イオンエネルギーとは

イオンエネルギーとは、プラズマの中で作られたイオンが、ウェーハ手前の電位の落差で加速されて持つ運動エネルギーです。 落差の大きさを電圧で表し、エネルギーの単位にはエレクトロンボルト（eV）を使います。

定義・解説

数字の正体は、シースにかかる電圧です

プラズマは、真空容器の壁や電極やウェーハに触れたところで、必ず薄い層を作ります。シンクロンは技術情報のプラズマの章で、プラズマが固体へ接した面にシース（sheath）という空間電荷層ができるとしています。動きの速い軽い電子が先に固体へ届くため、その表面の電位はプラズマ側より低くなり、この電位差がイオンを加速し、電子のほうは速度を落とすか跳ね返される、という説明です。シースの厚さは、デバイ長の数倍程度としています。以上は同社の技術情報の記述です。

ここが数字の出どころです。プラズマ本体と基板の電位差が、この薄い層へまとめてかかります。イオンはその落差を落ちる形で加速され、ウェーハへ着きます。シンクロンは、1Vで加速された1価のイオンや電子のエネルギーを1eV（エレクトロンボルト）と表すとし、1eVが温度に換算して約1万度に相当するとしています。何ボルトの落差を用意したかが、そのままイオン1個のエネルギーの数字になります。

落差を作る電圧が、そのまま数字になります

プラズマ本体と基板の電位差は、厚さがデバイ長の数倍程度のシースへまとめてかかります。シンクロンは、1Vで加速された1価のイオンのエネルギーを1eVと表し、1eVが温度換算で約1万度に相当するとしています。

高周波でプラズマを作る装置では、落差の一部を電源の側が作ります。シンクロンは、電子の平均速度が約10の6乗m/s、イオンの平均速度が約10の4乗m/sで、電子の運ぶ電流のほうがはるかに大きくなるとしています。ブロッキングコンデンサでフローティングにした基板の表面には負の電荷がたまり、電子側とイオン側の電流がつり合う電位で落ち着きます。同社は、このときの基板の電位に残る負の直流ぶんをセルフバイアスVdcと呼び、プラズマ電位Vsを足した（Vs＋Vdc）がイオンシースへかかって、その電圧で加速されたイオンが基板を叩くとしています。基板側へ入れる高周波の電圧を上げると、この落差が深くなります。RF電源・整合器が担うのは、この電圧を送り届ける役目です。

現場が使う幅は、数eVから数百eVです

アルバックテクノは真空技術辞典の反応性スパッタエッチングの項で、反応性ガスを満たしたグロー放電の中に試料を置き、活性化原子つまりラジカルとの化学反応と、数eVから数百eVという高速イオンのスパッタリング反応の両方で加工する方法としています。同社はこの方法をRIE、すなわちリアクティブイオンエッチング法とも呼び、半導体素子のサブミクロンのパターンを高い異方性で加工できるとしています。以上は同社の辞典の記述です。

装置の形式ごとにも幅があります。オプトランは技術と応用のドライエッチングのページで、エッチング源をプラズマエッチング（PEモード）、容量性プラズマRIE、誘導性プラズマRIE、マイクロ波プラズマ、イオンビームエッチングに区分し、基板へ飛来するイオンエネルギーをそれぞれ低い、中間、高い、中間、高いとしています。同じ表は、ICP-RIEのプラズマ密度を1E+12 cm-3程度、圧力範囲を100から1 mTorrとしています。以上は同社が示す代表値です。

