JP5100840B2 - プラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置及びフォトニック結晶製造方法 - Google Patents
プラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置及びフォトニック結晶製造方法 Download PDFInfo
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Description
基体を高アスペクト比でエッチングするためのプラズマエッチング方法であって、
該基体の表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有する電界制御体を、該基体の表面に配置し、
該電界制御体を配置した基体表面に該プラズマを生成し、
該プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、
該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる
ことにより該基体を高アスペクト比でエッチングすることを特徴とする。
フォトニック結晶の製造の際あるいは半導体デバイスの微細加工の際には、通常、数μm又はそれ以下(マイクロメートルオーダー又はそれ以下)の径の孔を持つマスクを使用する。このようなマスクの孔は、仮に基体表面の法線に対して傾斜した方向に形成したとしても、以下の理由により、電界制御体のイオン導入孔と同様に作用することはない。通常のプラズマ生成装置でプラズマを生成すると、プラズマ密度や自己バイアス電圧の大きさに応じて、前述のマスクの径よりも大きい約10μm〜10mmの厚みを持つイオンシースが基体の表面付近に形成される。このようにマスクの孔よりもイオンシースの厚みの方が大きいと、等電位面はマスクの孔の中にほとんど引き込まれない。そのため、イオンは電界による孔に平行な(基体表面の法線に対して傾斜した)方向の力をほとんど受けず、イオン軌道の方向が孔の傾斜方向から大きくずれてしまう。そのため、マスクの孔とは別に、それよりも大きい(例えばミリメートルオーダーの)径を持つイオン導入孔を備えた電界制御体を用いる必要がある。
該基体の表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有し、前記基体の表面に配置された電界制御体と、
該電界制御体を配置した基体表面に該プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
該プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる電位差形成手段と、
を備えることを特徴とする。
基体を高アスペクト比でエッチングするためのプラズマエッチングによるフォトニック結晶製造方法であって、
誘電体から成る該基体の表面の一部である孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置し、
前記基体表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有する電界制御体を、前記基体側の該イオン導入孔の開口を前記孔形成領域の位置に合わせて配置し、
前記電界制御体を配置した基体の表面に該プラズマを生成し、
前記プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、
該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる
ことにより該基体を前記所定のパターンで高アスペクト比のエッチングを行う工程を有することを特徴とする。
a)1回目のエッチングにおいて、
a-1) 複数の帯状の領域に分けた帯状領域のうち4n番目(nは整数)の帯状領域に孔が周期a1で形成されると共に、(4n+2)番目の帯状領域に孔が周期a1であって帯の長手方向にa1/2だけずれた位置に形成されたマスクを用い、
a-2) 前記イオン導入孔が前記基体表面の法線に対して帯状領域が延びる方向に第1の角度で傾斜するように前記電界制御体が配置され、
b) 2回目のエッチングにおいて、
b-1) 前記帯状領域のうち(4n+1)番目の帯状領域に孔が周期a1で形成されると共に、(4n+3)番目の帯状領域に孔が周期a1であって帯の長手方向にa1/2だけずれた位置に形成されたマスクを用い、
b-2) 前記イオン導入孔が前記基体表面の法線に対して帯状領域が延びる方向に、前記第1角度とは異なる第2の角度で傾斜するように前記電界制御体が配置される。
図1〜図9を用いて、本発明に係るプラズマエッチング方法の実施形態を説明する。図1は、本発明に係るプラズマエッチング方法を用いて基体Sに対して斜めエッチングを行う際の電界制御体11の形状及び配置の一例を縦断面図で示したものである。電界制御体11は、基体S上にマスク14を介して配置されており、基体Sの表面の法線に対して角度θだけ傾斜したイオン導入孔12が貫通している。電界制御体11の表面(上面)13は、イオン導入孔12の上側開口の位置においてイオン導入孔12に対して垂直に形成されている。マスク14には、イオン導入孔12の下側開口の直下の位置に、基体Sをエッチングする形状に応じた孔(図示せず)が多数設けられている。
図10〜図19を用いて、本発明に係るプラズマエッチング方法を用いたフォトニック結晶製造方法の実施形態を説明する。
