EUV露光機　他の露光機との違いは何か？なぜ、ASMLの独占状態なのか？

この記事で分かること

EUV露光機

　半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。

　今回は露光機の中でも特に微細化可能で、最先端半導体に欠かせないEUV露光機についての解説となります。

半導体の前工程とは

　半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。

主な前工程は以下の通りです。

ウェハ準備

　シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。

• スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
• 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
• 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。

成膜

　ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。

• 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。

フォトリソグラフィ

　ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。

• 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
• 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。

エッチング

　フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。

• エッチングには、液体を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。

不純物導入（ドーピング）

　半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。

• イオン注入法などが用いられます。

平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）

　表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。

• 化学的な腐食と механическая研磨を同時に行います。

配線形成（メタライゼーション）

　形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。

• スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。

これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。

EUV露光機と他の露光機の違いは

　EUV（Extreme Ultraviolet、極端紫外線）光源は、現在の最先端半導体製造において、回路の微細化を可能にする上で最も重要な技術の一つです。

　その波長はわずか13.5nm（ナノメートル）と、従来の紫外線（UV）光源の約1/14にまで短縮されており、これにより7nm、5nm、さらには3nm世代といった極めて微細な回路パターンの形成が可能になります。

　EUV露光機（EUV Lithography System）と、それ以前の主流だった露光機、特にArF液浸露光機との間には、半導体製造の根幹に関わる重要な違いがいくつかあります。

　これらの違いが、EUVが「究極の微細化技術」と呼ばれる所以であり、現在の最先端半導体製造に不可欠な理由となっています。

1. 光源の波長

• EUV露光機: 13.5 nm（ナノメートル）という極めて短い波長の極端紫外線を使用します。
• 従来の露光機（ArF液浸露光機など）:
  • ArF液浸露光機: 193 nmのArF（フッ化アルゴン）エキシマレーザー光を使用します。液浸技術により、実効的な波長を短縮していますが、それでもEUVとは桁違いに長いです。
  • KrF露光機: 248 nmのKrF（フッ化クリプトン）エキシマレーザー光を使用します。
  • i線露光機: 365 nmの水銀ランプのi線を使用します。

違いの重要性: レイリーの式 (R=k1​⋅NAλ​) が示すように、波長 (λ) が短いほど、光の回折現象が抑制され、より微細なパターンを形成できます。EUVは他の露光機に比べて圧倒的に波長が短いため、究極の微細化を実現できます。

2. 光学系の構成

• EUV露光機:
  • 反射光学系: 13.5nmのEUV光は、ほとんどの物質に吸収されてしまうため、通常のガラスレンズを透過させることができません。そのため、光源からウェーハに至るまでの光路全体が、高精度な多層膜ミラー（モリブデンとシリコンを交互に多数層積層したもの）で構成されています。光を集光し、マスクパターンを投影する全ての光学部品が反射鏡です。
• 従来の露光機（ArF液浸露光機など）:
  • 透過屈折光学系: 石英ガラスなどの特殊なガラスを用いたレンズを使用し、光を屈折させて集光し、マスクパターンを投影します。

　違いの重要性: EUVの反射光学系は、従来の透過型レンズよりも製造が非常に困難であり、ミラーの表面精度や反射率の最適化が極めて高いレベルで求められます。また、多層膜ミラーは光の一部を吸収するため、従来のレンズよりもエネルギー効率が悪くなります。

3. 環境（雰囲気）

• EUV露光機: EUV光は空気中の酸素や窒素などの分子に吸収されてしまうため、装置内部全体が高真空に保たれています。
• 従来の露光機（ArF液浸露光機など）: 通常の空気中（クリーンルーム環境）で露光が行われます。ArF液浸露光機はレンズとウェーハの間に純水を満たしますが、装置全体が真空である必要はありません。

