TSMCは、ASMLのEUVリソグラフィ装置を業界で圧倒的な規模で運用しており、ハードウェアと原材料の両面で他に類を見ないサプライチェーンを誇ります。同社のEUVペリクル（チップパターンのステンシルとして機能するフォトマスクを保護する薄い膜）に対する要求は非常に厳しくなっています。DigiTimesによると、この要求は非常に厳しいため、TSMCは200mmファブの1つを改修し、独自のEUVペリクルを独占的に製造する予定です。
しかし、TSMC が自社工場と ASML の EUV リソグラフィーツールの効率を改善する取り組みを推進する中、ASML の自社製品より性能が優れている TSMC 独自のペリクルは氷山の一角に過ぎません。
ツールの生産性
TSMCは2024年半ばに開催されたテクノロジーシンポジウムで、露光量とリソグラフィープロセスで使用するフォトレジスト材料の両方を微調整することで、EUV装置1台あたりの1日あたりのウェーハ生産量を2019年以降倍増させたと発表しました。しかし、TSMCがどのようにしてこのような効率性を実現したのかを明らかにするために、同社がどのようにしてこれを達成したのかを推測してみましょう。
露光面では、TSMC は露光量対サイズおよび露光量対クリアしきい値を改良し、露光フィールドあたりのスキャナーの滞留時間を短縮するとともに、限界寸法 (CD) の均一性を維持し、仕様に従ってラインエッジ粗さ (LER) を確保することで、EUV リソグラフィーの歩留まりを損なうことなく、より高速なパターン形成を可能にしました。
通常、これらの線量を下げると、スキャナのフィールドあたりの滞留時間が短縮され、1日に処理できるウェーハ枚数を増やすことができます。しかし、CD制御やLERを含むパターン忠実度を維持するためには、このバランスを慎重に取る必要があります。TSMCは、少なくともその説明を正しく解釈した限りでは、この目標を達成しました。TSMCは正確な詳細を明らかにしていないため、これは公開情報に基づく推測にすぎません。
材料面では、TSMCはフォトレジストシステムをアップグレードし、高感度化学増幅型レジスト（CAR）の採用や、13.5nm波長での吸収を改善する金属酸化物レジスト（MOR）の採用などが検討されている。これらの材料は、解像度を低下させることなく露光量を低減できる可能性がある。しかし、TSMCは使用した材料とその具体的な方法についてはまだ明らかにしていない。
同時に、TSMCは予測保守モデルの導入、ジョブスケジューリングの最適化、ツールの事前整備、振動制御の強化、冷却性能の向上などにより、スキャナーの利用効率も向上させました。これらの変更により、計画外のダウンタイムが削減され、日々のツール稼働率が向上し、各EUVシステムは安定した環境でより多くのウェーハを処理できるようになりました。
特定のペリクル
最も重要な進歩の一つはペリクル技術です。この薄い膜はEUVフォトマスク（レチクル）を汚染から保護しますが、耐久性と欠陥の問題が長年ボトルネックとなっていました。ASML自身も2世代のレチクルを開発しましたが、TSMCはそれを凌駕する技術を開発しているようです。
TSMCは2024年半ば、自社開発のEUVペリクルの性能が劇的に向上したと発表しました。寿命は4倍に延び、ペリクル1枚あたりのウェーハ生産量は4.5倍、欠陥数は80分の1に減少しました。これは、材料、メカニクス、ファブ統合にまたがるTSMCのフルスタックエンジニアリングアプローチを示唆していると考えられます。
材料面では、TSMCは超薄シリコンベースの膜（例：SiNx、ZrSi 2）や、EUV透過率、熱安定性、機械的強度を最適化したハイブリッド多層膜などの先進的なペリクル膜を採用している可能性があります。これらの材料はEUV放射に耐え、熱変形を最小限に抑え、ガス放出を低減します。さらにパーティクルの付着を抑制し、汚染による故障を防ぐため、TSMCは表面に反射防止コーティングやプラズマパッシベーション処理を施したと考えられますが、これはあくまで推測であり、公式には確認されていません。
ペリクルの寿命を延ばし、欠陥を減らす方法は他にもあります。例えば、クリーンルームのプロトコルを厳格化することで、ペリクルやレチクルへのパーティクルの付着リスクを低減できます。しかし、TSMCはこれらの方法をまだ公表していません。
フォトマスク
TSMCは、フォトマスクを保護するペリクルに加え、フォトマスク自体の改良にも取り組んでいます。A14ノードのリソグラフィ要件を満たすため、TSMCはマスク精度と欠陥制御を改善し、欠陥密度を低減し、歩留まりを向上させ、最終的にはスループットを向上させました。
