エッチング技術とは？半導体製造の仕組みや種類をわかりやすく解説

エッチングとは、化学薬品やガスを用いて材料の不要な部分を選択的に除去する加工技術です。
特に半導体製造において、シリコンウエハー上にナノメートル単位の微細な電子回路を形成するために不可欠な工程として広く用いられています。
この技術により、スマートフォンのCPUやメモリといった高集積な半導体チップの製造が可能となります。
本記事では、エッチングの基本的な仕組みから種類ごとの特徴、実際の製造工程までを網羅的に解説します。

半導体製造におけるエッチングの目的は、シリコンウエハー上に成膜された薄膜から、回路パターン以外の不要な部分を精密に取り除くことです。
リソグラフィによって形成されたフォトレジストのパターンをマスクとして利用します。
このマスクに覆われていない部分の薄膜を、化学薬品やガスによって除去することで、設計通りの微細な回路パターンをウエハー上に形成します。
この工程の精度が、半導体チップの性能や品質を直接的に左右します。

エッチング加工には、使用する媒体によって大きく二つの方法に分類されます。
一つは薬液を用いる「ウェットエッチング」であり、もう一つはガスやイオンを利用する「ドライエッチング」です。
ウェットエッチングは化学反応によって材料を溶解させるのに対し、ドライエッチングは物理的な作用や化学反応を伴うプラズマで材料を削り取ります。
どちらの方式を選択するかは、加工する材料の種類、求められる加工精度、コスト、生産性などを総合的に考慮して決定されます。

ウェットエッチングは、加工したい材料をエッチング液と呼ばれる酸やアルカリ性の薬液に浸漬させ、化学反応を利用して不要な部分を溶解させる加工方法です。
古くから用いられている技術で、比較的シンプルな設備で処理できるため、コストを低く抑えられる利点があります。
使用するエッチング液は加工対象によって異なり、例えばアルミニウム配線にはリン酸系のものが、シリコン酸化膜にはフッ酸系のものが用いられます。
エッチング液の濃度や温度といった条件を精密に管理することが、加工速度や仕上がり品質を均一に保つ上で重要になります。

ドライエッチングは、真空状態のチャンバー内でガスをプラズマ化し、生成したイオンやラジカルをウエハー表面に衝突させて薄膜を除去する技術です。
このドライ方式では、CF4（四フッ化炭素）やSF6（六フッ化硫黄）といったフッ素系の反応性ガスがしばしば用いられます。
ガスをプラズマ化することで、物理的な衝撃によるスパッタリング作用と、ガスが分解されて生成される活性種による化学反応の両方を利用して加工を進めます。
これにより、ウェットエッチングでは難しい微細で垂直な加工を高い精度で実現できます。

ウェットエッチングとドライエッチングは、加工原理の違いから、加工精度、コスト、生産性など様々な面で異なる特性を持っています。
半導体デバイスの微細化が進む現代において、回路線幅やアスペクト比（深さと幅の比率）といった要求仕様はますます厳しくなっています。
そのため、製造するデバイスの特性や各工程の目的に応じて、これらの方式を適切に選択、あるいは組み合わせて使用することが一般的です。
ここでは、特に重要な加工精度と製造コストの観点から両者を比較します。

ドライエッチングは、電界を利用してプラズマ中のイオンをウエハーに対して垂直方向に加速させ、狙った箇所を削り取るため、非常に高い加工精度を実現します。
この特性により、加工が横方向に広がる「サイドエッチング」を最小限に抑制でき、マスクパターンに忠実な垂直な断面形状を得ることが可能です。
このため、回路線幅が数十ナノメートル以下になるような最先端の半導体製造プロセスでは、ドライエッチングが不可欠な技術となっています。
ただし、高精度な加工を実現するためには、真空環境やプラズマを精密に制御する高価で複雑なエッチング装置が求められます。

