JP2001501573A - シリカ構造体の反応性イオンエッチング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、フォトレジストマスクを通し、ＣＨＦ₃／ＡＲ混合ガスのエッチングを使用した、反応性イオンエッチング装置(１０)による、シリカベースの層又は基板のエッチングのための方法に関する。反応性イオンエッチングは、ポリマー蒸着速度が、ＲＦパワー、サンプル温度、Ｏ₂とＣＦ₄の添加というプロセスコントロールパラメーターを調節することによってコントロールされる、炭素ベースのポリマーの同時の等方性蒸着という条件下で行われる。

Description

【発明の詳細な説明】 シリカ構造体の反応性イオンエッチング 技術分野 本発明は、シリカ構造体の製造、特にかかる構造体の反応性イオンエッチング に関する。 発明の背景 シリコン又はシリカウェーハ基板上に組み立てられたシリカベースのチャネル 導波管は、遠隔通話システムのために重要性が増加してきたプレーナー光波回路 （ＰＬＣｓ）の可能性のある構築用ブロック(building blocks)である。シリカ 導波管層の蒸着に使用されてきた多数の薄膜技術(火炎加水分解法、化学的蒸着 法(ＣＶＤ)、及びプラズマ強化化学的蒸着法(ＰＥＣＶＤ))があるが、ほとんど 全ての報告された導波管組み立て設計はプレーナー導波管（コア）の外形の輪郭 を描くために反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用していた。ＲＩＥはまた 、集積光学系(integrated optics)及び平板導波管の組み立てにおいて、特に光 回転鏡(light turning mirrors)のエッチングのために普通に使われている。そ れは更にその他の微小電子機械装置（ＭＥＭＳ）の作成において使用が見られる 。 集積回路（ＩＣ）の製造においてシリカガラスのＲＩＥは、十分に完成した、 ルーチンのプロセスであり、例えばＣＨＦ₃ベースの混合物がフォトレジストに 対して高い選択性を得るために使用される。基本的に類似するが、平板導波管に 使用するシリカフィルムは適切なＲＩＥプロセスの開発に影響するいくつかの独 特の相違点を有する。第一に、導波管のシリカの厚さは、ＩＣ技術では典型的に は１μｍ以下であるのに対して、５から１０μｍの厚さであることができる。こ れは、マスク厚さ及び／又は材料の選択性のみならず妥当な加工量（スループッ ト）を得るために十分高くあるべきであるシリカのエッチング速度にも余分の条 件が必要となる。フォトレジスト、アモロファスシリコン（ａ−Ｓｉ）及びクロ ムのような導波管エッチングのための異なったマスキング材料が報告された。一 般的に、非フォトレジストマスクの使用は、より大きいエッチングの深さとシリ カのエッチング速度を可能にする。 導波管構造又は光回転鏡のエッチングされた壁の粗さは、理想的には光散乱に よるロスを減少するために出来る限り小さくすべきである。フォトレジストマス クでのエッチングで側壁の粗さを減らすための多数の研究が報告されてきた。し カル、これらのケースでは、ＳｉＯ₂層のエッチング深さは、ほぼ１μｍに限ら れていた。エッチング断面(etched profile)のコントロールもまた重要であり、 クラッデイング蒸着の期間中に近接して離れた導波管の間の隙間を埋めるために 、エッチング断面におけるある傾斜が時々望ましいものとなる。断面の傾斜は通 常はフォトレジストマスクの腐食のコントロールによって達成される。導波管の 組み立てのためのシリカのＲＩＥに関する異なった観点での多数の出版された研 究にもかかわらず、腐食速度、側壁の粗さ、断面の傾斜、及びこれらの間の関係 のような全ての関連するパラメーターの効果に関しては不明瞭である。 発明の要約 本発明の目的は、低温導波管の組み立てのために適した高い速度のシリカＲＩ Ｅプロセスの発展を提供することである。 本発明の第一の観点によれば、炭素ベースのポリマーの同時かつ等方性の蒸着 の条件下で行われるマスクを通した反応性イオンエッチングを含む、シリカベー スのガラス層又は基板のエッチングの方法が提供される。 好ましくは、エッチングされた構造の異なった表面上で、ポリマー蒸着速度及 び／又はその安定状態の厚さが、エッチング断面、寸法ロス、側壁と底部のエッ チング面の粗さ、及びシリカベースの層とマスク材料の間のエッチングの選択性 を制御するために一つ又は数種のプロセスコントロールパラメーターを調節する ことによって制御される。 ガス又はフッ素と炭素原子を含むガスの混合物が使用され、フォトレジストマ スク又はアモロファスシリコンのようなその他の形のマスクが使用される。調節 できるパラメーターにはＲＦパワーと基板温度である。温度は低い側壁粗さと低 い寸法ロスを同時に達成するために調節することが出来る。