テクニカルジャーナル

Our new plasma source "ISM-duo" enables the across-wafer etching rate uniformity of our uGmni etching module to be controlled. ISM-duo consists of an RF current distribution unit and two separate ICP antennas placed coaxially so as to control the spatial distribution of plasma generated in the process chamber. The RF current distribution to each antenna is performed at an arbitrary ratio without depending on process parameters such as gas type, and changing the distribution ratio does not disturb impedance matching. These features enable a stable operation of the etching rate uniformity control through the optimization of the RF current distribution ratio for various processes. ISM-duo delivers a new process tuning knob that enlarges the process window in our etching module.

当社の新しいプラズマソース「ISM-duo」は、化合物半導体やパワーデバイス、圧電膜向けにuGmniエッチングモジュールにおけるウエハ全体のエッチングレート均一性制御を可能にする。ISM-duoは、RF電流分配ユニットと、プロセスチャンバー内で生成されるプラズマの空間分布を制御するために同軸上に配置された2つの独立した誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma, ICP）アンテナで構成されており、低圧かつ低電子温度で高密度なプラズマを生成できる。各アンテナへのRF電流分配はガス種などのプロセスパラメータに依存せず、任意の比率で行われ、分配比率を変更してもインピーダンスマッチングが乱れることはない。これらの特徴により、各種プロセスに応じたRF電流分配比の最適化によるエッチングレート均一性制御を安定的に行うことができる。ISM-duoは、エッチングモジュールのプロセスウィンドウを拡大する新しいプロセスチューニングノブを提供する。

We have developed the radical assist sputter epitaxy (RaSE) method to enable epitaxial growth of gallium nitride (GaN) by sputtering and the "SEGul" system for mass production. Compared to the metal organic chemical vapor deposition (MO-CVD) method, which is a common GaN film formation method, the RaSE method has the advantages of a low deposition temperature and a low material cost when forming epitaxial GaN thin films. The MO-CVD method uses organometallics and toxic gases such as NH₃ as raw materials at a formation temperature of about 1000℃. In contrast, the "RaSE" method uses common materials such as Ga, N₂, and Ar, and GaN formation can be performed at relatively low temperatures of 700℃ or lower. It can also be applied to the formation of high density n-type GaN thin films with n-type carrier density in the 1x10²⁰ cm^-3 range by using an additional sputtering source for doping. In this report, we describe the characteristics of GaN thin films formed by the RaSE method, as well as the mass production system "SEGul" which can handle up to 8-inch wafer sizes.

当社は、スパッタリングにより窒化ガリウム（GaN）をエピタキシャル成長させるラジカルアシストスパッタエピタキシー（Radical assist Sputter Epitaxy, RaSE）法と量産用装置「SEGul」を開発した。RaSE法は、一般的なGaN成膜法である有機金属気相成長法（MO-CVD）と比較して、エピタキシャルGaN薄膜を形成する際の成膜温度が低く、材料コストが安いという利点がある。MO-CVD法は、有機金属とNH₃などの有毒ガスを原料として使用し、約1000℃の温度で形成される。これに対し、「RaSE」法はGa、N2、Arといった一般的な材料を用い、700℃以下の比較的低温でGaNの形成が可能である。また、ドーピング用の追加のスパッタリング源を使用することにより、1×1020/cm3台のn型キャリア密度を有する高密度n型GaN薄膜の形成にも適用できるため、パワーデバイスである高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor, HEMT）としても開発が進められている。本稿では、RaSE法により形成されたGaN薄膜の特性と、最大8インチウェーハサイズまで対応可能な量産装置「SEGul」について紹介する。

Organic light emitting diode (OLED) devices are applied to various displays such as smartphones, monitors, and TVs, but it is necessary to improve the cost and lifetime of such displays. Top emission type OLEDs have high light extraction efficiency but require higher transmission and lower resistance cathode electrodes, so we have developed a low damage sputtering process for these OLED devices.
Sputtering processes with high temperatures and lots of particles not only reduce device performance, but also reduce mass production yields. That is why ULVAC's sputtering process concepts for these OLED devices are "low damage," "low temperature," and "low particle."
In this paper, we analyzed the sputtering damage factor related to device performance and established a sputtering process that can reduce the damage factor. The drive voltage and efficiency of OLED devices using the low damage sputtering process was the same as that of the reference vapor deposition device, and the lifetime was more than 20% longer.

