ASML High-NA EUV: チップ製造が魔法に見える理由
目次
技術の中には、いつの間にかあまりにも普通になってしまい、本当はどれほど途方もないものなのかを忘れそうになるものがあります。
SpaceXはいまや平均しておよそ2日から2日半に1回、ロケットを軌道へ送り込んでいます。宇宙からのインターネットはもはやSFではなく、アプリ、ルーター、月額料金のある製品です。私たちはポケットにスーパーコンピューターを入れて持ち歩き、列車の中で動画をストリーミングし、非接触で支払い、IPネットワークで通話し、すべてがただ動くことを当然のように期待しています。
こうした技術の多くについては、少なくとも中核で何が起きているのかを想像できます。ルーティングがどう機能するのか、海底ケーブルがインターネットの本当の背骨である理由、TCP、DNS、BGP、光ファイバー、衛星リンク、ファイアウォールがどう連携するのかは理解できます。ロケットやエンジンについても、十分な動画、断面図、物理の説明があればイメージを作れます。エンジニアのレベルではありませんが、完全に神秘的ではなくなる程度には。
しかし、現代のチップ製造は違います。
もちろん、チップがシリコンでできていること、トランジスタが小さくなっていること、ウェハーが露光され、エッチングされ、成膜されることは大まかには知っています。けれど、現代リソグラフィのスケールに本当に入っていくと、私の理解は一気に崩れます。そこではもう「小さい」という話ではありません。普段の感覚からあまりにも下に外れた構造の話になり、全体がまた魔法のように感じられるのです。
そこにASMLのこの機械、High-NA EUVがあります。価格は4億ドルを超える装置。二階建てバスより大きく、複雑すぎるためモジュール単位で世界を移動し、現地で再び組み立てられ、人間が作れる最も清浄な環境でしか動作できません。液体スズの微小な液滴をレーザーで1秒に何万回も撃ち、そこから極端紫外線を発生させ、その光でウェハーにパターンを刷り込み、後にCPU、GPU、AIアクセラレーター、スマートフォン向けチップが生まれていく機械です。
理解できないものは魔法のように見える、という考えがあります。EUVリソグラフィは、私にとってまさにそう感じられます。けれど面白いのは、理解し始めても魔法らしさが減らないことです。むしろ、さらにとんでもなく見えてきます。
この画像は、なぜ私がこの機械にここまで引き込まれるのかをよく示しています。内部は、未来の一部を開いて見せたように見えます。一方、顧客の工場に置かれるときには、大きな白い産業用ボックスのような姿になります。
二度読みしたくなる数字
物理の話に入る前に、まずは規模感を短く見ておく価値があります。大きな数字が自動的に優れた技術を意味するからではありません。この機械は、そうしないと抽象的すぎるからです。
High-NA EUV装置は、ただ出荷されるものではありません。ASMLで組み立てられ、認定され、再び分解され、モジュール単位で顧客へ運ばれます。その背後には、数え方にもよりますが、約800から5,000社のサプライヤーがいます。大きなサブシステムは複数の国で作られ、フェルドホーフェンに集まり、その後Fabへ向かいます。1台の機械だけで、およそ250個のコンテナ、25から30台のトラック、そして7機のBoeing 747が必要になります。
さらに、約100,000個の部品、約40,000本のねじ、約3,000本のケーブル、そして2キロメートルを超える配線やホースがあります。顧客先で接続するには、2,000を超える電気接続が必要です。これはもう「1つの装置」ではありません。たまたま1つの目的を持った、小さな産業エコシステムです。その目的とは、光を極限まで精密に制御し、そこから現代のチップを生み出すことです。
製造そのものも、普通の機械工学の話には聞こえません。EUV工場では約2,000人が働き、稼働は24時間365日です。High-NA装置は、製造、試験、認定が終わるまでにおよそ1年半かかります。それでも、パレットに載せて出せる製品という意味で「完成」するわけではありません。再び分解され、それから初めてFabへ向かいます。
環境だけでも極端です。ASMLのクリーンルームは、0.1マイクロメートルの粒子で最大およそ1立方メートルあたり10個と説明されています。比較対象として、非常に清潔な手術室はおよそ1立方メートルあたり10,000個です。しかもここで話しているのは、花粉や細かいほこりよりはるかに小さい粒子です。
