EUV露光は最先端半導体の微細加工を支える中核技術ですが、量産に耐えるEUV光を安定して作ること自体が最大の難所です。

そのブレークスルーの中心にあるのが「すず（Sn）」を用いたレーザープラズマ（LPP）光源です。

本記事では、なぜすずが選ばれるのか、すずプラズマでEUVが出る原理、変換効率やマルチレーザー照射、デブリ対策までを一連の流れで整理します。

EUVリソグラフィとEUV光源の全体像

まずはEUV露光がなぜ必要で、装置の中でEUV光源がどの位置づけにあるのかを俯瞰します。

EUVリソグラフィは、波長13.5nmという非常に短い光を使って、微細な回路パターンをウェハ上のレジストに転写する露光技術です。波長が短いほど細かなパターンを描けるため、従来の深紫外線（DUV）だけでは苦しくなった領域でEUVが主役になりました。

一方でEUVは空気や一般的なガラスをほとんど通れず、装置内は真空が基本、光学系はレンズではなく反射ミラー中心になります。反射を重ねるほど光は減るので、露光機に届く前提で見ると、光源には非常に大きな出力と安定性が求められます。

このためEUV露光装置は、光を作る光源部、光を整えてマスクへ届ける照明光学系、マスク像を縮小投影する投影光学系、そして真空・清浄度・温度制御などの周辺システムが一体で成立します。中でも光源は、スループット（処理枚数）や稼働率を左右するボトルネックになりやすく、ここをどう強く、長く、汚さずに運転するかが量産性の核心です。

なぜ「すず（Sn）」がEUV光源に使われるのか

EUV光源の材料には候補がありますが、量産装置で主流になった理由を「波長13.5nm」「取り出しやすさ」「運用性」の観点で整理します。

すずが選ばれる最大の理由は、プラズマ状態のすずが13.5nm近傍に強い放射（発光）成分を持つことです。EUV露光が事実上13.5nm帯に最適化されているのは、多層膜ミラー（Mo/Siなど）の反射特性がこの波長付近で最も高く設計でき、装置全体として光を取り回しやすいからです。光源材料も、この波長で強く光るほど有利になります。

候補材料としてはキセノンなども知られますが、量産で必要な「同じ入力エネルギーから、目的帯域のEUVをどれだけ取り出せるか」という観点で、すずが優位になりやすいとされます。EUVは帯域を絞って使うため、単に光が出るだけでなく、狙いの帯域に光が集まっていることが重要です。

運用性の面でも、すずは液体として微小な液滴を安定供給しやすく、レーザー照射ターゲットを繰り返し生成しやすい利点があります。その一方で、すずは飛散するとミラーを汚しやすいという“代償”もあり、光源技術は「すずでよく光らせる」だけでなく「汚さずに長く使う」まで含めて設計する必要があります。

すずプラズマでEUVが出る仕組み

すずにレーザーを当てて高温プラズマを作ると、なぜ狙いの13.5nm近傍の光が強く出るのかを、直感的に説明します。

LPP方式では、溶融したすずの微小液滴に高出力レーザーを当て、瞬間的に超高温のプラズマを作ります。プラズマとは、原子から電子がはぎ取られた状態で、電荷を持った粒子が混ざり合う“非常に熱い気体”のようなものです。

この状態では、すず原子は多価に電離し、電子がエネルギー準位を行き来する過程で光を放ちます。すずは電子構造の都合で、特定の電離状態が作られる温度・密度条件になると、13.5nm近傍に放射が集中しやすいと考えられており、ここがEUV光源材料としての強みになります。

ただしプラズマを熱くすればするほど良いわけではありません。温度や密度がずれると、狙いの帯域ではない光が増えたり、せっかく出たEUVがプラズマ自身に吸収されたりします。つまりEUV光源は、レーザーで“ただ燃やす”のではなく、狙いの放射が最も出やすいプラズマ条件を狙って作り込み、毎秒何万回という繰り返しでも同じ状態を再現する工学が要になります。

EUV光源の変換効率とは

投入したレーザーエネルギーのうち、利用できるEUV（特定帯域）に変わる割合が変換効率で、出力・電力・スループットを左右します。

変換効率は、光源の経済性と量産性を決める中心指標です。同じEUV出力を得るのに必要なレーザー出力が下がれば、装置の消費電力・排熱・レーザー部品の寿命・運転コストがまとめて改善しやすくなります。

ここで注意したいのは、EUVは“全部の光”ではなく、露光機が使える帯域に入ったEUVだけが価値になる点です。さらに光学系での損失や、運転安定性のための余裕を見込むと、変換効率のわずかな差が最終的なスループットに大きく効きます。

そのため開発は、レーザー条件、すず液滴のサイズや形状、照射タイミング、プラズマの形、回収光学系の設計、汚染による劣化まで含めた“システム最適化”になります。単一要素の改善が別の損失を増やすことも多く、効率の議論は常に装置全体の制約とセットで行われます。

