極端紫外線（EUV）フォトリソグラフィー：チップの未来を支える技術

チップの将来、最も高性能な携帯電話、あるいは近々登場する人工知能について議論するとき、会話の中で必ず出てくる用語が 1 つあります。 極端紫外線フォトリソグラフィー（EUVリソグラフィーとも呼ばれる）この技術は、世界最先端の半導体の進歩におけるボトルネックであると同時に原動力にもなっています。

この概念は非常に技術的に聞こえるが、EUVリソグラフィーとは何か、どのように機能するのか、誰がそれを管理しているのか、そしてそれが地政学と世界経済にどのような影響を与えるのかを理解することは、なぜチップ不足が起きているのか、なぜ一部の国がこれらの装置をめぐって争っているのか、そしてなぜEUVリソグラフィーのような企業が ASML、TSMC、サムスン、インテル 彼らは世界規模で戦略的なものになりました。

極端紫外線（EUV）フォトリソグラフィーとは何ですか？

半導体業界では、EUVリソグラフィーとは 極端紫外線を使用するフォトリソグラフィー技術 波長は13,5ナノメートルで、電磁スペクトルにおけるいわゆる軟X線領域に属します。この波長は可視光（400～700nm）よりもはるかに短く、また、通常248nm（KrF）または193nm（ArF）で動作する深紫外線（DUV）リソグラフィーの波長よりも短いです。

この非常に短い波長を利用することで より小さく、より密度の高いパターンを定義する シリコンウエハー上に数十億個のトランジスタを1つのチップに集積することが可能になります。リソグラフィーノード（7nm、5nm、3nm、2nm、1,8nm…）が進化するごとに、チップの高速化、大容量化、そして エネルギー消費量が大幅に削減される.

DUVでもEUVでも、フォトリソグラフィーは基本的に フォトレジストを塗布したウェハーに幾何学模様を投影するこのフォトポリマーは、マスク（またはフォトマスク）を通して選択的に照射されると変化し、露光された領域が可溶性または不溶性となり、基板上に微細構造をエッチングすることができます。EUVの場合も物理的原理は同じですが、システムの技術的複雑さは飛躍的に増大します。

重要な事実は 13,5 nmの波長は10倍以上小さい ArFスキャナ（193nm）で使用されるものよりも短い波長です。これにより、EUV装置は20nm未満の微細なパターンを転写できます。これは、従来のリソグラフィーでは非常に複雑で、時間がかかり、高価なマルチパターン技術でしか実現できませんでした。

EUV光の生成と処理方法

13,5nmの光を制御された方法で必要な電力で生成することは この技術の主要な技術的課題の1つ現在のシステムでは、 高出力CO₂レーザー光源 極めて高速な2つのパルスを、移動する小さな液体スズの液滴に照射します。最初のパルスは液滴を変形させ、2番目のより強力なパルスは液滴を蒸発させ、プラズマを形成します。

この高温の錫プラズマはEUV光を放射し、コレクターミラーで捕捉されて光学系の残りの部分に送られます。このプロセス全体は、約 1秒あたり5万回工業生産速度を維持するのに十分な強度の光の流れを生成します。

EUV放射は空気に吸収されるため、放射源からウェハまでの経路は、 高品質の真空チャンバーさらに、光学部品内のほこりやわずかな不規則性によっても投影された画像が台無しになる可能性があるため、清潔さ、機械的安定性、振動制御に対する要件は極めて厳しくなります。

反射光学系、不可能な鏡、そして特殊なマスク

透過レンズと透明な石英マスクを使用するDUVリソグラフィーとは異なり、EUVリソグラフィーは 完全反射光学系理由は簡単です。従来のレンズに使用されているガラスを含む、ほぼすべての材料が 13,5 nm の光を吸収するからです。

EUVシステムはレンズの代わりに、 超精密多層ミラー これらのミラーは、光源からのビームをウェハーへと導き、集光します。これらのミラーは、原子レベルの精度で堆積された異なる材料の層を数十層も交互に重ね合わせた構造で、物理的限界内で可能な限り高い効率でEUV放射を反射します。

しかし、これらの高度なソリューションを用いても、各ミラーは受光した光の大部分を吸収します。ASMLの現在のシステムは、少なくとも2枚の集光ミラーと6枚の投影ミラーを使用しており、これらを組み合わせることで、 放出された光の約96%が失われます。これには、すべての反射後に十分なエネルギーがウェハーに到達できるように、EUV ソースが非常に明るくなることが必要です。

マスクも異なります。不透明部分のある透明なプレートの代わりに、EUVは 反射マスクこれらも多層構造で、レリーフや反射率を調整するコーティングなどのパターンが刻まれています。マスクやミラーに欠陥があると、直ちに印刷エラーが発生し、結果として不良品ウェーハが発生します。

ASML の EUV マシンが特別な理由は何ですか?

