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LSIの開発競争とEUV光源の研究
大西正視
平成28年4月28日(木)
シンビオ社会研究会講演会京都大学,百周年時計台記念館
Out Line of Talk1) Background of the research
What is EUV? Why is EUV?2) Semi‐conductor Lithography3) Microwave Discharge Plasma Production (MDPP) 4) EUV Measurement5) Experimental Results6) Future Prospect of MDDP7) Summary and Future Issues
1993~2018年の世界半導体市場の売上高。2014年以降は予測値である。単位は十億米ドル 出典:IC Insights
半導体リソグラフィプロセス
193nmArFレーザー
Moor’s Law
Number of transistors doubling every 24 months
Number of Transistors Doubling every 18 month
Jack KilbyNobel Prize
トランジスタ微細化の動向
光源の種類 波長 ゲート長
i線 365nm ~400nm
KrF(フッ化クリプトン)エキシマレーザ 248nm 250・180・130nm
ArF(フッ化アルゴン)エキシマレーザ 193nm 90nm・65nm
F2(フッ素)レーザ 157nm 実用化せず
ArF(フッ化アルゴン)エキシマレーザ液浸 193nm 5X・4X・3X・2Xnm
EUV(ExtremeUltra Violet) 13.5nm 1Xnm
露光技術の歴史
70.6%
20.6%8.7%
半導体用露光装置メーカー別販売比率
(2010年)
ASML
ニコン
キャノン
9
EUV光源開発の背景
9
波長が短いほど細かいパターンの転写が可能PCの速さ・複雑さの性能向上メモリー容量の増加, 省電力消費
より微細なIC作成のため、半導体露光の微細化が進む。特にEUV (Extreme Ultara Violet)露光が有力視
100 0200300
短波長紫外線レーザー 極端紫外光
KrF(250,180,nm)
ArF(90,65,nm)
EUV(10, 7 nm)
ArF 液侵(45,22,14nm)
加工の露光波長
1996 2014
年代
20072002
NEO省エネルギー技術フォーラム2011 ギガフォトン 報告書
EUV光源市場(EUV光源市場(20202020年まで)年まで)EUV光
源市
場・メンテナンス費[億
円]
FoundryLogicへの普及
メモリへの普及
光源出荷額:露光装置の10%メンテナンス費用:光源価格の15%*光源の寿命を10年以上とし累積
出荷台数を基に算出
光源市場:757億円メンテナンス費用:413億円(2020年)(累計459台)*年ごとに累計出荷台数が増大するので、規模は拡大
10
EUV露光装置の転写模式図Komatsu Technical Report 59 (2013) 166 11
EUV露光装置概念
EUV(13.5nm)光の生成
13.5nm(92eV)のEUV光はXe+10の4d‐5p遷移で放出される. 従って, 電子温度20~30 eVのXeプラズマの生成
出力:250W, 光源の大きさ:1mm以下
放電生成プラズマ(DPP)およびレーザ生成プラズマ(LPP)による光源の開発が進められている
現在開発が進められている方式ではデブリと呼ばれる微粒子の生成を伴い、シリコンウエハーへの付着汚染、ミラーへの付着によるミラーの短寿命に結果する.(クリーンなEUV光)その解決法が見出されておらず実用化する上で大きな困難に直面している.
どの方式でも目標の出力を達成していない.
13
EUV光源の開発の現状
LPP(Laser‐Produced Plasma)
LDP(Laser‐assisted Discharge Plasma)
方式
短パルス運転・安定動作
ターゲットや電極からの不純物生成
‘Debris’
EUV;50-90W EUV;~30W
EUV光時間平均値
の高出力化
250W出力が要求
14
マイクロ波プラズマ生成装置
14
Micro wave
Xe Gas supply
Visible light
View port
1)発信器(マグネトロン);マイクロ波生成
2)導波管;マイクロ波伝送
3)方向結合器;入射反射電力測定
5)(自動)チューナー;反射電力抑制
6)キャビテー;マイクロ波共振器(TEモード、TMモード
7)スタブチューナー;共振器の整合
Wave Guide
Calorie meter
Cavity50cm
15
The microwave discharge produced plasma (MDPP) system.
