車載 3D センサ向けドライエッチング技術
古田寛治＊1・上村隆一郎＊1, 2
Dry Etching Technologies of 3D Sensor for Automotive
Kanji FURUTA＊1 and Ryuichiro KAMIMURA＊1, 2＊1＊2

Advansed Electronics Equipment Division, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa, 253-8543, Japan

Institute of Semiconductor and Electronics Technologies, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa, 253-8543, Japan

Development of 3D sensing devices for autonomous driving has seen signiﬁcant technical advances inrecent years. Among them, Light Detection And Ranging（LiDAR）proves to be the most compatiblefor such sensors as it possesses characteristics that can further enhance the functionality of autonomous
driving.
Vertical Cavity Surface Emitting Laser（VCSEL）is economical and compact enough to be the lightsource of LiDAR. And dry process is the key to fabrication of VSCEL. However such fabrication method
poses various challenges. To fabricate these devices, we have been developing high-uniformity etching
technology, along with Interferometry End Point monitoring system.
This paper will elaborate on the solutions took to address these challenges.

1.

はじめにLiDAR の原理は，レーザーをパルス状態で対象物に照射し，発光してから反射光を検出するまでの時間 t

自動車産業において，電気自動車に次ぐ革命としてを用いて，対象物との距離 d を算出する（Fig.1）これ自動運転技術の開発が進められている。自動運転を行は ToF（Time of Flight）と呼ばれる技術であり，今うためには，自動車の周囲の情報を 3 次元的に得る必後この原理を用いたセンシングデバイスはさらに増加要があり，車載用の高精度に 3D センシングが可能なしていくものとみられる。

方法として，LiDAR（Light Detection And Ranging：

この原理を用いた LiDAR は，①繰り返し発光するパ光による検知と測距）がある。車載用 LiDAR の市場

ルスレーザーと走査機構を用いた走査型 LiDAR と，②は 2018 年で 15 億円程度であるが，今後自動運転技術高出力の単一パルスレーザーと 2 次元受光素子アレイの進歩に伴い，2024 年までには 1400 億円の市場にまを用いたフラッシュ型 LiDAR の 2 種類に大きく分けで達することが予測されている 。

られる。

1）

現在実用化されているカメラやミリ波レーダーを用いた方式とは違い，LiDAR では赤外レーザーを用いている。Table 1 にそれぞれの特徴を一覧にした。ミリ波レーダーと比較して波長の短い赤外光を用いている
ため，検出の空間分解能が高く，歩行者や自転車等の検出も可能になっている。霧や雨などの悪天候時では，ミリ波レーダーと比べて検出性能が低下するが，夜間では同等の検出性能が得られる。

Fig.1

Measuring distance using LiDAR（株）アルバック 電子機器事業部（〒253-8543 神奈川県茅ケ崎市萩園 2500）＊2（株）アルバック 半導体電子技術研究所（〒253-8543 神奈川県茅ケ崎市萩園 2500）＊1

Table 1Comparisons of sensors

6Sept embe r/2019 No. 83

車に搭載する特性上，デザイン面での小型化や，他のセンシングデバイスと比較して高価なため低コスト化が要求されている。そこで，赤外光源には小型な半導体レーザーが用いられている。LiDAR の普及に伴い，センシング関連の半導体レーザー市場も 2018 年の 180億円から，2024 年には 700 億円にまで成長することがTable 2

期待されている 2）。

EEL vs VCSEL

本稿では，LiDAR に用いられる半導体レーザーを紹介し，半導体レーザーの製造プロセスにおける課題とに半導体もしくは誘電体の積層構造から成る高反射対策について，ドライプロセス技術がどのように用いDBR（Distributed Bragg Reﬂector）膜 が 用 い ら れ てられているかについて記述する。

いる。基板面に対して垂直方向に光を共振させ，基板面と垂直な方向にビームを出射させる。

2.

半導体レーザー（EEL と VCSEL）
半導体レーザーには下記のような特徴があり，これその構造から，製造工程では基板を劈開せずとも共振器の形成やレーザー特性の検査が可能であり，大量生産に向いている。他の半導体レーザーに比べて比較らの特徴は高性能で小型，低コストな LiDAR 用光源的安価に製造が可能，2 次元アレイにできる点などのとしての要求とも一致する。

特徴を持つ。

（1）小型・堅固（約 300×200×100μm3）（2）エネルギー変換効率が高く低消費電力（3）10GHz 以上の高速直接変調

上記プロセス工程でのメリット以外に，VCSEL の特性として以下のようなものがある。
・システムの小型化（4）数万～ 100 万時間の張寿命で信頼性が高い

ウェハレベルでの集積が可能なため，パッケージ（5）量産化が可能であり低コスト（～ 1$/ 個）ングがシンプルである。マイクロレンズアレイとLiDAR に用いられる半導体レーザーには，大きく分の組み合わせにより，システムを小型化しやすく，

けて EEL（Edge Emitting Laser：端面発光レーザー）と VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：面発光レーザー）の 2 種類の半導体レーザーがある。
EEL と VCSEL の比較を Table 2 に示す。

車体のデザインを損なうことなく搭載が可能となる。
・低消費電力閾値電流が小さいので，消費電力が低い。
・長距離の測定

EEL は Fig.2（a）のように，半導体基板上のエピ構

VCSEL 個々の出力は弱いが，アレイ化により高造をリッジ形状に加工し，劈開した端面を共振器とし出力が得られるので，長距離の測距が可能になる。て基板面と平行な方向にビームを出射する。
対して，VCSEL は，Fig.2（b）のように共振器ミラー（a）EEL
Fig.2

