スズ液滴に1秒間5万発のレーザー——EUV光源の意外な正体

私たちが毎日使うスマホやAIサーバの中のチップがどう作られるかは、「ASMLと露光装置の独占」で扱いました。ここでは一段踏み込み、その露光装置の中核——「EUV光源」の仕組みに絞ります。

EUV光とは何か——なぜ13.5nmでなければならないのか

半導体チップの回路は、「マスクに描いたパターンを光で焼き付ける」露光工程で作られます。より細い回路を描くには、より短い波長の光が必要です。いまスマホやAIサーバに使われる最先端チップは2〜3ナノメートルの精度を要求しますが、これを実現するのがEUV（Extreme Ultraviolet、極端紫外線）という波長13.5nmの光です。

かつての主流はDUV（Deep UV、深紫外線）と呼ばれる波長193nmの光でした。DUVからEUVへの波長の縮小幅は約1/14です。解像できる最小寸法はざっくり波長に比例するため、EUVは理論上DUVの約14倍細い線幅を一度で描けます。

ここには重大な制約があります。波長13.5nmの光は、空気中にある酸素や窒素にほぼ吸収されてしまいます。したがってEUV装置の内部は真空でなければならず、通常の光学ガラスレンズも使えません（ガラスでも吸収されます）。光を曲げるための光学系には、反射するミラーのみを使う設計が採用されています。この制約が、光源の設計にも根本的な影響を与えています。

LPP方式とはどういう仕組みか——スズが光になるまで

EUV光を発生させる方法にはいくつかのアプローチがありますが、量産装置に使われているのはLPP（Laser Produced Plasma、レーザー励起プラズマ）方式です。

仕組みを順を追って整理しましょう。

まず、スズ（Sn）の液滴が装置内に射出されます。液滴の直径は約20〜30マイクロメートル（μm）——人の髪の毛の直径が60〜80μmなので、その3分の1ほどです。これが1秒間に約5万個、真空中を落下していきます。

次に、落下するスズの液滴へプレパルスレーザーを照射します。最初のレーザー（プレパルス）で液滴を平たく変形させ、表面積を増やします。これにより後続のメインパルスが効率よく当たるよう、液滴を「広げた的」に変えます。

続いてメインパルスのCO₂レーザーが照射されます。CO₂レーザーは出力が高く、EUV光源に適した波長特性を持ちます。照射されたスズは瞬間的に数万度のプラズマ状態に達し、さまざまな波長の光を放射します。その中で、利用可能な波長13.5nm付近（帯域幅2%）だけを取り出すのが次のコレクターミラーの役割です。

なぜスズなのか——13.5nmと電子構造の関係

スズ（原子番号50）をプラズマ化したとき、13.5nmの輝線が特に強く出るのは、スズ原子の電子構造が持つ固有の特性によります。プラズマの中で電子を何個も剥ぎ取られた（多重イオン化した）状態のスズ原子が放つ光が、ちょうど13.5nm付近に集中するのです。一方、別の元素では同じ波長の光をこれほど効率よく放射できません。

加えて、後述する多層膜ミラー（EUV光を反射できる特殊な鏡）が最も効率よく反射できる波長も、13.5nm付近にあります。光源の「放射する波長」とミラーの「反射する波長」が一致しているため、13.5nmが全体のシステムとして収束点になりました。

コレクターミラーはいかに光を集めるか

プラズマが放つ13.5nmの光は全方向に広がります。これを露光装置本体へ届けるために使われるのがコレクターミラーです。

通常の鏡（アルミや銀の反射膜）は13.5nmの光をほぼ反射せず、吸収してしまいます。そこで採用されるのがMo/Si（モリブデン＋シリコン）の多層膜ミラーです。モリブデン（約2.3nm厚）とシリコン（約4.2nm厚）を1ペアとして約40〜50層ずつ積み重ねます。各境界面で反射した光が重なり合う（ブラッグ反射）ことで、13.5nm付近の光だけが選択的に増幅される仕組みです。

