JP2006000978A - シリコン基板加工方法、光学素子用金型、光学素子用金型母型、光学素子及び回折格子 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリコン基板の表面にミクロンサイズ以下の三次元形状を精度よく加工できるシリコン基板加工方法を提供する。この加工方法を用いて加工された光学素子用金型及び光学素子用金型母型、更に光学素子用金型により加工された光学素子及び回折格子を提供する。
【解決手段】 このシリコン基板加工方法は、シリコン基板上にレジストを塗布し、レジストを三次元形状に形成し、レジストをマスクとしてドライエッチングによりシリコン基板を加工しシリコン基板の表面に三次元形状を形成し、ドライエッチングの終点をレジストマスクの消失の程度に基づいて決める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコン基板表面の微細加工が可能なシリコン基板加工方法、この加工方法を用いて加工された光学素子用金型、光学素子用金型母型、光学素子及び回折格子に関する。

従来の精密切削加工は、サブミクロン構造以下のパターンおよび広範囲のパターン加工には限界がある。また、平面基板上でかつ同心円形状パターンを加工する場合には従来の精密切削加工は適しているが、曲面基板や非対称構造を加工することは困難である。

また、マスク露光・現像とプラズマエッチングを組み合わせた加工は、バイナリー構造を加工するには適するが、サブミクロン以下の三次元の複雑な微細構造を加工するには不向きである。

通常のＩＣＰプラズマ条件（封入ガス圧が１Ｐａ以上、プラズマ密度１０^１０〜１０^１９ｃｍ^−３、電子温度数ｅＶから数十ｅＶで比較的プラズマが明るく光る条件）でのエッチングでは、マスクが無くなってから長い時間基板をプラズマにさらすと、パターン側壁や角部分が容易に削られ形状を崩してしまうため、微細な三次元形状を形成することが困難であった。

下記特許文献１に開示された電子ビーム描画による三次元パターン形成の精度はかなり高いが、作成パターンの高さに限界がある（４μｍ程度）ため、それ以上の高さパターンを形成することが電子ビーム描画単体では困難である。
特開２００４−１０７７９３

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、シリコン基板の表面にミクロンサイズ以下の三次元形状を精度よく加工できるシリコン基板加工方法を提供することを目的とする。また、この加工方法を用いて加工された光学素子用金型及び光学素子用金型母型を提供することを目的とし、更に光学素子用金型により加工された光学素子及び回折格子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるシリコン基板加工方法は、シリコン基板上にレジストを塗布する工程と、前記レジストを三次元形状に形成する工程と、前記レジストをマスクとしてドライエッチングにより前記シリコン基板を加工し前記シリコン基板の表面に三次元形状を形成する工程と、を含み、前記ドライエッチングの終点を前記レジストマスクの消失の程度に基づいて決めることを特徴とする。

このシリコン基板加工方法によれば、基板表面にレジストマスクを三次元形状に形成してからドライエッチングを行うことで、レジストマスクの三次元形状に対応した三次元形状をシリコン基板に形成できる。このとき、ドライエッチングの終点をレジストマスクの消失の程度により決めることでシリコン基板表面にミクロンサイズ以下の三次元形状を精度よく形成することができる。

上記シリコン基板加工方法において前記レジストの三次元形状の形成工程を電子ビーム描画・現像法によって行うことが好ましく、精度よくレジストの三次元形状を形成できる。

また、前記ドライエッチングの終点を決める際に前記レジストマスクが全てなくなることを基準とすることができる。この基準でドライエッチングの終点を決めることで、シリコン基板において簡単にかつ精度よく三次元形状を加工できる。

また、前記ドライエッチングにおいてフッ素系ガスまたはフッ素系ガスと酸素の混合ガスを用い、前記レジストマスクがなくなってから前記ドライエッチングを更に行うことで前記シリコン基板の表面をフッ素化することが好ましい。レジストマスクの消失後、数ｎｍから数十ｎｍの深さまでドライエッチングを行うことで、シリコン基板の表面をフッ素化することができ、これにより、表面離型性の良好な成形金型を得ることができる。

また、異方性ドライエッチングにより前記ドライエッチングを行い、前記シリコン基板に形成される三次元形状のパターン高さの微調整は前記レジストマスクと前記シリコン基板との選択比を制御することで行われるようにできる。

また、前記ドライエッチングをプラズマエッチングで行う際のプラズマ中の電子温度は６〜１５ｅＶの範囲内であり、プラズマ密度は１０^８〜１０^１１ｃｍ^−３の範囲内であり、ガス封入圧力は１Ｐａ未満であることが好ましい。

また、前記ドライエッチングは誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用い、前記選択比の最終的な微調整は、前記シリコン基板に印加する高周波電圧またはバイアス電圧のみを調整することで行うことができる。

また、前記シリコン基板に形成される三次元形状の側壁保護のために前記ドライエッチングのときＨＢｒとＯ_２を添加することが好ましい。または、側壁保護効果を有する成膜プロセスと前記ドライエッチングとを交互に行うことで、三次元形状の側壁保護を行うことができる。これらの側壁保護効果により、更に複雑かつ微細な三次元形状をシリコン基板上に加工することが可能となる。

また、前記ドライエッチングで寸法及び特徴が異なる形状を同一のシリコン基板上に同時に加工することができる。例えば、階段状構造（エシェロン構造）及びのこぎり型構造（ブレーズ構造）などの寸法及び特徴が異なる形状を同一のシリコン基板に同時に加工することができる。

本発明による光学素子用金型母型は、シリコン基板加工方法により加工されたシリコン基板から構成されたものである。

また、本発明による光学素子用金型は、上述のシリコン基板加工方法により加工されたシリコン基板から構成されたものであり、また、上述の光学素子用金型母型を用いて加工されたものである。

本発明による光学素子は、上述の金型を用いて加工されたものである。本発明による回折格子は、光通信波長帯域用エシェロン構造を有し、上述の金型または金型母型を用いて加工されたものである。

