半導体製造におけるCoherentの活躍 EUVリソグラフィ

Coherentの最先端レーザ、材料、その他多くのものが、先進的なマイクロプロセッサの製造をサポートします。

 

2024年10月17日、Coherent

道筋を照らす

世界の半導体産業は爆発的な成長の軌道を歩んでおり、2030年には1兆ドル市場(2023年の5000億ドル超から上昇)という驚くべき躍進を遂げることが予測されています。この拡大は主に、マイクロプロセッサの継続的な小型化と、高性能化によって勢いづいています。これらのより小型で、よりパワフルなチップは、世代が変わるごとに、まったく新しいテクノロジーを可能にし、既存のアプリケーションのコストを引き下げます。これによって、チップ技術における向上が新しい製品やサービスを生み出し、それがさらに先進的な半導体の需要を促すという「好循環」が生まれます。

今日、この需要の多くを牽引している主要な産業がいくつかあります。例えば自動車業界では、車両が「車輪の付いたスマートフォン」へと進化し、大量のコンピューティングパワーを統合しています。成長を推進するもう1つの分野は、ハイパフォーマンス コンピューティングです。これは主に、人工知能(AI)とクラウドコンピューティングに対するニーズが拡大していることに対応するためのものです。これらの市場に加えて、5Gネットワークの普及に伴う無線インフラも重要な役割を果たしています。

最後に、マイクロプロセッサは工場の自動化や物流などの産業市場において、非常に大きな役割を担っています。この市場は、消費者関連の市場と比べると成長率はやや低いものの、半導体にとって非常に安定かつ持続可能な分野です。

Coherentは、半導体製造やデバイスのパッケージングに不可欠なレーザ、光学機器、材料を数十年にわたり提供してきました。場合によっては、当社の技術がマイクロエレクトロニクス製造の重要な推進力となっています。

また、この市場での当社の関与はさらに拡大していく見込みです。前述のトレンドに対応するために回路の寸法が小さくなるにつれて、それらを製造、組み立て、検査するためのツールは、より精密かつ高度である必要があります。これにより、Coherentにはさらなるチャンスが広がります。なぜなら、当社の技術はしばしば製造精度の向上やスループットの改善を支える役割を果たしているからです。

本ブログでは、半導体製造の最も基盤となる工程であるマイクロリソグラフィーにおいて、Coherent製品がどのように技術の進歩を支えているかについて詳しく見ていきます。

 

極端紫外線(EUV)リソグラフィ

半導体製造のコアプロセスであるリソグラフィは、シリコンウェハ上の感光層にマスクからの回路パターンを投影し、実際のデバイス(トランジスタなど)の構造を作成します。従来の半導体リソグラフィは、248 nmまたは193 nmで動作するエキシマレーザを使ってこれを行います。これらのレーザは業界を「10 nmノード」(ノードはチップ世代に関連のある、一般的に小さな回路サイズを含む用語)まで導いてきました。ところが、さらに小さな回路サイズを含む次世代ノードへ移行するためには、基本的な物理学ではより短い波長の光が必要となります。 

極端紫外線リソグラフィ(EUV)は、この領域において極めて重要な進歩を示しています。EUVリソグラフィは約13.5 nmの波長で光を使用します。これによりチップメーカーは7 nm、5 nm、3 nm、および2 nmのノードに到達できるようになりました。 

このEUV光を生成するために、高出力赤外線CO₂レーザが、微小な溶融スズ液滴の流れを照射します。レーザがスズを蒸発させ、プラズマ(一種のガスで、その中で電子が原子から剥ぎ取られる)を形成します。このプラズマがEUV光を発光します。 

この波長での光の生成と供給に関するすべては複雑で、困難なものであり、信じられないレベルの精度と、極端な条件下での信頼できる操作が要求されます。この後者が鍵となります。というのも、半導体製造工場のダウンタイムは、1時間あたり数十万ドル、あるいは数百万ドルものコストがかかる可能性があるからです。 

 

EUVリソグラフィの実現

Coherentは、ダイヤモンドウィンドウ、レーザ変調器、ZnSeレーザ光学装置などのEUVリソグラフィツール用の光学装置を多数提供しています。

 

EUVリソグラフィ用の光学装置

EUVリソグラフィツールにおけるCO₂レーザ/ビーム供給システムは、レンズやミラーといった数多くの光学部品を統合しています。もちろん、Coherent(旧II-VI)は1970年代以降、赤外光学装置において市場をリードしてきました。これこそ、当社設立の礎となった技術であり、当社ほどこれを理解している企業は他にありません。だからこそ私たちは、EUV CO₂レーザシステム用CO₂レーザ光学装置の最大のサプライヤーなのです。

EUVシステムにおけるもう1つ重要な光学装置は、ダイヤモンドウィンドウです。これらはレーザシステム内部のさまざまなモジュールを環境的に密閉するために必要である一方で、非常に高出力のCO₂レーザ光が減衰せずに通過するのを可能にします。

