現代の半導体メーカーにとって、強力で信頼性が高く、製造可能な光源の開発は、今日の業界における最も複雑な課題の一つです。リソグラフィシステムメーカーの中で、チップの微細な形状を印刷するためのEUV光の開発に成功したのはASMLだけです。しかし、あるスタートアップ企業が、現状を打破する革新的なアイデアを持っています。
ベンチャーキャピタル会社Yコンビネーターの支援を受けるサンフランシスコの新興企業、インバージョン・セミコンダクターは、小型粒子加速器をベースにした光源の開発を計画しており、同社によれば、この光源はASMLの既存技術より33倍強力で、より微細なチップの製造への道を開く可能性があるという。
Inversion社の技術の中核を成すのは、従来の粒子加速器の1,000分の1の大きさでありながら、最大10kWの出力を供給できる「卓上型」粒子加速器です。Inversion社は、その小型サイズにもかかわらず、レーザー航跡場加速（LWFA）法を活用した同社の光源は、チップ製造速度を15倍（10kW光源1個でリソグラフィーシステム1台に電力を供給した場合）に向上させるか、複数のチップ製造装置に同時に電力を供給してコスト削減を可能にすると主張しています。
ASMLの10倍の電力を消費する
Inversion Semiconductorは、機械工学と応用物理学の修士号を持つRohan Karthik氏（CEO）とDaniel Vega氏（CTO）によって2024年に設立されました。同社はY Combinatorの支援を受けています。Inversionの目標は、粒子加速器をベースとした小型で高性能な光源を開発することです。この光源の出力は10kWで、ASMLが今後10年間で達成予定の10倍に相当します。
この粒子加速器は、ASML が現在 Low-NA EUV と High-NA EUV リソグラフィー ツールの両方に使用している 13.5nm 光を含む、20nm ～ 6.7nm の波長のレーザーを生成できます。
10nm未満の波長を持つ光は軟X線と呼ばれ、ほとんどの材料による吸収率が高いため、現在チップ製造には利用されていません。そのため、10nm未満の波長は現在チップ製造には利用されていませんが、長期的には有望な研究分野となる可能性があります。
Inversion の野望は単なる光源の開発に留まらず、ASML と直接競合できる完全なリソグラフィー ツールの構築にまで及びます。
粒子加速器をリソグラフィーツールの光源として使用することは業界で広く議論され、研究されているテーマですが、Inversion Semiconductor は、欧州原子核研究機構 (CERN) が使用する大型ハドロン衝突型加速器などの加速器で見られるように、キロメートルではなくセンチメートルを超える極めて高いエネルギーに電子を加速できる「卓上粒子加速器」を使用する予定です。
航跡場の波に乗る
イマージョン社は、レーザー航跡場加速（LWFA）技術に基づく加速器の使用を計画しています。これは、ASMLやCERNが使用している方法とは大きく異なります。LWFAは、自由電子と正電荷イオンからなるプラズマと相互作用する、強力な超短パルス（フェムト秒スケール）レーザーパルスを使用します。
強力なレーザーパルスがプラズマ中を進むと、電子を押しのけて強力な電場が形成され、その背後にプラズマ波、すなわち「航跡場」が生成される。電子はこれらの波に閉じ込められ、急速に加速され、元の位置に戻る際に非常に短い距離で大きなエネルギーを得る。インペリアル・カレッジ・ロンドンによると、プラズマ波は従来の加速器の100～1000倍の強さの電場の中で電子を加速する。
加速された電子は、小型X線源や半導体リソグラフィーなど、様々な実用用途に利用できます。従来のEUV光源とは異なり、LWFA方式はコヒーレントで単色、かつ精密に調整可能な放射線を生成し、13.5nm未満の波長（例えば、産業応用には程遠い6.7nmターゲット）を可能にします。これは次世代リソグラフィーシステムへの応用が期待されます。
LWFA メカニズムは、わずか数センチメートルの距離で電子を数ギガ電子ボルト (GeV) に達するエネルギーまで加速します。これにより、高エネルギー電子加速システムが大規模な施設から卓上サイズのデバイスまで大幅に小型化され、半導体産業にさらなる革新をもたらす可能性があります。
イマージョン・セミコンダクターのこれまでの進捗には、Yコンビネーターのオフィス内に小規模なレーザー研究所を設立し、新たなレーザー安定化技術の開発や、短波長の放射を生成可能なLWFAの初期プロトタイプの構築などが含まれます。また、ローレンス・バークレー国立研究所およびBELLAセンターと提携し、レーザーの安定性の向上と半導体用途に適した光の生成改善に重点を置いたBELLA-LUXプロジェクトに取り組んでいます。
同社の当面の目標は、20nmから6nmの波長域で1kWの軟X線光を生成できる高出力・可変光源「Starlight」の開発です。成功すれば、産業用X線イメージングや半導体マスク検査といった用途への応用が期待されます。イマージョン・セミコンダクター社によると、テスラやアプライド・マテリアルズといった企業が、この初期段階の開発に興味を示しています。