内部に入ると、さらにおかしくなります。機械は、血球ほどの大きさの微小なスズ液滴を撃ちます。そのためにCO2レーザーを複数の増幅器で約20,000ワットまで高めます。この液滴は1秒に何万回も撃たれます。新しい光源では、1つの液滴に対して3つのレーザーパルスを当てます。まず形を整え、次に薄くし、最後に完全にプラズマへ変えるのです。1秒に50,000個の液滴なら、頭の中では1秒あたり150,000回の精密なレーザー命中になります。そして、この発想は「だいたい当てる」ことではありません。システムはその命中を、産業用途として信頼できる形で繰り返さなければなりません。
スキャナー内部の動きも常識外れです。レチクル、つまりチップパターンを持つマスクは、ゆっくり動くわけではありません。加速度は20 g超で、EXEプラットフォームについてASMLはレチクルステージで32 gとしています。これはレーシングカーが0.09秒で0から100 km/hへ加速するのにほぼ相当します。同時に、チップ層同士の重ね合わせはナノメートル単位で合っていなければなりません。
そして、私の頭から離れない比喩があります。鏡の横に小さなレーザーが付いていると想像してください。その光は月まで届きます。月面には1枚の硬貨があります。鏡の制御は非常に細かく、単に「硬貨に当てる」だけではなく、硬貨のこちら側に当てるか、あちら側に当てるかを選べるほどです。角度制御は、まさにこの規模、つまりピコラジアンの領域で動いています。もちろん、こうした比較は単純化です。けれど精度を肌で感じる助けにはなります。私たちは通常の機械工学で言う「非常に正確」について話しているのではありません。わずか数個の原子のずれが意味を持つ産業装置について話しているのです。
ASMLが実際に作っているもの
ASMLはチップを作っているわけではありません。ここは重要です。ASMLは、TSMC、Samsung、Intel、SK hynix、Micronなどの企業がシリコンウェハー上に最も微細なパターンを作るための機械を作っています。
TSMCはTaiwan Semiconductor Manufacturing Companyの略です。Apple、Nvidia、AMD、Qualcommといったチップブランドを知っている人は多いでしょう。TSMCはその裏側にいる工場であることが多い会社です。つまり、そうした設計を実際のチップへ変える受託製造企業です。
現代のチップは、基本的には電気的なスイッチで作られた人工都市です。ナノメートル規模の計算都市であり、多数の層と何百キロメートルもの配線を持っています。最下層には何十億ものトランジスタがあります。その上に、配線、絶縁体、接点、微細構造の層が重なり、すべてを接続します。チップによっては最大でおよそ100層を持つものもあり、そのすべてが前の層に対して極めて正確に合っていなければなりません。2つの層がわずかにずれただけで、チップは「少し悪くなる」のではなく、廃棄品になる可能性があります。
その中心にある技術がフォトリソグラフィです。非常に単純化すると、1つのサイクルはこう進みます。
- シリコンウェハーに材料を載せる。
- その上に、光に反応する樹脂であるフォトレジストを塗る。
- リソグラフィ装置が、その樹脂にパターンを投影する。
- 露光された領域の化学的性質が変化する。
- その後、現像、エッチング、成膜、またはドーピングを行う。
- 次の層のために、このプロセスを繰り返す。
ほとんど当たり前のようにも聞こえます。光とマスクと感光性の表面を使う。原理としては写真です。ただし最後にできる写真は画像ではなく、プロセッサの一部です。そして「ピクセル」は、ほこり、熱、振動、空気分子、化学的な副作用、最小限の光学誤差が本物の敵になるスケールにあります。
ASMLの機械は投影システムです。光が、レチクルとも呼ばれるマスクのパターンを光学系を通してウェハーへ運びます。光学系はパターンを縮小し、焦点を合わせます。その後、機械はウェハーを動かし、次の領域を露光します。
つまり本当の問いはこうです。光でどこまで小さく刷れるのか。
問題: 光はやがて粗すぎる
リソグラフィには大きな調整軸が2つあります。光の波長と、光学系の開口数です。波長が短いほど、小さい構造を印刷しやすくなります。開口数が大きいほど、光学系はより広い角度範囲から光を集めて焦点を合わせることができます。これも解像度を高めます。