1枚のミラーで反射できるEUV光は理論上最大約67〜70%です。EUV露光装置にはコレクターを含む多数のミラーが使われるため、最終的に露光面に届く光の量はごくわずかになります。これがEUV装置の光源出力がWではなくkWの単位で語られる理由でもあります。

コレクターミラーで集められた光はIF（Intermediate Focus、中間焦点）という一点に収束し、ここから露光装置本体の光学系へ引き渡されます。光源モジュールと露光装置本体はIFで光学的につながる構造になっています。

EUV光源のエネルギー変換効率はどのくらいか

EUV光源のもっとも重要な指標の一つが変換効率——投入したCO₂レーザーのエネルギーのうち、何%が利用可能なEUV光（IFから出てくる光）に変換されるか、という数字です。

現在の量産光源では変換効率は数%台にとどまります。量産に必要なIF出力（IFから出るEUV光の電力）は250〜350Wとされていますが、それを得るためには入力レーザーとして数十kWが必要になります。そのため光源全体では、数百kWの電力を消費します。このため電力コストと冷却設備がEUV工場の大きな課題となっています。

なお、スズのプラズマは装置内を汚染するため、水素ガスを流してスズの液滴や飛散物を除去する「水素クリーニング」も欠かせない運用技術の一つです。ミラーの汚染による反射率低下は、光源性能の長期維持に直結する重要課題でもあります。

CymerとTrumpf——誰が光源を作っているのか

量産EUV装置の光源は、ASMLの子会社Cymer（米カリフォルニア州サンディエゴ）が製造します。CymerはもともとDUV（ArF）レーザー光源の専業メーカーとして知られていましたが、2013年にASMLが約25億ドルで買収し、EUV光源も含めた光源の内製化を実現しました。

現在の量産EUV装置のCO₂レーザーはTrumpf（トルンプ、ドイツ）が供給していると言われています（要確認）。一方で、次世代のHigh-NA EUV装置向けの光源開発では、Cymerが引き続き中心的な役割を担っています。

ASMLがEUV露光装置を独占的に供給し、そのASMLの光源子会社CymerがEUV光源を独占的に供給する——こうした二重の寡占構造が、EUVのサプライチェーン全体の姿です。

High-NA EUVで光源に何が変わるのか

次世代のEUV装置であるHigh-NA EUVは、光を取り込む口の広さにあたる開口数（NA）を0.33から0.55に引き上げました。これにより解像度がさらに向上し、サブ2nm世代に対応します。2023年末にはASMLからIntelへ最初の装置が出荷されています。

光源への要求も高まります。High-NA EUV装置では露光領域がハーフフィールドに縮小されるため、スループット（単位時間あたりのウェハー処理枚数）を維持するには光源のIF出力をさらに高める必要があります。現行量産装置での250〜350Wから、500W以上へのロードマップが描かれていると言われています（要確認）。エネルギー変換効率の改善と、スズ液滴の射出精度・周波数の向上が引き続き鍵となります。

この記事のまとめ

• EUV（波長13.5nm）はDUV（193nm）の約1/14の波長で、最先端チップの微細回路を描く。空気に吸収されるため真空中でのみ動作し、光学系はミラーのみで構成される。
• 光源はLPP（レーザー励起プラズマ）方式。スズの液滴（直径20〜30μm）が1秒間に約5万個射出され、プレパルス＋メインパルスの2段階CO₂レーザーで照射・プラズマ化される。
• スズを選ぶ理由は、多重イオン化した状態で放射する13.5nm輝線が特に強く、Mo/Si多層膜ミラーの反射波長と最適に一致するため。
• Mo/Siを約40〜50ペア積層した多層膜コレクターミラーが光を集め、IFへ収束させる。1枚の理論最大反射率は約67〜70%。
• EUV光源の変換効率は数%台。量産に必要なIF出力250〜350Wを得るために数十kWのレーザーを要し、光源全体では数百kWの電力を消費する。
• ASMLの子会社Cymer（2013年買収・約25億ドル）が光源を独占供給し、ASML自身のEUV露光装置独占と組み合わさった二重の供給寡占が成立している。