1

化学的なエッチングを用いた

ナノ精度の形状創成

大阪大学大学院工学研究科

附属超精密科学研究センター

准教授 山村和也

2

加工速度：◎ 機械的加工法 例：ローカル修正研磨

機械的作用による材料欠陥の導入、運動、増殖を利用

加工精度：△

加工量を切り込み量や荷重により制御するため、 加工精度は機械の精度に依存する（母性原則） 熱変形・振動等の外乱の影響を受けやすい

ダメージ：×

原理的に欠陥が 導入される

装置価格：△

高精度化 → 高剛性化 ＝ 装置価格上昇

加工能率は高いがナノメータレベルの加工精度を得るのが困難

外乱により加工精度低下

加工原理

研究背景

加工能率と加工精度を両立する 新しい加工法の必要性

3

化学的手法によるナノ精度加工法の提案

➣プラズマCVM（Chemical Vaporization Machining) ・大気圧プラズマを用いた局所ドライエッチングによる

超精密無歪形状創成法

・マスクパターン不要

・ダメージなし

➣ローカルウエットエッチング（Local Wet Etching) ・特殊構造ノズルを用いた局所ウエットエッチングによる

超精密無歪形状創成法

・マスクパターン不要

・ダメージなし

➣プラズマ援用研磨（Plasma Assisted Polishing) ・大気圧プラズマ照射による表面改質と軟質砥粒による研磨の

高硬度難加工材料に対する複合研磨法

・ダメージなし

4

プラズマCVM: 大気圧下における局在プラズマの形成

⇒機械加工に匹敵する空間分解能と加工速度

金属ワイヤー

太陽電池

ワイヤー型 （太陽電池のパターニング；（株）三洋電機）

パイプ電極

プラズマ

非球面レンズ

パイプ電極型

（非球面レンズの加工；（株）ニコン）

プラズマ

低圧プラズマエッチングによる微細加工プロセス

⇒マスクパターンが必要、LSIの製造等に適用

プロセスガス

プラズマ 排気 シリコンウエハ

RF 電極

(a) プラズマエッチング

プロセスガス

排気

シリコンウエハ プラズマ

( b) 反応性イオンエッチング

p =10 - 1 ～ 10 2 Pa

プラズマCVM① 低圧プラズマエッチングとの比較

5

プラズマCVM② シリコン加工面の評価

p型半導体におけるSPV発生のメカニズム

伝導帯

禁制帯

価電子帯

表面

SPV

(表面光起電力)

表面準位 hν1

表面電位: Vs hν2

hν3

SPVS測定によって得られた

各種加工面の表面状態密度

0

50

100

150

200

250

300

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

機械研磨

Ar+

スパッタリング

ケミカル

エッチング 表面準位密度

(任意単位

)

Energy (eV)

Plasma

CVM

欠陥多

欠陥少

HF : HNO3 : H2O = 1 : 6 : 8 ケミカル

エッチング

加速電圧 : 1kV

イオン電流密度 : 5A/cm2 Ar+ ｽﾊﾟｯﾀﾘﾝｸﾞ

砥粒径 : 0.1m, SiO2

研磨圧力 : 150gf/cm2 機械研磨

He : SF6 = 99 : 1

RF 電力 : 100W Plasma CVM

加工条件

6

目的形状

コンボリューション

=

h(x.y) f(x.y) g(x.y)

加工痕形状 滞在時間分布

0

20

40

60

80

100

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

1パスあたりの加工深さ

[nm

]

テーブル走査速度の逆数[min/mm]

(プラズマの滞在時間に相当)

(mm)

(mm)

単位加工痕

プラズマCVM③ 滞在時間制御による形状創成

7

形状計測

目的形状

コンボリューション

=

h (x, y) f (x, y) g (x, y)

単位加工痕 滞在時間分布

シミュレーション

数値制御加工

形状誤差

完成

形状誤差 トライアンドエラーなしに ナノ精度の目的形状が得られる

プラズマCVM④ 形状計測に基づく決定論的形状創成

8

楕円面X線集光ミラー

水晶基板の厚さ分布修正

形状誤差 (<5 nm p-v)

K. Yamamura, et al., Rev. Sci. Instrum. 74 (2003) 4549.

Y. Sano, et al., Rev. Sci. Instrum. 75 (2004) 942.

190nm 210nm

A A

201.6±4.2 nm 5nm 25nm

A A

After Thinning

13.0±2.0nm

Before Thinning

SOIの膜厚分布修正・薄膜化

122.6 nm p-v 14.9 nm p-v

24mm 24mm

150 nm

24mm 24mm

150 nm

Before Correction After Correction

K. Yamamura, et al., Ann. CIRP, 57 (2008) 567.

SiCウエハの薄膜化とべべリング

薄膜化後 薄膜化前

100 μm

Y. Sano, et al., Material Science Forum, 645-648 (2010) 857.

After Thinning Before Thinning Y. Sano, et al., Material Science Forum, 600-603 (2009) 843.

