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文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム 平成26年度技術支援者賞
シリコン深掘りエッチング(Deep RIE)における超精密形状制御
受賞者 東北大学 ナノテク融合技術支援センター 試作コインランドリ 森山 雅昭氏に聞く

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(左)試作コインランドリMEMSショールームで賞状を持つ森山氏,
(右)「ナノテクの匠」バッジ


 文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業(ナノプラット事業)は,新しい科学技術を創出する研究環境の整備・充実・共用に向け,大学,公的機関,企業の研究者が全国規模で研究ネットワークを構成してイノベーション創出に資することを目指している.設備・装置の有効活用には,設備の整備から装置使用上のノウハウ提供などの技術支援が不可欠である.このため,本事業では,共用施設において実際に支援に携わっている方々の貢献に対して,平成26年度より技術支援者を対象とした賞を設けることとした.ナノテクノロジープラットフォーム事業実施機関に推薦を求め,その中から,東北大学マイクロシステム融合研究開発センター 森山 雅昭氏が選ばれ,技術支援者賞が授与された.授賞テーマは,「シリコン深掘りエッチング(Deep RIE)における超精密形状制御」である.授賞の発表,並びに授賞式は,2015年1月30日に東京ビッグサイトで開催された第13回ナノテクノロジー総合シンポジウム(JAPAN NANO 2015)で行われ,賞状と副賞の「ナノテクの匠」バッジが,文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム運営統括会議代表の大泊 巌 早稲田大学名誉教授より贈られた.この技術支援者賞に関する開発技術,技術支援の経緯などを伺うべく,JR東北本線仙台駅の西,バス25分の青葉台にある西澤潤一記念研究センター内の東北大学 マイクロシステム融合研究開発センター 試作コインランドリに,森山 雅昭(もりやま まさあき)氏を訪ねた.


1.授賞の対象となった技術-シリコン深掘りエッチングにおける超精密形状制御

1.1 シリコン深掘りエッチングプロセス

 授賞の対象となった「シリコン(Si)の深掘りエッチング(Deep RIE)」は,マイクロセンサ,マイクロアクチュエータなどのMEMS(Micro Electro Mechanical Systems,微小電気機械システム)デバイスをはじめ,微小光学素子,LSI実装におけるSi貫通孔など,微小デバイスの加工に不可欠な技術である.これに用いられる反応性イオンエッチング(RIE,Reactive Ion Etching)は,反応室内で高周波電力などによりエッチングガスをプラズマ化し,陰極となっている試料台に高周波電圧を印加することにより,試料方向に加速されたプラズマ中のイオン種やラジカル種を試料に衝突させてエッチングするものである.イオンによるスパッタリングと,エッチングガスの化学反応が同時に起るため,微細加工に適したエッチングを行うことができる.

 しかし反応性イオンエッチングは元来,等方的に進行する.このため,狭く深い,アスペクト比の高いエッチングは難しかったが,これを可能にするプロセスが,1992年にドイツのボッシュ(Bosch)社で開発された(ボッシュプロセス).ボッシュプロセスは,図1のように,エッチングとパシベーション(側壁保護膜形成)を繰返しながら行う切り替えエッチング方式である.Siのエッチングの場合は,エッチングガスにSF6を用い,レジスト膜の開口部を等方的にエッチングし,SiをSiF4などの形で飛散させる.次に,C4F8などのテフロン系のガスを用いて,側壁保護膜を形成する.保護膜を形成したら,エッチングガスに切り替え,サンプルにバイアスを掛けてエッチングすることにより底面の保護膜を除去して,露出した底面のエッチングを進める.これを繰返すことにより,深く,細くエッチングできる.


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図1 ボッシュ法によるDeep RIEプロセス
(“人材育成のためのMEMS 集中コースin 大阪”を基に作成)


 SiのDeep-RIEに用いる装置はICP(Inductively Coupled Plasma,誘導結合プラズマ)-RIE方式であるが,ボッシュプロセスでは後述の通りエッチング中に絶えずガスや圧力等の切り替え・調整を行う必要があるので,この機能をDeep-RIE装置は備えている.ボッシュプロセスでは,エッチングを数秒行ったら,パシベーションを数秒行うといったプロセスを繰返すが,連続的に繰返すのでプラズマは消えずSiF4とC4F8のプラズマの切替えにより色だけが変る.プロセスで制御するパラメータはガス圧,流量,プラズマのパワー,時間などだが,エッチングとパシベーションそれぞれでパラメータを決めるから,パラメータの数は2倍になる.一つのエッチングの間に他のパラメータを何回も変えることがある.プロセス条件は,Siがn型かp型かでも変るし,結晶方位によっても変る.時間経過を含めたDeep RIEのプロセス条件をレシピと呼ぶが,目的に合ったレシピ一つを作るのに1~2ヶ月かかるとのことである.

