極端紫外線リソグラフィ (きょくたんしがいせんリソグラフィ、、略称：EUVリソグラフィ または EUVL) は、極端紫外線、波長13.5 nmにて露光する次世代露光技術である。
概要 EUVLは、2018年から実用化されている露光技術であり、7 nmノード以下の露光に使用するために導入されている。2022年（令和4年）時点では、TSMC、サムスン電子、Intelなどの世界半導体大手が先端半導体製造に使っている。
ASML社は極端紫外線の露光装置を作っている唯一のメーカーである。極端紫外線で 5 nmノードを製造するには、現在液浸20 nmノード向けよりも高い開口率のレンズや、高度なマルチパターニングが必要になると推測していた。
1990年代から次世代リソグラフィの本命と目されていたものの、量産ラインでの実用化は2018年以降に実現できた。
13.5 nmは本来軟X線と呼ばれる。極端紫外線という単語は、1990年代米国においてX線等倍転写技術の研究が盛んであったため、連邦政府からの予算獲得に当たって分野が競合していると思われないよう、あえてX線という単語を避けて造語されたものである。過去にX線リソグラフィの補助金を"深紫外線"という名称でアメリカの業界団体が連邦政府から得ていた前例にならったとされる。
歴史 1960年代の集積回路生産は可視光線を使用しており、短いもので高圧水銀灯の g 線 436 nmがあった。波長が短いほど露光装置の解像度は高くなり、集積回路を高集積化できるため、リソグラフィの波長は減少を続けてきた。
最初の紫外線リソグラフィは水銀灯の i 線 365 nmを用いて行われ、続けてエキシマレーザーが使用された。は 248 nm、は 193 nm である。これらは深紫外線と呼ばれる。これらと液浸技術を組み合わせて、2010年頃には 40 nm程度のリソグラフィが行われていた。
極端紫外線リソグラフィはこれらよりもさらに短い波長のリソグラフィとして実現が期待された。
極端紫外線はガラスと空気を含むすべての物質に強く吸収されるため、従来のようにレンズを使用して集束することはできず、真空中の反射鏡を用いなければならない。また、極端紫外線の信頼できる光源技術も必要だった。
1980年代、日本電信電話の研究者であった木下博雄は世界で初めて極端紫外線によるパターン形成に成功し、1986年秋に開催された第47回応用物理学会学術講演会にてこれを発表した。当初はX線によるパターン形成が可能であることに疑念を抱く者がほとんどだったが、1990年にはAT&Tが追試に成功した。いずれもシンクロトロン放射光を光源として利用していた。
1991年、ベル研究所が 13.8 nm光を用いた「軟X線投影リソグラフィ」の可能性を実証する論文を発表した。
日本では日立やニコンにおいて1990年代初頭まで研究が続けられたが、その後一時期下火となった。
米国ではローレンス・リバモア国立研究所、ローレンス・バークレー国立研究所およびサンディア国立研究所に予算が与えられて基礎研究が行われ、その結果は公共民間パートナーシップ（）によって民間に還元された。しかし、90年代なかばになると予算が承認されなくなり、国立研究所での研究続行が困難となったため、1997年、Intel が主導して EUVLLC（Extreme Ultraviolet Limited Liability Company）を設立。民間企業と国立研究所が連携して研究が行われるようになった。
この展開に刺激され、日本では1998年から ASET（超先端電子技術開発機構）においてデバイスメーカーとニコンを中心にEUV技術の研究が開始された。また、ASET はデバイスメーカーを中心とする性格上、光源技術開発は対象としていなかったため、2002年に EUVA（極端紫外線露光システム技術開発機構）が設立されて光源および装置技術の開発を担った。欧州でも同じ頃に ASML や Oxford Instruments などによって EUCLIDES が設立された。
Intel、キヤノン、ニコンおよび ASML やシリコン・バレー・グループ社などが EUVLLC への参加を求めた。2001年にシリコン・バレー・グループが ASML に買収されたことで、ASML は EUV 技術の先端に立つようになっていった。
2018年までに、EUCLIDES およびカール・ツァイスとのパートナーシップのもとで、ASML は EUVLLC で獲得した技術の実用化に成功した。MITテクノロジーレビューはこれを「ムーアの法則を救った機械」と評した。2006年の最初のプロトタイプは1枚のウェハを作製するのに23時間を要したが、2022年現在、1台の露光装置は1時間に200枚のウェハを作製することができる。反射鏡はイオンビーム加工で分子レベルの精度を達成しており、カール・ツァイスはそれを「世界でもっとも正確」だと自負する。