変換効率の理論値と現状の到達点

変換効率は一般に、投入したレーザーエネルギーに対して、13.5nm付近の所定帯域（例として2%帯域など）に入ったEUVエネルギーがどれだけ得られたか、という形で定義されます。ここで“帯域を切る”のは、露光機側がミラー特性やフィルタリングで実質的に利用できる波長範囲が限られるためです。

理論上の上限は、すずプラズマの原子物理に由来する放射スペクトルの分布、プラズマ内部での再吸収、そして回収光学系が取り出せる立体角や反射損失などで決まります。つまり「すずがどれだけ光るか」だけでなく、「出た光を吸い込まれずに外へ出し、光学系で使える形で回収できるか」まで含めて上限が定まります。

実機の到達点は世代や条件で変わるため一概に断定しにくいものの、量産適用の歴史は実質的に“効率を少しずつ押し上げ、同時に安定運転へ落とし込む”積み重ねです。特に近年は、照射方式や液滴制御の工夫で、狙いの帯域に寄せる改善が続いている点が重要です。

効率を下げる要因（再吸収・プラズマ条件・放射損失）

効率を下げる代表要因が、プラズマ内部でEUVが吸収される自己吸収（再吸収）です。せっかく13.5nm近傍の光が発生しても、その光がプラズマの別の層を通る途中で吸収され、熱や別波長の放射に変わってしまうと、外へ取り出せるEUVが減ります。

次に難しいのがプラズマ条件の最適化です。温度・密度・サイズ・形状が少しずれるだけで、狙いの電離状態が作れず、スペクトルが広がったり、別波長が増えたりします。さらに量産では毎秒何万回という繰り返しで同じ条件を再現する必要があり、平均効率だけでなく“ばらつき”が実効効率を押し下げます。

また、投入エネルギーはEUV以外にも逃げます。可視光や赤外光として放射されたり、イオンや粒子の運動エネルギーになったり、熱として周辺に伝わったりします。これらの損失を抑えようとしてプラズマを小さくすると照射位置合わせが難しくなるなど、安定性・繰り返し動作・部材寿命と効率がトレードオフになりやすい点も、EUV光源が“難所”と言われる理由です。

マルチレーザー照射法とは

高効率化の鍵として、1回照射ではなく複数パルスで液滴形状とプラズマ状態を整える手法（例：プリパルス＋メインパルス）を解説します。

マルチレーザー照射法は、すず液滴に対してレーザーを一発で当てて終わりにせず、複数のパルスを使って“狙った形に整えてから本照射する”考え方です。すず液滴は小さく、照射ミスや状態のばらつきが効率と汚染に直結するため、前段でターゲットを作り込む価値が大きいです。

特に一般的な考え方として、弱めのプリパルスで液滴を変形・微粒化させて、メインパルスが当たりやすく、かつ望ましいプラズマ条件を作りやすい形状にします。結果として、同じ投入エネルギーでも狙いの13.5nm帯に放射を集めやすくなります。

重要なのは、単にレーザーを増やすことではなく、時間差、照射位置、液滴の飛翔位置の同期を“工場レベルの安定性”で実現することです。ここが崩れると効率が落ちるだけでなく、余計な飛散やミラー汚染を増やし、稼働率まで悪化させます。

プリパルス／メインパルスの役割

プリパルスは、すず液滴をそのまま燃やすのではなく、メインパルスにとって最適な“的”へ作り変える役割を持ちます。液滴を扁平に広げたり、細かな霧状にしたり、適切な密度分布を持つ形へ変形させることで、次の照射でエネルギーが狙い通りに吸収されやすくなります。

メインパルスは、実際に高温プラズマを作ってEUVを強く放射させる主役です。プリパルスで形成された形状により、過度な局所加熱や不均一なプラズマ生成を避けられると、13.5nm近傍の放射を増やしやすくなります。

この方式では、プリパルスとメインパルスのタイミング、空間的な位置合わせ、液滴供給のタイミングが性能を決めます。どれかがずれると、メインパルスが狙った場所に当たらず、効率低下だけでなく、未蒸発のすずが飛散して汚染源になり得ます。

駆動レーザー負荷低減につながる理由

マルチレーザー照射は、同じEUV出力を得るために必要なメインレーザーのエネルギーを下げられる可能性があります。プリパルスでターゲット側の吸収条件や形状を整えることで、メインパルスのエネルギーがEUV生成により効きやすくなるためです。

不要な加熱や、EUV以外の波長への放射を抑えられると、効率改善だけでなく副作用も減ります。特に過剰なエネルギー投入は、粒子の飛散や高エネルギーイオンの増加を通じて、ミラー損傷や汚染リスクを高めやすいので、レーザー負荷が下がることは稼働率に直結します。