イオンビームエッチングでは、二つの数字を別々の電源が担います。アルバックテクノは真空技術辞典で、この方式を、イオン源から引き出して加速したイオンビームがスパッタリング反応を起こし、試料を加工する技術としています。オプトランは、イオン密度についてはイオン源側のプラズマソースが受け持ち、イオンエネルギーのほうはグリッドへ与えるDC加速電圧、つまり負のバイアス電圧が決めるため、二つを独立に制御できるとしています。同社は、0.1Torr程度の低い圧力で行うためイオンの平均自由行程が長くなり、衝突で失うエネルギーも小さいとし、1kVを超える高加速電圧で10から30 nm/min程度のエッチングレートが得られるとしています。同社が挙げる圧力と損失の関係からは、圧力を下げるほど衝突が減り、そろったエネルギーでウェーハへ届くと言えます。

上げた分だけ、選択比と下地の健全さを支払います

イオンエネルギーを上げると、縦方向の削りが強まり、速度も上がります。同時に、マスクも同じイオンに叩かれるため選択比が落ち、下地へ入り込む深さも増します。

産業技術総合研究所（産総研）は2024年8月28日の発表で、四フッ化炭素（CF4）プラズマでシリコン酸化膜を加工した実験について、CF3+イオンの酸化膜への侵入長を数ナノメートル程度、CF3活性種を数原子層程度とし、残った膜が数ナノメートル程度まで薄くなるとイオンがシリコン表面近傍へ届いてダメージを作るとしています。以下も同じ実験の結果です。同発表は、キャリア寿命の測定でダメージ量を測り、残膜が厚い場合は300℃の熱処理でダメージがほぼ完全に修復された一方、400℃まで上げるとキャリア寿命が逆に短くなったこと、残膜が薄い場合は400℃まで上げてもダメージが残ったことを示しています。そのうえで、シリコン上の膜がおおむね10 nm以下になる場面では、イオンや活性種に由来する不純物を低くすることが要るとし、今後の課題として、プラズマ加工で使うイオンエネルギーを下げる技術を挙げています。

つまりイオンエネルギーは、上げれば速さと垂直性を受け取り、下げればマスクと下地を守る、一本のつまみです。ゲート酸化膜や薄い下地の手前ほど、支払える額が小さくなります。

一本のつまみが、三つの結果を同時に動かします

つまみを右へ回すと、エッチング速度と垂直性が上がる一方で、選択比が下がり、下地のダメージが増します。アルバックテクノは加工に働くイオンを数eVから数百eVとしており、運転条件はこの幅の中の一点になります。

密度と別々に動かせるかどうかが、装置選びの争点です

平行平板の一つの電源でプラズマを作る形式では、投入電力を上げるとプラズマ密度もイオンエネルギーも一緒に上がります。削る速度を上げようとすると、下地のダメージも同じつまみで増します。ICPのようにプラズマを作る電源と基板側の電源を別に持つ形式では、密度を高く保ったままイオンエネルギーを低く抑える条件が取れます。オプトランも、ICPを主流とする理由として、低い圧力で高密度なプラズマを作れる点とエッチング形状の制御のしやすさを挙げています。同社の技術ページの記述です。

サムコは半導体製造装置入門で、電子へエネルギーを与えて回る半径を広げる段を励起、電子が原子から飛び出す段を電離と呼び、飛び出した電子を自由電子、あとに残った粒子をイオンと呼ぶとしています。イオンという粒子が生まれるところまではプラズマの仕事で、そこから何ボルトで加速するかは装置と電源の仕事です。削る側の全体像はドライエッチングに、化学で削る相方はラジカルとはにまとめています。イオンエネルギーは、この二つの配分を表す目盛りです。

よくある質問（FAQ）

イオンエネルギーとは何ですか？

プラズマの中で作られたイオンが、ウェーハ手前の電位の落差で加速されて持つ運動エネルギーです。シンクロンは技術情報で、プラズマが固体に接すると表面にシースと呼ばれる空間電荷層ができ、そこにかかる電圧でイオンが加速されるとしています。

eVとはどんな単位ですか？

1Vの電位差で加速された電荷1個ぶんのエネルギーです。シンクロンは、1Vで加速された1価のイオンや電子のエネルギーを1eV（エレクトロンボルト）と表すとし、1eVが温度に換算して約1万度に相当するとしています。何ボルトの落差を用意したかが、そのままイオン1個のエネルギーの数字になります。

