先端半導体の製造では、検査対象がより複雑な三次元構造へ移行し、検出すべき欠陥も小さくなっている。EUV露光は13.5nmの波長を使うのに対し、従来のDUV計測では193nmや248nmが一般的だ。微細化が進むほど、計測装置には高い空間分解能だけでなく、十分な処理速度と、試料にダメージを与えない特性が求められる。
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ここで重要なのは、中国で形成されつつあるものが、すでに量産検証を終えた国産EUV露光装置ではないという点だ。現段階で見えているのは、EUV計測を軸に、光源、反射ミラー、真空システム、検出器、精密ステージ、解析アルゴリズム、プロセス制御ソフトウェアを組み合わせようとする技術エコシステムである。
真の産業化には、個々の部品が13.5nmの光を発生させられるだけでは不十分だ。長時間の連続運転、校正、保守、そしてウェハー工場の工程データとのフィードバックループまで含めて、ひとつの実用システムに仕上げられるかが問われる。
GAAトランジスタが、より高度なEUV計測を必要とする理由
FinFETからゲート・オール・アラウンド(GAA)トランジスタへ移行すると、チャネル、ゲート、界面がより明確な三次元構造になる。一部の重要な構造は、上部の膜や異なる材料の界面に覆われた状態でも存在する。
表面だけを観察する従来手法では、次のような情報を完全に把握するのが難しくなる。
- クリティカルディメンション(CD)
- 側壁の形状
- 層間の位置ずれ
- 埋め込まれた界面や欠陥
GAA構造は、三次元形状を高分解能かつ非接触で測定する新しい検査手法の需要を押し上げる要因の一つとされている。
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13.5nm EUVの価値は、単に「波長が短い」ことだけではない。散乱計測では、欠陥の大きさと照明波長が信号強度に大きく影響する。波長を短くすればナノメートル級の欠陥に対する感度を高められる可能性があるが、最終的な性能は光源出力、光学系、検出器ノイズ、材料特性、構造再構成アルゴリズムにも左右される。
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EUV計測では、散乱計測、コヒーレント回折イメージング(CDI)、反射型イメージングなどを使い、回折信号から構造パラメーターを逆算する。探針をウェハーに接触させる必要がない点も利点だ。米国立標準技術研究所(NIST)は、卓上型HHG光源を使い、50nm未満のライン・スペース構造をEUV回折で測定した。また別の研究では、EUV散乱計測が二次元配線構造の面外形状に対して、1nm級の感度を持つことが示されている。
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EUVマスクには「露光と同じ波長」の検査が必要
EUVマスクは、光を透過させる従来型のフォトマスクとは異なり、多層の反射膜を持つ複雑な構造だ。特定の位相欠陥は、EUV以外の波長で観察しても、それが実際にウェハーへ転写されるかどうかを判断しにくい場合がある。
そこで使われるのが「アクチニック検査(actinic inspection)」だ。これは、露光に使う13.5nmと同じ波長でマスクを調べ、欠陥の印刷可能性をより直接的に評価する手法を指す。研究では、EUV多層マスクに存在する重要な位相欠陥の識別に、13.5nm検査が特に重要だと指摘されている。
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HHGが注目される理由の一つもここにある。HHGは空間的・時間的なコヒーレンスを持つEUV光を生成でき、コヒーレント散乱顕微鏡、回折計測、レンズレスイメージングに適している。Samsungは過去の公開資料で、独立したHHG光源を使うEUVマスク欠陥再検査システムを紹介している。これは、HHGが少なくとも専用のマスク再検査装置や研究開発用装置の技術領域に入っていることを示す。
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EUV光源、4つのルートを比較する
LPP:出力に優れるが、最も複雑
レーザー生成プラズマ(LPP)は、高出力レーザーを液滴状のスズに照射し、13.5nmのEUVを発生させる方式だ。ASMLのEUVシステムもこの基本方式を採用しており、13.5nm光源は商用EUV露光装置で使われている。
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最大の強みは、露光装置や高スループット検査が必要とする出力に近づきやすいことだ。その一方で、高出力駆動レーザー、スズ液滴の制御、デブリ対策、集光ミラーの汚染、熱管理、保守など、解決すべき課題は多い。