7
T E C HNICAL JOU R NA L

Schematic of laser diode structure

・環境安定性2 つの DBR によって決まるレーザー共振器より，（b）VCSEL

他の半導体レーザーに比べて熱による発光スペクる（この酸化狭窄層は電流と光の閉じ込め構造として，トルの変化が少ない。そのため，屋外での運転でVCSEL の特性を左右する非常に重要な層である）。最も環境に影響されにくく，安定した測定が可能で後にメサの側壁保護膜の成膜と n 型，p 型それぞれのある。

層へ電極形成を行う。

上記のように，VCSEL は車載向け LiDAR 用レーザー

現在 VCSEL では，酸化狭窄層の制御性に課題を持っとして有利な特性を持っており，今後さらなる開発がているが，具体的な解決策となる技術が見つかってい進められることが期待されている。

ない。代わりに，酸化狭窄分布の影響を最小限にするため，メサ形状の加工精度の向上が望まれている。

3.

VCSEL プロセスの課題と対策

メサ加工には，前述の通りドライエッチング技術が利用されている。アルバックでは多くの VCSEL 向け

VCSEL 作製におけるドライプロセス工程の概要をのエッチング実績を持っており 3），本稿では形状やウェ

Fig.3 に 示 す。GaAs（砒 化 ガ リ ウ ム）基 板 上 に，ハ面内分布の制御性について紹介する。VCSEL に用AlGaAs/GaAs 層を数十ペア以上からなる DBR 多層膜

いられている GaAs 等のⅢ-Ⅴ族化合物半導体のエッチと活性層を含む積層構造としてエピ成長させる。そのングには塩素系ガスが使用され，AlGaAs/GaAs 多層エピ層をメサと呼ばれる円柱状を形成するためのマス膜には反応性主体の条件が用いられるため，形状やクパターンをフォトリソにて形成し，ドライエッチンウェハ面内分布の制御が難しい。さらに，化合物半導グによる加工を行う。その後，活性層近傍に設計され体のエッチングでは，プロセス条件だけでは形状とた特定の AlGaAs 層をウェット酸化により酸化狭窄す

ウェハ面内分布制御の両立が困難である。

Fig.3

Process Flow of VCSEL（a）Process chamber
Fig.4（b）I SM antenna

Schematic of dry ethcing equipment (NE series)

8
Sept embe r/2019 No. 83

Fig.5

GaAs etching uniformity（a）Vertical proﬁleFig.6

VCSEL etched uniformity in 6inch wafer（b）Tapared proﬁleFig.7

Etched proﬁle of VCSEL observed by SEM

Fig.8

Schematic of IEP system

NE ドライエッチング装置では，Fig.4 のようにアンテナ構造に ISM（Inductively Super Magnetron）方式を用いている。ISM 方式を用いたアンテナはプラズマ分布の最適化が可能であり，Fig.5 のように GaAs ウェ
ハのエッチング面内分布で 3% 以下の非常に均一な分布が得られる。実際のエピ構造による形状分布も Fig.6に示すとおり，面内で均一な形状が得られている。
メサの形状は出力やビーム径等の特性に影響を与えるため，デバイスの用途によって様々な形状が要求される。マスク構造やプロセス条件を最適化することで，Fig.7 のようにテーパー形状から垂直形状まで要求される形状にエッチングすることが可能である。
メ サ の 深 さ 制 御 に つ い て は，Fig.8 の IEP（Interferometry End Point：光 干 渉 に よ る 終 点 検 知）システムを用いることで，高精度にエッチングの深さを制御可能である。Fig.9 に本システムを使用して得9られた干渉波形を示す。DBR 層を含め積層構造がエッTE C HNICAL JOU R NA L

Fig.9IEP signals

チングされている様子が把握でき，この波形を監視しながら DBR ペア数をカウントすることで，任意の深さでエッチングを停止することができる。実際に IEP
システムにて DBR ペア数をカウントした波形は Fig.9のようになっており，Fig.10 の SEM 観察結果から波形どおり目的の層でエッチングが止まっていることが確認できる。
また，GaAs/AlGaAs や GaAs/InGaAsP といった半導体材料の組成比の違いを利用した選択エッチング技術も可能であり，IEP システムまたは OES（OpticalFig.10

Etch Stop on end point layer

文献1） P.Boulay, A.Debray, LiDAR for Automotive andIndustrial

Applications2019

Report, （YoleDevelopment, 2019）2）M.Vallo, P.Mukish, Edge Emitting Lasers: Market& Technology Trends report,（Yole Development,2019）3） R.Kamimura, K.Furuta : IEICE Transactions onElectronics, E100.C, 150（2017）

Emission Spectrometer）システムと組み合わせることで，よりエッチング精度の高い要求にも対応することが可能である。

4.

まとめ
LiDAR 用光源である半導体レーザーの作製には，ドライプロセス技術が鍵である。NE ドライエッチ
ング装置においてプロセス条件やアンテナの最適化により，化合物半導体のウェハ全面において加工寸法均一性の向上と加工形状の最適化を達成できることができた。
高精度なドライエッチングプロセス技術によりウェハ面内で均一な形状を作製することで，今後，更なる市場拡大が期待される半導体レーザーの持つ生産歩留まりの課題が解決されると期待できる。

10
Sept ember/2019 No. 83