半導体製造装置 「先端半導体にはEUV露光装置」に待った、キヤノンのナノインプリントの実力 青谷 悠平 日経クロステック／日経エレクトロニクス 2024.02.19

https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/mag/ne/18/00007/00239/

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　数nm世代の最先端半導体には、オランダASMLの極端紫外線（EUV）露光装置が必須─。そんな状況にキヤノンが風穴を開けた可能性がある。長年、研究開発を続けてきたナノインプリントリソグラフィー（NIL）装置を実用化したのだ（図1）。2023年10月13日から、同装置の販売を開始した。5nm世代に必要な最小線幅14nmの回路パターンを描画できる。ASMLの開口数0.33のEUV露光装置で実現できる最小線幅である13nmに迫る性能だ。「既に問い合わせが多数あり、特に研究開発や光学分野の用途からの関心が高い」（キヤノン光学機器事業本部副事業本部長 岩本和徳氏）という。

図1　ナノインプリント半導体製造装置「FPA-1200NZ2C」

（写真：日経クロステック）

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　NILは、スタンプのようにnmサイズのパターンを彫ったマスクを押しつけることで、パターンを転写する技術である。NILを使用するメリットは2つある。EUV露光と比べて、工程数が減らせること。そして、消費電力が10分の1になることだ（表1）。

表1　NILは複雑なパターンを1回で作成可能

（出所：ASMLとキヤノンの製品仕様を基に日経クロステックが作成）

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複雑なパターンを1回で作成可能

　キヤノンのNIL装置でのパターン転写は次のように行う。まず、同社が保有するインクジェット技術によって、ウエハー上へ液滴状のレジストを塗布する。その後、回路パターンが彫り込まれたマスクをレジスト上に押しつけ、その上から紫外光を照射し、レジストを固める。レジストが固まった後、マスクを剥離する（図2）。

図2　転写方式の比較

（出所：キヤノンの資料を基に日経クロステックが作成）

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　NILはこのように直接パターンを転写するため、複雑なパターンであっても1回の露光で転写できる。光露光では、1回の露光で縦あるいは横の形状しか転写できない^注1）。このため、斜めのパターンや複数のパターンが入り交じっていると、複数回の露光が必要になる。露光回数が増えると、エッチング作業などの別工程も同時に増える。

注1）露光方式は、縦方向か横方向に露光条件を最適化している。縦と横のパターンが混合していると、端部の露光解像度が下がり、端部のパターンがギザギザしてしまうため、分けて露光する。

レプリカマスクでパターン形成

　NILでは、実寸サイズのパターンを描いたマスクを使う。このマスクは、キヤノンによると、電子ビームを使って、実寸サイズのパターンを描いたマスターマスクを用意するという。このマスターマスクを、NIL装置を使って転写してレプリカマスクを造る（図3）。NILはマスクを直接押し当てるため、マスクの欠陥が露光方式と比べて発生しやすい。そのため、マスターマスクからレプリカマスクを大量に造り、欠陥が発生したものは良品に交換して使っているという。1枚のマスターマスクから何枚のレプリカマスクを造れるかは非公開。「線幅が小さくなるほどレプリカ作製は難しくなる」（岩本氏）とする。

図3　マスターマスクを基に多数のレプリカマスクを造る

（出所：日経クロステック）

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消費電力はEUV露光の10分の1

　NILは、製造工程がシンプルなため、消費電力が非常に小さい。先述したように、EUV露光と比較すると、消費電力は10分の1だという（図4）。また、装置構造もシンプルなため、詳細な価格は不明だがEUV露光装置よりも装置価格が安い。

図4　EUV比で消費電力が10分の1に

（出所：キヤノンの資料を日経クロステックが撮影）

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　EUV露光の消費電力が大きいのは、光源の減衰が大きいためだ。EUV露光では、微細加工をするために波長13.5nmの極端紫外光を用いている。この光は空気やレンズでの光吸収が非常に大きく、従来のレンズ方式だとウエハー上にまで光が届かない。そのため、EUV露光では、露光機内を真空にし、ミラーで光を反射することで、吸収を極力減らし、ウエハー上へ光を照射している。しかし、この方法であっても、ミラーの反射率は100％でないため、ウエハー上に届く光は減衰し、エネルギー効率は約5％である。