この技術は ASML を半導体製造分野における独占企業へと成長させた。またその数多くの産業分野における重要性のため、米国政府はオランダ当局に中国に対する禁輸を求めた。2025年現在も、ASML はオランダ現地の輸出管理の下で、中国への半導体露光装置の輸出を許可されていない。一方で、中国は国内の EUV 技術開発計画に大規模な投資を行っており、Huawei と SMEE は関連技術の特許を有している。2025年12月、ロイター通信は深圳において EUV 露光装置のプロトタイプが完成したと報じた。その装置は早ければ2028年から稼働できる予定だという。
EUVL 光源 中性の原子や凝縮物質はEUV放射を発生することができない。物質がそれを放射するためにはイオン化をまず第一に起こさなければならない。EUV光は多価正イオンによって結合される電子でのみ発生することができる。例えば、+3の炭素イオン（3個の電子がすでに除かれている）から1つの電子を引き抜くには約65 eVを必要とするwebelements.com。そのような電子は典型的な価電子より強固に拘束される。多価の正イオンが存在できるのは、高温高密度プラズマの中においてのみ可能であり、それ自身EUVを強く吸収する。EUVリソグラフィ用のキセノンやスズのプラズマ源は、放電生成かレーザー生成による。十分な処理能力を得るためには100 Wを超過する出力が必要である。最先端技術の193 nmのArFエキシマレーザーは200 W/cm2の強度を提供しているが、EUVを生成するプラズマを生産するためのレーザーははるかに強力な、約1011W/cm2の強度である必要がある。（レーザー出力が100 Wに達する）193 nmの光から 、（10 kWを超過するレーザーまたは等価なエネルギー源の出力を必要とする）EUV光を発生させるためにV. Bakshi, 2009 EUVL Workshop Summary, Sheraton Waikiki, Hawaii, July 13--17, 2009.、巨大なエネルギー負荷を課せられていることをこれは示している。EUV光源は20 kWのCO2レーザーによって駆動されCymer EUV light source、それは電力変換効率は~ 10 %でCymer presentation at 2007 EUV Source Workshop、消費電力は~200 kWである。参考だが、すでに実用化されている100 WのArF液浸レーザー（UV光源）は~1 %の電力変換効率であり、消費電力は~ 10 kWである。
開発中のプラズマベースのEUV光源の追加特性は、それらが部分的にさえコヒーレントでないということであるIEEE Spectrum: A New Light Source。これは従来の光リソグラフィーに使用されるKrFとArFのエキシマレーザーと異なっている。（多くの独立した波長のあらゆる方向に放射する）非コヒーレント光源を（波長の狭い帯域内の方向に制限のある範囲の中で放射する）部分的なコヒーレント光に変換するために、（望まない波長および方向に対する）フィルタをかけることが、電力損失（エネルギーロス）を一層低減させるために期待されている。
2008年現在では開発ツールは120 Wの光源で1時間当たりウェハー4枚の処理能力を持っていたASML update on ADT。100ウェハー毎時の要求に対しては、それゆえ3 kWの光源が必要となるのだが、見通せる範囲では利用は出来ていない。しかしながら、EUVの光子計数は、フォトダイオードによって集められる1つの光子当たり生成された電子の数によって決定される。これは本質的に初期光電子のかなりばらつきのある二次電子放出比であるので、線量測定は大きいばらつきに左右されうる。実際、Gulliksonほかのデータは光電流感度の自然変動が~10 %であることを示している。より最近のシリコンフォトダイオードのデータは依然この評価と一致している。EUV線量計の校正は重要な未解決の問題である。2次電子のばらつきはアヴァランシェ・フォトダイオードのノイズでよく知られた根本原因である。
