液浸露光（ArF液浸）とは

THEME 02 パターン形成 · 露光・リソグラフィImmersion Lithography

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液浸露光とは、レンズとウェーハの間に液体を満たして露光する方式です。 ArF光源では純水が使われ、実効的な開口数が上がるため解像度が改善します。波長を短くせずに解像度を上げる道で、193nmのまま開口数1.35、解像度≦38nmへ届きます。代わりに水そのものが管理対象になり、焦点の余裕は縮み、光学系は反射ミラーを組み込んだ作りに変わりました。

純水を挟むと、193nmの光が134nm相当になる

開口数は媒質の屈折率に比例します。レンズとウェーハの間が空気なら屈折率はおよそ1で、ここを屈折率の高い液体で満たせば、レンズを作り直さなくても実効的な開口数が上がります。液浸露光は、屈折率1.00の空気のかわりに屈折率1.44の純水¹をレンズとシリコンウェーハの間へ満たし、光の波長を短縮して解像度を高める手法です。

細かい数字では、波長193nmでの水の屈折率は $n=1.436$ で²、等価波長は134nmになり、実現するレンズ開口数は1.35です。光源は同じ193nmのまま、レンズとウェーハの間だけで134nm相当の光として使えます。

純水が選ばれた理由は3つあります。ArFの波長で吸収が小さく、屈折率が空気より高く、半導体工場が既に大量に使っている材料だからです。新しい材料を持ち込まずに開口数を上げられる点が、実用化の決め手になりました。

空気中と純水中の波長

同じ193nmの光が、屈折率1.436の純水の中では134nm相当まで縮みます。光源を替えずに、レンズとウェーハの間だけ短い波長として使うのが液浸露光です。

代わりに、液体そのものに由来する課題が生まれます。気泡が入れば光路が乱れ、その部分のパターンが崩れます。液体がレジストの成分を溶かし出せば、それが汚染になります。ウェーハは露光中に高速で動くため、液体を漏らさず保持し続ける機構も要ります。

同じ193nmで、解像度は≦65nmから≦38nmへ、焦点の余裕は半分以下へ

同じメーカーの同じ光源で、ドライと液浸を比べると差の大きさが出ます。ニコンのラインアップでは³、ArFドライのNSR-S333FとNSR-S322FがNA0.92で解像度≦65nm、ArF液浸のNSR-S636E、NSR-S635E、NSR-S625EがNA1.35で解像度≦38nmです。光源はどちらもArFエキシマレーザーの193nm、対応は300mmウェーハで、違いは媒質と光学系の側だけです。

波長を開口数で割ると、193nm÷0.92で約210nm、193nm÷1.35で約143nmです。各機の解像度をレイリーの式 $R=k_1\left(\frac{\lambda}{\mathrm{NA}}\right)$ に当てはめて計算すると、 $k_1$ 相当は約0.31と約0.27になります。装置1台の入れ替えで、係数を0.04ぶん物理限界へ近づけた規模の話です。

焦点深度は $\mathrm{DOF}=k_2\left(\frac{\lambda}{\mathrm{NA}^2}\right)$ で表されます。同じ形で $\lambda/\mathrm{NA}^2$ を計算すると、NA0.92で約228nm、NA1.35で約106nmです。描ける線幅が65nmから38nmへ27nm細くなる一方で、焦点の合う高さの余裕は半分以下へ縮みます。この前提で、平坦化と高さ制御を組み直すことになります。

同じnm目盛りで描いた解像度とλ/NA²

幅を解像度、高さをλ/NA²として同じ縮尺で描くと、液浸は線幅を細くする代わりに、焦点の合う高さの余裕を半分以下に縮めています。

NA1.35は、光学系を反射屈折系に変えた

開口数1.35の代金は、光学系の構成そのもので払われています。NAが1.35になると屈折光学系のままでは大口径化でコストが増え、設計も難しくなるため、ArF液浸露光装置では反射ミラーを一部組み込んだ反射屈折系が採用されました²。反射屈折系は、反射ミラーと屈折レンズが混在した光学系です。ニコンは、投影レンズが20枚以上のレンズの組み合わせで、全長が1m以上になるとしています。ドライから開口数を0.43ぶん上げた結果、屈折レンズだけの光学系ではコストと設計の難しさが避けられなくなったということです。

