マイクロ・ナノデバイスのエッチング技術

マイクロ・ナノデバイスのエッチング技術

Etching for Micro/Nano Fabrication

  • コスト面や生産性で優れるウエット、微細化に優れるドライ、そしてそれらの応用展開から構成される本書は、研究開発から生産現場まで広い範囲でお役に立てます!
  • 太陽電池におけるテクスチャー形成、3次元実装におけるTSV(シリコン貫通ビア)形成など、最新のエッチング技術を掲載!
  • 予想通りにエッチングができずにお困りなら、是非とも本書をご参考下さい!
価格 71,500円(税抜 65,000円) 出版社 シーエムシー出版
監修 式田光宏、佐藤一雄、田中浩 発行日 2009年10月
体裁 B5判、301ページ ISBNコード ISBN 978-4-7813-0167-9
Cコード C3043 商品コード T0708

発刊にあたって

マイクロナノ領域におけるモノづくりは付加加工、除去加工とから成る。付加加工では、蒸着、スパッタ、CVDなどの薄膜形成技術が、除去加工では、イオンビーム、エッチングなどが用いられる。半導体、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、太陽電池、フラットパネルなどの機能性デバイスを実現するには、デバイスに応じた構造体の形状定義が必要不可欠で、これを実現する手段がほかならぬ「エッチング技術」である。

本エッチング加工の最大の特徴は、「フォトリソグラフィー技術を組み入れることで、微細な構造体をバッチ処理で作製できる」ことである。すなわち、フォトリソグラフィーで加工形状を入力し、その後、エッチング加工で入力形状を深さ方向に展開することで、バッチ処理で微細構造体を実現できるようになる。本エッチング技術が、現在のマイクロナノ領域でのモノづくりを支える中心的な加工技術であると言っても過言ではない。

本書では、マイクロナノ領域でのモノづくりで、その中心的な役目を担っている「エッチング技術」に焦点を絞り、かつ、本技術を「基礎」から「応用」まで網羅的に捉えることに努めた。このために記載内容を大きく三つのカテゴリーに区分した。第一編と第二編では、それぞれ、ウエットエッチングとドライエッチングとにおける基礎的な事項を記載し、既に本加工技術を使用している研究者から、新たに本技術を使い始める研究者にも役立つことを目指した。また、エッチング技術を多方面に拡張できるようにと、紙面の許す限り半導体以外の材料も含めるよう努めた。第三編では、エッチング技術に+α追加することで、エッチング技術の更なる高機能化が図れるということを実例で示した。シンプルなエッチング技術に、スパイスを加えることで、いろいろなことが可能になるということを感じ取って頂きたい。最後に、本書がエッチング加工に携わる研究者にとって役立つことを願いつつ、本書を世に送る。

