半導体エッチング、成膜、イオン注入用セラミックリング

はじめに

半導体の主要製造装置において、精密セラミックリングは複数の主要サブシステムを構成する重要部品です。最終製品に組み込まれる部材ではありませんが、プロセス均一性、装置稼働の安定性、ならびに製品歩留まりに大きく影響します。
プロセスがより先端ノードへ進展する中、3次元構造デバイス（例：3D NAND、GAAトランジスタ）の採用拡大や、High-k／メタルゲートなど材料・プロセスの更新が進むことで、セラミックリングには材料特性、設計・製造精度、さらには機能統合の面で、より高い要求が求められています。

半導体用セラミックリングの主要機能

従来、セラミックリングは「保護部材」や「消耗部材」として捉えられがちでした。しかし、先端半導体プロセスでは、その役割はプロセスを能動的に制御する要素へと拡大しており、装置内のプロセス物理と密接に関わっています。
1）プラズマ管理と均一性制御
ドライエッチングにおいて、セラミックリング（例：フォーカスリング）の形状・表面特性は、反応チャンバー内のプラズマシースの形成と分布に直接影響します。最適化されたリング設計により、ウェーハ外周部の電界分布を精密に制御し、エッジ部のエッチングレートを補正することで、ウェーハ面内のプロセス均一性向上に寄与します。
2）熱マネジメント
CVD、ALDおよび関連する成膜プロセスでは、セラミックリングは熱インターフェース、ならびに支持・隔離部材として機能します。熱伝導率、熱容量、周辺部品との接触熱抵抗は局所温度分布と温度安定性に影響し、その結果、膜厚・組成・膜質の均一性に影響を与えます。
3）汚染制御とパーティクル低減
高緻密で、気孔や欠陥が適切に管理されたセラミック材料を採用し、精密加工と表面研磨を組み合わせることで、材料起因の粉化・剥離、微小き裂進展に伴うパーティクル発生リスクを低減できます。パーティクル管理は汚染リスクの低減に直結し、先端プロセスが求める清浄度と再現性の確保に寄与します。
4）電気絶縁と信号完全性（Signal Integrity）
エッチングやPECVD/PEALDなどのRFプラズマプロセスでは、セラミックリングはRF・高電界環境下で安定した絶縁性能を提供する必要があります。さらに、チャンバー内のセンシング／モニタリング／マッチング機構と協調することで、寄生放電や電気的干渉のリスクを抑え、プロセス監視の安定性と再現性を支えます。

エッチングプロセスに用いられるリング／保護部材

1）フォーカスリング／エッジリング（Focus Ring / Edge Ring）
フォーカスリング／エッジリングは、ウェーハとのクリアランス、段差、および材料の誘電率を精密に設計することで、ウェーハ外周部におけるシース電位やイオン入射角を制御します。エッチングプロセスでは、これらの設計がウェーハエッジ領域のCD（Critical Dimension：寸法）均一性やエッチング垂直性に直接影響します。
2）カバーリング／シャドウリング（Cover Ring / Shadow Ring）
カバーリング／シャドウリングは、重要な保護部材です。幾何形状による遮蔽（シャドウ効果）により、プラズマや反応副生成物が、チャンバー内の敏感部位（例：静電チャック外周、金属部材）へ直接衝突（ボンバード）・堆積することを抑制します。輪郭形状は、プラズマ分布モデルや視線（ライン・オブ・サイト）解析に基づくシミュレーションで最適化されることが多く、保護効果とガスコンダクタンス（流通性）のバランス設計が重要です
3）チャンバーライナー／シールド（Chamber Liner / Shield）
チャンバーライナー／シールドは、反応チャンバーの主要な壁面の一部を構成します。材料と表面状態（清浄度、温度、表面粗さ、堆積被覆状態など）は、壁面反応、ラジカル再結合、堆積／再堆積挙動に影響し、結果としてエッチングレート、選択比、プロセス安定性に影響を与えます。設計によっては、表面形状や構造的特徴を用いて堆積物付着を誘導し、剥離リスク低減や清掃・メンテナンス性の改善を狙う場合がありますが、効果はプロセス化学と装置構造を踏まえて評価する必要があります。

成膜プロセスで用いられる部材

1）デポジションリング（Deposition Ring）
CVDまたはPVDプロセスにおいて、デポジションリングの主な役割は、ウェーハ外周および裏面を遮蔽し、反応前駆体の回り込みによる裏面堆積（Backside Deposition）を抑制することです。加えて、ウェーハ周辺の熱・流体条件を整える部材として機能し、外周部におけるガス流れ（流場）や局所温度分布の均一化に寄与します。これにより、膜厚の面内均一性（均一な成膜）を確保しやすくなります。
また、周期的なチャンバークリーニングに対応するため、表面には付着抑制性（非粘着性）や洗浄性の高さが求められます。
2）ガス分配リング／ノズルユニット
先進的なチャンバー設計の一部では、ガス導入機能をセラミックリングに一体化しています。リングに形成した精密流路や微細孔アレイを用いて、ウェーハ周辺への反応ガスの均一供給や層流制御を実現します。この構造は、大口径ウェーハでのガス均一性の最適化や反応速度分布の制御に有効で、ガス流量・分布の制御精度が求められるALDやエピタキシャル成長装置などで採用されます。

