半導体製造において、基板や基板上に形成された薄膜を加工する際に「エッチング」と呼ばれる技術があります。エッチング技術の発展は、インテル創業者ゴードン・ムーアが1965年に発表した「トランジスタの集積密度は1年半から2年で2倍になる」という予測（通称「ムーアの法則」）の実現に貢献した。
エッチングは、蒸着や接着のような「加算」プロセスではなく、「減算」プロセスです。また、削り方の違いにより「ウェットエッチング」と「ドライエッチング」の2つに分けられます。簡単に言うと、前者は溶解法、後者は掘削法です。
この記事では、ウェットエッチングとドライエッチングの各エッチング技術の特徴や違い、それぞれが適した応用分野について簡単に説明します。
エッチング工程の概要
エッチング技術は15世紀半ばにヨーロッパで生まれたと言われています。その際、彫刻された銅板に酸を注ぎ込み、裸の銅を腐食させて凹版を形成しました。腐食の影響を利用した表面処理技術は「エッチング」として広く知られています。
半導体製造におけるエッチング工程の目的は、基板や基板上の膜を図面通りに切断することです。成膜、フォトリソグラフィー、エッチングという準備工程を繰り返すことで、平面構造を立体構造に加工します。
ウェットエッチングとドライエッチングの違い
フォトリソグラフィープロセスの後、露出した基板はエッチングプロセスでウェットまたはドライエッチングされます。
ウェットエッチングでは、溶液を使用して表面をエッチングし、削り取ります。この方法は早くて安く加工できますが、加工精度が若干劣るのがデメリットです。そこで、1970年頃にドライエッチングが誕生しました。ドライエッチングは、溶液を使わずにガスを基板表面に当てて傷をつけるため、加工精度が高いのが特徴です。
「等方性」と「異方性」
ウェットエッチングとドライエッチングの違いを説明する際に欠かせない言葉が「等方性」と「異方性」です。等方性とは、物質と空間の物理的性質が方向によって変化しないことを意味し、異方性とは、物質と空間の物理的性質が方向によって変化することを意味します。
等方性エッチングとは、ある点の周囲で同じ量だけエッチングが進むことをいい、異方性エッチングとは、ある点の周囲で異なる方向にエッチングが進むことをいう。たとえば、半導体製造時のエッチングでは、目的の方向のみを削り、他の方向はそのまま残す異方性エッチングが選択されることがよくあります。
「等方性エッチング」と「異方性エッチング」のイメージ
薬品を使用したウェットエッチングです。
ウェット エッチングは、薬液と基板の間の化学反応を利用します。この方法では異方性エッチングも不可能ではありませんが、等方性エッチングに比べて非常に困難です。溶液や材料の組み合わせには制限が多く、基板温度、溶液濃度、添加量などの条件を厳密に管理する必要があります。
ウェットエッチングでは、どんなに条件を細かく調整しても1μm以下の微細加工を実現することは困難です。その理由の 1 つは、サイド エッチングを制御する必要があることです。
アンダーカットは、アンダーカットとも呼ばれる現象です。ウェットエッチングにより材料を垂直方向（深さ方向）のみに溶解させたいとしても、側面への溶液の当たりを完全に防ぐことはできないため、必然的に材料の平行方向への溶解が進んでしまいます。 。この現象により、ウェットエッチングではターゲット幅よりも狭い部分がランダムに生成されます。このように、精密な電流制御が必要な製品を加工する場合、再現性が低く、精度が信頼できません。
ウェットエッチングで考えられる失敗例
ドライエッチングが微細加工に適している理由
高精度な加工が要求される半導体製造プロセスでは、異方性エッチングに適したドライエッチングが用いられている。ドライエッチングは反応性イオンエッチング（RIE）と呼ばれることが多く、広義にはプラズマエッチングやスパッタエッチングも含まれますが、本記事ではRIEに焦点を当てます。
なぜドライエッチングの方が異方性エッチングが容易なのかを説明するために、RIEプロセスを詳しく見てみましょう。ドライエッチングして基板を削り取る工程を「化学エッチング」と「物理エッチング」の2種類に分けるとわかりやすい。
化学エッチングは 3 つのステップで行われます。まず、反応性ガスが表面に吸着されます。次に、反応ガスと基板材料から反応生成物が形成され、最終的に反応生成物が脱着されます。続く物理エッチングでは、アルゴンガスを基板に垂直に当てて基板を垂直下方向にエッチングする。
化学エッチングは等方的に起こりますが、物理エッチングはガスの適用方向を制御することによって異方的に起こります。この物理的なエッチングにより、ドライ エッチングではウェット エッチングよりもエッチング方向をより制御できます。
ドライエッチング、ウェットエッチングもウェットエッチングと同様に厳しい条件が必要ですが、ウェットエッチングよりも再現性が高く、制御しやすい項目が多くあります。したがって、ドライエッチングの方が工業生産に有利であることは間違いありません。
なぜウェットエッチングが依然として必要なのか
一見万能に見えるドライエッチングを理解すると、なぜウェットエッチングがまだ存在するのか疑問に思うかもしれません。しかし、理由は単純で、ウェットエッチングの方が製品が安くなるからです。
ドライエッチングとウェットエッチングの主な違いはコストです。ウェットエッチングで使用する薬液はそれほど高価ではなく、装置自体の価格もドライエッチング装置の10分の1程度と言われています。さらに、処理時間が短く、複数の基板を同時に処理できるため、生産コストが削減されます。その結果、製品コストを低く抑えることができ、競合他社よりも有利になります。加工精度の要求が高くない場合、粗い量産にはウェットエッチングを選択する企業が多いでしょう。
微細加工技術の一翼を担うプロセスとしてエッチングプロセスを紹介した。エッチング工程は大きく分けてウェットエッチングとドライエッチングに分けられる。コストを重視する場合は前者が、1μm以下の微細加工が必要な場合は後者が適しています。理想的には、どちらのプロセスが優れているかではなく、生産される製品とコストに基づいてプロセスを選択できます。
投稿日時: 2024 年 4 月 16 日