有機発光ダイオード（OLED）デバイスはスマートフォン、モニター、テレビなどさまざまなディスプレイに応用されているが、ディスプレイのコストと寿命を改善する必要がある。トップエミッション型OLEDは高い光取り出し効率を有するが、より高い透過率とより低い抵抗のカソード電極を必要とする。従って、これらのOLEDデバイス向けに透明導電膜（Transparent Conductive Oxide, TCO）を用いた低ダメージスパッタリングプロセスを開発した。高温で大量の粒子を伴うスパッタリングプロセスは、デバイスの性能を低下させるだけでなく、量産歩留まりも低下させる。そこで、当社のOLEDデバイスのスパッタリングプロセスは「低ダメージ」、「低温」、「低パーティクル」をコンセプトとしている。本稿では、デバイス性能に関係するスパッタリングダメージ因子を解析し、ダメージ因子を低減できるスパッタリングプロセスを確立した。低ダメージスパッタリングプロセスを用いたOLEDデバイスの駆動電圧と効率は、リファレンスの蒸着を用いたデバイスと同等であり、寿命は20%以上長寿命化した。

We have developed a method of micro arc oxidation treatment (VACAL®-Z) as a surface treatment for aluminum alloy used in vacuum equipment using corrosive gases, such as CVD equipment. The oxide layer formed by VACAL®-Z had a three layer structure of crystalline γ-alumina. In addition, we have devised and made possible a step processing method for treating the entire surface of large objects, such as vacuum production equipment for flat panel displays, by VACAL®-Z.

当社は、Chemical Vapor Deposition（CVD）装置などの腐食性ガスを使用する真空装置に用いられるアルミニウム合金の表面処理として、マイクロアーク酸化処理（Micro Arc Oxidation, MAO）であるVACAL®-Zという方法を開発した。VACAL®-Zにより形成された酸化被膜は結晶性γ-アルミナの3層構造となっており、高い耐食性を有することから腐食性ガスから材料を守り、パーティクルの発生を低減することができる。また、フラットパネルディスプレイ（FPD）用真空製造装置などの大型物の全面処理をVACAL®-Zで行うステップ加工方法を考案し、大面積処理を可能とした。

We have developed a new batch-type isotropic gas etching system that does not utilize H radicals. The isotropic gas etching process is used in semiconductor manufacturing to etch pattern structures and requires high aspect ratio etching without causing damage to the underlying layer. Our previous release, RISE-300, was a batch-type gas etching tool that utilized H radicals and was easy to handle due to the absence of highly corrosive gases like HF. However, it was difficult to control the etching distribution within each batch. In recent years, conventional processes have become insufficient to meet the performance requirements of device manufacturers. Our new batch-type isotropic gas etching process, which does not utilize H radicals, outperforms conventional methods in terms of wafer-to-wafer uniformity and step coverage. Additionally, this new process allows for precise control of etching distribution within the wafer plane.

水素ラジカルを使用しない新しいバッチタイプの等方性ガスエッチングシステムを開発した。等方性ガスエッチングプロセスは、3D NANDなどの半導体製造において高アスペクト比なパターン構造に対して基層への損傷を引き起こさずにエッチングすることが要求される。以前のリリースであるRISE-300は、水素ラジカルを使用したバッチタイプのガスエッチングツールであり、HFのような高腐食性のガスが不要のため取り扱いが容易であった。しかし、各バッチ内でのエッチング面内分布を制御することは困難であった。近年、従来のプロセスではデバイスメーカーの性能要件を満たすことが不十分となっている。水素ラジカルを使用しない我々の新しいバッチタイプの等方性ガスエッチングプロセスは、ウェハ間均一性とステップカバレッジの点で従来の方法を上回る性能を実現している。さらに、この新しいプロセスにより、ウェハ面内のエッチング分布を正確に制御することが可能となった。

The size of glass substrates in organic light emitting diode (OLED) vapor deposition equipment has increased, the mainstream has changed from conventional G6H devices to G8H devices, and the vapor deposition equipment itself has also become larger. Therefore, cryopumps used as high vacuums pumps will also be increased in size from 20 inches to 22 inches, and pumping speed will increase. In this paper, we introduce the history of 22-inch cryopump development and a technology that realizes both cost reduction and energy saving in a cryopump system that will be adopted in the G8H in the future.

