チャンバ内壁の状態とは

チャンバ内壁の状態とは、チャンバの内側の壁や部品の表面が、堆積物・温度・荒れ方によってどうなっているかという条件です。 レシピの数字の外にありながら、同じレシピの結果を動かします。

定義・解説

ドライエッチングのレシピには、ガスの種類、流量、圧力、電力、時間が並びます。ところが同じレシピを流しても、装置や日によって結果に差が出ます。SEAJの半導体製造装置技術ロードマップは、同じプロセスを走らせているつもりでも結果の性能が落ちる例はよくあると述べ、その原因をチャンバ内で進むプロセスの細部のモニタ不足に求めています（2012年版の記述です）。

その細部の大きな部分を占めているのが、壁です。チャンバの中でプラズマに触れているのは、ウェハのほかにもあります。天板も、側壁も、シャワーヘッドも、同じプラズマに浸かっています。壁の表面は、ラジカルを吸ったり吐いたりする相手として反応に参加します。ですから壁の表面が何でできているかによって、ウェハへ届く粒子の中身が入れ替わります。

プラズマ・核融合学会誌の2021年の小特集は、この関係を計算と実測で結び付けています。同誌は、メンテナンス直後で天板の表面がシリコンの状態、クリーニング直後で天板が酸化された状態、加工中でチャンバがポリマー膜で覆われた状態、という三つの壁の状態を取り上げ、それぞれでチャンバ内の水素の分布が動く様子を可視化しました。そしてその分布が、実際の水素を含む窒化シリコン膜のエッチング速度の面内分布と対応することを見いだしています。同誌は、壁の状態を細かく読み取りながら水素量の分布を実時間で制御していく必要がある、と結論しています。

壁の表面は、メンテナンスからの時間で三度その姿を替えます

プラズマ・核融合学会誌の2021年の小特集は、この三つの壁の状態でチャンバ内の水素の分布が動き、それが窒化シリコン膜のエッチング速度の面内分布と対応したとしています。図の曲線の形は、分布に差が出ることを伝えるための例です。

壁が動くと現場で何が起きるのか

一つ目は、パーティクルです。東芝マテリアルが表面技術協会の学会誌に発表した解説は、装置内壁の部品もプラズマに曝されるためパーティクルが発生し、それがウェハ上に形成したパターンを断線させて歩留まりの悪化要因になっている、としています。同解説は、アルミニウム製の上部電極にコーティングした酸化イットリウム膜から粒子が脱落してダストとなり、シリコンウェハの上に落ちて配線をショートさせる経路を挙げています。

二つ目は、時間とともに進む変化です。同解説は、酸化イットリウム膜をコーティングした装置部品で、平均比表面積が使用初期の572パーセントから1000時間使用後には349パーセントへ下がったと報告しています。プラズマに曝され続けることで膜表面の凹凸が削られ、なめらかになるためです。表面積が大きいほど堆積するフルオロカーボンの量が増え、クリーニングのときに多くのフルオロカーボンをプラズマ中へ放出してチャンバ内の部品に付き直します。すると次のエッチングで酸素ラジカルが多く消費され、デバイス自体のエッチング速度が下がります。同解説は、膜の表面形態が動くとエッチングレートが変化し、プロセス条件の調整が必要になる、としています。2018年に発表された解説であり、数値は同社が測定した値です。

三つ目は、方式そのものの成否を分けるほどの影響です。プラズマ・核融合学会誌の2007年の小特集は、高密度プラズマ方式が酸化シリコンの生産現場で主流から遠ざかった理由の一つとして、チャンバ上面や側面の誘電体は温度調整が難しく壁の状態が一定しにくいこと、誘電体自体がエッチングされて放出されるガスも不安定要因になったことを挙げています。同誌はまた、重合物を作りやすいガスで長時間の深掘りを行うと、その間にチャンバ壁へ膜が付着してダスト源となり、加工面へ舞い降りると表面が粗くなる、とも述べています。

何を測り、どう動かすのか

SEAJの技術ロードマップは、安定性を二つに分けています。ロット内の安定性はチャンバ内部品の温度変化に左右されるため、ロットを流す前にダミーランやヒータ加熱を挟み、部品の温度をエッチング中の水準まで先に上げておく必要があります。ロット間の安定性は、チャンバ内へたまっていく反応生成物の量と、チャンバ内部品の消耗に左右されます。同ロードマップは、フルオロカーボン系のガスでエッチングすると蒸気圧の低い反応生成物が出て、これがエッチングの安定性を損なううえにパーティクル源にもなる、としています。

対策として同ロードマップが挙げているのは二つです。ヒータで内壁を、反応生成物が蒸気圧を持つだけの高い温度に保つ方法。もう一つが、その場でのプラズマクリーニングで内壁に付いた反応生成物を除去する方法です。前者については、2007年の小特集も、ドライエッチングでは内壁の温度を上げることで壁へのフルオロカーボン膜の堆積を抑えている、と記しています。

壁を整える手は三つあり、どれも何かを差し出します

SEAJの技術ロードマップは、ロット内の安定性をダミーランやヒータ加熱で、ロット間の安定性を内壁の加熱とその場のプラズマクリーニングで支える切り分けを示しています。三つとも、時間か資源のどちらかを差し出す手です。

