J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.3 (2020)１
０３‐１０５小特集

半導体デバイスの製造品質を裏から支える
プロセスプラズマの隠れた技術
Unsung Technologies in Plasma Processing
which Supports Manufacturing Quality of Semiconductor Devices

１．はじめに
1. Introduction
上杉文彦
UESUGI Fumihiko
国立研究開発法人 産業技術総合研究所 九州センター（原稿受付：２
０
１
９年１
２月５日）

１．
１ 半導体業界の分析

200 mm 以下のウエハを使用する生産ラインをレガシー

はじめに世界レベルで見た半導体産業の特色について述

ファブ（Legacy Fab）と呼んでいる．使用プロセスも 0.09

べる．１９９０年代は DRAM（Dynamic Random Access Mem-μm〜0.8 μm ルールのいわゆる枯れたプロセスである．

ory）の生産で日本は世界１位であったが，その後，台湾や上述した状況は，図１の国・地域別のウエハ口径別の月

韓国に変わった．DRAM の製造販売事業では，継続的な投間処理能力比率のグラフに良く現れている［３］．グラフ中資を行い，微細化の追及と Si ウエハの 大 口 径 化 を通して，規模の経済性を追求し，コスト・リーダーシップ戦略をとって一気に市場を獲得する［１，２］．微細化では２０１９年
は 7 nm ノード，２０２０年では 5 nm ノードといった最先端プ
ロセスでの競争になる．また，使用する Si ウエハは直径300 mm が標準的である．
一方，国内のデバイスメーカは DRAM から撤退し，各デ
バイスメーカは自社の強みを発揮でき，得意とするデバイスの設計・生産に会社の経営資源を集中し，明確な少数の市場セグメントをターゲットとする集中戦略をとり，市場
規模ではなくて収益を追求する活動をしている［１，２］．例
えば，ルネサスエレクトロニクスといえば車載マイコン，
東芝はフラッシュメモリ，ソニーは CMOS イメージセン
サ，三菱電機はパワーデバイスというように各社それぞれが代表的なデバイスを生産し，特定の市場セグメントに供給している．しかも，その市場セグメントでは世界トップ

図１

クラスの力を持っている．各社共に市場規模は DRAM ほ
どには大きくないので，製品需要に合わせた生産ライン
数，ウエハ口径を使用する．300 mm ウエハを主に使用する企業，200 mm 以下のウエハを使用する企業が混在する．

国・地域別のウエハ口径別の月間処理能力比率．縦軸は200 mm ウエハに換算した月産ウエハ処理量の比率．横軸はウエハ口径 mm，口径の下の数値は生産量で，単位はMillion 枚（１００万 枚）．（文 献［３］IC Insights 社 の 調 査 レ
ポ ー ト「The 2009 Edition of the Global Wafer Capacity
Analysis & Forecast from IC Insights」から引用）．

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
author’s e-mail: f-uesugi@aist.go.jp

１０３!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.3 March 2020

一番右側は全ウエハを合算したときの生産能力比率を示したものである．日本は世界有数の生産能力を持っており，
台湾や韓国と比べても遜色ない．次にウエハ口径 300 mm，200 mm，150 mm，125 mm の生産能力を見ると，明確な差があることがわかる．台湾，韓国は 300 mm ウエハが主であり，日本は 200 mm 以下のウエハが主になっている．このグラフは２００９年のデータで古いことを否めないが，図２に示すように 200 mm ウエハの生産ラインは衰退するどこ
ろか，その必要性が高くなり，生産ラインの数，生産能力共に増えており，今後も増えていくと予測されている［４］．
日本の企業が DRAM から撤退し，最先端プロセスやそ

図２

れを実現する装置を使用しないことで，日本の半導体産業は衰退したという話が巷間でささやかれることも多い．しかし，実態は各社の経営判断で自社の市場セグメントを変

200 mm ウエハの月産処理 能 力．（文 献［４］Semiconductor Equipment and Materials International（SEMI）の調査
調査レポート「Global 200 mm Fab Outlook to 2021」から引用）．

えた結果と考えられる．それに伴って，枯れたプロセスでデバイスを効率よく生産するための新たな生産技術の必要性が顕在化してきた．どのような技術が必要なのかをレガ
シーファブを中心に以下の節で見ていくことにする．

１．
２ 生産ラインの共通課題
200 mm 以下のウエハを使用するレガシーファブでは，収益性を重視するため，大きく３種類の技術が必要になる．その第１は不良発生の抑止・予知保全である．第２はメンテナンス費用の削減，第３は装置機差の低減である．
第１の不良発生の抑止・予知保全について述べる．発生
する不良はデバイスの設計やプロセスの習熟度に依存する
ものではなく，生産装置に起因するもの，中でもプラズマエッチング装置内で発生するパーティクルによる配線形状

図３

不良である
［５］．この不良は配線が完全に断線やショート

市場クレーム品のパレート図．

している場合は，デバイスの出荷前の電気的特性テストの工程で市場流出を防止できる．しかし，形状不良があっているが，半年から１年の使用で内壁全面のオーバーホー

も，電気的特性に不具合がない場合は市場に出荷されてしル，場合によってはチャンバーの交換をしなければならな

まい，しばらくしてから動作不良品となり市場クレーム品

い．これがメンテナンス費用の大半を占めるといわれておとしてデバイスメーカに戻ってくる．この状況は図３の市り，従来よりもプラズマ耐性の高い材料が必要になってい場クレーム品のパレート図によく現れている．あるデバイる．

スメーカが出荷した後，クレーム品として戻ってきたデバ

第３の装置機差（号機差）の低減とは，同型機種のエッイスを解析し，その原因を調べたものである．最も大きなチング装置でも使用しているうちにエッチング特性に機差原因はパーティクルである．デバイスの構造や種類に応じが発生し，同一条件でエッチングしているにもかかわらて第２位以下の原因は変わるため，原因 A，B，C としてあず，その出来映えが変わるという現象である．この原因はるが，どのデバイスの場合にも共通して不良原因の第１位

プラズマエッチング装置のチャンバー内壁の Al2O3 や Y2O3はパーティクルである．クレーム品として戻ってきたデバの腐蝕の進み方に機差が生じ，ウエハを装着する RF 電極

イスの解析結果から分かったことは，不良原因が，プロセの面積とグランドになっている上部電極や壁の面積との比

ス装置内で発生したパーティクルが載っているのではなくが変わる結果，ウエハ上での自己バイアス電位が変わりて，パーティクルによって配線幅が部分的に細くなること

エッチング特性が変化するのではないかと考えているによる使用中の断線や隣接配線のショートであることであ［６］．この課題の解決にも従来よりもプラズマ耐性の高い

る．この課題を解決するには，プラズマエッチング装置内

材料が必要になる．

でパーティクルが発生する機構の解明とそれに基づく無塵１．
３ これまでの研究開発の流れ化技術が必要である．
第２のメンテナンス費用の削減では，プラズマエッチン

市場クレーム品に直結する，プラズマエッチング装置内

グチャンバー内壁のプラズマによる腐蝕が課題となってい壁からの剥離パーティクルに関する研究は文献［７］からはる．チャンバー内壁はプラズマ耐性を高めるために，アル

じまった．量産用プラズマエッチング装置の内壁に形成さミナ（Al2O3）やイットリア（Y2O3）でコーティングされてれた反応生成物の堆積膜からの剥離パーティクルをレー
１０４

Special Topic Article

1. Introduction

F. Uesugi

５章で紹介する．

ザー光散乱法で計測している．その後，剥離パーティクルとエッチングシーケンスとの相関［８］，剥離パーティクルの正帯電［９，１０］を明らかにし，その知見に基づいて負電位

参考文献

電極を用いたウエハへのパーティクルの付着を防止した［１］M. E. Porter, Competitive Strategy (The Free Press, 1980)
Chap.2.
［２］M. E. Porter, Competitive Advantage (The Free Press, 1985)
Chap.1.
［３］IC Insights, The 2009 Edition of the Global Wafer Capacity Analysis & Forecast from IC Insights (July 2009).
［４］Semiconductor Equipment and Materials International(SEMI): Global 200 mm Fab Outlook to 2021 (January2019).
［５］服部 毅 編著：新版シリコンウェーハ表面のクリーン化技術（リアライズ社，２０００年），第３章第１節，第５章第１節，第５章第４節．
［６］M. A. Lieberman and A. J. Lichtenberg, Principles of
Plasma Discharges and Materials Processing (John Wiley& Sons, Inc. 1994) pp.368-372.
［７］F. Uesugi et al., J. Vac. Sci. Technol. A 16, 1189 (1998).
［８］N. Ito et al., J. Vac. Sci. Technol. B 16, 3339 (1998).
［９］T. Moriya et al., J. Vac. Sci. Technol. A 18, 1282 (2000).
［１０］N. Ito et al., NEC Research & Development 41, 341 (2000).
［１１］T. Moriya et al., J. Vac. Sci. Technol. A 22, 2359 (2004).
［１２］伊藤奈津子，上杉文彦：クリーンテクノロジー １
４, ７月
号, 25 (2004).
［１３］K. M. Takahashi and J. E. Daugherty, J. Vac. Sci. Technol.
A 14, 2983 (1996).
［１４］上杉文彦 他：NEC 技報 50, 62 (1997).
［１５］T.Motomura et al., Rev. Sci. Instrum. 85, 026103 (2014).
［１６］Y. Kasashima et al., Appl. Phys. Express 7, 096102 (2014).
７］N. Ito et al., Jpn. J. Appl. Phys. 47, 3630 (2008).
［１［１１］．また，異常放電が発生すると，発生場所から内壁材料が溶融飛散するパーティクルだけでなく，それ以上に，剥離パーティクルが増大することを示した［１２］．パーティ
クルの多量発生メカニズムやその原因となるウエハの微小な動き，異常放電発の検出について第２，３章で紹介する．
パーティクルが発生したときにその場で計測したいという要望は強いが，エッチング装置のチャンバーに窓を取り付けるなどの改造が必要になりエッチング特性の変化のおそれなどの観点から困難である．そこで，装置の排気ラインに装着するタイプのパーティクルモニターが開発されたが［１３］，ウエハに付着するパーティクルとの相関が十分でないなどの理由から普及していない［１４］．これらに替る新たな手法としてのプラズマインピーダンス計測システムを開発した［１５，
１６］．パーティクル発生の予知保全に有効と考えており，第４章で紹介する．
近年，チャンバー内壁に堆積する反応生成物を in situ
クリーニングで除去する工程が取り入れられ，内壁コー
ティング材料のAl2O3 やY2O3 がハロゲンラジカルやイオンなどと反応してハロゲン化物を生成して腐蝕やダメージを受け，パーティクルが発生することが問題になっている．
この現象がチャンバー内雰囲気に在留水分があると激しく起こる事を，他に先駆けて観測した［１７］．量産ラインでは
メンテナンス時に水分除去で効果を上げているが，本質的な解決には，高プラズマ耐性材料の開発が必要であり，第１０５

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.3 (2020)１
０６‐１１０

小特集 半導体デバイスの製造品質を裏から支えるプロセスプラズマの隠れた技術

２．量産用プラズマエッチング装置におけるフレーク状パーティクルの多量発生
2. Instantaneous Generation of Many Flaked Particles
in Mass-Production Plasma Etching Equipment
笠 嶋 悠 司，上 杉 文 彦１）
KASASHIMA Yuji and UESUGI Fumihiko１）
国立研究開発法人 産業技術総合研究所 製造技術研究部門，１）国立研究開発法人 産業技術総合研究所 九州センター（原稿受付：２
０
１
９年１
２月０
２日）

半導体量産ラインのウエハ処理工程（前工程）で発生するパーティクルは，歩留りや装置稼働率の低下を引き起こす主要因であり，その発生を抑制することが強く望まれている．パーティクルはウエハ処理工程の中でもプラズマエッチング工程で最も多く発生する．量産用プラズマエッチング装置では突発的に多量のパーティクルが発生する現象も知られており，及ぼす損害が大きくなるため特に深刻な問題となっている．本章ではこの突発的多量発生現象のメカニズム解明に取り組んだ研究を紹介する．
Keywords:
plasma etching, etching reaction product, deposited film, flaked particle, electric field stress, impulsive force