更に放電領域内に、 又はこれと接触して存在するいかなる金属の再スパッタリングも防止できる。 本発明は、理想的には、反応性イオンエッチングが高プラズマ密度の中空陰極 エッチング装置中で行われ、エッチングガス混合物がＣＨ₃Ｆとアルゴンである 場合に好適である。 前述の方法を使用して作られる種々の製品もまた開示する。 本発明のもう一つの観点によれば、高プラズマ密度の中空陰極エッチング装置 が開示される。これは、従来公知の標準的なＲＩＥ装置で達成されたものよりさ らに高いエッチング速度を与えることを示した。エッチングはＣＨＦ₃／Ａｒ混 合物にＯ₂とＣＦ₄を添加して行われた。異なったマスク(フォトレジストとアモ ロファスシリコン)の使用だけでなく、異なった化学物質の影響及びエッチング 速度、側壁粗さ及びエッチング断面への基板温度の影響が調べられた。一般的に フォトレジストマスクの使用は、アモロファスシリコンマスクに比較して側壁粗 さがより大きくなるという結果となる。 重要なことは、エッチングプロセスの間のポリマーの蒸着が粗さの進行を一層 悪くするが、しかし、まだエッチング期間中の線幅(line width)のロスの防止に ある程度望ましい。ポリマー蒸着のコントロールの二つのメカニズムが開示され る、即ち種々の量のＯ₂又はＣＦ₄の様々な量の添加及び基板の温度の上昇である 。後者は、線幅のロスのコントロールと側壁粗さの間の良好な妥協点を与えるこ とがわかった。得られた様々な実験結果を説明するために、エッチングされた表 面上のポリマーエッチング／蒸着速度平衡に基づく、単純な現象論的モデルが提 案され、検討される。 図面の簡単な記載 本発明の範囲に入るいかなるその他の形態にもかかわらず、本発明の好ましい 形態が、実施例のみでなく以下の添付の図面を参照して、ここに記載される： 図１は、好ましい態様に使用した中空陰極放電チャンバーの基本レイアウトの 説明図である。 図２ａと図２ｂは、ａ−Ｓｉ(図２ａ)及びフォトレジスト(図２ｂ)マスクでの エッチングについて、マスク材料のエッチング速度と選択性のＲＦパワーの関数 としてのグラフを図示する。 図３ａから図３ｄは、ａ−Ｓｉ及びフォトレジストマスクについて、エッチン グ断面の傾斜(図３a)、寸法ロス(図３ｂ)、側壁粗さ(図３ｃ)、及びポリマー蒸 着速度(図３ｄ)のＲＦパワーの関数としてのグラフを図示する。圧力は１２Ｐａ である。ガス流速：Ａｒで６０sccm、ＣＨＦ₃で１５sccm。サンプル温度は８０ ℃。寸法ロスは５μｍのエッチング深さに標準化した。ポリマー蒸着速度はイオ ン衝撃(ion bombardment)から遮蔽された領域で測定された。 図４ａから図４ｈは、ａ−Ｓｉでのエッチング（図４ａから図４ｄ）及びフォ トレジストマスクでのエッチング（図４ｅから図４ｈ）について、ＲＦパワーの 関数としてのエッチング断面の電子顕微鏡象である。ＲＦパワーは以下の通りで ある：図４ａ−未エッチングのａ−Ｓｉマスク、図４ｂ−２５０Ｗ、図４ｃ−５ ００Ｗ、図４ｄ−６５０Ｗ、図４ｅ−未エッチングのフォトレジストマスク、図 ４ｆ−３００Ｗ、図４ｇ−４００Ｗ、図４ｈ−５００Ｗ。圧力は１２Ｐａ。ガス 流速：Ａｒで６０sccm、ＣＨＦ₃で１５sccm。サンプル温度は８０℃。 図５ａから図５ｃで、ＳｉＯ₂エッチング速度とａ−Ｓｉマスクに対する選択 性を、図５ｄから図５ｆで、ａ−Ｓｉマスクの垂直方向及び横方向のエッチング 速度を、それそれサンプル温度、Ｏ₂流速及びＣＦ₄流速の関数として図示して、 図５ａから図５ｆでエッチング速度と選択性のグラフを図示する。ＲＦパワーは ５００Ｗ。圧力は１２Ｐａ。ガス流速：Ａｒで６０sccm、ＣＨＦ₃で１５sccm。 サンプル温度は変化が無ければ８０℃。 図６ａから図６ｊは、それぞれａ−Ｓｉマスクを使用してサンプル温度、Ｏ₂ 流速、及びＣＦ₄流速の関数として、エッチング断面の傾斜(図６ａから図６ｃ) 、側壁の粗さ(図６ｄから図６ｆ)、及びポリマー蒸着速度（図６ｇから図６ｊ） の グラフを図示する。ＲＦパワーは５００Ｗ。圧力は１２Ｐａ。ガス流速：Ａｒで ６０sccm、ＣＨＦ₃で１５sccm。サンプル温度は変化が無ければ８０℃。ポリマ ー蒸着速度はイオン衝撃から遮蔽された領域で測定した。 図７ａから図７ｂは、サンプル温度８０℃（図７ａ）及び３２０℃(図７ｂ)に ついてエッチングした側壁についての電子顕微鏡像を図示する。ａ−Ｓｉマスク はまだ決まった場所にある。ＲＦパワーは５００Ｗ。圧力は１２Ｐａ。ガス流速 ：Ａｒで６０sccm、ＣＨＦ₃で１５sccm。 図８は、イオン衝撃の強度とポリマーフィルムの形成の可能性に関して、４つ の可能なエッチングされた表面を示すウエハーの断面図を図示する：表面は、(i )マスクの頂部表面３１、(ii)マスクの側壁３２、(iii)ＳｉＯ₂の側壁３３、及 び(iv)ＳｉＯ₂の底部表面３４である。ポリマーフィルムの安定状態での厚さは 、(i−iii)上に存在することができ、(iv)はこの検討で使用したエッチング条件 の下ではポリマーが存在しないと推定される。 