本発明のシリコン基板加工方法によれば、シリコン基板の表面にミクロンサイズ以下の三次元形状を精度よく加工できる。

本発明の光学素子用金型によれば、精度のよい三次元形状の微細な構造を有する光学素子を製造できる。本発明の光学素子用金型母型によれば、精度のよい三次元形状の微細な構造を有する光学素子を製造可能な光学素子用金型を得ることができる。

本発明の光学素子は精度のよい三次元形状の微細な構造を有する。また、本発明の回折格子は、精度のよい光通信波長帯域用エシェロン回折構造を有する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は本実施の形態によるシリコン基板加工方法を説明するためのフローチャートである。図２は図１のシリコン基板加工方法によりシリコン基板に形成されるエシュロン回折構造の一部を示す断面図である。図３は図１のシリコン基板加工方法のドライエッチングを行うＩＣＰ（誘導結合プラズマ）装置を概略的に示す図である。

本実施の形態によるシリコン基板加工方法は、図１のフローチャートに示すように、三次元微細加工精度の良い電子ビーム描画法と、シリコン基板のエッチング実績のあるドライエッチングプロセスとを組み合わせることでシリコン基板上に微細な三次元形状を形成するものである。

電子ビーム描画法により、シリコン基板上に形成したレジスト樹脂層に対して電子ビームを走査しながら照射し、その走査ドーズ量を変化させることで、種々の三次元形状の例えば階段状のエシュロン回折構造の形成のための微細パターンをレジスト樹脂層に描画し、所定の現像液で現像し、その後、ドライエッチングにより、レジスト樹脂の三次元形状に基づいて所望の三次元形状を例えば図２のような幅ｗが４０μｍ、高さｈが１６μｍ程度の４段の階段状のエシュロン回折構造をシリコン基板上に形成する。

かかる電子ビーム描画法は、本発明者等が、例えば、上記特許文献１や特開２００４−５４２１８等で提案した後述の図６乃至図１４で説明する電子ビーム描画装置により行うことができる。これにより、例えば図２のエシュロン回折構造形成のための所望の描画パターンを電子ビームによる３次元描画でサブミクロンオーダーの高精度で形成できる。

ドライエッチングは、図３に示すようなＩＣＰ（誘導結合プラズマ）装置２００により行うことができる。図３のＩＣＰ装置２００は、真空プラズマチャンバ２１１内に、プラズマ生成用高周波電源２１２に接続された一対の高周波電極２１３，２１４が配置され、高周波電極２１３，２１４に対向する側にシリコン基板２１０を保持する基板ホルダ２１５が配置されて構成される。高周波電源２１２から高周波電極２１３，２１４に高周波電圧が印加されることで真空プラズマチャンバ２１１内のプラズマ生成領域ＡＡにプラズマが形成され、エッチングガスをチャンバ２１１内に流しながらシリコン基板２１０をドライエッチングすることができる。また、基板ホルダ２１５には加工形状制御用バイアス高周波電源２１６が接続され、基板ホルダ２１５のバイアス電極に印加されるバイアス電圧によってシース領域ＢＢが形成される。

次に、シリコン基板に図２のようなエシュロン回折構造を形成するための加工方法を更に図４，図５を参照して説明する。図４は図１のシリコン基板加工方法により、シリコン基板上に形成したレジストからシリコン基板にエシュロン回折構造を形成する工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を模式的に示す側面図である。図５は図３のＩＣＰ装置２００におけるバイアス電力と選択比の関係を示すグラフである。

図１のように、まず、各種条件を決定するために予備的に次の各工程Ｓ０１乃至Ｓ０５を実行する。即ち、シリコン基板にレジスト樹脂を塗布し（Ｓ０１）、そのレジスト樹脂層に電子ビーム描画を行い（Ｓ０２）、現像してから描画形状を観察し（Ｓ０３）、ドライエッチングを行う（Ｓ０４）。エッチング形状を観察して、よいか否かを判断し（Ｓ０５）、エッチング形状がよくない場合は、形状データを見直し、描画制御プログラムを修正し、再度工程Ｓ０１乃至Ｓ０５を実行する。

以上の予備工程である工程Ｓ０１乃至Ｓ０５でエッチング選択比・レジスト樹脂層の厚さ・描画制御プログラムの各条件が決定されると、その決定された条件の下で、シリコン基板にレジスト樹脂を塗布し（Ｓ１１）、そのレジスト樹脂層に電子ビーム描画を行い（Ｓ１２）、現像してから描画形状を観察し（Ｓ１３）、レジスト樹脂層を図４（ａ）のような３次元形状のレジストパターン２２０とする。このレジストパターン２２０は図２の階段状のエシュロン回折構造に対応した形状となっているが、例えば最も高い部分の高さｈ１は、図４（ｃ）目標とする高さｈ２よりも低くなっている。これは、電子ビーム描画は深さ方向（高さ方向）の描画に限界があるためである。

次に、図４（ａ）の３次元形状のレジストパターン２０が形成されたシリコン基板２１０を図３のＩＣＰ装置２００の真空プラズマチャンバ２１１内の基板ホルダ１５に取り付けてチャンバ１１内に形成したプラズマによりドライエッチングを行う（Ｓ１４）。このドライエッチングにより、図４（ｂ）のように、レジストパターン２２０の薄い部分からシリコン基板２１０の表面２１０ａが加工され、レジストパターン２２０の厚い部分の加工は遅れる。

そして、図４（ｃ）のようにレジストパターン２２０がすべてなくなるまでドライエッチングをし、無くなってから数秒から数分程度（数ｎｍから数十ｎｍの深さ）でドライエッチングプロセスを停めることで、ドライエッチング終点を判断する。これにより、図４（ｃ）のようにレジストパターン２２０が完全に消失し、階段状のエシュロン回折構造部２２１をシリコン基板２１０の表面２１０ａに形成できる。