　違いの重要性: 真空環境の維持は、装置の構造を複雑化させ、ポンプシステムや真空シールの設置、およびウェーハやマスクの搬送方法にも特別な工夫が必要になります。

4. フォトマスクの種類

• EUV露光機:
  • 反射型マスク: EUV光を透過させることができないため、フォトマスクも反射型です。回路パターンは、EUV光を吸収する層（アブソーバー）と、EUV光を反射する多層膜（モリブデンとシリコンの積層）の組み合わせで形成されます。
• 従来の露光機（ArF液浸露光機など）:
  • 透過型マスク: 石英ガラス基板の上にクロム（Cr）などの遮光膜で回路パターンが形成されています。光を透過させる部分と遮光する部分で構成されます。

違いの重要性: 反射型マスクは、従来の透過型マスクとは構造が大きく異なるため、その製造、欠陥検査、および修正が非常に複雑でコストも高くなります。

5. 生産性（スループット）とコスト

• EUV露光機:
  • 生産性: 初期は課題でしたが、光源の高出力化や装置の改良により、現在では1時間あたり150～170枚以上のウェーハ処理が可能になっています。従来の多重露光（下記参照）と比較すると、工程数削減により全体の生産性は向上します。
  • コスト: 装置本体価格が1台あたり数億ドル（数百億円）と、極めて高価です。光源、マスク、メンテナンス費用なども高額です。
• 従来の露光機（ArF液浸露光機など）:
  • 生産性: EUV露光機よりも1時間あたりのウェーハ処理枚数は多いですが、微細化のためにマルチパターニングという複数回の露光・エッチング工程を繰り返す必要があります。
  • コスト: EUV露光機よりは安価ですが、それでも高精度なものは数億円から数十億円します。

　違いの重要性: EUVは1回の露光でより微細なパターンを形成できるため、従来の多重露光プロセスに比べて工程数を大幅に削減できます。これにより、製造時間の短縮、歩留まりの向上、および製造コストの削減（ウェーハ当たりのコスト）に貢献します。

6. マルチパターニングの必要性

• EUV露光機: 最先端のプロセスノードでも、多くの層でシングル露光で対応可能です。ただし、一部の非常に微細な層では、将来的にEUVでもマルチパターニングが必要になる可能性があります（例：High-NA EUVへの移行前など）。
• 従来の露光機（ArF液浸露光機など）: 波長が長いため、微細なパターン（例：20nm以下）を形成するためには、マルチパターニング（Double Patterning, Quadruple Patterningなど）が不可欠です。これは、1つの回路パターンを複数回に分けて露光・エッチングすることで、実質的に解像度を上げる技術です。

　違いの重要性: マルチパターニングは、工程数が増えるため、製造時間とコストが増加し、マスクの数も増えることで欠陥発生のリスクも高まります。EUVの最大のメリットの一つは、このマルチパターニング工程の削減にあります。

EUV露光機のメーカーはどこか

　現在のところ、EUV露光装置を量産・供給できるメーカーは、オランダのASMLホールディング（ASML Holding N.V.）1社のみです。

　ASMLは、半導体露光装置市場において圧倒的な技術力と市場シェアを誇る企業であり、特にEUVリソグラフィ技術の開発と実用化において世界のリーダーです。

　彼らは、過去20年以上にわたる粘り強い研究開発と巨額の投資によって、極めて困難な技術課題を克服し、EUV露光装置の量産に成功しました。

　他の露光装置メーカーである日本のニコンやキヤノンも、EUV露光技術の研究開発を行っていましたが、商業レベルでの量産には至っておらず、ASMLがこの最先端分野をほぼ独占しています。

　ASMLのEUV露光装置は、1台あたり数億ドル（数百億円）と非常に高価ですが、台湾のTSMC、韓国のSamsung Electronics、アメリカのIntelといった世界の大手半導体メーカーが、最先端のCPU、GPU、メモリなどを製造するために不可欠な装置として導入しています。

A　SMLの強みは、単にEUV露光装置を製造できるだけでなく、光源の供給元（ギガフォトンやサイマー）を子会社化したり、ドイツの光学機器メーカーであるカール・ツァイス（Carl Zeiss SMT）と協力してEUVミラーなどの高性能光学系を開発したりと、サプライチェーン全体を巻き込んだ戦略を取っている点にもあります。