検査装置にとっては高いスループットを実現できる可能性があるが、スタートアップ企業にとっては、設備投資、開発、サービス体制のいずれも大きな負担になりやすい。
DPP:より小型化しやすい候補
放電生成プラズマ(DPP)は、放電によってEUVプラズマを形成する。大型の加速器施設に比べて装置を小型化できる可能性があり、一部の計測用途に必要な出力にも対応し得る。中国関連の報道では、DPPも国内で探究されている方式の一つとして挙げられている。
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ただし、電極の消耗、デブリ、プラズマの安定性、光源寿命、長期保守は依然として課題だ。13.5nm光を生成できるかどうかだけでなく、連続運転と保守周期がウェハー工場の要求を満たせるかが実用化の分かれ目になる。
FEL・放射光:高性能な研究基盤、量産ラインには不向き
自由電子レーザー(FEL)や放射光源は、高輝度、高コヒーレンス、波長可変性といった利点を持つ。標準計測、材料研究、マスク解析、工程開発には非常に有用だ。
しかし通常は大型の加速器施設を必要とし、サイズ、コスト、運転条件の面で、一般的なウェハー工場の生産ラインに直接設置するのは難しい。
そのため加速器光源は、まず「標準」と「研究開発プラットフォーム」の役割を担う可能性が高い。他の計測システムと比較するための高品質な基準データを提供し、直ちに小型の量産ライン装置を置き換えるものではない。
SSMB:高平均出力を目指す長期的な方式
清華大学が主導するSSMB(定常マイクロバンチング)は、蓄積リング内の電子ビームをレーザーで変調し、アンジュレーターでマイクロバンチを形成する。電子ビームがリングを周回する間もその状態を維持し、コヒーレント放射を発生させる仕組みだ。
清華大学などによる原理実証では、SSMBの基本メカニズムが実験的に示された。その後の設計では、13.5nm、高平均出力、狭帯域のEUV放射が目標として掲げられている。
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SSMBの魅力は、蓄積リングの高い繰り返し周波数と、コヒーレント放射の高輝度を組み合わせようとしている点にある。設計資料では、1台の装置あたり1kW超の出力目標も示されているが、これは構想・工学研究上の指標であり、完成してウェハー工場の認証を受けた量産光源を意味するものではない。
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電子ビームの安定化、レーザー変調、蓄積リングの制御、ビーム品質、施設規模、システムコストが主な障壁となる。SSMBは、高出力EUVの供給方法を変える可能性を持つ長期的なルートであり、現在すぐに導入できる卓上型計測光源ではない。
HHGが次世代計測の有力候補となる理由
高次高調波発生(HHG)は、フェムト秒レーザーを気体などの媒質に集光し、EUVから軟X線領域までの高次高調波を発生させる方式だ。
スズプラズマ光源と比べた場合、HHGには次のような特徴がある。
- 卓上化の可能性: 大型放射光施設を必要とせず、研究室や専用計測装置に組み込みやすい。
- 高いコヒーレンス: コヒーレント回折イメージング、散乱計測、タイコグラフィー、マスク再検査に有利。
- 波長の柔軟性: 材料、構造、測定モデルに応じて波長帯を選びやすい。
- デブリリスクの低さ: スズ液滴プラズマに依存しないため、関連する汚染対策の負担を減らせる可能性がある。
- 超高速性: 時間分解計測や材料研究に適する。
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HHGは、露光装置のような巨大な出力を必ずしも必要とせず、高いコヒーレンスを求める用途と相性がよい。NISTは卓上型HHG光源を使ってEUVのCD回折計測を実施しており、関連研究でもHHGはEUV計測・イメージング向けの重要な光源候補と位置付けられている。
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ただし弱点も明確だ。変換効率と出力が低く、ビーム安定性、長時間運転、繰り返し周波数、光学損失、大面積スキャンのスループットには改善の余地がある。
EUVマスクの全面検査については、用途によって光源出力が約1〜100mW必要になる可能性があるとの工学的分析もある。ただし必要値は、欠陥感度、検査面積、信号対雑音比、スループットによって変わるため、単一の出力値をすべての検査装置に共通する基準とみなすことはできない。
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公開資料では、ASML、Intel、Samsung、TSMCがHHG関連の計測・検査技術を使用または評価したとされている。