 次に述べる開発例は,技術支援を行う中で共用施設利用者と共同で行ったレシピ作りの結果得られたものである.


1.2 SOIウェハ加工におけるレシピ改良

 シリコン酸化膜(SiO2)をSiで挟んだ,Si-SiO2-Si構造のSOI基板の表面SiのDeep RIEを行うと,SiO2絶縁層界面でチャージアップが発生し,エッチング不良が起こる.これを解決するためにエッチング条件を見直し,チャージアップを抑えながら,エッチング不良が起きないレシピを開発した.この新しいレシピによる深掘りエッチングでは,パターン幅によるエッチングレートの差を,通常の深掘りレシピより少なくすることが可能となった(図2).この新しいレシピを用いて,SOI基板上のSiを絶縁層までエッチングし,長さ6µm,横幅8µm,深さ50µmのトレンチ(溝)を作製した.


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図2 パターン幅を変えた深掘りエッチング
(左から,エッチング幅100,50,20,10,5,2µmが2本ずつ)


1.3 高アスペクト比エッチング

 構造体が小さくなるにつれ,幅の狭いパターンのシリコン深掘りエッチングが必要となるが,通常の深掘りエッチングレシピを改良することで,幅5µmにおいてアスペクト比26,幅2µmにおいてアスペクト比45が確保できるようになった.通常の深掘りエッチングでのアスペクト比は10~20が普通だが,改良したレシピでは135というチャンピオンデータも得られている.図3はシリコン深掘りエッチング技術を示す典型的なものである.


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図3 高アスペクト比エッチング
(幅5µm,深さ130µm,アスペクト比26)


1.4 金型のためのテーパーエッチング

 Siウェハをナノインプリント用の金型として用いる場合,樹脂を金型から抜けやすくするためには金型に滑らかな「抜きテーパー」がついている必要がある.通常のボッシュプロセスでは,側壁が垂直になり,ガスの切り替えのため側壁に周期的な段差のあるスキャロップ形状ができる.このままでは抜型として使用できないので,ボッシュプロセスを使用しないレシピを組んだ.ボッシュプロセスを使用しない従来のレシピでは,エッチング断面形状が,表面や底面より中間が横方向に深くエッチングされ,太鼓状になる.これに対し,プラズマ発生のICPパワー,エッチング試料室のプラテンパワー,エッチング圧力,ガス流量を調整した新しいレシピにより,表面から底面に向かって滑らかに横方向エッチング幅が小さくなる逆台形状に制御できるようになった.流量を制御し,圧力を5Paから1Paに徐々に下げて行くというランピング制御を行う.このやり方を論文から見つけ出し,条件出しを何度も行った結果,最後には希望したテーパー角のついた側壁が得られた(図4).このテーパーレシピのノウハウを使用することで,はじめてマイクロ流路のナノインプリント用金型をSiを用いて製作できた.


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図4 テーパー角が制御されたSiエッチングの断面SEM写真


 この金型は,6インチウェハが1つのデバイスになるため,6インチ・Siウェハ全体で一つの金型になるものだった.1枚の大きなウェハに多くのチップを形成する経験はあったが,6インチ全体で1チップは初めての経験で,1か所でもリソグラフィに欠陥があると金型として使用できないため,リソグラフィの工程が大変だったという.それでも,フォトリソグラフィを繰返し試すことにより,20µm幅でテーパーの付いた溝をウェハ全面に作ることができた.Siのエッチングで金型を作ると切削加工よりはるかに安くでき,精度も上がる.RIEで作ったSiの金型からNiの電鋳でナノインプリント用の型を作る.