生産性の数字には、ショット数などの条件が付く

NSR-S636Eの仕様は⁴、縮小倍率1:4、最大露光領域26mm×33mm、同一機種間の重ね合わせ精度MMO≦2.1nm、スループット≧280枚/時（96ショット）です。280枚/時には96ショットという条件が付いており、1枚あたりのショット数が動けばスループットも動きます。ニコンは、現行機種比で総合的な生産性を10〜15%改善したとし⁵、その内訳をスループット向上とダウンタイム低減としています。

ASMLは、同社の最新のNXT機が1日に6,000枚を超えるウェーハを処理できることを示し、12か月で平均5%生産性を高めたとしています⁶。同社のTWINSCAN NXT:2050iは、先端ノードで300mmウェーハを量産するための、2つのステージを持つ高生産性の液浸機です。

水とレジストの界面、ウェーハの縁、トラックのタクトが工程に加わる

液浸で増えた管理対象は水の側にあり、機構としてはレジストと水の界面、ウェーハの縁、露光機とトラックのタクトの噛み合わせの3か所です。

界面では、ArF液浸レジストが水に浸されたまま露光されるため、水とレジストのあいだへトップコート膜を挟むケースがあります²。トップコートを省く場合は、レジスト組成の側で水の浸透を抑える工夫をして使います。トップコートを付ければ界面の溶け出しの経路は減りますが、塗布とベーク、現像前の除去がトラック側へ1組増えます。省けばタクトと薬液は減り、そのぶんフォトレジスト材料の設計へ荷重が移ります。どちらを選んでも、界面の負担はトラックか材料のどちらかが引き受けます。

水とレジストの界面の2つの組み方

レジストを水から隔てるには、トップコートを挟むか、レジスト組成で水の浸透を抑えます。前者はトラックの処理が増え、後者は材料設計が負担を引き受けます。

縁のレジストを溶剤で除くのはEBR（エッジビード除去）です。塗布後に基板を回転させながら外周へシンナーを吐出し、厚く盛り上がった膜を溶解して除きます。WEE（ウェーハエッジ露光）は外周を別に露光し、後の現像でレジストを除きます。液浸では水がウェーハの縁まで回るため、塗布側で縁をどこまで整えたかが、そのまま露光の条件になります。

タクトは、トラック側の数字のほうが大きく取られています。SCREENのコータ・デベロッパDT-3000（SOKUDO DUO）⁷は毎時450枚以上のデュアルトラックシステムで、同社は高価な露光機を常にウェーハを流している状態に保つことで高生産性を実現するとしています。東京エレクトロンのCLEAN TRACK LITHIUSシリーズ⁸のインラインスループットは、LITHIUS Pro DICEが440wph、LITHIUS Pro Zが300wph、LITHIUS Pro Vが250wph、LITHIUS Proが200wphです。露光機側が≧280枚/時なので、440wphや450枚/時のトラックは、数字のうえで露光機より先を走る側の構成です。

開口数、ショット数、計測点数は取り合いになる

開口数をドライから液浸へ上げれば、単層で描ける寸法が≦65nmから≦38nmへ下がり、マルチパターニングの分割回数を削れます。ドライへ下げれば $\lambda/\mathrm{NA}^2$ が約106nmから約228nmへ戻り、ウェハ平坦度と高さ制御の許容が倍以上になり、水の管理と反射屈折系のコストも要らなくなります。

1枚あたりのショット数は、26mm×33mmの露光領域に小さいチップを多面取りする条件で増え、96ショットで≧280枚/時という数字からスループットは下側へ動きます。ショット数を減らせば枚/時は上側へ動きますが、1ショットへ載せるチップは大きくなります。焦点位置精度は露光領域内の焦点位置のばらつきを指すので、1ショットを広く使うほど、このばらつきを1個のチップが被る側へ動きます。

多点計測（iAS）の点数では、ニコンはNSR-S636EでiASの計測精度を上げ、ウェーハの反りや歪みをさらに細かく計測して補正し、MMO≦2.1nmを実現したとしています。三次元デバイスのようにウェーハの変形が出やすい条件では、ここで差が付きます。点数を削ればタクトは縮みますが、補正の残りが重ね合わせへ回ります。ニコンがiASを、スループットを落とさず高速・高精度にウェーハを計測してグリッドエラーを補正できる仕組みとして打ち出していることから、計測点数とスループットが本来どちらかを差し出す関係にあると分かります。

