JP4568445B2 - ドライエッチング法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路やバイオMEMS等に使用されるガラス基板の微細加工に用いられ得るドライエッチング法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体微細加工技術を光導波路やバイオMEMS(Micro Electro Mechanical System)等の製作への応用が注目されている。
光導波路は、通常、石英系ガラス基板に深さ5μm〜50μm、幅5μm〜15μm程度に形成され、光ファイバ通信の構成要素として例えば光合成・分波器に応用されている。
バイオMEMSは、石英系ガラス基板に深さ10μm〜20μm、幅数μm〜10μm程度のマイクロキャピラリーを形成し、患者の微量血液からその患者の健康状態を評価するのに用いられる測定・分析機器の構成要素として応用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体プロセスでは、エッチングする深さは深くても1μm程度であるが、光導波路やバイオMEMSでは、深さ20μm以上のエッチングが行われる。1μm程度の深さのエッチングでは観察されなかった異常穴形状がガラス基板の表面に生じることがわかった。
【0004】
添付図面の図1には、石英基板1にCrマスク2を被せて深さ2〜3μmエッチングした場合と深さ10〜20μmエッチングした場合とを模式図で示す。この図からわかるように深くエッチングすると表面に穴3が形成される。実際には、2〜5μmの深さまでのエッチングではさほど困難ではないが、それ以上の深さになると凹凸がでてくる。
【0005】
このような基板の被エッチング部位の表面における異常形状の穴は、光導波路では壁面の平滑性が阻害され、光の散乱を生じさせることになり、一方、バイオMEMSでは、例えば試料液中のリンパ球を電気泳動で分離する際に流路に乱れを生じさせことになり、いずれも問題となっている。
【0006】
このような異常形状の穴の形成について考察すると、図2に示すように、石英基板1上にμm台のマスク2をもうけて深堀エッチングをする場合に、エッチングの初期段階は図2のA、B、Cに示すように進み、次第にμm台のマスク2は後退して行き、すなわちマスクパターンの肩部デーパーをもつファセットが生じる。そしてエッチング中にパターン側面で反射されたイオンや電子による負電荷が溜まることなどにより図2のDで示すようにパターン周辺に溝(トレンチ)4が形成される。そして図2のEに示すようにファセット角度を保ちながらエッチングは横方向に進み、逆マイクロローディングによる切れ込み5が発生し、そしてついには図2のFに示すように穴6が形成されることがわかった。
【0007】
本発明者等はこのような穴の形成されるメカニズムを解明するため磁気中性線放電(NLD)プラズマを利用したエッチング法を用いて石英基板のエッチングプロセスにおける種々のファクタに関して実験研究を重ねてきた。
【0008】
図3には、磁気中性線放電(NLD)プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を800Wとし、ガスはC3F8/CF4を使用し、基板電極に印加するバイアス電圧(Vdc)を−500Vとし、ガスの流量をC3F8/CF4=30/90sccmとして、エッチングチャンバー内の圧力を1.5mTorr、2.0mTorr、3.0mTorrと変えた場合の穴の形成の圧力依存性について示す。この図から圧力を変えても穴の形成には直接関係ないことが分かる。
【0009】
図4には、磁気中性線放電(NLD)プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を800Wとし、ガスはC3F8/CF4を使用し、基板電極に印加するバイアス電圧(Vdc)を−310Vとし、ガスの流量をC3F8/CF4=30/90sccmとし、エッチングチャンバー内の圧力を3.0mTorrとして、エッチング深さを変えた場合の穴の形成状態を示す。エッチング深さが8.4μmから9.1μmと深くなると、穴径が拡大していることが認められる。穴の生成とエッチング深さとの関係の測定結果を図5のグラフに示す。
【0010】
図6には、磁気中性線放電(NLD)プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を800Wとし、ガスはC3F8/CF4を使用し、基板電極に印加するバイアス電圧(Vdc)を−500Vとし、ガスの流量をC3F8/CF4=30/90sccmとし、エッチングを30分連続して行った場合と3分エッチングしたら30秒休止を繰り返して総時間30分間欠エッチングした場合の穴の生成状態を示す。
【0011】
図7には、磁気中性線放電(NLD)プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を800Wとし、ガスはC3F8/CF4を使用し、ガスの流量をC3F8/CF4=30/90sccmとし、エッチングチャンバー内の圧力を3.0mTorrとして、基板電極に印加するバイアス電圧(Vdc)を変えた場合の穴の形成状態を示す。バイアス電圧(Vdc)が−310Vの場合に比べて−500V、−940Vと高くなるにつれて穴の生成が少なくなっていることが分かる。