図10(a)に、本発明に係る方法で作製されるフォトニック結晶の一例であるウッドパイル型3次元フォトニック結晶40の斜視図を示す。ウッドパイル型3次元フォトニック結晶40はSiやGaAs等の誘電体から成るロッド41が周期aで略平行に並んだストライプ層42を有し、ストライプ層42が積層した構造をとっている。ストライプ層42は4層周期で同じ構造になるように積層しており、互いに次隣接である4n番目(nは整数、以下同様)のストライプ層421のロッド41と(4n+2)番目のストライプ層423のロッド41は略平行且つ1/2周期ずつずれるように並んでいる。(4n+1)番目のストライプ層422のロッド41と(4n+3)番目のストライプ層424のロッド41の関係も同様である。そして、最隣接のストライプ層42同士では、ロッド41は略直交するように配置されている。なお、その交差角が90°から多少ずれたとしても、その積層体は、フォトニックバンドギャップが形成されフォトニック結晶として機能する。
図16に、本実施形態のフォトニック結晶製造方法により作製される3方向傾斜孔を有する2次元フォトニック結晶の一例を示す。3方向傾斜孔2次元フォトニック結晶50は、誘電体から成る板状の基体Sに、この基体Sに平行な断面において円形である空孔52が周期的に形成されたものである(a)。空孔52は、基体Sの表面531においては三角格子541の格子点521上に配置されており、基体Sの裏面532においては、三角格子541の格子点により形成される三角形の重心の直下にある、三角格子542の格子点522上に配置されている(b)。全ての格子点521から同様に、それに最隣接の3個の格子点522に向かってそれぞれ1個ずつ、基体Sに対して傾斜して延びる斜円柱状の第1空孔柱52A、第2空孔柱52B及び第3空孔柱52Cが形成されている。図16(b)及び(c)に、第1空孔柱52A、第2空孔柱52B及び第3空孔柱52Cが延びる方向を矢印で示した。これら矢印の表面531への射影は、第1空孔柱52A、第2空孔柱52B及び第3空孔柱52Cの間で120°ずつ異なる方向を向いている。
(2-2-1) 第1の方法
第1の方法では、基体表面の法線に対して傾斜した1本のイオン導入孔561が延びている電界制御体56(図17(a-2))を用いる。イオン導入孔561の角度は、プラズマエッチングにより基体Sが第1空孔柱52Aの延びる方向にエッチングされるように、予備実験により求めておく。まず、三角格子状に孔551が設けられたマスク55を基体S上に形成する。次に、形成しようとする第1空孔柱52Aの延びる方向とイオン導入孔561の延びる方向が一致するように、マスク55の上に電界制御体56を配置する(図17(a-1))。その後、電界制御体56の上にプラズマを生成し、プラズマと基体Sの間に電位差を形成することにより、基体Sをエッチングする。これにより、マスク55の各孔561から同じ方向に延びる第1空孔柱52Aが形成される。次に、基体S表面の法線を軸として電界制御体56を120°回転し(図17(b))、基体Sをエッチングする。これにより、第2空孔柱52Bが形成される。同様に、電界制御体56を更に120°回転し(図17(c))、基体Sをエッチングすることにより、第3空孔柱52Cが形成される。以上により、3方向傾斜孔2次元フォトニック結晶50を製造することができる。
第2の方法では、上述の電界制御体21と同様に、基体S側の開口から異なる方向に3本の孔(第1孔58A、第2孔58B及び第3孔58C)が延びているイオン導入孔58を有する電界制御体57を用いる(図18)。イオン導入孔のこれら3本の孔が延びる方向は、第1空孔柱52A、第2空孔柱52B及び第3空孔柱52Cが延びる方向に合わせる。本方法では、一部の領域(孔形成領域)552に三角格子状に孔551が設けられたマスク55を基体S上に形成した後、イオン導入孔58の基体S側の開口581を孔形成領域552の位置に合わせるように、電界制御体57をマスク55の上に配置する。その後、電界制御体57の上にプラズマを生成し、プラズマと基体Sの間に電位差を形成することにより、基体Sをエッチングする。この時、イオンは第1孔58Aを通って第1空孔柱52Aの延びる方向に、第2孔58Bを通って第2空孔柱52Bの延びる方向に、第3孔58Cを通って第3空孔柱52Cの延びる方向に、それぞれ基体Sの表面に入射するため、第1空孔柱52A、第2空孔柱52B及び第3空孔柱52Cが同時に形成される。従って、1回の操作だけで、3方向傾斜孔2次元フォトニック結晶50を製造することができる。
図19に、ヤブロノバイト型3次元フォトニック結晶の一例を示す。ヤブロノバイト型3次元フォトニック結晶60は、基体Sの上面に設けられた三角格子状の開口61から、基体S上面の法線に対して35°の角度で3方向に延びる孔62を形成したものである。3方向の孔62は互いに120°の角度を成す。図19には、3方向の孔62が延びる方向を太線で示した。これら3方向の孔62が基体Sの下方に延びることにより、3次元状の周期構造が形成される。
12、12A、12B、22、32A、32B、32C、48、561、58、73、73A…イオン導入孔
121…電界制御体の上面側
122…電界制御体の基体側
13…電界制御体の表面
14…マスク
141…パターン形成領域
15、15A、15PA、15PB…等電位面
151、151A…イオン導入孔付近の等電位面
152A…等電位面の接線
16、16PA、16PB…イオンの軌道
221…イオン導入孔の基体側開口
22A、58A…第1孔
22B、58B…第2孔
22C、58C…第3孔
40…ウッドパイル型3次元フォトニック結晶
41…ロッド
42…ストライプ層
421…第1のストライプ層
422…第2のストライプ層
423…第3のストライプ層
424…第4のストライプ層
43…断面
44…空隙
451…第1マスク
452…第2マスク
461…第1マスクの孔
462…第2マスクの孔
50…3方向傾斜孔2次元フォトニック結晶
52…空孔
521、522…格子点
52A…第1空孔柱
52B…第2空孔柱
52C…第3空孔柱