図９ａから図９ｃはエッチング断面の時間経過の電子顕微鏡像を図示し、図９ ａは未エッチングのａ−Ｓｉマスクを、図９ｂは３分エッチング後を、図９ｃは ６分エッチング後を示す。 ＲＦパワーは５００Ｗ。圧力は１２Ｐａ。ガス流速：Ａｒで６０sccm、ＣＨＦ₃ で１５sccm。サンプル温度は８０℃。ａ−Ｓｉマスクに対するエッチング選択性 は約１４：１である。「ネガテイブアンダーカット」がマスク幅の減少なしに現 れることが示される。ａ−Ｓｉマスクのより多くの垂直断面が、ポリマーのエッ チングと蒸着の平衡によって決定される安定状態の角度で形成されるポリマーの 下に「埋め」られる。 図１０は、傾斜断面の形成のメカニズムの説明図である。安定状態の断面角度 ０°は、ＥＲ_polymer＝ＤＲ_polymerの条件下で形成される。この角度で、側壁の ポリマーフィルムの安定状態の厚さはエッチングを防ぐために十分である。０＝ ９０°でｎｏ−ゼロのポリマーエッチング速度はプラズマシース中で散乱したイ オンのためである。 図１１ａと図１１ｂは、フォトレジストマスク（図１１ａ）及びａ−Ｓｉマス ク（図１１ｂ）でのエッチングに対してエッチングされた側壁を図示する。圧力 は１２Ｐａ。ガス流速：Ａｒで６０sccm、ＣＨＦ₃で１５sccm。サンプル温度は ８０℃。RFパワーはフォトレジストマスクでのエッチングで５００Ｗ、ａ−Ｓｉ マスクでのエッチングで６５０Ｗである。 好ましい態様の記載 本発明の第１の態様は、中空陰極放電室中のプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶ Ｄ）に基づく。初めに図１によれば、１３．５６ＭＨｚのＲＦ源からなる図示す るＲＦ源１３に接続した頂部電極１１と底部電極１２とを含んだ適当な真空チャ ンバー１０が示される。ＰＥＣＶＤを目的とする使用方法では、チャンバー１４ はポンプ口１５から排気され、ＣＨ₄／ＳＦ₆混合物、ＣＨＦ₃／Ａｒ混合物のよ うなガスが、電極１１と１２の間に置かれ、かつプラズマを誘発するＲＦフィー ルドに置かれたウエハー又は基板１９上に制御されたエッチングを起こすように 、対応する口例えば１６，１７を通って導入される。この装置１０は、以下の詳 述するように制御されたイオンエッチング操作を行うために使用される。 使用に適したこの高プラズマ密度の中空陰極放電エッチング装置は、C.M.Horw itz，S.Boronkay，M.Gross及びK.E.DaviesのJ．Vac．Sci．Technology A6,1837- 1844頁(1988)に記載されている。二つの対向するＲＦパワーの入った平行回路電 極１１，１２は、接地されたチャンバー２１によって囲まれている。普通のダイ オード放電はそれぞれの電極１１、１２と接地されたチャンバー２１の間で生成 されるが、高密度プラズマは「電子ミラー」効果（"electron mirror"effect)のた めに、二つのＲＦパワーの入った電極１１，１２の間で発生する。上部と下部の 両方の電極は水冷却され、直径１００ｍｍのシリコンウエハー１８，１９で覆わ れた。後者は、金属の混入と、引き続く表面粗さと、金属ベースのポリマー蒸着 による傾斜したエッチング断面の形成をもたらすこととなる電極材料(Ａｌ)の再 スパッターを防止する。波長分散Ｘ−線分光計（ＷＤＳ）を使用したイオン遮蔽 領域（以下に述べるように）に蒸着したポリマーの検査は、Ａｌ又はその他の真 空チャンバー内の物質の痕跡も０．０１％のレベルで検出せず、従っ て金属の混入の問題は無いということを示した。 エッチング試験に使用したシリカフィルムは８μｍの厚さを有し、中空陰極Ｐ ＥＣＶＤ技術を使用してシリコン基板１９の上に蒸着された。次いで、ＰＥＣＶ Ｄの１μｍのａ−Ｓｉの、又はフォトレジストの２μｍのマスキング層が、ウエ ハー１９に適用された。フォトレジストマスクは慣用のフォトリトグラフィを使 用してパターン形成し、一方ａ−Ｓｉ層のパターン形成は慣用のフォトリトグラ フィの使用に引き続いてＣＦ₄／ＳＦ₆混合物中でエッチングして行った。 各試験において、サンプル１９は約４−５μｍの深さまで、表面あらさ計（su rface profilometry）により決定できる速度でエッチングされた。エッチング断 面、側壁粗さ、及び寸法ロスは更にＳＥＭ検査によって決定された。寸法ロスは エッチング前のマスクの底部で測定した線幅とエッチングされた尾根の頂部での 幅との間の差として計算され、定義された。側壁粗さを決定する場合、側壁を見 通す角度で、尾根部の頂部側からＳＥＭ写真を撮った。後に示す側壁粗さの数値 は、数ミクロンの距離にわたって測定したＲＩＥで誘発された波形の平均の大き さである。フォトレジストとａ−Ｓｉマスクの端部の両者の初期の（未エッチン グの）粗さは、０．０２μｍよりも大きくない。 