ドライエッチングとは、プラズマや反応性ガスを使用してウェハー表面の材料を選択的に除去するプロセスです。化学反応と物理的作用を組み合わせて加工を行い、微細で高精度なパターン形成が可能です。半導体デバイスの製造において、微細加工技術の中核を担っています。
ドライエッチングの概要
ドライエッチングは、ウェットエッチングとは異なり液体を使用せず、気体やプラズマを利用して表面を加工します。この方法により、微細な加工や異方性エッチングが可能となり、ナノスケールのデバイス製造に適しています。
ドライエッチングの役割
ドライエッチングは以下の目的で使用されます：
- 微細パターン形成
ナノスケールのトランジスタや配線の製造。 - 異方性加工
垂直方向に深い構造を作成し、デバイス性能を向上。 - 材料選択性の確保
特定の材料のみを加工し、他の層を保護。
ドライエッチングの種類
反応性イオンエッチング（RIE）
プラズマと反応性ガスを使用して、化学反応と物理スパッタリングを組み合わせたエッチング方法。
異方性ドライエッチング
電場で制御されたイオンの方向性を利用して、垂直方向のエッチングを行います。高アスペクト比構造に適しています。
深堀りエッチング（DRIE）
シリコンウェハーに深い溝や柱状構造を形成する技術。MEMSデバイスやパワーデバイス製造に使用されます。
化学エッチング
化学反応のみを利用し、材料を選択的に除去します。等方性エッチングに近い特性を持ちます。
ドライエッチングの工程
- ウェハーの準備
表面を清浄化し、エッチングマスクを形成。 - プラズマ生成
エッチング装置内で反応性ガスをプラズマ化。 - イオン衝突と化学反応
プラズマ内のイオンや反応性ラジカルがウェハー表面に作用し、材料を除去。 - 除去物の排出
化学反応で生成された副生成物を排出。 - 洗浄と乾燥
エッチング後、残留物を取り除き、表面を清浄化。
ドライエッチングで使用される装置
- プラズマエッチング装置
RF電源を利用してプラズマを生成する装置。 - 反応性イオンエッチング装置（RIE装置）
高精度な異方性エッチングに適した装置。 - 深堀りエッチング装置（DRIE装置）
高アスペクト比構造を実現する専用装置。
ドライエッチングで使用されるガス
- フッ素系ガス（SF₆、CF₄）
シリコンや酸化膜のエッチングに使用。 - 塩素系ガス（Cl₂、BCl₃）
金属材料やシリコン窒化膜の加工に適用。 - 酸素（O₂）
有機材料やレジストのアッシング（除去）に利用。
ドライエッチングの品質管理
- エッチングレート
時間あたりの材料除去速度を制御し、均一な加工を実現。 - 選択比
エッチング対象材料とマスク材料との加工耐性を比較。 - 異方性
エッチング形状の垂直性を管理し、高精度なパターン形成を保証。 - 欠陥検査
エッチング後の表面に微細欠陥がないか検査。
ドライエッチングの課題と解決策
課題
- プラズマによるウェハー表面の損傷
- 深堀り加工時のアンダーカットの発生
- 反応副生成物の堆積による欠陥発生
解決策
- プラズマ条件の最適化（電力、ガス流量、圧力）
- 高精度なマスク材料の採用
- 装置の自動クリーニング機能の導入
ドライエッチングの用途
- 半導体製造
ロジックデバイスやメモリデバイスの微細加工。 - MEMSデバイス
微小なセンサーやアクチュエータの加工。 - LED製造
ガリウムナイトライド（GaN）基板の加工に利用。
ドライエッチングと環境への配慮
ドライエッチングは高エネルギー消費プロセスであり、使用ガスの排出が課題です。これに対し、省エネルギー型装置やガスのリサイクル技術の導入が進められています。
ドライエッチング技術の将来展望
- ナノスケール加工技術
より微細で複雑なデバイス構造への対応。 - 新材料対応
SiCやGaNなどの次世代材料に適したプロセス開発。 - 環境負荷低減
環境に優しいガスや装置設計の普及が期待されます。