🔬 中国の光刻技術突破：ナノインプリントと電子ビームの新展開 🇨🇳

[EAH]

中国と米国の技術競争において、半導体分野は中心的な戦場となっている。特に、先進チップの製造に不可欠な極紫外線（EUV）光刻機の輸出制限が、中国の産業に深刻な影響を及ぼしている。オランダのASMLが独占的に供給するEUV機器は、中国企業が入手できない状況が続いている。そんな中、2023年8月に中国大陸から二つの機関が相次いで新しい光刻関連製品を発表した。一つは杭州の璞璘科技（Prinano）が開発したナノインプリント装置、もう一つは浙江大学の関連機関が発表した電子ビーム光刻機「羲之」である。これらの製品は、確かに技術的な進歩を示すものの、EUVの代替として機能するわけではない。なぜなら、これらはEUVとは異なる技術経路を採用しており、量産効率や精度の面でEUVに及ばないからだ。本記事では、これらの技術の背景を振り返り、製品の詳細を分析しつつ、中国が直面する半導体設備の制約に対する影響を考察する。EUVの独占が続く中で、これらの代替技術が市場でどのように位置づけられるか、業界の動向を注視する必要がある。この発表は、中国の技術自立に向けた努力を象徴するが、即時の解決策とはならない点が鍵となる。

概要

半導体製造の核心である光刻技術は、光線を用いて微細な回路パターンを形成するプロセスを指す。従来の深紫外線（DUV）やEUVは、光の波長を短くすることでより細かな線幅を実現してきた。しかし、中国は米国主導の輸出規制によりEUV機器の入手が制限されている。このような背景で、璞璘科技のナノインプリント装置と浙江大学の電子ビーム光刻機が注目を集めた。前者は物理的な圧印によりパターンを転写する技術で、後者は電子ビームを直接用いて回路を描く方法である。これらは1990年代や1960年代に起源を持つ古い技術を基盤としており、最近の製品化は中国の研究開発の成果を示す。だが、EUVのような高スループット（単位時間あたりの生産量）を達成できず、主に特殊用途や研究向けに留まる可能性が高い。この二つの発表は、中国の技術力向上をアピールする一方で、EUV依存からの脱却が依然として課題であることを浮き彫りにした。業界関係者は、これらの技術がメモリチップのようなシンプルな構造に適応可能かを検討している。

ナノインプリント技術の歴史

ナノインプリント光刻（NIL）は、1990年代に登場した革新的な技術である。1996年にプリンストン大学のStephen Y. Chou教授が論文で提案したこの方法は、当時の主流であった微米レベルの線幅をはるかに超えるナノスケールの回路形成を可能にした。ドイツや米国の研究チームが先行し、電子回路を石英製のテンプレートで直接圧印するアイデアが発展した。しかし、当時の半導体産業は微米時代にあり、ナノレベルの需要が低かったため、商業化は遅れた。科学的な実現可能性は証明されたが、工程の複雑さとコストが障壁となった。2000年代に入り、製程がナノメートル規模に進化する中、再び注目を集めた。熱圧印や紫外線硬化などのバリエーションが生まれ、粒子サイズの制御により10ナノメートル以下の精度が達成可能になった。この技術は、光を使わず物理的な接触でパターンを転写するため、EUVのような高価な光源を必要としない点が強みである。一方で、テンプレートの摩耗や脱型時の汚染が課題として残っている。中国の璞璘科技は、この歴史的な技術を基に製品を開発し、国内の特色ある工藝向けに供給を開始した。

璞璘科技の製品詳細

杭州に拠点を置く璞璘科技は、2023年8月1日にPL-SRシリーズの噴墨ステップ式ナノインプリント装置を顧客に納入したと発表した。この装置は、紫外線硬化型の圧印膠を使用し、線幅を10ナノメートル以下に抑える能力を持つ。国内で20ナノメートル以下の製程を実現した初のナノインプリント設備として位置づけられている。顧客は非公開だが、特殊な工藝を扱う国内企業とされ、注目を避けたい意図がうかがえる。テンプレートは電子ビームで作成され、圧印膠に回路パターンを直接転写する。固化プロセスは紫外線照射により迅速に行われ、粒子サイズの微細化が精度を高めている。この製品は、EUVの1/10の消費電力で動作し、構造のシンプルさが価格を抑える要因となっている。璞璘科技は、対準精度が200ナノメートル未満であることを認めつつ、10ナノメートル以下の線幅を強調する。しかし、量産時の良率が鍵であり、実験室レベルでの成功が商業化に直結するかは未確定だ。この装置は、メモリチップのような繰り返しパターンが多い用途に適している可能性がある。