シリカフィルムは、Ａｒ混合物中で２０％ＣＨＦ₃で、ＣＦ₄又はO₂を種々添加 してエッチングされる。圧力は全ての実験において１２Ｐａに保った。全てのガ スは９９．９５％又はそれ以上の所定の純度であった。ＣＨＦ₃中のエッチング にはいくらかのポリマー蒸着が伴った。ポリマー蒸着は、ポリマー蒸着が等方性 であると仮定して、シャドーイング技術(shadowing technique)を使用して見積 もった。二つの重なり合うシリコンウエハーからなるオーバーハング構造を使用 し、オーバーハング下の（そしてイオン衝撃から遮蔽された）蒸着したポリマー 厚さが表面あらさ計を使用して測定された。 サンプルの温度は、サンプル１９と冷却された電極例えば１２の間の熱的接触 を変えることによってコントロールされた。ａ−Ｓｉマスクについては、次の３ 種類のケースが熱電対測定によって特徴づけられた：(i)サンプルと電極の間に 熱的な接触がない；(ii)真空グリースの数箇所の接触を通した部分的な熱的接 触；(iii)サンプルの裏側に広がった真空グリースを通した良好な熱的接触。良 好な熱的接触の方法は、温度を一定に保つ場合及び全てのフォトレジストマスク に対して使用された。 結果 ＲＦパワーの影響 エッチング速度：放電と組み合せたＲＦパワー（１３．５６ＭＨｚでの）の関 数としての得られたエッチング速度が、ａ−Ｓｉマスクについて図２ａに、フォ トレジストマスクについて図２ｂに示されている。類似したパワーレベルについ て、ＳｉＯ₂エッチング速度がａ−Ｓｉマスクの場合にわずかに高い(約１０％) ことがわかる。ａ−Ｓｉマスクでは，ＳｉＯ₂エッツング速度は調べたパワーの 範囲にわたってほとんど約３倍増加し、最大のパワーで０．８μｍ／分の値にす る。ａ−Ｓｉのエッチング速度は、ＳｉＯ₂のエッチング速度よりも早い速度で パワーと共に増加し、従ってａ−Ｓｉについての選択性を２０：１から１２：１ に減少させることとなる。同様に、フォトレジストについての選択性もまたパワ ーと共に減少する。 エッチング断面と寸法ロス：エッチングされた側壁の傾斜角度は、ａ−Ｓｉ及 びフォトレジストマスクについてパワーの関数として、図３ａに示す。対応する エッチング断面のＳＥＭ写真は、図４ａから４ｈに示す。両方のマスク材料につ いて、断面の傾斜角度は、類似のパワーレベルについてパワーと共に増加し、ａ −Ｓｉマスクについてより大きくなることを見出した。ａ−Ｓｉマスクについて の寸法ロス（図３ｂ）(５μｍの深さに標準化)は、（パワーと共に僅かに増加し ていると思われるが）０．２μｍを超えないことが見出され、同時にフォトレジ トマスクについての寸法ロスは極めて意味のあるものであり（＞１μｍ）図３ｂ に図示するようにパワーと共に明らかに増加することが見出された。この相違は 、おそらく両ケースにおける傾斜した断面の形成の原因となる異なったメカニズ ムを指摘している。図４ａから４ｈにはエッチングされる前の初期のマスク断面 が示されているが、これらの図からファセット(facet)がフォトレジストマス ク側壁上に成長し、おそらく観察される寸法ロスの一因となっていることが注目 される。 側壁粗さ：図３ｃに示すように、側壁粗さは、ａ−Ｓｉマスクよりもフォトレ ジストマスクについて一貫してより大きいように見える。しかし、両方のケース において、それはパワーと共に増加し、図３ｃに見られるように、最も高いパワ ーレベルでａ−Ｓｉマスクでのエッチングの側壁粗さが、より低いパワーレベル でのフォトレジストマスクで得られる側壁粗さと同等であることがわかった。ポリマー蒸着速度：イオン衝撃から遮蔽された領域でポリマー蒸着速度は、図 ３ｄに示す結果を与えることがわかった。全パワー範囲にわたって約３０％増加 することがわかった。最小のパワーでは、ポリマー蒸着速度はＳｉＯ₂のエッチ ング速度よりも３倍小さいということも注目される。これは、イオン衝撃領域で は１μｍのＳｉＯのエッチングの間に、約０．３５μｍのポリマーが同時に除去 されるということを意味する。パワーが増加すると、除去されるポリマーのこの 割合は約２０％、即ち１μｍのＳｉＯ₂について０．２１μｍに減少する。Ｏ₂とＣＦ₄の添加、及びサンプル温度の変化の影響 ポリマー蒸着はエッチングメカニズムにおいて重要な役割を演ずることが分か ったので、それをコントロールする異なった方法が研究された。これらには、(i )Ｏ₂添加,(ii)ＣＦ₄添加、及び(iii)基板温度の上昇が含まれる。 エッチング速度：図５ａから５ｆは、３つの全ての変化するパラメーターにつ いて同じスケールでプロットしたＳｉＯ₂とａ−Ｓｉのエッチング速度と選択性 を示す。ＳｉＯ₂エッチング速度は、温度とＯ₂添加と共に減少するが、ＣＦ₄添 加と共に増加する。同時にａ−Ｓｉに対する選択性は３つの全ての場合に減少す る。図５ａから５ｆに示すａ−Ｓｉマスクのエッチング速度は二つの成分、垂直 成分と横方向成分に分離できた。