ドライエッチングの仕組みとは？プラズマとRIE（反応性イオンエッチング）をわかりやすく解説【エッチング3級・第3講】

この記事でわかること

• ① プラズマとは
• ② 電子、イオン、ラジカル
• ③ なぜ真空の容器の中で削るのか
• ④ ドライエッチングの3つのタイプ
• ⑤ イオンを縦に引き寄せるしくみ

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① プラズマとは、電気を帯びた粒が混ざった気体

大事なポイント：プラズマは、気体の一部が電子とイオンに分かれて、電気をよく通すようになった状態です。

水は、冷やすと氷（固体）になり、温めると水蒸気（気体）になります。気体をさらに強いエネルギーで刺激すると、分子や原子から電子が飛び出し、電子と、電子を失って＋の電気を帯びたイオンに分かれます。このような状態をプラズマといい、固体、液体、気体に続く、「第4の状態」と呼ばれます。

プラズマには、大事な特徴が2つあります。1つ目は、電気をよく通すことです。電子とイオンが動き回れるからです。2つ目は、全体としては、＋と−の量がほぼ釣り合っていることです。そのため、プラズマの塊が、強く電気を帯びるわけではありません。

半導体の工場で使うプラズマは、気体のごく一部だけが電離した、「弱く電離した」プラズマです。この場合、イオンの温度は室温に近いままで、電子だけが数千K（ケルビン、絶対温度）にもなることがあります。軽い電子は動きやすく、エネルギーを受け取りやすいので、電子だけが熱くなるのです。ウェハが熱くなりすぎない理由は、ここにあります。

② プラズマの中の3つの粒：電子、イオン、ラジカル

大事なポイント：電子が気体の分子にぶつかると、反応しやすい粒（ラジカル）と、イオンができます。これが膜を削ります。

プラズマの中では、速く動く電子が、気体の分子や原子にぶつかります。ぶつかると、分子が光を出す（励起）、分子がこわれて、かけらになる（分解）、電子が弾き飛ばされて、イオンになる（電離）、のどれかが起きます。

ここで、新しい言葉を2つ説明します。ラジカルは、分子がこわれてできた、電気を帯びていない原子や分子のかけらです。ふつうの分子と違い、相手と結びつきやすい性質があります。イオンは、電子を失って＋の電気を帯びた粒です。

エッチングに使われるのは、この2つです。プラズマエッチングの反応に関わる粒は、「イオン」の場合も、「中性の原子やラジカル」の場合もあります。たとえば、フッ素を含むガスを使うと、フッ素のラジカルができ、それがシリコンと結びつきます。このとき、室温でも気体になる物質（揮発性の生成物）ができると、膜は気体として運び去られます。プラズマを使わなければ、同じ反応を起こすには、もっと高い温度が必要です。

③ なぜ真空の容器の中で削るのか

大事なポイント：プラズマは、圧力を下げた容器の中で、安定して光り続けます。圧力は、削り方にも関わります。

ドライエッチングは、ウェハを入れた容器の空気を抜いて、圧力をとても低くします。そのあとで、少量の反応ガスを入れて、削ります。圧力を表す単位には、Pa（パスカル）やTorr（トール）があり、1 Torr ≈ 133 Paです。大気圧は、約760 Torr（約10万Pa）です。

参考資料の数字は、記事によって範囲が違います。プラズマエッチングの記事は、低圧プラズマの圧力を100 Pa未満としています。別の記事は、一般的なプラズマエッチングを0.1〜5 Torr（約13〜670 Pa）、後で出る、イオンとラジカルを組み合わせた方式（RIE）を0.001〜0.1 Torr（約0.13〜13 Pa、数mTorr〜数百mTorr）としています。方式や装置によって、圧力は変わります。どれも、大気圧の約150分の1（5 Torr）以下という、とても薄い気体の中で削ります。

圧力を低くする理由の1つは、粒がぶつかる回数を減らし、プラズマを安定して保つためです。もう1つは、イオンが、途中で他の粒にぶつからず、ウェハまで飛んでくるようにするためです。圧力が低いほど、イオンはまっすぐ飛びやすくなります（この点は一般的な考え方で、第5節で使います）。

④ ドライエッチングの3つのタイプ

大事なポイント：ドライは、ラジカルで削るタイプ、イオンで削るタイプ、両方を組み合わせた方式（RIE）に分けて考えられます。

ラジカルは電気を帯びていないので、電気の力で向きをそろえられず、あちこちへ飛びます。そのため、ラジカルだけで削ると、横にも削れる、等方的になりがちです。

イオンは電気を帯びているので、電圧をかけて、向きをそろえることができます。イオンミリング（スパッタエッチング）は、イオンをウェハにぶつけて、膜を物理的に弾き飛ばす方法です。圧力は10⁻⁴ Torrほどにも下げて行い、非常に異方的です。ただし、削る相手を選ぶ度合い（選択比）が低いことが、欠点です。