２．
１ はじめにパーティクルはウエハ上で不良デバイスを多数発生させ，プラズマプロセスを多用する LSI（大規模集積回路）の歩留り低下への影響が非常に大きい．生産効率向上の観点

量産ラインでは，プラズマエッチング工程で発生するパーから特に深刻な問題となっており，突発的多量発生への対ティクルの低減や抑制のための対策構築が生産効率向上に策構築に対するニーズは大きい．ところが，その発生メカ

向けた大きな課題となっている．プラズマエッチングプロ

ニズムについて詳細が未解明であるために現状としては適セスに起因して発生した反応生成物は，その全てが真空ポ

切な対策がなされていない．

ンプによって排気されるわけではなく排気されない分はこれまでプラズマプロセス中のパーティクルに関する研チャンバー内壁へ付着する．ウエハ処理枚数の増加に伴っ

究 は 精 力 的 に 取 り 組 ま れ て き て お り，プ ラ ズ マ CVDて内壁への付着量も増加し，徐々に膜状に堆積していく．

（Chemical Vapor Deposition）プロセスにおいて気相中でこのように堆積した反応生成物起因の膜が剥離することが発生，成長するパーティクルや，意図的にプラズマ中に混パーティクル発生の主要因の一つである［１‐６］．パーティ

入したパーティクルを用いてその成長や挙動を調査した研クルは LSI 製造の歩留りや設備総合稼働率 OEE（Overall

究など多くの興味深い研究結果が報告されている［７‐９な

Equipment Efficiency）を大きく低下させる最大の要因でど］．しかしながら，量産ラインにおけるパーティクル対ある．例えば，プラズマエッチング中に発生してウエハ上策を構築するためには，実際の量産条件下で剥離パーティに落下，付着したパーティクルは，LSI 配線の断線や短絡クルの発生メカニズムを研究する必要がある［１‐６］．例え回路を生じさせ，デバイス不良すなわち不良品の直接の原

ばこれら量産条件下で実施された先行研究では，剥離パー因となる．

ティクルがプロセスシーケンスと関係して発生することが量産ラインにおけるプラズマエッチング工程では，ウエ報告されている．装置構成（プラズマ生 成 方 式 や 静 電

ハ処理枚数の増加とともにパーティクルの発生数が多くな

チャックの種類）に依らず，エッチングプロセス中は少数る．先述の通り，ウエハ処理枚数の増加とともに反応生成個のパーティクルが定常的に発生するが，高周波電力や静物のチャンバー内壁への堆積量が増加し，剥離パーティク

電チャック電源のオン及びオフ時には多量のパーティクル

ルの発生数が増えるためである．ウエハ１枚当たりの発生が発生することが報告されている．また，チャンバー内壁

個数は典型的には数個〜数十個であることが多い．量産用上に堆積した反応生成物起因の膜を剥離させるメカニズム

プラズマエッチング装置では，このように経時的に増加すとしては，内壁におけるシース電場によって堆積膜に作用る剥離パーティクルに加えて，多量の剥離パーティクルがするマクスウェルの応力であることが明らかとなっている

突発的に発生する現象が知られている．突発的かつ多量の［６］．

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
corresponding author’s e-mail: kasashima-yuji@aist.go.jp

１０６!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

2. Instantaneous Generation of Many Flaked Particles in Mass-Production Plasma Etching Equipment

Y. Kasashima andF.Uesugi

ところが先述の通り，剥離パーティクルの突発的な多量

CCD カメラによって画像として検出される．本実験では発生についてはそのメカニズムが未解明である．そこでレーザー５００パルス分を積算して一枚の画像として保存す

我々は突発的多量発生メカニズムの解明に取り組んだ．そることで，0.5 秒間の現象を一枚の画像として記録した．各の結果，シース電場が非常に急峻に変化した場合にマクス

画像間の取得間隔は約0.6秒である．本システムはRIE装置

ウェルの応力が撃力として堆積膜に作用し，パーティクルのステータスシグナル（高周波電力（RF power）やガス圧の突発的多量発生を引き起こすことを明らかにした［１０‐など）も同時に取り込み可能なシステムとして構築されて

１３］．本章ではその詳細を紹介する．

おり，取得画像と装置の稼働状態との時間的な対応関係を把握可能である．

２．
２ 実験方法パーティクル発生とシース電場の変化との関係を調べる

実験は図１（a），（b）に示す半導体量産用の平行平板型

ため，チャンバー内壁の電位をモニタリングする手法とし

リ ア ク テ ィ ブ イ オ ン エ ッ チ ン グ（Reactive Ion Etchingて Viewing Port Style Plasma Probe（VP-Probe）
［１５，
１６］を

（RIE）
［１４］装置で実施した．下部電極にプラズマ生成用）用いた．VP-Probe はプロセスチャンバーに取り付けられの高周波電源（13.56 MHz）が接続されている．エッチング

たビューイングポートをプローブとして利用する手法であプロセス中のウエハは静電チャック（Electro Static Chuck

る．ビューイングポートの大気側に電極を設置すること（ESC））によって 下 部 電 極 上 へ 吸 着，固 定 さ れ る．静電で，その真空側すなわちチャンバー内壁側の浮遊電位（内チャックの表面は微小な凹凸構造となっており，ウエハの壁電位）の過渡的な変化発生をモニタリングすることが出

冷却を目的としてウエハ裏面にはヘリウムガスが導入され来る．例えば，異常放電などによってプラズマ中のポテン

る．プロセス条件は量産ラインと同等な条件を設定可能でシャルが揺らいだ場合の内壁電位の変化発生を検出するこあり，実環境下でのパーティクル発生を再現可能となってとが可能である．エッチング反応生成物に起因した堆積膜

いる．本研究ではプロセスガスは SF6 及び N2 の混合ガス，も絶縁体であることから，堆積膜における浮遊電位の変化

定常圧力 18 Pa，電極間距離 60 mm，RF パワーは 600 W

についても VP-Probe で検出が可能となる．さらには，堆積を用いた．

膜へ作用するマクスウェルの応力はシース電場の二乗で作パーティクルの観測にはレーザー光散乱法を原理とした用するため［１７］，当該応力の変化発生についても把握する

パーティクル計測システムを用いた［１，２，１０］．レーザー光ことができる．

源は波長 532 nm の YVO4 レーザーであり，3 W，10 kHz

量産ラインのプラズマエッチングプロセスにおいて内壁で 発 振 さ せ た．レ ー ザ ー ビ ー ム は 光 学 系 に よ り 幅 約

電位の急峻な変化を引き起こし得る代表的な要因として，60 mm，約 10 mm 厚のシート状に成形し，上部電極の直下

ウエハの浮動（ウエハ吸着不良）や異常放電が挙げられる．

約 4 mm の高さにウエハと平行方向にチャンバー内へ照射

これらの異 常 を in-situ（そ の 場）検出する手法として，した．プラズマエッチング中に発生したパーティクルが我々はアコースティックエミッション（Acoustic Emission

レーザーシート光を横切った場合，散乱光が生ずる．散乱（AE））センサ内蔵ウエハステージを開発した［本小特集第光はレーザーシート光と９０°の角度をなす方向に設置した

３章参照，１８‐２１］．本手法は従来手法では検出が極めて困難であったウエハ近傍での異常放電を初めて検出可能とした技術であるが，本研究ではウエハの浮動を検出するために応用した．ウエハ浮動が発生する 主 な 要 因 は，静 電チャックによるウエハの静電吸着力と裏面冷却用のヘリウ
ムガス圧力との不均衡である．なお本研究の一部ではウエ
ハ浮動が発生しやすい吸着条件にあえて設定して実施した．
VP-Probe，AE センサの各シグナルは高周波電力及びCCD カメラのステータスシグナルとともにオシロスコー
プを用いて測定した．すなわちこれらの時間的な対応関係が把握可能である．サンプリング周波数は 1 MHz に設定した．

２．
３ 実験結果パーティクルはウエハを数百枚程度エッチング処理した後に顕著に発生するようになり，その後はウエハ処理枚数
とともに発生数が増加する傾向を示した．チャンバー壁への反応生成物の堆積を発生源とする量産ラインでのパー
ティクル発生傾向と一致している．内壁表面への堆積膜を
図１

実験装置概略図（参考文献［１０］の図１を引用）．Copyright(2013) The Japan Society of Applied Physics.

観察した結果，反応生成物起因の組成であることを実際に確認できていることからも本実験で検出したパーティクル
１０７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.3 March 2020

は剥離パーティクルであると考えて良い．図２はウエハ［１‐５］でも報告されており，参考文献［６］では高周波電力

２５枚当たりのパーティクル発生数とエッチング装置のス投入時や ESC 電源のオンオフ時にも多量発生が観測されテータスシグナルとの関係を示す実験結果である．エッチている．したがって，我々の実験結果及び先行研究で示さ

ングプロセス時の装置の動作は下記の通りである．ウエハ

れているこれらの結果は，マクスウェルの応力が瞬間的にがプロセスチャンバー内へ自動搬送された後，まず ESC

大きくなり得るメカニズムの存在を示唆している．なぜな

電源が投入され，続いてプロセスガスが導入される．チャら，単にマクスウェルの応力が定常的に働くことのみがンバー内圧力が設定値に達し安定した後，高周波電力が投パーティクルの発生要因あれば，安定にプラズマが生成さ入されプラズマエッチング処理が施される．エッチング終れている間も高周波電力オフ時もパーティクルの発生数に了後はパージ用窒素ガスがチャンバー内に導入された後，差異は現れないはずである．しかしながら，実験結果は高ウエハが取り出される．なお，ウエハ冷却用のヘリウムガ

周波電力オフ時の多量発生を示している．

スは約 44.3 秒の時点よりウエハ裏面に導入されている．

仮に高周波電力オフ時に応力が瞬間的に増大したとすれ37.0 秒時点でのピークは，ヘリウムガス用のバルブ開動作

ば，堆積膜が瞬時に大きく変形し，容易に剥離して多量のに伴い観測される配管内残留ガスに起因した流量増加であ

パーティクルとなり得る．このメカニズムを説明可能な現る．44.3 秒のピークは，裏面ガス圧力が設定値に達するま象として，古典力学や衝撃工学の分野で知られている撃力でヘリウムが導入されるための流量増加であり，これ以降がある［２２，
２３］．撃力は，ある力が物体へ働く際，その作用エッチング終了時までウエハは冷却される．

時間が短いほど瞬間的に極めて大きな力となって作用する

図２からパーティクル発生とエッチング装置の動作状況という現象である．つまり，マクスウェルの応力が高周波との関係が読み取れる．エッチング処理前後に観測されて電力オフ時に撃力として働くとすると，堆積膜が瞬間的にいる少数のパーティクルは，ウエハ搬送時のバルブ開閉に急激に変形することで多量パーティクルの発生源となり得伴うチャンバー圧力の変動，または堆積膜への熱応力の作る．マクスウェルの応力は内壁でのシース電場に依存する

用によって発生したと考えられる．エッチング処理中は少ので，応力の増大は高周波電力オフ時のシース電場の変化

数のパーティクルが定常的に発生している．一方，エッチから生ずるはずである．そこで撃力作用のメカニズムを検ング処理終了の瞬間には多量のパーティクルが発生してい証するために，VP-Probe の測定を実施した．

ることがわかる．先述の通りこれまでに明らかにされてき図３は高周波電力オフ時の VP-Probe の測定結果である．

た剥離パーティクルの発生メカニズムは，エッチング中定

急峻に変化する波形が観測されている．VP-Probe の出力

常的に堆積膜へ作用するマクスウェルの応力である．すなはビューポート内壁へのイオンのフラックスと電子のフ

わち，堆積膜における内壁電位とチャンバーの接地電位とラックスの過渡的な不平衡から生ずる［１５］．高周波電力オの電位差による電場の二乗に比例したマクスウェルの応力

フ時には，バルクプラズマ中に存在した電子が拡散速度のが堆積膜へ作用することで堆積膜が剥離する［６，１０‐１３］．

違いからイオンよりも先に内壁側へ拡散するため，プロー

ところが，図２で示されているように，エッチング処理中，ブ波形は急峻に負に変化すると考えられる．本結果は，高つまりプラズマ生成中は少数のパーティクルが定常的に発周波電力オフ時に堆積膜における電場が急峻に変化するこ

生しているのに対し，エッチング終了時には多量のパーと，つまりマクスウェルの応力が撃力として働くメカニズ

ティクルが突発的に発生している．同様の現象は参考文献

ムの存在を示唆している．ところが，図３のような VP-

図２

ウエハ２
５枚当たりのパーティクル検出数とエッチング装置のステータスシグナルとの関係（参考文献［１
０］
の図３を引
用）
．Copyright (2013) The Japan Society of Applied
Physics.

