原子層エッチング、クライオエッチング装置　どのような装置が使用されるのか？

この記事で分かること

原子層エッチング、クライオエッチングの装置

　半導体の重要性が増す中で、前工程装置は世界的に成長が続いています。

　https://optronics-media.com/news/20250414/99245/

　特に中国は米中対立もあり、大幅な投資増加が続いています。今後も先端技術を駆使した半導体の需要増加と従来技術による成熟プロセスともにその重要性は増加するとみられています。

半導体の前工程とは

　半導体の前工程とは、シリコンウェハ上にトランジスタや配線などの微細な回路を形成する一連のプロセスのことです。ウェハを素材として、集積回路を作り込んでいく、半導体製造の最も重要な部分と言えます。非常に多くの精密な工程を経て、最終的な半導体チップの機能が決まります。

主な前工程は以下の通りです。

ウェハ準備

　シリコンインゴットの製造: 高純度のシリコンを溶解し、種結晶を用いて単結晶のシリコンインゴットを育成します。

• スライス: インゴットを薄い円盤状（ウェハ）にスライスします。
• 研磨: ウェハ表面を平坦かつ滑らかに研磨します。
• 洗浄: ウェハ表面の微細な異物や汚れを徹底的に除去します。

成膜

　ウェハ表面に、酸化膜、窒化膜、金属膜など、様々な薄膜を形成します。

• 成膜方法には、CVD（化学気相成長法）、スパッタリング（物理気相成長法）、ALD（原子層堆積法）などがあります。

フォトリソグラフィ

　ウェハ表面に感光材（フォトレジスト）を塗布します。

• 回路パターンが描かれたマスク（フォトマスク）を通して紫外線を照射し、レジストにパターンを焼き付けます。
• 現像液で不要なレジストを除去し、ウェハ上に回路パターンを形成します。

エッチング

　フォトリソグラフィでパターン形成されたレジストをマスクとして、露出した成膜を除去し、ウェハに回路パターンを転写します。

• エッチングには、液体を用いるウェットエッチングと、プラズマを用いるドライエッチングがあります。

不純物導入（ドーピング）

　半導体特性を持たせるために、リンやボロンなどの不純物をウェハ中に注入します。

• イオン注入法などが用いられます。

平坦化（CMP: Chemical Mechanical Polishing）

　表面の凹凸をなくし、平坦にするための処理です。

• 化学的な腐食と 研磨を同時に行います。

配線形成（メタライゼーション）

　形成されたトランジスタなどの素子間を金属配線で接続します。

• スパッタリングなどで金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで配線パターンを作ります。

これらの工程を何度も繰り返し行うことで、複雑な集積回路がウェハ上に形成されます。前工程は、半導体の性能や品質を大きく左右する、非常に重要なプロセスです。

原子層エッチングの装置はどのようなものか

　原子層エッチング（ALE）装置は、その原子層単位での精密加工を実現するため、従来のドライエッチング装置よりも高度なガス制御、プラズマ生成、およびプロセスサイクル制御の機能を備えています。原子層堆積（ALD）装置と共通する設計思想が多く見られます。

ALE装置の主要な構成要素と特徴

1. 高度なガス供給システム:
   • パルスガス導入: ALEの自己限定的な反応を実現するため、反応性ガス（化学修飾用）と不活性ガス（除去用）を非常に短い時間間隔で交互に、かつ正確な量で供給・排気する必要があります。そのため、応答速度の速い高速バルブ（ALDバルブとも呼ばれる）と、精密なガス流量制御（マスフローコントローラーなど）が不可欠です。
   • 複数のガスライン: 化学修飾用ガス、除去用イオンビームガス、パージガスなど、複数のガスを独立して制御できる多系統のガスラインが備わっています。
2. プラズマ源と低エネルギーイオン制御:
   • プラズマ源: 高密度プラズマ（ICP: 誘導結合プラズマ）源が一般的に用いられます。これにより、広い圧力範囲で安定した高密度プラズマを生成し、効率的にラジカルやイオンを供給できます。
   • 低エネルギーイオンの精密制御: ALEの「除去ステップ」では、化学修飾された最表面の原子層のみをターゲットにするため、イオンのエネルギーを極めて低く、かつ精密に制御する必要があります。従来のRIEよりも低いバイアス電圧で、イオンの種類（Ar+など）やフラックス（量）を調整する機能が強化されています。
   • パルスプラズマ: プラズマをパルス的にオン/オフすることで、反応性ガスの導入とイオン照射のタイミングを厳密に分離し、原子層ごとの制御を可能にします。
3. 精密な温度制御が可能な基板ホルダー（ウェーハチャック）:
   • エッチング対象材料の表面反応は温度に敏感なため、ウェーハの温度を正確かつ均一に制御できるチャックが必要です。加熱・冷却機能が統合されており、プロセス中に最適な温度を維持します。
4. 高効率な排気システムとパージ機能:
   • 各ステップ間でチャンバー内のガスを完全に除去するための、迅速かつ効率的な排気システムとパージ（不活性ガスによる置換）機能が重要です。残留ガスの影響を最小限に抑え、自己限定性を保つためです。
5. 真空チャンバー:
   • クリーンな真空環境を維持するための堅牢なチャンバー構造と、パーティクル汚染を防ぐための材料や設計が求められます。
6. 高度なシーケンス制御システム:
   • 各ステップ（ガス導入、パージ、イオン照射、排気）のタイミングとパラメータをミリ秒単位で正確に制御する、高度な自動制御ソフトウェアとハードウェアが組み込まれています。複数ステップのサイクルを必要な回数だけ正確に繰り返す能力がALEの鍵です。

