エッチング（微細加工）

エッチングは微細加工において、製造中にウェーハの表面から層を化学的に除去するために使用されます。エッチングは製造において非常に重要なプロセス モジュールであり、すべてのウェーハは完成するまでに多くのエッチング ステップを経ます。

多くのエッチング工程では、エッチングに抵抗する「マスキング」材料によって、ウェーハの一部がエッチング剤から保護されます。場合によっては、マスキング材料はフォトリソグラフィーを使用してパターン化されたフォトレジストです。その他の状況では、シリコン窒化物などのより耐久性のあるマスクが必要です。

エッチング剤の基本的な 2 つのタイプは、液相 (「ウェット」) とプラズマ相 (「ドライ」) です。これらにはそれぞれいくつかの種類があります。

最初のエッチングプロセスでは、液相（「ウェット」）エッチング剤が使用されました。このプロセスは現在ではほぼ時代遅れですが、1980 年代後半にドライプラズマエッチングに取って代わられるまで使用されていました。^{[1] : 147}ウェハーはエッチング剤の浴槽に浸漬することができ、良好なプロセス制御を実現するには攪拌する必要があります。たとえば、緩衝フッ化水素酸（BHF）は、シリコン基板上の二酸化シリコンをエッチングするのによく使用されます。

エッチングされた表面の特性を評価するために、さまざまな特殊なエッチング剤を使用できます。

ウェットエッチング液は通常等方性であるため、厚膜をエッチングする際に大きな偏りが生じます。また、大量の有毒廃棄物の処理も必要になります。これらの理由から、ウェットエッチング液は最先端のプロセスではほとんど使用されません。ただし、フォトレジストに使用される写真現像液はウェットエッチングに似ています。

浸漬の代替として、シングル ウェーハ マシンではベルヌーイの原理を使用して、エッチング剤がもう一方の面に塗布される間、ウェーハの片面をクッションおよび保護するためにガス (通常は純粋な窒素) を使用します。これは前面または背面のどちらにも実行できます。エッチング剤はマシン内にあるときに上面に塗布され、下面は影響を受けません。このエッチング方法は、ウェーハが通常ウェーハのバックグラインド後に非常に薄くなり、熱または機械的ストレスに非常に敏感になる「バックエンド」処理 ( BEOL ) の直前に特に効果的です。わずか数マイクロメートルの薄い層をエッチングするだけで、バックグラインド中に生成された微小な亀裂が除去され、ウェーハは破損することなく強度と柔軟性が劇的に向上します。

一部のウェットエッチング剤は、露出する結晶面に応じて結晶材料を非常に異なる速度でエッチングします。単結晶材料 (シリコン ウェーハなど) では、この効果により、図に示すように非常に高い異方性が可能になります。「結晶エッチング」という用語は、「結晶面に沿った異方性エッチング」と同義です。

しかし、ガラスのような一部の非結晶材料では、異方性エッチングを行う非従来的な方法があります。^[2]著者らは、エッチング非エッチング溶液を含むマルチストリーム層流を使用してガラス溝を作製します。中央のエッチング溶液は非エッチング溶液に挟まれており、エッチング溶液と接触する領域は周囲の非エッチング溶液によって制限されます。そのため、エッチング方向は主にガラス表面に対して垂直になります。走査型電子顕微鏡(SEM) 画像は、従来の理論的限界であるアスペクト比 (幅/高さ = 0.5) を破り、2 倍の改善 (幅/高さ = 1) に貢献していることを示しています。

シリコンには異方性ウェットエッチング剤がいくつか利用可能で、すべて高温水性苛性アルカリです。たとえば、水酸化カリウム(KOH) は、<111> 方向よりも <100> 結晶方向で 400 倍高いエッチング速度選択性を示します。EDP (エチレンジアミンとピロカテコールの水溶液)は、17 倍の <100>/<111> 選択性を示し、KOH のように二酸化シリコンをエッチングせず、また、低濃度ドープシリコンと高濃度ホウ素ドープ (p 型) シリコンの間で高い選択性を示します。CMOS集積回路がすでに組み込まれているウェーハにこれらのエッチング剤を使用する場合は、回路を保護する必要があります。KOH は二酸化シリコンに移動性カリウムイオンを導入する可能性があり、EDPは腐食性と発がん性が強いため、使用には注意が必要です。テトラメチルアンモニウム水酸化物(TMAH) は、シリコンの {100} 面と {111} 面の間で 37 倍の選択性を示し、EDP よりも安全な代替品です。