図３

１０８

高周波電力オフ時の VP-Probe の測定結果（参考文献［１０］の 図５を 引 用）
．Copyright (2013) The Japan Society ofApplied Physics.

Special Topic Article

2. Instantaneous Generation of Many Flaked Particles in Mass-Production Plasma Etching Equipment

Y. Kasashima andF.Uesugi

Probe 波形は変化時間の幅に若干の差は見られるものの，測されている．このシグナルはウエハステージ上で発生し高周波電力オフ時にはパーティクル多量発生の有無に依らた弾性波が AE センサで検出されたことを示す．なおウエず常に観測された．そこで我々は，撃力化メカニズムの存

ハステージ上で発生した弾性波はチャンバー壁まで伝搬出在を明確にするために，エッチング中にシース電場が急峻来ないため［本小特集第３章参照］，図４（a）で観測されたに変化した場合のパーティクル検出を試みた．

パーティクルの発生要因としてウエハ浮動に伴うチャン

図４（a）はある一枚のウエハをエッチング処理している

バー壁の機械的振動の可能性は否定される．図４（c）は最中に，ウエハの吸着不良によってウエハが浮動した場合

VP-Probe の測定結果である．パーティクルの多量発生がの測定結果である．53.3 秒においてヘリウム流量が突然上観測された時刻と同じタイミングで突発的な正方向の変化

昇しているが，これはウエハの浮動に伴ってヘリウムガスが検出されており，その後約４秒間に渡ってシグナルの変がウエハ裏面からリークしたことを示している．そしてそ動がみられる．この結果は，ウエハ浮動に伴い内壁近傍ののタイミングにおいて，多量のパーティクル発生が検出さ

電場が急峻に揺らいだことを示す．エッチング処理中のウれている．ウエハの浮動は裏面のヘリウムガス圧力と静電

エハはセルフバイアス電位であるので，ウエハが物理的に吸着力の不均衡から生じたウエハステージ（下部電極）上浮動することで内壁電位の揺らぎが引き起こされたと考えでの現象である．したがって，ウエハ浮動に伴ってウエハ

られる．53.3 秒におけるシグナルの拡大図を図５に示す．

ステージ内で機械的な振動すなわち弾性波が生ずるとすれ

内壁電位の急峻で大きな変化の発生が検出されている．正ば，ウエハステージ内蔵の AE センサによってその発生を方向のシグナル変化は，ウエハ浮動によってウエハ裏面で検知し得る．図４（b）はそのような目的のもと測定した AE

異常放電が発生したことによると考えられる［本小特集第センサの波形である．53.3 秒におけるヘリウムガスの増加

３章参照］．

と同じタイミングにおいて突発的な大振幅のシグナルが観

ここで重要な点は，パーティクルの突発的多量発生と内壁電位の急峻な変化が同時に観測されたことである．この内壁電位の変化は，堆積膜へ働くマクスウェルの応力を瞬間的かつ大きく変化させ得ることを意味する．つまり，マクスウェルの応力が撃力として作用し，パーティクルの突発的多量発生をもたらすことを示す．図６は 図４（a）の53.3 秒において取得された CCD カメラの取得画像である．
多量のパーティクルが上部電極から剥がれ落ちている様子が検出されている．なお本画像には入射レーザー光によるチャンバー内でのわずかな迷光によって，ウエハの浮動も捉えられていた．これは前述の AE センサによるウエハ浮動検出を裏付けている．すなわち，図６はウエハ浮動というウエハステージ上での現象と，剥離パーティクルの発生という上部電極での現象がチャンバー内の異なる箇所で同時に発生したことを示している．

図４

ウエハ吸着不良発生時の（a）
パーティクル検出数とエッチング装置のステータスシグナルとの関係，（b）
ウエハス
テージ内蔵 AE センサの測定結果，（c）
VP-Probe の測定結果（参 考 文 献［１０］の 図７を 引 用）
．Copyright (2013) The
Japan Society of Applied Physics.

図５

１０９

図４（c）
53.3 秒における VP-Probe の拡大波形（参考文献［１０］の図８を引用）．Copyright (2013) The Japan Societyof Applied Physics.

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.3 March 2020

る．その結果，堆積膜が瞬間的に大きく変形して剥離し，多量のパーティクルが発生する．本研究では上部電極からのパーティクルのみを観測したが，側壁などその他のチャ
ンバー壁上の堆積膜からも同様にパーティクルが発生しているはずである．量産ラインでは，これらの剥離パーティ
クルが深刻な製造効率の低下をもたらしていると考えられ
る．

２．
４ まとめ
量産ラインで製造効率低下の主要因となっているパー
図６

ティクルについて，突発的多量発生のメカニズム解明を目

図４（a）の 53.3 秒における CCD カメラの取得画像（参考文献［１０］の図９を引用）．Copyright (2013) The Japan Society of Applied Physics.

的とした研究を実施した．チャンバー内壁の堆積膜に作用するマクスウェルの応力が内壁電位の急峻な揺らぎによって瞬間的に変化し，撃力として作用することで，多量のマクスウェルの応力の撃力作用について考察する［１１］．

パーティクルが突発的に発生することが明らかとなった．

図５の測定結果を基に，ある時間 !
!で急峻に変化しその後減衰していく応力が膜の変形に及ぼす影響について考え

参考文献

る．堆積膜の変形はこの応力を外力とした強制振動でモデ［１］F. Uesugi et al., J. Vac. Sci. Technol. A 16, 1189 (1998).
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ル化することができる．この強制振動は解析的に解くことが可能であり，解析結果を基に !
!（電場応力が変化する時間）と堆積膜の最大変位との関係をプロットした結果を図７に示す．!
!が小さいほど膜の変形量 "が大きくなる傾向にあること，特に !
!が極めて小さい場合に変形量が急激に大きくなることが示されている．この結果は，電場の応力の変化が急峻なほど，堆積膜が大きく変形することを意味する．言い換えれば，急峻に変化する内壁電位によって応力が撃力として作用し得ることを示している．古典力学
や衝撃工学といった異分野で用いられる解析手法を導入することにより，電場の応力の撃力作用によって堆積膜が急激に変形して容易に剥離し，パーティクルの多量発生が引き起こされるというメカニズムが解明された．
以上の結果より，チャンバー内壁における電場の急峻な変化がパーティクルの突発的多量発生と関係していることが示された．内壁近傍のシース電場により堆積膜へ働くマ
クスウェルの応力が急峻に変化すると，撃力として作用す

図７

強制振動モデルを用いて解析した電場の応力が変化する時
間と堆積膜の最大変位との関係（参考文献［１
１］
の図１
２を引
用）
．Copyright (2015) The Japan Society of Applied
Physics.

１１０

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.3 (2020)１
１１‐１１６

小特集 半導体デバイスの製造品質を裏から支えるプロセスプラズマの隠れた技術

３．プロセスプラズマにおいて発生する異常放電とAE センサを用いた検出方法
3. Development of Detection Method for Micro-Arc Discharge
in Plasma Process by using Acoustic Emission Sensor
笠 嶋 悠 司，田 原 竜 夫，上 杉 文 彦1)
KASASHIMA Yuji, TABARU Tatsuo and UESUGI Fumihiko1)
国立研究開発法人 産業技術総合研究所 製造技術研究部門，1)国立研究開発法人 産業技術総合研究所 九州センター（原稿受付：２
０
１
９年１
２月０
２日）

半導体量産ラインにおけるプラズマプロセスで発生する典型的な異常として異常放電が挙げられる．異常放電はパーティクルとともに量産ラインにおいて歩留りや装置稼働率を低下させる要因であり，その対策が強く望まれている．ウエハ近傍で発生する異常放電はウエハの損傷に直結するため，特に問題となる．その抑止に向けてはまずプロセス中にその場で異常放電発生を検知する手法の開発が必要である．本章では，ウエハ近傍で発生する異常放電の検出手法として開発した薄型アコースティックエミッションセンサ内蔵型ウエハステージについて紹介する．
Keywords:
micro-arc discharge, acoustic emission sensor, in-situ detection, aluminum nitride piezoelectric film, wafer stage

３．
１ はじめにに，前工程におけるどのプロセスで異常放電が発生したのLSI（大規模集積回路）の製造ラインにおいて最も深刻かを特定する必要が生じ，その調査や復旧作業に要する時な問題の一つが異常放電である［１，２］．異常放電はプラズ

間は装置稼働率の低下，ひいては製造コストの増加を招

マプロセス中に突発的かつ局所的に発生し，プロセスチャ

く．このように量産ラインにおいて異常放電は大きな問題

ンバー内の各種部品や電極，スパッタターゲットなどに損であり，その抑止対策を構築する上でも，異常放電をプロ

傷を与えるとともにプロセスの変動要因にもなる［２，３］．

セス中にその場で検出可能な手法の開発が強く望まれてい製造歩留りの低下に加え，異常放電の規模や頻度によってる．

は装置を停止し発生箇所の調査やチャンバー内のメンテナ

異常放電の検出手法としては，これまでもいくつか提案ンスが必要となるため，装置稼働率を大きく低下させる．

されている［４‐１２］．しかしながら量産装置への適用が難し

異常放電はプロセスチャンバー内の様々な箇所で発生しいのが現状である．例えば異常放電に伴って発生する発光

得るが，その中でも特に問題となるのはウエハ（被処理製や電磁波を検出する手法ではプロセスチャンバーに取り付品）の近傍で発生する異常放電である．ウエハ近傍での異けられたビューイングポートを観測に利用するが，量産装常放電はウエハ自体の焼損やウエハ上のデバイス破壊の直置にはモニタリング用途のポートは通常設けられていな接の原因となる．また，ウエハ上のデバイス構造に起因しい．更に従来手法では異常放電の発生箇所を特定できないて発生する異常放電も存在するが，加工寸法の微細化にことも現場のニーズから見た課題として挙げられる．

伴って異常放電の規模も小さくなるとその発生を検知する

ア コ ー ス テ ィ ッ ク エ ミ ッ シ ョ ン（Acoustic Emission

ことはより一層困難となる．異常放電の発生がプロセス中（AE））法は異常放電に伴って発生する弾性波を検出するに検知されない場合，損傷したウエハが以降の工程に進手法である［１３‐２０］．チャンバー外壁上に取り付けた AEみ，前工程最終段の検査工程にて初めてその損傷が発覚す

センサによって，チャンバー内壁近傍で発生した異常放電

る場合も多い．検査工程まで進んだウエハは製品としてのを検出することができる．更には複数個の AE センサを同付加価値が既に高くなっているため，その段階で異常放電時にモニタリングすることで異常放電の発生箇所を特定すによる損傷が発覚してウエハ廃棄に至れば損害となる．異ることも可能であり，既存の検出手法の中では最も量産ラ

常放電は一度発生するとその後の発生頻度が高くなること

インへの適用に適した手法である．しかしながらこの AEが経験的に知られており，結果として多数のウエハを廃棄手法を用いてもウエハ近傍で発生した異常放電の検出は困せざるを得なくなり，製造コストの上昇を引き起こす．更難である．

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
corresponding author’s e-mail: kasashima-yuji@aist.go.jp

１１１!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.3 March 2020

プラズマプロセスチャンバー内でウエハを搭載するウエ3 μm 厚の窒化アルミニウム（AlN）の薄膜圧電体を用いてハステージには高周波電力を印加するための電極が組み込いる．AlN は圧電性セラミックスの中で最も高い耐熱性

まれている．そのため接地電位にあるチャンバー壁との間（１２００℃）を有するため［２６‐２９］，センサとしての耐熱性もには，絶縁用の樹脂製部品や O リング等の部品が多数設置