MDPP, TE and TM mode Resonant Cavity
Plasma ( Size ~ 1– 3mm)Magnetic field Coil
Wave guide
Auto Tuner
permanent magnet
Resonant Cavity
共振回路とQ値
17
2) MD
17
1mm ‐ 3 mm
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
Y [m
]
0.40.30.20.10.0
X [m]
Quartz tube
View port
PlasmaEUV
Cavity
入射マイクロ波の波長にあわせて共振器の体積を変化させ、共振器内に電磁波を充填する石英壁を透過したマイクロ波はXeをプラズマ化し、EUVを生成する
Micro‐wave
共振器とマイクロ波
Q=8,000
Comparison(EUV光源の比較)
(2011年公表データ)
1~2W@250W,Xe, CW
250W, Xe 低CW Multi‐source
19
Reflection meter(Calorie meter)
The reflection meter system, which consists of a Zr filter, two Mo/Simulti‐layer reflection mirrors, apertures of 5 and 10, and a photo diode.
Zr filteraperture(5)
Mo/Si mirror
aperture(10)
Photo diode
Mo/Si mirror
20
Reflectivity of the Mo/Si & transmission of Zr filter
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
pene
trat
ion
and
refle
ctio
n ef
ficie
ncy
20181614121086
wave length [nm]
Zr Mo/Si
The reflectivity of the Mo/Si mirror and the transmission of the 100 nmZr filter as functions of the wavelength.
~ 70% for Mo/Si mirrora full width‐half maximum / = 0.048 at = 13.5 nm
The Zr filter cuts out the visible light
21
Estimation of EUV power
zrmmdEUV TRRRR
dtVstrWW 112]2/[
1
0
;Solid angle of reflection meter system (str)V; output voltage of photodiodeR; Resistance in the amplifierRd; Responsivity of the diode (A/W)Rm; Reflection ratio of EUV mirror (~0.6)TZr; Transparency of Zr(Si3N4) filter (~0.12)
The calibration of the calorimeter was carried out by the standard E‐Mon ( in Osaka university).
EUVデーターベースレーザー装置での較正
22
E-mon
関大反射計
Target;Sn
45
45
レーザー
パルス幅~ 7 nsのレーザーをエネルギー500–1000mJで入射。レーザー入射ポートに
対して対称に両計測器を設置。
60
50
40
30
20
10
0V
olta
ge [m
V]
43210-1
time [s]
Input energy 555 mJ E_mon Kandai
E-mon ; 5.30×10-8 VsKandai; 1.14×10-8 Vs
較正済み反射計;
未較正
23
発振器;マグネトロンと固体発信器の相異
23
EUV放射効率0.01%→0.2%
-80
-60
-40
Inte
nsity
[dbm
]2.45102.45002.4490
f [GHz]
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0Ret
urn
Los
s [db
m]
2.4512.4502.449
f [GHz]
Magnetron 5 kW Solid State 10 W
発振器
共振器
共振器の共振特性
Q=5000
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
EU
V [W
]
543210-1
time [s]
SolidState0.1 kW
Magnetron1 kW
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
inte
nsity
[dB
m]
2.46602.46502.4640
f [GHz]
入射する電磁波の質(f)によって加熱効率は変化する
TM010モード
貫通孔部で電界集中していますプラズマ励起時は同軸構造となり、
外部に漏洩しているものと思われます
Q=8,600
EB
TE111モード/電子サイクロトロン共鳴加熱
TM010よりも低損失。
石英管が電界中心部に到達していないので異常放電が発生する恐れあり。
Q=9,000
E
石英管の径が小さくなると、高いガス圧で最大値を示し、反射も減少
70
65
60
55
50
45
40
P ref/P
in [%
]108642
Gas Pressure [Pa]
1mm 2mm 3mm
40x10-3
30
20
10
0
EU
V [W
/2s
tr]
1086420
Gas Pressure [Pa]
1mm 2mm 3mm
EUV vs. Xe Pressure & Reflection(TMモード)
Visible light
EUV vs. Xe Gas pressure(Xeガスによる吸収考慮)
27
50x10-3
40
30
20
10
0
EU
V [W
/2s
tr]
86420
Gas Pressure [Pa]
3mm 2mm
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0E
UV
[W/2s
tr]
86420
Gas Pressure [Pa]
1mm
•TM mode
•The EUV power (PEUV) dependence on Xe Gas pressure shows optimum pressure (~ 6 Pa @1mm sized plasma). 0.7W@250W net input power
28
Discharge Waveforms (TE mode)
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
EU
V [W
/2s
tr]
-2 -1 0 1 2
time [s]
~ 400 W
~ 120 W
~ 30 W
400
300
200
100
0
Inci
dent
Pow
er [W
]-2 -1 0 1 2
time [s]•CW operation (~ 3.5 sec.)•The EUV intensity depend on the incident RF power and gas pressure. The dependence of EUV on power and gas pressure is investigated.