ウェットエッチングは、薬液を満たした槽にウエハーを浸すという比較的シンプルな方法で加工を行います。
ドライエッチングで必要となる高価な真空ポンプやプラズマ発生源などの大掛かりな設備が不要なため、設備投資を大幅に抑えることが可能です。
また、一度に多数のウエハーをまとめて処理するバッチ処理に適しており、スループットが高い点もコスト面での利点です。
このような理由から、高い加工精度が要求されない工程や、コスト競争力が重視される製品を製造する企業では、現在でもウェットエッチングが有効な選択肢として活用されています。

エッチングの加工形状を理解する上で、「等方性」と「異方性」という二つの概念は非常に重要です。
これらはエッチングプロセスにおいて、加工がどの方向にどれくらいの速さで進むかを示す性質を表します。
等方性はあらゆる方向に均等に加工が進む状態を、異方性は特定の方向に優先して加工が進む状態を指します。
この性質の違いが、最終的に形成される回路パターンの断面形状や寸法精度を決定づける要因となり、エッチング方式の選択に大きく関わります。

等方性エッチングは、加工が垂直方向と水平方向に区別なく、ほぼ同じ速度で進行する特性を指します。
この現象は、主に化学反応が支配的なウェットエッチングで顕著に見られます。
エッチング液がマスクの下にも浸透して反応するため、マスクパターンの端から内側に入り込むように削れてしまう「サイドエッチング」が発生します。
その結果、加工後の断面はU字型や半円形に近い形状になります。
この特性は微細な回路パターンを正確に形成するには不向きですが、特定の構造を形成するために意図的に利用される場合もあります。

異方性エッチングは、加工が特定の方向、特にウエハー表面に対して垂直方向に強く進行する特性を指します。
この性質は、イオンの直進性を利用するドライエッチングで実現されます。
プラズマ中のイオンが電界によって一方向に加速され、ウエハー表面に垂直に衝突することで、水平方向へのエッチングを抑制し、深い溝や穴を形成できます。
サイドエッチングがほとんど発生しないため、マスクの寸法に非常に近い、シャープで垂直な壁面を持つ加工が可能となります。
高集積化が進む現代の半導体デバイス製造には、この異方性ドライエッチング技術が不可欠です。

半導体製造におけるエッチングは、単独の工程ではなく、フォトレジストのパターンを形成するリソグラフィ工程と、エッチング後にレジストを除去するアッシング工程など、一連のプロセスとして実行されます。
この連携したエッチング工程を何度も繰り返すことで、ウエハー上に複雑な多層構造の回路が形成されていきます。
ここでは、代表的なエッチング工程の流れを3つのステップに分けて具体的に説明します。
これにより、製造プロセス全体におけるエッチングの役割がより明確に理解できます。

エッチングを行う前準備として、まずリソグラフィ工程でマスクパターンを作成します。
シリコンウエハー上に形成された薄膜の上に、フォトレジストと呼ばれる感光材を均一に塗布します。
その後、回路パターンが描かれた原版であるフォトマスクを介して、紫外線などの光を照射します。
光が当たった部分（または当たらなかった部分）の性質が変化し、現像液で溶解・除去できるようになります。
現像後、ウエハー上にはフォトレジストによる回路パターンが残り、これが次のエッチング工程で加工部分を保護するマスクとして機能します。

フォトレジストによるマスクパターンが形成されたウエハーをエッチング装置に搬入し、加工を行います。
このステップでは、フォトレジストで覆われていない部分の薄膜が薬液やプラズマによって選択的に除去されます。
このエッチング加工には、ウェットエッチングまたはドライエッチングが用いられ、形成したい回路の微細度や材料の種類に応じて最適な手法が選ばれます。
これにより、フォトレジストのパターンが下の薄膜層に正確に転写され、目的の回路形状が作り出されます。

目的とする薄膜の加工が完了すると、マスクとして使用したフォトレジストは不要になります。
そのため、専用の剥離液や酸素プラズマを用いてフォトレジストを完全に除去します。
この工程はアッシングやストリッピングとも呼ばれます。
このステップが完了すると、ウエハーの薄膜上に目的の回路パターンだけが残った状態になります。
半導体製造では、成膜、リソグラフィ、そしてこの一連のエッチング工程を何層にもわたって繰り返すことで、立体的な集積回路を構築していきます。

