CVD（化学気相成長法）CVDとは何か？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

CVD（化学気相成長法）

　半導体が重要性が増す中で、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。

　今回は成膜工程のひとつである、CVDについての解説となります。

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 механическая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。

成膜工程とは何か

　半導体成膜とは、半導体デバイスの製造プロセスにおいて、シリコンウェーハなどの基板の上に、様々な薄い膜を形成する工程のことです。この薄い膜は、半導体デバイスの電気的特性や機能を実現するために不可欠な役割を果たします。

半導体成膜の主な目的

• 電気的特性の付与: 導電性を持つ金属膜で配線を形成したり、絶縁性を持つ絶縁膜で素子間を分離したり、半導体膜でトランジスタのチャネルを形成するなど、デバイスに必要な電気的な特性を作り出します。
• 物理的保護: デバイスを外部の環境や物理的な衝撃から保護するための保護膜を形成します。
• 化学的保護: デバイスの腐食や酸化を防ぐための保護膜を形成します。
• 光学特性の制御: 光センサーや発光ダイオードなど、光に関わるデバイスにおいて、光の透過率や反射率を制御するための膜を形成します。
• 機械的特性の調整: 薄膜の種類や積層構造によって、デバイス全体の механические な特性を調整します。

半導体成膜の主なプロセス

　半導体成膜には、様々な技術が用いられますが、主なものとしては以下のものがあります。

• CVD (Chemical Vapor Deposition：化学気相成長法): 原料となるガスを反応炉内に導入し、熱やプラズマなどのエネルギーを利用して化学反応を起こさせ、生成された薄膜を基板上に堆積させる方法です。
• PVD (Physical Vapor Deposition：物理気相成長法): 真空中でターゲット材（成膜したい材料）をスパッタリング（イオンを衝突させて原子をはじき出す）、蒸着（加熱して蒸発させる）などの方法で気化させ、その粒子を基板上に堆積させる方法です。
• ALD (Atomic Layer Deposition：原子層堆積法): 原料ガスを交互に反応炉内に導入し、基板表面で原子レベルの化学反応を последовательно 起こさせることで、非常に薄く均一な膜を精密に形成する方法です。
• 熱酸化法: シリコンウェーハを高温の酸化性雰囲気中で加熱し、シリコンと酸素を反応させて酸化シリコン（SiO2）膜を形成する方法です。主に絶縁膜の形成に用いられます。

CVDとは何か

　CVD（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長法）は、気相中の化学反応を利用して、基板上に薄膜を形成する技術の総称です。半導体デバイス製造において、絶縁膜、導電膜、半導体膜など、様々な機能を持つ薄膜の形成に広く用いられています。

CVDの基本的な原理

1. 原料ガスの供給: 成膜したい元素を含む原料ガスを反応炉内に導入します。
2. 活性化: 熱、プラズマ、光などのエネルギーを印加し、原料ガスを分解・反応させ、反応性の高い化学種（ラジカル、イオンなど）を生成します。
3. 基板への輸送と吸着: 生成された化学種が基板表面に輸送され、吸着します。
4. 表面反応: 基板表面上で吸着した化学種が反応し、薄膜を形成します。
5. 副生成物の除去: 反応で生成した不要なガス状副生成物を反応炉外へ排出します。

CVDの特徴（メリットとデメリット）

メリット

• 多様な材料に対応: 金属、酸化物、窒化物、半導体など、様々な材料の薄膜を形成できます。
• 高い成膜速度: PVDなどの他の成膜法と比較して、一般的に成膜速度が速いです（ただし、ALDは除く）。
• 良好なステップカバレッジ: 複雑な形状の基板に対しても、比較的均一な膜を形成できます（特にLPCVDやALD）。
• 膜質の制御: 成膜条件（温度、圧力、ガス流量など）を精密に制御することで、膜の組成、結晶性、不純物濃度などを調整できます。
• 高い純度: 高純度の原料ガスを用いることで、不純物の少ない高品質な薄膜が得られます。
• 量産性: バッチ処理が可能な装置もあり、大量生産に適しています。

デメリット

• 高温プロセス: 熱CVDでは、比較的高温での処理が必要となるため、基板への熱的ダメージや材料の熱膨張差による応力が発生する可能性があります。
• 原料ガスの毒性・可燃性: 原料ガスには毒性や可燃性を持つものも多く、安全管理が重要です。
• 装置の複雑さとコスト: CVD装置は、真空システムやガス制御システムなどが必要なため、一般的に高価で複雑です。
• 副生成物の処理: 反応で生成する副生成物の適切な処理が必要です。
• 均一性の課題: 大面積基板への均一な成膜は、条件によっては難しい場合があります。