有機発光ダイオード（OLED）蒸着装置は、従来のG6HサイズからG8Hサイズへとガラス基板サイズの主流が変化して、蒸着装置自体も大型化していく。従って、高真空ポンプとして使用されるクライオポンプも20インチから22インチへと大型化し、排気速度も高速化が必要である。また、顧客需要としてさらなる低温運用が求められており、クライオポンプの再生周期を維持するには、冷凍機や排気性能の改善も必要である。本稿では、22インチクライオポンプの開発経緯および今後G8Hに採用されるクライオポンプシステムのコストダウンと省エネルギー化を両立する技術について紹介する。

The problem with organic light-emitting diode (OLED) displays is that their service lifetime is affected by impurities in vacuum equipment. Therefore, equipment manufacturers need to ensure the cleanliness of their equipment. We developed a technology to evaluate trace amounts of water-soluble impurities in vacuum equipment by using ion chromatography (IC). As a result, we established our own simple cleanliness evaluation technology.
By using this evaluation technology to monitor and take countermeasures against residual ions in the equipment during each process from manufacturing to delivery, we have been able to manufacture equipment with high cleanliness that meets the required quality.
In addition, we conducted device fabrication and service lifetime tests on OLED deposition equipment to evaluate the impact of equipment components on device lifetime. The evaluation of devices exposed to fluorinated resin-coated cables suggested that the factor causing service lifetime degradation was a gas containing C-F. Meanwhile, it was found that the devices can still be used as device components by reducing the amount of impurities through appropriate cleaning processes. We will contribute to further quality improvement of OLED production equipment by utilizing this technology.

有機発光ダイオード（OLED）ディスプレイではデバイスの寿命が真空装置中の不純物によって影響を受けることが問題となる。従って、装置メーカーは装置の清浄性を確保する必要がある。真空装置中の微量水溶性不純物をイオンクロマトグラフィー（Ion Chromatography, IC）を用いて評価する技術を開発した。その結果、独自の簡易清浄度評価技術を確立した。この評価技術を用いて、製造から出荷までの各工程において装置内の残留イオンを監視・対策することで、要求品質を満たす清浄度の高い装置の製造を実現した。さらに、OLED蒸着装置のデバイス製造および寿命テストを実施し、装置のコンポーネントがデバイスの寿命に及ぼす影響を評価した。フッ素樹脂被覆ケーブルに曝露された機器の評価により、寿命低下の要因はC-Fを含むガスであることが示唆された。一方、適切な洗浄プロセスにより不純物の量を低減することで、部品として使用できることがわかった。当社は本技術を活用することで、OLED製造装置のさらなる品質向上に貢献する。

When radio frequency (RF) power sources are used on both the cathode and stage sides, effective stage bias can be achieved by controlling the RF phase. We found that this can be ascertained from the voltage peak to peak (Vpp) curve at each phase position.
The number of layers in 3D-NAND flash memory is increasing, so the processed height of each layer must be reduced to maintain the total device height. The height of etch-stop layers must also be reduced, and a filling process is required for insulator materials. ULVAC had knowledge of stable RF sputtering processes, but we were not able to produce an adequate filling performance. We knew that the stage bias process used in conventional ULVAC technologies, such as high coverage ionized sputtering (HiCIS), was a good candidate for this filling process. However, it is only used for metal layers, which have lower ionized energy materials. We tried to combine both cathode and stage RF processes, but the filling performance was not stable and we could not control the RF processes together. In order to solve these issues, we found that phase control is one of the key factors to not only use matching control but also control stage bias effectiveness. Also, filling performance can be controlled by selecting the correct phase position for both the cathode and stage RF output. It makes further possibility for sputter process applications.

高周波（RF）電源が陰極およびステージの両側に用いられる場合、RFフェーズを制御することで効果的なステージバイアスが達成可能であることが判明した。本研究では、各フェーズ位置での電圧のピーク間隔（Vpp）曲線から、この事実を確認することができた。3D-NANDフラッシュメモリの層数が増加するにつれて、デバイス全体の高さを維持するために、各層の加工高さを低減させる必要がある。このため、エッチングストップ層の高さも低減する必要があり、絶縁材料の埋め込み処理が必須となる。当社はハードマスクやエッチングストップ膜向けにAl2O3などの絶縁膜のRFスパッタリングプロセスに関する知見を有していたが、適切な埋め込み性能を実現することはできなかった。高カバレッジイオン化スパッタリング（HiCIS）のような従来の当社技術におけるステージバイアスプロセスが、この埋め込み処理に適した候補であることは認識していたが、これはイオン化エネルギーが低い金属層にのみ適用されていた。陰極およびステージのRFプロセスを組み合わせる試みを行ったが、埋め込み性能は安定せず、RFプロセスの同時制御が困難であった。これらの課題を解決するために、マッチング制御の使用に加えて、ステージバイアスの有効性を制御する上で、フェーズ制御が重要な要素であることが明らかとなった。さらに、陰極およびステージのRF出力における適切なフェーズ位置の選択により、膜厚分布と埋め込み性能を制御することが可能である。これにより、スパッタプロセス応用における新たな可能性が開かれた。