本記事は , 文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業 技術支援者賞について紹介するものです .

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
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（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
やま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（もりまさあき）氏を訪ねた．

波電力などによりエッチングガスをプラズマ化し，陰極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１．
１が同時に起るため，微細加工に適したエッチングを行う

シリコン深掘りエッチングプロセス

ことができる．
授賞の対象となった「シリコン（Si）の深掘りエッチン

しかし反応性イオンエッチングは元来，等方的に進行グ（Deep RIE）」は，マイクロセンサ，マイクロアクチュエーする．このため，狭く深い，アスペクト比の高いエッタなどの MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微チングは難しかったが，これを可能にするプロセスが，小電気機械システム）デバイスをはじめ，微小光学素子，1992 年にドイツのボッシュ（Bosch）社で開発された（ボッLSI 実装における Si 貫通孔など，微小デバイスの加工にシュプロセス）．ボッシュプロセスは，図 1 のように，エッ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とパシベーション（側壁保護膜形成）を繰返しなチング（RIE，Reactive Ion Etching）は，反応室内で高周がら行う切り替えエッチング方式である．Si のエッチン

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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．
Si の Deep-RIE に 用 い る 装 置 は ICP（InductivelyCoupled 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

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）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．
２SOI 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

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 100，50，20，10，5，2m が 2 本ずつ）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 6m，横幅 8m，深さ50m のトレンチ（溝）を作製した．

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 5m においてアスペクト比 26，幅 2m 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

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

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ト比は 10 〜 20 が普通だが，改良したレシピでは 135 とそれでも，フォトリソグラフィを繰返し試すことにより，いうチャンピオンデータも得られている．図 3 はシリコ

20m 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ン深掘りエッチング技術を示す典型的なものである．

はるかに安くでき，精度も上がる．RIE で作った Si の金１．
４型から Ni の電鋳でナノインプリント用の型を作る．

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

１．５

低スキャロップエッチング

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を用いた Deep RIE ではエッチング

ボッシュプロセスでは，側壁が垂直になり，ガスの切りで側壁に周期的な段差形状のスキャロップが形成され，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

これが光学デバイスの特性劣化につながる．そこで，スができる．このままでは抜型として使用できないので，キャロップを抑制するレシピを開発した．エッチングと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

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プロセスを使用しない従来のレシピでは，エッチング断を行うことで，スキャロップの大きさを抑える．さらに，面形状が，表面や底面より中間が横方向に深くエッチン

Deep RIE 後に Si の熱酸化を行うとスキャロップが多少なグされ，太鼓状になる．これに対し，プラズマ発生の ICPだらかになり，その熱酸化膜を BHF（緩衝ふっ酸溶液）

パワー，エッチング試料室のプラテンパワー，エッチン等でエッチングすることで，Deep RIE 直後のスキャロッ

グ圧力，ガス流量を調整した新しいレシピにより，表面プに比べるとその大きさを抑えることができる．これら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の技術を組み合せた結果，スキャロップの高さを 30nmくなる逆台形状に制御できるようになった．流量を制御以下（10 〜 20nm）にすることに成功した．本技術は次し，圧力を 5Pa から 1Pa に徐々に下げて行くというラン世代リソグラフィ光源として期待される EUV 光源から生ピング制御を行う．このやり方を論文から見つけ出し，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れ（図 5），99% 以上の赤外光を遮断することに成功した．

角のついた側壁が得られた（図 4）．このテーパーレシピ

この場合も，ナノインプリント用 Si 金型同様，6 インチウェのノウハウを使用することで，はじめてマイクロ流路のハで 1 デバイスの設計であった．

ナノインプリント用金型を Si を用いて製作できた．
この金型は，6 インチウェハが 1 つのデバイスになる

１．６

Deep RIE 技術の展開・活用ため，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

Deep RIE 装置を用いて，シリコン酸化（SiO2）膜，窒験はあったが，6 インチ全体で 1 チップは初めての経験で，化（SiNx）膜，アルミナ（Al2O3）等のエッチングを行い

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たいという利用者からの要望は多い．これに対し，ガスできないため，リソグラフィの工程が大変だったという．

を変え，流量，RF パワーなどのパラメータの調整を行い，

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

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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：4.5m，幅：0.35m，厚：5m）
引用元：Y. Suzuki, K. Totsu, M. Moriyama, M. Esashi, S. Tanaka, "FreeStanding Subwavelength Grid Infrared Rejection Filter of 90 mmDiameter", Proc. IEEE MEMS 2014, 482-485

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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，ルコン酸鉛）の成膜に関わる 3 台の装置など数多くの装Deep RIE 活用対象を拡大した．

