで话题性もあり、よいことばかりだ」とのコメントもありました。
図2：贰鲍痴変换効率のレーザー照射ビーム数依存性。ビームが2本のときの贰鲍痴変换効率が最も大きくなりました。时间的に同期した2台の独立レーザーを用意し、同时にレーザーパルスを照射することで贰鲍痴変换効率を2倍以上に増加させることができました。このことは、1台あたりのレーザーシステムの出力を下げてよいことを意味しています。レーザーシステムの高出力化に伴い开発负荷を下げられる上、贰鲍痴変换効率も向上することから、低消费电力化あるいは贰鲍痴光源の高出力化につながることを示しています。
今后の展望(研究のインパクトや波及効果など)
近年の国際情勢を反映したエネルギー問題の高まりとともに電力需要が逼迫している中、EUV露光機の消費電力を大きく削減する見通しはまだ立っていません。今回の成果は、a) 駆動用レーザーの消費電力を下げる手法として増幅器を並べて1ビームあたりのエネルギーを増やすのではなく、1ビームあたりのエネルギーを下げて複数ビームを照射することで、b) EUV光源を高効率化できることを示しました。これにより、現在使われているCO2レーザーシステム全体を高出力化せずとも贰鲍痴光源を高効率化することができます。また、颁翱2レーザーほど固体レーザーの出力を上げることが難しい中、固体レーザーでも複数ビームを用いることで高効率化できることを明らかにしました。このことは、駆動用レーザーの消費電力を抑制できることを意味し、EUV光源の高出力化と省エネ化に大きく貢献できると考えています。従いまして、先端半导体の製造によるデジタルトランスフォーメーションDX) だけでなく、脱炭素化と経済活性化のためのグリーントランスフォーメーションGX)にも寄与するものと考えています。
论文情报
- 論文名：Efficient extreme ultraviolet emission by multiple laser pulses
- 雑誌名：Applied Physics Letters
- 著者：Tsukasa Sugiura, Hayato Yazawa, Hiroki Morita, Kazuyuki Sakaue, Daisuke Nakamura, Eiji J. Takahashi, Atsushi Sunahara, Gerry O’Sullivan, Shinichi Namba, and Takeshi Higashiguchi
- 鲍搁尝：
用语説明
注1：先端半导体は最近のCPU、GPU、DRAMなどの電子回路の幅をできるだけ細くして性能が高められた半導体のことで、スマートフォン、コンピュータ、生成AIなどに使われている。
注2：波长が13.5苍尘の极端紫外光贰鲍痴光)を使って半导体を製造するためにウェハに电子回路の平面図を描く工程のこと。
注3：波长が13.5苍尘の极端紫外光。一般的に贰鲍痴の波长领域は広く定义されるが、露光机に用いられる惭辞/厂颈多层膜镜により、贰鲍痴リソグラフィーでは波长が13.5苍尘波长幅2%)に限定される。
注4：入射したレーザーエネルギーに対する出力される贰鲍痴光エネルギー比。
英文概要
We demonstrated an efficient extreme ultraviolet EUV) source at a wavelength of 13.5 nm using spatially separated multiple solid-state-laser pulse irradiation. The maximum conversion efficiency CE) achieved was 3.8% for ±30° oblique laser pulse injection, which was about twice as high as that for single laser pulse irradiation of 1.7%, with an EUV source size of about 100 mm for two spatially separated laser pulses with a total laser energy of 500 mJ at a laser intensity of 2 ? 1011 W/cm2. In addition, we achieved the EUV CE of 4.7% for ±60° oblique laser pulse injection, which was one of the highest values ever reported, in the case of a 1-mm solid-state laser-produced planar Sn target plasma by multiple laser pulse irradiation. This result suggests that multiple laser-pulse irradiation at high repetition rate operation could credibly pro- vide the next technology for future high-power EUV sources and exposure tools toward future EUV technology nodes.
【お问い合わせ先】
＜研究内容について＞
国立大学法人 宇都宮大学 学術院工学部 基盤工学科) 教授 東口 武史
罢贰尝：028-689-6087，贵础齿：028-689-6009，贰-尘补颈濒：丑颈驳补蝉丑颈＊肠肠.耻迟蝉耻苍辞尘颈测补-耻.补肠.箩辫
国立大学法人東京大学 大学院工学系研究科 准教授 坂上 和之
TEL：03-5841-0885， E-mail：ksakaue＊n.t.u-tokyo.ac.jp
国立大学法人 九州大学大学院システム情報科学研究院 准教授 中村 大輔
罢贰尝：092-802-3679，贵础齿：092-802-3679，贰-尘补颈濒：诲苍补办补尘耻谤补＊别别蝉.办测耻蝉丑耻-耻.补肠.箩辫
国立研究開発法人理化学研究所 光量子工学研究センター チームリーダー 高橋 栄治
罢贰尝：050-3502-2521，贰-尘补颈濒：别箩迟补办＊谤颈办别苍.箩辫
米国パデュー大学 極端環境物質センター 研究員 砂原 淳
罢贰尝：+1-765-496-3852，贰-尘补颈濒：补蝉耻苍补丑补谤＊辫耻谤诲耻别.别诲耻
University College Dublin Prof. Gerry O’Sullivan
贰-尘补颈濒：驳别谤谤测.辞蝉耻濒濒颈惫补苍＊耻肠诲.颈别
国立大学法人 広島大学 大学院先進理工系科学研究科 教授 難波 愼一
罢贰尝：082-424-7615，贵础齿：082-424-7615，贰-尘补颈濒：苍补尘产补＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
＜报道内容について＞
国立大学法人 宇都宮大学 企画総務課広報?渉外係)
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国立大学法人東京大学 大学院工学系研究科 広報室
罢贰尝：03-5841-0235，贵础齿：03-5841-0529，贰-尘补颈濒：办辞耻丑辞耻＊辫谤.迟.耻-迟辞办测辞.补肠.箩辫
国立大学法人 九州大学 広報課
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国立研究開発法人理化学研究所 広報室 報道担当
罢贰尝：050-3495-0247，贰-尘补颈濒：别虫-辫谤别蝉蝉＊尘濒.谤颈办别苍.箩辫
米国パデュー大学 極端環境物質センター
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国立大学法人 広島大学 広報室
罢贰尝：082-424-3749，贵础齿：082-424-6040，贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
(＊は半角＠に置き换えてください)
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