(「刊行にあたって」より)
2009年10月  名古屋大学 式田光宏

著者一覧

式田光宏
名古屋大学 大学院工学研究科 マイクロ・ナノシステム工学専攻 准教授
佐藤一雄
名古屋大学 大学院工学研究科 マイクロ・ナノシステム工学専攻 教授
田中 浩
(株)デンソー 生産技術開発部
外赤隆二
三菱ガス化学(株) 東京研究所 エレクトロニックケミカルズR&Dセンター 主任研究員
年吉 洋
東京大学 先端科学技術研究センター 教授
佐藤健二
エプソントヨコム(株) 開発技術統括部 商品開発部 主事
篠田和典
(株)日立製作所 中央研究所 ナノエレクトロニクス研究部 主任研究員
小国隆志
東レエンジニアリング(株) エレクトロニクス事業本部 ファインプロセス事業部 ファインプロセス機器部 CSグループ 技師
入江康郎
みずほ情報総研(株) サイエンスソリューション部 参事役
浅海和雄
みずほ情報総研(株) サイエンスソリューション部 シニアコンサルタント
林 俊雄
名古屋大学 プラズマナノ工学研究センター 特任教授
斧 髙一
京都大学 大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻 教授
大原淳士
(株)デンソー 基礎研究所 第3研究室 主任部員
寒川誠二
東北大学 流体科学研究所 教授
菅野公二
京都大学 大学院工学研究科 マイクロエンジニアリング専攻 助教
Tony O'Hara
MEMSSTAR Technology Senior Technologist
安部 隆
東北大学 大学院工学研究科 バイオロボティクス専攻 准教授
水野 潤
早稲田大学 ナノ理工学研究機構 准教授
栗林香織
東京大学 生産技術研究所;日本学術振興会 特別研究員-SPD
竹内昌治
東京大学 生産技術研究所 准教授
石谷 亨
(株)日立ハイテクノロジーズ 研究開発本部 シニアテクニカルアドバイザ
細谷克己
オムロン(株) エレクトロニクスコンポーネンツビジネスカンパニー セミコンダクタ統括事業部 マイクロデバイス事業部 開発部 MEMS開発課 主査
山下秀一
(株)デンソー 基礎研究所 担当部員
小出 晃
(株)日立製作所 機械研究所 第二部 マイクロ機構デバイスユニット ユニットリーダ
笠井 隆
オムロン(株) エレクトロニクスコンポーネンツビジネスカンパニー セミコンダクタ統括事業部 マイクロデバイス事業部 開発部 MEMS開発課 主事
佐々木 実
豊田工業大学 工学部 教授
田中秀治
東北大学 大学院工学研究科 ナノメカニクス専攻 准教授
西本陽一郎
三菱電機(株) 中津川製作所 太陽光発電システム部 セル開発課 専任
野沢善幸
住友精密工業(株) マイクロテクノロジー事業部 プロセス部 第1グループ グループ長

目次

【ウエットエッチング編】

第1章 ウエットエッチングの基礎佐藤一雄

  • 1. 概論
  • 2. 等方性エッチングの実際
  • 3. 結晶異方性エッチングの実際
  • 3.1 加工形状
  • 3.2 エッチング液とマスク材料

第2章 シリコン結晶異方性エッチングの基礎佐藤一雄

  • 1. エッチングメカニズム
  • 2. エッチング速度を決める主要因
  • 2.1 温度依存性
  • 2.2 溶液濃度依存性
  • 3. エッチング速度の異方性は溶液によって変化する
  • 3.1 エッチング異方性の評価方法
  • 3.2 液種によるエッチング異方性の変化
  • 3.3 溶液中の金属イオンの効果
  • 3.4 溶液中の界面活性剤、アルコールの効果
  • 4. エッチング寸法の制御技術
  • 4.1 ドーピングによるエッチストップ
  • 4.2 電気化学的効果とエッチストップ
  • 4.2.1 電気化学的ポテンシャルの効果
  • 4.2.2 エッチングストップ技術への応用
  • 4.3 SOI基板を利用した犠牲層エッチング、エッチストップ
  • 5. エッチング面の粗さ
  • 6. エッチングシミュレーション

第3章 エッチピットおよびマイクロピラミッド発生メカニズム式田光宏

  • 1. エッチピット発生メカニズムとその対策
  • 1.1 Si {100} 面における円形状エッチピットの発生
  • 1.1.1 円形状エッチピット形成モデル
  • 1.2 Si {111} 面におけるステップ状エッチピットの発生
  • 2. マイクロピラミッド発生メカニズムとその対策