測れている量には限りがある、という自覚も共有されています。プラズマ・核融合学会誌の2021年の小特集は、量産のエッチング装置に標準で載っている装置管理システムと発光分光によるモニタリングに加えて、これらの情報を入力とした数値シミュレーションや機械学習による面内分布の予測が要る、としています。表面技術協会の解説も、量産工場では終点検出による制御や、エッチング後に測った寸法を装置側の条件へ返して自動で調整している例がある、と紹介しています。壁そのものを直接測るかわりに、壁の影響が出た後の結果を測って前段へ返す、というのが現在の主な手当てです。

差し出すものと、材料で受ける道

クリーニングには請求書が付きます。SEAJの技術ロードマップは、多くの成膜プロセスでガスによるチャンバのドライクリーニングが行われており、熱CVDでは塩化物系のガスが、プラズマCVDでは比較的安定なフッ化物系のガスが用いられる、としています。同ロードマップは、多くのクリーニングガスを温暖化防止のため排出を制限すべきガスとして考慮する必要があり、低次のPFCであるCF4やC2F6の地球温暖化係数は10000前後になる、と記しています。改善の例としては、クリーニングで使うC2F6の流量を詰め、C3F8を入れることで、CF4を使っていたころと比べて装置ごとの差はあるものの3分の1程度まで減らせる案が挙がっている、と述べています。2012年版に掲載された提案です。

もう一つの道が、壁の材料そのものを強くすることです。表面技術協会の解説は、RIE装置の中でプラズマに曝したときのエッチングレートを材料ごとに比べた結果を載せています。石英が毎時1.181マイクロメートル、アルミナのバルク材が毎時0.113マイクロメートル、酸化イットリウムのバルク材が毎時0.009マイクロメートルでした。同社が測定した値です。同解説は、内壁部品のセラミックス膜に求められる性質として、高いプラズマ耐性、緻密であること、表面積が小さいことの三つを挙げています。京セラは材料ページで、イットリアを耐プラズマ性に優れた材料として掲載し、半導体製造装置などプラズマを使う工程の部品に求められるパーティクルや不純物汚染の低減に効果を発揮する、としています。

壁を強くしても、壁は反応の相手のままです。整える手を持ち、変化を測り、結果で補正します。この三つを回し続けることが、レシピを一定に保つための仕事になります。

よくある質問（FAQ）

チャンバ内壁の状態とは何ですか？

チャンバの内側の壁や部品の表面が、堆積物、温度、荒れ方によってどうなっているかという条件です。レシピの数字の外にありながら、同じレシピの結果を動かします。

壁の状態は何に影響しますか？

プラズマの中身に影響します。プラズマ・核融合学会誌の2021年の小特集は、チャンバ壁の表面状態が動くとバルクプラズマのイオンとラジカルの組成や面内均一性が動く、としています。

どんな壁の状態がありますか？

同小特集は、メンテナンス直後で天板の表面がシリコンの状態、クリーニング直後で天板が酸化された状態、加工中でチャンバがポリマー膜で覆われた状態、という三つを挙げ、それぞれで水素の分布が動く様子を計算で示しています。

壁が荒れると何が起きますか？

パーティクルが出ます。表面技術協会の解説は、装置内壁の部品もプラズマに曝されるためパーティクルが発生し、ウェハ上のパターンを断線させて歩留まりの悪化要因になっている、としています。

壁の状態は時間とともに動きますか？

動きます。同解説は、酸化イットリウム膜をコーティングした装置部品で、平均比表面積が使用初期の572パーセントから1000時間使用後には349パーセントへ下がり、それに伴ってエッチングレートが変化してプロセス条件の調整が要る、としています。

現場では何をして整えるのですか？

SEAJの技術ロードマップは、ロットを流す前にダミーランやヒータ加熱を挟んでチャンバ内の部品をエッチング中の温度まで先に温めること、ヒータで内壁を、反応生成物が蒸気圧を持つだけの高い温度に保つこと、その場でのプラズマクリーニングで内壁の付着物を除去することを挙げています。

クリーニングの代償は何ですか？

時間とガスです。同ロードマップは、多くのクリーニングガスを温暖化防止のため排出を制限すべきガスとして考慮する必要があり、低次のPFCであるCF4やC2F6の地球温暖化係数は10000前後になる、としています。

比較・違いを学ぶ

ドライエッチングとは ── 壁の状態が結果を左右する代表工程
バイアス電力とは ── レシピ側で操作できるつまみ
クリーンルームとは ── 部屋の側でパーティクルを抑える考え方

出典

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プラズマ・核融合学会「先端デバイス構造を実現する超絶ドライエッチング技術の最前線」2021年9月号小特集（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 三つの壁の状態と水素分布の動き、窒化シリコン膜のエッチング速度分布との対応、装置管理システムと発光分光に加えた面内分布の予測が要ること
SEAJ「半導体製造装置技術ロードマップ　ウェーハプロセス」2012年版（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── ロット内とロット間の安定要因、ダミーランとヒータ加熱、内壁加熱とその場のプラズマクリーニング、クリーニングガスの種類と地球温暖化係数
表面技術協会学会誌東芝マテリアル「ドライエッチング装置用セラミックスコーティング」2018年（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 内壁部品からのパーティクル発生、平均比表面積の経時的な低下とエッチングレートの変化、材料ごとの耐プラズマ性
プラズマ・核融合学会「材料プロセス用フルオロカーボンプラズマ　現状と展望」2007年4月号小特集（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 高密度プラズマ方式で壁の状態が一定しにくかった経緯、深掘りでの壁への膜付着とダスト、内壁温度を上げて堆積を抑えること
京セラ「イットリア Y2O3」ファインセラミックス材料ページ（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── イットリアの耐プラズマ性と、パーティクルや不純物汚染の低減への効果