従来型に比べて優れる．なお本研究で使用したセンサの実されている．これら樹脂製部品と金属製部品（一般的には際の耐熱性はセンサ構成部材やケーブルの耐熱性によってアルミニウム）で構成されるウエハステージとの音響イン制限されるものの約２５０℃まで使用可能である．

ピーダンスは一桁以上異なる［２１，２２］．したがって，ウエ

薄型 AE センサの概要図を図２に示す．本センサは２つハ近傍で発生した異常放電に伴い発生する弾性波は，ウエの AlN 薄膜，両薄膜間のダンパーから構成される．片側のハステージを介してチャンバー壁まで伝搬する間にこれら薄膜は弾性波検出用（検出面）として機能し，他方の薄膜

樹脂製部品との境界面で大きく減衰する．すなわち，チャは高周波ノイズを除去するための参照用（参照面）としてンバー外壁までは伝搬できないため，外壁上に設置した機能する．AE シグナルの測定時には，両薄膜からの出力

AE センサではその検出が原理的に困難となる．

信号に対して差動シグナルを測定する．プロセスチャン

そこで我々は，独自に開発した薄型 AE センサをウエハ

バー内では AE シグナルの測定を阻害する高周波電源起因ステージに内蔵するという検出手法を考案，開発した［２１‐の 13.56 MHz の高周波ノイズが存在するが，差動シグナル２４］．本章では本手法の特長や従来手法に対する優位性なを測定することによって当該ノイズを除去することが可能どについて紹介する．

となる．異常放電によって発生した弾性波はウエハ側に向け設置した検出面で検出される一方，ダンパーによって減３．
２ 実験方法衰を受けるため他方の参照面では検出されない．このよう実験は図１に示す半導体量産用の平行平板型リアクティ

なセンサ構造にすることで，高周波ノイズが多いプラズマブイオンエッチング（Reactive Ion Etching（RIE））装置でプロセス環境下でも異常放電を効果的に検出することが出実施した．ウエハステージ内の下部電極にはプラズマ生成

来る．本章で使用した AE センサのサイズは 1.5 cm2，厚さ用の高周波電源（13.56 MHz）が接続されている．ウエハス

は約 1 mm である．

テ ー ジ 最 上 部 に は 単 極 型 静 電 チ ャ ッ ク（Electrostatic

図１に示す通り，ウエハステージを改造し ESC 直下に薄chuck（ESC））が取り付けられており，プロセス中のウエ型 AE センサを内蔵させた．なおこの改造前後でプラズマ

ハを吸着，固定する機能を持つ．プロセス条件は量産ライ

エッチング特性，すなわちウエハ面内のエッチング均一性

ンと同等な条件を設定可能である．本研究ではプロセスガ

及びエッチングレートが変わらないことを確認している．

スは SF6 及び N2 の混合ガス，定常圧力 18 Pa，電極間距離

実験では比較用のセンサとして図１で示すようにウエハス

60 mm，高周波パワーは 600 W に設定している．実験の一テージシールドにも薄型センサを設置し，更にチャンバー

部では Ar ガスを用いているが，ガス種以外の条件は同一

外壁には従来型センサを取り付けた．以降特に断らない限である．

り，これらのセンサを内蔵センサ，シールドセンサ，外壁AE センサをウエハステージに内蔵させることを考えた

センサと称することとする．AE シグナル測定時のサンプ

場合，既存の従来型センサを使用することは困難である．

リング周波数は 20 MHz または 1 MHz であり，薄型センサ

その理由は従来型センサのサイズであり，典型的には直径及び従来型センサに用いたアンプの増幅度は各々１，０００及

20 mm，長さ 20 mm 程度のサイズを有する．また耐熱温度

び３０である．

も上限が８０℃程度であり，プロセスチャンバー内で使用す

異常放電発生を検知するための参照用プローブとしてるには耐熱性が不足している．そこで我々は，ウエハス

Viewing port style plasma probe（VP-Probe）を 用 い た

テージに内蔵が可能でかつ耐熱性にも優れた薄型の AE セ

［１３，
１７］．VP-Probe 法はチャンバーのビューポートをプ

ンサを独自に開発した［２５］．後述の通り，薄型センサは約ローブとして利用する手法であり，ビューポートの大気側に電極を取り付けることで，その真空側における内壁電位の過渡的な変化発生を間接的に検出することができる．観測用のビューポートが設けられていないことが多い量産装

図１

実験装置概略図（参考文献［２２］の図１を引用）．

図２

１１２

薄型 AE センサ概略図（参考文献［２２］の図２を引用）．

Special Topic Article

3. Development of Detection Method for Micro-Arc Discharge in Plasma Process by using Acoustic Emission Sensor

Y. Kasashima et al.

置では用いることができないものの，異常放電に伴うプラ

撃した際の内蔵センサ及びシールドセンサの AE シグナル

ズマ中の電位変動を簡便にモニタリングすることが可能な測定結果である．図４（a）の内蔵センサの波形は打撃に応手法である．VP-Probe のサンプリング周波数は AE センサ

答しているのに対して，図４（b）のシールドセンサの波形

同様に 20 MHz または 1 MHz に設定した．

には変化が見られない．本結果はウエハステージ上，すな
わちウエハ近傍で発生した弾性波を検出するためにはその３．
３ 実験結果発生源の直近にセンサを設置する必要があることを示して量産ラインでは，先述の高周波ノイズの他にも AE シグいる．以上，ノイズ源への応答及び AE センサの設置個所

ナルの測定を阻害する多くのノイズ源が存在する．プロセについて検証した図３及び図４の結果より，ウエハ近傍で

スチャンバーへのウエハ搬送動作は機械的ノイズの代表例の異常放電を検出するために最適なセンサ設置個所は，ウである．量産用装置はスループットを上げるために通常マエハステージ内の ESC 直下であることが明らかとなった．

ルチチャンバー構成となっており，例えばあるチャンバー

前章で述べた通り，プロセスチャンバー内では絶縁用のにおいてプロセスを実行中に隣接のチャンバーではウエハ

樹脂製部品，構成部品間の O リングなどの部材が多数使用の搬送がなされる．この場合，隣接チャンバーのバルブ開されている．実際に ESC とウエハステージシールドの間に閉動作が AE シグナル測定にとってのノイズ源となる．

もポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene

図３（a），（b）はこのようなノイズ源に対して AE シグナル

(PTFE)）製部品や O リングが取り付けられている．表１にを測定し，内蔵センサの優位性を検証した結果である．各

これらの部品を含むウエハステージの構成部品に関する部

波形はそれぞれ，隣接チャンバーにおいてウエハ搬送に伴材材料とその音響インピーダンス，O リングとの境界面にいバルブが開動作した際の内蔵センサ及び外壁センサの測おける弾性波の透過率を示す．音響インピーダンス #は式定結果である．図３（a）の内蔵センサの AE 波形は変化が無（１）の通り，各材料の密度 !及び材料内での弾性波の速度いのに対し，図３（b）の外壁センサの波形は大きなAEシグ［３０］．なお弾性波の縦波は横波に対して十分! で決まるナルを検出している．すなわち，外壁上に設置されたセンに大きな伝搬速度を有するためここでは縦波のみを考慮し

サは隣接チャンバーからのシグナルに敏感に反応していている．また，音響インピーダンス #! と #"の境界面におる．一方で，内蔵センサはそのようなノイズシグナルを検ける弾性波の透過率 " は式（２）の通り求めることができ出せず応答していないことが示されている．本結果からる．

チャンバー外壁とウエハステージの間を弾性波が伝搬でき##!"!

ないことがわかるが，これはウエハ近傍での異常放電を検出するためにはウエハステージにセンサを設置する必要が"#あることを示している．そこで次の検証として，ウエハス
テージにおけるセンサ設置個所について検討した．図４（２）

表１か ら わ か る 通 り，ESC の 部 材 で あ る ア ル ミ ナ（a），（b）はそれぞれ，ウエハステージの上部を機械的に打

図３

#!#"
#
"
#!!#"%$（１）

図４

隣接チャンバーにおいてウエハ搬送時にバルブが開動作した際の（a）
内蔵センサ，（b）
外壁センサの応答シグナル（参考文献［２２］の図３を引用）．

１１３

ウエハステージの上部を打撃した際の（a）
内蔵センサ，（b）
シールドセンサの応答シグナル（参考文献［２
２］
の図４を引
用）
．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.3 March 2020

表１

ウエハステージの構成部品に関する部材材料，音響インピーダンス，O リングとの境界面における弾性波の透過率．
構成部品

チャンバー，ウエハス テ ー ジ，
ウエハステージシールド
静電チャック（ESC）
樹脂製絶縁体O リング

材料

音響インピーダンス
Z（×106 kg/m2/s）

O リングとの境界面における弾性波の透過率
T（％）

Al

17.3

33.6

Al2O3
PTFE
ゴム

41.8
2.35
1.76

15.5
97.9
−

（Al2O3）と O リングとの境界における弾性波の透過率は15.5％ である．アルミナの表面や内部で発生した弾性波がO リングを透過する際には境界面を２回透過することを考慮すると，透過波の振幅は入射波の３％以下まで低下する．また，ウエハステージ（アルミ製）が４個のアルミパー
ツ，かつそれらのパーツ間に１個ずつ計３個の O リングが設置されている場合，弾性波の振幅は最終的に入射波のわ
ずか 0.14％ となる．実際のウエハステージでは ESC とウエ
ハステージシールドの間には３個以上の O リングが用いられている．したがって，発生源での振幅値が図４（a）のように 5 V（ピークピーク値）の場合，O リング３個分の境界面を透過した弾性波の振幅値は 7 mV まで減少することとな
る．図４（b）の測定結果ではAEシグナルが観測されていな
いが，その理由は上記考察してきたとおり，ウエハステー
ジ上面で発生した弾性波がウエハステージシールドに伝搬するまでの間に大きな減衰を受けるためである．ウエハス
テージ上面で発生した弾性波を検出するための AE センサ
設置個所としてシールド部は適しておらず，ステージ上で発生した弾性波はセンサをステージに内蔵することで初めて検出可能となることがわかる．
以上の通り，薄型 AE センサ内蔵ウエハステージ手法は高周波電源からの高周波ノイズのみならず，外壁からの機械的ノイズといった外来ノイズ源からの影響を受けず，ウエハステージ上で発生した弾性波のみを検出する．従来手法に対して大きな優位性を持つことが明確となった．
続いて，内蔵センサを用いてウエハ近傍で発生した異常放電を検出した結果について述べる．図５（a），（b）はそれ

図５

ぞれ内蔵センサ及び VP-Probe の測定波形である．サンプ
リング周波数は 20 MHz である．図５（a）では内蔵センサが異常放電発生時の（a）
内蔵センサ，（b）
VP-Probe の検出結
果．（c）
（a）
の波形に対する時間周波数解析結果（参考文献［２２］の図５を引用）．

振幅の大きな AE シグナルを断続的に検出しており，ウエ
ハステージ上で弾性波が断続的に発生したことがわかる．

マ電位及び内壁電位が正方向に変化し得る．図５（c）は図

他方図５（b）では，内壁 電 位 の 急 峻 な 変 化 の 発 生 が VP-

５（a）の内蔵センサの波形に対する時間周波数解析結果でProbe によって検出されている．ここで，VP-Probe のシグある．1 MHz 以上の周波数帯域に及ぶ急峻な変化が特徴的

ナル変化はビューポートへ向かう荷電粒子のフラックスのである．ここで重要な点は，これらの急峻な変化が図５

不均衡により生ずる［１３］．図５（b）で検出された正方向の（b）における VP-Probe の変化のタイミング（異常放電を検変化は，ウエハ裏面とウエハステージ表面間における異常出したタイミング）と明らかに一致していることである．

放電の発生に起因すると考えられる．プロセス中のウエハ

すなわちこれらの結果は，内蔵センサがウエハ裏面で発生の電位は負のセルフバイアス電位であるが［３１］，同時にウした異常放電の検出に成功したことを示している．そしてエハステージには ESC 用に正の直流高電圧が印加されて異常放電検出時のAEシグナルにはMHz帯域に特徴的な成いる．したがってウエハ裏面で異常放電が発生するとウエ分を持つことも明らかとなった．

