この記事で分かること
- 反応性イオンエッチング装置の概要：プラズマ中のイオン（物理的）とラジカル（化学的）の相乗効果で薄膜を加工するドライエッチング装置です。高い異方性と高速性を両立し、半導体の微細な回路パターン形成に不可欠になっています。
- 有力なメーカー：ラムリサーチ、東京エレクトロン、アプライドマテリアルズ、日立ハイテク、サムコ株式会社などが有力となっています。
反応性イオンエッチング装置
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、反応性イオンエッチング（RIE）装置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 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。
前工程は、細な回路を形成する一連のプロセスのことで、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。
反応性イオンエッチングにはどのような装置が使用されるのか
RIE装置（反応性イオンエッチング装置）は、半導体製造において、ウェーハ上に微細な回路パターンを形成するために使用されるドライエッチング装置の一種です。
化学的なエッチングと物理的なスパッタリングの両方を組み合わせることで、高い異方性（垂直方向への加工）を実現できるのが最大の特徴です。
RIE装置の基本的な仕組みと構成
RIE装置は、密閉された真空チャンバー内でプラズマを生成し、そのプラズマ中のイオンとラジカル（反応性の高い中性粒子）を利用して、ウェーハ表面の不要な薄膜を精密に除去します。
- プロセスチャンバー（反応室）
- エッチングが行われる中心部分で、内部は真空に保たれます。
- 通常、上部電極と下部電極の平行平板型の構造をしており、この電極間に高周波（RF）電力を印加してプラズマを発生させます。
- ウェーハは下部電極（カソード側）の上に置かれます。
- ガス供給システム
- エッチング対象の材料に応じた反応性ガス（例：フッ素系ガス、塩素系ガス）や不活性ガス（アルゴンなど）を、精密な流量でチャンバー内に供給します。
- 高周波（RF）電源
- ガスをプラズマ化するためのエネルギーを電極に供給します。RIEでは、ウェーハが置かれる下部電極にRF電力を印加することで、イオンをウェーハ表面に引きつけるバイアス電圧が自然に形成されます。
- 基板ホルダー（ウェーハチャック）
- ウェーハを固定し、適切な温度に保ちます。静電チャックでウェーハを吸着し、裏面から冷却ガスを流すなどで温度を精密に制御します。
- 真空排気システム
- チャンバー内を所定の低圧力に保ち、エッチングによって生成された揮発性の副生成物や未反応ガスを排気します。
RIEの動作原理
- 反応性ガスをチャンバーに導入し、RF電力でプラズマを生成します。
- プラズマ中で生成されたラジカル（中性粒子）がウェーハ表面の薄膜と化学反応し、揮発性のガスを生成します。
- 同時に、プラズマ中のイオンは、下部電極の負のバイアス電圧によってウェーハ表面に垂直に加速され、衝突します。この物理的な衝撃がエッチングを促進し、また、側壁に保護膜を形成することで横方向のエッチングを抑制します。
- 化学反応と物理的衝突の相乗効果により、マスクパターンに忠実で非常に垂直な（異方性の高い）エッチングが実現されます。
RIE装置は、半導体デバイスの微細化、特にゲート電極や配線、コンタクトホールなどの形成において中心的な役割を担っています。
RIE装置（反応性イオンエッチング装置）は、プラズマ中のイオン（物理的）とラジカル（化学的）の相乗効果で薄膜を加工するドライエッチング装置です。高い異方性と高速性を両立し、半導体の微細な回路パターン形成に不可欠です。
バイアス電圧とは何か
半導体製造における「バイアス電圧」とは、主にドライエッチングプロセスにおいて、ウェーハ（基板）に意図的に印加される直流（DC）または高周波（RF）電圧のことを指します。この電圧を印加することで、プラズマ中のイオンの動きを制御し、エッチングの特性（特に異方性）を精密に調整する役割があります。
ドライエッチングにおけるバイアス電圧の役割
ドライエッチングでは、プラズマ中に存在する陽イオンをウェーハ表面に引きつけ、特定の方向に加速させるためにバイアス電圧が使われます。
- イオンの垂直加速
- プラズマ中には、正に帯電したイオンと負に帯電した電子が存在します。
