半導体前工程：銅めっきの装置　どのような装置が使用されるのか？有力なメーカはどこか？

この記事で分かること

銅めっき装置

　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。

　今回は銅めっきの装置に関する解説となります。

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。

銅めっきの装置どのようなものか

　半導体製造における銅めっき装置（ECD: Electro-Chemical Deposition / Electroplating device）は、非常に精密かつ複雑なシステムであり、高価なウェーハに極めて高品質な銅膜を形成するために設計されています。

1. 装置の外観と構造

• クリーンルーム対応: 半導体製造は徹底したクリーンルーム環境で行われるため、装置自体も粒子や汚染物質を発生させないように設計されています。
• 自動搬送システム: ウェーハはFOUP（Front Opening Unified Pod）という密閉容器に入って装置に供給され、ロボットアームによって自動的に装置内部に搬送されます。
• モジュール構造: 複数の処理チャンバーが連結されたモジュール構造を持つことが多く、各チャンバーで異なる処理（前処理、めっき、後処理など）を行います。

2. 主要な構成要素と機能

a. めっきセル（Electroplating Cell）

• めっき槽（Bath）: めっき液（硫酸銅、硫酸、添加剤など）が満たされており、ウェーハが浸漬されます。液温、濃度、流速などが厳密に制御されます。
• アノード（Anode）: 正極として機能し、電気分解によって銅イオンをめっき液中に供給します。不溶性アノード（例：白金めっきチタン）や、銅を供給するための溶解性アノード（例：リン銅）が用いられます。
• カソード（Cathode）: ウェーハがセットされる負極です。ここに銅イオンが引き寄せられ、還元されて銅として析出します。
• ウェーハクランプ/ホルダー: ウェーハを安定して保持し、電気的に接続するための機構です。めっき液との接触面積や電流分布を均一にするための工夫が凝らされています。
• 攪拌・循環システム: めっき液を均一な状態に保ち、銅イオンや添加剤をウェーハ表面に効率的に供給するために、液を循環・攪拌するポンプやノズルが備わっています。

b. めっき液供給・管理システム

• めっき液タンク: 大容量のめっき液を貯蔵します。
• フィルター: 液中の微粒子を除去し、めっき膜の欠陥を防ぎます。
• ポンプ・配管: めっき液を各セルに供給・回収し、循環させます。
• 分析・制御装置: めっき液中の銅イオン濃度、酸濃度、そして最も重要な添加剤濃度をリアルタイムで高精度に測定し、自動で補給・調整するシステムです。添加剤のバランスはめっきの品質（特にボトムアップフィリング）に直接影響するため、厳密な管理が不可欠です。

c. 前処理・後処理チャンバー

• 前処理: めっき前にウェーハ表面の自然酸化膜除去や洗浄を行い、めっき膜の密着性や均一性を確保します。
• 後処理: めっき後にウェーハ表面に残っためっき液や副生成物を洗浄・乾燥させます。

d. 電源供給・制御システム

• パルスメッキ電源: 定常電流だけでなく、電流を断続的に印加するパルスメッキを行うための精密な電源です。パルス条件（電流値、ON/OFF時間、周期など）を制御することで、めっき膜の結晶構造や特性を最適化します。
• コンピュータ制御: 全てのプロセスパラメーター（電流、電圧、液温、液流量、添加剤濃度、処理時間など）は、高度なコンピュータシステムによって自動的に制御・監視されます。

3. 特徴的な技術

• ボトムアップフィリング技術: めっき液中の添加剤（促進剤、抑制剤、平滑剤など）を精密に制御することで、微細なビアホールやトレンチの底から優先的に銅が成長し、ボイド（空隙）なく完全に埋め込むことが可能です。これは銅めっき装置の最も重要な性能の一つです。
• ウェーハ全体での均一性: 数百ものビアホールやトレンチがウェーハ全面に形成されるため、ウェーハのどこでも均一な膜厚と埋め込み性が得られるように、電流密度分布や液の流れが最適化されています。

　これらの要素が組み合わさることで、銅めっき装置はナノメートルレベルの精度が求められる半導体デバイスの製造において、非常に重要な役割を果たしています。

銅めっきの装置の有力なメーカーはどこか

　半導体製造における銅めっき装置の有力メーカーは、世界的に見ても限られており、特にトップシェアを持つ企業が存在します。

主要な有力メーカーは以下の通りです。

1. Applied Materials (アプライド マテリアルズ)
   • 半導体製造装置の世界最大手であり、銅めっき（ECD）装置の分野でも圧倒的な存在感を持ちます。特に「Raider」シリーズは業界標準の一つとして広く知られています。
2. Lam Research (ラムリサーチ)
   • エッチング装置で高いシェアを持つラムリサーチも、銅めっき装置「SABRE」シリーズを提供しており、銅配線技術の確立に貢献してきました。

その他の関連メーカー

• 荏原製作所 (Ebara Corporation)
  • CMP装置で有名ですが、銅配線めっき装置も手掛けています。

　これらの企業は、単に装置を供給するだけでなく、めっき液メーカーや半導体メーカーと連携し、最先端のプロセス開発を進めることで、高性能なLSIの実現を支えています。