この場合、例えば選択比を４とし、図４において、ｈ２／ｈ１＝４から、ｈ１を４μｍとすると、ｈ２＝１６μｍの階段状のエシュロン回折構造部２２１とすることができる。かかる選択比は図３のＩＣＰ装置２００のバイアス高周波電源２１６において図５のようにバイアス電力を設定することで所望の値にでき、例えば選択比が４の場合は、バイアス電力を３Ｗに設定しシリコン基板２１０に印加する。このようにして、シリコン基板に印可するバイアス電力のみをパラメータとして選択比を調整することができる。かかる方法は、レジストパターンを１対１や拡大・縮小して忠実にかつ高精度にシリコン基板に転写するのに有効である。

次に、エッチング形状を観察して、よいか否かを判断し（Ｓ１５）、エッチング形状がよくない場合には工程Ｓ１１に戻り、よい場合は、シリコン基板２１０の加工が完成する（Ｓ１４）。

以上のように、本実施の形態のシリコン基板加工方法によれば、ドライエッチングの終点をレジストマスクが完全に消失することを基準にして決めることでシリコン基板２１０の表面にミクロンサイズ以下の三次元形状を精度よく簡単に形成することができる。

上述のようにしてエシュロン回折構造が形成されたシリコン基板から金型母型を得ることができる。そして、かかる母型を用いて、電鋳処理を施すことで、光学素子用の成形金型の素材が転写されるので、これを脱型し、裏打ち部材と組み合わせることで、光学素子用の成形金型を得ることができる。また、エシュロン回折構造が形成されたシリコン基板から直接に光学素子用の成形金型をつくることもできる。

図４（ｃ）のように形成されたエシュロン回折構造部２２１を有するシリコン基板２１０は、上述のように、光学レンズや光通信用レンズや回折格子や回折レンズ等の光学素子のための金型または金型母型として利用されるため、離型性の良いことが望まれる。このため、フッ素系ガスまたはフッ素系ガスと酸素の混合ガスを用い、レジストパターン２２０が無くなってから数秒〜数分（数ｎｍ〜数十ｎｍの深さ）程度オーバーエッチングすることで、シリコン基板の表面がフッ素化し離型性の良い金型を得ることができる。

また、微細なパターンをある程度の深さに加工するため、エッチング中のレジスト及びシリコン基板のサイドエッチングやパターン角部の損傷は無視できない。そこで、エッチングは異方性エッチングによりサイドエッチングを軽減しつつ、かつ物理的エッチングを制御して角部の損傷を低下させることが好ましい。このため、エッチングガスは、シリコン基板を等方的にエッチングするＳＦ_６に側壁保護効果をもったＯ_２を加えた混合ガスを基本として使用し、形状を見ながらガスの混合比を変更することが好ましい。

ドライエッチングは、図３のように、プラズマを形成する高周波電極（アンテナ電極）と基板に入射するプラズマ量、エネルギーを制御できるバイアス電極を有するＩＣＰを基本とした装置を使用して行うことが好ましい。アンテナ電極とバイアス電極を別々に制御し、アンテナ電極によって形成されるプラズマは、プラズマ密度が低く（１０^８〜１０^１１ｃｍ^−３）、電子温度が６〜１５ｅＶ、封入ガスの圧力も１Ｐａ未満の条件を使うことで、微細パターン形状を崩さずにシリコン基板上に転写することが可能になる。

また、上記プラズマ条件にＨＢｒガスを添加することで、ＨＢｒとＯ_２がつくるポリマーによってシリコン基板の側壁保護効果が高まり、より微細かつ複雑な構造を加工できる。

また、ＣＦ系ガスをつかって基板表面にポリマーを形成する行程と上記条件でのエッチングを交互に行っても側壁保護効果が得られ、より微細な形状をシリコン基板上に加工できる。

階段状のエシェロン形状を加工すると、段によって若干エッチング選択比や形状が変化してしまうが、これは、深さやパターン幅によってプラズマの到達量や到達エネルギーが微妙に違うためと考えられる。そこで、形状を電子ビーム描画にフィードバックさせて、形状を補正することが好ましく、これを数回繰り返し微小な形状を整えることができる。また、最終的な高さ寸法は、上述のようにエッチング時のバイアス電力を制御することで調整できる。大まかな高さは先の形状調整以前に行っておき、最終的な調整は±５％程度の範囲内において可能である。この程度であれば、先に微調整した形状を崩すことはない。

電子ビーム描画では、同一基板上に形状の異なる三次元レジストパターンを形成することが可能である。上記エッチング方法では、複数の異なる三次元形状を同一のプロセス条件で加工できるので、例えば、エシェロン回折構造とブレーズ回折構造が複合したような回折レンズや回折格子等の光学素子を加工することも可能である。

次に、上述のシリコン基板加工法における電子ビーム描画方法を実行可能な電子ビーム描画装置について図６乃至図１４を参照して説明する。図６は、電子ビーム描画装置の全体構成を示す説明図である。

図６に示す電子ビーム描画装置１は、大電流で高解像度の電子線プローブを形成して高速に描画対象の基材２上を走査するものであり、高解像度の電子線プローブを形成し、電子ビームを生成してターゲットに対してビーム照射を行う電子ビーム生成手段である電子銃１２と、この電子銃１２からの電子ビームを通過させるスリット１４と、スリット１４を通過する電子ビームの前記基材２に対する焦点位置を制御するための電子レンズ１６と、電子ビームが出射される経路上に配設されたアパーチャー１８と、電子ビームを偏向させることでターゲットである基材２上の走査位置等を制御する偏向器２０と、偏向を補正する補正用コイル２２と、を含んで構成されている。なお、これらの各部は、鏡筒１０内に配設されて電子ビーム出射時には真空状態に維持される。

さらに、電子ビーム描画装置１は、描画対象となる基材２を載置するための載置台であるＸＹＺステージ３０と、このＸＹＺステージ３０上の載置位置に基材２を搬送するための搬送手段であるローダ４０と、ＸＹＺステージ３０上の基材２の表面の基準点を測定するための測定手段である測定装置８０と、ＸＹＺステージ３０を駆動するための駆動手段であるステージ駆動手段５０と、ローダを駆動するためのローダ駆動装置６０と、鏡筒１０内及びＸＹＺステージ３０を含む筐体１１内を真空となるように排気を行う真空排気装置７０と、これらの制御を司る制御手段である制御回路１００と、を含んで構成されている。

