CVD装置〜絶縁層からメタル配線まで、高い膜厚均一性を実現する薄膜形成プロセスの主役

半導体製造において欠かせないCVD（Chemical Vapor Deposition）装置。本記事では、CVD装置の基本から最新のトレンド、市場動向まで、包括的に解説します。半導体業界に携わる方々や、技術動向に興味のある方必見の内容です。

CVD装置に関する最新ニュース

1. マルチチャンバー型CVD装置の新製品登場

サムコ株式会社が、最大3反応室搭載可能なマルチチャンバープラズマCVD装置『PD-2203LC』の販売を開始しました。この装置は、研究用途と生産用途の両方に対応し、SiC/GaNパワーデバイス市場向けに期待されています。複数の反応室を持つことで、異なる膜種の成膜や同時処理によるタクトタイム短縮が可能となります。

2. 2024年のCVD装置市場、技術革新が鍵に

2024年のCVD装置市場は、技術革新と競争優位の構築が重要になると予測されています。特に、微細化技術の進展や新素材の導入により、CVD装置の重要性がますます高まっています。5GやIoT技術の普及、自動車産業における電動化の進展も、CVD装置の需要を後押ししています。

3. 環境に配慮したCVD装置の開発が進行中

環境規制の強化に伴い、持続可能な製造プロセスの確立が求められています。これを受けて、低エネルギー消費型のCVD装置や環境に配慮した材料を使用する装置の開発が進んでいます。この傾向は今後も続くと予想され、CVD装置メーカーにとって重要な課題となっています。

CVD装置とは？

1. CVD装置の基本原理

CVD装置は、Chemical Vapor Deposition（化学気相成長）の略で、気体状態の原料を基板表面に導入し、化学反応を起こして薄膜を形成する装置です。この技術により、10nmから1000nm程度の薄い膜を半導体表面に均一に堆積させることができます。CVDプロセスでは、原料ガスの化学反応を促進するために、熱、プラズマ、光などのエネルギーが利用されます。

2. CVD装置の構造と主要部品

CVD装置の主要な構成要素には、リアクター（反応器）、サブストレートホルダー（基板ホルダー）、ガス供給装置、加熱装置、排気装置などがあります。リアクターは高温で反応が進行する空間で、耐熱性のある材料で作られています。サブストレートホルダーは基板を保持し、適切な温度環境を提供します。ガス供給装置は、各種の前駆体ガスやドーパントガスを制御された量でリアクター内に導入します。

3. CVD装置の特長と利点

CVD装置の主な特長として、多成分ガスを用いた合金膜や多成分の成膜が可能であること、成膜の成長速度が速いこと、均一性の良い膜厚分布が得られることなどが挙げられます。また、基板上の段差に対しても均一性が良好であり、複雑な構造を持つデバイスの製造に適しています。プラズマCVDを用いることで、低温での成膜が可能となり、基板へのダメージを減少させることができます。

4. 主な膜種

常圧CVD　SiO2、BPSG（ボロンとリンをドープした酸化膜）
減圧CVD　SiO2、Si3N4、BPSG、Poly-Si、WSi2、W
プラズマCVD　SiO2、SiON
エピタキシャル成長 Si
化合物CVD

CVD装置の市場規模

1. 2024年の市場予測

2024年のCVD装置市場は、年平均成長率（CAGR）5.95%で成長すると予想されています。市場規模は170億2000万米ドルに達する見込みです。この成長を支える主要な要因は、半導体産業全体の需要増加と技術革新です。特に、エレクトロニクスデバイスの高性能化に伴い、高精度な薄膜形成技術が求められています。

2. 地域別市場動向

CVD装置市場は、地域ごとに異なる成長パターンを示しています。アジア地域、特に中国、韓国、台湾を中心に急速な成長が見られます。これらの国々では、半導体製造拠点の拡大が進んでおり、CVD装置の需要が高まっています。北米市場では、米国政府の支援策により半導体製造の復活を目指しており、CVD装置市場も活発化しています。

3. 市場成長の主要因

CVD装置市場の成長を牽引する主な要因として、5GやIoT技術の普及、AIやクラウドコンピューティングの発展、自動車産業における電動化の進展などが挙げられます。これらの技術は、高性能かつ低消費電力のデバイスを必要とし、その製造にはCVD技術が不可欠です。また、新エネルギー技術の進展、特に太陽光発電や風力発電など再生可能エネルギー分野での応用も、CVD装置の需要を押し上げています。

CVD装置の種類

1. 熱CVD装置

熱CVD装置は、高温の熱エネルギーを利用して原料ガスを分解し、薄膜を形成する装置です。この方式の特徴は、多成分ガスを用いて合金膜や多成分の成膜が可能であること、成膜の成長速度が速いこと、均一性の良い膜厚分布が得られることなどです。ただし、高温プロセスのため、耐熱性のない基板には適用できないという制限があります。熱CVDは、半導体デバイスの絶縁膜や保護膜の形成に広く使用されています。

2. プラズマCVD装置

プラズマCVD装置は、高周波電力を用いて原料ガスをプラズマ化させ、低温で薄膜を形成する装置です。この方式の最大の利点は、低温プロセスにより基板へのダメージを減少させることができる点です。また、基板上の段差に対しても均一性が良好であり、複雑な構造を持つデバイスの製造に適しています。ただし、プラズマによる基板へのダメージや、薄膜に残留応力が生じる可能性があるという課題もあります。

3. 光CVD装置

光CVD装置は、光エネルギーを利用して原料ガスを分解し、薄膜を形成する装置です。この方式の特徴は、低温プロセスが可能であること、イオン発生がなく基板へのダメージが少ないこと、波長の選択により特定のガスのみを励起できることなどです。ただし、光のみではエネルギーが弱いため、成膜速度が遅いという課題があります。また、長時間の成膜では汚染により光量が低下する可能性があります。光CVDは、特殊な薄膜形成や研究開発用途で使用されています。