置を担当している．

一連の技術開発は，様々なデバイス開発に活かされ試作コインランドリの装置使用料は，装置簿価，電気ている．一例を挙げれば，MEMS 技術を用いた小型マ代などを基に計算し，メンテナンス費用を乗せて決める．

イ ク ロ フ ォ ン の 製 作 に 用 い ら れ，「 シ リ コ ン エ レ ク ト

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

レットマイクロフォンの開発」として，「平成 24 年度（NPF）からの運営費で行っている．

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

２．２

支援スタッフの役割

ロ ジ ー EXPRESS 第 22 回 」（http://nanonet.mext.go.jp/magazine/1123.html）に掲載されている．

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

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２．
１おり，常に使用可能な状態に保つようにしている．Deep

技術支援を行う施設 - 試作コインランドリ

RIE の場合，森山氏は次のような役割を果たしている．
東北大学には，学部や研究所と並ぶ組織として，江刺

Deep RIE 装置は利用の多い装置であり，利用件数はこ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の 2 年半で 600 件を超えている．森山氏は装置の立ち上開発センター（SIC：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．

げから担当しており，装置の維持管理，および，譲渡さ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先して行って迅速な立ち上げに貢献した．また，最高の機関となっていて，分野責任者は試作コインランドリ

パフォーマンスが得られるような環境構築を行う．例え戸津 健太郎准教授である．

ば，利用者の要望に応じて 4 インチから 8 インチまでの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試作コインランドリは，2010 年 4 月に発足し，半導ウェハインチ径変換作業を行い，複数の利用者がスムー体・MEMS 開発のための装置開放を開始した．東北大学

ズに加工できるように環境を整える．Deep RIE 装置の試

西澤潤一記念研究センター内に設置されている．この場料室には反応生成物による汚れがつきやすく，かつ，そ所にあった半導体研究所が財団の解散に伴い，その設備の汚れがプロセスに与える影響が大きいため，クリーニは東北大学に移管された．これに FIRST プログラム（最ングなどの維持管理がとくに重要である．森山氏は利用

先端研究開発支援プログラム「マイクロシステム融合研

状況を把握しながら，定期的に試料室を開けて各部品の究開発」，中心研究者：東北大学江刺正喜教授，2009 〜

汚れを拭き取るクリーニングを行い，劣化した消耗品の2013 年度）にて，試作コインランドリを立ち上げた．

交換などを行ってきている．この緻密な維持管理により，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．

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NanotechJapan Bulletin Vol. 8, No. 1, 2015

図6

試作コインランドリの中の Deep RIE 装置文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム

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エッチング対象材料は利用者によって異なり，エッチ試作コインランドリの利用，支援の依頼は，試作コインングパターンやこれに使うマスク材料も異なる．RIE 装置

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は同じ型式や仕様であっても，装置ごとの加工特性に若づいて行われることが多い．また，利用者の共同研究先の干の違いがある．4 台の装置の特性を把握し，利用者の加先生から紹介されるなど，利用のきっかけは様々である．

工目的に応じて最良な装置を紹介する．加工に当っては，利用や技術相談では，加工の目的，どんな形状にするか，装置の機差，対象材料，ウェハ径等を考慮した運用方法

全体像を尋ね，全体を通したプロセスを聞いた上で，アを装置 4 台すべてについて発案し，これを利用者に周知ドバイスする．失敗するケースで多いのは，全体プロセし，最適な状態で加工が行えるように指導する．加工法

スの中の一つだけを採り上げ，その部分のみ利用する単が既知であっても，既知のプロセス条件で目的の結果の発の場合である．作りたいがどうしたら良いか分らない得られることは少ない．対象や目的に合ったプロセス条という相談もあるが，プロセス全体を踏まえての相談が件，レシピを利用者と一緒になって工夫することは支援成功する確率を上げるために望ましい．また，MEMS のスタッフの重要な役割である．

形状によっては，加工後に応力で可動部を保持できないレシピは絶えず変わっている．標準レシピで掘ってみこともあるから，パターンを見て設計自体を変えることて，SEM による断面観察などで，加工の結果を見ながらもある．このように構造的な設計も含めてアドバイスを条件を変える．1 〜 2 ヶ月にわたる試行錯誤の連続である．

行うことでうまく行く場合も多い．

当初，レシピは 2 つ程度しかなかった．その後，100 以

試作内容，加工方針が明確になったら，利用者自ら試上試して，今は 10 数種の標準レシピが用意できた．最初作をしてもらい，目的に合ったレシピを開発する（図 7）．に試すレシピの選択の幅が広がり，目的に合ったレシピ「利用者には，技術を直接自分の身につけて頂き，会社にを効率よく見つけられるようになった．