この2つを組み合わせたのが、反応性イオンエッチング（RIE）です。縦に飛ぶイオンと、反応しやすいラジカルが、一緒にはたらきます。圧力は0.001〜0.1 Torrで、縦に削れて、相手も選びやすいので、現在の細かい回路づくりの中心です。

削る膜に合わせて、ガスを選びます。参考資料では、シリコンにはSF₆、酸化膜と窒化膜にはCHF₃、レジストの除去には酸素のプラズマ、が挙げられています。

▶ 外部の参考ページ：反応性イオンエッチング装置の例と、使うガスの種類（大学の共用施設のページ・英語）

⑤ RIEは、イオンを縦に引き寄せて削る

大事なポイント：RIEは、電圧でイオンを下へ引き寄せ、ほぼ垂直にウェハへ当てます。そのため、縦に削れます。

反応性イオンエッチング（RIE）のしくみは、次の順に進みます。

1. 真空の容器に、反応ガスを入れます。
2. 周波数13.56MHzの高周波を、数百Wかけて、ガスをプラズマにします。
3. ウェハを置いた電極に、電子がたまり、負の電圧（自己バイアス）が、数百Vほど生まれます。
4. ＋のイオンが、この負の電圧に引き寄せられ、ウェハへほぼ垂直に当たります。
5. イオンが当たった底の部分で、ラジカルによる反応が進み、膜が削れます。

これが、RIEが縦に削れる理由です。イオンは、真上から飛んでくるので、側面にはほとんど当たりません。参考資料にも、「ほぼ垂直にイオンが届くので、とても異方的な形になる」と書かれています。ウェットのような、丸く広がる形にはなりません。

▶ 外部の参考ページ：反応性イオンエッチングの原理と、ICPエッチング装置の例（大学のクリーンルーム装置案内・日本語）

なお、誘導結合プラズマ（ICP）という方式では、とても高い密度のプラズマをつくれますが、形は等方的になりやすくなります。そこで、ICPを「イオンをつくる部分」として使い、別にウェハの電極へ電圧をかけて、異方性を確保する方式もあります。 ▶ 2級でくわしく

安全のひとこと：ドライエッチングでは、毒性や腐食性のある反応性ガスを使います。工場では、専用の設備と決まりで厳重に管理されます。取り扱いは、必ず職場の決まりとSDS（安全データシート）に従います。

この講のまとめ

次の講では、縦に削る度合い（異方性）と、削りたい膜だけを削る度合い（選択比）が、どう決まるのかを学びます。

ことばのおさらい

• プラズマ：気体の一部が、電子とイオンに分かれた状態です。
• ラジカル：電気を帯びていないが、反応しやすい原子や分子のかけらです。
• イオン：電子を失って、＋の電気を帯びた粒です。
• RIE：反応性イオンエッチング。イオンとラジカルの両方で削る方法です。
• 自己バイアス：電子がたまって、ウェハの電極に生まれる負の電圧です。
• Torr・Pa：圧力の単位です。1 Torr ≈ 133 Paです。

よくある誤解

Q. プラズマは、高温で、ウェハが熱くなるのですか？

いいえ。工場で使う弱電離のプラズマでは、イオンの温度は室温に近く、電子だけが高温です。

Q. ドライは、必ず異方性ですか？

いいえ。ラジカルだけで削ると等方的になりやすく、ICPも等方的になりやすいことがあります。異方性は、イオンの向きをそろえることで生まれます。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Plasma (physics)」（プラズマの定義、電子とイオンの温度の違い）
• Wikipedia「Plasma etching」（分子との衝突、イオンとラジカル、圧力100Pa未満、13.56MHz）
• Wikipedia「Reactive-ion etching」（RIEのしくみ、自己バイアス、圧力、ICP、SF6）
• Wikipedia「Etching (microfabrication)」（各方式の圧力、CHF3、酸素プラズマ、イオンミリング）
• Wikipedia「Plasma ashing」（酸素プラズマによるレジスト除去）
• Stanford Nano Shared Facilities「反応性イオンエッチング装置」のページ（RIE装置とガスの例）
• 東京大学 武田先端知スーパークリーンルーム「装置案内（膜加工・エッチング）」（RIEとICPエッチングの説明）

圧力の換算、周期とエネルギーの計算、「フッ素のラジカルがシリコンと結びつく」「ラジカルは向きがそろわず等方的になりやすい」「圧力が低いほどイオンがまっすぐ飛ぶ」は、一般的な知識にもとづく目安です。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。