産業界は長い間、DUVリソグラフィで非常に遠くまで進みました。DUVはDeep Ultraviolet、深紫外線の略です。特に重要になったのが、波長193ナノメートルのアルゴンフッ素光でした。これは何年もの間、先端チップの主力技術でした。液浸リソグラフィ、より良いマスク、計算リソグラフィ、マルチパターニングといった工夫により、本来なら無理に見えるほど、この技術から多くを引き出しました。
けれど、ある時点で光は単純に長すぎる波長になります。作りたい構造が波長に近づくと、光は回折し、干渉が極めて重要になり、マスク上のパターンはウェハー上にきれいに届くものではなくなります。
ソフトウェア、マスク補正、複数回露光で、ある程度は補えます。産業界はまさにそれを何年も続けました。しかしマルチパターニングは高価で、遅く、エラーを生みやすいものです。重要な層が2回、3回、4回の露光ステップになると、プロセス時間、マスクコスト、リスクが増えます。追加の各ステップは、歩留まりを失う新たな機会でもあります。
だから産業界には、より短い光が必要でした。
EUV、Extreme Ultravioletは、13.5ナノメートルで動作します。これは193 nmのDUVより14倍以上短く、DNA鎖を5本ほど横に並べた幅に近いものです。理論上は、それによってはるかに細かい構造を再び刷れるようになります。しかし実際には、ここから長い問題リストが始まります。その内容はあまりにも途方もなく、なぜ多くの人が何十年もEUVを非現実的だと考えていたのかが理解できます。
13.5 nmの光は、ほぼあらゆるものに吸収されます。空気にも、ガラスにも、通常のレンズにも、通常の鏡にも。きれいな光学系にそのまま通すことはできません。システム全体を真空で動かす必要があり、レンズの代わりに極めて特殊な鏡が必要になります。
言い換えれば、より小さなチップを作るために、産業界は地球上には実質的に存在しない光源を発明し、普通の人が触れるどんなものより滑らかな光学系を作り、それを24時間365日、工場で利益を生むほど安定させなければなりませんでした。
それが賭けでした。
EUVへの長い賭け
物語はHigh-NAから始まるのではなく、そもそもそこまで短い波長の放射でリソグラフィができるのか、という問いから始まります。
1980年代、日本の研究者である木下博雄氏は、非常に短い波長の放射で構造を刷るというアイデアに取り組んでいました。問題はすぐに明らかでした。そのような光は古典的なレンズでは導けません。吸収されてしまうからです。解決策は鏡を使うしかありませんでした。ただし普通の鏡ではなく、多数の極薄層を、反射波が建設的に重なり合うように積み上げた多層膜ミラーです。
木下氏は初期の画像を作ることに成功しましたが、当初は真剣に受け止められませんでした。その懐疑は単なる無知ではありません。技術的に理解できるものでした。光源は弱すぎました。鏡は難しすぎました。機械は遅すぎたでしょう。そして、そのどれか1つだけでも製品を終わらせるには十分でした。
並行して、Lawrence Livermoreをはじめとする米国の国立研究所は、X線やEUVに近い技術に取り組んでいました。もともとはまったく別の理由からです。核融合や兵器物理の周辺研究が、多層膜ミラーや短波長放射に関する知識をもたらしました。その後、この知識で何か有用なものを作れるのか、という問いが生まれました。そこからEUVリソグラフィへ向かう初期の道の1つができました。
1990年代、EUVは本物の産業プロジェクトになりました。米国の研究所、Bell Labs、Intel、Motorola、AMDなどが関わりました。政府資金がなくなった後も、チップ企業は自ら投資を続けました。193 nmリソグラフィがいつか足りなくなるなら、新しい答えが必要だと誰もが見ていたからです。
2000年ごろ、Engineering Test Standという重要なプロトタイプがありました。それは、EUVで原理的にはパターンを刷れることを示しました。このテストスタンドは9.8ワットのEUV光を発生させ、70ナノメートル構造を刷ることができました。しかし、速度はまったく足りませんでした。1時間あたり約10枚のウェハーは、研究室では成功です。本物のFabには、昼夜を問わず1時間あたり数百枚のウェハー、高い可用性、使える歩留まり、制御可能なコストが必要です。
ここで科学と産業化が分かれます。研究室での証明は1つのことです。チップメーカーが数十億ドル規模の投資ロードマップに組み込む機械は、まったく別のものです。