なお、電子レンズ１６は、高さ方向に沿って複数箇所に離間して設置される各コイル１７ａ、１７ｂ、１７ｃの各々の電流値によって電子的なレンズが複数生成されることで各々制御され、電子ビームの焦点位置が制御される。

測定装置８０は、基材２に対してレーザーを照射することで基材２を測定する第１のレーザー測長器８２と、第１のレーザー測長器８２にて発光されたレーザー光（第１の照射光）が基材２を反射し当該反射光を受光する第１の受光部８４と、前記第１のレーザー測長器８２とは異なる照射角度から照射を行う第２のレーザー測長器８６と、前記第２のレーザー測長器８６にて発光されたレーザー光（第２の照射光）が基材２を反射し当該反射光を受光する第２の受光部８８と、を含んで構成されている。

ステージ駆動手段５０は、ＸＹＺステージ３０をＸ方向に駆動するＸ方向駆動機構５２と、ＸＹＺステージ３０をＹ方向に駆動するＹ方向駆動機構５４と、ＸＹＺステージ３０をＺ方向に駆動するＺ方向駆動機構５６と、ＸＹＺステージ３０をθ方向に駆動するθ方向駆動機構５８と、を含んで構成されている。これによって、ＸＹＺステージ３０を３次元的に動作させたり、アライメントを行うことができる。すなわち、ＸＹＺステージ３０上に基材２を載置すれば、ビーム照射源としての電子銃１２との相対位置を任意に変更できるため、上述したステップ・アンド・リピート方式で描画を行える。

制御回路１００は、電子銃１２に電源を供給するための電子銃電源部１０２と、この電子銃電源部１０２での電流、電圧などを調整制御する電子銃制御部１０４と、電子レンズ１６（複数の各電子的なレンズを各々）を動作させるためのレンズ電源部１０６と、このレンズ電源部１０６での各電子レンズに対応する各電流を調整制御するレンズ制御部１０８と、を含んで構成される。

さらに、制御回路１００は、補正用コイル２２を制御するためのコイル制御部１１０と、偏向器２０にて成形方向の偏向を行う成形偏向部１１２ａと、偏向器２０にて副走査方向の偏向を行うための副偏向部１１２ｂと、偏向器２０にて主走査方向の偏向を行うための主偏向部１１２ｃと、成形偏向部１１２ａを制御するためにデジタル信号をアナログ信号に変換制御する高速Ｄ／Ａ変換器１１４ａと、副偏向部１１２ｂを制御するためにデジタル信号をアナログ信号に変換制御する高速Ｄ／Ａ変換器１１４ｂと、主偏向部１１２ｃを制御するためにデジタル信号をアナログ信号に変換制御する高精度Ｄ／Ａ変換器１１４ｃと、を含んで構成される。

さらに、制御回路１００は、偏向器２０における位置誤差を補正する、乃ち、位置誤差補正信号などを各高速Ｄ／Ａ変換器１１４ａ、１１４ｂ、及び高精度Ｄ／Ａ変換器１１４ｃに対して供給して位置誤差補正を促すあるいはコイル制御部１１０に対して当該信号を供給することで補正用コイル２２にて位置誤差補正を行う位置誤差補正回路１１６と、これら位置誤差補正回路１１６並びに各高速Ｄ／Ａ変換器１１４ａ、１１４ｂ及び高精度Ｄ／Ａ変換器１１４ｃを制御して電子ビームの電界を制御する電界制御手段である電界制御回路１１８と、描画パターンなどを前記基材２に対して生成するためのパターン発生回路１２０と、を含んで構成される。

また、制御回路１００は、第１のレーザー測長器８２を上下左右に移動させることによるレーザー照射位置の移動及びレーザー照射角の角度等の駆動制御を行う第１のレ−ザー駆動制御回路１３０と、第２のレーザー測長器８６を上下左右に移動させることによるレーザー照射位置の移動及びレーザー照射角の角度等の駆動制御を行う第２のレ−ザー駆動制御回路１３２と、第１のレーザー測長器８２でのレーザー照射光の出力（レーザーの光強度）を調整制御するための第１のレーザー出力制御回路１３４と、第２のレーザー測長器８６でのレーザー照射光の出力を調整制御するための第２のレーザー出力制御回路１３６と、第１の受光部８４での受光結果に基づき、測定結果を算出するための第１の測定算出部１４０と、第２の受光部８８での受光結果に基づき、測定結果を算出するための第２の測定算出部１４２と、を含んで構成される。

さらに、制御回路１００は、ステージ駆動手段５０を制御するためのステージ制御回路１５０と、ローダ駆動装置６０を制御するローダ制御回路１５２と、上述の第１、第２のレーザー駆動回路１３０、１３２・第１、第２のレーザー出力制御回路１３４、１３６・第１、第２の測定算出部１４０、１４２・ステージ制御回路１５０・ローダ制御回路１５２を制御する機構制御回路１５４と、真空排気装置７０の真空排気を制御する真空排気制御回路１５６と、測定情報を入力するための測定情報入力部１５８と、入力された情報や他の複数の情報を記憶するための記憶手段であるメモリ１６０と、各種制御を行うための制御プログラムを記憶したプログラムメモリ１６２と、これらの各部の制御を司る例えばＣＰＵなどにて形成された制御部１７０と、を含んで構成されている。

上述のような構成を有する電子ビーム描画装置１において、ローダ４０によって搬送された基材２がＸＹＺステージ３０上に載置されると、真空排気装置７０によって鏡筒１０及び筐体１１内の空気やダストなどを排気したした後、電子銃１２から電子ビームが照射される。

