異方性と選択比とは？エッチングの形と削る相手の決まり方をわかりやすく解説【エッチング3級・第4講】

この記事でわかること

• ① 異方性の度合い
• ② 側壁を守って、まっすぐ掘る方法
• ③ 選択比
• ④ オーバーエッチと下地
• ⑤ マスクの選び方

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① 異方性の度合いを、数字で表す

大事なポイント：異方性は、縦に削る速さと、横に削る速さの比で表せます。横が遅いほど、まっすぐな壁になります。

第1講で、異方性とは「縦だけに削れること」と学びました。ただし、現実のエッチングで、横がまったく削れないことは、まれです。そこで、縦に削る速さに対して、横にどれだけ削れるかで、異方性の「度合い」を表します。

縦のエッチレートを R_縦、横のエッチレートを R_横 とすると、次のように表せます（これは、考え方を示す目安の式です）。

A ＝ 1 − R_横 ÷ R_縦

横が0なら A＝1（完全な異方性）、横と縦が同じなら A＝0（等方性）です。たとえば、縦が100nm/分、横が10nm/分なら、A＝1 − 10 ÷ 100 ＝ 0.9 です。

異方性の度合いは、側壁の角度にも表れます。参考資料には、DRIE（第2節で説明する深い穴を掘る方法）で、壁が90°に近い形ができ、実際には、88°や92°のわずかな傾きがつくことが多い、と書かれています。壁の傾きが数度でも、深い穴では、底の幅が、設計とずれていきます。異方性は、『ある・なし』ではなく『どれだけ』で考えます。

横に削れる量が分かれば、アンダーカットも見積もれます。横の食い込み（片側）は、R_横 × 削る時間です。膜厚が500nm、縦が100nm/分なら、削る時間は5分で、横が10nm/分なら、片側に 10 × 5 ＝ 50nm食い込みます。

② 側壁を守って、まっすぐ掘る：Bosch法

大事なポイント：保護膜で側壁を守りながら、底だけを削ると、深くてまっすぐな穴が掘れます。

垂直な壁をつくる方法の1つが、側壁保護です。穴の側壁に、薄い保護膜をつけ、ラジカルから守ります。一方、底の保護膜は、真上から飛んでくるイオンに壊されるので、底だけが削れます。

これを、はっきりした手順にしたのがBosch法です。深い穴を掘るDRIE（深掘り反応性イオンエッチング）の代表的な方法で、次の手順をくり返します。

1. SF₆のプラズマで、シリコンを下へ削ります。
2. C₄F₈のガスで、壁と底に、テフロンに似た保護膜をつけます。
3. イオンが、底の保護膜を壊し、下のシリコンがむき出しになります。①へ戻ります。

この方法には、特徴的な副作用があります。2つの段階をくり返すので、側壁が約100〜500nmの振幅で波打ちます。サイクルを短くすると壁がなめらかに、長くすると削る速さが上がります。なめらかさと速さの、どちらを取るかは、サイクルの長さで決まります。

この方法で、アスペクト比（穴の深さ ÷ 幅）が30以上の、細くて深い穴も掘れます。たとえば、深さ0.5mm（500µm）を掘るには、100〜1000回のくり返しが必要です。

▶ 外部の参考ページ：Bosch法（保護と削りの交互のくり返し）と、側壁の波打ちを扱った論文（Micromachines誌・英語）

③ 選択比：削りたい膜だけを削る度合い

大事なポイント：選択比は、削りたい膜と、削りたくない膜の、エッチレートの比です。大きいほど、相手を選べています。

ウェハの上には、削りたい膜のほかに、削りたくない膜（下地やマスク）があります。そこで、選択比を使います。選択比は、削りたい膜のエッチレートを、削りたくない膜のエッチレートで割った値です。参考資料でも、選択性は「2つの材料のエッチレートの比」で決まると書かれています。

選択比 ＝ 削りたい膜のレート ÷ 削りたくない膜のレート

たとえば、シリコンが300nm/分、酸化膜が3nm/分なら、選択比は 300 ÷ 3 ＝ 100 です。選択比が大きいほど、削りたくない膜が残ります。

選択比は、「どの膜」を「どの膜」より選ぶか、の組み合わせごとに決まります。同じガスでも、削る膜が変われば、値は変わります。また、第3講のイオンミリングは、物理的に弾き飛ばすので、膜を選べず、選択比が低くなります。逆に、第2講のBHFは、シリコンの上の酸化膜を狙って、選べる組み合わせでした。

