解説

先進セラミックス研究センター年報（2018）. Vol. 7, 39‑42

エアロゾルデポジション法の紹介とその応用
清原正勝 *, ***名古屋工業大学先進セラミックス研究センター客員教授〒 507-0071 岐阜県多治見市旭ヶ丘 10-6-29**TOTO 株式会社 総合研究所〒 253-8577 神奈川県茅ケ崎市本村 2-8-1

Introduction of the Aerosol Deposition Method and Its Applications࣏ࢪࢩࣙࣥἲࡢ⤂௓࡜ࡑࡢᛂ⏝Masakatsu Kiyohara*, ***Guest Professor of Advanced Ceramics Research Center, Nagoya Institute of Technology
10-6-29, Asahigaoka, Tajimi, Gifu 507-0071, JAPAN**Research Institute, TOTO LTD．
2-8-1, Honson, Chigasaki, Kanagawa 253-8577, JAPANAerosol Deposition Method（ADM）is a new technology of ceramics film deposition． Using this method, we can deposit
various ceramics thick films（one-several hundred micrometer of thickness）on metal, glass and ceramics substrates． Itʼs normal
temperature process and doesnʼt require any heating expedient． Films have dense, nano-crystalline structure, good adhesion on
many substrate and good mechanical properties． For several years, we have been developing this process． In this paper,
overview of application to semiconductor manufacturing equipment parts by ADM was reported．
Keywords: Aerosol Deposition Method（ADM），Yttrium Oxide，Semiconductor Manufacture Equipment

本稿では、AD 法について説明を行い、その特徴を活

1．緒言
基材上にセラミック膜を形成する方法としては、これかし世界で初めて実用化した例について紹介する。

までに、物理蒸着（PVD）法、化学気相成長（CVD）法、2．エアロゾルデポジション法（AD 法）

ゾルゲル法、溶射法などが知られている。本稿で紹介するエアロゾルデポジション法（AD 法）は、セラミック緒言でも説明したように、AD 法とは、セラミックス微粒子を高速で基材上に吹き付け緻密質な製膜体を得るの微粒子をガス中に分散させた煙草の煙状のガス（エア手法であり、図 1 に示すセラミックス膜形成方法と膜ロゾル）をノズルから高速で、基材に向けて噴射して衝厚の関係からもわかるように、数〜数十μm といった突させることで、基材上にそのセラミックスの膜を形成他の形成方法ではカバーできない膜厚形成を得意とするする方法である。製膜の様子を図 2 に示す。一見溶射形成技術である。従来の膜形成技術は、緻密化のために法に似ているように思えるが、大きく異なる点は、溶射加熱工程が必要であったのに対して、本手法は加熱工程法はノズル付近で加熱して粉体を溶融状態で噴射させるを必要としない新しいセラミック膜形成技術である。のに対して、AD 法はそのような加熱手段を全く用いておらず、粉体を固体状態で噴射するといった、完全な常

温での製膜技術である。











図1

セラミックス膜形成方法と膜厚の関係
図 2 エアロゾルデポジション法製膜

㻞䠊䜶䜰䝻䝌䝹䝕䝫䝆䝅䝵䞁ἲ䠄㻭㻰 ἲ䠅㻌― 39 ―

エアロゾルデポジション法の紹介とその応用

AD 法に用いる粉体はサブミクロン領域の粒径を有す

この膜質の物性について電気・機械的物性結果を溶射る微粒子が用いられることと、微粒子の衝突速度も実用法・焼成体・単結晶と比較できるように表 1 にまとめた。

400m/s 以下と、溶射法に比べると比較的に小さいこと

なお、密着力については、引き倒し法 4, 5）を用いて評価が特徴であり、雰囲気を高真空状態などに制御する必要を実施した。

がなく、ほとんどのセラミックス材料が製膜可能である。

表１

図 3 に、金属転写文字を施した約 100mm 角のガラス基板上に約 20μm のアルミナ製膜体を AD 法により形ཌࡳ㸦ȣ㹫㸧 ◳ᗘ㸦*3D㸧 ᐦ╔ຊ㸦03D ⪏㟁ᅽ㸦9PP㸧 ᢬ᢠ್㸦ȐFPཌࡳ㸦ȣ㹫㸧 ◳ᗘ㸦*3D㸧 ᐦ╔ຊ㸦03D ⪏㟁ᅽ㸦9PP㸧 ᢬ᢠ್㸦ȐFP 㸿㹂ἲ
㸼
㸿㹂ἲ