なお高度に相対論的な真空管の自由電子レーザーとシンクロトロン放射源は、物質源よりもよい光源品質が得られるものの、高い強度を得るためには開発課題が多かった。いくつかの専用の工業用シンクロトロン光設備が建造され、それらの利用は半導体デバイスの製造も包括している。 自由電子レーザーは、単色でコヒーレントな、また広がり角の狭い光を提供する。双方ともまた、X線波長域へのシームレスな進展を与え、利用可能な波長の連続領域を提供するRobert W. Hamm and Marianne E. Hamm, "The Beam Business: Accelerators in Industry", Physics Today, June 2011, pp. 49-50。
EUVL光学 EUVリソグラフィは今日利用されている深紫外線リソグラフィと比べ、著しく異なっている。EUVは波長13.5 nmという軟X線に近い領域のため、すべての物質において、EUVを吸収する。したがって、EUVリソグラフィは真空中で発生させる必要がある。すべての光学要素は、フォトマスクを含め、中間層干渉による光を反射するよう作用する、無欠陥のMo/Si多層膜を利用しなければならない。これらの鏡は入射光線の約30%を吸収する。この制約はマスクがない干渉リソグラフィシステム（Interference lithography）で回避することができる。しかし、後者のツールは周期的なパターンのみを製造するのに限定される。
現在まで構築された試作EUVLシステムは少なくとも2つの集光多層膜鏡、6つの投影多層膜鏡、また多層膜(マスク)で構成されている。光学系が利用可能なEUV光の96%を既に吸収するので、理想的なEUV光源は十分に明るい必要がある。EUV光源開発はレーザーまたは放電パルスによって生成されたプラズマに焦点が置かれている。集光鏡はプラズマに直接露出され、したがって高エネルギーのイオンからH. Komori et al., Proc. SPIE 5374, pp. 839--846 (2004).B. A. M. Hansson et al., Proc. SPIE 4688, pp. 102--109 (2002).、および他の残骸(デブリ)S. N. Srivastava et al., J. Appl. Phys. 102, 023301 (2007).からのダメージに脆弱である。EUVを発生する高エネルギープロセスに付随したこのダメージは、EUVリソグラフィ技術の実用的なEUV光源の実施成功を妨げている。
EUV露光装置のウエハー処理能力は、生産能力の指標の一つである。EUVが高真空を要求する技術であるとすれば、処理能力は（光源出力はさておき）ツールチャンバー出し入れするウエハーの移動によって、時間当たりの少ないウエハー数で制限されるA. Brunton et al., Proc. SPIE 5448, pp. 681-692 (2004).。
試作用EUV露光装置の別の特徴は、多層膜マスクへの（6度の角度の）斜入射照明であるL. Peters, "Double Patterning Leads Race for 32 nm", Semiconductor International, October 18, 2007.。回折像中にもたらされる非対称性は、パターン忠実度を下げる陰影効果を引き起こすM. Sugawara et al., J. Vac. Sci. Tech. B 21, 2701 (2003).。
EUVの短い波長はレンズフレアも引き起こし、画質の完全性を損ない、線幅粗さを増大させることが知られているM. Chandhok et al., J. Vac. Sci. Tech B 22, 2966 (2004).。
主要体積当たり（例えば20 nmの立方体）の加熱は、フォトレジストにおける高い吸収のため、DUV光子に比較して、EUVの光子あたりより高くなる。加えて、EUVリソグラフィは真空環境のため、液浸リソグラフィの水冷環境にくらべてより加熱される。
加熱は多層膜鏡を使用する場合に特に深刻な問題となる。なぜなら、EUVは表面から薄い距離で吸収されるので、加熱密度が高くなるためである。結果、高い加熱負荷で水冷方式が使用されると予想される。しかしながら、結果として生じる振動は微細加工における懸案事項であるS. Jeong et al., Proc. SPIE 3997, 431 (2000).。
NISTとラトガース大学による最近の研究で、光電子生成および二次電子収率に影響を及ぼすEUV鏡の共鳴構造によって、多層膜光学系の汚染に多大な影響を受けることが判明したN. S. Faradzhev et al., Bull. of the Russ. Acad. of Sci., Physics, vol. 74, pp. 28--32 (2010).。