1.5 低スキャロップエッチング

 ボッシュプロセスを用いたDeep RIEではエッチングで側壁に周期的な段差形状のスキャロップが形成され,これが光学デバイスの特性劣化につながる.そこで,スキャロップを抑制するレシピを開発した.エッチングとデポジションのそれぞれをできるだけ短時間に切り替えを行うことで,スキャロップの大きさを抑える.さらに,Deep RIE後にSiの熱酸化を行うとスキャロップが多少なだらかになり,その熱酸化膜をBHF(緩衝ふっ酸溶液)等でエッチングすることで,Deep RIE直後のスキャロップに比べるとその大きさを抑えることができる.これらの技術を組み合せた結果,スキャロップの高さを30nm以下(10~20nm)にすることに成功した.本技術は次世代リソグラフィ光源として期待されるEUV光源から生じる赤外光を遮断するフィルタグリッドの作製に利用され(図5),99%以上の赤外光を遮断することに成功した.この場合も,ナノインプリント用Si金型同様,6インチウェハで1デバイスの設計であった.


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図5 赤外線遮蔽EUV透過光学フィルタ
(グリッドピッチ:4.5µm,幅:0.35µm,厚:5µm)
引用元:Y. Suzuki, K. Totsu, M. Moriyama, M. Esashi, S. Tanaka, "Free-Standing Subwavelength Grid Infrared Rejection Filter of 90 mm Diameter", Proc. IEEE MEMS 2014, 482-485


1.6  Deep RIE技術の展開・活用

 Deep RIE装置を用いて,シリコン酸化(SiO2)膜,窒化(SiNx)膜,アルミナ(Al2O3)等のエッチングを行いたいという利用者からの要望は多い.これに対し,ガスを変え,流量,RFパワーなどのパラメータの調整を行い,それぞれに適したレシピを開発して要望に応えると共に,Deep RIE活用対象を拡大した.

 一連の技術開発は,様々なデバイス開発に活かされている.一例を挙げれば,MEMS技術を用いた小型マイクロフォンの製作に用いられ,「シリコンエレクトレットマイクロフォンの開発」として,「平成24年度秀でた6大利用成果」最優秀賞に選ばれた.その詳細は,NanotechJapan Bulletinの企画特集「ナノテクノロジーEXPRESS 第22回」(http://nanonet.mext.go.jp/magazine/1123.html)に掲載されている.


2.技術支援はどのように進められたか―試作コインランドリと利用者への対応

2.1 技術支援を行う施設-試作コインランドリ

 東北大学には,学部や研究所と並ぶ組織として,江刺正喜教授をセンター長とするマイクロシステム融合研究開発センター(µSIC:Micro System Integration Center)があり,その取組みの一つが試作コインランドリである.ナノテクノロジープラットフォーム微細加工分野の参画機関となっていて,分野責任者は試作コインランドリ 戸津 健太郎准教授である.

 試作コインランドリは,2010年4月に発足し,半導体・MEMS開発のための装置開放を開始した.東北大学西澤潤一記念研究センター内に設置されている.この場所にあった半導体研究所が財団の解散に伴い,その設備は東北大学に移管された.これにFIRSTプログラム(最先端研究開発支援プログラム「マイクロシステム融合研究開発」,中心研究者:東北大学江刺正喜教授,2009~2013年度)にて,試作コインランドリを立ち上げた.

 試作コインランドリのクリーンルームは1,800m2の面積に,洗浄・乾燥,フォトリソグラフィ,酸化拡散・イオン注入・熱処理,成膜,エッチング,接合・研磨・パッケージング,測定に分類された装置約100台が設置されている.MEMSの試作開発で主に利用されているが,半導体研究所ではSIT(静電誘導トランジスタ)などデバイス開発も行っていたのでイオン打込み装置も残っている.このためピエゾ抵抗素子や,加速度センサなどのデバイス開発も行える.スタッフには,大学教員の戸津准教授,森山 雅昭助手,鈴木 裕輝夫助手に半導体研究所以来の技術者などが加わった8人である.この8人のスタッフで利用者からの技術相談を受けたり,公開していない装置も含め100台以上の維持管理に当り,利用者に装置の原理や使い方を指導している.エッチングに分類された装置の中にDeep RIE装置4台がある(図6).内1台は購入,1台は学内からの移設,残りの2台は企業から譲渡されたものという.森山氏はこの4台のDeep RIE装置の運用・維持管理に当るほか,圧電薄膜であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の成膜に関わる3台の装置など数多くの装置を担当している.

 試作コインランドリの装置使用料は,装置簿価,電気代などを基に計算し,メンテナンス費用を乗せて決める.運営は利用料収入とナノテクノロジープラットフォーム(NPF)からの運営費で行っている.