特に厳しいボトルネックは光量でした。EUVミラーはすべてを反射するわけではありません。光が複数のミラーとレチクルを通るたびに、残る光は減っていきます。ミラー1枚あたりの反射率が約70パーセントだと、多数の反射を経た後に残るフォトンはわずか数パーセントになります。だから光源は単なる部品ではありませんでした。「面白い実験」と「産業で使える機械」を分けるものだったのです。
多くの企業が撤退し、あるいは信じることをやめました。最後に主に残ったのがASMLでした。
これは注目すべきことです。ASML自身もかつては小さく始まった会社でした。オランダのPhilipsからスピンオフした企業で、最初は世界的独占企業というより、不安定な賭けに近い存在でした。しかしASMLには2つのものがありました。リソグラフィへの極端な集中と、パートナーと一緒にリスクを背負う意思です。ZEISSが光学系を担当し、ASMLがシステムを統合しました。後には、光源周辺の主要技術もASMLの世界へますます深く取り込まれていきました。
EUVは1つの発明ではありませんでした。EUVは、何千もの「ほぼ不可能、でももしかすると可能かもしれない」問題の連鎖でした。
この開発史をさらに深く見るには、この動画がちょうどよく合います。
技術的な不可能
問題1: 機械の中にどうやって太陽を作るのか
13.5ナノメートルのEUV光は、普通のランプでは作れません。
ASMLはLaser-Produced Plasma光源を使います。基本原理では、液体スズの微小な液滴を作ります。ASMLは公開情報で、およそ25マイクロメートルのスズ液滴が、発生器から秒速約70メートルで出てくると説明しています。これはおよそ250 km/hです。この液滴が、1秒に何万回もレーザーパルスで撃たれます。
最初のパルスが液滴を平たくし、ほとんど小さなパンケーキのような形にします。その後、はるかに強いパルスがスズに当たり、高温のプラズマへ変えます。現在の機械に関する新しい説明では、パルス列はさらに細かく描かれています。プリパルス、スズ雲を薄くする追加のプリパルス、そしてメインパルスです。3つの命中はおよそ20マイクロ秒の中で起こります。目的は同じです。できるだけ多くのスズから、できるだけ多くの使えるEUV光を取り出すことです。
そのプラズマは想像できないほど熱く、約220,000度C、つまり約220,000 Kです。太陽表面のおよそ40倍の熱さです。このプラズマから、目的のEUV波長を持つフォトンが生まれます。
これだけでも十分に異常です。しかし1つの液滴に一度当てるだけでは足りません。機械はそれを絶えず行う必要があります。1秒に50,000回です。1つの液滴に3つのパルスが必要なら、時間的にも空間的にも合っていなければならないレーザーパルスは1秒に150,000回になります。新しいロードマップや発言では、60,000、さらに将来的には100,000液滴/秒という方向も語られています。
そして、この液滴はどこにあってもよいわけではありません。同じ大きさ、同じ速度、正しい時間に正しい場所にいなければなりません。機械は液滴を観測し、その飛行を計算し、パルスが正確に当たるようにレーザーを発射します。そのイメージは、嵐の中を飛ぶゴルフボールが、遠く離れた穴に毎回、途切れなく入らなければならないようなものです。
ここは、私の頭が一瞬止まるポイントの1つです。原理が理解できないからではありません。産業レベルでの繰り返し性が、あまりにも信じがたいからです。実験は壮観であってよいものです。Fabの機械は、退屈なほど信頼できるものにならなければなりません。
問題2: スズは解決策であり、同時に敵でもある
なぜそもそもスズなのでしょうか。
初期のEUV光源では、キセノンなども使われていました。それは動作しましたが、効率が悪いものでした。エネルギーの大部分は、目的の13.5 nm放射にはなりませんでした。スズの方がこの領域でかなり効率よくEUV光を作れるため、より適していました。
ただし、スズは新しい問題を持ち込みます。材料はどこへ行くのか、という問題です。
これは些細に聞こえますが、機械にとっては存在を左右する問題です。Collector Mirror上の1ナノメートルのスズだけで、そのミラーを使用不能にするのに十分かもしれません。同時に、光源の寿命全体を通じてシステム内を通るのは象徴的な量ではなく、実際にかなりの量のスズです。つまり、すぐ隣で1秒に50,000回、小さなスズプラズマ爆発が起きているにもかかわらず、ミラーはほぼ完全に清浄なままでなければなりません。
