EUVリソグラフィの基礎と用語

EUV露光の用語は数が多く、一語ずつ暗記すると互いに無関係な語彙の羅列になります。しかし実際には、そのほとんどが「波長13.5 nmでは光量が不足する」という一点から生まれた語です。

EUV（Extreme Ultraviolet、極端紫外線）リソグラフィとは、波長13.5 nmの光をモリブデンとシリコンの多層膜による反射光学系で縮小投影し、レジストへ回路パターンを転写する露光方式を指します。このページでは、光源、光学系、マスク、レジスト、計測の主要語を、13.5 nmという波長選択が順に生んだ条件としてたどります。

01 / 13.5 NM が順に生んだ条件

EUVの主要語は6段の連鎖から派生する。上段の条件が下段を生み、最下段の光子数不足がレジスト側の確率的な失敗まで届く。

1. 波長13.5 nmは光源よりも鏡が先に決めた

ArF液浸までの露光機は、レンズとペリクルへ透明な材料が存在する波長を使ってきました。EUV領域では事情が反転します。ZEISSは、EUV放射が空気とガラスに吸収されるため、鏡だけで構成し真空中で動作する光学系を設計したと記載しています。屈折レンズという選択肢が消えた時点で、EUV露光機の形はほぼ確定します。吸収の強さは減衰長（attenuation length）で表します。強度が1/eへ落ちるまでの侵入深さで、CXROが材料と波長ごとの計算器を公開しています。

残るのは反射鏡ですが、13.5 nmでは単純な金属面の反射率もごくわずかにとどまります。ここで多層膜反射鏡（multilayer mirror）が登場します。LBNLのX-Ray Data Bookletは、1つの界面の振幅反射率が1/30から1/100にとどまる一方、30から100の界面からの反射を同位相で足し合わせれば全体の反射率を1に近づけられる、と記述しています。同じ資料は、Mo-Siで波長13.4 nm、垂直入射反射率68%の実測値を挙げています。

同位相で足す条件がBragg条件です。LBNLのCXROは多層膜のBragg条件を mλ = 2d sinθ と記し、X線領域では各膜の厚みが1から10 nmになると記述しています。周期dが決まれば反射のピーク波長が決まります。つまり波長13.5 nmの出発点は多層膜側にあります。実用的な反射率を得られるMo/Si多層膜の周期が先に決まり、そこへ光源を合わせました。

多層膜の実装値も公開一次情報でたどれます。LLNLの1998年の報告は、40対のMo/Si多層膜（周期6.89 nm、Mo 2.8 nm、Si 4.1 nm）で13.4 nmの近垂直入射反射率67.5%、理想多層膜の理論上限を約75%と報告しています。理論値と実測値の差は、界面の相互拡散（intermixing）と粗さが生みます。この差を詰めるためにB4Cなどの拡散防止層とRuのキャッピング層が入ります。

LLNLの別報告は、鏡1枚の仕様をfigure 0.25 nm rms、中空間周波数粗さ（MSFR）0.20 nm rms、高空間周波数粗さ（HSFR）0.10 nm rmsと表にし、Maréchalの基準から波面誤差の合計をλ/14 rms以下へ収める必要があると述べています。EUVの鏡が「原子レベルの平滑さ」と形容される数値的な根拠がここにあります。

2. 反射を重ねるたびに約3割が失われる

多層膜の反射率が約70%という値は、単体では高性能に響きます。光路全体で掛け算になると印象が反転します。

ZEISSは、EUVミラーのコーティングでは最大100層が重なり、1層あたりの反射率が約1%にとどまるところを、積層により最大70%を利用可能にすると記載し、投影光学系が6枚の鏡で構成されるとしています。同社は照明系と投影光学系という2つの機能モジュールへ分けています。

反射率0.7で6枚の投影光学系と反射型マスクを通した場合、単純な掛け算では 0.7^7 ≒ 8% になります。ここへ照明系の鏡と集光ミラー（collector）が加わるため、プラズマが放った光のうちウェーハへ届く割合はさらに小さくなります。この数値は公開されている1枚あたりの反射率からの試算にとどまります。機種ごとの実力値は各社の公開仕様を参照してください。