- ウェーハが置かれる電極（通常は下部電極）に負のバイアス電圧を印加すると、正のイオンはその負の電極に向かって引きつけられ、ウェーハ表面に垂直に加速されます。
- この垂直方向への加速が、エッチングの異方性を決定する上で非常に重要です。イオンが斜めではなく、まっすぐウェーハに衝突することで、横方向のエッチングが抑制され、垂直な壁を持つパターンが形成されます。
- イオンエネルギーの制御
- バイアス電圧の大きさを調整することで、ウェーハに衝突するイオンのエネルギーを制御できます。
- イオンのエネルギーは、エッチング速度、スパッタリングの強度、そしてウェーハへのダメージの程度に直接影響します。
- 高いバイアス電圧: イオンエネルギーが高くなり、物理的スパッタリングの寄与が増し、エッチング速度が上がる傾向があります。しかし、同時にウェーハへのダメージも大きくなる可能性があります。
- 低いバイアス電圧: イオンエネルギーが低くなり、ダメージが抑制されます。
- セルフバイアス電圧 (Self-Bias Voltage)
- 多くのRIE装置では、ウェーハが置かれる下部電極に高周波（RF）電力を印加すると、電極とプラズマの間に存在する容量の不均一性により、自然に直流（DC）の負の電圧が発生します。これを「セルフバイアス電圧」と呼びます。
- このセルフバイアス電圧が、プラズマ中の陽イオンをウェーハ表面に引きつけ、加速する駆動源となります。RF電力の調整によって、このセルフバイアス電圧の大きさが変化し、結果としてイオンのエネルギーが制御されます。
なぜバイアス電圧が重要か
- 異方性の実現: バイアス電圧によってイオンがウェーハ表面に垂直に衝突するため、横方向へのエッチング（アンダーカット）が抑制され、微細な垂直パターンを形成できます。
- エッチング特性の制御: バイアス電圧を調整することで、エッチング速度、下地への選択性、側壁の形状、そしてウェーハへのダメージなどを最適化することが可能になります。
例えば、高密度プラズマエッチング（HDP-Etching）では、プラズマ生成用のRF電源と、ウェーハにバイアス電圧を印加するRF電源を独立して制御することで、プラズマ密度（エッチング速度）とイオンエネルギー（異方性・ダメージ）をそれぞれ最適化できるようになっています。
半導体デバイスの微細化が進むにつれて、このバイアス電圧の精密な制御は、エッチングプロセスの成功に不可欠な要素となっています。
バイアス電圧は、ドライエッチングにおいてウェーハに印加される電圧です。プラズマ中のイオンをウェーハ表面へ垂直に加速させ、エッチングの異方性を高めます。電圧を調整することで、イオンエネルギーやエッチング速度、ダメージを精密に制御します。
反応性イオンエッチング装置の有力メーカはどこか
反応性イオンエッチング（RIE）装置の有力メーカーは、半導体製造装置市場全体をリードする企業と重なることが多いです。特に、ドライエッチング装置全体で高いシェアを持つ企業がRIE装置でも有力です。
- Lam Research Corporation (ラムリサーチ) (米国)
- ドライエッチング装置の世界的なトップメーカーの一つであり、RIE装置においても非常に強力な存在です。特に、高密度プラズマ（HDP）を用いたエッチング技術に強みを持っています。
- 東京エレクトロン (Tokyo Electron Limited: TEL) (日本)
- 日本を代表する半導体製造装置メーカーであり、ドライエッチング装置の分野でも世界的に高いシェアを誇ります。RIE技術を含む多様なエッチングソリューションを提供しています。
- Applied Materials Inc. (アプライドマテリアルズ) (米国)
- 半導体製造装置の最大手であり、成膜、エッチング、検査など幅広い分野の装置を提供しています。RIE技術もそのポートフォリオに含まれます。
- 日立ハイテク (日本)
- 半導体製造装置分野で強みを持つ日本の企業で、精密なRIE装置を提供しています。
- サムコ株式会社 (日本)
- 特に研究開発用途や比較的小規模な生産ライン向けに、多様な平行平板型RIE装置やICP-RIE装置を提供しており、幅広い実績を持っています。
これらのメーカーは、半導体デバイスの微細化、3次元化、多様な材料への対応など、進化し続けるエッチング技術のニーズに応えるべく、常に新しいRIE装置の開発に取り組んでいます。
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