この液滴を象徴的に撃っているわけではありません。蒸発させ、引き裂いています。そのすぐ近くには、EUV光を集めなければならないCollector Mirrorがあります。非常に高価で、非常に繊細なミラーです。そこにスズが付着すると、光源の効率は落ちます。ミラーがひどく汚れると、機械は停止します。
だからASMLは光を発生させるだけではなく、同時にその光源が自分自身を破壊しないようにしなければなりませんでした。
解決策の一部が水素です。光源チャンバー内には低圧の水素があります。水素はスズの残留物を減速させ、冷却し、スズを気体状の化合物に化学的に変えて排出しやすくします。しかしこれも単純なフィルターの技ではありません。微小なプラズマ爆発は水素を加熱し、衝撃波を作ります。1秒に50,000回、容器の中で小さな超新星が生まれるようなものだと考えられます。エンジニアは、どれほどのエネルギーがガスに入るのか、どれほど速く流す必要があるのか、EUV光を吸収しすぎずに十分な保護を得るにはどうすればよいのかを理解しなければなりませんでした。
まさにこの部分が、実用上の魔法がどれほどロマンチックでないかを示しています。レバーを握る魔法使いはいません。いるのは測定データの前に座るエンジニアたちです。彼らはガス中の衝撃波を見て、爆発物理の式と比較し、気づきます。このシステムには水素を信じがたい速度で流さなければならない、と。その規模は約360 km/hのガス流です。密度はもちろんシステム内でははるかに低いものの、カテゴリー5のハリケーンを超えます。
それでも、すべてが解決したわけではありません。もう1つの障害は、水素があってもCollectorの劣化が速すぎることでした。突破口は観察から生まれました。機械を開けると、ミラーがどうやらきれいになるのです。理由は酸素でした。そこで、システム内にごく少量の酸素を入れる実験が行われました。洗浄プロセスを改善するには十分で、真空システムやEUV透過を損なうほど多くはない量です。
これは私が好きなタイプのエンジニアリングです。大きなアイデアは重要です。しかし最後に勝つのは、奇妙な細部を真剣に受け止める人であることが多いのです。
問題3: 本来なら存在してはいけない鏡
EUVはガラスレンズを通りません。だからEUVリソグラフィは鏡で動きます。
しかし鏡も、浴室の鏡が可視光を反射するようにはEUVを反射しません。EUVミラーは極めて精密な層構造でできており、典型的にはモリブデンとシリコンです。多数の非常に薄い層が、13.5ナノメートルでできるだけ多くの光を反射するように調整されています。
それでも、1枚のミラーが反射するのは光の一部だけです。光が何度も反射されると、残るパワーはすぐに小さくなります。だから光源は長い間ボトルネックでした。最初の光が多いほど、ウェハーに届く使える光も多くなるからです。
同時に、このミラーの表面は極端に滑らかでなければなりません。ASMLは現代のEUVミラーについて、数十ピコメートルの滑らかさを語っています。普通の家庭用ミラーは、それに比べると信じられないほど粗いものです。たとえて言えば、数千個のシリコン原子に相当する凹凸がある一方、初期のEUVミラーは原子レベルで滑らかである必要がありました。
規模の比喩は記憶に残ります。Low-NA EUVミラーをドイツの大きさまで拡大したとしたら、最も高い凹凸はおよそ1ミリメートルになります。High-NAでは、そのイメージはさらに極端です。ミラーが地球ほど大きかったとしても、最も高い凹凸はトランプ1枚ほどの厚さにすぎません。
これはマーケティングのように聞こえるかもしれませんが、その背後には厳しい物理があります。13.5 nmの波長では、小さな凹凸は「傷」ではありません。光を散乱させ、コントラストを奪い、像を悪化させます。ミラーは滑らかであるだけでなく、位置、形状、温度も制御されなければなりません。
ここでZEISSは中心的な役割を果たしています。High-NA EUVでは、光学系はさらに大きく、重くなりました。ZEISSはHigh-NA向け投影光学系について、40,000点を超える部品と約12トンの重量を説明しています。これは既存のEUV投影光学系の体積と重量の7倍です。それと同時に、個々の光学要素はナノメートル精度で位置合わせされ、制御されなければなりません。
これが次の頭を混乱させる点です。とても小さいものを刷るために、とても巨大なものを作るのです。
機械はどう動くのか
技術的な流れそのものについては、ASML公式動画がここにぴったり合います。High-NAプラットフォーム、アナモルフィック光学系、より高速なステージ、そしてTWINSCAN EXEが将来のチップ世代のために作られた理由を示しています。
