１．はじめに
「石英加工.com」をご覧いただいている皆様へ
半導体製造工程におけるドライエッチング工程（プラズマエッチング装置）に使用される「石英チャンバー」は半導体製造には欠かせないパーツです。
この「石英チャンバー」がドライエッチング工程で非常に重要なパーツであるのはどのような理由なのか？
「石英チャンバー」をお使いの技術者や製造のご担当者の方は「石英チャンバー」が原因で歩留まりに影響が出たり、交換の頻度が増えてコストの増加に繋がったりするお悩みもあるかと思います。
「石英チャンバー」の果たす役割と問題点（課題）、そして今後の石英パーツ製造のあり方などを本ブログにおいて考えていきたいと思います。
２．半導体製造工程における「ドライエッチング（プラズマエッチング）工程」とは？ その工程の概略と「石英チャンバー」が使用される理由
２－１．「ドライエッチング（プラズマエッチング）」とは？
半導体製造工程におけるドライエッチングは、半導体ウェハーの表面にある特定の部分を選択的に削るための工程です。
この工程は主に高精細なパターン形成や微細構造の作製に使用され、半導体デバイスの性能向上に重要な役割を果たします。
ドライエッチングは、ウェハー表面にプラズマ（気体を高エネルギーでイオン化した状態）を用いて化学反応や物理的なエネルギーで材料を除去する技術です。
これにより、フォトリソグラフィで形成されたレジストマスクに基づいて、微細なパターンを加工します。
ドライエッチングは、ウェットエッチング（液体を用いる方法）よりもパターンの精密さを高めやすく、アスペクト比（深さと幅の比）が高い構造を作るのに適しています。
これにより、トランジスタやメモリなどの微細化技術が進展しました。
２－２．「ドライエッチング工程」で「石英チャンバー」が使われる理由
ドライエッチング工程で石英チャンバーが使用される理由は、石英の特性が工程条件に非常に適しているためです。
- 耐熱性と熱安定性
ドライエッチングではプラズマを発生させるため高温環境が発生します。石英は非常に高い耐熱性を持ち、温度変化による膨張や変形が少ないため、長時間の使用に耐えます。 - 耐化学性
石英は多くの腐食性ガス（例: フッ素、塩素）に対して優れた耐性を持つため、プラズマ中での長期間の運用が可能です。 - プラズマとの適合性
石英は電気的に絶縁性が高く、プラズマとの相互作用が制御しやすい材料です。また、プラズマ中で不要な不純物を放出しないため、プロセスの純度を維持できます。 - 高純度石英
は極めて高純度な材料であり、プロセス中に不純物がチャンバーから基板に移行するリスクが低いです。半導体製造において微細な汚染でもデバイス性能に影響を与えるため、この点は非常に重要です。 - 低いガス吸着性
石英はガスをほとんど吸着しないため、エッチングプロセス中のガス成分を安定的に制御できます。この特性により、エッチングの均一性や再現性が向上します
３．「石英チャンバー」の歩留まりへの影響について
３－１「石英チャンバー」内部の球面やR形状の状態が歩留まりに与える影響について
「石英チャンバー」の内部の球面やR形状の状態が指定された状態の球面やRの形状をしていないと歩留まりに影響を与えることがあります。
- プラズマ分布の不均一化
内部の球面の形状により、チャンバー内部のプラズマ密度分布が不均一になります。これがエッチングプロセス全体の均一性を損なう原因となります。 - ガスフローの乱れ
球面形状によりガスの流れが乱れることで、ウェハー表面への反応性ガス供給が不均一になります。 - 局所的な過エッチングの増加
球面の内壁により特定のエリアにプラズマが集中する場合、ウェハーのその部分が過剰にエッチングされるリスクがあります。 - エッチングプロセスの再現性低下
球面が変化したチャンバーは使用のたびにガスやプラズマの挙動が変化しやすく、同一のプロセス条件でも結果が再現されにくい可能性があります。 - パーティクル発生の増加
内部球面の表面には局所的なガスの衝突や反射が集中しやすく、摩耗や剥離が進みパーティクルが多く発生する可能性があります。 - エッチング速度の変化
球面の形状が原因で、プラズマのエネルギーが内壁に吸収されやすくなり、エッチング速度が変化します。 - ウェハーのエッジエリアへの影響
球面の形状により、ウェハーの中心部とエッジ部分で異なるプラズマ条件が形成され、特にエッジエリアでエッチングの不均一が顕著になります。 - デバイス構造の寸法誤差
不均一なエッチングにより、微細構造の寸法が設計値から逸脱する場合があります。 - 副生成物の堆積リスクの増加
球面の形状がガスフローの偏りを生むため、特定エリアに反応生成物が堆積しやすくなります。 - 熱分布の不均一化
球面の変化により、チャンバー内部の熱伝導特性が変化し、ウェハー表面の温度分布が不均一になります。