ナノインプリントの利点と欠点

ナノインプリント技術の最大の利点は、EUVに比べて低コストで低消費電力である点にある。Canonが2023年に発売したFPA1200 NZ2Cは、EUVの半額以下で14ナノメートル相当の線幅をサポートし、業界の関心を呼んだ。中国の製品も同様に、光源や精密鏡を不要とし、構造を簡素化している。これにより、電力消費を大幅に削減し、環境負荷を低減できる。一方、欠点は対準精度の低さとスループットの不足だ。テンプレートを1:1で使用するため、多層回路の複雑なロジックチップでは位置合わせが難しく、EUVの数倍の誤差が生じる。脱型時の汚染やテンプレートの摩耗も、製程の安定性を損なう。結果として、既存の生産ラインを変更するコストが高くなり、普及を阻害している。中国の場合、EUV入手の制限下でこの技術を推進する動機は強いが、メモリ分野以外での適用は限定的だ。将来的に効率向上の研究が進む可能性はあるが、現時点ではEUVの補完役に留まる。

メーカー	主な技術	特徴	弱点
ASML	EUV光刻	高スループット（175-185枚/時）、5nm以下対応、量産向き	高価、消費電力大、輸出制限
Canon	ナノインプリント	低コスト、低電力、14nm対応	スループット低（100枚未満/時）、対準精度低
璞璘科技	ナノインプリント	10nm以下線幅、国内初の20nm以下製程	対準精度200nm未満、量産効率不明
浙江大学	電子ビーム	10nm以下精度、研究・特殊用途	極低スループット（1枚/月以上）、量産不向き

電子ビーム光刻技術の歴史

電子ビーム光刻は、1960年代初頭にBell LabsとUC Berkeleyのチームが提案した「直接書き込み」技術に起源を持つ。1975年にIBMが1マイクロメートル以下の線幅を実現し、以降IBM、西門子、NEC、ケンブリッジ大学などが研究を進めた。この方法は、電子ビームを光阻剤に直接照射して回路を描くため、10ナノメートル以下の高精度が可能だ。主にマスクやテンプレートの作成に用いられ、ナノインプリントの基盤としても機能する。しかし、ビームの逐次走査が時間を要するため、量産には不向きだった。1980年代以降、光学式光刻が主流となり、電子ビームは研究や少量生産に特化した。複数ビームの採用で効率を向上させた機種も登場したが、依然として光学式に劣る。中国の「羲之」は、この伝統的な技術を商業化した初の国産機として位置づけられる。

羲之電子ビーム光刻機の紹介

浙江大学の成果転化基地である余杭量子研究院は、2023年8月14日に国産商業電子ビーム光刻機「羲之」を発表し、アプリケーションテストを開始した。この機種は、単束または多束の電子ビームを用いて10ナノメートル以下の回路を描く。実験室での使用経験から、少量の特殊チップ生産に適していることがわかる。従来の電子ビーム機同様、1枚の12インチウェハーを処理するのに1時間以上、単束の場合1ヶ月を要する。EUVの175枚/時に対して極めて低いが、不計コストの用途では有効だ。中国国内では、光罩やテンプレート製作に活用される見込みで、商業用途より研究・軍事関連の需要が想定される。この発表は、中国の技術自立を象徴するが、量産効率の低さがEUV代替を不可能にしている。

EUVとの比較と課題

EUVは13.5ナノメートルの極短波長光を用い、高精度で多層回路を処理する。一方、ナノインプリントと電子ビームは非光学式で、光源の制約を回避するが、効率面で劣る。EUVのスループットが175-185枚/時なのに対し、ナノインプリントは100枚未満、電子ビームはさらに低い。これにより、EUVはロジックチップの量産に最適だが、代替技術はメモリや研究用途に限られる。中国の製品は、EUV入手の壁を迂回する試みだが、対準精度や汚染問題が残る。米中競争の文脈で、これらの技術は自立化の足がかりとなるが、市場受け入れには製程転換のコストが障壁だ。Canonの例のように、特定分野での競争力が鍵となる。

将来の展望と影響

中国の二つの発表は、EUV制限下での代替経路探索を示す。将来的に、ナノインプリントの効率向上や電子ビームの多束化が進む可能性がある。特に、メモリチップ分野でナノインプリントがEUVを補完するシナリオが考えられる。しかし、量産良率の確保が課題で、台積電のような良性循環を築けるかが重要だ。米中科技戦の観点から、これらの製品は中国の研究投資の成果だが、戦局を変えるほどのインパクトはない。業界全体では、多様な技術経路の並存がイノベーションを促進するだろう。読者は、璞璘科技の業績推移を注視し、市場決定のダイナミズムを理解すべきである。

これらの技術進歩は、半導体産業の多角化を促す鍵となる。EUVの独占が続く中、中国の努力は自立化の象徴だが、即効性は低い。バランスの取れた視点で、技術の商業化が市場によって決まることを認識したい。グローバルサプライチェーンの安定が、業界の未来を左右するだろう。