実用化を可能にした3つの要素

　キヤノンは、長年NILの研究開発に取り組んでいたが、次の3つの技術の開発によって製品化に至ったという。すなわち、（1）高精度な重ね合わせ、（2）ひずみ補正、（3）パーティクル除去─である。

　（1）の高精度な重ね合わせは、ウエハーとマスクの4隅にレーザーを照射することでアライメントマークを読み出し、1nm以下の精度で位置を計測し、4nmよりも細かい精度で重ね合わせをする。重ね合わせの精度は、線幅に対して5分の1から、6分の1の精度が求められる。

　（2）のひずみ補正は、マスクとウエハーの上からレーザー光を当てることで熱を加え、ひずみを補正するもの（図5）。これは、ウエハーとマスクの線膨張係数の差を利用している。ウエハーの方が、マスクよりも線膨張係数が10倍大きく、伸び縮みしやすいため、ひずみに合わせた熱分布を与えることで、補正する。

図5　線膨張の差を利用したひずみ補正をする

（写真：日経クロステック）

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　（3）のパーティクル除去は、ウエハー上にパーティクルが載らないように高性能フィルターやエアーカーテンを備えることで、通常の露光装置よりも極めて高いクリーン環境を実現した（図6）。パーティクルとは、微粒子の異物である。ウエハー上にパーティクルがあると、マスクを押し当てる際に、パターンの溝にパーティクルが挟まりマスクが破壊される。そのため、作業環境には高いクリーン度が求められる。

図6　エアーカーテンによって、パーティクルを除去する

（出所：キヤノンの資料を基に日経クロステックが作成）

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課題はスループットと微細化の向上

　ASMLのEUV露光装置に匹敵する線幅を実現できるキヤノンのNIL装置だが、技術的に負けている部分がある。ウエハー処理能力と微細化精度だ。

　キヤノンのNIL装置の1時間当たりのウエハー処理能力が80枚なのに対し、ASMLのEUV露光装置は倍以上の170枚を処理できる。NILの作業工程のうち、最も時間を要するのが、レジストがマスクパターンの内側に広がるまでの時間である（図7）。現在は、「レジストが広がるまでに1.1秒かかるが、プロセスを最適化し、この時間を短くすることで処理能力の向上を目指している」（岩本氏）という^注2）。

図7　レジストが広がるまでの時間が処理時間に直結する

（出所：日経クロステック）

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注2）EUV露光のようなスキャン方式ではなく、実パターンを描いたマスクを押印するNILでは、レプリカマスクを大口径化すれば処理能力は改善しそうだ。しかし、大口径化すると位置合わせが難しくなるため、この手法は採用できないという。

　また、微細化の精度については「2025年ごろの実用化を目指して、10nmのマスク開発に取り組んでいる」（岩本氏）。NILは現在14nmの回路パターンを形成できるが、現時点では電子ビームによるマスクへの描画の安定性がこれ以下では下がってしまうという。

EUVとは共存を目指す

　キヤノンは、NIL装置でEUV露光に真っ向から挑むのではなく、共存する形を狙う。NILは前述の通り、工程数の削減や、消費電力の少なさが魅力である。一方、微細加工の精度ではEUV露光に軍配が上がる。そのため、「COO（Cost Of Ownership）に一番効果的なところでNILを使ってもらい、コストが高くても微細加工精度が求められるところはEUVを使ってもらう」（岩本氏）。まずは、3D NANDの市場へNILを展開していき、段階的にDRAM、ロジックといったより微細加工精度が必要な市場へと応用先を広げていくつもりだという。「NILの応用先としてメタレンズといった光学分野も考えている」（同氏）