宇都宮大学ら、EUV光源の高効率化を目指すマルチレーザー照射法を開発！✨🔬

2024年7月28日 08:17

発表日：2024年7月26日

概要

今回の研究発表には、以下の重要なポイントがあります：

先端半導体向けのEUVリソグラフィー光源に関する研究です。
波長13.5nmのEUV光源の高効率化を目指したマルチレーザー照射法を実証しました！✨
固体レーザーやCO2レーザーの高出力化に伴う問題を解決しつつ、EUV変換効率を高める新しい手法を示しました。
最も簡便なSn平板に波長が1μmのパルスレーザーを1本照射したときの最大EUV変換効率（1.7%）を大幅に超え、マルチビーム照射では4.7%に達することを実証しました！🚀
EUV光源の高出力化と省エネ化に向けた高効率化への指針を明らかにしました。

■ 研究概要

宇都宮大学学術院の東口武史教授、森田大樹助教らの共同研究グループは、EUV光源を高効率化するためのマルチレーザービーム照射法を提案し、EUV光源を高効率化できることを実証しました。この成果は、現在稼働している駆動レーザー装置の増幅器への負荷を回避し、将来の駆動レーザー装置の小型化・低電力化につながるものです。

EUV露光機の消費電力の多くはEUV光源によるものです。EUV光源を高出力化するため、駆動用レーザーであるCO2レーザーの増幅器を増やし出力を上げており、消費電力も増大しています。EUV光源の高効率化と省エネ化が求められる中、今回の研究は重要な一歩となります。

■ 研究の背景

先端半導体はスマートフォンや機械学習、生成AIなどに使用され、モビリティーや自動運転などの分野でもその需要が高まると予想されます。また、先端半導体は経済安全保障の観点からも重要です。先端半導体の製造過程の一つに露光という回路パターンを転写する工程があり、この工程に波長13.5nmのEUV光が使用されます。

EUV以外にも光の波長に応じて、光源は様々な種類があります。露光工程についてはこちらの記事で詳しく説明しているので、良ければ読んでみて下さい👇

EUV光源の高出力化と高効率化が求められる一方で、現行のEUV露光機は1台あたり1MWを超える消費電力を持ち、その大部分がEUV光源のCO2レーザーによるものです。このため、電気―光変換効率の高い固体レーザーを用いることで、消費電力の削減が期待されています。

■ 研究の方法

本研究では、真空容器内に設置されたSn（金属スズ）の平板ターゲットにナノ秒のパルス幅をもつNd:YAGレーザーを集光照射することでプラズマを生成し、EUV光のスペクトルやEUVエネルギー、光源イメージ、高速イオンなどを観測しました。

実験装置の概念図。用いたレーザー装置は独立した 2 台の Nd:YAG レーザー。外部トリガーで 2 台のレーザーを同期。1 ビーム照射（パルスエネルギー：500 mJ/pulse）のときは、1 台のみ使用。レンズの位置を調整することで、照射するビーム数に応じて集光サイズを変え、Sn ターゲット位置でのレーザー強度を 2  1011 W/cm2となるようにしました。複数ビームを照射するときは、照射するレーザーのパルスエネルギーの合計を 500 mJ に設定し、各レンズの位置を調整することでそれぞれのビームの集光レーザー強度を 2  1011 W/cm2としました。EUV エネルギーは EUV エネルギーメータで測定したのち、EUV 変換効率を評価しました。EUV 光源サイズをピンホールカメラで、高速イオンをファラデーカップで測定しました。

■ 研究成果

1. EUV変換効率の向上

EUV変換効率の向上や光源サイズ、各レーザービームが独立にもつEUV変換効率を評価し、各ビームの変換効率の和がEUV光源全体の変換効率であることを明らかにしました。これにより、複数ビームを用いることで、従来の単一ビームに比べて効率的なEUV生成が可能となります。

2. 高速イオンのエネルギースペクトル

高速イオンのエネルギースペクトルから、1ビームあたりのレーザーエネルギーを下げてもレーザー強度が保たれていて、総照射エネルギーが同じであれば、EUV光源プラズマは似た状態になることが分かりました。これにより、エネルギー効率を最大限に引き出すことが可能です。

3. マルチレーザー照射法の有効性

マルチレーザー照射法を用いることで、EUV変換効率が向上し、最大4.7%に達することを実証しました。これにより、CO2レーザーに頼らずとも高効率なEUV光源が実現できることが示されました。

EUV 変換効率のレーザー照射ビーム数依存性。ビームが 2 本のときの EUV 変換効率が最も大きくなりました。時間的に同期した 2 台の独立レーザーを用意し、同時にレーザーパルスを照射することで EUV 変換効率を 2 倍以上に増加させることができました。このことは、1 台あたりのレーザーシステムの出力を下げてよいことを意味しています。レーザーシステムの高出力化に伴い開発負荷を下げられる上、 EUV 変換効率も向上することから、低消費電力化あるいは EUV 光源の高出力化につながることを示しています。

応用例と将来の展望

この技術は、次世代の高性能半導体製造に不可欠な技術となる可能性があります。具体的な応用例として、スマートフォンのさらなる高性能化や、AI技術の高度化、自動運転技術の進展が期待されます。また、EUV光源の高効率化により、エネルギー消費の削減が実現し、環境負荷の低減にも寄与します。

■ まとめ

先端半導体向けEUVリソグラフィーの光源を高効率化するための研究。
マルチレーザー照射法を用いることで、EUV光源の高効率化を実証。
複数のレーザービームを同時に照射することで、EUV変換効率が向上。
EUV光源の高出力化と省エネ化に向けた指針を提供。
将来の高出力EUV光源および技術ノードに向けた露光ツールの革新的技術の可能性。

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ハッシュタグ
#EUV光源 #半導体 #リソグラフィー #CO2レーザー #固体レーザー #技術革新

専門用語の説明

EUVリソグラフィー: 極端紫外線を用いた半導体製造技術。
波長13.5nm: EUVリソグラフィーに使用される極端紫外線の波長。
固体レーザー: 固体媒質を使用したレーザー装置。
CO2レーザー: 二酸化炭素を媒質とするレーザー装置。
EUV変換効率: 入射レーザーのエネルギーに対するEUV光の生成効率。
Sn平板: スズの平板ターゲット。

参考文献

https://www.utsunomiya-u.ac.jp/docs/higashiguchi-press.pdf