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EUVリソグラフィのCost of Ownership (CoO) −ASML NXE:3800Eをモデルに−

2024Q12月に国滹導メーカー ラピダス社が同社LO工場に国内初となるEUVリソグラフィ(EUVL)(NXE:3800E) を1機導入した。価格は500億と報じられており(参考@料1)、ボーイング777の価格の約2倍、ジェット戦h機F35A(約120億)の約4倍と、級の金Yだ。半導デバイスの]でW益を屬欧襪海箸呂呂燭靴堂Δ覆里否か、どの度の価格のをどの度量すれば収益を屬欧蕕譴襪里?本MではHくの人が関心をeっているのであろうこの問を、「Cost of Ownership (CoO)」(いわゆる運転コスト)の菘世ら吟味する。

著v:元NEC中央研|所 ]vネ

EUVLとマスク価格

高価なEUVLが500億とし5Q定Y償却とすれば、露光1の原価償却Jは100億/Qとなり、単純Qすれば1秒間あたり約18420 になる。に、EUVLはマスクも1あたり4500万(参考@料1)(2021Q3月時点)と高価格だ。EUVLとマスクコストの飛躍的な\加は、半導サプライヤーがそれらを導入する屬廼砲瓩胴發ぞ稱匹箸覆辰討い襦

EUVL価格については、来様々な価格が報じられてきたが、EUVリソグラフィの研|も行われているニューヨークΕ▲襯丱法爾糧焼研|拠点に初期から参加している東Bエレクトロンの関係vが、2023Q発表の記でEUVLの平均価格を390億と記している(参考@料2)。この時点でもArFレーザー露光機などのオプティカルステッパの価格と比べると圧倒的に高価だが、その後さらなる改良・バージョンアップを経て、今やkc間企業がおいそれとP入できるものではなくなった。

k機EUVLのもうkつの_要なツールであるEUVLマスクには、S長13.5nmのEUV光を効率よく反oするよう、Si(シリコン)とMo(モリブデン)の薄膜を両vの繰り返しピッチが6.5nmになるように40層ほど交互に積み_ねたH層膜基がいられ、通常のフォトマスクと比べると]工が複雑かつMしくなる。加えてEUV光はあらゆるに常に吸収されやすいため、異颪筌灰鵐織潺諭璽轡腑敢も段に厳しいレベルが要求されることから、i述のように常に高価になる。

また、ラピダスがEUVLで`指しているとされる、いわゆる2nm世代(実際の最小パターン∨,10nmi後)では、光のv折現による転^気離椒韻鯆窈するために、本来のパターン形Xに様々なを加える要があり、1のマスクに要なデータ数はが不要な場合に比べ飛躍的に\加する。同時に、1層のマスクパターンを2層に分けてH_露光処理しなければならないクリティカルな露光工がHくなるため、EUVLマスクの要総数は1|類のデバイスあたり20〜30にも達する。このT果、1|類のデバイス]に要なEUVLマスクの総Yはおよそ10億に達すると予[される。
峙のo情から、EUVLの導入に際しては、CoOの分析が極めて_要である。

CoOQ式

ウェーハ1を1v露光するのに要するコストCは次の式で求められる(参考@料3)。

C = (CD + CO + CS)/ (T・N・U・Y) + CM + CR・・・(1)

ただし、これらの変数は以下のとおりである;
CD: 露光のQ間価償却J(5Q償却)
CO: 露光のQ間運転J(消耗代とその交換J+メンテナンスJ+J+オペレーター人PJ)
CS: 建屋及びクリーンルーム設△1m2あたりのQ間価償却J ✕ の設スペース(m2)
T : 露光のスループット(300 mmウェーハ/h)
N : 露光のQ間総運転時間(あらかじめ画された定期メンテナンスの期間を除きフルn働させた場合の運転時間)
U : 露光の実n働率(ウェーハの露光時間割合。キャリブレーション、露光条P出し、パイロットウェーハの露光などの時間はアイドリング時間としてカウント)
Y : 露光プロセスの歩里泙
CM: ウェーハを1v露光するのに要するマスクコスト
CR: ウェーハ1を1v露光するのに要するレジストプロセスコスト