High-NAは通常のEUVと何が違うのか
ASMLの最初の商用EUV装置であるNXEシステムは、開口数0.33で動作します。High-NA、つまりEXEプラットフォームは、このNAを0.55へ高めます。
背後にある考え方は、光学的にはシンプルです。より大きなNAは、より広い角度範囲から光を集めます。その結果、システムはより細かなディテールを結像できます。ASMLはTWINSCAN EXE:5000について、8 nmの解像度を示しています。これにより、NXEシステムに比べて1.7倍小さいSingle-Exposure構造を可能にし、トランジスタ密度を大きく高めることを狙っています。
しかしここでも、すぐに落とし穴があります。
光がより大きな角度でレチクルに当たると、新しい問題が生まれます。レチクルはその角度では反射が悪くなり、単純に「すべてを大きくしよう」とすると、産業界全体のマスクインフラを破壊してしまいます。解決策はアナモルフィック光学系です。
High-NAはパターンを両方向で同じように縮小するのではなく、方向によって異なる縮小を行います。一方向は4倍、もう一方向は8倍です。これにより、従来のレチクルサイズを使い続けながら、より高いNAの利点を得られます。
その代償として、露光フィールドは小さくなります。ウェハー1枚あたりの露光回数は増えます。それを経済的に成り立たせるために、ウェハーステージとレチクルステージははるかに速くならなければなりませんでした。ASMLはEXE:5000について1時間あたり185枚超のウェハー、そして1時間あたり220枚へ向かうロードマップを挙げています。加速度は20 gを超えます。EXEプラットフォームについてASMLは、ウェハーステージで8 g、レチクルステージで32 gと具体的に述べています。
少し想像する必要があります。この機械の中では、ナノメートル精度でパターンが転写されています。その一方で、部品はモータースポーツや航空機を思わせる加速度で動いています。それでも層の重ね合わせは、数個の原子ほどの範囲でしかずれてはいけません。このオーバーレイ精度には、およそ1ナノメートル、つまり大まかにシリコン原子5個分という数字が挙げられます。
月と硬貨の比喩も、ここでもう一度合います。鏡の制御が、月まで届く仮想のレーザー光線で硬貨の両側を区別できるほど細かいなら、ピコラジアン精度が何を意味するのかが見え始めます。この機械は、小さく刷るだけではありません。層を何度も何度も重ね、原子層数枚分の誤差が意味を持つほど正確に合わせる必要があります。
これがHigh-NAの本質です。より小さく刷ることだけではありません。生産の経済性を壊さずに、より小さく刷ることです。
1回の露光ステップは実際にどうつながっているのか
機械を一連の流れとして見ると、少しつかみやすくなります。
まずウェハーがあります。ウェハーは事前に他の装置で準備されています。洗浄され、成膜され、必要なら薄い材料層を持ち、フォトレジストで覆われています。こうした前工程と後工程も、リソグラフィそのものと同じくチップ製造の一部です。ASMLの機械はFab全体ではなく、その中でも最も重要な工具の1つです。
次にマスクがあります。そこには、後にウェハー上に作られるべきパターンがあります。しかしこのパターンは、目標画像を素朴に描いたものではありません。回折、化学、レジストの挙動、プロセス歪みによって、直接描いたパターンは間違った場所に届くでしょう。だから産業界は計算リソグラフィとOptical Proximity Correctionを使います。単純に言えば、物理プロセスの最後に正しい結果が刷られるよう、マスクは意図的に「間違って」描かれます。
次に、光源がスズプラズマからEUVフォトンを発生させます。Collector Mirrorができるだけ多くを集め、スキャナーへ送ります。
イルミネーターで光は整形されます。その後、レチクルに当たります。EUVは、可視光がスライド投影を通るようにマスクを透過しないため、レチクルも反射型です。光はパターンを受け取り、投影光学系へ進みます。
そこでウェハーへの実際の結像が起こります。ミラーが像を縮小し、補正します。High-NAではこれがアナモルフィック、つまり2方向で異なる形で行われます。同時にステージがウェハーを動かし、1つのフィールドが露光されるたびに次へ進みます。
