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- かずただ がうん
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1 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 LSI の開発競争と EUV 光源の研究 大西正視
2 Out Line of Talk 1) Background of the research What is EUV? Why is EUV? 2) Semi conductor Lithography 3) Microwave Discharge Plasma Production (MDPP) 4) EUV Measurement 5) Experimental Results 6) Future Prospect of MDDP 7) Summary and Future Issues
3
4 1993~218 年の世界半導体市場の売上高 214 年以降は予測値である 単位は十億米ドル出典 :IC Insights
5 半導体リソグラフィプロセス 193nm ArF レーザー
6 Moor s Law Number of Transistors Doubling every 18 month Number of transistors doubling every 24 months Jack Kilby Nobel Prize
7 トランジスタ微細化の動向
8 露光技術の歴史 光源の種類 波長 ゲート長 i 線 365nm ~4nm KrF( フッ化クリプトン ) エキシマレーザ 248nm nm ArF( フッ化アルゴン ) エキシマレーザ 193nm 9nm 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(Extreme Ultra Violet) 13.5nm 1Xnm 2.6% 半導体用露光装置メーカー別販売比率 (21 年 ) 8.7% 7.6% ASML ニコン キャノン
9 EUV 光源開発の背景 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 加工の露光波長 短波長紫外線レーザー 極端紫外光 年代 KrF (25,18,nm) ArF (9,65,nm) ArF 液侵 (45,22,14n m) EUV (1, 7nm) NEO 省エネルギー技術フォーラム 211 ギガフォトン報告書 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 9 9
10 EUV 光源市場 (22( 年まで ) EUV 光源市場 メンテナンス費 [ 億円 ] メモリへの普及 Foundry Logic への普及 光源出荷額 : 露光装置の 1% メンテナンス費用 : 光源価格の 15% * 光源の寿命を 1 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 (22 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 1
11 EUV 露光装置概念 EUV 露光装置の転写模式図 Komatsu Technical Report 59 (213)
12 EUV(13.5nm) 光の生成 13.5nm(92eV) の EUV 光は Xe +1 の 4d 5p 遷移で放出される. 従って, 電子温度 2~3 ev の Xe プラズマの生成 出力 :25W, 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 EUV 光時間平均値の高出力化 25W 出力が要求 EUV;5-9W EUV;~3W 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 13
14 マイクロ波プラズマ生成装置 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 Micro wave Xe Gas supply Cavity Visible light View port Calorie meter 5cm 14 14
15 MDPP, TE and TM mode Resonant Cavity Auto Tuner Wave guide Magnetic field Coil Plasma ( Size ~ 1 3mm) permanent magnet Resonant Cavity The microwave discharge produced plasma (MDPP) system. 15
16 共振回路と Q 値
17 Y [m] Cavity Quartz tube 共振器とマイクロ波 Micro wave View port Plasma EUV 1mm 3 mm 2) MD Q=8, 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 X [m]
18 Comparison(EUV 光源の比較 ) 1~2W@25W, Xe, CW 25W, Xe 低 CW Multi source (211 年公表データ )
19 Reflection meter(calorie meter) Mo/Si mirror aperture(1 ) Photo diode Zr filter aperture(5 ) Mo/Si mirror The reflection meter system, which consists of a Zr filter, two Mo/Si multi layer reflection mirrors, apertures of 5 and 1, and a photo diode. 19
20 Reflectivity of the Mo/Si & transmission of Zr filter penetration and reflection efficiency Zr Mo/Si ~ 7% for Mo/Si mirror a full width half maximum / =.48 at = 13.5 nm The Zr filter cuts out the visible light wave length [nm] The reflectivity of the Mo/Si mirror and the transmission of the 1 nm Zr filter as functions of the wavelength. 2