液浸は今も業界の主力で、EUVでは使えない

ASMLは、液浸システムが業界の主力であり⁶、最先端のロジックおよびメモリチップの量産において生産性、結像性能、オーバーレイ性能で業界を先導しているとしています。同社のArF液浸機にはTWINSCAN NXT:2150iやNXT:2100iなどがあります。ニコンも、液浸露光とマルチプルパターニング（露光を繰り返して回路の密集度を高める技術）を取り入れてArF露光装置の解像度を上げ、10nm以下のプロセスノードまで微細化を実現しているとしています¹。193nmという波長のまま10nm以下のプロセスノードが回っているのは、開口数と照明条件と分割回数の3つを同時に絞り込んだ結果です。

EUVの光路は真空に保ちます。EUVはあらゆる物質へ強く吸収されるため、光路へ液体を入れた時点でウェーハまで届く光が失われます。EUVで開口数を上げる手段は、液浸のかわりに光学系そのものの作り直しになります。高NA極端紫外線露光は、13.5nmの極端紫外線光を用いてレンズ開口数を0.33から0.55へ拡大した露光方法です。

よくある質問（FAQ）

液浸露光とは何ですか？

レンズとウェーハの間に液体を満たして露光する方式で、ArF光源では純水が使われます。液体の屈折率のぶん実効的な開口数が上がるため、同じ波長でも解像度が改善します。

なぜ液体を入れると解像度が上がるのですか？

開口数が媒質の屈折率に比例するためです。空気の屈折率はおよそ1で、純水はそれより高いので、レンズとウェーハの間を純水で満たせば同じレンズでも実効的な開口数が上がり、波長は水の中で短くなります。

なぜ純水を使うのですか？

ArFの波長で吸収が小さく、屈折率が高く、半導体工場が既に大量に使っている材料だからです。新しい材料を持ち込まずに開口数を上げられる点が大きな利点です。

純水の屈折率と開口数はいくつですか？

波長193nmでの水の屈折率はn=1.436で、等価波長は134nm、実現するレンズ開口数は1.35です。空気の1.00に対して純水を1.44とする表記もあります。

ドライと液浸で解像度はどれだけ変わりますか？

ニコンのArFドライのNSR-S333F／NSR-S322FはNA0.92で解像度≦65nm、ArF液浸のNSR-S636E／NSR-S635E／NSR-S625EはNA1.35で解像度≦38nmです。光源はどちらもArFエキシマレーザーの193nm、対応は300mmウェーハです。

液浸に固有の課題は何ですか？

液体そのものに由来する課題です。気泡が入れば光路が乱れてその部分のパターンが崩れ、液体がレジストの成分を溶かし出せば汚染になり、ウェーハが動く間に液体を漏らさず保持し続ける機構も要ります。

トップコートは何のために付けますか？

水とレジストの界面を隔てるためです。ArF液浸レジストは水に浸されたまま露光されるため、水とレジストのあいだへトップコート膜を挟むケースがあり、省く場合はレジスト組成の側で水の浸透を抑えます。

液浸は今も主力ですか？

主力です。ASMLは、液浸システムが業界の主力で、最先端のロジックおよびメモリチップの量産で生産性、結像性能、オーバーレイ性能の面で業界を先導しているとしています。

EUVでも液浸するのですか？

EUVの光路は真空に保ちます。EUVはあらゆる物質へ強く吸収されるため、光路へ液体を入れた時点でウェーハまで届く光が失われ、開口数を上げる手段は光学系そのものの作り直しになります。

比較・違いを学ぶ

リソグラフィ工程── 工程としてのリソグラフィ
High-NA EUVのパターニング課題── 開口数を上げる別の道

出典

8件を表示

1
ニコン：露光から計測・検査までjp.nikon.com a b
2
SEAJ：半導体製造装置用語集（リソグラフィ）seaj.or.jp a b c
3
ニコン：半導体露光装置ラインアップjp.nikon.com ↩
4
ニコン：NSR-S636E 仕様jp.nikon.com ↩
5
ニコン：ArF液浸スキャナー「NSR-S636E」を発売jp.nikon.com ↩
6
ASML：DUV lithography systemsasml.com a b
7
SCREEN セミコンダクターソリューションズ：DT-3000（SOKUDO DUO）screen.co.jp ↩
8
東京エレクトロン：コータ／デベロッパ LITHIUSシリーズtel.co.jp ↩