この一点から、次の語群が派生します。

collector（集光ミラー）: プラズマから四方へ出るEUVを集める最初の鏡。
中間集光点（intermediate focus, IF）: 光源モジュールと露光機の受け渡し点。光源出力をワットで語るとき、ウシオは中間集光点通過後のEUV出力として測定すると記述しており、測定位置ごと数値の意味が変化します。
field facet mirror / pupil facet mirror: 照明系で光束を分割し、露光スリット内の照度均一性と照明形状を作る分割鏡。
flare（フレア）: 鏡の中空間・高空間周波数粗さによる散乱光が像へ重なる成分。LBNLの測定報告はflareを露光野内の散乱光成分として定量しています。
wall-plug効率: 投入電力に対する到達光量の比。EUVの運用コストを左右する主要因。

露光機の総合的な生産性は、この光量に加えてレジスト感度で決まります。ASMLは製品ページで露光量とスループットを組にして公開しています。NXE:3800Eは0.33 NA、解像度13 nm、30 mJ/cm²で220 wph以上、EXE:5000は0.55 NA、解像度8 nm、50 mJ/cm²で110 wph以上、EXE:5200Bは同じ0.55 NAで50 mJ/cm²で175 wph以上です。露光量の前提が30と50で異なるため、220と110を直接比べると誤読へ至ります。

3. 光源の用語は不足する光量への対処法である

現行のEUV光源はレーザー生成プラズマ（laser-produced plasma, LPP）です。ASMLは、CO2レーザーが高速で移動するスズ滴へ2回の別々のパルスを、毎秒最大50,000回撃つと記載しています。

2回撃つ理由が、そのままpre-pulse（プリパルス）という語の中身です。1発目でスズ滴を薄い円盤状へ変形させ、2発目のメインパルスがその形状を加熱してプラズマ化します。変換効率を上げるための手順であり、TRUMPFはEUV用ドライブレーザーをこのプリパルスとメインパルスの2パルス方式として記述しています。増幅段の構成がmaster-oscillator power-amplifier（MOPA）です。

変換効率（conversion efficiency, CE）は、ドライブレーザーのエネルギーのうち、13.5 nm付近の2%帯域（in-band）へ変換された割合を指します。ARCNLのレビュー論文は、スズプラズマのin-band放射、プリパルス、水素バッファガス、スタナン（SnH4）としてのスズ除去、帯域外（out-of-band, OOB）放射までをまとめています。デブリ対策とスズ管理がEUV光源の主要な保守項目になる理由がここにあります。

放電生成プラズマ（DPP）とZ-pinchは、露光機よりも計測・検査用の光源として現役です。Energetiqは電極レスZ-pinch方式のEUV光源をレジスト開発や欠陥検査向けとして製品化しています。自由電子レーザー（free-electron laser, FEL）は将来候補で、米国商務省とNISTは、xLightによるFEL型EUV光源のプロトタイプ実証をCHIPS研究開発の対象として公表しています。

4. マスクが反射型になった結果として生じる語

透明な材料が皆無のため、EUVのマスクも反射型です。ASMLはレチクルを干渉を使う多層膜反射鏡として記述しています。反射型にした瞬間、透過型マスクでは無縁だった一群の語が必要になります。

02 / 反射型マスクと斜入射

斜入射と吸収体の高さが、入射側と反射側の両方で光を削る。線の向きごとの実効寸法差と、焦点位置ごとの像ずれ（pattern shift）はここから生じる。

まず、光を垂直に当てると入射光と反射光が重なります。そのため主光線を法線から傾けます。ZEISSとASMLが2015年のEUVL Symposiumで示した資料は、chief ray angle at object（CRAO）6度と、High-NA向けの4x/8xアナモルフィック倍率、26 × 16.5 mmのウェーハ露光野を132 × 132 mmのレチクル上に配置する構成、20%の中心遮蔽を記載しています。

斜めに当たると、吸収体の高さが影響を持ちます。imecはTa系吸収体の厚みを典型的に60から70 nmとし、マスク3D効果（mask 3D effect, M3D）、NILS、low-n吸収体、high-k吸収体、減衰位相シフトマスクを一連の対策として記述しています。吸収体の側壁が入射光と反射光の一部を削るため、線の向きごとに実効寸法へ差が出て、焦点位置ごとに像の位置がずれます。これがpattern shiftです。

露光野の外周にも固有の対策が入ります。凸版印刷は、吸収体からの帯域外光の反射を従来品の5〜6%から1.5%以下へ、約70%削減する遮光帯（black border）構造を公表しています。

ペリクル（pellicle）は、レチクル表面から数ミリ離して張る薄膜で、異物を焦点面から遠ざけます。EUVでは透過率がそのままスループットの損失になるため、材料開発が続いています。ASMLはポリシリコンを核とする厚み13 nmの膜で、高真空中500℃までの耐熱を持つシリサイド複合ペリクルを記述しています。カーボンナノチューブ（CNT）系では、imecがNXE:3300で片道透過率97%までのCNTペリクルを実証し、三井化学とimecは94%以上の透過率と1 kW超のEUV出力への耐性を公表しています。