電子銃１２から照射された電子ビームは、電子レンズ１６を介して偏向器２０により偏向され、偏向された電子ビームＢ（以下、この電子レンズ１６を通過後の偏向制御された電子ビームに関してのみ「電子ビームＢ」と符号を付与することがある）は、ＸＹＺステージ３０上の基材２の表面、例えば曲面部（曲面）２ａ上の描画位置に対して照射されることで描画が行われる。
この際に、測定装置８０によって、基材２上の描画位置（描画位置のうち少なくとも高さ位置）、もしくは後述するような基準点の位置が測定され、制御回路１００は、当該測定結果に基づき、電子レンズ１６のコイル１７ａ、１７ｂ、１７ｃなどに流れる各電流値などを調整制御して、電子ビームＢの焦点深度の位置、すなわち焦点位置を制御し、当該焦点位置が前記描画位置となるように移動制御される。

あるいは、測定結果に基づき、制御回路１００は、ステージ駆動手段５０を制御することにより、前記電子ビームＢの焦点位置が前記描画位置となるようにＸＹＺステージ３０を移動させる。また、本例においては、電子ビームの制御、ＸＹＺステージ３０の制御のいずれか一方の制御によって行っても、双方を利用して行ってもよい。

（測定装置）
次に、測定装置８０について、図７〜図９を参照しつつ説明する。測定装置８０は、より詳細には、図７に示すように、第１のレーザー測長器８２、第１の受光部８４、第２のレーザー測長器８６、第２の受光部８８などを有する。

第１のレーザー測長器８２により電子ビームと交差する方向から基材２に対して第１の光ビームＳ１を照射し、基材２を透過する第１の光ビームＳ１の受光によって、第１の光強度分布が検出される。

この際に、図７に示すように、第１の光ビームＳ１は、基材２の底部２ｃにて反射されるため、第１の強度分布に基づき、基材２の平坦部２ｂ上の（高さ）位置が測定算出されることになる。しかし、この場合には、基材２の曲面部２ａ上の（高さ）位置を測定することができない。

そこで、本例においては、さらに第２のレーザー測長器８６を設けている。すなわち、第２のレーザー測長器８６によって、第１の光ビームＳ１と異なる電子ビームとほぼ直交する方向から基材２に対して第２の光ビームＳ２を照射し、基材２を透過する第２の光ビームＳ２が第２の受光部８８に含まれるピンホール８９を介して受光されることによって、第２の光強度分布が検出される。

この場合、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、第２の光ビームＳ２が曲面部２ａ上を透過することとなるので、前記第２の光強度分布に基づき、基材２の平坦部２ｂより突出する曲面部２ａ上の（高さ）位置を測定算出することができる。

具体的には、第２の光ビームＳ２がＸＹ基準座標系における曲面部２ａ上のある位置（ｘ、ｙ）の特定の高さを透過すると、この位置（ｘ、ｙ）において、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、第２の光ビームＳ２が曲面部２ａの曲面にて当たることにより散乱光ＳＳ１、ＳＳ２が生じ、この散乱光分の光強度が弱まることとなる。このようにして、図８に示すように、第２の受光部８８にて検出された第２の光強度分布に基づき、位置が測定算出される。

この算出の際には、図９に示すように、第２の受光部８８の信号出力Ｏｐは、図１０に示す特性図のような、基材の高さとの相関関係を有するので、制御回路１００のメモリ１６０などにこの特性、すなわち相関関係を示した相関テーブルを予め格納しておくことにより、第２の受光部８８での信号出力Ｏｐに基づき、基材の高さ位置を算出することができる。そして、この基材の高さ位置を、例えば描画位置として、前記電子ビームの焦点位置の調整が行われ描画が行われることとなる。

（描画位置算出の原理の概要）
次に、電子ビーム描画装置１における、描画を行う場合の原理の概要について、説明する。

先ず、基材２は、例えば、樹脂等による光学素子例えば対物レンズの成形用金型を形成するための母型の素材であり、断面略平板状の平坦部２ｂと、この平坦部２ｂより突出形成された曲面をなす曲面部２ａと、を含んで構成されている。この曲面部２ａの曲面は、球面に限らず、非球面などの他のあらゆる高さ方向に変化を有する自由曲面であってよい。

このような基材２において、予め基材２をＸＹＺステージ３０上に載置する前に、基材２上の複数例えば３個の基準点Ｐ００、Ｐ０１、Ｐ０２を決定してこの位置を測定しておく（第１の測定）。これによって、例えば、基準点Ｐ００とＰ０１によりＸ軸、基準点Ｐ００とＰ０２によりＹ軸が定義され、３次元座標系における第１の基準座標系が算出される。ここで、第１の基準座標系における高さ位置をＨｏ（ｘ、ｙ）（第１の高さ位置）とする。これによって、基材２の厚み分布（基材の３次元形状を示す座標データ）の算出を行うことができる。

一方、基材２をＸＹＺステージ３０上に載置した後も、同様の処理を行う。すなわち、図１１（Ａ）に示すように、基材２上の複数例えば３個の基準点Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１２を決定してこの位置を測定しておく（第２の測定）。これによって、例えば、基準点Ｐ１０とＰ１１によりＸ軸、基準点Ｐ１０とＰ１２によりＹ軸が定義され、３次元座標系における第２の基準座標系が算出される。

さらに、これらの基準点Ｐ００、Ｐ０１、Ｐ０２、Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１２により第１の基準座標系を第２の基準座標系に変換するための座標変換行列などを算出して、この座標変換行列を利用して、第２の基準座標系における前記Ｈｏ（ｘ、ｙ）に対応する高さ位置Ｈｐ（ｘ、ｙ）（第２の高さ位置）を算出して、この位置を最適フォーカス位置、すなわち描画位置として電子ビームの焦点位置が合わされるべき位置とすることとなる。これにより、上述の基材２の厚み分布の補正を行うことができる。なお、上述の第２の測定は、電子ビーム描画装置１の第１の測定手段である測定装置８０を用いて測定することができる。

そして、第１の測定は、予め別の場所において他の測定装置を用いて測定しおく必要がある。このような、基材２をＸＹＺステージ３０上に載置する前に予め基準点を測定するための測定装置としては、上述の測定装置８０と全く同様の構成の測定装置（第２の測定手段）を採用することができる。