RIE装置との主な違い（より強調される点）

• ステップバイステップ処理: RIEが連続プロセスであるのに対し、ALEは個別のステップを繰り返すサイクルプロセスです。これに対応するガス・プラズマ制御が必要です。
• 低エネルギーイオン: RIEよりもさらに低エネルギーのイオンを精密に制御する能力が重要です。
• 高速なガススイッチング: 短いパルスでガスを供給・排気するための高速バルブが必須です。

主要メーカー

　ALE装置は最先端技術であるため、主に大手半導体製造装置メーカーや特定の専門企業が開発・提供しています。

• Lam Research Corporation (ラムリサーチ)
• 東京エレクトロン (TEL)
• Oxford Instruments Plasma Technology (オックスフォード・インストゥルメンツ): 研究開発用途や特定材料向けに強い。
• サムコ株式会社: 特定の用途向けにALEシステムを提供。
• Plasma-Therm LLC (プラズマ・サーモ): コリアル(Corial)を含む関連会社でALE装置を提供。

　ALE装置は非常に複雑で高価ですが、ナノメートルスケールの加工精度が不可欠な次世代半導体デバイスの量産に向けて、その開発と導入が進められています。

クライオエッチングの装置はどのようなものか

　クライオエッチング装置は、従来のドライエッチング装置の基本構成に加え、ウェーハを極低温に冷却するための特殊な機構が組み込まれています。高アスペクト比で非常に垂直な微細構造を形成するために不可欠な装置です。

クライオエッチング装置の主要な構成要素

1. 極低温冷却機構を備えた基板ホルダー（ウェーハチャック）:
   • これがクライオエッチング装置の最も特徴的な部分です。通常のRIE装置が水冷やヘリウムガスで温度制御するのに対し、クライオエッチング装置では、ウェーハを置くチャックの内部に液体窒素（通常-196℃）などの冷媒を流し、ウェーハを-50℃から-150℃以下の極低温まで冷却します。
   • 精密な温度制御のため、液体窒素の流量をPID制御方式で調整し、安定した極低温状態を維持します。
   • チャックには、ウェーハを吸着するための静電チャック機能や、ウェーハの裏面とチャック間の熱伝導を助けるためのヘリウムガス供給機能も備わっています。
2. 真空断熱構造を有する下部電極/チャンバー:
   • 極低温のウェーハチャックが外部の熱や大気中の水分に影響されないよう、チャックやその周囲の構造は真空断熱されています。
   • これにより、極低温環境下で結露（霜の付着）が発生するのを防ぎ、プロセス中のパーティクル汚染や、排気系での詰まりを防ぎます。
3. 高周波（RF）電源:
   • プラズマを生成し、イオンをウェーハに加速させるためのRF電力を供給します。高密度プラズマ（ICP-RIEなど）を用いる装置が主流であり、プラズマ生成用とバイアス印加用で独立したRF電源を持つことが多いです。
4. ガス供給システム:
   • エッチングに必要な反応性ガス（フッ素系、塩素系など）や不活性ガスを超高純度で精密に供給します。クライオエッチングでは、低温で側壁に凝縮する特定のガス成分（例：C4​F8​などの重いフルオロカーボンガス）の流量制御が特に重要になります。
5. 真空排気システム:
   • チャンバー内を所定の低圧力に維持し、反応生成物や未反応ガスを排気します。極低温下では副生成物が凍結しやすい場合があるため、排気系にも特別な配慮が必要です。
6. ウェーハ搬送システム:
   • クリーンな環境下でウェーハをチャンバー内外へ自動で搬送します。
7. 制御システム:
   • 装置全体の動作を統括し、温度、圧力、ガス流量、RF電力といった複数のプロセスパラメータを精密に制御します。

クライオエッチング装置の特徴

• 極低温制御: 数十℃から-150℃以下の広い温度範囲でウェーハ温度を正確に制御できることが重要です。低温にすることで、エッチングの異方性向上と側壁保護膜の形成が促進されます。
• 高アスペクト比加工能力: 深い穴や溝を高精度に、かつ非常に垂直に加工する能力に優れています。
• 複雑な構造: 液体窒素の供給・循環、真空断熱、結露防止などの機構が必要なため、一般的なドライエッチング装置よりも複雑で高価になります。

主要メーカー

　クライオエッチング装置は、最先端の半導体製造で利用されるため、その開発・製造は限られた大手半導体製造装置メーカーが中心です。

• Lam Research Corporation (ラムリサーチ)
• 東京エレクトロン (Tokyo Electron Limited: TEL)
• サムコ株式会社 (特に研究開発用途や比較的小規模なライン向け)

　これらのメーカーは、3D NANDフラッシュメモリの積層化など、極限の微細加工が求められる分野のニーズに応えるべく、クライオエッチング技術の進化を推進しています。

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