 㸼㸼 ⁐ᑕἲ ⁐ᑕἲ 㸫   㸫   㸼㸼↝ᡂయ↝ᡂయ㸼  㸫 㸫 ༢⤖ᬗ 㸫 㸫 成させたサンプルを示す。単純にセラミック微粒子を基材に衝突させるだけであるにも関わらず、透明で緻密な膜が金属転写部分にも形成できることは、本製膜方法の興味深いところである。

༢⤖ᬗ

AD アルミナ膜の物性比較㸫㸫

その結果、AD 製膜体の硬度については、バルク焼成体並とはいかないものの、溶射膜以上の高い値を有し、基材との密着力は、溶射法より優れているのがわかった。
体積抵抗値は 1014 Ω ･cm 以上と焼成体並の値を示し、絶縁耐圧は 100V/μm 以上と、焼成体に対して約 10 倍といった極めて高い値を示した。このことは、本製膜体が気孔等の大きな欠陥も含まず緻密質な膜であることを裏付ける結果であり、本製膜体の特徴として挙げられる。
図 3 ガラス基板上へのアルミナ製膜体

この技術は 1990 年代後半に産総研の明渡ら3．AD 法による Y2O3 膜の応用
1-3）が、デジタル化が進むに連れて、携帯電話からスマート㻟䠊㻭㻰 ἲ䛻䜘䜛 㼅 㻻 ⭷䛾ᛂ⏝㻌㻟䠊㻭㻰 ἲ䛻䜘䜛 㼅㻻 ⭷䛾ᛂ⏝㻌

マイクロマシンに用いるアクチュエータ素子作製として 
フォンに代表される情報端末機器の高機能化が進化し、PZT 微粒子で数百μm の圧電セラミック材料をシリコ

今ではいつでも、どこでも、人と情報とが繋がるユビキン基板上に室温で形成させるのに成功したことを発端とタス社会が実現されている。これらの携帯情報端末の高している。

機能化を支えて来たのが IC、LSI、超 LSI 等に代表される半導体デバイスである。このユビキタス社会は、今2.1

AD 法製膜体の特徴

後もますます発展し、その情報は大容量化し、通信スピー

図 4 は、本手法にてアルミナ粉体を用いて作製されドの高速化に対応する必要が出てくる。それを実現させた製膜体を、走査型電子顕微鏡（SEM）で膜表面と断るためには、半導体デバイスの高集積化、すなわち小型面から観察した結果を示す。観察写真からはポアや粒子化、多ピン化、モジュール化を進める必要があり、これの存在が確認できないほど緻密化されており、溶けたよらデバイスに用いられる回路線幅は Moore の法則に従うな膜質であることが判る。製膜体厚みは、膜質や製膜い細線化が加速することが予測される。一例として、図面積・製膜させる基材の種類により異なるが、サブμｍ5 に 2000 年から 2013 年における DRAM の線幅と単位〜数百μｍ程度の厚みまで製膜が可能である。

時間当りスループット（生産スピード）の推移を示す。








図5
図 4 AD アルミナ膜の SEM 観察像― 40 ―DRAM の線幅と生産性と推移





清原正勝
2000 年からの 10 年間で、線幅は 1/5、生産スピードは 5 倍まで加速している。このような半導体デバイスは、










すべての産業の中で、最も先端的技術を駆使して製品を生み出す分野であり、それを支えているのが半導体製造装置である 6）。また、細線化の需要の増加に伴って、特に半導体製造プロセス中で回路パターニングの細線化形成するエッチング工程が最も重要な工程となっている。
図 6 には、その工程で用いられるエッチング装置図を示す。