この場合、測定装置からの測定結果は、例えば図６に示す測定情報入力部１５８にて入力されたり、制御回路１００と接続される不図示のネットワークを介してデータ転送されて、メモリ１６０などに格納されることとなる。もちろん、この測定装置が不要となる場合も考えられる。

上記のようにして、描画位置が算出されて、電子ビームの焦点位置が制御されて描画が行われることとなる。

具体的には、図１１（Ｃ）に示すように、電子ビームの焦点深度ＦＺ（ビームウエストＢＷ）の焦点位置を、３次元基準座標系における単位空間の１フィールド（ｍ＝１）内の描画位置に調整制御する（この制御は、上述したように、電子レンズ１６による電流値の調整もしくはＸＹＺステージ３０の駆動制御のいずれか一方又は双方によって行われる）。なお、電子ビームは図１２に示されるように深い焦点深度を有しており、電子レンズ１６により絞り込まれた電子ビームは、ほぼ一定の太さのビームウエストＢＷを形成する。ここで焦点深度ＦＺとは、この太さが一定のビームウエストの電子ビーム進行方向における長さをいう。なお前述の焦点位置はこのビームウエストの電子ビーム進行方向における中央位置を指している。また、電子ビームＢの場合、図１２に示すように、電子レンズ１６の幅Ｄ、電子レンズ１６よりビームウエスト（ビーム径の最も細い所）ＢＷまでの深さｆとすると、Ｄ／ｆは、０．０１程度であり、例えば５０ｎｍ程度の解像度を有し、焦点深度は例えば数十μ程度ある。

そして、図１１（Ｃ）に示すように、例えば１フィールド内をＹ方向にシフトしつつ順次Ｘ方向に走査することにより、１フィールド内の描画が行われることとなる。さらに、１フィールド内において、描画されていない領域があれば、当該領域についても、上述の焦点位置の制御を行いつつＺ方向に移動し、同様の走査による描画処理を行うこととなる。

次に、１フィールド内の描画が行われた後、他のフィールド、例えばｍ＝２のフィールド、ｍ＝３のフィールドにおいても、上述同様に、測定や描画位置の算出を行いつつ描画処理がリアルタイムで行われることとなる。このようにして、描画されるべき描画領域について全ての描画が終了すると、基材２の表面における描画処理が終了することとなる。

さらに、上述のような各種演算処理、測定処理、制御処理などの処理を行う処理プログラムは、プログラムメモリ１６２に予め制御プログラムとして格納されることとなる。

（ドーズ分布）
図１３は、上記電子ビーム描画装置の制御系の機能ブロック図である。同図に示すように、電子ビーム描画装置１のメモリ１６０には、形状記憶テーブル１６１を有し、この形状記憶テーブル１６１には、例えば基材２の曲面部２ａに回折格子を傾けて各ピッチ毎に形成する際の走査位置に対するドーズ量分布を予め定義したドーズ分布の特性などに関するドーズ分布情報１６１ａ、各ピッチ毎に表面反射防止用の凹凸を形成する際に、当該凹凸部分のドーズ量に関するドーズ分布情報１６１ｂ、ドーズ分布を補正演算したドーズ分布補正演算情報１６１ｃ、その他の情報１６１ｄなどが格納されている。なお、ドーズ分布補正演算情報１６１ｃとは、ドーズ量などを算出するためのもととなるテーブルないしは演算情報である。

また、プログラムメモリ１６２には、これらの処理を行う処理プログラム１６３ａ、前記ドーズ分布情報１６１ａ、１６１ｂやドーズ分布補正演算情報１６１ｃなどの情報をもとに、曲面部２ａ上の所定の傾斜角度におけるドーズ分布特性など演算により算出するためのドーズ分布演算プログラム１６３ｂ、その他の処理プログラム１６３ｃなどを有している。

このような構成を有する制御系において、ドーズ分布情報は予めメモリ１６０の形状記憶テーブル１６１などに格納され、処理プログラム１６３ａに基づいて、描画時に当該ドーズ分布情報を抽出し、そのドーズ分布情報によって種々の描画が行われることとなる。

あるいは、制御部１７０は、処理プログラム１６３ａにより所定の描画アルゴリズムを実行しつつ、ドーズ量を算出するルーチンに至ると、ドーズ分布演算プログラム１６３ｂを実行し、傾斜角度に応じたドーズ分布を算出するためのある程度の基本的情報、すなわち、ドーズ分布情報１６１ａ、１６１ｂ、ドーズ分布補正演算情報１６１ｃなど格納したテーブルを参照しつつ、対応するドーズ分布特性情報を算出したのち、この算出したドーズ分布特性情報を前記メモリ１６０の所定の一時記憶領域に格納し、そのドーズ分布特性情報を参照しつつドーズ量を算出して描画を行うといった手法であってもよい。

（制御系の具体的構成）
次に、前記円描画を正多角形で近似して直線的に走査する場合の各種処理を行なうための制御系の具体的構成について、図１４を参照しつつ説明する。図１４には、図６の電子ビーム描画装置の制御系の詳細な構成が開示されている。

電子ビーム描画装置の制御系３００は、図１４に示すように、例えば円描画時に正多角形（不定多角形を含む）に近似するのに必要な（円の半径に応じた）種々のデータ（例えば、ある一つの半径ｋｍｍの円について、その多角形による分割数ｎ、各辺の位置各点位置の座標情報並びにクロック数の倍数値、さらにはＺ方向の位置などの各円に応じた情報等）、さらには円描画に限らず種々の曲線を描画する際に直線近似するのに必要な種々のデータ、各種描画パターン（矩形、三角形、多角形、縦線、横線、斜線、円板、円周、三角周、円弧、扇形、楕円等）に関するデータを記憶する描画パターン記憶手段である描画パターンデータメモリ３０１と、を含んで構成される。