EUVリソグラフィ・コスト要素の吟味

露光の消耗代及びその交換J、メンテナンスJ、実n働率、歩里泙蠅覆匹蓮b文、インターネット、専門誌、新聞等でoにされた数値をかき集めた次だが、企業秘密項としてk般にはらかにされていない数Cも少なくない。また|々のパラメータをターゲットの機|(NXE:3800E)に限定してDuすることができないケースもある。こうしたケースでは、類凜轡好謄爐△襪い六楡澆凌値を引する場合もあることをおりしておく。

以下、的な数値とその根拠をす。
a) EUV露光価償却JCD
露光価格:500億(参考@料1)、価償却期間:5Q(定Y法)から、CD = 100億。

b) 露光のQ間運転JCO
主なものはQに1v交換が要とされているEUV集光ミラー(参考@料4)の交換J、EUV光源となる微小Sn]r供給ノズルの交換J、ペリクル交換J、EUV光源の電J、光源モジュール内に供給される水素ガス代など。以下、項`別に吟味する。

b-1) 集光ミラー交換J
集光ミラーはSn(スズ)プラズマから放oされるデブリによるエッチングやコンタミの影xをpけるため、k定期間ごとに交換する要がある。Snターゲット]rサイズの最適化によるデブリの低や、Snプラズマと集光ミラー間に水素ガスを流して集光ミラーへ到達するQ|子を阻Vすることなどにより、ミラーの命はj幅に改され、現時点では1Qにk度とされている。
集光ミラーはEUVLの消耗の中で最も高Yなものと思われる。しかし、その価格に関してはインターネット、専門誌、新聞等で垉遒暴o開された@料にも見当たらない。EUV光による構]解析や光電子分光の集光ミラーがEdmund社から約345,100でx販されている(参考@料5)ものの、照oC積は微小で済むのでミラーは直径25mmと小口径であり、しかもレンズの表Cさは1桁以崕jきい<3 nmとされている。kEUVLレンズの表Cさは<0.1 nmが要求され、加えて直径はNA 0.33世代のもので650 mm (40kg)、NA0.55世代では120 cm (350 kg)(参考@料6)とj口径であり、反oCのうねりやひずみ、L陥に瓦垢諱容度要求も桁違いに厳しくなる。峙のo情と、EUVLの価格とを勘案し、NXE:3800Eを[定した本Mでは集光ミラーの交換Jを1億(推定)とする。

b-2) 微小Sn]r供給ノズル交換J
]化Snに約280気圧を加え、インクジェットと同様の仕組みをいて直径約27µmのSnターゲットを50,000個/秒という高]サイクルで発出させ、CO2レーザー光を確に照oしてプラズマ化させ、EUV光を発擇気擦襦参考@料7)。ノズルの先端は集光ミラーと同様にプラズマ光源から飛来するSnイオン等の衝撃をpけて徐々にエッチングされるため、約6カ月ごとに交換する。小さなではあるが、ノウハウの修任△蝓極めて高@度な加工が要となるため、ここでは交換Jも含め1vにつき2h万、4h万/Qと仮定する。

b-3) ペリクル交換J
井化学工業(株)がpoly-Si薄膜(膜厚50nm)をいたEUVLペリクルを販売しており、にCNT次世代ペリクルを2025-2030Qの実化を`指してIMEC, ASMLと共同開発している(参考@料8)。また、リンテック(株)も同様のCNTペリクルを2025Q度中に量凮始する疑砲]ち出している(参考@料9)。現時点ではEUVペリクルの価格はo表されていないが、152 mm角のEUVマスクを50 nmという極薄膜で戮要があり、しかも無L陥という厳しい要求に答えなければならないため、その]のM易度を考慮して、ここでは1個あたりの価格を、交換Jを含め1h万とする。また、交換頻度はQ月1vとし、Q間1.2億と仮定する。

b-4) J(電J)CE
EUVLの主な電は光源で消Jされる(集光ミラー等の冷却にも相応の電が使われるが、ここでは無する)。EUV光はi述の通り50-60kHzの繰り返し]度で専ノズルから連o出される直径約27µmのSn子に高度のレーザー・ビームを照oして発擇垢襯廛薀坤泙ら放oされる。Sn子のサイズや子間の{`、発出周S数などは長Qにわたる研|開発のT果uられたものだが、同時にEUV光の單戮鮖\すために、レーザーの高出化が図られ、NXE:3800E には500 kWのCO2レーザーがいられている。EUVLのQ間総運転時間T(1日24時間運転)は、後述のQから最jで約8580 hと見積もられるので、Q間の電JCEは次式のようになる。