マスクの搬送と固定にも専用の規格があります。SEMI E152はEUVポッドの機械仕様、SEMI P37はEUV基板とブランクスの仕様、SEMI P40はマスクのマウンティング要件を規定します。真空中では真空吸着が無効になるため静電チャックで保持し、そのためにマスク裏面へ導電膜を成膜します。AGCはマスクブランクスを低熱膨張ガラス基板への両面成膜品として記述しています。

マスク側の上限をHigh-NA固有の条件として深掘りする場合は、High-NA EUVのマスク・ペリクル・stitching とレチクルとフォトマスクの材料へ進みます。

5. 光子数が減るとレジストの中で何が壊れるか

13.5 nmの光子1個は約92 eVのエネルギーを持ちます。同じ露光量（mJ/cm²）を与えたとき、ArFの193 nm（約6.4 eV）に比べて光子の個数は約1/14まで減ります。面積あたりの光子数が減るという事実が、EUV固有のレジスト用語をまとめて生みます。

光子数のばらつきがphoton shot noise（光子ショットノイズ）です。さらにEUV光子は分子を直接反応させるより、まず光電子と二次電子を叩き出します。J-STAGEで全文公開されている光重合科学技術の論文は、二次電子による光酸発生と、光子1個あたりの酸発生数を主題にしています。二次電子が動く距離が電子ブラーで、ACS Applied Materials & Interfacesのオープンアクセス論文は、非弾性平均自由行程（IMFP）として電子ブラーの長さスケールを報告しています。

結果として生じる症状に名前が付きます。imecは確率的欠陥として、マイクロブリッジ、線の局所断線、コンタクトの欠損と融合を列挙し、露光量を下げると急激に欠陥が増える領域をstochastic cliffと呼んでいます。

解像度・ラフネス・感度が同時に成り立ちにくい関係がRLSトレードオフです。東京応化工業と日立製作所は2006年の発表資料で、高解像度・高感度・低LERの3つを同時に満たすことが原理的に難しいと記述しています。imecは近年、この3つに確率的な失敗を第4のパラメータとして加えています。

語	英語・略語	語の中身	測定対象
CAR	chemically amplified resist	光酸発生剤と酸拡散で増幅する樹脂系	露光量、酸拡散長
MOR	metal-oxide resist	スズ酸化物核を持つ有機金属クラスター系	EUV吸収率、dose-to-size
ドライレジスト	dry resist	気相成膜する真空プロセス系	膜厚均一性、欠陥密度
LER / LWR	line-edge / line-width roughness	線縁と線幅の凹凸	SEM画像の3σ
LCDU	local CD uniformity	露光野内の局所寸法ばらつき	コンタクト径の分布
確率的欠陥	stochastic defect	確率的に生じる断線、橋、コンタクト欠損	大面積e-beam検査の欠陥密度

材料系の使い分けは、Inpriaが有機金属クラスターを酸拡散機構を省いた材料として記述しているように、増幅機構そのものの差へさかのぼります。Lam Researchは気相成膜のドライレジストで28 nmピッチのBEOL配線層をimecで実証したと公表しています。材料別の比較は High-NA EUVレジスト比較とフォトレジスト材料とパターン品質に分けています。

6. 補正と計測の語は像が理想から離れる量を測る

マスク3D効果、flare、確率的ばらつきが乗った状態で目標寸法へ合わせるため、計算リソグラフィの語群が入ります。

OPC（optical proximity correction）: マスク図形をあらかじめ歪ませる補正。
SRAF（sub-resolution assist feature）: 解像限界より小さい補助図形で焦点余裕を稼ぐ手法。
MEEF（mask error enhancement factor）: マスク側の寸法誤差がウェーハ側で何倍になるかの係数。Micromachinesのオープンアクセス論文は、2 nm世代BEOLの露光ラチチュード、MEEF、source-mask optimizationを同時に報告しています。
ILT（inverse lithography technology）: 目標パターンから逆問題としてマスク形状を求める手法。曲線図形が増えるため、SEMI P49はMULTIGONとして曲線マスクのデータ形式を規定しています。
EPE（edge placement error）: 層間のずれと寸法誤差を合算した、実際に回路が成り立つかを左右する量。imecはEPEとオーバーレイ予算をブロックマスク設計の主題として記述しています。

