エッチングとは？半導体で膜を削る工程の目的とウェット・ドライの違いをわかりやすく解説【エッチング3級・第1講】

この記事でわかること

• ① エッチングとは何か
• ② なぜ削るのか
• ③ ウェットとドライ
• ④ 等方性と異方性
• ⑤ 削る量と後始末

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① エッチングとは、レジストの形を膜に写す工程

大事なポイント：レジストで守られていない部分の膜を削り、レジストの形を、下の膜に写します。

この講で最初に出てくる3つの用語から、説明します。ウェハは、半導体の材料（多くはシリコン）でできた、薄い円盤です。膜は、ウェハの表面につくる薄い層で、厚さは数nm〜数µmです（1µm＝1000nm、1nmは10億分の1メートルです）。レジストは、光に反応する樹脂の膜で、削りたくない部分を守る「ふた」の役目をします。このような覆いを、一般にマスクと呼びます。

エッチングは、次の手順の3番目にあたります。

1. ウェハの上に、削りたい膜（たとえば酸化膜）をつけます。
2. その上にレジストを全面に塗ります。次に、露光（光を当てて、形を焼きつける）と現像（薬液で、不要な部分を洗い流す）を行い、残したい形にします。
3. エッチングで、レジストのない所の膜だけを削ります。
4. 役目を終えたレジストを取り除きます。

露光と現像は、フィルム写真に近い考え方です。写真は、フィルムに光を当てて（露光）、薬液で絵を浮かび上がらせます（現像）。レジストでも、光が当たった部分（種類によっては当たらない部分）が薬液に溶けるようになり、現像でその部分だけが洗い流されて、形が残ります。くわしくは、露光の講座で学びます。

エッチングは、膜を化学的に取り除く工程です。レジストがある所は守られて膜が残り、ない所は削られます。その結果、レジストにつくった形が、そのまま膜の形になります。

身近なたとえでは、型紙（ステンシル）を置いて、その上からスプレーを吹き、型紙のない所だけ色をつける作業に似ています。エッチングは、色をつける代わりに、型紙のない所の膜を取り除く作業です。型紙が正確なら、できあがる形も正確になります。そのため、エッチングでは、レジストの形をどれだけ正しく膜に写せるかが、いちばんの課題になります。

② なぜ「削る」工程が要るのか

大事なポイント：レジストの形は、一時的なものです。回路の部品にするには、その形を、残る膜に写す必要があります。

前の工程で、レジストに形を描きました。しかし、レジストは最後に取り除かれる仮のふたで、回路の部品にはなりません。回路として使われるのは、絶縁のための酸化膜や、電気を通す膜など、最後まで残る膜です。その膜に形をつけるのが、エッチングです。

たとえば、二酸化ケイ素（SiO₂、酸化膜）は、ウェットではバッファードフッ酸（BHF）という薬液で、ドライではCHF₃というガスで削られます。窒化シリコン（Si₃N₄）も、CHF₃で削れます。シリコンそのものは、SF₆というガスで削れます。このように、膜の種類ごとに、削る方法が決まっています。具体的な方法は、第2講から順に学びます。

回路は、膜をつけて、削って、また別の膜を重ねて、削る、というくり返しでできています。そのため、エッチングは、半導体づくりの中で何度も出てくる、基本の工程です。

もう1つ大事なのは、「削ってよい膜」と「削ってはいけない膜」が、ウェハの上には同時にあることです。たとえば、酸化膜を削りたいときに、その下のシリコンまで削ってしまっては困ります。そのため、エッチングは、ただ削るだけでなく、削る相手を選べることが重要です。この「選べる度合い」は、第4講で選択比として学びます。

③ ウェットとドライ：液体で溶かすか、気体で削るか

大事なポイント：エッチングは、薬液で溶かす「ウェット」と、プラズマで削る「ドライ」の2種類に大きく分かれます。

ウェットエッチングは、酸やアルカリなどの薬液に、ウェハを浸して、膜を溶かす方法です。身近な例では、錆びた金属を酸で溶かすのと、考え方は同じです。

では、なぜウェットは横にも広がるのでしょうか。薬液は液体なので、決まった向きを持たず、膜に触れた所ならどこでも、同じ化学反応で溶かします。上から溶かして穴ができると、その穴の側面（かべ）にも薬液が触れるため、側面も溶けて、横へ広がります。レジストの縁の下に薬液がしみこむことでも、食い込みは進みます。これに対してドライは、電気の力で、イオン（電気を帯びた粒）を縦方向に加速してウェハにぶつけられるため、縦に削りやすくなります。くわしくは、第3講と第4講で学びます。