第4章 エッチング液中の金属不純物および界面活性剤の影響田中浩

  • 1. はじめに
  • 2. エッチング液中の金属不純物の影響
  • 2.1 KOH水溶液中の金属不純物量
  • 2.2 ppbオーダの金属不純物がエッチング加工特性に与える影響
  • 2.2.1 調査方法
  • 2.2.2 エッチング速度への不純物の影響
  • 2.2.3 エッチング面粗さ、表面性状への不純物の影響
  • 2.2.4 エッチング寸法へのCu、Pbの影響
  • 2.3 金属不純物がエッチング加工特性に与える影響のメカニズム
  • 2.3.1 エッチング面の観察・分析
  • 2.3.2 Si球による全結晶方位依存性調査
  • 2.3.3 電気化学的考察に基づく不純物の作用メカニズム
  • 2.4 金属不純物Cuによる表面荒れの対策
  • 2.4.1 液中のCuの影響を低減する方法
  • 2.4.2 エッチング加工特性に及ぼすMgの影響
  • 2.4.3 Cuが混入した液へのMg添加効果
  • 2.4.4 エッチング面分析によるMg添加効果の確認
  • 3. エッチング液中の界面活性剤の影響
  • 3.1 界面活性剤(非イオン性)がエッチング加工特性に与える影響
  • 3.2 Si微細構造体製作への応用

第5章 エッチング加工の高速化

  • 1. 高速エッチング液外赤隆二
  • 1.1 はじめに
  • 1.2 アルカリ性水溶液中でのシリコンの溶解について
  • 1.3 溶解反応の速度について
  • 1.4 溶解反応速度の向上について
  • 1.5 触媒としてのヒドロキシルアミンの効果
  • 1.6 溶解反応の活性化エネルギーについて
  • 1.7 おわりに
  • 2. 高温による高速シリコン異方性エッチング田中浩
  • 2.1 はじめに
  • 2.2 エッチング律速過程に基づく高速化の考え方
  • 2.3 KOH水溶液での高温領域でのエッチング加工特性
  • 2.4 超高温による高速・平滑エッチング加工事例

第6章 SiO2犠牲層エッチング年吉洋

  • 1. 酸化膜を用いたMEMS犠牲層プロセス
  • 1.1 多結晶シリコン表面マイクロマシニングとSOIバルクマイクロマシニング
  • 1.2 シリコン酸化膜のエッチング反応
  • 2. 集積化MEMSのための酸化膜エッチング手法
  • 2.1 層間絶縁膜のマイクロマシニング
  • 2.2 高濃度フッ酸によるシリコン酸化膜エッチング
  • 2.3 飽和アルミイオンを含んだBHFによる酸化膜エッチング
  • 2.4 Pad-Etch
  • 3. スティクション対策
  • 3.1 プロセススティクションの防止
  • 3.2 フォトレジストのメッシュ構造を用いたドライリリース法
  • 3.3 フッ酸蒸気による酸化膜エッチング
  • 3.4 全気相処理によるスティクション防止と効果検証
  • 3.5 スティクションを積極的に利用したマイクロ組み立て方法

第7章 水晶における結晶異方性エッチング佐藤健二

  • 1. 水晶のウェットエッチング
  • 2. 水晶について
  • 2.1 水晶とは
  • 2.2 結晶構造
  • 2.3 人工水晶
  • 2.4 カット角と水晶振動子
  • 3. 水晶のウェットエッチングプロセス
  • 3.1 エッチャント
  • 3.2 エッチングレート
  • 3.3 水晶の基本的な工程
  • 4. まとめ

第8章 化合物半導体結晶のウェットエッチング篠田和典

  • 1. エッチング液
  • 2. エッチング形状
  • 3. GaAsのウェットエッチング
  • 4. InPのウェットエッチング

第9章 ポリイミド材におけるエッチング技術小国隆志

  • 1. はじめに
  • 2. ポリイミドのエッチング加工方法
  • 2.1 機械加工
  • 2.2 レーザー加工
  • 2.3 ケミカルエッチング
  • 2.4 まとめ
  • 3. エッチング加工プロセス
  • 3.1 エッチング用マスク工法
  • 3.1.1 ドライフィルムマスク工法
  • 3.1.2 銅マスク工法
  • 3.1.3 銅マスク工法(両面エッチング)
  • 3.2 エッチング進行の様子
  • 4. アプリケーション例
  • 5. エッチング液の物理特性とエッチング速度
  • 6. まとめ