計測側では、13.5 nmそのもので測るactinic（アクチニック）計測が独立した分野を作ります。可視光やDUVでは多層膜内部の位相欠陥の検出が困難なためです。LBNLのCXROは、EUV波長での検査が必要になる根拠としてEUVマスクの積層構造を挙げています。

語	英語・略語	何を測るか	装置例
ABI	actinic blank inspection	パターン形成前ブランクスの位相欠陥	Lasertec ABICS E120
APMI	actinic patterned mask inspection	パターン形成後マスクの欠陥	Lasertec ACTIS A300
AIMS	aerial image measurement system	露光機と同じ照明条件での空間像	ZEISS AIMS EUV
裏面検査	backside inspection	静電チャック面の異物	Lasertec 裏面検査装置
オーバーレイ計測	overlay metrology	層間の重ね合わせ誤差	ASML YieldStar

位相欠陥（phase defect）と振幅欠陥（amplitude defect）の差は、Lasertecの用語集が短く記載しています。多層膜の下に潜む微小な凹凸が位相欠陥で、表面の異物が振幅欠陥です。装置ごとの役割分担は検査・計測・オーバーレイ装置の役割分担にまとめています。

7. High-NAで数値が動く語

0.33 NAから0.55 NAへの移行では、これまでの語がそのまま残り、数値と設計条件が動きます。

語	0.33 NA	0.55 NA	出典
解像度	13 nm	8 nm	ASML NXE:3800E / EXE:5000
倍率	4倍	x方向4倍、y方向8倍のアナモルフィック	imec
露光野	フルフィールド	26 × 16.5 mmのハーフフィールド	ZEISS / ASML EUVL Symposium 2015
焦点深度	基準	2〜3分の1	imec
露光野の継ぎ合わせ	通常は不要	stitchingが設計対象	IRDS 2024 Lithography

k1係数はRayleighの式 CD = k1 λ / NA の係数で、露光機以外の工夫がどれだけ寄与したかを示す量です。Micromachinesの論文はRayleighの解像度式と焦点深度式、k1とk2の位置づけを記載しています。High-NA固有の量産条件は High-NA EUVの量産ボトルネックに分けています。

8. よくある誤解

13.5 nm、多層膜、ペリクル、露光量の4語は、日本語の一般記事で反転した形で流通しています。公開一次情報に沿った関係を以下へ示します。

誤解1: 13.5 nmは光源の都合で選ばれた。 多層膜の周期が先という順序です。実用的な反射率を持つMo/Si多層膜の周期が先に決まり、そこへ光源を合わせています。LBNLのX-Ray Data Booklet が示す68%という反射率が、波長選択の実質的な根拠です。

誤解2: EUVはX線リソグラフィの一種である。 両者は結像方式で区別されます。EUVは多層膜反射鏡による縮小投影で、ASMLはレチクルパターンを4分の1へ縮小すると記載しています。1 nm前後のX線を使う近接露光は等倍転写で、縮小投影光学系を省いた方式です。

誤解3: ペリクルは異物を防ぐ膜である。 主機能は、異物をレチクル面から数ミリ離して焦点から外し、像への写り込みを弱めることです。膜そのものが光を吸収するため、透過率がスループットへ直結します。

誤解4: 露光量が多いほど品質が上がるので、あとは光源出力の問題である。 露光量を上げると確率的欠陥は減りますが、スループットが落ちます。imecはこの関係をstochastic cliffとして記述しており、露光量、欠陥密度、生産性の3点を同時に選定する作業がEUVプロセス開発の中心です。

用語から仕事へ

EUVの用語は、そのまま担当領域の区分と重なります。光源とcollectorは装置メーカーの保守とスズ管理、多層膜と面粗さは光学メーカーの成膜と研磨、吸収体とペリクルはマスクブランクスとフォトマスクの各社、確率的欠陥はレジスト材料メーカーとデバイスメーカーのプロセス統合、actinic計測は検査装置メーカーが担います。求人票の職種名と装置名からこの区分をたどる場合は、露光とリソグラフィと技術解説の入口から各DBへ進みます。

さらに体系的に学ぶ

書籍では、Harry J. Levinson『Extreme Ultraviolet Lithography』第2版（SPIE Press、2025年、ISBN 9781510692534）が、光源、露光機、マスク、レジスト、計算リソグラフィ、工程管理、計測、コストを1冊にまとめています。このページの構成も、同書の章立てを参考に主題の順序を決めました。本文中の数値と主張は、上記の公開一次情報で裏取りした範囲だけを記載しています。