ハの電位は正方向に変化し得る．その結果バルクプラズマ

ウエハ近傍で発生した異常放電の検出について内蔵セン

中からウエハ方向への電子フラックスが瞬間的に増大（バサの優位性をより明確に実証するために実施した実験結果

ルクプラズマ中の電子が瞬間的に減少）し，ビューポート

を図６（a）‐６（c）に示す．本実験は Ar プラズマで実施してへ向かう電子のフラックスが減少したと考えると，プラズ

おり，それぞれ 1 MHz のサンプリング周波数で測定された
１１４

Special Topic Article

3. Development of Detection Method for Micro-Arc Discharge in Plasma Process by using Acoustic Emission Sensor

Y. Kasashima et al.

図６（a）内 蔵 セ ン サ，図６（b）外 壁 セ ン サ，図６（c）
VP-（a）で観測された突発的 AE シグナルのうちの一つについProbe の 波 形 で あ る．内 蔵 セ ン サ と VP-Probe は 100 msて時間周波数解析した結果である．横軸約 2.4 ms においての間に３回の突発的シグナルを観測している一方で，外壁

500 kHz 以上の周波数成分が観測されているが，このタイ

センサは無反応であることがわかる．内蔵センサと VP-

ミングは図６（c）
で観測された VP-Probe の突発的シグナル

Probe は同じタイミングで突発的シグナルを検出してお発生に対応していることから，内蔵センサによる異常放電

り，また VP-Probe は図５（b）で観測された変化と同様に正検出を裏付ける結果である．

方向の変化を示していることから，本プロセス中でもウエ以上の結果より，薄型 AE センサ内蔵ウエハステージ手

ハ裏面で異常放電が発生し，内蔵センサがそれに伴って発法がウエハ近傍で発生した異常放電に対して外壁センサ，

生した弾性波を検出したことが示されている．図７は図６

すなわち従来 AE 法に対して明確な優位性を有することが実証された．

３．
４ まとめ
ウエハ近傍で発生する異常放電の検出手法として，AEセンサを用いた新たな手法を開発した．AlN 薄膜圧電体を用いた薄型 AE センサを独自開発し，当該センサを量産用
プラズマエッチング装置のウエハステージへ内蔵させる手法を考案した．ウエハ近傍で発生した異常放電の検出及び従来 AE 手法に対する明確な優位性を実験的に実証し，薄型 AE センサ内蔵ウエハステージ手法の有効性を明らかに
した．

謝

辞

本研究の一部は株式会社クリエイティブテクノロジーとの共同研究により実施されました．本研究の実施にあたりご支援いただきました八坂三夫氏（元崇城大学教授），本村大成氏，秋山守人氏（国立研究開発法人

産業技術総合研究所）に筆者一同お礼申し上げます．

参考文献

図６

異常放電発生時 の（a）
内 蔵 セ ン サ，（b）
外 壁 セ ン サ，（c）
VP-Probe の検出結果（参考文献［２２］の図６を引用）
．

図７

図６（a）
で観測された突発的 AE シグナルのうちの一波形に対する時間周波数解析結果（参考文献［２２］の図７を引用）．

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［２０］T. Miyano et al., J. Phys. D. 41, 035209 (2008).
［２１］Y. Kasashima et al., The Encyclopedia of Plasma Technology

１１５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.3 March 2020

II (CRC Press, Taylor & Francis, New York, 2017) p. 1517.
［２２］Y. Kasashima et al., J. Vac. Soc. Jpn. 57, 24 (2014).
［２３］Y. Kasashima et al., IEEE Trans. Semicond. Manuf. 52,
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［２４］Y. Kasashima et al., Jpn. J. Appl. Phys. 53, 03DC04 (2014).
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［２８］M. Akiyama et al., Appl. Phys. Lett. 90, 151910 (2007).

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［３１］M.A. Lieberman and A.J. Lichtenberg, Principles of
Plasma Discharges and Materials Processing 2nd ed. (WileyInterscience, New Jersey, 2005) Chap. 11, p. 430.

１１６

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.3 (2020)１
１７‐１２１

小特集 半導体デバイスの製造品質を裏から支えるプロセスプラズマの隠れた技術

４．プラズマの負荷インピーダンスを利用したプロセス中の異常放電の検出技術
4. Micro-Arc Discharge Detection Method in Plasma Processby Monitoring Load Impedance
國 家 真 治，佐 藤 周 作，木 村 直 也，若 本 悟，
笠 嶋 悠 司１），本 村 大 成１），田 原 竜 夫１），上 杉 文 彦２）
KUNIIE Shinji, SATO Shusaku, KIMURA Naoya and WAKAMOTO Satoru,
KASASHIMA Yuji１）, MOTOMURA Taisei１）, TABARU Tatsuo１）and UESUGI Fumihiko2）
株式会社アドバンテスト 新企画商品開発室，１）国立研究開発法人 産業技術総合研究所 製造技術研究部門，
２）

国立研究開発法人 産業技術総合研究所 九州センター（原稿受付：２
０
１
９年１
２月２日）

プラズマエッチング工程の歩留まりや総合設備効率を悪化させる主要因として，異常放電や異常放電等により剥離したパーティクルが挙げられる．チャンバー内のプラズマインピーダンスの計測により，プラズマの放電
状態のモニタリングや異常放電を検出する計測システムを開発したので紹介する．
Keywords:
plasma process, plasma impedance, microarc discharge, particle, network analyzer

４．
１ はじめにるために進めている，簡便・小型な測定システムの開発の半導体の量産ラインでは，パーティクルによる歩留まり

取り組みについて紹介する．高周波インピーダンス測定の悪化や総合設備効率の改善がプラズマエッチング工程の課基本であるネットワークアナライザを使ったインピーダン

題となっている．チャンバー内で発生するパーティクルのス測定を４．
２節で解説し，ネットワークアナライザでの測定

原因としては，プラズマプロセス中に内壁に堆積した反応

値と自動整合器の可変容量コンデンサ情報からプラズマイ

生成物の剥離や異常放電による飛散，内壁がプラズマに曝ンピーダンスを算出し，プラズマインピーダンスの急激なされて腐蝕することによる剥離などが挙げられる．チャン

変化から異常放電を検出する技術を４．
３，４．
４節で解説する．

バー内の堆積物や内壁の状態をプラズマインピーダンスのリーニングを実施する予知保全，異常放電を検出しパー４．
２ ネットワークアナライザを用いた，反射法によるインピーダンス測定について

ティクルの発生を予知しダメージが想定されるウェハの次伝送路を進む信号を考えた場合，例えば直流回路の様な工程への流出を防止する技術の開発が強く求められている．

伝送路長が信号の波長に比べて十分に短いときは，伝送路

プラズマインピーダンス測定技術は従来，高電圧・電流

上の電圧分布は一定であり，集中定数として考えることがプローブによる測定が研究提案されているが，チャンバー

できる．一方で波長の短い高周波信号では電流・電圧が波や自動整合器への加工が必要となり，エッチングレシピへ動の様に振る舞うために，伝送路途中でインピーダンスがの影響が懸念される．我々は量産ラインで設置稼働中のプ異なると，その地点で反射が生じ，入射波と反射波によりラズマエッチング装置に対しても，チャンバーや自動整合

定在波が発生して伝送路上に電圧分布が生じる．高周波信器には手を加えずに，プラズマインピーダンス測定，およ号ではこれら経路上の電圧・電流の分布を考慮するが，伝び異常放電を検出可能なプラズマインピーダンス測定シス

送路全点の分布ではなく，伝送路を２ポート対としてとらテムを開発してきた［１‐４］．本システムの特長は，高周波電える S パラメータ（Scattering parameter）の考え方が広く源と自動整合器を繋ぐ同軸ケーブルに方向性結合器を取り用いられている．

変化としてモニタリングしパーティクルが発生する前にク付けるのみで既存装置に導入可能な点にある．これまで

S パラメータのイメージを図１に示す．伝送路を２ポーに，異常放電やウエハ吸着不良といったプロセス中の異常

ト対（点線部）に簡易化し，特性インピーダンスを接続し検出や内壁状態のモニタリングへの有効性を実証してきた．

た状態で，入射波，反射波，伝送 波 か ら !!!，!"!，!!"，

本章では，本システムを量産ラインへより導入容易にす!""を導出する．S パラメータはネットワークアナライザのAdvantest Corp., Saitama R&D Center, SAITAMA 349-1158, Japancorresponding author’s e-mail: Shinji.kuniie@advantest.com

１１７!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.3 March 2020

図１

S パラメータの定義．

図２

基本的な測定項目でもある．

ネットワークアナライザによる反射測定接続図．

信号源と負荷とでインピーダンス整合が得られていない

４種類のSパラメータのうち，入力反射係数"""からイン場合は，両者の間に整合回路を設けて本反射法で測定し，ピーダンス Z を求める方法について解説する．

スミスチャートモードにて表示することで，ネットワーク

図１の行列式の反射波 %" 項を展開すると次式が得られアナライザの画面をモニタしながら伝送路の整合状態を把る．

握でき，また，整合回路の定数決定を効率的に行える．
%
"#"
""$
"""
"#$
#

""" は複素数であるが，""" の絶対値を対数表現したもの（１）

をリターンロスといい，スミスチャートと共に整合の度合

ポート２端は特性インピーダンス #!で終端しているため

いを評価する指数として一般的に使われる．

に反射は生じない．即ち a２＝０であり，""" は次式となる．
%"""# "$"

４．
３ プラズマインピーダンス測定
チャンバー内部の状態を外部から簡便，正確に確認，ま（２）

た，監視する方法として，プラズマインピーダンス測定に

次に，入射波 $" と反射波 %#を次式とする．
" の位相差 ""###%"!#$"

よるモニタが適している．本節ではプラズマインピーダン
スの測定を可能にするシステムの構成，および原理につい（３）て説明する．

"#を用いると反射係数 !は次式で表せる．
%!# "&!'"#$"

４．
３．
１ プラズマエッチング装置の基本構成
プラズマエッチング装置は高周波電源，自動整合器，チャンバーで構成されている（図３）．高周波電源より出（４）力された RF 電力はチャンバーに供給されるが，高周波電そして反射係数 !とインピーダンス #には次式の関係が成源とチャンバーのインピーダンスは異なるため，接続面でり立つ．

反射が生じ，チャンバーに効率よく電力の伝達を行うこと## ""!#!
"!!

ができない．このため，高周波電源とチャンバーの間に整合を担う自動整合器が挿入されている．自動整合器は，入（５）力された電力とチャンバーで反射された電力を検出，入力

これらの関係からインピーダンス #が導出され，整合に必

電力と反射電力の関係が一定値以下になるように動作す

要な条件を求めることができる．

る．この動作の結果，自動整合器入力端のインピーダンス

実際にネットワークアナライザで試験対象（DUT）の入は常に５０Ω 前後に，出力インピーダンスはチャンバーの入力端からインピーダンスを測定する場合の接続方法を図２

力インピーダンス（以下，プラズマインピーダンス）に整に示す．信号源 "をパワースプリッターで分け，片方を基合された状態に保たれ，高周波電源からチャンバーへ効率

準信号 !に入力し，他方を，方向性結合器を介して DUTの良いエネルギー伝達が行われる．

の入力ポートへ接続する．DUT からの反射信号は方向性結合器で受けて A に入力する．図２では """ を測定するた
めに，DUT の入力ポート対に接続しているが，DUT の出
力ポート対は特性インピーダンス #!の終端抵抗で終端されている．この評価系により基準信号 R と反射信号 A から
図３!を求めてインピーダンス #が導出される．
１１８

プラズマエッチング装置構成．

Special Topic Article

4. Micro-Arc Discharge Detection Method in Plasma Process by Monitoring Load Impedance

S. Kuniie et al.

４．
３．
２ プラズマインピーダンス測定系の構成と測定原理れている位置情報モニタ電圧を測定することで設定値を知プラズマインピーダンスを測定するシステムには以下がることができる．図中の ##$& をネットワークアナライザで測定されたインピーダンス，#%をプラズマインピーダンス要求される．
１．プラズマに対して非接触とすると，これらのインピーダンスは図６の関係をもつ．