ZnSeが一般にこの波長と、EUVシステム内のウィンドウで使用されるのに対し、ダイヤモンドはいくつかの理由で、最も要求の厳しい場所で好まれます。主な理由は、超高出力レベルでも熱レンズ効果が低いということです。熱レンズ効果はビームの歪み、収差、フォーカス位置の変化を引き起こし、これらはすべて、システムの性能を損なうことになります。

さらに、ダイヤモンドは既知のあらゆる材料の中で最も高い熱伝導率を持ち、熱膨張係数(CTE)が低く、しかも並外れた硬度を備えています。つまりダイヤモンドは、高出力のレーザビームを、歪みや劣化を最小限に抑えて取り扱うことができるということです。しかも、レーザ光の吸収による熱に耐え、効果的に放熱することができます。

Coherentが、これら大きな面積の多結晶ダイヤモンドウィンドウの大手サプライヤーであるのは、私たちが垂直統合型メーカーだからです。私たちは、当社独自の設計と加工技術に基づくリアクターで、化学蒸着(CVD)を採用してダイヤモンドを成長させています。これにより、EUVリソグラフィ システムウィンドウに必要となる特性を正確に生み出す方法で、結晶成長を制御する能力が得られます。

 

EUVリソグラフィ用の構造部品

当社の専門技術には、反応結合シリコンカーバイド(RB-SiC)などの特殊なセラミック材料で製造されたEUVリソグラフィ システム向け部品の製造も含まれています。 

RB-SiCは機械と温度の優れた安定性を示すことで、検査、計測、リソグラフィなど幅広い半導体資本設備の用途に最適なものとなっています。EUV光学システムをサポートするこの構造の安定性は極めて重要で、このようなRB-SiCセラミックスでしか実現することができません。RB-SiCは構造部品として大きな可能性を秘めています。

Coherentは従来のセラミックス製造プロセスと、新たに開発された積層造形技法の両方を利用してRB-SiCを製造しています。これらの方法により、大きく複雑な形状を、精密仕上げをほとんど必要としないニアネット形状に製造することができるのです。

 

Coherent: イノベーションと成功を実現するパートナー

ここまでは、半導体ツールメーカーが必要とする革新的なテクノロジーと高性能を組み合わせたものを提供するCoherent製品について見てきました。しかし、他の企業も高性能製品を製造しています。多くの場合、お客様がCoherentを選ぶ理由はこれだけではありません。

これらの要因の1つは所有コストです。半導体事業において、ある製品に関連する運用コストは、多くの場合、その当初の購入価格よりもユーザーにとっては重要になります。これにはいくつかの理由があります。

1つ目は前述したダウンタイムです。半導体の生産ラインで計画外のダウンタイムが短時間でも発生すると、多大なコストがかかる可能性があります。したがって、信頼性と稼働時間は極めて重要です。これらはユーザーのコストを削減し、ユーザーが自身の生産スケジュールを確実に満たす手助けとなるからです。

2つ目は動作の一貫性と安定性です。半導体製造には多くのステップがあります。これらのステップのいずれかで機器の動作に変化が生じた場合、すぐには気づかないようなかたちで、製造中の回路の特徴が変化してしまう可能性があります。つまり、メーカーは問題が発見されるまでのしばらくの間、不良な部品を製造している可能性があるということです。これは部品の破棄や再加工につながり、いずれもコストと時間がかかります。

結果として、ツールメーカーは、自社のテクノロジーの深い専門知識を実証し、長い成功の歴史を証明できるベンダーを優先します。そして、要求の厳しい半導体製造環境において – 来る日も来る日も – 仕様を満たす製品を製造し、期日どおりに納品し、一貫性を維持しているような企業と提携することを望んでいます。Coherentは数十年に及んで期待を上回ってきたという確かな実績を有し、これらの点で際立っています。

テクノロジーの変化が加速するにつれ、別の要因も現れています。半導体ツールメーカーは、確かな社内リソースと運用スケールを有し、テクノロジーに相当な投資を行うことを約束できるようなサプライヤーを求めています。これらは、こうしたこれまでにないほど小型の回路を製造するための装置を作るのに必要なイノベーションの継続的サイクルに、遅れを取らないようにするために必要です。

 

IC知識の戦略的コストモデル

お客様は、Coherentが対応力を備えたサービスへの長期的取り組みを維持することを確信しています。

 

お客様はさらに、ベンダーが数十年にわたって事業を継続し、存在してサービスを提供し、部品の供給を維持していくことについて確信が持てることを望んでいます。サービスについて言えば、お客様はいつでもどこでも必要なときに、サービスが即座に提供されることを望んでいます。Coherentの規模と安定性により、その広範なグローバルサービスインフラと相まって、お客様に、現在そして未来においても、当社がこれらすべての点を実現するという確信を与えます。  

半導体業界におけるCoherentの製品とサービスの詳細をご覧ください。