半導体成膜におけるCVDの応用例

• 絶縁膜: シリコン酸化膜（SiO2）、シリコン窒化膜（Si3N4）などの形成。トランジスタのゲート絶縁膜や素子間の絶縁分離などに用いられます。
• 導電膜: ポリシリコン膜の形成。トランジスタのゲート電極や配線の一部に用いられます。
• 半導体薄膜: エピタキシャル成長による高品質なシリコン薄膜や化合物半導体薄膜の形成。トランジスタのチャネル層や発光素子などに用いられます。
• 金属膜: タングステン（W）、チタンナイトライド（TiN）などの形成。配線材料やバリアメタルとして用いられます。

　CVDは、現代の半導体デバイス製造において、なくてはならない重要な技術の一つです。デバイスの高性能化、微細化が進むにつれて、より高度なCVD技術の開発が求められています。

CVDに必要な装置にはどんなものがあるのか

　CVD（化学気相成長法）に必要な装置は、成膜の種類や目的によって構成が異なりますが、一般的には以下の主要な要素で構成されています。

1. 反応炉（リアクター/チャンバー）

• 薄膜の成長が行われる密閉された空間です。
• 真空状態にするための機構や、ガスを導入・排出するための配管が接続されています。
• 高温に耐える材質（石英、ステンレスなど）で作られています。
• 基板を設置するための**基板ホルダー（サセプター）**が含まれます。基板を均一に加熱したり、回転させたりする機能を持つものもあります。

2. ガス供給システム

• 原料ガス、キャリアガス、反応ガスなどを精密に制御し、反応炉内に供給するシステムです。
• ガスボンベ: 原料ガスなどを貯蔵します。
• マスフローコントローラー（MFC）: ガスの流量を正確に制御します。
• バルブ: ガスの流れを制御・遮断します。
• 配管: ガスを安全かつ清浄に輸送するためのものです。
• ミキサー: 複数のガスを混合する際に使用します。
• バブラー/気化器: 液体の原料を気化させて供給するために使用します（MOCVDなど）。

3. エネルギー供給システム

• 原料ガスの分解や反応を促進するためのエネルギーを供給します。
• 加熱装置: 熱CVDで使用。電気炉、赤外線ランプ、高周波誘導加熱などが用いられます。
• 高周波電源/マッチングネットワーク: PECVDで使用。プラズマを生成します。
• 光源: 光CVDで使用。ランプやレーザーなどが用いられます。

4. 真空排気システム

• 反応炉内を所定の圧力に保ち、反応後の副生成物や未反応ガスを排出します。
• 真空ポンプ: ロータリーポンプ、ダイアフラムポンプ、ターボ分子ポンプなど、必要な真空度に応じて選択されます。
• 真空計: 反応炉内の圧力を測定します。
• 排気配管: 排出ガスを安全に処理するための配管です。
• 排ガス処理装置: 有害な排ガスを無害化します。

5. 制御システム

• 上記の各要素を統合的に制御し、成膜プロセス全体を自動化します。
• シーケンサー/コントローラー: プロセス全体の手順を制御します。
• 温度コントローラー: 加熱装置の温度を精密に制御します。
• 圧力コントローラー: 反応炉内の圧力を制御します。
• 流量コントローラー: ガス流量を制御します。
• モニター: プロセスの状態や各種パラメーターを表示・記録します。

CVD装置のメーカーにはどのような企業があるか

　半導体成膜、特にCVD（化学気相成長法）装置の主要なメーカーは、国内外に多数存在します

主要なCVD装置メーカー

• アプライドマテリアルズ (Applied Materials, Inc.) (米国): 半導体製造装置の世界的なリーディングカンパニーであり、多様なCVD装置を提供しています。
• ラムリサーチ (Lam Research Corp.) (米国): エッチング装置で有名ですが、CVD装置も幅広く展開しています。
• 東京エレクトロン (Tokyo Electron Limited) (日本): 半導体製造装置の総合メーカーとして、CVD装置も重要な製品ラインナップの一つです。
• ASM International N.V. (オランダ): ALD（原子層堆積法）技術で強みを持つメーカーですが、PECVD装置なども提供しています。
• KOKUSAI ELECTRIC CORPORATION (日本): バッチ式CVD装置で高いシェアを誇る日本のメーカーです。
• サムコ株式会社 (Samco Inc.) (日本): プラズマCVD装置など、独自の技術を持つ日本のメーカーです。研究開発用途から生産用途まで幅広い装置を提供しています。
• アルバック (ULVAC, Inc.) (日本): 真空技術を基盤とし、様々な成膜装置を提供しており、CVD装置もラインナップしています。
• Piotech Inc. (韓国): PECVD装置を中心に、半導体製造装置を提供しています。
• Advanced Micro-Fabrication Equipment Inc. (AMEC) (中国): 中国の半導体製造装置メーカーで、CVD装置の開発も進めています。
• ジャパンクリエイト株式会社 (日本): 研究開発用から量産用まで、顧客のニーズに合わせたオーダーメイドのCVD装置を製作しています。
• 神港精機株式会社 (日本): プラズマCVD装置などを手掛けています。
• 株式会社ヒートテック (日本): 熱CVD装置を専門とするメーカーです。