Correction Time 107s

プラズマCVM⑤ 応用例

9

SOIの構造

0 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Distance [mm]

50

100

150

200

250

Thic

kness o

f S

OI

layer

[nm

]

薄膜化前

200.9 ± 2.1 nm

190nm 210nm

A A

膜厚分布

201.6±4.2 nm

薄膜化前 (市販SOI ウエハ)

(± 5%)

薄膜化後 13.5 ± 0.7 nm

5nm 25nm

A A

薄膜化後

13.0±2.0nm (±15%)

A-A断面の膜厚分布

SOIの膜厚分布 (φ 6” UNIBOND wafer)

SOI(Silicon On Insulator)

埋込酸化膜 (SiO2)： 0.4 m

バルク Si ： 625 m

プラズマCVM⑤ SOI膜厚分布の均一化

10

10

※シャープ（株）のご協力により作製 市販8インチSOIウエハ

（SOI/BOX=95nm/100nm）

数値制御プラズマCVM

によりSOIを薄膜化

直径180mmの円内における7mmピッチの格子点上において、分光エリプソメータによって膜厚を測定

90nm 97nm 60nm 67nm

10-15

10-14

10-13

10-12

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

-0.50 0.00 0.50 1.00 1.50

ゲート電圧 [V] ドレイン電流

[A

]

熱酸化調整

NC-PCVM

(W/L = 10/0.35mm , Vd = 0.1V )

熱酸化調整：熱酸化と酸化膜除去によってSOI層を薄膜化したもの

MOSFETは正常に動作し、リーク電流、立ち上がりの急峻さとも、熱酸化調整ウエハと同等

薄膜化したSOIウエハの品質は生産グレードでそのままラインで使用可能

0

10

20

30

40

50

60

70

60

61

62

63

64

65

66

67

SOI層厚さ [nm]

頻度

[%

]

0

10

20

30

40

50

60

70

90

91

92

93

94

95

96

97

SOI層厚さ [nm]

頻度

[%

]

プラズマCVM⑥ デバイス特性評価

11

プロセスフロー

Photoresist

Au

Cr

バイメサ型水晶振動子

振動領域

電極

水晶

Goka et al. Tokyo Metropolitan University

f0 =1,670/ t0

f0 : 共振周波数 (MHz)

t0 : 厚さ (μm)

水晶ウエハ Deposition of Cr & Au,

Patterning of Photoresist

Etching of Cr & Au

Etching of Quartz Wafer

Removal of Photoresist,

Cutting of a Wafer

Vibration Area

t0

t0

t0

水晶ウエハ

0.5mm

2.0mm

1.6mm

周波数許容値±10ppm

個々の振動子の共振周波数を揃えるには

水晶ウエハの厚さ分布を均一化する必要あり

プラズマCVM⑦ 水晶ウエハへの適用

12

0

10

20

30

40

50

-80 -40 0 40 80

Fre

qu

en

cy

Deviation (nm)

After correction

σ=3.2 nm

0

10

20

30

40

50

-80 -40 0 40 80

Fre

qu

en

cy

Deviation (nm)