イオン注入プロセスで用いられる部材

1）ビームリミティングリング（Beam Limiting Ring）
本部材はイオンビーム輸送経路上に配置され、開口（開口径）を精密に設計することで、ビームのコリメーション（準直）および整形（shaping）を行います。外周部の迷走イオン（ストレイイオン）を除去し、ウェーハに入射するビーム輪郭（ビームプロファイル）を高精度に規定します。イオン散乱を抑制するため、内径エッジには極めて高い形状精度と高い表面平滑性が求められます。
2）高圧絶縁リング（High Voltage Insulator Ring）
イオン源の引出系や加速管アセンブリに用いられ、高真空環境下で数万〜数十万Vの高電位差を安全に絶縁することが主目的です。このセラミックリングには、高い真空耐電圧（誘電強度）と低アウトガス性が求められます。また、イオンビームの衝突に伴って発生するX線を受けても電気特性が劣化しにくいこと（耐放射線性）も重要です。さらに、高温注入（例：SiCデバイス製造）では、高温環境下でも安定した体積抵抗率を維持できることが要求されます。

セラミックリングの材質選定と応用戦略

材質はセラミックリング性能を左右する重要因子であり、プロセス環境によって求められる材料特性は大きく異なります。選定にあたっては、化学適合性、熱特性、電気特性、ならびにコスト（TCO：総保有コスト）を総合的に評価し、用途に応じた最適解を見極めることが重要です。

(1)  アルミナ（Al₂O₃）セラミックリング
アルミナは高硬度で、機械的強度と電気絶縁性に優れ、製造技術も成熟しているためコスト管理がしやすい材料です。腐食条件が比較的穏やか、または制御可能な成膜プロセス（例：一部のPVD/CVD）やイオン注入装置において、絶縁リング、固定・支持リングなどの構造／絶縁部材として用いられます（ただし、プロセスガスや洗浄薬液との適合性評価は必要です）。
(2)  窒化アルミ（AlN）セラミックリング
窒化アルミの主な強みは、高い熱伝導率と、シリコンに近い熱膨張係数にあります。熱マネジメント要求が高い用途で有利であり、例として静電チャック（ESC）のベース部材、高温CVDヒーターの均熱板、大電力チャンバー内の放熱部材などに適用されます。局所的なホットスポットの低減や、ウェーハ温度均一性の向上に寄与します。
(3)  イットリア（Y₂O₃）セラミックリング
イットリアは、一部のハロゲン系プラズマ（特にフッ素系）で耐プラズマ侵食性の向上が期待でき、金属汚染リスクやパーティクル関連課題の低減にも寄与します。そのため、先端エッチングプロセスでは、イットリア系材料（バルク材、またはコーティング）をチャンバーライナー、フォーカスリング、カバー／シャドウリング等の候補として評価するケースがあります。金属エッチングなど金属汚染に敏感な用途でも、清浄度・汚染管理の観点から優先的に検討されることがあります（装置プラットフォームおよびプロセス条件範囲に依存）。
4）炭化ケイ素（SiC）セラミックリング
SiCは機械的強度、耐摩耗性、熱安定性に優れ、構造剛性、熱変形の抑制、長期稼働信頼性が求められる条件に適します。高純度SiC（特にCVD-SiC）は、緻密で無孔質に近い表面により、パーティクル発生を抑えやすい点が特長です。RTPやエピタキシャル成長装置では、ウェーハ支持リング（サセプタリング）として用いられ、急峻な温度変化に伴う熱応力下でも形状安定性を確保しやすくなります。また、特定のエッチング用途では、高耐摩耗なフォーカスリング材として従来のSiリングに代替し、メンテナンス周期の延長に寄与する場合があります。
材質選定ガイド（例）
●  一般的な成膜／イオン注入：高純度アルミナ（Al₂O₃）（コストパフォーマンス、絶縁性、機械強度）
●  高熱伝導／熱マネジメント部材：窒化アルミ（AlN）（高熱伝導、Siに近い熱膨張、温度均一性）
●  強腐食性プラズマエッチング：イットリア（Y₂O₃）（耐侵食性、汚染・パーティクル低減の観点）
●  高温の急加熱・急冷／エピタキシャル成長：炭化ケイ素（SiC）（耐熱衝撃性、剛性、高純度・緻密表面）

材質選定ガイド

おわりに

半導体製造プロセスの継続的な進展により、主要部品には材料特性、清浄度管理、ならびに長期安定性の面で、より高い要求が求められています。セラミックリングのような高度に専門化された部材では、材料体系の最適化、構造と機能の協調設計、そして装置プラットフォーム・プロセス条件への適合が、プロセスウィンドウの拡大、量産安定性の向上、装置競争力の強化に直結する重要要素になりつつあります。
先端プロセスの高度化、3次元デバイス構造（例：3D NAND、GAA）の普及、さらに化合物半導体やパワーデバイスなど多様な開発ロードマップが並走する中、標準品のみでは各プロセス条件の差異を十分にカバーしにくくなっています。プロセス理解に基づく共同開発と検証の反復により、耐プラズマ侵食性、熱マネジメント、パーティクル管理、電気絶縁、ならびに組立一貫性（ばらつき低減）といった要件のバランスを最適化し、導入リスクの低減と長期稼働の安定性・経済性の向上が期待できます。
JFMは、アルミナ、イットリア、窒化アルミ、炭化ケイ素などの高純度・精密セラミックリングおよび関連部材を提供しています。お客様の使用条件と設計制約に基づき、材料選定、構造設計、製造プロセスに関する提案を含め、機能統合部材の開発・検証を支援します。ぜひJFM技術チームまでお問い合わせいただき、装置・プロセス条件に合わせたセラミック部材の評価をご相談ください。