２．リアルタイムな測定が可能

ここで ##$&，#%は共に複素インピーダンスである．よっ３．高精度に異常を早期発見できるて，この式にネットワークアナライザの測定値 ##$&，自動

４．量産装置への取り付けが容易

整合器内部の固定インダクタ値 "!，""，可変容量コンデン

プラズマインピーダンスはチャンバー入力端のインピーダ

サ値 !!，!"を代入すれば，プラズマインピーダンス #%ンスなので，本来ならば自動整合器とチャンバーの間に測が求まる．
このようにして，自動整合器入力端での測定結果をプラ定のための工夫をする必要があるが，装置を改造すること無しにこの間に測定系を挿入することは不可能であり，別ズマインピーダンスに変換することが可能になる［１］．

の方法を考える必要があった．そこで高周波電源と自動整４．
３．
３ プラズマインピーダンス測定用ソフトウエア

合器間に方向性結合器を挿入して，自動整合器入力端の入測定には専用のアプリケーションソフトウエアを使用す

射電力，および反射電力それぞれを，ネットワークアナラ

る．本ソフトウエアはネットワークアナライザを使用した

イザ R3755 シリーズを使用し測定した（図４）．R3755 シ

プラズマエッチング装置のプラズマインピーダンス測定を

リーズは本件のように装置組み込みに最適化した小型の可能にするソフトウエアである（図７）．条件設定画面にボード型ネットワークアナライザである．

て，使用する方向性結合器の結合度，自動整合器の固定イ

自動整合器の入力端での測定において問題になるのは，ンダクタのインダクタンス値，自動整合器の可変容量コン

前述したように，自動整合器の動作により，自動整合器のデンサの容量範囲と制御電圧範囲等の情報を事前に入力し入力端のインピーダンスは常に 50Ω 程度になってしまうこておけば，ネットワークアナライザの測定結果から，プラとである．自動整合器の入力端のインピーダンスは，自動ズマインピーダンスを算出する．

整合器，チャンバーそれぞれの合成インピーダンスになる

図８はプラズマの発光に揺らぎがあり異常状態にあるプ

ため，変化していくプラズマインピーダンスを算出するに

ラズマエッチング装置のプラズマインピーダンスを測定しは，測定されたインピーダンスから，自動整合器内部の整た結果である．プラズマの発光の揺らぎが，プラズマイン

合回路分を除く必要がある．

ピーダンスの実数成分の変化として観測できている．プラ
ズマインピーダンスを測定することで，簡単にプラズマ放自動整合器の等価回路は図５に示すように固定インダク

電の状態を把握することができる．

タと可変容量コンデンサで構成されている．可変容量コン

クリーニング時の大気暴露による内壁の水分吸収がプラ

デンサはモーター制御されており，自動整合器より出力さズマインピーダンスの変化として現れることも知られている［２‐４］．今後，さらなるデータの蓄積と分析を行えば，放電状態やチャンバー内壁の汚染状態を判断する基準が明確になり，異常を発生させないためのクリーニングのタイ

図６

図４

ネットワークアナライザの測定値とプラズマインピーダン
スの関係式［１］．

プラズマインピーダンス測定系．

図５

自動整合器等価回路例［１］
．

図７

１１９

プラズマインピーダンス測定用ソフトウエア．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.3 March 2020

図８

プラズマインピーダンス実測データ．

ミングを確立することが可能と考える．

図９

応答性能確認の測定系．

４．
４ 異常放電検出
プラズマインピーダンス測定システムは，プラズマやチャンバーの状態をモニタするだけでなく，異常放電を検出し，その発生前後のインピーダンスを測定することも重要な目的の一つである．異常放電を検出することで，ダメージが想定されるウェハの次工程への流出を防止する，また，異常放電がおこる前兆を把握し異常放電発生を未然に防ぐ方策を見つけ出すためである．本節ではチャンバー
内壁堆積物を飛散させる原因の一つと考えられている異常放電について，プラズマインピーダンス測定システムを使用した検出への取り組みについて説明する［２］．
異常放電のような突発的で短時間な反応はモーター制御

図１０（a） 応答性能確認時のリターンロス波形．

で動作する自動整合器では追従できない．異常放電を確実に検出する機能を実現するためには，この突発的な現象に十分反応できる高速な動作がプラズマインピーダンス測定
システムには要求される．この瞬間的な現象の捕捉はネッ
トワークアナライザに検波器を搭載することで可能になる．
異常放電が起こると，自動整合器の入力端の不整合として方向性結合器の反射波検出ポートに反射信号が発生する．その反射波を検波器で検出し，異常放電が発生したフラグとしてネットワークアナライザでのインピーダンス 測 定値とともに管理する．このようにすれば，どの測定の時に異常放電が発生し，その前後のプラズマインピーダンスがどのようにふるまっているかを確認することが可能になる．
そこで，実際の異常放電が数 μs の半値幅を持ち，放電の瞬間のプラズマインピーダンスは極めて低くなると仮定して，整合が取れた状態から 1 μs 間の不整合の状態が生じた
場合のシステムの応答能力の確認を行った．図９に模擬異
図１０（b） 応答性能確認時のスミスチャート．

常放電に対するシステムの応答能力確認のための測定系を示す．50Ω で終端された信号ラインとGND間にスイッチを設け，このスイッチをパルス幅 1 μs のパルスで ON/OFF

アナログスイッチの ON 抵抗の影響により，全反射（0Ω）

させて，整合状態，不整合状態を切り替える．図中のスにはなっていないが，正常状態と異常状態ははっきりと捉イッチがOFFでは整合が取れた状態になるため，方向性結

えられており，異常放電の直前直後は整合状態であること

合器の反射波観測ポートには反射波は現れない．スイッチが確認できる．

ON にして 1 μs 間 GND にショートして，整合状態を崩し，プラズマが安定し正常放電している状態でも，プラズマ
インピーダンスは少しずつ変動するので，自動整合器が整反射波を発生させている．
図１０（a），図１０（b）は図９の測定系で異常放電に見立て

合操作を行う．そのため自動整合器端のインピーダンスはた応答を捕らえた !!! の波形である．異常放電に見立てた

50Ω 丁度にはならず，数 Ω 程度変動する．この変動と異常応答を確実に捉えている．

放電による反射波と識別するため，反射波の検出閾値をリ
１２０

Special Topic Article

4. Micro-Arc Discharge Detection Method in Plasma Process by Monitoring Load Impedance

S. Kuniie et al.

ターンロス値で 20 dB から 25 dB 程度に設定するのが適切きることを示した．また，プラズマインピーダンス計測技と考える．図８の実測データを取得した装置の正常状態か術を応用し，突発的に発生する異常放電を検出し，損傷のらリターンロス値で20 dBから25 dB程度までの悪化は，プ可能性があるウェハの次工程への流出防止の可能性も確認

ラズマインピーダンスが急峻に 1 から 0.5Ω 程度変動した状

した．今後は，実際の量産装置に組み込んで各種条件での態に相当する．

プラズマインピーダンス，異常放電データを蓄積し，シス
テムの完成度を上げていく予定である．

このように本プラズマインピーダンス測定システムを使用すれば，高感度で異常放電の検出が可能となり，プラズ

参考文献

マエッチング装置の状態を，装置を改造することなく，正確かつ高速に監視していくことが可能になる．

［１］T.Motomura et al., Rev. Sci. Instrum. 85, 026103 (2014).
［２］Y.Kasashima et al., Appl. Phys. Express 7, 096102 (2014).
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［４］Y.Kasashima and F. Uesugi., J. Vac. Soc. Jpn. 59, 270 (2016).

４．
５ おわりに本章では，開発したプラズマインピーダンス測定システ
ムにより，簡単にプラズマ放電の状態を把握することがで

１２１

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.3 (2020)１
２２‐１２５

小特集 半導体デバイスの製造品質を裏から支えるプロセスプラズマの隠れた技術

５．プラズマエッチング耐性に優れる
新規セラミックスの材料開発と実用化
5. Development of High Corrosion Resistance Ceramics for Chamber Parts
in Mass-Production Plasma Etching Equipment
笠 嶋 悠 司，上 杉 文 彦１）
KASASHIMA Yuji and UESUGI Fumihiko１）
国立研究開発法人 産業技術総合研究所 製造技術研究部門，
１）

国立研究開発法人 産業技術総合研究所 九州センター（原稿受付：２
０
１
９年１
２月０
２日）

半導体量産ラインにおけるプラズマエッチング装置のチャンバー内ではセラミックス製の部品が多用されているが，プロセス環境下での腐食が歩留りや装置稼働率を低下させる一因となっている．酸化アルミニウムや酸化イットリウム等を部材としたセラミックス製部品は，プラズマエッチング環境下に長時間曝されることによって腐食していく．それがパーティクルの発生やチャンバー内汚染の原因となり，洗浄や部品交換等のメンテナンスが必要となる．そのため量産ラインでは耐腐食性に優れた新規部材が強く望まれている．このような背景の下，我々は新たなセラミックス部材として酸化マグネシウム系セラミックスを開発したので本章で紹介する．
Keywords:
plasma etching, magnesium oxide based ceramics, chamber parts, corrosion resistance, conductive ceramics

５．
１ はじめにと，機械的強度（曲げ強度や硬度）が低いといった欠点がLSI（大規模集積回路）量産ラインにおけるプラズマ

ある．そのため製造現場では Y2O3 にも代わる新規部材がエッチング装置のプロセスチャンバー内では，Si，SiO2，

求められている．

SiC や酸化アルミニウム（Al2O3）等の部材がシャワーヘッ

チャンバー部品に用いられるセラミックス部材の物性とド，フォーカスリング，シールドリングといった部品に多して，機械的強度等の物理的物性に加えて導電率も重要な用されている．セラミックス製部品はハロゲン系ガスを用物性である．シャワープレートやフォーカスリング，チャ

いた反応性プラズマエッチング環境に長時間曝されること

ンバー内壁部材といった各種部品に適用するためには広範

によって腐食され摩耗し，パーティクル発生源やチャン

囲に亘る様々な導電率が求められる．また，高導電率を有バー内汚染源となるなど，製造歩留りや装置稼働率の低下する部材は異常放電の抑制やそれに伴うパーティクル発生の原因となる．使用可能期間（部品寿命）が短い部品は交を低減することが可能な利点を持つ［１１‐１４］．

換サイクルが短くなり，製造コストの増加を招く．プラズ

そこで我々は，新規セラミックス部材として酸化マグネ

マエッチング工程で発生するパーティクルは製造歩留りやシウム（MgO）系セラミックスを開発した［２３］．本章で装置稼働率低下の主要因であり［１‐１６］，セラミックス部材

は量産用プラズマエッチング装置を用いた当該新規部材のの腐食によって発生するパーティクルは第２章で述べた反評価結果について報告する．

応生成物堆積膜の剥離によるパーティクルとともに主要な

５．
２ 実験方法発生起源である．パーティクルは製造歩留りを大きく低下させるため，量産ラインでは腐食されにくく部品寿命が長セラミックス部材の耐プラズマ評価実験は半導体量産用

い新規セラミックス部材が強く望まれている．

の平行平板型リアクティブイオンエッチング（Reactive

既存のセラミックス部材 と し て 長 年 使 用 さ れ てきた

Ion Etching（RIE）［２４］装置で実施した．プロセス条件は）

Al2O3 に代替する部材として，より高いプラズマ耐性を有量産ラインと同等な条件を設定可能であり，本研究ではプする酸化イットリウム（Y2O3）の利用が近年広がっている

ロセスガスは CF4，ガス圧力 10 Pa，電極間距離 11 mm，高［１７‐２２］．しかしながら，Y2O3 はレアアースであるイット

周波電力 1000 W に設定した．１回のエッチング時間は６０

リウムを含むために安定供給面で懸念があり，かつ高コス秒とし，計１３０回（１３０分間）のエッチング処理を実施した．

トになる．また材料として高密度焼結体の製造が難しいこ

サンプルとしては MgO 系セラミックス開発材料に加え，National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
corresponding author’s e-mail: kasashima-yuji@aist.go.jp

１２２!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

5. Development of High Corrosion Resistance Ceramics for Chamber Parts in Mass-Production Plasma Etching Equipment

Y. Kasashima and F.Uesugi

比較評価用として Si，Al2O3，Y2O3 を使用した．Si は市販

NMA-1 の鏡面である．NMA-1 は均一かつ緻密な構造であの直径 200 mm ウエハから直径 30 mm に切り出して使用しることが示されている．なお画像中に見える白色の点はた．各セラミックスサンプルは粉末冶金にて図１の通り直YAlO3 の結晶である．表１に NMA-1，単結晶 MgO，Y2O3