垂直成分はマスク厚さの減少に関連し、横方向 成分はマスク幅の減少に関連する。Ｏ₂又はＣＦ₄が存在せず、低いサンプル温度 (８０℃)の条件下では、横方向のエッチング速度は本質的にゼロ(＜８０Å／分 ）であることがわかる。高い温度では、横方向成分はＯ₂の添加と共に初期はほ ぼゼロに留まるが、しかし次第に上昇し、最終的に垂直成分のエッチング速度 の値に接近する。これはａ−Ｓｉマスクの等方性エッチングを意味する。ＣＦ₄ では挙動が異なり、横方向のエッチング速度は次第に増加するが、しかしマスク エッチングは基本的に異方性を維持する。３種の全てのパラメーターの増加と共 に、垂直方向のａ−Ｓｉエッチング速度が増加し、これは高い温度とＯ₂添加で のＳｉＯ₂エッチング速度の減少及びＣＦ₄添加での遅い速度の増加と一緒になっ て、全体の選択性の減少をもたらす。 エッチング断面：図６ａに示すように、エッチング断面の傾斜は温度と共に最 初増加し、次いで初期値以下に低下することが見出された。図６ｂに示すように 、Ｏ₂の添加で傾斜は初期に少し増加し、続いて徐々に減少する。図６ｃに示す ように、傾斜は本質的にＣＦ₄の流速に依存しないことが分かった。 側壁粗さ。側壁粗さは、温度(図６ｄ)とＯ₂流速(図６ｅ)の両者と共に減少す るが、ＣＦ₄(図６ｆ)によっては影響が無いことがわかった。側壁粗さは、サン プル温度を上昇させることにより、又はガス混合物中にＯ₂を加えることのいず れかにより０．０２μｍ迄減少させることができると思われる。しかし、図６ｄ と図５ａ及び図５ｄとを比較すると、コントロールパラメーターとして温度を使 用して、ａ−Ｓｉマスクエッチングの異方性を維持しつつ、最小の側壁粗さが達 成できるということが理解できる。Ｏ₂もまた粗さを減少させるために使用する ことができるが(図６ｅ)、しかし望ましいＯ₂流速ではａ−Ｓｉのエッチングが 本質的に等方性となるので(図５ｅ)、同じ最小粗さが寸法ロスという代償でのみ 達成が可能である。実際的な観点から、これはサンプル温度が、Ｏ₂添加に比べ て側壁粗さの減少のためにより有用なコントロールパラメーターであるというこ とを示唆している。側壁粗さの改良は、図７ａと７ｂに見ることができ、これは 異なった温度でエッチングした二つの側壁のＳＥＭ像を示している。 ポリマー蒸着速度：サンプル温度、Ｏ₂流速、及びＣＦ₄流速の関数としての遮 蔽表面上のポリマー蒸着速度は、それぞれ図６ｇ、図６ｈ及び図６ｊに示されて いる。温度の増加によって、ポリマー蒸着は最初に減少し、次いで温度と共に更 に減少し、全体として抑制されることが分かる(図６ｇ)。これはある一定の温度 以上では、たとえイオン衝撃はなくてもポリマー蒸着は起こらないことを意 味する。Ｏ₂の添加はポリマー蒸着速度のわずかな減少のみを起こすが(図６ｈ) 、これは側壁粗さについて温度とＯ₂が類似した影響を与えることが注目される 。このことはこの二つのパラメーターが、側壁粗さを減少するメカニズムが異な ることを示しているかもしれない。最後に、図６ｊから、ポリマー蒸着速度は、 ＣＦ₄流速と共にその初期値の約２５％まで増加することがわかる。 以上の分析から，本質的に等方性のポリマー蒸着がエッチングと同時に起こる ことは明らかである。更に、ポリマーのエッチング速度と蒸着速度との間の平衡 に依存した厚さと共に、類似のエッチング条件下で、ポリマーフィルムの形成が 、多くのその他の研究において証明されてきた。 図８に戻ると、記載したエッチングされた構造の場合には、フィルムが存在す るかもしれない４個の表面３１−３４を特定することが出来る。類似の条件を使 用した以前の研究は、ＳｉＯ₂表面３４が（０．１３Ｐａの圧力で）約１００ｖ より上のＲＦバイアス電圧に対してポリマーフィルムが存在しないということ、 及びポリマーエッチングと蒸着の間の限界バイアスボルトが圧力と共に減少する ことを示した。従って、一般的に１２Ｐａと４００ｖ−６００ｖバイアスを使用 して、ポリマーフリーのＳｉＯ₂底部表面３４が得られる。このことは、ＳｉＯ₂ エッチング速度が、Ｏ₂の添加又はサンプル温度の増加のいずれかによってポリ マーの抑制で増加しないという事実によって支持される。 温度(図５ａ及び５ｂ)。従って、ポリマーフィルムは表面３１，３２及び３３ のみに存在することが出来る。表面３１上のポリマーはエッチングの選択性を決 定し、一方３２と３３はエッチング断面と側壁粗さに影響する。限定された厚さ のポリマーの存在は、エッチング種(species)と反応生成物の両者が、エッチン グされた表面の方へ又は表面からその方法でポリマーを通過して拡散しなければ ならないことを意味し、そのメカニズムは以前に他の人によって示唆された。こ こで、通常の表面プロセスによるポリマーフィルムのエッチングに加えて、ポリ マーフィルムを通過して拡散するエッチング種は、ある種のポリマーとの反応の 可能性を有し、これはフィルム厚さに比例することが推定される。