EUVはすべての物質に大きく吸収されるので、リソグラフィ装置内部のEUV光学要素でさえ、主に明白なアブレーションとして現れるF. Barkusky et al., Optics Express 18, 4346 (2010).。それらのアブレーションはEUVリソグラフィに特有の新たな懸念である。従来の光学リソグラフィシステムは主に透過部品を使用しており、電子ビーム露光装置は電子の経路に部品を置かない。しかし、これらの電子は最後には露光したサンプル基板にエネルギーを注入する。
EUVに特有のオーバーレイ問題 EUVが真空中で操作され、反射光学系を要求するので、ASMLに加えて、IMECによって最近研究された、EUVリソグラフィ装置には特別のオーバーレイの懸念があるJ. V. Hermans et al., Proc. SPIE 7969, 79691M (2011).。従来の真空の代わりに静電チャックが使用されなければならない。したがって、静電チャックにおけるウェハークランプ変動は適切に対処する必要がある。200 nmの窒化ケイ素（それは背面冷却D. Tretheway and E. S. Aydil, J. Electrochem. Soc., vol. 143, 3674 (1996).および放熱M. S. Bakir et al., CICC 2007, 421 (2007).J. A. van der Pol et al., Microelectronics Rel., 39, 863 (1999).を可能にするために後で除去する必要がある）の背面コーティングは、有益であると判明した。この追加手順(それは既にパターンの施されたデバイス層を最初に保護することが必要な)J. Mathuni et al., Wafer Backside PaperBrewer Science LED Brochure featuring Substrate Protectionの他に、ゾーン整列(標準部分的なものではなくウエハーを横断した線列マークをすべて使用した)もまた、一層の改良をもたらした。EUVが要求する真空環境は、多くを放熱しないウエハーを加熱することになる。牲の最初のウエハーはチャック温度を安定させるのに必要と判明した。さらに、露光加熱によるローカルのオーバーレイ修正は第二のウエハーが必要となる。したがって、1ロット当たりの余分なウエハーはEUVリソグラフィのオーバーレイ安定化に必要である。反射の使用はレチクルの平坦度およびレチクル固定にとって、ウエハー露光位置を非常に敏感にさせる。したがって、レチクル固定清浄度を維持することが必要である。
フォトレジストのEUV露光 EUV光子が吸収される場合、ちょうどX線または電子線が物体に吸収される場合に生じることのように、光電子(photoelectron)と二次電子(secondary electron)がイオン化によって生成されるB. L. Henke et al., J. Appl. Phys. 48, pp. 1852--1866 (1977).。生成量は明確ではないが、平均で約4個の二次電子がEUV光子毎にで生成されると推測されたSPIE EUV08 paper by T. Kozawa and S. Tagawa。これらの二次電子は、数から十数eVのエネルギーを持っており、目的の化学反応を始める前にフォトレジスト(下記参照)内部の十数ナノメーターを移動する。これは、ハロゲン化銀写真フィルム中の潜像形成のための光電子泳動に非常に似ている。このやや大きな距離の要因は、ポリマーに排除体積相互作用(excluded volume interaction)があるという事実であるN. Shimizu and H. Sato, 1996 IEEE Annual Report - Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, pp. 787--790 (1996)。最近の実際のEUV印刷テストY. Ekinci et al., Microelectronic Engineering, vol. 84, pp. 700--704 (2007). Conference draft.では、たとえ光学解像度およびフォトレジスト構成が制限因子でなかったとしても、30 nmの空間を解像出来なかったと判明した。
具体的に、より高い処理能力を得るため化学増幅を利用するフォトレジスト(化学増幅型レジスト)において：T. Kozawa et al., J. Vac. Sci. Tech. B 15, pp. 2582--2586 (1997).T. Kozawa et al., J. Vac. Sci. Tech. B 22, pp. 3489-3492 (2004).