また、制御系３００は、前記描画パターンデータメモリ３０１の描画パターンデータに基づいて、描画条件の演算を行う描画条件演算手段３１０と、前記描画条件演算手段３１０から（２ｎ＋１）ライン（（ｎ＝０、１、２・・）である場合は（２ｎ＋１）であるが、（ｎ＝１、２、・・）である場合は（２ｎ−１）としてもよい）乃ち奇数ラインの描画条件を演算する（２ｎ＋１）ライン描画条件演算手段３１１と、（２ｎ＋１）ライン描画条件演算手段３１１に基づいて１ラインの時定数を設定する時定数設定回路３１２と、（２ｎ＋１）ライン描画条件演算手段３１１に基づいて１ラインの始点並びに終点の電圧を設定する始点／終点電圧設定回路３１３と、（２ｎ＋１）ライン描画条件演算手段３１１に基づいてカウンタ数を設定するカウンタ数設定回路３１４と、（２ｎ＋１）ライン描画条件演算手段３１１に基づいてイネーブル信号を生成するイネーブル信号生成回路３１５と、奇数ラインの偏向信号を出力するための偏向信号出力回路３２０と、を含んで構成されている。

さらに、制御系３００は、前記描画条件演算手段３１０から（２ｎ）ライン乃ち偶数ラインの描画条件を演算する（２ｎ）ライン描画条件演算手段３３１と、（２ｎ）ライン描画条件演算手段３３１に基づいて１ラインの時定数を設定する時定数設定回路３３２と、（２ｎ）ライン描画条件演算手段３３１に基づいて１ラインの始点並びに終点の電圧を設定する始点／終点電圧設定回路３３３と、（２ｎ）ライン描画条件演算手段３３１に基づいてカウンタ数を設定するカウンタ数設定回路３３４と、（２ｎ）ライン描画条件演算手段３３１に基づいてイネーブル信号を生成するイネーブル信号生成回路３３５と、偶数ラインの偏向信号を出力するための偏向信号出力回路３４０と、描画条件演算手段３１０に基づいて、次の等高線に移動するときなどにブランキングを行うブランキングアンプ３５０と、描画条件演算手段３１０での描画条件と、奇数ラインの偏向信号出力回路３２０並びに偶数ラインの偏向信号出力回路３４０からの情報とに基づいて、奇数ラインの処理と偶数ラインの処理とを切り換える切換回路３６０と、を含んで構成されている。

奇数ラインの偏向信号出力回路３２０は、走査クロックＣＬ１と、カウンタ数設定回路３１４からの奇数ラインカウント信号ＣＬ６と、イネーブル信号発生回路３１５のイネーブル信号とに基づいてカウント処理を行う計数手段であるカウンタ回路３２１と、カウンタ回路３２１からのカウントタイミングと、始点／終点電圧設定回路３１３での奇数ライン描画条件信号ＣＬ３とに基づいて、ＤＡ変換を行うＤＡ変換回路３２２と、このＤＡ変換回路３２２にて変換されたアナログ信号を平滑化する処理（偏向信号の高周波成分を除去する等の処理）を行う平滑化回路３２３と、を含んで構成される。

偶数ラインの偏向信号出力回路３４０は、走査クロックＣＬ１と、カウンタ数設定回路３３４からの偶数ラインカウント信号ＣＬ７と、イネーブル信号発生回路３３５のイネーブル信号とに基づいてカウント処理を行う計数手段であるカウンタ回路３４１と、カウンタ回路３４１からのカウントタイミングと、始点／終点電圧設定回路３３３での偶数ライン描画条件信号ＣＬ５とに基づいて、ＤＡ変換を行うＤＡ変換回路３４２と、このＤＡ変換回路３４２にて変換されたアナログ信号を平滑化する処理を行う平滑化回路３４３と、を含んで構成される。

なお、これらの制御系３００を構成する各部は、いずれも図６に示すＣＰＵ等の制御部１７０（制御手段）にて制御可能な構成としている。また、これら制御系３００は、Ｘ偏向用の制御系とＹ偏向用の制御系を各々形成する構成としてもよい。

また、描画パターンデータメモリ３０１と描画条件演算手段３１０などを含む制御系３００で、「演算手段」を構成できる。この「演算手段」は、走査される走査ライン上に、ＤＡ変換器の最小時間分解能の整数倍の時間に対応する距離に相当する少なくとも２点の各位置を演算する機能を有する。この場合、制御部１７０の「制御手段」は、前記演算手段にて演算された各位置間を前記電子ビームによりほぼ直線的に走査するように制御することとなる。また、同様にして、他の態様の「演算手段」では、略円状に走査される走査ライン上に、ＤＡ変換器の最小時間分解能の整数倍の時間に対応する距離を一辺とする多角形の各頂点位置を算出する機能を有する。また、制御手段は、演算手段にて演算された各位置間を前記電子ビームによりほぼ直線的に走査するのは同様である。

次に、本発明によるシリコン基板加工方法におけるドライエッチングについて実施例により更に具体的に説明する。

各実施例１〜３におけるエッチング装置名およびエッチングプロセス条件は次のとおりであった。

実施例１：
装置：株式会社アルバック
型式・装置名：CE300I ICPエッチング装置
プロセスガス：ＳＦ_６×５sccm、Ｏ_２×５sccm、ＨＢｒ×５sccm
ガス圧：０．６Ｐａ
高周波アンテナ出力：１１０Ｗ
バイアス出力：６Ｗ

実施例２：
装置：Surface Technology Systems, Inc.
装置名：STS Multiplex ICPエッチング装置
型式 ：STS MULTIPLEX-ICP
（1）ポリマー形成条件
プロセスガス：Ｃ_４Ｆ_８×８０sccm
ガス圧：１．３３Ｐａ
高周波アンテナ出力：４００Ｗ
（2）エッチング条件
プロセスガス：ＳＦ_６×５sccm、Ｏ_２×５sccm
ガス圧：０．６Ｐａ
高周波アンテナ出力：１５０Ｗ
バイアス出力：１０Ｗ