ポリマーフィ ルムの空隙率がこのエッチングメカニズムに寄与することが出来る。ポリマーフ ィルムの厚さが増加した時、この「拡散する」エッチング成分もまた増加し、その 結果全体のポリマー除去速度が増加し、連続的なフィルムの成長が防止できる。 一定したポリマー蒸着速度のために、これらの影譬はある平衡ポリマー厚さ、こ れは下側の面のエッチング速度を決定するが、の上昇をもたらす。 理論により制約されることを望まないが、このメカニズムを記述する単純な現 象的なモデルが以下のように記載できる：ここで、ＥＲはポリマーフィルムの下の表面のエッチング速度であり、Ｉ_aはポ リマーフィルム表面での活性なエッチング種フラックスであり、αはフィルムの 単位厚さ当たりの拡散したエッチング種によるポリマーエッチングの確率であり 、ｄはポリマーフィルムの厚さであり、ＥＲ_polymerはポリマーのエッチング速 度であり、Ｃ₁及びＣ₂は実験定数であり、Ｉ_iはイオンフラックス、φは側壁の 傾斜、即ち有効イオンの照射角度であり、Ｙ（Ｉ_a，Ｅ_i，φ）は活性エッチング 種フラックスＩ_a、イオンエネルギーＥ_j、及び有効イオンの照射角度φの関数と しての反応性スパッター収率である。Ｉ_pはポリマー形成種のフラックスであり 、γ^(T)は表面温度の関数としてのポリマー形成種の沈着確率(sticking probabi ity)である。図２及び３の結果の、フォトレジスト、ａ−Ｓｉ及びＳｉＯ₂のエ ッチング速度は、このモデルを使用して説明することが出来る。 図２ａ及び図２ｂのパワーに対するフォトレジストとａ−Ｓｉの両者のエッチ ング選択性の観察される減少は、マスク表面３１，３２の両者(ＳｉＯ₂面はポリ マーフリーと椎定される)の上の安定状態のポリマー厚さの減少によって説明す ることができる。これはパワーに対するポリマー蒸着の増加(図３ｄ)にかかわら ず生ずる。上記の式２に従って、このことはポリマー蒸着速度の増加よりも、反 応性スパッターエッチング及び「拡散」エッチング成分の両方の増加がまさり (overshadowed)、従ってポリマーのエッチング／蒸着平衡を維持するためにより 小さいポリマー厚さを必要とするということを意味する。 温度、Ｏ₂流速、及びＣＦ₄流速の増加の全てのために、主としてより大きい垂 直方向のａ−Ｓｉエッチング速度を通して、ａ−Ｓｉについてのエッチング選択 性が減少する(図３)。再びＳｉＯ₂表面３４はポリマーフリーであると推定され るので、このことはａ−Ｓｉ上のポリマー厚さの減少を意味する。温度の上昇は 、式３によるポリマー蒸着速度の減少を生じつつ、ポリマー形成種の固着の確率 を減少する。このことはまた図６によって確認される。ここではイオン衝撃から 遮蔽された領域でのポリマー蒸着速度が温度と共に減少することが示される。次 いでポリマー厚さが減少し(式２)、式１によってａ−Ｓｉエッチング速度の増加 を引き起こす。Ｏ₂添加の場合は、有意ではない(図６ｈ)。同様に、ＣＦ₄添加は 、ポリマー蒸着速度の増加が小さいにもかかわらず、ポリマー厚さの減少となる (図６ｊ)。しかしこの場合には、ポリマー厚さの減少のためのみでなく、ＣＦ₄ の解離から得られる活性種フラックスの増加のために、ａ−Ｓｉエッチング速度 が増加できる。 垂直方向のａ−Ｓｉエッチング速度は、これらの３種の因子(温度、Ｏ₂及びＣ Ｆ₄)の全てに応答して増加するが、一方横方向のａ−Ｓｉエッチング速度は温度 とＯ₂について一つの側に、そしてＣＦ₄の場合に他の側に異なった挙動を示す( 図５ｄから５ｆ)。温度とＯ₂流速の増加に対して、横方向のエッチング速度は垂 直方向のエッチング速度に接近して増加し、従ってａ−Ｓｉマスクの等方性エッ チングを示す。しかしながら、ＣＦ₄添加の場合には、横方向ａ−Ｓｉエッチン グ速度の増加は小さく、垂直方向のエッチング速度が比例して増加するために、 異方性が変化せずに残留する。 式１によれば、ａ−Ｓｉマスクの垂直方向と横方向のエッチング速度の相違は 、その上部表面と側壁上の安定状態のポリマーフィルムの厚さが相違するためで ある。側壁はエッチング中より少ないイオン衝撃を受け、これは式２に従ってポ リマーエッチングの反応性スパッター成分を減少させ、そして図５ｄから５ｆの 最初の数点に見られるように、マスクの横方向のエッチングの終了する点でその 安 定状態の厚さの増加を引き起こす。温度とＯ₂添加で起こる横方向エッチング速 度の増加は側壁上のポリマー厚さの減少のためである。温度の場合には、これは ポリマー蒸着の減少（図６ｇ）に帰することができる。Ｏ₂の場合には、この場 合はポリマー蒸着速度データは少しの減少のみを示すが(図６ｈ)、側壁ポリマー 厚さの同様の減少は、活性な酸素によってポリマー除去速度がより高いためであ る。イオン衝撃から遮蔽された領域でポリマーが存在するのと反対に、高いＯ₂ 流速で側壁上のポリマーが存在しないことは(図６ｊ)、シース(鞘)中で散乱した イオンによるマスクの側壁へのいくらかのイオン衝撃のためである可能性がある 。