【0012】
図8には、ガスの総流量を一定にし、CF4の濃度を0%から100%まで変化させて穴の発生個数を測定した結果を平均値で示している。また、図9にはエッチング形状のCF4ガス濃度依存性を示す。
【0013】
図10及び図11には、石英基板に対するエッチング時間を変えて種々の段差をもつ試料を用意し、それら試料に対して厚さ0.2μmのCrマスクの大きさ(幅)を変えて40分間エッチングした時のエッチング結果を示す。段差部の高さが55nmではCrマスクの大きさ(幅)0.11μm〜4.00μmの全てについて平坦にエッチングされているが、段差部の高さが167nm、333nmになると、平坦にエッチングされずに、底が平坦な凹みになり、しかもCrマスクの大きさ(幅)が大きくなると、凹形状の底に三角錐が残り、さらに段差部の高さが1000nm以上になると、中心に針状に残ったり穴の形状になることが分かった。
【0014】
これらの実験結果から、エッチング特性の高周波自己バイアス電圧(Vdc)が異常穴の形成に大きく関係しており、初期エッチングを工夫することにより異常穴が形成されないことを見出した。また化学的に活性なガスの総流量に対するフッ化炭素系ガスの濃度を設定することによりエッチングの選択比を制御でき垂直形状を改善できることを見出した。
【0015】
そこで、本発明は、初期エッチングにおける高周波自己バイアス電圧(Vdc)を制御することにより異常形状の穴の形成を防止できるプラズマエッチング法を提供することを目的としている。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、フッ化炭素ガスを減圧下での放電によりプラズマ状態にし、発生したイオンや中性ラジカル等の活性種とガラス基板材料との反応により基板をエッチングする方法において、
エッチング初期に−500Vから−940Vの範囲の第1のバイアス電圧を基板に印加し、その後に前記第1のバイアス電圧より低いバイアス電圧を、基板への第1のバイアス電圧の印加時間より長い時間印加することを特徴としている。
【0017】
本発明によるプラズマエッチング法においては、好ましくは、フッ化炭素ガス1(例えば、C3F8)に別のフッ化炭素系ガス2(例えば、CF4)が添加され得る。この場合、エッチング特性の選択比を最大にして垂直形状を改善するために、フッ化炭素ガス1に添加するフッ化炭素系ガス2の濃度は69%以上され得る。
【0018】
また、好ましくはフッ化炭素ガスの流量は逆マイクロローディングを抑えるように制御され得る。
【0019】
本発明によるプラズマエッチング法の別の特徴においては、エッチングに先立って、基板を希ガスでスパッタリングすることにより、 基板表面の異物や変質層が除去される。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面の図12及び図13を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【0021】
図12には本発明の一つの実施の形態に従って石英基板をエッチングした場合の基板の表面状態を示す。この実施の形態においては、磁気中性線放電(NLD)プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を800Wとし、ガスはC3F8/CF4を使用し、ガスの流量はC3F8/CF4=30/90sccmとし、エッチングチャンバー内の圧力を2.0mTorrとした。基板電極に印加するバイアス電圧(Vdc)はエッチング初期の2分間−850Vに設定し、その後28分間−500Vに設定した。その結果、エッチングは穴の発生を伴うことなく行うことができ、被エッチング部位の表面は平滑であった。
【0022】
図13には本発明の別の実施の形態に従って石英基板をエッチングした場合の基板の表面状態を示す。この実施の形態においては、図11に示す実施の形態の場合と同様に磁気中性線放電(NLD)プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を800Wとし、ガスはC3F8/CF4を使用し、ガスの流量はC3F8/CF4=30/90sccmとした。エッチングチャンバー内の圧力は20.0mTorrとし、基板電極に印加するバイアス電圧(Vdc)はエッチング初期の2分間−900Vに設定し、その後30分間−500Vに設定した。その結果、この場合もエッチングは穴の発生を伴うことなく行うことができ、被エッチング部位の表面は平滑であった。
【0023】
また、基板表面における穴の生成は、実験の結果基板表面に付着している異物や変質層の存在も関係していると認められたので、エッチング前に、基板をAr、Heなどの基板を希ガスでスパッタリングするという前処理を施すのが有効である。
【0024】