マスク材料の長方形の穴（シリコン窒化物層の穴など）を通して（100）シリコン表面をエッチングすると、平坦な傾斜した{111}配向の側壁と平坦な（100）配向の底部を持つピットが作成されます。{111}配向の側壁は、ウェーハの表面に対して次の角度を持ちます。

${\displaystyle \arctan {\sqrt {2}}=54.7^{\circ }}$

エッチングを「完了」まで、つまり平らな底が消えるまで続けると、ピットは V 字型の断面を持つ溝になります。元の長方形が完全な正方形だった場合、エッチングを完了するとピットはピラミッド型になります。

マスキング材の端の下の アンダーカットδは次のように表されます。

${\displaystyle \delta ={\frac {{\sqrt {6}}D}{S}}={\frac {{\sqrt {6}}R_{100}T}{R_{100}/R_{111}}}={\sqrt {6}}TR_{111}}$、

ここで、R _xxxは <xxx> 方向のエッチング速度、Tはエッチング時間、Dはエッチング深さ、S は材料とエッチング剤の異方性です。

エッチング剤によって異方性は異なります。以下はシリコン用の一般的な異方性エッチング剤の表です。

現代の超大規模集積回路(VLSI) プロセスでは、ウェット エッチングを避け、代わりにプラズマ エッチングを使用します。プラズマ エッチング装置は、プラズマのパラメータを調整することで、いくつかのモードで動作できます。通常のプラズマ エッチングは、0.1 ～ 5 Torrで動作します。(真空工学で一般的に使用されるこの圧力の単位は、約 133.3パスカルに相当します。) プラズマは、ウェーハの表面で反応する、中性に帯電したエネルギーの高いフリーラジカルを生成します。中性粒子はあらゆる角度からウェーハを攻撃するため、このプロセスは等方性です。

プラズマ エッチングは等方性、つまりパターン化された表面での横方向のアンダーカット率が下方向のエッチング率とほぼ同じになることもあれば、異方性、つまり横方向のアンダーカット率が下方向のエッチング率よりも小さいこともあります。このような異方性は、深掘り反応性イオン エッチング(DRIE) で最大化されます。プラズマ エッチングにおける異方性という用語の使用は、方向依存エッチングを指す同じ用語の使用と混同しないでください。

プラズマの原料ガスには通常、塩素やフッ素を多く含む小分子が含まれています。たとえば、四塩化炭素(CCl ₄ ) はシリコンとアルミニウムをエッチングし、三フッ化メタンは二酸化ケイ素と窒化ケイ素をエッチングします。酸素を含むプラズマはフォトレジストを酸化(「灰化」) して除去しやすくするために使用されます。

イオンミリング、またはスパッタエッチングでは、10 ⁻⁴ Torr (10 mPa)ほどの低圧を使用します。この方法では、 Ar ⁺などの希ガスの高エネルギーイオンをウェハーに照射し、運動量を移動させて基板から原子を叩き出します。エッチングはイオンによって行われ、イオンはほぼ一方向からウェハーに近づくため、このプロセスは異方性が非常に高くなります。その一方で、選択性は低くなる傾向があります。反応性イオンエッチング(RIE) は、スパッタエッチングとプラズマエッチングの中間の条件 (10 ⁻³～ 10 ⁻¹ Torr)で動作します。深掘り反応性イオンエッチング(DRIE) は、RIE 技術を改良して深く狭い形状を生成します。

エッチングの目的が材料に空洞を作ることである場合、空洞の深さはエッチング時間と既知のエッチング速度を使用しておおよそ制御できます。ただし、多くの場合、エッチングでは、下層またはマスキング層を損傷することなく、多層構造の最上層を完全に除去する必要があります。エッチング システムがこれを実行できるかどうかは、2 つの材料のエッチング速度の比率 (選択性) によって決まります。

いくつかのエッチングはマスキング層をアンダーカットし、傾斜した側壁を持つ空洞を形成します。アンダーカットの距離はバイアスと呼ばれます。大きなバイアスを持つエッチング剤は、基板をすべての方向に均等に侵食するため、等方性と呼ばれます。現代のプロセスでは、鋭く制御された特徴を生成するため、 異方性エッチングが大いに好まれています。

• 化学機械研磨
• インゴット切断
• 金属支援化学エッチング
• リフトオフ（マイクロテクノロジー）

• Jaeger, Richard C. (2002)。「リソグラフィ」。マイクロエレクトロニクス製造入門(第 2 版) 。アッパー サドル リバー: Prentice Hall。ISBN 978-0-201-44494-0。
• 同書、「マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）のプロセス」

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