径 30 mm，厚さ 4 mm となるように製作した．下部電極の曲げ強度及びビッカース硬さを測定した結果を示す．

（ウエハステージ）上にはウエハの代わりに直径 200 mm

NMA-1はいずれの特性も単結晶MgOとY2O3 に比べて大きのアルミナ製基板を搭載し，その上に各サンプルを配置しいことがわかる．これらの優れた機械的特性は，MgAl2O4

た．エッチング処理による損耗量を評価するため，各サン
プルは図１に示す通り表面半分をポリイミドテープでマスキングした．エッチング処理終了後には当該ポリイミド
テープを慎重に剥がし，エッチング処理面（非マスキング表面）とマスキング面との段差をエッチングによる損耗量として評価した．段差の測定には表面粗さ計（東京精密製，
SURFCOM２８００）を使用した．表面の観察は SEM（日立ハイ テ ク ノ ロ ジ ー ズ 製，S‐３４００N）及 び レ ー ザ ー 顕 微 鏡（キーエンス製，VK-X２１０）を用いた．

５．
３ 実験結果５．
３．
１ MgO 系セラミックスの開発
MgO はレアアースを含まず Y2O3 に比べて低コストでの製造が可能であるため，MgO 系セラミックスへの代替によって量産ラインにおけるメンテナンスコストの低減が期待できる．一方で一般的な MgO は機械的強度が低いため，そのままチャンバー部品として用いることは困難である．
例えば，一般的な Al2O3 はビッカース硬さ 1600 Hv，曲げ強度 350 MPa 程度であるのに対し，MgO は高密度焼結体の場合でもビッカース硬さ 550 Hv，曲げ強度 250 MPa 程度である．そこで MgO 系セラミックスの開発にあたり，まずは
機械的強度の向上に取り組んだ．結果としては，MgO に
MgAl2O4 相とYAlO3 相を加えたMgO-MgAl2O4-YAlO3 複合
焼結体を粉末冶金にて製造することで機械的特性を向上させることに成功した．更にその特性は MgAl2O4 と YAlO3の含有量によって制御が可能である．図２（a），（b）はそれ

図２ （a）
単 結 晶 MgO 焼 結 体，（b）
MgO‐
２
１％MgAl2O4‐
１
５％
YAlO3 複合焼結体（NMA-1）の SEM 画像（参考文献［２３］の図２を引用）．Copyright (2017) The Japan Society of Applied Physics.

ぞ れ SEM で 観 察 し た 単 結 晶 MgO 焼 結 体 と MgO‐２１％
MgAl2O4‐１５％YAlO3 複合焼結体（本章 で は 以 降 NMA-1と称す）の画像である．焼結体の製造方法は同一である．
図２（a）の単結晶に比べて図２（b）の複合焼結体は粒径が小さくなってい る こ と が わ か る が，こ れ は MgAl2O4 とYAlO3 の添加によって焼結プロセスにおける粒成長が抑制され た 結 果 で あ る．図３は レ ー ザ ー 顕 微鏡 で 観 察 し た

図３
図１

セラミックスサンプル概略図（参考文献［２
３］
の図１を引
用）
．Copyright (2017) The Japan Society of Applied
Physics.

１２３

レ ー ザ ー 顕 微 鏡 で 観 察 し た MgO‐
２
１％MgAl2O4‐
１
５％
３］
の
YAlO3 複合焼結体（NMA-1）の鏡面画像（参考文献［２図３を引用）．Copyright (2017) The Japan Society of Applied Physics.

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.3 March 2020

表１

NMA-1，単結晶 MgO，Y2O3 の機械的特性（曲げ強度及びビッカース硬さ）．

機械的特性
曲げ強度（MPa）
ビッカース硬さ（HV）

NMA-1
５
５
４
９
２
９

単結晶 MgO
２
５
０
５
５
０

Y2O3
２
０
０
８
０
０

と YAlO3 の添加による粒成長の抑制及び緻密な焼結体によって得られた特性である．
先述の通り，チャンバー部品として実用化するためには
機械的特性に加えて導電率も重要な指標になる．そこで我々は導電性 MgO 系セラミックの開発に取り組んだ．導電性は炭素を添加することで発現させた．NMA-1 の抵抗
率は 1014 Ω・cm 以上であるが，炭素の添加量を変えることによってその値を制御すること可能である．例えば，炭素を３％添加したMgO‐２１％MgAl2O4‐１５％YAlO3‐３％C複合
焼結体（以降 NMA-2 と称す）は 100 Ω・cm オーダーの抵抗率（高導電率）を実現した．
５．
３．
２ プラズマエッチング耐性の評価
MgO 系セラミックス開発材 NMA-1 及び NMA-2 について既存材料 Si，Al2O3，Y2O3 とともにプラズマエッチング
耐性を評価した．図４にその評価結果を示す．なお縦軸は
Al2O3 のエッチング量を用いて相対比較できるようにしている．エラーバーは各サンプルの面内ばらつきである．本
結果より，各セラミックスサンプルは，Si に比べて極めて小さいエッチング量であることがわかる．更に，開発材
NMA-1 及び NMA-2 はいずれも Al2O3 よりもエッチング量が小さいだけでなく，わずかながらも Y2O3 よりも小さい
こ と が 示 さ れ て い る．す な わ ち，開 発 材 NMA-1 及 び
NMA-2 は既存材料に対して高いプラズマ耐性を有することが明らかとなった．
図５（a）‐（d）はそれぞれレーザー顕微鏡で観察した Si，
Al2O3，Y2O3 及び NMA-1 の表面画像である．各画像において 左 側 は マ ス ク 面，右 側 が エ ッ チ ン グ 面 で あ る．Si，

図５
図４

各サンプル材料の被エッチング量（対 Al2O3 比）
（参考文献
［２
３］
の図４を引用）．Copyright (2017) The Japan Societyof Applied Physics.

１２４

レーザー顕微鏡による表面観察画像（a）
Si，（b）
Al2O3，（c）
MgO‐
２
１％MgAl2O4‐
１
５％YAlO3 複 合 焼 結 体
Y2O3，（d）（NMA-1）（参考文献［２３］の図５を引用）．Copyright (2017)
The Japan Society of Applied Physics.

Special Topic Article

5. Development of High Corrosion Resistance Ceramics for Chamber Parts in Mass-Production Plasma Etching Equipment

Y. Kasashima and F.Uesugi

め今後の研究課題としてその実証に取り組む予定である．

Al2O3，Y2O3 はいずれもエッチングによって表面状態が荒れているのに対し，NMA-1 の表面荒れはその程度が小さい様子が見て取れる．これらの画像からも MgO 系セラ

参考文献

ミックス開発材は既存材料に対して優位性を持つことが明［１］N. Ito et al., Jpn. J. Appl. Phys. 47, 3630 (2008).
［２］F. Uesugi et al., J. Vac. Sci. Technol. A 16, 1189 (1998).
［３］N. Ito et al., J. Vac. Sci. Technol. B 16, 3339 (1998).
［４］T. Moriya et al., J. Vac. Sci. Technol. A 18, 1282 (2000).
［５］T. Moriya et al., J. Vac. Sci. Technol. B 22, 2359 (2004).
［６］H.-S. Jun, Jpn. J. Appl. Phys. 52, 066203 (2013).
［７］G. Lapenta and J.U. Brackbill, Plasma Sources Sci. Technol. 6, 61 (1997).
［８］S.J. Choi et al., Plasma Sources Sci. Technol. 3, 418 (1994).
［９］M.A. Hussein and R.B. Turkot, Jr., IEEE Trans. Semicond.
Manuf. 19, 146 (2006).
［１０］G.S. Selwyn, Plasma Sources Sci. Technol. 3, 340 (1994).
［１１］Y. Kasashima et al., Jpn. J. Appl. Phys. 54, 01AE02 (2015).
［１２］Y. Kasashima et al., Jpn. J. Appl. Phys. 53, 040301 (2014).
［１３］Y. Kasashima and F. Uesugi, Jpn. J. Appl. Phys. 53, 110308(2014).
［１４］Y. Kasashima et al., Jpn. J. Appl. Phys. 52, 066201 (2013).
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［１６］Y. Kasashima and F. Uesugi, J. Vac. Soc. Jpn. 59, 270 (2016).
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［１９］X.P. Qin et al., Ceram. Int. 38, 2529 (2012).
［２０］D.M. Kim et al., Thin Solid Films 519, 6698 (2011).
［２
１］D.M. Kim et al., J. Am. Ceram. Soc. 94, 3455 (2011).
［２２］Y.-C. Cao et al., Appl. Surf. Sci. 366, 304 (2016).
［２３］Y. Kasashima et al., Jpn. J. Appl. Phys. 56, 06HC01 (2017).
［２４］M.A. Lieberman and A.J. Lichtenberg, Principles of
Plasma Discharges and Materials Processing 2nd ed. (Wiley-Interscience, New Jersey, 2005) Chap. 15, p. 571.
［２５］M.A. Lieberman and A.J. Lichtenberg, Principles of
Plasma Discharges and Materials Processing 2nd ed. (Wiley,
New York, 2005) Chap. 7.
［２６］M.A. Lieberman and A.J. Lichtenberg, Principles of
Plasma Discharges and Materials Processing 2nd ed. (Wiley,
New York, 2005) p. 212.
［２７］C. Liu et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 6350 (2013).
［２８］S.L. Matlow, U.S. Patent. 5328556 (1992).
［２９］T.B. Reed, Free Energy of Formation of Binary Compounds:
An Atlas of Charts for High-Temperature Chemical (MITPress, Cambridge, MA, 1971) Chap. 3.
［３０］L. Pauling, General Chemistry (Dover, New York, 1988) p.
398.
［３１］E. Wiberg and N. Wiberg, Inorganic Chemistry (Academic
Press, New York, 2001) p. 1322.
［３２］R.C. Ropp, Encyclopedia of the Alkaline Earth Compounds(Elsevier, Amsterdam, 2013) p. 43.
［３３］M. Wakaki et al., Physical Properties and Data of Optical
Materials (CRC Press, Boca Raton, FL, 2007) p. 275.

らかである．
各サンプルに対するエッチング量の差異は，CF4 プラズ
マにおいて材料表面で起こる反応と表面からのフッ化物の揮発によって説明できる［２５］．Si，Al2O3，Y2O3 及び MgOに対して生成される主要フッ化物はそれぞれ SiF4， AlF3，
YF3 及 び MgF2 で あ り，そ の 標 準 生 成 エ ン タ ル ピ ー は−1146，−578，−734，−522 kJ/mol と見積もることがで
き る［２６，２７］．ま た 標 準 ギ ブ ス エ ネ ル ギ ー は そ れ ぞ れ−1105，−553，−747，−517 kJ/mol と見積もることができる［２６‐２９］．したがって，標準生成エンタルピー及びギブ
スエネルギーがともに最も低いSiF4 はその生成反応が最も容易に進む．セラミックス製サンプルの中では YF3 の値が両方とも最も低く，すなわちその生成反応は最も進み易い．また AlF3 と MgF2 は各値ともに同様な値である．ここで重要な点としては全ての値が負であること，つまりこれ
らのフッ化物の生成反応は自発的に進むことである．また，上記に加えて重要な物性値は各フッ化物の沸点であり，SiF4，AlF3，YF3 及び MgF2 についてそれぞれ−９５，
１３０
０，２２００，２２００℃で あ る［１７，３０‐３３］．こ れ ら の 値 よ り
YF3 及び MgF2 は SiF4 と AlF3 よりも蒸発しにくいことがわかるが，このことより図４の結果で Y2O3 及び MgO に対するエッチング量が Si と Al2O3 よりも小さくなったことを理解できる．そして開発材 NMA-1 及び NMA-2 のエッチン
グ量がY2O3 より小さいのは，上記の通りYF3 の生成反応がMgF2 の生成反応よりも進み易いためである．