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24もっとも、これはHHGがすでにプラズマ光源に取って代わり、あらゆる高生産性検査装置の標準になったという意味ではない。現時点の公開情報からは、研究開発装置、アクチニック検査、専用計測システムでの利用・検証についての根拠の方が強い。
中国国内のエコシステム:光源からシステム統合へ
公開報道では、中国企業として華芯極光、朗道科技、雲棲極耀、華日レーザー、皓宇芯光が挙げられている。これらは光源、レーザー、装置、システム統合など異なる工程にまたがる企業群として紹介されており、皓宇芯光はHHG方式に重点を置くとされる。
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大学・研究機関では、清華大学のSSMBプロジェクトが、公開情報で最も明確に確認できる加速器光源ルートの一つだ。原理実証は、ドイツのヘルムホルツ・ベルリン材料・エネルギー研究センターおよびドイツ連邦物理技術研究院(PTB)との協力で行われた。これは、この分野が高度な加速器科学と計量科学の基盤を必要とし、なお国際的な研究協力の恩恵を受けていることも示している。
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持続可能な国内エコシステムを築くには、光源以外の分野も欠かせない。
- EUV用の多層反射ミラー、真空チャンバー、汚染制御
- 検出器、精密ステージ、アライメント、校正、放射計測
- 散乱モデル、画像再構成、欠陥分類、工程制御ソフトウェア
- マスクブランク、ペリクル、フォトレジスト、ウェハー工程のテスト構造
- ウェハー工場との連携による、実際の転写結果、デバイス電気特性、歩留まりとの相関検証
つまり、国内化の進展を判断する際には、「EUV光源に取り組む企業が何社あるか」だけでは不十分だ。納入可能な完成装置、安定した校正体系、実際の生産データとの閉ループが構築されているかを見る必要がある。
研究室の試作機から量産ツールへ、5つの壁
1. 有効光出力とスループット
光源が発生させた出力と、光学系を通過して試料に届き、最終的に有効な信号へ変換される出力は同じではない。検査装置は、欠陥感度、スキャン面積、露光時間、ノイズのバランスを取らなければならない。
2. 長期安定性
ウェハー工場が求めるのは、短時間だけ高性能を示す実験装置ではなく、シフトをまたぎ、数か月単位で稼働する安定した装置だ。波長、線量、光線方向、コヒーレンス、検出器応答を継続的に監視・校正・保守できなければならない。
3. 光源とシステムの寿命
プラズマ部品、レーザー、真空系、反射ミラー、検出器は、いずれも保守周期に影響する。デブリ汚染、光学性能の低下、主要部品の交換コストは、装置の総保有コストを直接左右する。
4. 計測結果とウェハー結果の相関
高分解能の画像を取得すること自体がゴールではない。測定したCD、オーバーレイ誤差、欠陥特性が、実際のウェハー転写、デバイス性能、歩留まりを予測できることを示す必要がある。そうでなければ、計測結果を生産工程の制御に組み込むのは難しい。
5. 工程とソフトウェアへの統合
EUV検査は、マスク、フォトレジスト、薄膜、ウェハー表面形状、自動搬送、データインターフェース、工場のプロセス制御システムに対応しなければならない。長期にわたる顧客認証、比較試験、現場での稼働データは、単発の実験デモよりも商用化を大きく左右する。
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中国のEUV計測が成熟したかを判断する指標
今後注目すべきなのは、ある研究チームが13.5nm光を得たと発表したかどうかだけではない。次のような検証可能な指標が重要になる。
- 連続運転の実績データがあるか
- 試料に届く有効光出力とスキャンスループットを公表しているか
- 欠陥検出結果を計量学的に校正できるか
- 電子ビーム、放射光、またはウェハーの電気特性との相関を示せるか
- ウェハー工場で長期試用や認証が行われたか
現時点の公開情報を総合すると、中国の現実的な道筋は段階的なものになりそうだ。HHGはまず研究開発、マスク再検査、専用計測へ進み、DPPなど小型化しやすいプラズマ方式は一部のインライン用途を目指す。放射光とSSMBは、高度な光源研究と計量科学を担い、LPPは最高出力と高スループットが求められる領域で重要な位置を保つだろう。
中国のEUV計測エコシステムには、光源開発から装置・システム統合へ広がる初期段階の姿が現れ始めている。しかし、「エコシステムが形成されつつある」ことと、「量産ラインで使える装置が完成した」ことの間には、なお大きな距離がある。
成否を決めるのは、13.5nmの光を単独で発生させることではない。光源、光学系、検出器、アルゴリズム、プロセス材料、ウェハー工場での検証を、安定して稼働し続ける生産ツールへ統合できるかどうかである。