第10章 エッチング・シミュレータ入江康郎、浅海和雄

  • 1. はじめに
  • 2. エッチング・シミュレータの研究開発
  • 3. 3次元エッチング形状シミュレータ FabMeister-ES
  • 3.1 解析システム
  • 3.2 解析システムの構成
  • 3.2.1 条件設定モジュール
  • 3.2.2 プロファイル計算モジュール
  • 3.2.3 結果表示モジュール
  • 3.2.4 エッチング速度データベース
  • 3.3 機能的特長
  • 4. 解析結果例
  • 5. エッチング・シミュレータの課題とまとめ

【ドライエッチング編】

第1章 ドライエッチングの基礎と各種パラメータの最適化林俊雄

  • 1. ドライエッチングの基礎
  • 1.1 ハロゲン化合物の物性
  • 1.2 エッチングプラズマの基礎
  • 2. パラメータの最適化

第2章 プラズマエッチングにおける表面反応機構斧髙一

  • 1. はじめに
  • 2. プラズマエッチング反応機構
  • 2.1 基板表面に入射する反応粒子
  • 2.2 エッチング表面反応過程
  • 2.3 微細パターン内の粒子輸送
  • 2.4 エッチングの微視的均一性・形状異常
  • 3. Siエッチング反応機構の研究
  • 3.1 MDシミュレーション
  • 3.2 形状進展シミュレーション
  • 4. おわりに

第3章 シリコン深堀エッチング

  • 1. ボッシュプロセスによるエッチング技術大原淳士
  • 1.1 はじめに
  • 1.2 従来技術
  • 1.3 ボッシュプロセスの原理と特徴
  • 2. 異方性保護膜形成法によるエッチング技術大原淳士
  • 2.1 はじめに
  • 2.2 異方性保護膜形成法の原理
  • 2.3 エッチング事例と今後の課題
  • 3. 中性粒子ビームによる究極のトップダウン加工寒川誠二
  • 3.1 序論
  • 3.2 新しい中性粒子ビーム生成装置
  • 3.3 極微細ゲート電極エッチングへの応用
  • 3.4 32nm世代以降の縦型FINトランジスタへの応用
  • 3.5 サブ10nm以降のデバイスへのチャレンジ
  • 3.6 まとめ

第4章 ノッチおよびローディング効果とその抑制大原淳士

  • 1. はじめに
  • 2. SOI基板を用いたエッチング深さ均一化とノッチ現象
  • 3. ノッチ現象の抑制

第5章 XeF2によるSi犠牲層エッチング(等方性エッチング)菅野公二

  • 1. はじめに
  • 2. XeF2エッチングの特徴
  • 3. XeF2エッチングの基本特性
  • 3.1 XeF2パルスエッチング手法・装置
  • 3.2 エッチングレートのエッチング条件依存性
  • 3.3 エッチングレートのマスク開口幅依存性
  • 3.4 表面粗さ
  • 4. XeF2によるSiエッチングの応用例
  • 5. おわりに

第6章 SiO2犠牲層エッチングTony O'Hara

  • 1. はじめに
  • 2. プロセスパラメータの最適化
  • 3. MEMS材料の性質
  • 4. まとめ

第7章 水晶エッチング安部隆

  • 1. はじめに
  • 2. 加工装置の仕様
  • 2.1 プラズマ源
  • 2.2 ガス
  • 2.3 動作圧力
  • 2.4 その他のプロセスパラメーター
  • 3. 目的ごとのプロセス条件と加工例
  • 3.1 貫通加工
  • 3.2 鏡面加工
  • 4. まとめ