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図6 試作コインランドリの中のDeep RIE装置


2.2 支援スタッフの役割

 支援スタッフは,利用者への装置の操作方法を教えるばかりでなく,その装置がどのような原理に基づいているのか等も教えており,一つのプロセスだけでなく,利用者が試作を行いたい全体のプロセスの相談に応じている.その際に利用者と相談しながらプロセス条件の設定を行う.また,支援スタッフは装置の維持管理も行っており,常に使用可能な状態に保つようにしている.Deep RIEの場合,森山氏は次のような役割を果たしている.

 Deep RIE装置は利用の多い装置であり,利用件数はこの2年半で600件を超えている.森山氏は装置の立ち上げから担当しており,装置の維持管理,および,譲渡された装置で当初不具合の多かった装置の修理の一部を率先して行って迅速な立ち上げに貢献した.また,最高のパフォーマンスが得られるような環境構築を行う.例えば,利用者の要望に応じて4インチから8インチまでのウェハインチ径変換作業を行い,複数の利用者がスムーズに加工できるように環境を整える.Deep RIE装置の試料室には反応生成物による汚れがつきやすく,かつ,その汚れがプロセスに与える影響が大きいため,クリーニングなどの維持管理がとくに重要である.森山氏は利用状況を把握しながら,定期的に試料室を開けて各部品の汚れを拭き取るクリーニングを行い,劣化した消耗品の交換などを行ってきている.この緻密な維持管理により,Deep RIE装置は4台とも常に目的の加工が行える最適な状態に保たれている.

 エッチング対象材料は利用者によって異なり,エッチングパターンやこれに使うマスク材料も異なる.RIE装置は同じ型式や仕様であっても,装置ごとの加工特性に若干の違いがある.4台の装置の特性を把握し,利用者の加工目的に応じて最良な装置を紹介する.加工に当っては,装置の機差,対象材料,ウェハ径等を考慮した運用方法を装置4台すべてについて発案し,これを利用者に周知し,最適な状態で加工が行えるように指導する.加工法が既知であっても,既知のプロセス条件で目的の結果の得られることは少ない.対象や目的に合ったプロセス条件,レシピを利用者と一緒になって工夫することは支援スタッフの重要な役割である.

 レシピは絶えず変わっている.標準レシピで掘ってみて,SEMによる断面観察などで,加工の結果を見ながら条件を変える.1~2ヶ月にわたる試行錯誤の連続である.当初,レシピは2つ程度しかなかった.その後,100以上試して,今は10数種の標準レシピが用意できた.最初に試すレシピの選択の幅が広がり,目的に合ったレシピを効率よく見つけられるようになった.


2.3 設備の利用と利用者への対応

 ナノテクノロジープラットフォーム事業が開始されてから,Deep RIE装置には600件以上の利用があった.その中で,最近3年間の「シリコン深掘りエッチング」に関する支援課題実績は次のようになる.

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 試作コインランドリの利用,支援の依頼は,試作コインランドリのプロモーションなどで,利用者がその存在に気づいて行われることが多い.また,利用者の共同研究先の先生から紹介されるなど,利用のきっかけは様々である.

 利用や技術相談では,加工の目的,どんな形状にするか,全体像を尋ね,全体を通したプロセスを聞いた上で,アドバイスする.失敗するケースで多いのは,全体プロセスの中の一つだけを採り上げ,その部分のみ利用する単発の場合である.作りたいがどうしたら良いか分らないという相談もあるが,プロセス全体を踏まえての相談が成功する確率を上げるために望ましい.また,MEMSの形状によっては,加工後に応力で可動部を保持できないこともあるから,パターンを見て設計自体を変えることもある.このように構造的な設計も含めてアドバイスを行うことでうまく行く場合も多い.

 試作内容,加工方針が明確になったら,利用者自ら試作をしてもらい,目的に合ったレシピを開発する(図7).「利用者には,技術を直接自分の身につけて頂き,会社に持ち帰って頂きたい.」これが大きなポイントである.利用者が試作開発を民間のファウンダリに依頼する場合,依頼した側にはノウハウが残らない.しかし,試作コインランドリでは利用者が直接試作を行うので,利用者やその属する組織の知識・ノウハウとなり,人材育成の場も兼ねている.利用者が試作のノウハウを身につけて会社に戻れば,設計者にプロセスのフィードバックができるようになるから,デバイス設計の改良にも繋がる.


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図7 利用者へのDeep RIEの説明


 また,個別のプロセスの利用のほかに,MEMSパークコンソーシアム主催の人材育成事業プログラムの実施箇所となっている.この人材育成事業プログラムでは,開発を行いたい企業の研究者が,約3ヶ月仙台に滞在し,設計からプロセス,評価まで一通りの試作まで行うことが可能である.この人材育成事業プログラムで開発したMEMSスイッチをさらに社内で開発を進め,量産を行い始めた参加企業の例もある.