図7

AD 法による Y2O3 コーティング石英ガラス

表 2 には、部材として用いられている Y2O3 の焼成体や溶射法と比較を行うために AD 法で作製した Y2O3 製膜体の物性比較を行った結果を示す。なお、溶射法とAD 法の製膜体については、アルミ合金上に製膜した試料を用いて比較を行った。AD 法での製膜体は、10μm程度の膜厚で製膜 8-10）し、溶射法は約 100μm の製膜体を評価に用いた。焼成体については、出来るだけポアを無くすために HIP 処理した試料を用いた。


図6

表2エッチング工程のエッチャー構成図

各種 Y2O3 製品の物性評価結果

䝡䝑䜹䞊䝇◳ᗘ㻔㻳㼜㼍㻕ᐦ╔ᙉᗘ㻔㻹㼜㼍㻕య✚᢬ᢠ್㻔䃈䡡㼏㼙䠅

この工程では、Si ウェハー上に形成された酸化物絶縁膜をハロゲン系の腐食性ガスとプラズマで、部分的に除去し回路パターン形成を行う。ここで問題になるのが、Si ウェハー上の絶縁膜の除去と同時に、装置の構成部材も暴露され、構成部材から粒子の脱落が生じ、Si ウェ⤯⦕⪏㟁ᅽ㻔㼂㻛䃛㼙㻕㼅 㻞 㻻 㻟 㻌↝ᡂయ 㼅 㻞 㻻 㻟 㻌⁐ᑕἲ㼅 㻞 㻻 㻟 㻌㻭㻰

! !



ハー上に付着、パターニング形成した回路を断線させデ自由度の高さから溶射法によるイットリアコーティング

AD 法製膜体は、焼成体をも上回る硬度を有し、さらに、 膜 と 基 材 の 密 着 力 は、 溶 射 法 の 24MPa に 比 べ、80MPa 以上と高い密着力があることが明らかになった。
耐電圧試験結果においても、AD 法で作製した膜の耐電圧は、1μm 当り 300V と焼成体の約 20 倍の値を示した。
今 回 AD 法 で 作 製 さ れ た Y2O3 膜 も、 上 記 で 述 べ た
Al2O3 膜同様の高密着で、緻密な膜質であることが確認が実用化されている 7）。

された。

バイスの歩留まりを低下させることである。細線化に伴いこの断線数が増加し、急激に半導体デバイスの歩留まりを低下させる。現在、Si ウェハーに影響が少ない石英ガラスやプラズマ耐候性を向上させる目的で、サファイアコート、窒化アルミニウム（AlN）やイットリア（酸化イットリウム：Y2O3）の材料が注目され、最近では、

そこで我々は、AD 法で作製した製膜体が、ポアも含次に、商品の機能性の評価として、実際に腐食性の強まず透光性の緻密質であり、構成粒子サイズもナノサイ

いガス中でプラズマを照射した際の侵食性を比較する耐ズの粒子径からなることに着目し、この工程に用いられプラズマ性評価を行った。耐プラズマ性の評価について

る耐プラズマ性に優れた低発塵性を実現すると考え、化は、上記で作製した各種試料片を、平行平板型の反応性学的に腐食性ガス耐候性に優れた Y2O3 材料をコートしイオンエッチング（RIE：Reactive Ion Etching）装置た商品開発を推進することにした。

内に入れ、実際にエッチング工程で用いられる CF4 ＋耐プラズマ性に優れた Y2O3 を石英ガラス上に AD 法O2 の混合ガスを用い、投入電力 1kW で、6hrs の照射エッにて製膜した製膜体を図 7 に示す。その製膜体は、透光チングを行うことで試料に損傷を与えた。比較評価とし性であることからポアも無く緻密質であることがわかる。て、プラズマに暴露された部分とされていない部分を触針式表面形状測定器により測定し、その段差を侵食深さとして求め、さらに、表面粗さの違いや SEM 観察による表面組織の変化を評価した。

