高密度反応性大気圧熱プラズマ
ジェット発生技術を用いた有機材料の超高速エッチング
広島大学大学院先進理工系科学研究科教授 東 清一郎
2022年10月13日
1本研究の背景
半導体製造装置に求められる技術革新とは脱炭素

2020年10月の論文で、ハーバード大学のウディト・グプタ氏が率いる研究者らはあらゆるものがコンピューター化するにつれ「環境への影響も大きくなる」ことを示した。情報およびコンピューター技術は30年までに世界のエネルギー需要の最大20％を占める見込みで、システム運用よりもハードウエアによる消費が大きいという。また、「半導体生産がＣＯ２排出の大部分を占める」とも研究者らは結論付けた。
（Bloomberg「半導体需要急増でＣＯ２排出も拡大－ＥＳＧ絡みで業界ジレンマ 2021年4月12日より）

半導体ユーザー
要求

成果

半導体メーカー
要求

成果

世界最大の半導体ユーザーとして知られるアップ
ルは、２０年７月、３０年までに自社製品の生産や利用を含むサプライチェーン全体で「カーボンニュートラル」を達成する目標を打ち出した。
ESGとは、環境（Environment）、社会（Social）、ガバナンス（Governance）の頭文字を取って作られた言葉。気候変動問題や人権問題などの世界的な社会課題が顕在化している中、ESGの観点での配慮ができていない企業は、投資家などから企業価値毀損のリスクを抱えているとみなされる。
従来の性能、信頼性に加え、製造装置の環境製造装置メーカー 性能が選定の重要な要素となっている

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従来技術とその問題点ウエハ端部のフォトレジスト（PR）を除去する
Edge Bead Removal（EBR）工程
フォトレジスト
ウエハエッチング液

スピンチャック
回転
Phys. Fluids 27, 102105 (2015)

PR塗布・プリベーク後に端部に盛り上り（Edge Bead）が生じ、近接露光工程やウエハ搬送で問題となる

従来技術：回転するウエハ端部に有機溶剤を供給しPRをエッチング

既に実用化されているものには、有機溶剤によるエッチングがあるが、フォトレジストを含んだ廃液処理の問題がある

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新技術の特徴・従来技術との比較
反応性大気圧熱プラズマジェット（R-TPJ）によるPRの超高速エッチング・ArおよびO2のDCアーク放電により発生したR-TPJを回転するウエハ端部に照射し、エッジ部のPRを除去・２台設置し、表裏同時エッチングも可能
・コーターデベロッパーのEBRをR-TPJで置換える
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本技術によるフォトレジストエッチング
大気圧DCアーク放電プラズマ

熱プラズマとは、、、

陰極（W）
10mm

電流 I (A)Ar, O2
流量 f (L/min)

距離 d (mm)陽極
冷却水

走査速度 v (mm/s)
菅井秀郎, 「プラズマエレクトロニクス」（オーム社） より引用

シリコン (100)ウエハ
フォトレジスト（東京応化工業株式会社製）
TSMR iP-3300 17cP、スピン塗布(4400rpm)
130℃, 2min ベーク、厚さ～1 mm

・高圧力領域で生成する超高密度プラズマ
・中性ガス温度と電子・イオン温度が熱平衡に近い⇒熱化している
⇒１万度程度の熱流
5本技術によるフォトレジストエッチング
大気圧DCアーク放電プラズマ

発光分光（OES）
777.4 [nm]陰極（W）

酸素原子の遷移(3p5P → 3s5S)による発光

10mm

電流 I (A)Ar, O2
流量 f (L/min)

距離 d (mm)

陽極・酸素原子の活性種（O*）が発生⇒有機物エッチングが可能

冷却水

走査速度 v (mm/s)

シリコン (100)ウエハ
フォトレジスト（東京応化工業株式会社製）
TSMR iP-3300 17cP、スピン塗布(4400rpm)
130℃, 2min ベーク、厚さ～1 mm