 利用者が試作コインランドリを利用して支援スタッフと共に開発したレシピやノウハウは,共有のレシピ・ノウハウとして残していただき,他の利用者にも使用して頂くことをお願いしている.そのようにする事で,新規の利用者にはそのレシピ等を使用して頂くことで,支援スタッフの負担が減り,その分を新たな支援や開発のリソースに当てることができ,スタッフ,利用者共によい循環が可能となる.また,過去の失敗も共有することで,別の利用者が同じ失敗を繰り返すリスクを低減している.開発された共有のレシピやノウハウはWikiに入力して,試作コインランドリの予約状況確認用ホームページに載せ,センター内で公開することを始めている.蓄積されたノウハウで成果を出し,次のノウハウを産み出すという良い循環になることを,森山氏は期待している.

 このような支援活動に対するユーザ意見が刊行物に載っている.いずれも第1.6節で触れた「シリコンエレクトレットマイクロフォンの開発」に関するものである.JST Newsの2015年1月号(http://www.jst.go.jp/pr/jst-news/pdf/2014/2015_01_p03.pdf)では,利用者であるリオン株式会社の伊藤 平氏が「何か技術的な課題があると,すぐにプラットフォーム内の先生方や技術者の方々に相談できるのが心強い.経験が一切なかったところから,MEMSを応用したマイクロフォンチップができたのはプラットフォームのおかげです」と語ったと記されている.また,第1.6節で挙げたナノテクノロジーEXPRESS 第22回の「6. おわりに」には,「微細加工プラットフォームを利用したことにより,MEMSプロセスに関する技術者教育も行うことができた.(途中省略)この成果を活かし,より完成度を高めるために現在も試作を継続している.」と書かれている.森山氏の語った利用者への対応と期待が現実のものとなっていることが,利用者の言葉で示されている.


3.技術の普及と今後の展望

 支援の依頼は,MEMS技術のプロモーションで気づかれたり,口コミがきっかけになることが多い.MEMSについては,2014年8月に,「人材育成のためのMEMS集中コース in 大阪」がµSICを主催者の一つとして関西大学千里山キャンパスで開かれ,200人くらいの参加者があった.

 また,仙台市主催のMEMS講習会がある.東北大学ではMEMSの研究開発が盛んであることより,仙台市が企画した地場産業振興,人材育成のためのもので,市内の企業は無料で参加できる.一昨年から,毎週1日,2ヶ月間のコースを設けた.毎年の参加者は5人程度で,リソグラフィからエッチングまですべてのプロセスを体験してもらった.今年は力(ちから)センサを作る.森山氏は,講習会の中心として,カリキュラム作成・実施,装置使用法の指導を他の支援者と分担して行っている.

 このような普及活動はあるものの,学内でも試作コインランドリを知らない人がいるという.広く知ってもらわないと共用が広がらない.微細加工プラットフォームに気づき,積極的に使ってほしいと森山氏はいう.そこには,共有されたノウハウが,蓄積されており,公開されている.企業にとって核になる技術やノウハウは自前開発になるだろうが,周辺領域は共用で開発し,無駄な重複は避けたい.共用施設に蓄積している技術やノウハウで補完することにより,効率的に技術が発展するだろう.森山氏は,技術支援により蓄積されたノウハウで成果を出し,次のノウハウを産み出すという,研究開発の良い循環が拡大することを期待して,積極的に技術支援を行っている.


おわりに

 平成26年度技術支援者賞の対象となった「シリコン深掘りエッチング(Deep RIE)における超精密形状制御」は高いアスペクト比の深掘りやテーパー状のエッチングなど様々な形状制御を可能にするものである.この技術は,技術支援者による共有設備の立ち上げ,維持管理の下,蓄積されたノウハウを基にした支援者と利用者の共同開発で生み出された.この技術は,デバイスや製品開発に活かされ,ナノテクノロジープラットフォームの共有設備に蓄積されて,さらに高度な技術,新しい技術を生む元になっている.共用設備利用,技術支援は人材育成にもなる.これらの共用設備の効用は,支援者によって支えられていることを深く認識させられるインタビューであった.今後,共有設備が周知,活用され,蓄積された技術が新しい技術の発展を促す良い循環が進むことにより,支援者の苦労が報いられることを期待したい.

(古寺 博)