531…基体Sの表面
532…基体Sの裏面
541、542…三角格子
55…マスク
551…マスクの孔
552…孔形成領域
581…開口
60…ヤブロノバイト型3次元フォトニック結晶
711、711A…第1枠体
712、712A…第2枠体
72、72A…羽根板
74…レール
Claims (15)
- 基体を高アスペクト比でエッチングするためのプラズマエッチング方法であって、
該基体の表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有する電界制御体を、該基体の表面に配置し、
該電界制御体を配置した基体表面に該プラズマを生成し、
該プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、
該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる
ことにより該基体を高アスペクト比でエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。 - 前記イオン導入孔が前記電界制御体の表面に対して垂直に延びてい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方法。
- 前記イオン導入孔の断面が前記電界制御体の表面においてよりも内部においての方が小さいことを特徴とする1又は2に記載のプラズマエッチング方法。
- 前記イオン導入孔が、基体側に設けられた1個の開口から異なる方向に複数本延びていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
- 前記電位差の形成中に前記電界制御体を前記基体表面に沿って移動させることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
- 前記電界制御体が前記イオン導入孔を複数備えることを特徴とする請求項5に記載のプラズマエッチング方法。
- 前記基体表面と前記電界制御体の間に隙間を設けることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
- 前記イオン導入孔の前記基体側の開口に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
- 前記電界制御体における前記傾斜方向が可変であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
- 前記電界制御体における前記イオン導入孔の開口面積が可変であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
- 基体を高アスペクト比でエッチングするためのプラズマエッチング装置であって、
該基体の表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有し、前記基体の表面に配置された電界制御体と、
該電界制御体を配置した基体表面に該プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
該プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる電位差形成手段と、
を備えることを特徴とするプラズマエッチング装置。 - 基体を高アスペクト比でエッチングするためのプラズマエッチングによるフォトニック結晶製造方法であって、
誘電体から成る該基体の表面の一部である孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置し、
前記基体表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有する電界制御体を、前記基体側の該イオン導入孔の開口を前記孔形成領域の位置に合わせて配置し、
前記電界制御体を配置した基体の表面に該プラズマを生成し、
前記プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、
該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる
ことにより該基体を前記所定のパターンで高アスペクト比のエッチングを行う工程を有することを特徴とするフォトニック結晶製造方法。 - 前記エッチングを複数回、各回毎に前記電界制御体の向きを変えて行うことを特徴とする請求項12に記載のフォトニック結晶製造方法。
- a)1回目のエッチングにおいて、
a-1) 複数の帯状の領域に分けた帯状領域のうち4n番目(nは整数)の帯状領域に孔が周期a1で形成されると共に、(4n+2)番目の帯状領域に孔が周期a1であって帯の長手方向にa1/2だけずれた位置に形成されたマスクを用い、
a-2) 前記イオン導入孔が前記基体表面の法線に対して帯状領域が延びる方向に第1の角度で傾斜するように前記電界制御体が配置され、
b) 2回目のエッチングにおいて、
b-1) 前記帯状領域のうち(4n+1)番目の帯状領域に孔が周期a1で形成されると共に、(4n+3)番目の帯状領域に孔が周期a1であって帯の長手方向にa1/2だけずれた位置に形成されたマスクを用い、
b-2) 前記イオン導入孔が前記基体表面の法線に対して帯状領域が延びる方向に、前記第1角度とは異なる第2の角度で傾斜するように前記電界制御体が配置される、
ことを特徴とする請求項13に記載のフォトニック結晶製造方法。 - 前記イオン導入孔が前記基体表面側に設けられた1個の開口から異なる3方向に延びていることを特徴とする請求項12に記載のフォトニック結晶製造方法。
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