CE = 20.88✕500✕8580 = 89575200 ≒ 9✕107

ただし、LO電の電料金(別高圧60,000 V):20.88/kWh(2025Q2月18日時点)(参考@料10
峙のT果、露光のQ間運転JCoは次のようになる。
Co = 10✕108 + 4✕107 + 1.2✕108 + 9✕107 = 12.5✕108 (12.5億)

c) 建屋及びクリーンルーム設△例Q間価償却J(EUVL設C積分)CS
ラピダス社のEUVLが設された建屋の建設コストは単独ではo表されていない。そこで、ほぼ同等クラスの施設と考えられるTSMCy本k工場 (72,000m2、1.29兆)を、参考にして価償却J(5Q定Y償却)を見積もり、EUVLの総設C積分(本サイズ:10.3 m ×3.3 m)(参考@料10)、レーザー光源サイズ:本と同等と仮定)、68m2)に割り当ててQ出することとする。
CS = 1.29✕1012✕1/5 ✕68/72000 = 1.5✕108 (1.5億)

d) EUVLのスループットT
スループットは、ラピダス社が導入したASML社の最新機|NXE:3800Eのカタログ値220/h(参考@料11)とする。

e) EUVLのQ間総運転時間N
極めて高価なEUVL故に、要不可Lな定期メンテナンス(集光ミラー交換、Sn放出ノズル交換)と縮小投影レンズやペリクルのクリーニングに要な時間以外は連日24時間フルn働が求められる。定期メンテナンスの主なものは、i述の集光ミラーとSn]r收ノズルの交換である。集光ミラーの交換に要な時間(または日数)は、初期の露光では2週間という長さであったが、露光の世代交代ごとに]縮され、NXE:3800Eでは2シフト(1v/Q)とされている。ミラー交換に伴う条P出しなども考慮すれば、少なくとも1日は要と思われるが、QQ始休V期間(ここでは1週間と仮定)中に行うことで、実的に無できる。

Sn]r收ノズルの交換はQ2v要とされているが、少なくとも1vは集光ミラーの交換作業に合わせて行うものとすると、これによるダウンタイムは半日/Qとなる。なお、NXE:3800Eでは、不慮のダウンタイムは無できる度に成^したとみなし、これを無する。このT果、露光のQ間n働時間(最j値)は、QQ始休暇7日とノズル交換半日を除く357.5日、8580時間となる。

なお縮小投影光学Uに関しては、レジストを塗布したウェーハを露光するのに伴い、レジストからァ発する~機ガスから^`したカーボンが表C等にする。このカーボンコンタミは、光学Uに水素ガスを供給しつつEUV光を照oすることによって擇困恩戯鄰で除去している、したがって、厳密にはそのクリーニング時間も考慮すべきだが、無できるレベルということであり、ここでも無することとする。

f) EUVLの実n働率U
EUVLのn働率は、例えば参考@料4にNXE:3400Bの実績値として約78%というデータが報告されている。しかし、NXE:3600Dシステムのカタログ・スループット値160/hと、同機で2022Q6月に記{した1週間あたりの瞬間最j処理ウェーハ数2900(1時間あたり17.26)とから、n働率をQすると10.8%となる(ただし、露光は24時間フルn働した場合のものとしてQ出)。しかし、後vのデータは2022Qとやや古く、その後|々の改良が加えられていることを考慮し、ここでは実n働率をNXE:3400Bの実績値として78%とする。

g) 露光プロセスの歩里泙Y
露光プロセスの歩里泙蠅蓮半導量妌場のW益に直Tする_要なファクタであり、Q社ともこれを100%にするために日々改を進めているはずである。しかし、歩里泙蠅凌値は企業秘密であるため、ここでは~便のために100%とする。

h) ウェーハ1を1v露光するのに要するマスクコストCM
EUVLマスクの価格がo表されることはほとんど無いが、2021Qに4500万と報じられたものがあり、その後4Q間のさらなる微細化の進tや餡噌發麗向を考慮し、ここでは15000万と仮定する。
また同kマスクをいて露光する期間を1Qとし、1ヶ月の処理数を1万と仮定する。