露光後、フォトレジストが現像されます。レジストの種類に応じて、露光された領域または未露光の領域が残ります。その後、エッチング、堆積、ドーピング、洗浄、その他の工程が続きます。次の層では、サイクルが再び始まります。
難しさは1つのステップにあるのではなく、総和にあります。
- EUV光は十分に強くなければならない。
- ミラーは汚れてはいけない。
- 光学系は安定していなければならない。
- ウェハーとレチクルは極めて速く、極めて正確に動かなければならない。
- 層はナノメートル級のオーバーレイで重ならなければならない。
- それらすべてが、本物の生産環境で動かなければならない。
どの項目も単独で、世界最高レベルのエンジニアリング問題です。ASMLはそれらをすべて同時に解かなければなりません。
なぜこの物語がこんなに面白いのか
ASMLで私を魅了するのは、機械そのものだけではありません。開発の中にある緊張感です。
EUVは何十年もの間、確実なものではありませんでした。プロトタイプはありましたが、光が足りませんでした。より良い光源はありましたが、スズがミラーを破壊しました。ミラーはありましたが、スループットが足りませんでした。突破口はありましたが、DUVがマルチパターニングによって予想以上に長く持ちこたえたため、市場はゴールラインを動かし続けました。
これは重要な点です。ASMLは、明確な未来に向かって静かな研究所で作業していたわけではありません。同社は、顧客が疑い、1時間あたりのウェハー目標が上がり、コストが爆発し、代替技術が限界まで引き延ばされる中で、技術を作らなければなりませんでした。
特に印象に残る瞬間があります。ASMLは2010年代初頭、まだEUVの目標に到達していませんでした。それにもかかわらず、すでに次世代、High-NAに取り組んでいました。これは実際かなり狂っています。現行EUVをまだ生産で安定させていないのに、さらに難しい次のプラットフォームを始めていたのです。
普通のプロジェクト管理の視点から見れば、非合理に聞こえます。技術の視点から見れば、おそらく必要でした。Low-NAが完璧に動くまでHigh-NAを始めないなら、10年遅れになるからです。
こうした賭けは、振り返るといつも論理的に見えます。リアルタイムでは、予算の付いた狂気のように見えます。
Intel、Samsung、TSMCは、この開発を支えるためにASMLへ直接投資しました。その規模は、Intelから約41億ドル、SamsungとTSMCから合計でさらに13億ドルです。このことだけでも、この機械が業界の未来にとってどれほど中心的だったかを示しています。EUVがなければMoore’s Lawが単純に死んだわけではないでしょう。しかし、さらなるスケーリングのコストと複雑性は、はるかに厳しいものになっていたはずです。
特に強い瞬間が2015年にありました。ASMLは韓国の顧客に、ついに200ワットのEUV光源出力を示さなければなりませんでした。忍耐は薄れていました。ASMLの人々が飛行機に乗ったとき、実験はまだ動いていました。飛行機を降りたとき、最初の結果が出ていました。200ワット。重要な場面で、この技術はそれほどぎりぎりだったのです。
そして2026年の今、High-NAはもはや研究室の夢だけではありません。ASMLは最初のシステムを出荷し、Intelはオレゴンで最初の商用High-NA装置を組み立て、imecとASMLはフェルドホーフェンで共同のHigh-NA Labを運用し、ASMLは2025年末にすでに2台のHigh-NAシステム分の売上を計上しました。
それでも冷静な部分は重要です。4億ドルの機械は、印象的だから普及するのではありません。Fabの中で計算を改善する場合にだけ普及します。マスクを減らし、プロセスステップを減らし、歩留まりを改善し、サイクルタイムを短くし、あるいは他の方法では経済的に作れない新しい構造を可能にする場合です。
半導体産業では、魔法でさえExcelを生き残らなければなりません。
インフラとして見る
ネットワークとセキュリティの人間として、私は自動的に依存関係に目が行きます。そしてASMLにおける依存関係は、ほとんど不安になるほどです。
ASMLは現在、EUVリソグラフィシステムの唯一の供給企業です。DUVには競争がありますが、EUVには実質的にありません。同時に、最先端チップはまさにこの技術に依存しています。スマートフォン、AIアクセラレーター、サーバーCPU、GPU、High-Bandwidth Memory、ネットワーク技術、自動車、研究、軍事用途が関係します。