（約１０Ｐａの圧力の採用を特徴とする。これは比較的小さいが、Ｏ₂解離の 生成物によるポリマーエッチングを開始するのに見かけ上十分である。） ＣＦ₄の添加は、温度とＯ₂の増加に類似した方法で垂直方向のａ−Ｓｉエッチ ング速度の増加を引き起こすが、垂直方向と横方向のエッチング速度の比率を変 化しない。モデルによれば、このことは、ＣＦ₄の添加に比例して減少した両表 面上の安定状態の厚さと共に、いくらかのポリマーフィルムがａ−Ｓｉマスクの 側壁と頂部表面の両方に残留することを意味する。 最後に、高い温度又は高いＯ₂流速でａ−Ｓｉマスク表面にポリマーが存在し ないにもかかわらず、その垂直方向エッチング速度は増加するが、まだＳｉＯ₂ の速度よりも約５倍小さいままであるということに我々は注目する。このことは 、ＳｉＯ₂／Ｓｉ選択性がエッチング期間中にＳｉＯ₂から放出された酸素による 選択的なポリマー除去のためであるというＳｉＯ₂エッチングの十分に認められ たメカニズムに、この場合は追加のメカニズムを伴うことを示唆している。即ち 、強いイオン衝撃の条件下では、たとえポリマーの保護膜がＳｉ表面に存在しな い時でも、ＣＨＦ₃解離の生成が見かけ上ＳｉよりもＳｉＯ₂を早くエッチングす る。側壁角度 シリカ、公知の本質的に異方性のエッチング特性を持った材料における傾斜し た断面は二つの方法で製造される。第一のメカニズム、マスク腐食は、横方向の マスクのエッチングを通して傾斜した断面を形成する。これは文献に十分に実証 されており、例えばフォトレジストマスクを使用する時にＯ₂の添加によって意 識的に引き起こされる。フォトレジストマスクを使用した時に観察される著しい 寸法ロス(図３ｂ)は、マスク腐食がこの場合に傾斜した断面の原因であることを 示唆している。ＳｉＯ₂のａ−Ｓｉとの類似した選択性を考慮すれば、横方向の フォトレジストマスクエッチングが大きい理由は、おそらくフォトレジストマス クの端部のファセット(faceting)の結果である。これは図４ａから図４ｈに見る ことができ、ここではフォトレジストマスクがエッチングの前と後で示されてい る。エッチング前の丸い形(図４ｅ)から、マスク側壁は選択的なスパッター角度 で平坦で且つ傾斜した断面(図４ｈ)になる。ファセットによるフォトレジストマ スクの横方向のエッチング速度を見積もると約１０００Å／分であり、これは垂 直方向のエッチング速度の２倍以上である。フォトレジストマスクについて観察 されるパワーの変化による傾斜角度の増加は、垂直方向のマスクエッチング速度 の増加に比較したＳｉＯ₂側壁のエッチング速度の選択的な増加に帰することが できる。ここでは、角度がポリマーフィルムの形成に必要な安定状態の値よりも 小さいので、ＳｉＯ₂側壁はポリマーによって保護されていない。 傾斜した断面の形成の第二のメカニズムの影響は、図９ａから図９ｃに見るこ とができ、ここではエッチングされたシリカ断面の時間的な展開がエッチングさ れないａ−Ｓｉマスク(図９ａ)から出発して示されている。ここでマスクの幅は 変化しなかったが、しかし有効な線幅は、マスク腐食の場合に減少したがここで はむしろ増加した。「ネガテイブマスクアンダーカット」又は「オーバーカット 」と名づけられたこの影響は、同時に生ずる等方性蒸着プロセスの存在で、基板 とマスクの異方性エッチングの条件の下で起こることができる。 全てのエッチング種がＳｉＯ₂面に到達する前に側壁ポリマーフィルムで消費 されるとき、即ちαｄ＝１（式１）の時、側壁のエッチング速度はゼロである。 この条件を満足するために必要とされる安定状態のポリマー厚さが、ＥＲ_{polyme r} ＝ＤＲ_polymerの時に見出された。しかし、側壁へのイオンフラックスと相対的 なスパッター収率の角度依存性の両者が側壁の傾斜に依存するので、側壁ポリマ ーのエッチング速度は傾斜（式２におけるφ）に依存する。従って等方性のポリ マ ー蒸着と仮定すると、ＥＲ_polymer（φ₀）＝ＤＲ_polymerで側壁角度φ₀があり、 それゆえにＳｉＯ₂側壁エッチング速度がゼロとなる。もし角度がこの平衡値よ りも大きかったなら、ポリマーエッチングの反応成分がより低くなり、ＤＲ_{poly mer} ＞ＥＲ_polymerとなり、ネットの蒸着が起こる。逆に、もし角度がこの平衡値 よりも小さかったなら、ポリマーエッチングの反応成分がより高くなり、ＤＲ_{po lymer} ＜ＥＲ_polymerとなり、ネットのエッチングが起こる。このメカニズムは図 １０に図によって示される。等方性ポリマー蒸着を表わす半円４０がポリマーエ ッチング速度の角度依存性を表わす線４２と交差するところの点４１は、ポリマ ーエッチング／蒸着バランスが達成される角度に相当する。この角度はＳｉＯ₂ 側壁４４の安定状態の角度である。