そのT果、ウェーハ1を1v露光するのに要するマスクコストCMは次のようになる。
CM =5000✕104 /1✕104✕12 ≒ 417
100未満の数値は他のコストとの割合で無できるので、CM ≒400()となる。

i) ウェーハ1を1v露光するのに要するレジストプロセスコストCR
EUVレジスト(来の化学\幅型)は1ガロン(4.546L)あたり約500万である。12インチウェーハ1あたりに使されるレジスト(スピンコート塗布)は約10mlなので、ウェーハ1の露光に使されるレジストコストは1vあたり11,000となる。

EUVLコストQ

iIでらかにしたQコストをQ式(1)に代入し、ウェーハ1あたりに要するEUVL露光コストCをQ出すると、

C = (100✕108 +12.5✕108 + 1.5✕108) / 220✕8580✕0.78 + 400 + 11000
≒ 7700 (露光関連コスト)+ 400(マスクコスト)+ 11000(レジストコスト)
≒ 19100()

となる。EUVLのWが期待される最先端デバイスは、高度なAIやHigh Performance Computing(HPC)に分類されるような、高加価値半導であり、それらの]にはおよそ80ものマスク(露光)工が要とされる。そのうちEUVLがWされることが[定される、いわゆるクリティカル・レイヤーは20数層であり、量ラインではほぼクリティカル・レイヤーの数に等しい数のEUVLが設されることを考慮すれば、EUVL工だけでもウェーハ1あたりにかかる露光コストは約40万、ArF等の露光工を含めるとざっと100万にもなる。半導の]工にはリソグラフィ工以外に┣宗CVD、メタル・スパッタリング、エッチング、研磨、浄、スライシング、ボンディング、検h等々の工が400-600工もあり、それらのコストも加わることを考慮すれば、トータルの]コストはウェーハ1あたり200-400万にはなるだろう。

12インチウェーハ1からDれるチップ数は、チップC積が150mm2で約400個、180mm2で約300個なので、仮に300個と仮定すれば、峙の推定中心価格ではチップ1個あたりちょうど約1万となる。極めて荒削りな見積もりで恐縮だが、EUVLの本格Wを考えている半導メーカーに、少しでも参考になればmいである。


ウェーハ単価は200〜400万に

Hくのコスト要素を推定で見積もった荒削りな見積もりではあるが、ウェーハ1あたりのEUVLコストは1露光につき約19100、最先端AIデバイスなどの]プロセスのコストは、ウェーハ1あたり200-400万、約180mm2のチップでは1個あたり約1万の]コストがそれぞれかかることがらかになった。また、当初は露光関連コストが配的になると思われたが、レジストコストがその1.4倍になるというT外なT果もuられた。しかし、EUVL関連のコストは、露光のn働率やプロセス歩里泙蠅鮨篦蠅靴Δ觝能j値に仮定して見積もったT果であり、ミラーのコンタミや様々なパーティクルに極めてセンシティブなEUV露光故に、実際には露光関連コストが配的になり、それと同時に、峙にした露光コストもj幅に跳ね屬る可性がjいに~りuることに料Tすべきである。

参考@料
1. 見晃領r、NHK News WEB、(2024/12/19)
2. 伊藤元昭、「半導の微細化に不可LなEUV露光\術の現Xとこれから」、東BエレクトロンTelescope Magazine Science report、(2023)
3. K. Suzuki,“CoO analysis for next generation lithography”, SEMI Forum Japan, 2004.
4. Saad Hasan, “New cleaning method for EUV machines-a game changer for chipmaking”, TRTworld
5. 極端外(EUV)平Cミラー、Edmund社カタログ、
6. “ASML‘s high-NA and hyper-NA EUV: An update
7. “EUVL part 2 ASML EUV light source
8. 「2023Q度3四半期Q要及び2023Q度業績予[の要」、井化学工業
9. 「半導微細化に貢献・・・EUVペリクル量へ」、ニュースイッチ、日刊工業新聞、(2024/07/16)
10. 「Y電圧30,000Vまたは60,000Vでp電されるお客様向け料金単価表」、LO電HP
11. “ASML’s High-NA EUV Lithography: A 2024 Update

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