オランダのASML社が製造するEUVフォトリソグラフィー装置は、文字通り、 これまでに作られた最も複雑な機械のいくつか第一世代のEUVユニット1台には、10万点以上の部品、約3.000本のケーブル、4万本のボルト、そして約2キロメートルに及ぶ内部電気配線が組み込まれています。そして、これらすべてが極めて高度な制御ソフトウェアによって完璧に制御されています。

このレベルの複雑さにより、装置は巨大化します。各機械は、 市バス さらに、複数の補助モジュール、冷却システム、真空装置、精密電子機器が必要になります。さらに、これらは完全に組み立てられた状態で出荷されるのではなく、数百個の木箱に梱包されて輸送され、顧客の工場で現地組み立てと調整が行われます。

ASMLの成功の多くは、テクノロジーパートナーのネットワークによるものです。およそ これらの機械の部品の90%は他社製である 世界中に分散している。その中でも、CymerとZEISSという2つの主要企業の名前が際立っており、どちらもEUVリソグラフィーが正常に機能するために不可欠な存在です。

ZEISSの貢献：物理の限界における光学

もう一つの主要パートナーは、歴史あるドイツの高精度光学メーカーであるZEISSです。ZEISSは、 EUV装置反射光学部品 ASML 社からは、初期の集光ミラーから、パターンをシリコンに転写する複雑な投影光学系まで、さまざまな製品が提供されています。

これらのミラーは、 13,5 nmで均一性と精度を維持 極端な波形です。表面の平坦度は、鏡を国の大きさに拡大したとしても、凹凸は草の葉の高さよりも小さくなるほどで​​す。少しでも目に見えるようなずれがあれば、パターンは崩れ、ウェハは使用できなくなります。

ZEISSはミラーに加えて、 リアルタイムで補正するセンサーとアクチュエータ このシステムは、動作中に発生する可能性のある小さな変形、変位、または振動を検出します。また、光学システムの動作を継続的に監視し、非常に厳しい許容範囲内に維持するためのソフトウェアも提供します。

高NA EUV：3nmの壁を破る新世代

数年にわたり第一世代のEUV装置を統合した後、ASMLは、次の装置で次のステップに進みました。 高開口数（High-NA EUV）最も代表的な商用モデルは Twinscan EXE:5200 であり、現在世界で最も先進的なリソグラフィー装置と考えられています。

これらの新しいシステムの鍵は、光学系の開口数の増加にあります。現在のEUV装置のNA = 0,33から、 高NAではNA = 0,55大まかに言えば、これにより同じ 13,5 nm の波長でさらに細かい詳細を印刷できるようになり、ウェーハに転写されるパターンの解像度が向上します。

この改良により、高NA EUV装置は集積回路の製造への扉を開く。 3nmの商用閾値を超える許可する 約2 nmのノード インテルが採用を計画している18A（1,8nm）テクノロジーにも対応可能です。さらに、ASMLは機械システムとウェーハハンドリングシステムを最適化し、1台の高NA装置で1時間あたり200枚以上のウェーハ処理能力を実現しました。これは、競争力のあるチップ単価を維持するために不可欠です。

高NA機の価格はおよそ 1ユニットあたり3億ドルこれは、約1億5000万ルピーかかる第一世代EUVの約2倍の価格です。それでも、時代の先を行くメーカーにとって、これは事実上必須の投資と言えるでしょう。

地政学的に甚大な影響を及ぼす技術独占

EUVリソグラフィー市場において、否定できない事実が1つあります。 ASMLはこれらの機械を製造できる唯一のメーカーである。 産業規模で。この独占は、半導体バリューチェーンにおいて前例のない強力な地位を確立しています。

TSMC、サムスン、インテルなどの巨大企業は、最先端のチップの製造にASMLのEUV装置を利用しています。 収入の4分の1 ASMLの収益は、サービス契約、アップグレード、トレーニング、メンテナンスを除いた、EUVシステムの直接販売からすでに得られている。

この技術分野には、 明確な地政学的側面米中間の緊張により、EUVリソグラフィが議論の中心となっている。米国はオランダに対し、中国への最新鋭装置の輸出を制限するよう圧力をかけ、同国による最先端ノードへのアクセスを抑制しようとしている。一方、キヤノンなどの日本メーカーは、理論上2nmノードの製造が可能なナノインプリントリソグラフィ（NIL）などの代替技術を模索しているが、現時点ではEUVは依然として技術の最先端における事実上の標準となっている。

EUVリソグラフィーが今日のチップにとってなぜそれほど重要なのか

EUVリソグラフィーの重要性は、私たちが日常的に使用するデバイスを見ればよく理解できます。 スマートフォン、スマートウォッチ、ビデオゲーム機、コンピューター 最近では、 チップ設計 製造においては、7nm、5nm、またはそれ以下のノードで製造されたCPU、GPU、SoC、メモリが使用されており、プロセスの特定の層ではEUVがすでに不可欠となっています。