実施例３：
装置：株式会社アルバック
型式・装置名：CE300I ICPエッチング装置
（1）ポリマー形成条件
プロセスガス：Ｃ_４Ｆ_８×３０sccm
ガス圧：１．３３Ｐａ
高周波アンテナ出力：３００Ｗ
（2）エッチング条件
プロセスガス：ＳＦ_６×５sccm、Ｏ_２×５sccm
ガス圧：０．６Ｐａ
高周波アンテナ出力：１１０Ｗ
バイアス出力：６Ｗ

実施例１でシリコン基板に複数形成したエシュロン形状の走査型電子顕微鏡写真を図１５（ａ）、（ｂ）に示す。シリコン基板上に複数のエシュロン構造を精度よく形成できた。

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、本発明によるシリコン基板加工方法は、本実施の形態のようなエシュロン構造を形成するだけではなく、ブレーズ回折構造等の他の微細構造の形成に適用できることは勿論である。

また、シリコン基板加工方法におけるドライエッチングの終点をレジストマスクの完全な消失を基準にして判断したが、本発明はこれに限定されずに、レジストマスクの消失の程度に基づいて判断でき、例えば、部分的なレジストマスクの消失を基準にしてもよい。

本実施の形態によるシリコン基板加工方法を説明するためのフローチャートである。 図１のシリコン基板加工方法によりシリコン基板に形成されるエシュロン回折構造の一部を示す断面図である。 図１のシリコン基板加工方法のドライエッチングを行うＩＣＰ（誘導結合プラズマ）装置を概略的に示す図である。 図１のシリコン基板加工方法により、シリコン基板上に形成したレジストからシリコン基板にエシュロン回折構造を形成する工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を模式的に示す側面図である。 図３のＩＣＰ装置におけるバイアス電力と選択比の関係の一例を示すグラフである。 図１のシリコン基板加工法における電子ビーム描画方法を実行可能な電子ビーム描画装置の全体の概略構成を示す説明図である。 図６の測定装置の原理を説明するための説明図である。 図８図（Ａ）〜（Ｃ）は、図７の測定装置で基材の面高さを測定する手法を説明するための説明図である。 図７の測定装置の投光と受光との関係を示す説明図である。 図７において信号出力と基材の高さとの関係を示す特性図である。 図１１図（Ａ）（Ｂ）は、図６の電子ビーム描画装置にて描画される基材を示す説明図であり、同図（Ｃ）は、描画原理を説明するための説明図である。 図６の電子ビーム描画装置におけるビームウエストを説明するための説明図である。 図６の電子ビーム描画装置において、所定のドーズ分布にて描画を行うための制御系の詳細を示す機能ブロック図である。 図６の電子ビーム描画装置のさらに詳細な制御系の構成を示す機能ブロック図である。 図１５（ａ）、（ｂ）は実施例１でシリコン基板に複数形成したエシュロン形状の走査型電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１ 電子ビーム描画装置
２００ ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）装置
２１０ シリコン基板
２１０ａ 表面
２１１ 真空プラズマチャンバ
２１２ プラズマ生成用高周波電源
２１２ 高周波電源
２１３，２１４ 高周波電極
２１５ 基板ホルダ
２１６ バイアス高周波電源
２２０ シリコン基板
２２０ レジストパターン
２２１ エシュロン回折構造部

Claims (15)

1. シリコン基板上にレジストを塗布する工程と、
   前記レジストを三次元形状に形成する工程と、
   前記レジストをマスクとしてドライエッチングにより前記シリコン基板を加工し前記シリコン基板の表面に三次元形状を形成する工程と、を含み、
   前記ドライエッチングの終点を前記レジストマスクの消失の程度に基づいて決めることを特徴とするシリコン基板加工方法。
2. 前記レジストの三次元形状の形成工程を電子ビーム描画・現像法によって行う請求項１に記載のシリコン基板加工方法。
3. 前記ドライエッチングの終点を決める際に前記レジストマスクが全てなくなることを基準とする請求項１または２に記載のシリコン基板加工方法。
4. 前記ドライエッチングにおいてＦ系ガスまたはＦ系ガスと酸素の混合ガスを用い、
   前記レジストマスクがなくなってから前記ドライエッチングを更に行うことで前記シリコン基板の表面をフッ素化する請求項３に記載のシリコン基板加工方法。
5. 異方性ドライエッチングにより前記ドライエッチングを行い、前記シリコン基板に形成される三次元形状のパターン高さの微調整は前記レジストマスクと前記シリコン基板との選択比を制御することで行われる請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシリコン基板加工方法。
6. 前記ドライエッチングをプラズマエッチングで行う際のプラズマ中の電子温度は６〜１５ｅＶの範囲内であり、プラズマ密度は１０^８〜１０^１１ｃｍ^−３の範囲内であり、ガス封入圧力は１Ｐａ未満である請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシリコン基板加工方法。
7. 前記ドライエッチングは誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用い、前記選択比の最終的な微調整は、前記シリコン基板に印加する高周波電圧またはバイアス電圧のみを調整することで行う請求項５に記載のシリコン基板加工方法。
8. 前記シリコン基板に形成される三次元形状の側壁保護のために前記ドライエッチングのときＨＢｒとＯ_２を添加する請求項４乃至７のいずれか１項に記載のシリコン基板加工方法。
9. 側壁保護効果を有する成膜プロセスと前記ドライエッチングとを交互に行う請求項４乃至７のいずれか１項に記載のシリコン基板加工方法。
10. 前記ドライエッチングで寸法及び特徴が異なる形状を同一のシリコン基板上に同時に加工する請求項４乃至９のいずれか１項に記載のシリコン基板加工方法。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のシリコン基板加工方法により加工されたシリコン基板から構成された光学素子用金型母型。
12. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のシリコン基板加工方法により加工されたシリコン基板から構成された光学素子用金型。
13. 請求項１１に記載の光学素子用金型母型を用いて加工された光学素子用金型。
14. 請求項１２または１３に記載の金型を用いて加工された光学素子。
15. 請求項１２または１３に記載の金型を用いて加工された光通信波長帯域用エシェロン構造型の回折格子。