JOINT3での東京エレクトロン　どのような役割なのか？成膜装置やエッチング装置に求められるものは何か？

この記事で分かること

JOINT3での東京エレクトロン

　レゾナックや東京エレクトロンなど国内外の27社が、AI半導体向け新基板開発を目的としたコンソーシアム「JOINT3」を設立しました。この取り組みは、AIや自動運転といった次世代半導体の性能向上に不可欠な、後工程の技術開発を加速させることを目指しています。

　https://www.nikkei.com/article/DGXZQOUC215BA0R20C25A8000000/

　AI半導体は、膨大なデータを高速で処理するため、複数のチップを一つのパッケージにまとめて実装する2.5Dパッケージやチップレットと呼ばれる技術が主流になりつつあります。この技術において、チップ同士をつなぐ役割を果たすのがインターポーザーです。

　前回は、レゾナックに関する記事でしたが、今回はJOINT3の主要企業として参加している東京エレクトロンに関する記事です。

東京エレクトロンとはどんな会社か

　東京エレクトロンは、日本の大手半導体製造装置メーカーです。半導体やフラットパネルディスプレイ（FPD）を製造するための装置を開発・製造・販売しています。

　JOINT3では、パネルレベル有機インターポーザーに適した装置や設計ツールの開発を担っています。これにより、AIや自動運転などに不可欠な次世代半導体の製造技術革新に貢献します。

主な事業内容

• 半導体製造装置事業: 半導体製造プロセスの様々な工程に必要な装置を提供しています。
  • 成膜: 回路の材料となる薄い膜をつくる装置。
  • リソグラフィ: 回路のパターンを転写する工程で使われる「コータ/デベロッパ」と呼ばれる装置。この分野では世界的に非常に高いシェアを持っています。
  • エッチング: 不要な膜を削る装置。
  • 洗浄: 基板上の不純物を取り除く装置。
  • テストシステム: 完成した半導体が正常に動作するかを検査する装置。
• フラットパネルディスプレイ製造装置事業: 液晶テレビやスマートフォンのディスプレイなどを製造するための装置も提供しています。

企業の特徴

• 世界トップクラスのシェア: 半導体製造装置市場において、国内首位、世界でもトップクラスのシェアを誇ります。特にコータ/デベロッパなどの特定の分野では、圧倒的なシェアを持っています。
• グローバルな事業展開: 世界18の国と地域に拠点を持ち、売上のほとんどが海外市場で占められています。
• 高い技術力: 半導体の高性能化、大容量化、低消費電力化といったニーズに応えるため、最先端の技術開発に力を入れています。
• 日本の半導体産業を支える中核企業: 近年、日本が半導体国産化を進める中で、その技術力と市場における存在感から、ソニーやトヨタなどが出資して設立したRapidusなど、国内の取り組みにおいても重要な役割を担っています。

成膜装置に求められるものは何か

　パネルレベル有機インターポーザーの成膜装置には、主に以下の3つの要件が求められます。

大型基板への対応

　パネルレベル製造では、従来のウェハー（円形）ではなく、より大きなパネル状の基板を使用します。そのため、装置は大型の基板にも対応し、全面に均一な成膜ができる必要があります。

高精度な成膜技術

　インターポーザーは複数の半導体チップを接続するための配線層を形成するため、非常に微細で高密度な回路を正確につくる必要があります。高周波特性や信頼性を確保するため、膜厚や膜質の均一性が不可欠です。

熱膨張係数のミスマッチ解消

　パネルレベル有機インターポーザーは、異なる材料（例えば、半導体チップ、有機材料、金属配線）を組み合わせるため、熱膨張係数の違いから反りや変形が発生しやすくなります。これを防ぐため、成膜装置は基板への熱負荷を抑え、ストレスの少ないプロセスを実現することが求められます。

エッチング装置に求められるものは何か

　パネルレベル有機インターポーザーのエッチング装置には、主に以下の3つの要件が求められます。そのため、エッチング装置は、基板の反りを抑制し、熱ストレスを最小限に抑えるための技術（例：基板を平坦に保持する機構や、低温でのプロセス制御）が重要となります。

大型パネルへの対応と均一性:

　従来の円形のウェハーよりもはるかに大きなパネル基板に、均一にエッチング処理を施す必要があります。

　パネル全体でエッチングのレートや深さが均一でなければ、回路の特性にバラつきが生じ、歩留まりが低下してしまいます。

有機材料の選択的かつ高精度なエッチング:

　インターポーザーは、有機材料を主体とした複雑な多層構造で形成されています。エッチング装置は、目的の有機材料だけを正確に除去し、下の層や側壁を損傷させない高い選択性が求められます。

　また、微細で複雑な回路パターンを正確に形成するために、エッチングの高精度な制御が不可欠です。

基板の反りや熱ストレスへの対応:

　パネルレベルの基板は、薄く、かつ異なる材料が積層されているため、熱や応力によって反りやすい性質があります。

　エッチングプロセス中、プラズマによる熱や物理的ダメージが基板の反りを悪化させることがあります。

材料がポリイミドとなることで装置に求められる要求も変化するのか

　材料がポリイミドになることで、成膜やエッチング装置に求められる要求は大きく変化します。これは、ポリイミドが無機材料とは異なる特有の性質を持つためです。

成膜装置に求められる要求の変化

• 精密な塗布・硬化プロセス: ポリイミドは、液体状の材料を基板に塗布し、高温で熱処理（イミド化）して硬化させます。このプロセスでは、膜厚の均一性や密着性が非常に重要になります。特に、パネルレベル製造では大型基板に均一に塗布することが難しいため、塗布ノズルや回転速度の精密な制御が求められます。
• 溶剤管理と安全対策: ポリイミドには有機溶剤が含まれていることが多く、硬化プロセスで大量の溶剤ガスが発生します。そのため、装置内をクリーンに保ち、溶剤を安全に排気・回収する機能が必要になります。

エッチング装置に求められる要求の変化

• 有機材料に特化したプロセス: 無機材料のエッチングにはフッ素系ガスが主に使用されますが、ポリイミドのような有機材料のエッチングには、酸素（O₂）や窒素（N₂）を主体としたプラズマが用いられます。装置はこれらのガスを安定的に供給し、適切なプラズマを生成する能力が求められます。
• 熱ダメージと反りの抑制: パネルレベルの有機インターポーザーは、薄く、熱による反りが生じやすい特性があります。プラズマエッチングは熱を発生させるため、基板の反りを抑制し、熱ダメージを最小限に抑えるための冷却機構やプロセス制御が非常に重要になります。
• 堆積物（ポリマー）の管理: エッチング中に発生する副生成物が装置内に堆積し、プロセスに悪影響を及ぼすことがあります。ポリイミドのエッチングでは、有機物由来の堆積物が発生しやすいため、装置の自己クリーニング機能や定期的なメンテナンス性がより重要になります。