そのためASMLは、インターネット回線を運営していなくても、データセンターを所有していなくても、インフラ企業です。より深いスタックにいます。クラウドの下、AIの下、スマートフォンの下、ネットワークハードウェアの下、今日デジタルにスケールするほぼすべての下にいます。
機械そのものも、極端な意味でインフラです。High-NA装置は約100,000個の部品、約3,000本のケーブル、約40,000本のねじ、約2キロメートルのホースや配線でできています。数え方によって、800社のグローバルサプライヤーから5,000社のサプライヤー企業までが語られます。High-NA装置は4つの大きなサブシステムで構成され、その一部はコネチカット、ドイツ、オランダ、カリフォルニアなどで作られます。それらの部品はまずフェルドホーフェンへ行き、そこで組み立てられ、テストされ、その後再び分解されてから顧客へ出荷されます。
輸送だけでも、ほとんど独立した物流物語です。約7機のBoeing 747、25から30台のトラック、数え方によって約250個のコンテナ。これが1台の機械のための輸送数字です。
これは古典的な意味での単一の機械ではありません。1つの機械に凝縮されたグローバルなエコシステムです。
だからこそ、輸出規制、地政学的緊張、サプライチェーンはここでは周辺テーマではありません。EUVを手に入れられない者は、古い技術、より多いマルチパターニング、より大きな労力、より悪い経済性で追いつこうとする必要があります。それが一部のノードで機能することはあるでしょう。しかしゲームのルールは変わります。
私が持ち帰るもの
この文章を書きたかったのは、この機械を理解したかったからです。完全に、ではありません。それは思い上がりです。でも「これは魔法だ」から、耐えられる内的モデルへ変わるくらいには理解したかったのです。
いまの私のモデルはこうです。
ASML High-NA EUVは魔法の機械ではありません。物理的な限界に対する、極めて徹底した答えです。
より小さな構造を作りたかった。だから、より短い光が必要だった。その光はほぼあらゆるものに吸収される。だから真空システムとミラー光学系を作った。ミラーは光の一部しか反射しない。だから、より強い光源が必要だった。光源はスズをプラズマに変えることで光を作る。スズはミラーを汚す。だから水素、酸素、ガス流、センサー、洗浄が必要になる。光学系は大きくなる。だからHigh-NA、アナモルフィック結像、より高速なステージ、さらに優れた補正モデルが必要になる。そして各層は前の層に完全に合わなければならないため、すべてをナノメートル単位で制御しなければならない。
これは1つの天才的なアイデアではありません。解決された不可能の塔です。
おそらく、それこそが私をこの機械にここまで引き込む理由です。目標が十分に重要で、経済性が最終的に十分大きくなり、本来なら非合理なものへ資金を出せるようになったとき、人間がどこまで行けるのかを示しているからです。
少し食べ物を思い出します。皿の上の食べ物がどこから来たのかを考え始めると、突然、日常的なものがまた途方もなく見えてきます。特にここドバイでは、ほとんどすべてが世界中から輸入されています。イチゴやトマトは、種、水、肥料、気候、収穫、コールドチェーン、品質管理、輸送、保管、スーパーマーケットについて考えるまでは単純に見えます。最後に皿の上にあるものは、事前の何千ものステップが機能したからこそ当然に見えるのです。
チップも似ています。ただし、さらに極端です。私はこの記事を、そうした製造チェーンによって可能になったプロセッサを持つデバイスで書いています。修正、構造化、翻訳を助けるデータセンター内のAIは、そもそもこのような機械によって現在の形で可能になったチップ上で動いています。それは日常のはるか下に深くある技術的サプライチェーンで、私たちはほとんど目にしません。
ロケットの方が見た目は派手です。海底ケーブルの方が手でつかめる感じがあります。ネットワークは私にとってずっと馴染み深いものです。しかしこの機械は別のところを突いてきます。物理、材料科学、光学、メカトロニクス、ソフトウェア、化学、サプライチェーン、そして純粋な粘り強さが一箇所に集まる地点のように感じられるのです。
そして、そうです。今でも魔法のように見えます。
でも今は、説明不能な魔法というより、何千人もの非常に優秀なエンジニアが何十年も「それは不可能なはずだ」と受け入れなかったときに生まれる種類の魔法に、少しだけ近づきました。
また次回、
Joe