ドライエッチングは、真空の容器の中に、ガスを入れ、電気の力でプラズマ（電気を帯びた粒が混ざった、光る気体）にして、膜を削る方法です。プラズマについては、第3講でくわしく学びます。

歴史を振り返ると、ウェットは1980年代後半に、ドライのプラズマエッチングに置きかえられていきました。現在の、非常に細かい回路をつくる工程では、ウェットはほとんど使われず、ドライが中心です。その理由は、次の節の「削られる形」にあります。ただし、ウェットが役に立つ場面は、今も残っています。その例は、第2講で説明します。

2つの違いを、先に大まかにまとめます。ウェットは、装置が単純で、薬液に浸すだけなので、始めやすい方法です。一方で、削られる形が、横にも広がりやすい欠点があります。ドライは、装置が大がかりですが、削る向きや強さを、電気の力で調整できます。

④ 等方性と異方性：削られた形が、どう違うか

大事なポイント：横にも削れるのが等方性、縦にだけ削れるのが異方性です。細かい回路には、異方性が向いています。

等方性は、「どの方向にも同じ」という意味で、エッチングでは、全方向に同じ速さで削れることです。異方性は、「方向によって違う」という意味で、ここでは、縦方向だけ（ウェハに垂直な方向）に削れることです。

等方性のエッチングでは、膜は下へ削られるだけでなく、横にも削られます。すると、レジストの下の膜にも、横から食い込みが入ります。この食い込みをアンダーカット（バイアスとも呼ぶ）といいます。レジストで形を描いたのに、膜がそれより細くなってしまうわけです。

薬液を使うウェットエッチングは、ふつう等方性で、厚い膜ほど、このずれが大きくなります。プラズマを使うドライは、等方性にも異方性にもできます。そのうえで、現在のエッチングは、鋭く、制御しやすい形をつくれる異方性が好まれます。回路の線は細く、すき間も狭いので、横に食い込まれると、設計どおりの太さにならないためです。

⑤ どれだけ削るか、そして後始末

大事なポイント：削る量は、エッチレート×時間で決まります。削り終えたら、レジストを取り除きます。

エッチレートは、1分あたり何nm削れるか、という速さです（単位はnm/分）。膜厚が300nmで、エッチレートが100nm/分なら、300 ÷ 100 ＝ 3分で削りきれます。時間を決めて止める方法は、いちばん単純なやり方です。ただし、エッチレートが変わったり、膜厚にばらつきがあったりすると、止めるタイミングがずれます。この問題は、第4講と第5講で扱います。

削り終わったら、レジストを取り除きます。方法の1つは、酸素のプラズマを使うものです。酸素のプラズマが、レジストと結びついて灰のようになり、真空ポンプで排気されます。これをアッシング（灰化）といいます。

次の講からは、この3番目の工程の中身を、ウェット（第2講）、ドライ（第3講）の順に学びます。

この講のまとめ

次の講では、ウェットエッチングで、薬液がどのように膜を削り、どんな形ができるのかを学びます。

ことばのおさらい

• ウェハ：半導体の材料でできた、薄い円盤です。
• 膜：ウェハの表面につくる、薄い層です。
• レジスト・マスク：削りたくない部分を守る覆いです。レジストは、光に反応する樹脂の膜です。
• エッチング：膜を削って、レジストの形を膜に写す工程です。
• 等方性・異方性：全方向に同じ速さで削るのが等方性、縦だけ削るのが異方性です。
• アンダーカット：マスクの下に、横から食い込んで削れることです。
• エッチレート：1分あたりに削れる膜厚（nm/分）です。

よくある誤解

Q. エッチングで、レジストは回路の部品になるのですか？

いいえ。レジストは削るあいだ膜を守る仮のふたで、あとで取り除かれます。回路になるのは、形を写された膜です。

Q. ウェットは古くて、今はまったく使われないのですか？

いいえ。細かい回路をつくる工程の中心はドライですが、ウェットが役に立つ場面も残っています。その例は、第2講で説明します。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Etching (microfabrication)」（目的、マスク、ウェットとドライ、等方性と異方性、BHFやCHF3など）
• Wikipedia「Isotropic etching」（等方性、アンダーカット）
• Wikipedia「Plasma ashing」（酸素プラズマによるレジスト除去）
• Wikipedia「Photoresist」（マスクとしてのレジスト）
• Wikipedia「Reactive-ion etching」（SF6がシリコンに使われること）

エッチレートの計算、nmとµmの換算、アンダーカットの見積もりの式は、一般的な知識にもとづく目安です。「SF6でシリコンを削る」は参考資料の記載にもとづきます。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。