どのくらいの大きさですか？

アルバックテクノは真空技術辞典の反応性スパッタエッチングの項で、加工に働くイオンを数eVから数百eVの高速イオンとしています。オプトランは装置形式ごとに幅を示し、基板へ飛来するイオンエネルギーをプラズマエッチング（PEモード）で低い、容量性プラズマRIEで中間、誘導性プラズマRIEとイオンビームエッチングで高いとしています。

現場では何を動かすと上下しますか？

基板側へ入れる高周波の電圧です。シンクロンは、フローティングにした基板の表面に負の電荷がたまってできる負の直流ぶんをセルフバイアスVdcと呼び、プラズマ電位Vsを足した（Vs＋Vdc）がイオンシースへかかり、その電圧で加速されたイオンが基板を叩くとしています。圧力も関係し、オプトランはイオンビームエッチングについて、RIE装置より1桁低い0.1Torr程度の圧力で行うためイオンの平均自由行程が長くなり、衝突で失うエネルギーも小さいとしています。

セルフバイアスとは何ですか？

高周波電極の側にたまる負の直流電圧です。シンクロンは、電子の平均速度が約10の6乗m/s、イオンが約10の4乗m/sで、電子の運ぶ電流のほうがはるかに大きくなるため、基板表面に負の電荷がたまり、電子側とイオン側の電流がつり合う電位で落ち着くとしています。この負の直流ぶんが、イオンを加速する落差の一部になります。

高くすると何を受け取り、何を手放しますか？

縦方向の削りと速度を受け取り、選択比と下地の健全さを手放します。産業技術総合研究所は2024年8月28日の発表で、CF4プラズマでシリコン酸化膜を加工した実験について、CF3+イオンの酸化膜への侵入長を数ナノメートル程度とし、残った膜がそこまで薄くなるとイオンがシリコン表面近傍へ届いてダメージを作るとしています。

プラズマ密度とは別の数字ですか？

別の数字です。平行平板の一つの電源で作る形式では、投入電力を上げると密度もイオンエネルギーも一緒に上がります。ICPのようにプラズマを作る電源と基板側の電源を分けた形式では、密度を高く保ったままイオンエネルギーを低く抑える条件が取れます。オプトランも、イオンビームエッチングではイオン密度をプラズマソースで、イオンエネルギーをグリッドのDC加速電圧で各々独立に制御するとしています。

比較・違いを学ぶ

ラジカルとは ── 化学で削る中性の側、イオンエネルギーは物理で叩く側の強さ
ICP（誘導結合プラズマ）とは ── イオンエネルギーとプラズマ密度を別々に動かす方式
選択比（エッチング）とは ── イオンエネルギーを上げたときに真っ先に下がる指標

出典

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シンクロン「4. プラズマ」技術情報（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── シースと空間電荷層、1Vで加速された1価のイオンが1eV、セルフバイアスVdcと（Vs＋Vdc）の加速電圧
アルバックテクノ「反応性スパッタエッチング（reactive sputter etching）」真空技術辞典（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 数eVから数百eVの高速イオンによるスパッタリング反応という幅
オプトラン「ドライエッチング」技術と応用（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── エッチング源ごとのイオンエネルギーと圧力範囲、イオンビームエッチングでの独立制御と加速電圧
産業技術総合研究所「半導体の微細加工ダメージを診る」（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── CF3+イオンの侵入長、残膜厚みごとのダメージ、熱処理温度ごとの修復、イオンエネルギー低減化という課題
アルバックテクノ「イオンビームエッチング（ion beam etching）」真空技術辞典（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── イオン源から引き出したイオンビームで加工するという位置づけ
サムコ「プラズマとは」半導体製造装置入門（2026年9月2日にリンク生存を実測、200）── 励起と電離、自由電子とイオンが生まれる筋道