５．
４ まとめ
半導体量産用プラズマエッチング装置のチャンバー部品に用いる新規セラミックス部材として，MgO 系セラミッ
クス材料を開発した．本材料の機械的特性は硬度及び曲げ強度ともに既存材料よりも優れることが確かめられた．広範囲にわたって抵抗率を変えることにも成功し，低抵抗率（高導電率）材料（〜100 Ω・cm）及び高抵抗率（低導電率）材
料（＞1014 Ω・cm）ともに CF4 ガスを用いたプラズマエッチン
グに対して高い耐性を示した．この新規 MgO 系セラミッ
クス材料は硬度，曲げ強度，抵抗率など各種用途に応じた
チャンバー部品に用いることが可能であり，フォーカスリン
グやシャワープレート等への適用が期待できる．量産ラインにおける製造コスト低減への貢献が可能な部材であり，製品実用化に向けた取り組みを進めている．また，導電性
材料は異常放電やパーティクルの抑制効果が期待されるた

１２５

J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.3 (2020)１
２６‐１２７

小特集 半導体デバイスの製造品質を裏から支えるプロセスプラズマの隠れた技術

６．おわりに
6. Conclusion
上杉文彦
UESUGI Fumihiko
国立研究開発法人 産業技術総合研究所 九州センター（原稿受付：２
０
１
９年１
２月５日）

今回の小特集では半導体産業の分析に基づいて，デバイ

顧客向けに 300 mm ウエハ用製造装置に特化した活動にな

スメーカの視点でレガシーファブ（Legacy Fab）の量産ラる．一方で，200 mm 以下のレガシーファブは集中戦略をインで収益を上げるために必要な技術について述べた．収とり，収益性向上をめざすため，製造設備の導入を積極的

益を最も落とす原因の１つであるプラズマプロセス，特にに行うことは困難である．製造装置メーカは 200 mm やそ

プラズマエッチングプロセス・装置に関して，３種類の技

れ以下の製造装置は製造中止，もしくは新規開発を行いに術が必要なことを述べた．本小特集を終えるに当たり，３

くい状況になっている．このような状況の中で，第１章の種類の技術について，課題と今後の見通しについて述べ

図２に示すように 200 mm 量産ラインの需要は高まり続ける．

ている．このギャップをどう克服するかについて，半導体第１の不良発生の抑止・予知保全ではパーティクルや異製造装置・材料の国際業界団体であるSEMI（Semiconduc-

常放電が解決すべき重要課題であることを述べた．文献

tor Equipment and Materials International）やグローバル［１］を契機として，内壁への堆積膜に起因する剥離パー

な半導体生産技術者の議論や交流を行う国際学会の ISSM

ティクル，プラズマと内壁との反応による腐蝕パーティク（International Symposium on Semiconductor Manufactur-

ル，異常放電によるパーティクルの発生メカニズムの解明

ing）の ISSM２０１８でも議論が始まっている．今後の産業界が進んだ．また，メカニズムとそれに基づくモニタ手法にの大きな課題の１つである．

ついて，実際の量産用プラズマエッチング装置を用いた研第２のメンテナンス費用削減と第３の装置機差の低減に

究開発の結果について本小特集の第２，３，４章で紹介しよるデバイス特性の安定化を実現するには，共にプラズマた．

耐性の高い材料の開発が必要である．文献［２］の，エッチ

各種パーティクルや異常放電の検出，チャンバー内壁のング装置チャンバー内壁のプラズマによる腐蝕のメカニズ状態のモニタ手法として音響センサによる振動計測，プラムの解明を契機として，従来よりもプラズマ耐性の高い材

ズマインピーダンス計測が有効なことを第３，４章で述べ料への要望，さらには所望の導電率を付与できる材料へのた．研究開発成果を実用化するには，研究機関と計測器

要望が高まっている．導電率の付与では，多結晶材料の結メーカとの協働が重要なことはいうまでもないが，実際に晶粒界に導電性を担う元素を浸透させる方法と，結晶粒そ

使用する量産ラインを保有するデバイスメーカの生産部門の も の に 導 電 性 を 付 与 す る 方 法 が あ る．マ グ ネ シ アとの協働が不可欠である．現実のユーザが参加すること（MgO）ベースの高プラズマ耐性材料の研究開発結果を第で，測定できるというレベルから，量産ラインでの使い方

５章で紹介した．

に合わせた計測システムの機能やソフトウエアの仕様が明プラズマ耐性を高めるには内壁材料の脆弱なのはどこか確になり，サプライヤーとしての計測機器メーカとユーザを知ることが必要である．チャンバー内壁の材料は多結晶であるデバイスメーカの双方の開発・実用化の効率が高ま構造を持っている．結晶粒は単結晶と考えて良く，結晶粒ると期待される．

と結晶粒の境である結晶粒界は転位や転位の集合と考える

プラズマインピーダンス計測システムを例にとると，装ことができる．このあたりの解説は文献［３，４］が参考にな

着するのはプラズマ装置であるから，製造装置メーカとのる．多結晶は，適したエッチング液に浸漬すると転位端が協働も必要である．第１章で述べたように，300 mm 量産

エッチングされてエッチピットができることも知られていラインを使用するデバイスメーカはコスト・リーダーシッ

る．このことは，プラズマに曝されたチャンバー内壁材料

プ戦略をとり積極的な投資をして量産ラインを増設して市

は結晶粒界から削れていくことを示唆する．結晶粒の大き場獲得をめざす台湾，韓国の半導体メーカが中心になってさとプラズマ耐性の関係が文献［５］ではじめて議論された．

いる．ビジネスの観点から見れば，製造装置メーカも有力

今後の高プラズマ耐性材料の研究開発に重要な指針を与え

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Kyushu Center, Tosu, SAGA 841-0052, Japanauthor’s e-mail: f-uesugi@aist.go.jp

１２６!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

6. Conclusion

るものになると考えている．

F. Uesugi

り，国内のレガシーファブは恩恵にあずかれないというこ

一方，すでに文献［６‐９］でシース電場起因の応力が，プラとになる．国内には大小多くの材料メーカがある．製造装ズマの揺らぎによって撃力としてチャンバー内壁の堆積膜

置メーカのチャンバーのメンテナンス業務のサードパーに作用し，内壁から引き剥がす向きに作用することを述べティーとして活動できれば解決するのではないかと考えらた．特にプラズマと内壁材料の反応による腐蝕のメカニズ

れる．

ムを解明するには，上述した結晶粒界での反応に加えて，

以上，プラズマプロセス装置，特にエッチング装置の各結晶粒界の弾性を含めた議論として深まっていくのではな

種パーティクル発生のメカニズム解明，異常放電や内壁状

いかと期待している．

態変化のモニタ，プラズマ耐性材料の開発について述べて高プラズマ耐性材料はエッチングチャンバー内壁の寿命きた．これらのテーマはプラズマサイエンスの観点から見を延ばし，メンテナンスコスト削減の観点から重要である

た場合は，主要テーマにならないかもしれないが，半導体が，装置機差の低減によるデバイス特性の変化低減の観点

デバイスの生産技術の観点から見るときわめて重要なテーからも重要である．内壁の腐蝕が結晶粒界から進むと内壁マである．デバイスメーカ，製造装置メーカはもとより，に凹凸ができて表面積が増えることになり，エッチング時

近年は計測器メーカ，材料メーカにとっても重要になってのウエハ上での自己バイアス電位が変化する［１０］．これにいる．収益性を高めるという経営管理の目標を技術面から

よってエッチング特性が変化し，デバイス特性が内壁の損如何に実現するかという立場で本小特集をまとめた．本小

傷が進むにつれて変化することになり，デバイスの品質に特集を契機に生産技術の研究開発，実用化に興味を持つ同変化が出ると考えられる．内壁の削れ方は装置のチャン

好の士が増えることを期待している．

バーごとに異なるため，これが装置機差として現れ，デバ

参考文献

イス特性がどの装置でエッチングしたかで変わり品質のばらつきとして現れることになる．

［１］F. Uesugi et al., J. Vac. Sci. Technol. A 16, 1189 (1998).
［２］N. Ito et al., Jpn. J. Appl. Phys. 47, 3630 (2008).
［３］C. Kittel: Introduction to Solid State Physics 8th ed. (John
Wiley & Sons, Inc, 2005) Chap. 21.
［４］P. M. Anderson et al.: Theory of Dislocations 3rd ed. (Cambridge Univ. Press, 2017).
［５］Y. Kasashima et al., Jpn. J. Appl. Phys. 58, 041001(2019).
［６］Y. Kasashima et al., Jpn. J. Appl. Phys. 52, 066201(2013).
［７］Y. Kasashima et al., Jpn. J. Appl. Phys. 53, 040301(2014).
［８］Y. Kasashima and F. Uesugi, Jpn. J. Appl. Phys. 53, 110308(2014).
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［１０］M.A. Lieberman and A.J. Lichtenberg, Principles of
Plasma Discharges and Materials Processing (John Wiley& Sons, Inc. 1994) pp.368-372.

このように高プラズマ耐性材料は，メンテナンスコストという装置観点からも，また，装置機差低減によるデバイ
ス品質確保の観点でも重要である．高プラズマ耐性材料の実用化，特に 200 mm 径以下のウエハを使用するレガシー
ファブのプラズマエッチング装置への展開を考えると課題
が 見 え て く る．高 プ ラ ズ マ 耐 性 材 料 を 使 用 す る の は
200 mm 以下のウエハ用のエッチングチャンバー内壁である．先ほど述べたように，200 mm やそれ以下の製造装置は製造中止，もしくは新規開発を行っていない．その一方で第１章の図２に示すように 200 mm 量産ラインの需要は高まり続けている．このことは，国内の材料メーカが高プラズマ耐性材料を開発しても，それを内壁材料とするエッチング装置は海外，特に台湾や韓国のデバイスメーカに渡１２７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.3 March 2020

!!
うえ

すぎ

ふみ

小特集執筆者紹介

ひこさ

上 杉 文 彦しま

ゆう

株式会社アドバンテスト．テラヘルツを利用した計測器開発を経験し，現在は無線技術を使用した計測器の開発を行っている．

き

たつ

じ

わか

しん

もと

さとる

若 本

悟

もと

むら

たい

せい

本 村 大 成国立研究開発法人 産業技術総合研究所 製造
技術研究部門 センサシステム技術研究グルー
プ 主任研究員．博士（工学）．最近は主に反応性スパッタリング成膜とスパッタリング装置の研究開発に携わっています．日々，子育てと仕事の両立について悩みながらも一歩ずつをモットーに実験を頑張っています．

お産業技術総合研究所 製造技術研究部門 センサシステム技術研究グループ 研究グルー
プ長．博士（工学）．専門は耐熱構造材料．現
在は薄膜圧電体のセンシング応用に関する研究，ならびに生産設備や製造プロセスの状態診断技術の開発
に従事．
いえ

や

株式会社アドバンテスト．ネットワークアナ
ライザの開発を行っている．従来の使われ方にとらわれず常に新しい分野での応用を考えています．

田 原 竜 夫くに

なお

株式会社アドバンテスト．ネットワークアナ
ライザ等の RF 計測器のソフトウエア開発を行っている．

国立研究開発法人 産業技術総合研究所 製造
技術研究部門 センサシステム技術研究グルー
プ 主任研究員．博士（工学）．入所以来，半導体量産ラインにおける製造効率向上を目指した研究開発に携わっており，特にプラズマエッチングプロセ
スを対象として日々活動しております．国研としての役割や立場を意識し，いかに産業界へ貢献すべきかを考えながら取り組んでおります．
ばるむら

木 村 直 也笠 嶋 悠 司た

とう しゅう さく

佐 藤 周 作国立研究開発法人 産業技術総合研究所 九州
センター イノベーションコーディネーター．
工 学 博 士（大 阪 大 学）
．１９８
２年 NEC ㈱ 入 社，
NEC エレクトロニクス㈱を経て，２００
８年産業
技術総合研究所生産計測技術研究センターに入所．２
０１
７年から現職．半導体生産ラインの生産性を向上させる生産科学，な
かでもプラズマエッチング装置でのパーティクルや異常放電発生の計測，これら発生の予知保全や解決に関する研究開発をすすめてきました．また，MOT（技術経営）の立場で，研究開発成果を企業と共同で製品化，実用化，事業化を推進してい
ます．
かさ

""

じ

國 家 真 治株式会社アドバンテスト．RF 計測器のハード
ウェア開発を行っている．

１２８