④ オーバーエッチと、下地を守る選択比

大事なポイント：膜を削りきる時間より、少し長く削ることを、オーバーエッチといいます。そのあいだ、下地を守るのが選択比です。

ウェハの上の膜の厚さは、場所によってわずかにばらつきます。削る速さにも、ばらつきがあります。もし、ちょうど削りきる時間で止めると、薄い所はよくても、厚い所に膜が残ります。そこで、削りきる時間より少し長く削ります。これがオーバーエッチです。

具体的な数字で考えてみます。膜厚が400nm、エッチレートが200nm/分、オーバーエッチが20％、選択比が50だとします。次の順に計算します。

1. 削りきる時間を求める：400 ÷ 200 ＝ 2分。
2. 20％のオーバーエッチを足す：2 × 1.2 ＝ 2.4分。
3. 下地のエッチレートを、選択比から求める：選択比50なら、200 ÷ 50 ＝ 4nm/分。
4. オーバーエッチの間に削られる下地：4 × (2.4 − 2) ＝ 1.6nm。

下地が十分に厚ければ、1.6nmは問題になりません。しかし、下地が数nmほどの薄い膜なら、話が変わります。下地が薄いほど、高い選択比が必要です。選択比が10なら、下地は 20 × 0.4 ＝ 8nm削られ、5nmの下地は突き抜けてしまいます。

⑤ マスクも削られる：マスクの選び方

大事なポイント：マスクも少しずつ削られます。深く掘るほど、厚いマスクや、削られにくいマスクが必要です。

選択比は、下地だけでなく、マスクにも関係します。レジストなどのマスクも、プラズマにさらされて、少しずつ削られます。マスクが途中でなくなると、守っていた膜まで削られてしまいます。マスクの減りは、次の式で見積もれます。

マスクの減り ＝ 掘る深さ ÷ （シリコンとマスクの選択比）

たとえば、深さ50µmを、マスクに対する選択比50で掘ると、マスクは 50 ÷ 50 ＝ 1µm減ります。マスクの厚さが2µmなら、足りますが、選択比が20なら、50 ÷ 20 ＝ 2.5µm減り、足りません。

深い穴ほど、削られにくいマスクが必要です。参考資料では、深さ10〜50µmほどなら、ポリシリコンやニッケルのマスクが向くと書かれています。一方で、金属のマスクは、写真を使う工程と、膜をつける工程が増えるので、費用がかかります。そこで、化学増幅型のネガ型レジストを使って、金属マスクなしで、より深く（シリコンで約800µmまで）掘る方法もあります。掘る深さと、マスクの選択比から、マスクの厚さと材料を決めます。

次の講では、こうして条件を決めて削っていくとき、いつ止めるのか、削り方でどんな不具合が出るのかを学びます。

この講のまとめ

次の講では、いつ削るのを止めるのか（終点検出）と、よくある不具合を学びます。

ことばのおさらい

• 異方性の度合い：縦に対する横のエッチレートの比で考える目安です。
• 側壁保護：穴の側壁に保護膜をつけて、横に削れるのを防ぐことです。
• Bosch法：エッチングと保護膜づくりを交互にくり返す、深掘りの方法です。
• アスペクト比：穴の深さを、幅で割った値です。
• 選択比：削りたい膜と、削りたくない膜の、エッチレートの比です。
• オーバーエッチ：削りきる時間より、少し長く削ることです。

よくある誤解

Q. 選択比は、ガスで決まる、1つの値ですか？

いいえ。どの膜とどの膜の組み合わせか、条件がどうか、で値が変わります。

Q. オーバーエッチは、できるだけ短くしたほうがよいのですか？

はい、下地を守るためには短いほうがよいです。ただし、残りを確実に削りきるために、ある程度の余裕が必要です。そのため、選択比を大きくして、余裕をつくります。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Deep reactive-ion etching」（Bosch法、保護膜、波打ち、アスペクト比、マスク、側壁角度）
• Wikipedia「Etching (microfabrication)」（選択性の定義、異方性、イオンミリング）
• Wikipedia「Reactive-ion etching」（RIEのイオンの向きと異方性）
• Gerlt ほか「Reduced Etch Lag and High Aspect Ratios by Deep Reactive Ion Etching (DRIE)」Micromachines 2021（Bosch法、波打ち）

異方性の度合いAの式、オーバーエッチの計算、マスクの減りの式は、一般的な知識にもとづく目安です。「保護膜が側壁をラジカルから守る」という説明は、参考資料の記載を、初心者向けに言い換えたものです。図は、記事用に描いた簡易の図です。数値の計算例は、説明用の仮の値です。