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，２．
３

依頼した側にはノウハウが残らない．しかし，試作コイ設備の利用と利用者への対応

ンランドリでは利用者が直接試作を行うので，利用者やナノテクノロジープラットフォーム事業が開始されてその属する組織の知識・ノウハウとなり，人材育成の場から，Deep RIE 装置には 600 件以上の利用があった．そも兼ねている．利用者が試作のノウハウを身につけて会の中で，最近 3 年間の「シリコン深掘りエッチング」に社に戻れば，設計者にプロセスのフィードバックができ関する支援課題実績は下表のようになる．

るようになるから，デバイス設計の改良にも繋がる．

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

図7

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利用者への Deep RIE の説明

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また，個別のプロセスの利用のほかに，MEMS パークては，2014 年 8 月に，「人材育成のための MEMS 集中コー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，開ス in 大阪」が SIC 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．

発を行いたい企業の研究者が，約 3 ヶ月仙台に滞在し，また，仙台市主催の MEMS 講習会がある．東北大学で設計からプロセス，評価まで一通りの試作まで行うこと

は MEMS の研究開発が盛んであることより，仙台市が企が可能である．この人材育成事業プログラムで開発した

画した地場産業振興，人材育成のためのもので，市内のMEMS スイッチをさらに社内で開発を進め，量産を行い企業は無料で参加できる．一昨年から，毎週 1 日，2 ヶ始めた参加企業の例もある．

月間のコースを設けた．毎年の参加者は 5 人程度で，リ利用者が試作コインランドリを利用して支援スタッフ

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と共に開発したレシピやノウハウは，共有のレシピ・ノしてもらった．今年は力（ちから）センサを作る．森山

ウハウとして残していただき，他の利用者にも使用して氏は，講習会の中心として，カリキュラム作成・実施，頂くことをお願いしている．そのようにする事で，新規装置使用法の指導を他の支援者と分担して行っている．の利用者にはそのレシピ等を使用して頂くことで，支援

このような普及活動はあるものの，学内でも試作コイ

スタッフの負担が減り，その分を新たな支援や開発のリ

ンランドリを知らない人がいるという．広く知ってもらソースに当てることができ，スタッフ，利用者共によいわないと共用が広がらない．微細加工プラットフォーム

循環が可能となる．また，過去の失敗も共有することで，に気づき，積極的に使ってほしいと森山氏はいう．そこ

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．には，共有されたノウハウが，蓄積されており，公開さ開発された共有のレシピやノウハウは Wiki に入力して，れている．企業にとって核になる技術やノウハウは自前

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開発になるだろうが，周辺領域は共用で開発し，無駄なせ，センター内で公開することを始めている．蓄積され重複は避けたい．共用施設に蓄積している技術やノウハたノウハウで成果を出し，次のノウハウを産み出すとい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良い循環になることを，森山氏は期待している．

う．森山氏は，技術支援により蓄積されたノウハウで成このような支援活動に対するユーザ意見が刊行物に果を出し，次のノウハウを産み出すという，研究開発の載っている．いずれも第１．６節で触れた「シリコンエ良い循環が拡大することを期待して，積極的に技術支援レクトレットマイクロフォンの開発」に関するものであを行っている．

る．JST News の 2015 年 1 月 号（http://www.jst.go.jp/pr/jst-news/pdf/2014/2015̲01̲p03.pdf）では，利用者であるリオン株式会社の伊藤 平氏が「何か技術的な課題おわりにがあると，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

平成 26 年度技術支援者賞の対象となった「シリコンころから，MEMS を応用したマイクロフォンチップがで深掘りエッチング（Deep RIE）における超精密形状制御」

きたのはプラットフォームのおかげです」と語ったと記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されている．また，第１．６節で挙げたナノテクノロジーなど様々な形状制御を可能にするものである．この技術

EXPRESS 第 22 回の「６.

おわりに」には，「微細加工プは，技術支援者による共有設備の立ち上げ，維持管理の下，ラットフォームを利用したことにより，MEMS プロセス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に関する技術者教育も行うことができた．
（途中省略）こ発で生み出された．この技術は，デバイスや製品開発にの成果を活かし，より完成度を高めるために現在も試作活かされ，ナノテクノロジープラットフォームの共有設を継続している．」と書かれている．森山氏の語った利用

備に蓄積されて，さらに高度な技術，新しい技術を生む者への対応と期待が現実のものとなっていることが，利元になっている．共用設備利用，技術支援は人材育成に用者の言葉で示されている．

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

３．技術の普及と今後の展望

り，支援者の苦労が報いられることを期待したい．
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NanotechJapan Bulletin Vol. 8, No. 1, 2015

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム（古寺 博）

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