なぜ、ASMLの独占状態なのか

　ASMLがEUV露光装置市場を独占している理由は、単一の要因ではなく、複数の複雑な要素が絡み合った結果です。技術的な難しさ、莫大な投資、そして戦略的なパートナーシップが組み合わさって、現在の独占状態を築き上げました。

1. 極めて高い技術的ハードル

　EUVリソグラフィは、従来の露光技術とは比較にならないほど複雑で高度な技術を要求します。

• 13.5nmという短波長光の生成: 前述のLPP方式（レーザー生成プラズマ方式）によるEUV光源の安定的な生成は、極めて困難な技術です。毎秒数万回のスズ液滴へのレーザー照射を、ナノ秒レベルのタイミング精度で制御する必要があります。
• 反射光学系: EUV光はほとんどの物質に吸収されるため、レンズではなく、モリブデンとシリコンを交互に何十層も積層した多層膜ミラーを使用します。これらのミラーは、宇宙望遠鏡レベルの超高精度な研磨とコーティングが必要で、わずかな欠陥も許されません。ドイツのカール・ツァイス SMT（Zeiss SMT）との長期的なパートナーシップが、この技術を可能にしました。
• 高真空環境: 光路全体を極めて高い真空状態に保つ必要があり、これに伴うウェーハやマスクの搬送、デブリ対策などが非常に複雑です。
• マスクの製造と検査: 反射型EUVマスクは、従来の透過型マスクとは異なり、製造・検査・修正が著しく困難でコストも高くなります。

これらの技術的課題をクリアするには、途方もない研究開発時間と費用がかかりました。

2. 莫大な研究開発投資と長期的なコミットメント

　EUVの開発は、ASMLが1990年代後半に開始し、20年以上にわたる長期的なプロジェクトでした。

• 数百億ドル規模の投資: ASMLはEUVの研究開発に累計で数百億ドル（数兆円）規模の巨額な投資を行ってきました。これは、他の企業が追随できないレベルの投資額です。
• 顧客からの出資: ASMLは、開発資金を調達するために、主要な顧客であるIntel、Samsung、TSMCといった半導体メーカーから出資を受け入れました（現在は株式を買い戻している部分もあります）。これにより、EUV技術が特定の半導体メーカーにとって必須となることが保証され、開発リスクが分担されました。

日本のニコンやキヤノンもEUVの研究開発に参入していましたが、この莫大な開発コストと長期的な不確実性を前に、2010年代前半にはEUV露光装置の開発から撤退しました。これは、当時の彼らが抱えていた経営課題や、従来の露光装置市場での収益性を考慮した結果でもありました。

3. オープンイノベーションとエコシステム戦略

　ASMLの成功の要因として、システムインテグレーターとしての役割とオープンイノベーションの推進が挙げられます。

• サプライヤーとの緊密な連携: ASMLは、EUV光源（Cymer、Gigaphoton）、光学系（Zeiss SMT）など、EUV露光装置を構成する重要な要素技術を持つ企業をM&Aや戦略的提携によって傘下に入れたり、緊密に連携したりすることで、自社で全てを内製するのではなく、世界中の最高の技術を集約する体制を築きました。日本の企業が内製にこだわりすぎた、という分析もあります。
• 顧客との協調的な開発: 最先端の半導体メーカーとEUV露光装置の共同開発を行い、彼らのニーズを直接取り入れながら装置を改良していきました。これにより、装置が量産ラインで実際に使えるレベルにまで磨き上げられました。

4. 政治的・地政学的要因　

　直接的な独占理由ではありませんが、ASMLのEUV技術が国際政治の舞台に登場するほど重要性が高まったことも、その地位を揺るぎないものにしています。

　アメリカが中国へのEUV露光装置の輸出を規制していることからも、その戦略的な価値が伺えます。これは、ASMLが単なる企業を超えた、地政学的な影響力を持つ存在になっていることを示しています。