e- + 酸発生剤(acid generator) → アニオン → 解離アニオン生成
この反応は、「電子付着(electron attachment)」や「解離性電子付着(dissociative electron attachment)」としても知られ、その時点での捕捉が最も容易であるため、基本的に電子が停止するまで減速した後生じる可能性が最も高い。電子付着の断面積は高エネルギーの電子エネルギーに反比例するが、0のエネルギーにおいて最大の制限値に接近するE. Stoffels et al., Plasma Sources Sci. & Tech. 10, 311-317 (2001).。他方では、最低のエネルギー(数 eVかそこら、あるいは解離性付着が支配的な領域)の平均自由行程が、10 nmをはるかに上回ことは既に知られておりM. P. Seah and W. A. Dench, Surf. Interf. Anal. 1, 2-11 (1979).S. Tanuma et al., Surf. Interf. Anal. 21, 165--176 (1993).、それゆえこのスケールにおいて分解能が確実に達成される能力を制限している。 さらに、20 eV未満のエネルギーを持った電子は、レジストからの水素とフッ素の陰イオンの脱着が可能でありB. Yakshinskiy et al., Intl. Symp. on EUVL 2009、それはEUV光学系への潜在的な損害につながるC. Song et al., Chem. Mater. 20, 3473--3479 (2008).
EUVフォトレジストイメージはピッチとおよそ等しい厚さのレジストを必要とすることがよくあるH. H. Solak et al., Microel. Eng. 67--68, pp. 56--62 (2003).。これはEUV吸収によりレジストの底のほうまでに少ない光しか届かなくなることによるだけでなく、二次電子からの前方散乱にもよる（低エネルギー電子線リソグラフィに似る）。反対に、薄いレジストは下層のフィルムへの損傷をもたらす入射光の多くの部分を伝達するが、にもかかわらず同じレベルの吸収を満たすためにより多くの照射を必要とする。
光子の吸収深度は電子の脱出深さを超過するので、電子の放出は結局遅くなり、それらのもつエネルギーは最終的に熱として消散される。
1 mJ/cm2のEUV照射は10.9 μC/cm2当量の光電子線量を生じる。 現状の実証では10 mJ/cm2の照射を越える。109 μC/cm2の光電子線量当量である。
より小さな形状を作るためにより高線量および（または）レジストの薄膜化を採用することは、単にフォトレジストの底面層の照射増加をもたらすのみである。これは、実質的にイメージコントラストを低下せしめる光電子と二次電子の別の重要な供給源が加えられる。さらに、下層への電離放射線障害の可能性を増加させる。
分解能を不鮮明にする二次電子および光電子の範囲は、線量、表面汚染、温度などのような要因に依存する。
EUVL 欠陥 EUVLは液浸リソグラフィが直面しているものと類似した特有の欠陥問題に直面している。液浸特有の欠陥は水とフォトレジスト間との最適化されていない接触によるが、EUVに関係のある欠陥は本質的にEUV放射のイオン化エネルギーに起因する。第一の問題は正帯電である。EUV放射によってレジストの表面から解放された、光電子の放出N. Koch et al., Thin Solid Films 391, pp. 81--87 (2001).のためである。これは静電放電、あるいは、上でも言及した装置損害と同様に粒子汚染ももたらしうる。第二の問題は、周囲の、あるいはアウトガスによる炭化水素によるレジスト上の汚染物堆積である。それはEUVまたは電子で引き起こされる反応に起因するJ. Hollenshead and L. Klebanoff, J. Vac. Sci. & Tech. B 24, pp. 118--130 (2006).。第3の問題は、EUV放射またはEUVで生成された電子によって解離された酸素J. Hollenshead and L. Klebanoff, J. Vac. Sci. & Tech. B 24, pp. 64--82 (2006).、アルゴン、または他の雰囲気ガスによる腐食である。リソグラフィチャンバー内の雰囲気ガスはガスパージや汚染削減のために使用される。これらのガスはEUV放射によりイオン化され、露出表面の近傍にプラズマ発生をもたらし、多層光学素子の障害や試料への不用意な暴露に至るM. H. L. van der Velden et al., J. Appl. Phys. 100, 073303 (2006).。