Before correction

σ=33.2 nm

122.6 nm (PV) 14.9nm (PV) 加工時間

1 分 47 秒

修正前 修正後

プラズマCVM⑧ 水晶ウエハ厚さ分布の均一化

13

加工原理

液状のエッチャントを局所的に供給・吸引し、数値制御走査することによって任意の形状を創成する。

加工速度：○

加工精度：◎

非接触加工 → 外乱の影響を受けにくい

エッチャントの温度管理により加工部の温度は非常に安定

ダメージ：◎

化学反応による無歪加工

装置価格：◎

装置構成が単純、高剛性不要、インフラ不要、ハンドリング容易

低価格装置でありながらナノメータ

レベルの形状精度が容易に得られる

ローカルウエットエッチング（LWE）① 原理と特長

14

修正前：p-v 192 nm 修正後：p-v 56 nm

200 nm 200 nm

ノズル径：φ15mm

HF ： 25 wt%, 25 ℃

合成石英ガラス基板

LWE② ガラス基板の平坦化

15

形状計測 ミリメータ厚さ基板

NC-LWE

加工ノズル

工具の位置制御（従来手法）ではなく

加工量制御による決定論的形状創成

中性子ビーム集光

真空チャック

設計したミラー形状

重力による基板のたわみ

両面成膜ならびに形状計測時と同じ姿勢での支持により設計通りのミラー形状を実現

多重化において吸収損失を抑えるため

極薄基板が必要不可欠

検出器 スリット

速度制御走査

スーパーミラー成膜

例：中性子集光用極薄ミラー基板の作製

LWE③ 基板保持の影響を受けない決定論的な形状創成

16

LWE④ 5軸制御LWE加工装置

17

RF プラズマ

反応ガス

ラジカル 反応 生成物

加工物

ダメージフリー

平滑化能力 （等方性エッチング）

加工可能材料が

限定

プラズマ CVM 砥粒加工 加工速度,

平滑化能力

加工変質層

K. Yamamura, et al., CIRP 57 (2008) p.567.

反応種

軟質砥粒 大気圧プラズマ

高硬度材料

プラズマ援用研磨 （Plasma Assisted Polishing）

軟化層

表面改質 研磨 軟質層の選択除去

K. Yamamura, et al., CIRP 60 (2011) p.571. 硬度 改質層 < 砥粒 < 母材

プラズマ援用研磨① スクラッチとダメージが無い研磨法

18

C SiC C SiC

改質層

未加工面 H2O プラズマ照射面

RF 電力: 18 W

照射時間: 1 h

プラズマ援用研磨① 4H-SiC(0001)の断面TEM像

19

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Lo

ad

(m

N)

Displacement (nm)

SiC SiC (plasma) 37.38

4.53

0.1

1

10

100

Ha

rdn

ess (G

Pa

)

SiC SiC(plasma)

プラズマ照射条件

試料 4H-SiC (0001)

プロセスガス He + 2.6% H2O

流量 (L/min) 1.5

RF 電力 (W) 15

照射時間(h) 6

照射エリア (mm x mm) 15 x 15

プラズマ援用研磨② ナノインデンテーション試験

20

P-V: 1.48 nm, RMS: 0.25 nm

1 μm

200 nm

P-V: 1.74 nm, RMS: 0.26 nm

P-V: 2.26 nm, RMS: 0.21 nm

P-V: 2.50 nm, RMS: 0.20 nm

1 μm

200 nm

P-V: 13.4 nm, RMS: 1.31 nm

P-V: 3.39 nm, RMS: 0.52 nm

1 μm

200 nm

(1) 未加工面 (3) 研磨後 (2) 研磨中

プラズマ援用研磨③ 表面粗さの改善

21

0.304

0.306

0.308

0.310

0.312

0.314

0.316

0.318

La

ttic

e C

on

sta

nt (

nm

)

Sample 2

Sample 1

As Received After PAP

(b)

(a)

プラズマ援用研磨後の

RHEED パターン 格子定数

a0=0.307

加工変質層が全くない

無歪み加工を実現

プラズマ援用研磨④ RHEED測定による結晶性の評価

22

想定される用途 • SOI(Silicon on Insulator)、SOS(Silicon on Sapphire)、

水晶ウエハ基板の厚さ分布の均一化。

• ガラス基板の平坦化。

• 非球面光学素子（レンズ、ミラー）のナノ精度加工。

• デバイス用単結晶SiCウエハ、金型用焼結SiC基板のスクラッチフリー、ダメージフリー仕上げ。

実用化に向けた課題 • 加工速度の向上。

• 形状測定から加工に至るプロセスのユーザーフレンドリー化。

23

企業への期待 • 加工原理は単純で安定性や再現性に優れる。用途に応じた加工ヘッドや試料ホルダーの開発が実用化の成否のカギ。

• 応用研究に関して数社との共同研究の実績があり、実用化に結びついた例も有り。

• 企業からの共同研究員派遣と大学側スタッフとの密接な連携による共同開発を期待します。また、大学保有の加工機を用いたデモ加工、応用研究が可能です。

大気開放型数値制御プラズマCVM装置

X-axis

Y-axis

Z-axis

A-axis

B-axis

Nozzle Head

Work Holder

5軸制御ローカルウエットエッチング装置

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本技術に関する知的財産権、お問い合わせ先 ローカルウエットエッチング

• 発明の名称 ：表面加工方法及び装置

• 出願番号 ：特開2007-200954

• 出願人 ：大阪大学、関西ティー・エル・オー（株）

• 発明者 ：山村和也

プラズマ援用研磨

• 発明の名称：難加工材料の精密加工方法及びその装置

• 出願番号 ：特開2011-176243

• 出願人 ：大阪大学

• 発明者 ：山村和也、是津信行

お問い合わせ先

• 大阪大学大学院工学研究科附属超精密科学研究センター

• 山村和也

• TEL&FAX 06-6879-7293

• e-mail yamamura@upst.eng.osaka-u.ac.jp