また、パターン幅とエッチング速度との関係において逆ローディングが大きいと、基板表面における穴の生成につながると認められるので、逆ローディングを抑えるために、ガスの流量を絞り、圧力を上げるなどのエッチング条件を制御するのも有効である。
【0025】
ところで、図示実施例では石英基板をエッチングする場合について説明してきたが、当然他のガラス系基板にも適用できる。また、本発明の方法を実施するのに磁気中性線放電プラズマを利用した例を説明してきたが、本発明は他のドライエッチング技術を用いても実施可能である。
【0026】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、フッ化炭素ガスを低圧下での放電によりプラズマ状態にし、発生したイオンや中性ラジカル等の活性種とガラス基板材料との反応により基板をエッチングする方法において、 エッチング初期に−500V〜−900Vの高バイアス電圧を基板に印加することにより、深さ20μm以上のエッチングを行う場合でも、基板表面に穴を生成することなく、平滑にエッチングを行うことができる。その結果、壁面の平滑性が要求される光導波路やバイオMEMS等に使用されるガラス基板の微細加工に十分対応できる有用な方法を提供することができる。
【0027】
また、2種類のフッ化炭素ガス1とフッ化炭素ガス2(例えば、C3F8とCF4)を混合することによりエッチングの高い選択比か得られ、特にフッ化炭素系ガス2の濃度を69%以上にした場合には垂直形状のエッチングが得られる。
【0028】
さらに、本発明の別の特徴に従って、基板のエッチングに先立って基板を希ガスでスパッタリングして、基板表面の異物や変質層を除去することにより、基板表面における穴の生成要因の一つを削除できるので、より確実に穴の生成なしに深さ20μm以上のエッチングを行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】石英基板に対するエッチング深さによる穴の生成の有無を示す模式図。
【図2】石英基板の深堀エッチングにおける異常形態の穴の生成メカニズムを説明する図。
【図3】石英基板の深堀エッチングにおける異常形態の穴の生成の圧力依存性を示す図。
【図4】石英基板のエッチングにおける異常形態の穴の生成状態を示すの圧力依存性を示す図。
【図5】穴の生成とエッチング深さとの関係の測定結果を示すグラフ。
【図6】石英基板のを連続エッチングした場合と間欠エッチングした場合の穴の生成状態を示す図。
【図7】石英基板の深堀エッチングにおける異常形態の穴の生成数とバイアス電圧依存性を示すグラフ。
【図8】石英基板の深堀エッチングにおける異常形態の穴の生成数のCF4の濃度依存性を示すグラフ。
【図9】エッチング形状のCF4ガス濃度依存性を示すグラフ。
【図10】石英基板に対する段差とエッチング形状との関係を示す表。
【図11】図10の種々の測定結果を示す図。
【図12】本発明の一つの実施の形態に従って石英基板をエッチングした場合の基板の表面状態を示す図。
【図13】本発明の別の実施の形態に従って石英基板をエッチングした場合の基板の表面状態を示す図。
Claims (8)
- フッ化炭素ガスを減圧下での放電によりプラズマ状態にし、発生したイオンや中性ラジカル等の活性種とガラス基板材料との反応により基板をエッチングする方法において、
エッチング初期に−500Vから−940Vの範囲の第1のバイアス電圧を基板に印加し、その後に前記第1のバイアス電圧より低いバイアス電圧を、基板への第1のバイアス電圧の印加時間より長い時間印加することを特徴とするプラズマエッチング法。 - 前記第1のバイアス電圧が−850Vから−900Vであることを特徴とする請求項1に記載のプラズマエッチング法。
- 前記第1のバイアス電圧より低い前記バイアス電圧が−500Vであることを特徴とする請求項1に記載のプラズマエッチング法。
- 上記フッ化炭素ガスが2種類以上のフッ化炭素ガスを混合して用いることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のプラズマエッチング法。
- フッ化炭素ガス1に添加するフッ化炭素系ガス2の濃度を69%以上にすることを特徴とする請求項4に記載のプラズマエッチング法。
- 逆マイクロローディングを抑えるようにフッ化炭素ガスの流量を制御することを特徴とする請求項1に記載のプラズマエッチング法。
- フッ化炭素ガスを低圧下での放電によりプラズマ状態にし、発生したイオンや中性ラジカル等の活性種とガラス基板材料との反応により基板をエッチングする方法において、
基板を希ガスでスパッタリングして、基板表面の異物や変質層を除去し、
エッチング初期に−500Vから−940Vの範囲の第1のバイアス電圧を基板に印加し、その後に前記第1のバイアス電圧より低いバイアス電圧を、基板への第1のバイアス電圧の印加時間より長い時間印加することを特徴とするプラズマエッチング法。 - 上記フッ化炭素ガスが2種類以上のフッ化炭素ガスを混合することを特徴とする請求項7に記載のプラズマエッチング法。
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