【光学】EUV

概要

近年、スマートフォンやパソコン、AIチップなどの性能向上が目覚ましく、その進化を支えているのが「半導体技術」です。半導体の微細化は年々進んでおり、それを可能にしている最先端の技術の一つが「EUVリソグラフィ（Extreme Ultraviolet Lithography、極端紫外線リソグラフィ）」です。

詳細な説明および原理

リソグラフィとは？

まず、リソグラフィ（Lithography）とは、半導体チップを作るために用いられる「微細なパターン（回路）」をシリコンウエハーの表面に転写する技術です。一般的には、光を使って感光性の材料（レジスト）に回路パターンを焼き付けます。

なぜEUVが必要なのか？

従来のリソグラフィでは「深紫外線（DUV：Deep Ultraviolet）」と呼ばれる193ナノメートルの波長を持つ光が使われていました。しかし、半導体の微細化が進む中で、193nmでは描ける線の幅に限界がきていました。

EUVはその限界を超えるために開発された技術で、13.5ナノメートルという非常に短い波長の光を使用します。波長が短ければ短いほど、より細かいパターンを描けるため、より微細なトランジスタ構造を実現できます。

光の波長と解像度の関係

リソグラフィにおける解像度は、以下の近似式で表されます

$$ R=k1⋅λNAR = k_1 \cdot \frac{\lambda}{NA} $$

• R：解像度（描ける最小パターン幅）
• k1,k_1：プロセス係数（技術レベルによる）
• λ：光の波長
• NA：開口数（レンズの性能を表す）

この式から分かる通り、波長 (λ) が短ければ短いほど、より細かいパターンを描けるということになります。

EUVの光源と特徴

EUV光を発生させるためには、極めて特殊な装置が必要です。主な構成要素は以下の通りです：

• 光源：レーザーによって高温のプラズマを生成し、そこから13.5nmの光を放出します。主にスズ（Sn）のプラズマを利用。
• 反射鏡：EUV光は非常に吸収されやすいため、レンズではなく多層反射鏡で光を誘導します。
• 真空環境：空気中ではEUVがすぐに吸収されてしまうため、装置全体が真空状態に保たれています。

EUVの課題

非常に先進的な技術ですが、以下のような課題もあります：

• 高コスト：装置1台で数百億円以上
• 低スループット：光源の出力が限られているため、製造速度が遅くなりやすい
• 光の取り扱いが難しい：レンズが使えない・光が吸収されやすい

応用例（具体例を交えて）

最新の半導体製造（3nm/2nmプロセス）

EUVは、現在の最先端プロセスである3nm（ナノメートル）や2nmプロセスの製造に不可欠です。例えば、Appleの最新のiPhoneやMacに搭載されている「Mシリーズチップ（例：M3）」には、EUVを活用した微細プロセスが使われています。

スマートフォンやPCの高性能化

スマホのSoC（System on a Chip）は、EUVを活用することで、より小さなサイズでより多くのトランジスタを搭載でき、処理性能が向上し、バッテリー効率も改善されます。

AIチップやデータセンター向けプロセッサ

EUVは、AI・機械学習処理に特化した高性能なチップ（たとえばNVIDIAやAMD、Intelの最新プロセッサ）にも利用されています。より多くの演算ユニットを搭載するために、高密度なトランジスタ配置が求められ、その実現にEUVが貢献しています。

まとめ

EUV（極端紫外線リソグラフィ）は、これからの半導体微細化に不可欠な技術です。従来の光リソグラフィの限界を打ち破り、13.5nmという短い波長を使って、より細かく・より高性能なチップを実現しています。

ただし、高価で扱いが難しいという課題も抱えており、今後も技術革新とコスト低減が求められています。それでも、私たちのスマートフォンやPC、さらにはAIの進化を支える根幹技術であることに間違いはありません。

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