当然ながらマスク欠陥もまたEUVLの欠陥の既知な原因である。極端紫外線マスクにおける欠陥の低減は、現在EUVリソグラフィの商業化のために取り組まれる、最も重大な案件のうちの1つであるhttp://spie.org/x48080.xml?pf=true&ArticleID=x48080。欠陥中核（すなわち空孔か粒子）は、基板上で、多層膜堆積物中に、あるいは多層膜積層の上に生じる場合がある。最終欠陥の印刷適性は、既定の位置で光の相変化および振幅変化に依存するだろう。正味の相変化および/または振幅変化は、中核欠陥の固有の効果と、欠陥の間の多層膜スタックの成長への影響をもたらす。埋没欠陥は特に油断がならず、10 nmの欠陥ですら危険であると考えられるM. Lam, Ph.D. dissertation, U. of California, Berkeley, sec. 7.3 (2005).。検知されない3 nmのマスク基板平坦度変化によって引き起こされた位相シフトは、印刷可能な欠陥を生むのに十分である。この背景にある原理は、平面からの1/4波長の偏差が、反射の後に1/2波長光路長差を生じるというものである。平面から反射される光は、1/4波長の偏差した光とで180度位相がずれるP. P. Naulleau et al., Optics Communications 200, pp. 27--34 (2001).平面からの1nmの偏差さえ、画像強度の実質的減少（~20 %）に結びつくであろうことが示されたI.-Y. Kang et al., Jap. J. Appl. Phys. vol. 44, pp. 5724--5726 (2005).。実際、100 nmの半値全幅をもつ原子スケール（0.3 - 0.5 nm）の高さの欠陥は、10 %のCDインパクトを示すことにより依然印刷可能になりえるS. Huh et al., Proc. SPIE 7271 (2009).。レンズのように、実質的に位相シフトを生じるどんな欠陥も、欠陥領域の外側へ光を散乱させる。散乱された光の量は計算可能である。更に、平坦からのその偏差が表面に関して84度の発生率のターゲット角からの偏差により、3度を超過すれば、位相欠陥の端はさらに反射率を10 %以上縮小するだろう。くわえて、位相欠陥の端部は、もしその逸脱が平面度から3度を超過する場合、表面に対して84度の目標入射角からの偏差のため、反射率を10 %以上低下させることになる。欠陥高さが浅くても、端部は依然として積層する多層膜を変形させ、多層膜が傾斜する伸長領域を生じる。変形が急峻であるほど、欠陥端部の伸長領域は狭くなり、反射率への損失が大きくなる。
想定外の解像度限界
現在のリソグラフィ光波長と比較して、EUVが波長を著しく縮小するのなら、それが著しくよりよい解決になると期待するだろう。しかし、解像度は結局、像の記録媒質(つまりフォトレジスト)中の相互作用量によって決定づけられる。上に言及されたように、EUVによって放出された低エネルギー電子はオリジナルのEUVイメージを不鮮明にするかもしれない。さらに、とりわけ1,500平方ナノメーター未満の特定エリアにおいては、統計的な効果がある。
レジストポリマー凝集体
ポリマーのようなレジストは80 nmのサイズで凝集することがよく知られているC. A. Cutler et al., Proc. SPIE vol. 5037, 406 (2003).。高解像度レジストのHSQ（水素シルセスキオキサン）ですら15 - 20 nmにしか凝集体サイズを縮小しないD. Lauvernier et al., Microelectonic Eng. 75, 177--182 (2004).。凝集体サイズより大きいラインの粗さは、凝集体サイズによって緩やかに影響される一方、凝集体サイズが線幅が明らかに下回ることは深刻な影響を受ける。
ショット雑音