21 Estimation of EUV power W EUV [ W/2 2 str] 1 ;Solid angle of reflection meter system (str) V; output voltage of photodiode R; Resistance in the amplifier R d ; Responsivity of the diode (A/W) R m ; Reflection ratio of EUV mirror (~.6) T Zr ; Transparency of Zr(Si 3 N 4 ) filter (~.12) V dt R R R d 1 m R m 1 T zr The calibration of the calorimeter was carried out by the standard E Mon ( in Osaka university). 21
22 EUV データーベースレーザー装置での較正 較正済み反射計 ; E-mon 6 5 Input energy 555 mj E_mon Kandai Target;Sn 45 レーザー 45 Voltage [mv] 未較正関大反射計 time [ s] パルス幅 ~ 7 ns のレーザーをエネルギー 5 1mJ 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 E-mon ; Vs Kandai; Vs 22
23 発振器 ; マグネトロンと固体発信器の相異 intensity [dbm] Magnetron 5 kw f [GHz] Intensity [dbm] Solid State 1 W 共振器の共振特性 f [GHz] Return Loss [dbm] Q= 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.3.25 SolidState.1 kw 共振器 EUV [W] Magnetron1 kw 発振器 EUV 放射効率.1%.2% time [s]
24 TM1 モード Q=8,6 E B 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
25 TE111 モード / 電子サイクロトロン共鳴加熱 Q=9, E TM1 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
26 EUV [W/2 str] 4x EUV vs. Xe Pressure & Reflection (TM モード ) Gas Pressure [Pa] 8 1mm 2mm 3mm Visible light 1 P ref /P in [%] 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 Gas Pressure [Pa] 1mm 2mm 3mm 1
27 5x1-3 4 EUV [W/2 str] TM mode EUV vs. Xe Gas pressure (Xe ガスによる吸収考慮 ) 3mm 2mm EUV [W/2 str] mm Gas Pressure [Pa] Gas Pressure [Pa] The EUV power (P EUV ) dependence on Xe Gas pressure shows optimum pressure (~ 6 sized plasma)..7w@25w net input power 8 27
28 Discharge Waveforms (TE mode) ~ 4 W 4 EUV [W/2 str] ~ 12 W ~ 3 W Incident Power [W] time [s] 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. 28
29 EUV out put (February,215) (Xe ガスによる吸収補正済 )
30 TM1 と TE111 の反射率の比較データ その 反射率 8Pa TE111 RF net 8Pa TE 反射率 1.3Pa TM1 RF net 1.3Pa TM1 3 4 reflect/input [%] RF net [W] reflect/input [%] RF net [W] Input [W] Input [W] TE111 型の 8Pa TM1 型の 1.3Pa
31 磁場による熱負荷の低減 B [V] 4x CW 2 kw (In 1 kw, Ref. 1 kw) EUV ; 3 mw/2 str time [s] Duty1% 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 31 31
32 EUV Powers in TM1 and TE111 modes Size of Quarts tube 3mm Closed 2mm Closed 1mm Closed 3 mm Open 2mm Open TM1 TE111.3W (.9 Pa).26 (3 Pa).4 W (1 Pa).77 (5 Pa).7 W (6 Pa).63 W (5.5 Pa) ~ W 1.1 W (5 Pa) ~ W.28 W (3.5 Pa) Distribution of electric field of TM1 mode cavity The absorptions of EUV by Xe gas are considered. 32
33 EUV parameters and MDDP
34 New Cavity with Magnet and Coolant Neodymium magnet antenna Co axial Cable for Microwave Fluorinert outlet Fe Fe Fe hole 3mm 2mm Tuner Fe Fe 1.5 T.1 T Halbach magnet 2mm Fluornert inlet Alumina / sapphire
35 1 基出力 : ~3W 8 基 25W 25W 商用 EUV 光源の概念 縦断面図 永久磁石 スタブチューナー Xeガス注入石英管マイクロ波光源装置キャビテイ マイクロ波入力 真空排気ポンプ IF 光学系
36 上面図 真空容器 マイクロ波 EUV 発生装置 真空排気ポンプ 商用 EUV 光源 :25W IF, CE=1%
37 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.
38 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.
39 ご清聴ありがとうございました
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