このように石英チャンバー内部の球面の状態は歩留まりに影響を与えることがあります。
石英チャンバーの製作時に図面の指定通りに製作しても使用しているうちにプラズマやエッチングガスによる摩耗の進行などにより少しずつ球面の状態は変化してきます。
これらの問題を軽減するためには、定期的な形状検査や摩耗状態のモニタリングなどをおこなっていく必要があります。
３－２「石英チャンバー」の肉厚の状態が歩留まりに与える影響について 具体的な影響
- プラズマ密度の変化
石英の肉厚が変化すると、プラズマ生成に必要な電磁波（マイクロ波やRF波）の透過効率が変わります。
・厚すぎる場合: 電磁波の減衰が大きくなり、プラズマ密度が低下する。
・薄すぎる場合: プラズマがチャンバー外に漏れる可能性がある。 - ガスフローの乱れ
肉厚が不均一だとチャンバー内の空間が歪み、ガスの流れが乱れます。 - チャンバー耐久性の問題
石英が薄すぎる場合、高エネルギープラズマや腐食性ガスに耐えられず、チャンバーの寿命が短くなります。 - パーティクル発生の増加
薄い石英部分がプラズマや熱応力で損傷しやすくなり、剥離や摩耗によってパーティクルが発生する可能性があります。 - 温度分布の変化
肉厚の変化がチャンバー内の熱伝導特性に影響を与え、ウェハー表面の温度分布にばらつきが生じます。
・厚すぎる場合: 温度が均一に伝わらず、局所的な加熱や冷却が発生。
・薄すぎる場合: 熱が急激に逃げることで温度制御が不安定になる。 - プロセス再現性の低下
肉厚が不均一だとチャンバー内の反応環境（プラズマ密度、ガス濃度、温度）が変動しやすく、同じレシピでも異なる結果が生じます。 - 副生成物の堆積リスク
厚い石英部分があるとガスの流れが停滞しやすく、反応生成物が内壁に堆積する可能性があります。 - エッチング速度のばらつき
肉厚の変化によりプラズマのエネルギー分布が変わり、エッチング速度がウェハーの位置によって異なる可能性があります。 - 光透過性の劣化
石英の厚みが増えると透過する光や電磁波の強度が減少し、プラズマ生成効率が低下します。 - 機械的強度の偏り
肉厚が薄い部分は熱膨張や衝撃に弱く、ひび割れや破損が発生しやすくなります。
このように石英チャンバーの「肉厚」の状態は歩留まりに影響を与えることがあります。
石英チャンバーの製作時に図面の指定通りに製作しても使用しているうちにプラズマやエッチングガスによる摩耗の進行などにより少しずつ肉厚の状態は変化してきます。
これらの問題を軽減するためには、定期的な形状検査や摩耗状態のモニタリングなどをおこなっていく必要があります。
特に図２の肉厚※１と※２では※２のところの肉厚が薄くなりがちです。ここが薄くなると特にプラズマによるエッチングが促進されチャンバー寿命が短くなります。
このように「球面の状態」と「肉厚」が均一であることはドライエッチング工程の安定性を高め歩留まり向上には欠かせない要素ですので、確り管理していくことが求められます。
４．最後に
ドライエッチング工程では「石英チャンバー」が重要な役割を果たしており、「石英チャンバー」が歩留まりに与える影響について考えてきました。
特に歩留まりに影響を与える「チャンバー内部の球面の状態」と「チャンバーの肉厚」については「石英の加工技術」に依存する部分が多いため、本ブログで特に取り上げてみました。
チャンバー内部の球面の状態をきれいな球面（凸凹が無く滑らかな状態）で指定されたRの形状になっていないとエッチングが均一にできないこともあります。
この内面をきれいな球面にする、あるいは、肉厚を均一に保ち指定の形状に加工するには高度な技術と経験が必要です。
近年は自動化も進みつつある石英の加工ですが、まだまだ高い加工技術を持った職人により製造されている部分も多く残されており、職人の経験と技術が石英チャンバーの製造を支えています。
我々「石英加工.com」では、多くの経験と高い技術を持った工場のネットワークを多数有しており石英チャンバーの製造と供給を安定的に支えています。
しかし「石英チャンバーの加工」においての課題もあります。それは消耗品である「石英チャンバー」を安定的に安価に納入していくことです。
そのための方策として、チャンバーの形状を職人による加工技術だけに頼ることなく、「金型」のような「型」を用いて比較的容易に製造ができ、短納期で安価に製造ができる技術の開発もされてきており実用化も近づいています。
日々進化する半導体の製造工程に合わせて「石英加工の技術」も日々進化していかなくてはなりません。
「石英加工.com」では加工職人の技術の向上、・継承はもちろん、製造の自動化・効率化、精密加工に対応した検査設備やその体制などを整えて、お客様からのご要望に日々お応えしていきたいと考えております。
加工についてご質問などがございましたらこちらからお寄せください。