第8章 樹脂構造体形成におけるドライエッチング技術水野潤

  • 1. はじめに
  • 2. 実験装置および樹脂材料
  • 2.1 UVナノインプリント装置
  • 2.2 モールド
  • 2.3 UV硬化性樹脂
  • 3. シリコン構造体の作製方法
  • 4. シリコン構造体の作製結果
  • 4.1 ドライエッチング特性による比較
  • 4.2 高アスペクト比シリコンナノ構造体作製
  • 5. 考察
  • 6. LEDへの応用
  • 7. パターンドメディアへの応用
  • 8. まとめ

第9章 樹脂フィルムパターニング技術栗林香織、竹内昌治

  • 1. パリレン
  • 2. パリレンのパターニング方法
  • 3. パリレンのマイクロパターニング法
  • 4. パリレンパターンの主な用途

第10章 集束イオンビーム・エッチング石谷亨

  • 1. まえがき
  • 2. FIB装置
  • 3. 断面加工・観察
  • 4. マイクロ(µ)サンプリング法
  • 5. 微細部品の加工・組立て
  • 6. FIB加工特性
  • 6.1 スパッタリング特性
  • 6.2 加工断面の傾斜
  • 6.3 加工速度
  • 6.4 加工損傷
  • 7. まとめ

【エッチング技術の高機能化編】

第1章 ウエハ回転方式によるシリコンエッチングの高精度均一化細谷克己

  • 1. エッチング概要と効果
  • 2. 装置構成
  • 3. 制御因子
  • 4. 装置制御パラメータとエッチング均一性
  • 5. 安定性

第2章 電圧印加による等方性および異方性の制御山下秀一

  • 1. はじめに
  • 2. アルカリ性溶液中におけるSiの電気化学的挙動
  • 3. エッチング特性の印加電圧依存性
  • 4. 電圧印加による等方性エッチングの反応過程
  • 5. まとめ

第3章 多段異方性エッチングによるエッチング形状の複雑化小出晃

  • 1. はじめに
  • 2. 多段異方性エッチング
  • 3. 可動梁の耐衝撃性改

第4章 犠牲層エッチングとの組合せによるエッチング形状制御笠井隆

  • 1. はじめに
  • 2. 犠牲層エッチングとの組合せによるエッチング形状制御
  • 3. エッチング技術の適用例
  • 4. おわりに

第5章 アンダーカット現象とその対策式田光宏

  • 1. アンダーカットのメカニズム
  • 2. MEMSデバイス加工におけるアンダーカット

第6章 ドライとウェットエッチングの組み合わせ佐々木実

  • 1. はじめに
  • 2. 垂直壁面を利用したデバイス
  • 3. 斜め壁面を利用したデバイス
  • 4. おわりに

第7章 隙間を介してのドライエッチング田中秀治

  • 1. はじめに
  • 2. ステンシルマスクを用いたドライエッチング
  • 3. キャビティスルーDRIE
  • 4. おわりに

第8章 深堀エッチングと酸化プロセスとによる光学素子の形成大原淳士

  • 1. はじめに
  • 2. マイクロレンズ形成
  • 3. 試作結果および光学特性

第9章 金属触媒を用いた多結晶Si太陽電池のテクスチャー形成技術西本陽一郎

  • 1. はじめに
  • 2. 金属触媒Tex.
  • 2.1 Tex.形成条件の最適化
  • 2.2 セルプロセスの最適化
  • 3. まとめ

第10章 シリコン貫通電極形成プロセスにおけるエッチング技術野沢善幸

  • 1. はじめに
  • 2. シリコン深掘り技術のシリコン貫通ビア形成への適用
  • 3. ボッシュプロセスとASEプロセス
  • 4. ASEプラズマエッチング装置
  • 5. シリコン深掘り技術をTSVに適用する場合に要求される項目
  • 6. 低側壁粗さ(低Scallops)へのアプローチ
  • 7. マスクアンダーカットの低減へのアプローチ
  • 7.1 パラメータランピング技術
  • 8. 高アスペクト比エッチングへのアプローチ
  • 9. SOIノッチレスプロセス
  • 10. TSV埋め込み例
  • 11. 300mm対応プラズマソース
  • 12. まとめ