結果として、電力・排熱の余裕が生まれ、光源周りの熱設計が楽になり、部材寿命やメンテナンス間隔にも波及します。EUV光源は“最大出力”だけでなく“長時間その出力を維持できるか”が価値なので、負荷低減は出力向上と同じくらい重要な改善軸です。

EUV光源の方式（LPP）と必要な装置要素

主流のLPP（Laser Produced Plasma）方式でEUVを“作って・集めて・露光機へ渡す”までに必要な要素を部品レベルで分解します。

LPP方式の中核は、すずターゲット供給、駆動レーザー、プラズマ生成点、そしてEUV回収光学系です。すずは溶融して微小液滴として高精度に供給され、レーザーはその液滴に正確に同期して照射されます。

発生したEUVは全方向に広がるため、楕円面ミラーなどの回収光学系で集光し、露光機側の照明光学系へ受け渡します。この回収光学はEUVに最適化された多層膜反射で構成され、ここが汚れると出力が急に落ちるため、光を集める機能と汚染に耐える設計が一体です。

さらにLPPでは、真空系、すず回収やクリーニングの仕組み、プラズマ由来の荷電粒子を抑える工夫、レーザーの光路やビーム整形、各種センサーとフィードバック制御が不可欠です。光源は単一装置ではなく、精密な供給・計測・保守を含むプラントに近く、量産で使えるかどうかは“安定運転の設計”で決まります。

すずデブリ・スパッタと光学系の汚染対策

すずを使う最大の副作用が、飛散粒子（デブリ）やスパッタによるミラー汚染で、出力低下と稼働率に直結します。

すずプラズマでは、光だけでなく粒子も発生します。未蒸発のすず微粒子や、プラズマから飛び出すすず成分がミラーに付着すると、EUV反射率が下がり、光源出力が同じでも露光機に届く光が減ってしまいます。これはスループット低下に直結し、さらにクリーニングや交換で停止時間が増え、稼働率も落ちます。

対策は複合的で、代表的にはデブリを物理的に遮るバリア、磁場などで荷電粒子の挙動を制御する手法、すず付着を抑えたり除去しやすくする表面設計やクリーニングプロセスなどが組み合わされます。重要なのは、デブリを止めすぎるとEUVも減る、保護を強めると光学系が複雑化する、といったトレードオフが常にある点です。

実務的には、汚染をゼロにする発想よりも、汚染速度を下げて出力の劣化勾配を緩やかにし、計画停止で回復できる運用に落とし込むことが鍵になります。光源の価値は最大瞬間出力ではなく、長期の平均出力と稼働率で決まるため、デブリ対策は“性能”そのものです。

今後の展望（高出力化・省エネ化・量産適用）

より高いスループットのための高出力化と、工場課題になりやすい消費電力・保守性を同時に改善する方向性をまとめます。

今後の大きな方向性は、高出力化によるスループット向上です。EUVは光学系での損失が大きく、ウェハに届く光が限られるため、光源側の改善がそのまま生産性に効きやすい構造になっています。次世代の高NA化などで要求が上がるほど、光源への要求も強くなります。

同時に、省エネ化と熱設計の改善が重要になります。レーザー出力を上げるだけでは工場の電力・冷却インフラがボトルネックになり、装置コストと運用コストが膨らみます。そのため、変換効率の改善やマルチレーザー照射による負荷低減、光学系の劣化抑制など、同じEUVをより少ない投入で得る工夫が価値を増します。

量産適用の観点では、出力の平均値だけでなく、変動（パワー安定性）、保守周期、部材寿命、立ち上げ時間、異常時の復帰性といった運用指標が勝負になります。すずとEUVの技術は、物理の限界に挑むと同時に、工場で回る“生産設備”として最適化され続ける領域です。

まとめ：すずとEUVの要点

最後に、なぜすずが不可欠なのか、効率・マルチレーザー・汚染対策という“量産の壁”をどう越えるかを要点で振り返ります。

EUV露光の鍵は13.5nmという短波長光で、その光を量産で使える強さと安定性で供給することが最難関です。すずは13.5nm近傍に強い放射を持ち、液滴ターゲットとして繰り返し供給しやすいことから、主流のLPP光源材料になりました。

一方で光源性能を決めるのは、すずが光る性質だけではありません。投入レーザーから利用可能なEUVへ変わる変換効率は、再吸収やプラズマ条件の最適化、EUV以外への損失、そして光を取り出す光学系まで含むシステム問題で、わずかな改善が電力・排熱・スループットに大きく効きます。

効率を上げつつ量産安定性を確保する手段として、プリパルスとメインパルスを組み合わせるマルチレーザー照射が有力です。さらに、すずデブリによるミラー汚染は出力維持と稼働率を左右するため、デブリ抑制とクリーニングを含む運用設計が不可欠です。すずとEUVの関係は、材料選定の話にとどまらず、光を作って守って届ける量産工学の結晶だと理解すると全体像がつかみやすくなります。