CVD装置の主な用途

1. 半導体デバイスの製造

CVD装置は、半導体デバイスの製造プロセスにおいて、絶縁膜、保護膜、ゲート絶縁膜などの形成に広く使用されています。特に、SiC/GaNパワーデバイス市場向けに、ゲート絶縁膜やパッシベーション膜の形成に重要な役割を果たしています。また、CVD技術は、微細化が進む半導体デバイスの製造において、均一で高品質な薄膜を形成するために不可欠です。最新のCVD装置では、複数の反応室を持つマルチチャンバー型が登場し、異なる膜種の成膜や同時処理によるタクトタイム短縮が可能となっています。

2. ディスプレイ製造

CVD装置は、液晶ディスプレイやOLEDディスプレイなどの製造プロセスにおいても重要な役割を果たしています。例えば、薄膜トランジスタ（TFT）の絶縁膜や半導体層の形成、カラーフィルターの保護膜の形成などに使用されます。特に、大面積基板に均一な薄膜を形成する能力が、ディスプレイ製造において重要です。最新のCVD技術では、低温プロセスや高速成膜が可能となり、生産性の向上に貢献しています。

3. 太陽電池の製造

CVD装置は、太陽電池の製造プロセスにおいても重要な役割を果たしています。特に、薄膜太陽電池の製造において、光吸収層や電極層の形成に使用されます。例えば、アモルファスシリコン太陽電池やCIGS太陽電池の製造プロセスでは、CVD技術が不可欠です。CVD装置の特長である均一な薄膜形成能力と大面積対応が、太陽電池の効率向上と製造コスト削減に貢献しています。また、最新のCVD技術では、新材料の適用や高速成膜プロセスの開発が進んでおり、次世代太陽電池の開発にも重要な役割を果たしています。

CVD装置の機器構成

CVD装置は主に以下のような機器から構成されています。

リアクター（反応器）： CVDプロセスが行われる空間であり、高温で反応が進行します。リアクターは、耐熱性のある材料（例：石英）で作られたシリンダーやチャンバーの形状を持ちます。
サブストレートホルダー（基板ホルダー）： CVDプロセスにおける成長または堆積を行う基板（サブストレート）を保持するための装置です。基板ホルダーは、回転や傾斜機能を備えていることがあります。また、基板ホルダーは温度制御装置に接続されており、適切な温度環境を提供します。
ガス供給装置： CVDプロセスで使用する気体を供給するための装置です。ガス供給装置は、各種の前駆体ガスやドーパントガスなどを制御された量でリアクター内に導入します。ガス供給装置は、ガスシリンダーやマスフローコントローラー、ガス配管などから構成されます。
加熱装置： CVDプロセスにおいて、リアクター内の温度を制御するための装置です。加熱源としては、ラジアントヒーター、電気炉、レーザーなどが使用されます。加熱装置は、高温を維持するための制御機構も含みます。
排気装置： CVDプロセス中に発生する不要なガスや副産物を除去するための装置です。排気ポンプやガス洗浄装置などが使用され、リアクター内の圧力とガス組成を制御します。

CVD装置の主な製造メーカー

1. アプライドマテリアルズ（米国）

アプライドマテリアルズは、CVD装置市場において最大のシェアを持つ企業の一つです。同社のCVD装置は、半導体製造プロセスにおいて広く使用されており、特に成膜装置分野では35.8%のシェアを占めています。アプライドマテリアルズの強みは、高性能な装置と幅広い製品ラインナップ、そして世界中の顧客に対する強力なサポート体制にあります。同社は常に最新の技術開発に取り組んでおり、次世代半導体製造に向けた革新的なCVD装置の開発を進めています。

2. 東京エレクトロン（日本）

東京エレクトロンは、日本を代表する半導体製造装置メーカーであり、CVD装置市場においても重要なプレイヤーの一つです。同社のCVD装置は、成膜装置分野で14.0%のシェアを持っています。東京エレクトロンの強みは、高度な技術力と日本の製造業の強みを活かした高品質な装置製造にあります。特に、プラズマCVD装置や低温CVD装置の分野で優れた製品を提供しており、次世代半導体デバイスの製造に貢献しています。

3. ラムリサーチ（米国）

ラムリサーチは、CVD装置市場において重要な位置を占める企業の一つです。同社は特にプラズマCVD装置の分野で強みを持っており、成膜装置分野で17.2%のシェアを有しています。ラムリサーチの特徴は、革新的な技術開発と顧客ニーズに合わせたカスタマイズ能力にあります。同社は、半導体製造プロセスの微細化や新材料の導入に対応した最先端のCVD装置を提供しており、特に3D NANDフラッシュメモリやロジックデバイスの製造プロセスにおいて重要な役割を果たしています。

まとめ

CVD装置は、半導体製造プロセスにおいて不可欠な装置であり、その市場は急速に成長しています。技術革新と需要の拡大により、2024年には170億ドルを超える市場規模が予測されています。特に、5G、IoT、AI、電気自動車などの新技術の普及が、CVD装置の需要を押し上げています。

主要メーカーは、アプライドマテリアルズ、東京エレクトロン、ラムリサーチなどが市場をリードしており、常に新しい技術開発に取り組んでいます。今後は、環境に配慮した低エネルギー消費型の装置や、新材料に対応した装置の開発が進むと予想されます。

CVD装置の進化は、半導体産業の発展と密接に関連しています。今後も、より高性能で効率的なCVD装置の開発が進み、次世代の半導体デバイスの製造を支えていくことでしょう。