例えばサムスンは、EUV技術を用いて 7LPPと呼ばれる7nmチップこれらの技術は、大容量5Gネットワ​​ーク、高度な人工知能アプリケーション、IoT（モノのインターネット）、自動運転システムの実現に不可欠なものとなります。同社によると、EUVへの切り替えにより、従来のマルチパターンArFベースの技術と比較して、消費電力を最大50%削減し、性能を20%向上させ、フットプリントを約40%削減することが可能になります。

Apple、Huawei、その他の大手チップ設計会社もこれらに依存しています。 EUVを使用するファウンドリ より高速で効率的なデバイスを提供するためです。そして、それは単なる電力消費量の問題ではありません。携帯電話、ノートパソコン、サーバーが適切な熱制限内でより優れたパフォーマンスを発揮するには、消費電力と発熱を抑えることが不可欠です。

DUVと比較したEUVリソグラフィーの主な利点

EUVリソグラフィーの第一の大きな利点は、 はるかに小さな特徴を印刷するこのように波長が短く、適切な開口数を持つため、同じチップ サイズで、従来の技術に比べて利用可能なトランジスタの数を数倍に増やす構造を製造できます。

これはチップに より高い処理能力、より統合されたメモリ そして何よりも、運用あたりのエネルギー消費量が大幅に削減されます。データセンター、通信ネットワーク、大規模AIアプリケーションなどにおいて、このエネルギー効率の向上は運用コストに劇的な影響を与えます。

2つ目の利点はプロセスに関するものです。EUVにより 必要なリソグラフィー工程の数を減らす 同じパターンを形成するために、ArFやマルチパターン方式では複雑な構造を形成するために3回または4回の露光が必要になる場合がありますが、EUVでは多くの場合1回で済みます。これにより製造フローが簡素化され、歩留まりが向上し、中期的にはチップあたりのコストを削減できます。

さらに、より小さな面積に多くの機能を集中させることができるため、CPU、GPU、AIアクセラレータ、メモリ、特定のロジックのブロックが同じシリコン上に共存する、ますます統合されたシステムオンチップアーキテクチャへの扉が開かれます。これは、 非常に高い集積密度.

EUVの現在の欠点と限界

EUVリソグラフィーの最大の障害は、間違いなく、 機械の天文学的なコスト そして、それらに必要なインフラも重要です。私たちが話しているのは、1台あたり1億ドルを優に超える機器だけではありません。高度なクリーンルーム、非常に強力な電源、そして極めて複雑なサポートシステムを備えた、それらを中心に設計された工場全体です。

つまり、EUVを大規模に導入できるのは、TSMC、Samsung、Intelといった一流ファウンドリとIDM（Industrial Devices）のごく一部に限られます。残りの業界の多くは、より安価で本来の用途に十分対応できるDUVリソグラフィを引き続き使用しています。 あまり進歩していないチップ 自動車、基本的な民生用電子機器、および多くの産業システムに採用されているものなど。

さらに、テクノロジーは依然として 技術的な課題 重要な要素には、光源のパワー、このような高エネルギー放射線に対する光学コーティングの寿命、反射マスクの複雑さ、ウェーハあたりの欠陥を発生させずに高い生産性を維持する必要性などがあり、これらは世代を追うごとに改良され続けている問題です。

ASML、インテル、サムスン、TSMC：相互依存関係の連鎖

ASMLと主要半導体メーカーとの提携は、単なる顧客とサプライヤーの関係ではない。例えばインテルは約 2012年のASMLの4.000億ドル 最初のEUVマシンの開発をサポートし、技術への優先アクセスを確保し、その開発に積極的に参加します。

ASMLは現在、戦略的顧客向けに初の高NA EUVシステムを納入しています。Twinscan EXE:5200システムの初号機は、カリフォルニア州ヒルズボロにあるインテルの工場に納入されました。これは、2020年代後半に18A（1,8nm）ノードに到達するという同社のロードマップに沿ったものです。 TSMCとサムスンとの差を縮める 技術リーダーシップを競う競争において。

一方、サムスンとTSMCは、利用可能なEUV生産能力とASMLへの出荷における優先権の両方を争っている。COVID-19パンデミックによって悪化した輸出の遅延により、時折、 ロードマップを再調整する3nmなどのノードのパイロット生産を延期し、Apple、Qualcomm、大手自動車メーカーなどの高価値顧客間でのウェハの割り当てを再編成します。

このエコシステム全体は、EUVシステムの可用性、ASMLの納入率、そしてCymer、ZEISS、その他のサプライヤーの適応力が、 どの企業、どの国がペースを上げているのでしょうか? 次世代半導体産業において。

極端紫外線フォトリソグラフィーは、ムーアの法則を存続させ、7nm、5nm、3nmのチップを製造し、2nm以下へと進出するための鍵となる技術として確立されました。しかし同時に、少数の企業が独占する希少かつ極めて高価な資源でもあります。その物理特性、課題、そして市場を理解することで、私たちが日常的に利用する携帯電話、自動車、あるいはクラウドが、世界中に点在する少数の巨大な装置と、インターネット上に分散している理由が理解できるようになります。 ASMLとそのパートナーは、EUV技術の限界を押し広げ続けることができる.