EUV out put (February,2015)
240
200
160
120
80
40
0
120
100
80
60
40
20
0
(Xeガスによる吸収補正済)
TM010とTE111の反射率の比較データ
その1100
80
60
40
20
0
refle
ct/in
put [
%]
700600500400300200100
Input [W]
600
500
400
300
200
100
0R
F net [W]
反射率 8Pa TE111RF net 8Pa TE111
100
80
60
40
20
0
refle
ct/in
put [
%]
7006005004003002001000Input [W]
400
300
200
100
0
RF net [W
]
反射率 1.3Pa TM010RF net 1.3Pa TM010
TE111型の8Pa TM010型の1.3Pa
31
磁場による熱負荷の低減
31
4x10-3
3
2
1
0
[V]
3210
time [s]
1 CW 2 kW (In 1 kW, Ref. 1 kW)EUV ; 30 mW/2str
Duty10%のパルス運転→連続運転にすることで時間平均値が向上
磁場を印加することで石英管(磁力線垂直方向)への粒子損失を減らした。熱負荷が軽減し定常運転を可能とした。
B
32
EUV Powers in TM010 and TE111 modesSize of Quarts tube
TM010 TE111
3mm Closed
0.03W (0.9 Pa) 0.26 (3 Pa)
2mm Closed
0.04 W (1 Pa) 0.77 (5 Pa)
1mm Closed
0.7 W (6 Pa) 0.63 W (5.5 Pa)
3 mm Open
~ 0 W 1.1 W (5 Pa)
2mm Open
~ 0 W 0.28 W (3.5 Pa)
The absorptions of EUV by Xe gas are considered.
Distribution of electric field of TM010 mode cavity
EUV parameters and MDDP
New Cavity with Magnet and Coolant
Fe Tuner
Alumina /sapphireFluornert
inletHalbach magnet
Fe Fe
FeFe
Neodymium magnet
2mm30mm
Co‐axial Cablefor Microwaveantenna
hole
Fluorinertoutlet
20mm1.5 T 0.1 T
真空排気ポンプ
光学系
縦断面図マイクロ波光源装置キャビテイ
Xeガス注入
マイクロ波入力
スタブチューナー 石英管
永久磁石
250W 商用EUV光源の概念
1基出力:~30W
8基→250W
IF
上面図
マイクロ波EUV発生装置
真空容器
真空排気ポンプ
商用EUV光源:250W EUV @ IF , CE=1%
Summary & Issues
1) The EUV Lithography is indispensable technology for the next generation LSI.2) The development of EUV light source, above all, is behind with the other technologies, such as mask, resist , EUV optical system.3) The EUV light source which meets the requirement of the semiconductor industry has not been realized.4) The microwave DPP may be most promising EUV light source.5) The engineering issue is tuning so as to suppress the reflection at the existence of a plasma.
Acknowledgment
The research is supported by the START Project of the Ministry of Education, Art, Sport, Science and Technology. I express my appreciation to Dr. S.Tashima, postdoctoral researcher for the experiments.
ご清聴ありがとうございました