半導体製造でエッチングが採用される3つのメリットご紹介します。

エッチング技術の最大の特長は、機械的な切削加工では不可能なミクロンやナノメートルオーダーの微細な形状を、高い精度で加工できる点です。
特にドライエッチングは、マスクパターンに忠実な垂直形状を形成できるため、高集積回路の製造に適しています。
また、エッチングプロセスは材料に物理的な応力をかけない非接触加工であるため、加工による歪みやバリの発生がありません。
これにより、シリコンウエハーのような薄く脆い材料に対しても、ダメージを与えることなく複雑な三次元構造を形成することが可能です。

プレス加工などで部品を製造する場合、初期段階で高価な金型を製作する必要がありますが、エッチングでは金型の代わりにフォトマスクを使用します。
フォトマスクは設計データを基に作成され、その費用は金型に比べて大幅に安価です。
このため、製造開始時の初期投資を大きく抑えることができます。
また、設計変更が生じた場合でも、金型を修正・再製作するのに比べて、フォトマスクの修正は比較的容易かつ低コストで行えます。
この特性は、多品種少量生産や開発段階の試作において、コスト面で大きなメリットとなります。

金型の製作には通常、数週間から数ヶ月という長い期間を要しますが、エッチングで使用するフォトマスクは設計データがあれば比較的短期間で製作できます。
これにより、設計完了から試作品の製造に着手するまでのリードタイムを大幅に短縮することが可能です。
製品開発のサイクルが非常に速い半導体業界において、この迅速性は大きな強みとなります。
試作品を素早く製造し、評価と改善を繰り返すことで、開発プロセス全体のスピードを向上させ、市場投入までの時間を短縮することに貢献します。

エッチングは微細加工において多くの利点を持つ一方で、万能な技術ではなく、いくつかの制約や不得意な点も存在します。
これらの注意点を事前に理解しておくことは、加工したい製品の仕様に対してエッチングが最適な方法であるかを見極める上で重要です。
特に、加工可能な材料の厚みと、生産量の規模については、導入を検討する際に考慮すべき重要なポイントとなります。
これらの限界を把握し、他の加工方法と比較検討することが求められます。

エッチング加工は、材料を化学的または物理的に除去していくため、加工速度には限界があります。
特に、厚みのある材料を加工する場合、それに比例して加工時間が長くなる傾向があります。
数マイクロメートル程度の薄膜の加工には非常に適していますが、数ミリメートルを超えるような厚い材料を貫通させたり、深く掘り込んだりする用途には不向きです。
深く加工しようとすると、サイドエッチングの影響で寸法精度が著しく低下する可能性もあり、効率的かつ高精度に加工できる厚みの範囲には自ずと限界が存在します。

エッチング、特に高精度な加工が可能なドライエッチングは、ウエハーを一枚ずつ処理する枚葉式が主流であり、一枚あたりの処理に時間がかかる場合があります。
そのため、単位時間あたりの生産量はプレス加工などの機械的加工に比べて少なくなる傾向があります。
高価なエッチング装置を複数台導入すれば生産能力は向上しますが、その分、莫大な設備投資が必要となります。
したがって、製品一個あたりのコストや市場から要求される生産量を考慮すると、月産数十万個を超えるような極端な大量生産においては、他の加工方法がコスト面で有利になることがあります。

エッチングとは、半導体の製造工程において、ウエハー上の薄膜から不要な部分を選択的に除去し、微細な回路パターンを形成するための加工技術です。
この技術は、薬液の化学反応を利用する「ウェットエッチング」と、ガスやイオンを用いる「ドライエッチング」に大別されます。
ウェットエッチングはコスト面に優位性があり、ドライエッチングは微細加工精度が高いという特徴を持ち、目的や要求仕様に応じて使い分けられます。
また、加工が均等に進む等方性や、特定の方向に進む異方性といった性質が仕上がりを左右します。
エッチングは精密な加工を得意とする一方で、厚材の加工や生産性には限界もあるため、その特性を理解した上での活用が重要です。