EUV光源を高効率化するためのマルチレーザー照射法

• 先端半導体注1向けのEUVリソグラフィー注2の光源の研究です。
• 波長13.5 nmのEUV注3光源の高効率化に向けたマルチレーザー照射法を実証しました。
• 電気―光変換効率の高い固体レーザーや現在動いている炭酸ガス（CO2）レーザーの高出力化で問題になっているレーザー増幅器への負荷を低減し、同時にEUV変換効率注4も高めるマルチレーザー照射法を実験的に示しました。
• 最も簡便なSn平板に波長が1 mmのパルスレーザーを1本照射したときの最大EUV変換効率（1.7%）を大きく超え、マルチビーム照射では4.7%になることも実証しました。
• EUV光源の高出力化と省エネ化に向けた高効率化への指針を明らかにしました。

　宇都宮大学学術院（工学部基盤工学科）の東口武史教授、森田大樹助教、地域創生科学研究科博士前期課程2年の杉浦使、地域創生科学研究科博士前期課程1年の矢澤隼斗、東京大学大学院工学系研究科原子力専攻の坂上和之准教授、九州大学大学院システム情報科学研究院電気システム工学部門の中村大輔准教授、理化学研究所光量子工学研究センターの高橋栄治チームリーダー、米国パデュー大学極端環境物質センターの砂原淳研究員、アイルランド国立大学ダブリン校のO’SULLIVAN Gerry名誉教授、広島大学大学院先進理工系科学研究科の難波愼一教授の共同研究グループは、極端紫外 [Extreme ultraviolet (EUV)] 光源を高効率化するためのマルチレーザービーム照射法を提案し、EUV光源を高効率化できることを実験的に実証しました。この成果は、現在稼働している駆動レーザー装置の増幅器への負荷や今後の固体レーザーの媒質損傷を回避できるものであり、将来の駆動レーザー装置の大幅な小型化・低電力化につながるものです。
　EUV露光機の消費電力のほとんどはEUV光源によるものです。EUV光源を高出力化するため、駆動用レーザー（プラズマ加熱用レーザー）である炭酸ガス（CO2）レーザーの増幅器を増やし出力を上げており、消費電力も莫大なエネルギーとなっています。EUV露光機の消費電力を下げる必要性は認識されているものの、先端半導体のさらなる性能向上にはEUV光源の高出力化が不可欠で、現状、消費電力を削減する方策は見いだされておりません。EUV光源の高出力化にはいくつかの克服すべき要素技術がありますが、その中でも (a) 駆動用レーザーの消費電力を下げることと (b) EUV光源の高効率化が必要とされています。
　EUV露光装置、EUV光源の消費電力を下げる1つの可能性として、波長が約2 mmの固体レーザーを使うことを欧米の複数の研究チームが提案しています。その理由は、波長が約2 mmの固体レーザーでのEUV変換効率がCO2レーザーでのEUV変換効率と同等であることが理論的および実験的に示されていること、さらに固体レーザーの方がCO2レーザーよりも電気―光変換効率が高く、レーザー装置の消費電力を抑えられるからです。しかしながら、波長が約2 mmの固体レーザーをパルス動作かつ数10 kHzで連続稼働させるときの1システムあたりの出力は100 Wにも満たないのが現状で、CO2レーザーのように固体レーザーの1システムあたりの出力を数10 kW級にするためには多くの技術課題があり、これからの技術開発を待たねばなりません。また、この固体レーザーの出力を制限するのは固体レーザー結晶や内部の光学素子の損傷（ダメージ）で、同様に多くの技術課題があります。
　今回、共同研究グループは、レーザー装置1システムあたりのパワーが1 kW級であったとしても、複数レーザー装置、複数レーザービームを同時にターゲットに集光照射することでEUV変換効率を増加できることを実験的に原理実証しました。
　本研究成果は、7月16日、米国物理学協会 (American Institute of Physics) の学術誌Applied Physics Lettersに公開されました。

注1：先端半導体は最近のCPU、GPU、DRAMなどの電子回路の幅をできるだけ細くして性能が高められた半導体のことで、スマートフォン、コンピュータ、生成AIなどに使われている。

注2：波長が13.5 nmの極端紫外光（EUV光）を使って半導体を製造するためにウェハに電子回路の平面図を描く工程のこと。

注3：波長が13.5 nmの極端紫外光。一般的にEUVの波長領域は広く定義されるが、露光機に用いられるMo/Si多層膜鏡により、EUVリソグラフィーでは波長が13.5 nm（波長幅2%）に限定される。

注4：入射したレーザーエネルギーに対する出力されるEUV光エネルギー比。

論文名：Efficient extreme ultraviolet emission by multiple laser pulses
雑誌名：Applied Physics Letters
著者：Tsukasa Sugiura, Hayato Yazawa, Hiroki Morita, Kazuyuki Sakaue, Daisuke Nakamura, Eiji J. Takahashi, Atsushi Sunahara, Gerry O’Sullivan, Shinichi Namba, and Takeshi Higashiguchi
DOI：doi.org/10.1063/5.0214952

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システム情報科学研究院　中村 大輔　准教授