― 41 ―ձ ౵㣗῝䛥䐠㻌 ⾲㠃⢒䛥䛾ኚ໬エアロゾルデポジション法の紹介とその応用

 ձ ౵㣗῝䛥


置用部材を中心に展開中である。

䐠㻌 ⾲㠃⢒䛥䛾ኚ໬4．結言
今回、AD 法技術とその実用化事例について紹介した。

AD 製膜体の特徴を解析することによって、従来の溶射法・焼成法の技術では達成できない特性を発現した低発塵性部材の製品化に成功した。ただし、AD 法においては、粉体から直接製膜体になる製膜効率は数％と低いこ㻡㻠䠊⤖ゝ㻌とや、広い面積や複雑な形状体への製膜技術開発等の生

図 8 プラズマ照射 6h 後の侵食性評価結果

産性に係る部分の課題が、まだまだ残されており、この課題解決レベルが今後の実用化・技術普及のための重要

図 8 に、プラズマ照射 6hrs 後の各種材料の浸食深さなカギになると考えている。と表面粗さの比較結果を示す。この結果からは、プラズ
マ 6hrs 照射後、AD 法で作製した膜の侵食深さは、溶参考文献

射法・焼成体とほぼ同程度の 600 〜 800nm であった。

1） 明渡純，「超微粒子ビームによる成膜法と微細加工への展［1］，（1999）44．
開」，応用物理． 68

しかし、表面粗さの変化を比較すると、溶射膜・焼成品は、照射前に比べて 2 〜 3 倍程度に粗れているのに対㼅 㻞 㻻 㻟 㻌㻭㻰

して、AD 法膜は、ほとんど変化が無いことがわかった。



この結果は、図 9 に示す試験前後での SEM 観察から

2） J. Akedo. M. Ichiki, K. Kikuchi. R. Maeda. Sensor &（1998）106．
Actuator A-Phys., 69，

3） J. Akedo. M. Levedev. Jpn. J. Appl. Phys., 38, P1-9B,（1999）5397．

も明らかであり、溶射や焼成品では、表面が粒子の脱落! を示唆するクレータ状になっているのに対して、AD 法

4） D. W. Butler. J. Phys. E. 3,（1970）970-971

で作製した膜では、表面性状の変化がほとんど無いこと5） J. M. Burkstrand. J. Vac. Sci. Technol.（1982）20 440-441が確認できた。

6） K . M a e d a ： H a j i m e t e n o h a n d o u t a i s o u t i ,䛥䛾ኚ໬

kougyoutyousakai, Tokyo（1999）12th ed. p. 10


Beforeerosion test





After erosion test7） M. Nakahara, Text of 38th Seminar on Engineering
Ceramics, Osaka, Japan, 2006,（2006）34-39
8） J. Iwasawa. R. Nishimizu. M. Tokita. M. Kiyohara.
K. Uematsu, J. Am. Ceram. Soc.，90［8］,（2007）23272332．
9） 岩澤順一・西水亮一・常田昌広・清原正勝・植松敬三，
J. Ceram. Soc. Jpn, 114［3］,（2006）272-276

10）J. Iwasawa. R. Nishimizu. M. Kiyohara, Trans. Mater. Res.
Soc., Jpn, 30［4］,（2005）1009-101211）M. Kiyohara. H. Hatono. J. Iwasawa., J. Vacuum. Soc. Jpn,Vol53, No10（2010）573-577
12）M. Kiyohara, FC Report, 33［2］，（2014）106-111

図 9 各種製品のプラズマ照射試験後の組織比較

これらのことは、実機に装着し一定時間使用し、装着の Si ウェハー上に発生したパーティクル数を測定した結果からも、従来品に対して AD 法品はパーティクル数が約 1/20 以下に抑制できたことを示唆する結果であった。
以上のことより、AD 法で作製した Y2O3 製膜体は、現在半導体プロセス工程で重大な問題になっている構成部材から粒子の脱落に伴う発塵を抑制できることが明らかになった。なお、AD 製膜体は従来品に対し部材の長寿命化も実現できることが、これまでのフィールド試験結果から実証され、現在、本技術を応用した部材 11, 12）は、国内外を始めプラズマ耐候性部材として、エッチャー装― 42 ―㻡㻠䠊⤖ゝ㻌