TSMCは、EUVマスクブランクの改良、マルチビーム描画装置の解像度向上、マスク製造プロセスの最適化により、曲線形状におけるCD均一性、パターン忠実度、オーバーレイ精度を向上させたと主張している。これらの改善により、より安定したパターン転写と層間アライメントの向上が実現した。
欠陥管理も重要な焦点でした。TSMCは、ペリクル検査、レチクル洗浄、現像液リンスケミカルを強化し、ブリッジングやパターン崩壊などの欠陥を抑制しました。TSMCは、高度な電子ビーム検査技術を導入し、目に見えないメンブレン欠陥や劣化を早期に検出することで、予知保全と壊滅的な故障発生前の積極的な交換を可能にし、歩留まりの向上と性能変動の低減を実現しました。
TSMC は今後、将来の EUV 要件をサポートするために、次世代のブランク材料と新しいプロセス フローを開発する予定です。
平坦化
TSMCによると、フォトマスクとペリクルの改良は、特に2nmおよび2nm未満のプロセス技術において、欠陥密度を低減し、歩留まりを向上させ、性能のばらつきを低減する唯一の方法ではない。同社はA16およびA14製造プロセスの偏光特性の改善に取り組んでいる。
平坦化は、先進的なEUVリソグラフィにおいて極めて重要です。なぜなら、均一に平坦なウェーハ表面を確保するためです。これは、TSMCのA16やA14のような2nm未満のノードにおいて、フォーカスとパターン忠実度を維持するために不可欠です。EUVシステムは焦点深度が非常に浅いため、地形的なばらつきがデフォーカス、CDばらつき、あるいはLERの原因となる可能性があります。また、表面の凹凸はレジスト厚の不均一性にもつながり、線量吸収とエッチング均一性に影響を与えます。さらに、後続の層を非平坦な下地上にパターン形成すると、オーバーレイエラーが増加します。
TSMC は、高度な化学機械平坦化 (CMP)、スラリー化学、圧力プロファイル、エンドポイント検出の最適化を通じてこれを改善し、ウェーハ内およびウェーハ間の厳密な平坦性制御を実現すると考えられます。
エネルギー効率
EUVスキャナーは大量のエネルギーを消費することで知られていますが、TSMCはこの点でも進歩を遂げました。同社は「革新的な省エネ技術」により、EUV装置の消費電力を24%削減したと述べています。同社の将来目標は、2030年までにウェーハ1枚あたりのエネルギー効率を1.5倍に向上させることです。
EUVスキャナーの消費電力削減は、ハードウェアレベルとシステムレベルの最適化の組み合わせによって実現された可能性が高いが、どのような最適化が行われたかは明らかにされていない。例えば、TSMCはレーザーからEUVへの変換効率を向上させることができるだろう。この変換効率では、かなりのエネルギーが失われる。もう一つの重要な領域は熱管理である。TSMCは、熱安定性を維持しながら補助電力消費を低減するために、液体冷却システムの改良、冷却剤の流量の最適化、熱交換器の設計改善を行ったとみられる。
システム面では、ファームウェアとスケジューラの最適化により、アイドル状態のエネルギー消費量が削減され、サブシステム間の同期が改善され、非曝露動作時の消費電力が削減される可能性があります。予測メンテナンスとより優れた利用分析により、不正確な位置決め、同期、または過熱によるパフォーマンスの低下を回避し、ツールの非効率的な動作を防ぐことができます。
TSMCの立場が強化される
TSMCはEUVリソグラフィを採用した最初の半導体メーカーではありませんが、現在では業界最大のEUVツール運用企業です。2019年以降、TSMCはツールあたりのウェーハスループットを倍増させ、スキャナーの消費電力を24%削減し、ペリクルの性能を大幅に向上させ、寿命を4倍、欠陥数を80分の1に低減しました。これらの進歩を支えるため、TSMCは200mmファブを改修し、ASMLのペリクルを上回る可能性のある独自のEUVペリクルを製造する予定です。これらの取り組みは、材料からツールの最適化まで、EUVスタック全体を管理するというTSMCの幅広い戦略を反映しています。
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アントン・シロフはTom's Hardwareの寄稿ライターです。過去数十年にわたり、CPUやGPUからスーパーコンピュータ、最新のプロセス技術や最新の製造ツールからハイテク業界のトレンドまで、あらゆる分野をカバーしてきました。