従来の低温プラズマエッチングとの違い
熱プラズマによる急速加熱と、酸素原子活性種によるエッチングが同時進行

反応性大気圧熱プラズマジェット
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本技術によるフォトレジストエッチング
プラズマ照射前後におけるフォトレジストの光学顕微鏡像
Before irradiation

プラズマ照射前後におけるフォトレジスト断面の電子顕微鏡像 （70°観察）

𝑓𝑂2 = 0.3 L/min

Before irradiation

𝑓𝑂2 = 0.3 L/min

𝑓𝑂2 = 0.7 L/min

𝑓𝑂2 = 1.0 L/min

PRSi
𝑓𝑂2 = 0.7 L/min

𝑓𝑂2 = 1.0 L/min

I = 20 [A], d = 1.0 [mm], 𝑓Ar = 1.0 [L/min],v = 25 [mm/s]
・ プラズマ照射により干渉色が変化
・ フォトレジストがエッチングされている

・ プラズマ照射によりレジスト厚が減少
・ 酸素流量増加とともに減少量が増加
・ レジスト除去後のウエハ表面に残渣なし
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本技術によるフォトレジストエッチング
プラズマ照射によるフォトレジスト厚減少量の走査速度依存性（酸素流量の効果）

プラズマ照射によるフォトレジストエッチン
グレート※の酸素流量依存性※プラズマ照射幅を2mmとして算出

・ 酸素流量増加に伴いフォトレジスト厚減少量が増加

Etching rate ～ 6.3 mm/s
大気圧低温プラズマの約50倍

8本技術によるフォトレジストエッチング
プラズマ照射前後によるフォトレジスト厚減少量の走査速度依存性（ワーキングディスタンスの効果）

プラズマ照射によるフォトレジストエッチン
グレートの酸素流量依存性

ワーキングディスタンスを小さくするとフォトレジスト厚減少量が大幅に増加

エッチングレートはワーキングディスタンスに強い依存性をもつフォトレジスト表面の加熱効果を示唆
9新技術の特徴・従来技術との比較⚫新技術は大気圧熱プラズマの急速加熱特性に反応性を持たせた新たなプラズマエッチング技術である⚫フォトレジストの超高速エッチング（6.3 mm/s）を達成した⚫従来のEBRを大気圧プラズマを用いたドライエッチングに置換える可能性を示した⚫本技術の適用により、EBR廃液に伴うCO2排出ゼロの達成が期待できる
10想定される用途• 半導体やフラットパネルディスプレイ製造におけるフォトリソグラフィ工程で、フォトレジスト除去のドライエッチング技術として適用• 各種有機膜や、厚膜レジストの高速エッチング技術としてメリットが大きいと考えられる• 上記以外に、エッチングガスを変更することでベベルエッチングへの適用も期待される• また、達成されたエッチングレートに着目すると、炭素繊維やプラスチック等の加工といった用途に展開することも可能と思われる
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実用化に向けた課題• 今後、反応性熱プラズマジェット発生装置の長時間稼働について実験データを取得し、EBRに適用していく場合の条件設定を行っていく• 実用化に向けて、表裏同時処理技術を確立し、プロトタイプ機を立上げる計画

12企業への期待• 反応性大気圧熱プラズマジェットによるフォトレジストや有機物のエッチング技術に関心を持つ企業様のサンプル処理を希望• また、有機廃液削減を考えている企業様には、本技術の導入が有効と思われる

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：プラズマ発生装置、プラズマ発生方法及びエッチング方法• 出願番号 ：特願2022-131961• 出願人：国立大学法人 広島大学
• 発明者
：東 清一郎14

お問い合わせ先
広島大学
産学連携推進部 産学連携部門
産学官連携コーディネーター柳 和裕
ＴＥＬ 082-424-4306
ＦＡＸ 082-424-6189
e-mail yanagi@hiroshima-u.ac.jp
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