並行して、同社は生成されたEUV光（10nm以上）を反射・集光する高度なミラーシステムの開発に取り組んでいます。これは、ウェハパターニングのために光を正確に導くために不可欠です。この技術に基づく最初のリソグラフィシステム（LITH-0と命名）は、Starlightを搭載し、実用的なシリコンウェハパターニング能力の実証を目指しています。しかし、Inversion SemiconductorのLITH-0がいつ完成し、完全に機能するかは誰にもわかりません。
注意点はありますか？たくさんあります！
理論上は、Inversion Lithographyの計画は堅実に見え、EUV放射（または光）を生成するLWFA方式はほぼ完璧に見えます。しかし、多くの注意点があります。
まず、LWFAの加速チャンバーは小型かもしれませんが、ペタワット級の超高速レーザーシステムを必要とします。これは非常に複雑で、大型で、高価です。このようなレーザーを冷却・維持し、信頼性の高いノンストップのファブ稼働を実現することは、誰も試みたことのないことです。また、イマージョン・セミコンダクターの装置がこれらのレーザーを毎秒一定の繰り返し周波数で発射できるかどうかも不明です。
第二に、インペリアル・カレッジ・ロンドンのジョン・アダムス加速器科学研究所の研究者でさえ、LWFA は 1 GeV を超えるとエネルギーの広がり (電子エネルギーの変動) とビームの発散 (軌道の広がり) が大きい電子ビームを生成することを認めています。
リソグラフィでは、正確で再現性の高いパターン形成を実現するために、生成される光の波長、方向、コヒーレンスが非常に安定している必要があります。不安定さは解像度の低下につながり、性能のばらつきや歩留まりの低下につながります。
第三に、現在、13.5nm光源のレーザーを搭載したLWFAベースの装置は、ASMLの低NAおよび高NA EUV装置用に開発されたミラーと光学系を使用できますが、より短波長化する場合は、新しいミラーと光学系を使用することになります。もちろん、Inversion Lithographyが実際に独自のリソグラフィシステムを開発することを決定した場合、これは問題となりますが、それは全く新しいエコシステムを開発する必要があることを意味します。
より現実的な選択肢としては、LWFAベースの光源をASMLの既存ツールと互換性を持たせることが挙げられます。しかし、問題もあります。LWFA光源を既存のEUVリソグラフィースキャナーに統合することは、ビーム成形、集束、計測システムを新たに開発する必要があり、その他にも多くの課題があるため複雑です。ASMLはCymer光源に関連する課題をすべて解決しましたが、同社が自社ツールをサードパーティ製ツールで動作させることに関心があるのかどうかは疑問です。他のリソグラフィーマシンメーカーであるキヤノンとニコンについては、それぞれKrFとArFレーザーとツールを超えることができていないため、EUV（またはEUVを超える）スキャナーを構築できる可能性は低いです。また、少なくとも1kWの光源について話していることを念頭に置くと、すべてを機能させるためには、業界では新しいレジスト、ペリクル、その他の消耗品も必要になります。
おそらく、Inversion Lithography にとって最大の課題は、24 時間 365 日稼働する工場向けに設計され、建物内の他の製造装置との高い互換性を持つ、迅速にサービス可能な大量生産ツールの製造経験がないことです。
まとめ
Inversion Lithographyは、ASMLの現行EUV光源の10倍の出力を誇るコンパクトなLWFAベースの光源の開発を目指しており、さらに短波長化も目指しています。Inversion社によると、同社の光源は調整可能で、コヒーレントな放射を生成し、より微細な半導体パターニングを可能にするとのことです。最終的には10kW（ASMLが今後10年間で計画している出力の10倍）の光源の開発を目指しており、チップ製造速度を大幅に向上させる（同社によれば15倍）か、1つの光源で複数のリソグラフィーシステムに電力を供給し、コスト削減を図ることができます。
しかし、LWFAベースの加速器にはペタワット級のレーザーが必要であり、消費電力が大きく高価であるため、大きな課題が存在します。また、Inversion社がASML（可能性は低いですが）やキヤノン、ニコンといった他のリソグラフィ装置メーカー（これも可能性は低いですが）と提携して独自のスキャナーを開発しない限り、自社の装置向けに全く新しいエコシステムを開発する必要があり、これには時間と莫大なコストがかかります。さらに、もしInversion社がこの道を進むのであれば、24時間365日稼働の大量生産装置の開発と保守に関する経験を積む必要もあります。
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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。