図１０中で、ポリマーエッチング速度の角度 依存性は図的に描かれ、側壁上のイオンフラックスI_iCos(φ）の角度依存性とス パッター収率Ｙ(Ｉ_a,Ｅ_i，φ)の角度依存性の両者を含む。後者は最大約６０° である。ポリマー蒸着速度（半円の半径４５）が増加する時、この半径と角度依 存性曲線４２(ポリマーエッチング／蒸着平衡点)との交点は上方にシフトし、従 って側壁角度を減少する。同様に、もしポリマーエッチング速度が増加するなら ば、この交点は下方へシフトし、そして角度が減少する。このメカニズムは実験 データを説明するために適用することが出来る。 ａ−Ｓｉマスクを使用して観察されるエッチング断面は、「オーバーカット」 であると判断される(図３ｂ及び図９ａから図９ｃ)。高いパワーの影響はより高 いイオンエネルギーと密度のためにポリマーエッチングの反応性スパッター成分 を増加させることである。 上記のメカニズムに従って、観察されたように、これはより高い側壁角度で新 しいポリマーエッチング／蒸着平衡を確立する。ポリマー蒸着速度の増加は、こ れはパワーの変化ででも起こるが(図３ｄ)、明らかにそのエッチング速度の増加 よりも小さい。 ａ−Ｓｉマスクの横方向エッチング速度の傾向（図５ａから図５ｆ）に留意し て、類似した条件で温度、断面の傾斜、Ｏ₂及びＣＦ₄の添加への依存性を説明す ることが出来る。初期には断面の傾斜は温度及びＯ₂流速（ほんのわずかであ るが）と共に増加し、次いで両方の場合とも減少する(図６ａ及び図６ｂ)。断面 の傾斜対温度の初期の増加は、ポリマー形成種の固着確率の低下によるポリマー 蒸着の減少のためである。図１０に従って、新しい蒸着／エッチング平衡がより 高い角度で起こる。Ｏ₂流速の場合には、ポリマー蒸着速度はわずかに減少する が、しかしその反応性スパッター速度は放電において生成した活性な酸素のため に増加し、従って平衡側壁角度を増加する。更に温度とＯ₂流速の増加は、ａ− Ｓｉマスクの側壁からの全ポリマーの除去を引き起こし、ａ−Ｓｉマスクの横方 向のエッチングとマスク腐食によるより小さい側壁角度が得られることとなる。 側壁の傾斜は相対的にＣＦ₄の添加に依存しない、これは、ＣＦ₄流速によるポリ マー蒸着の増加が、おそらくフッ素フラックスの増加によると思われる同時に発 生するそのエッチング速度の増加によってバランスすることを示している。側壁粗さ 初期のマスク端部の粗さが、これはａ−Ｓｉ及びフォトレジストマスクの両者 のＳＥＭ検査で決定されるが、エッチング後の側壁粗さよりも著しく小さかった ので、これは観察した側壁粗さの原因としては除外することができる。従って、 マスク端部がエッチングの間に粗くなるか、又は粗さがシリカ側壁自身の上に形 成されるかの何れかである。これらの場合の両方ともが、イオン衝撃とポリマー 蒸着の存在下でミクロマスキング(micromasking)が原因である。フォトレジスト マスクされたサンプルは冷却されたので、フォトレジストの網目(レチクル、ret iculation)は問題ではない。 図１１ａは、まだ決められた場所にあるフォトレジストマスクでエッチングさ れた側壁を示す。粗さは加工中のフォトレジストにおいて発生し、次いでシリカ 側壁に移行したと判断される。ここではマスク端部が明らかなようにファセット (faceting)によって薄くなっていた。パワーに対してのシリカ側壁の粗さの増加 は、イオン衝撃とポリマー蒸着速度の両者が増加するので、ミクロマスキングに おける増加によって説明することができる。 ａ−Ｓｉマスク（図１１ｂ）の場合には、観察した側壁粗さのいくらかは、決 められた場所にあるａ−Ｓｉマスクでエッチングされた側壁を示した図１１ｂか ら 推定できるように、マスクの荒れ(roughenig)によって形成される。しかし、マ スクの頂部の角部に若干のファセット(faceting)があるが、マスクに近い側壁の 上方の部分は下方の部分よりも一層滑らかであり、荒れの多くの部分がマスク端 部から移行してきたものではなく、むしろエッチングに間に側壁の上に形成され たことを示唆している。この付加的な荒れに対する理由は、ミクロマスキング材 料として作用することができる側壁ポリマーである可能性がある。パワーと共に 増加する側壁粗さは、イオン衝撃とポリマー蒸着速度の両者が増加するので、こ の場合マスク端部と側壁自身の両者においてミクロマスキングにおける増加によ り説明することができる。 サンプル温度とＯ₂添加の両者の増加が粗さを減少させる(図５ｄ及び図５ｅ) 。この両者の場合に、これは側壁ポリマーの抑制の結果である可能性がある。温 度の場合では、ポリマー蒸着速度がゼロまで減少する結果として(図６ｇ)、そし てＯ₂の場合ではポリマーエッチング速度の増加を通して。側壁ポリマーが存在 しない場合は、粗さを誘発したミクロマスキングへのこの寄与は除外される。側 壁粗さはＣＦ₄の添加で変化しない(図６ｆ)。これは、後者がポリマーエッチン グと蒸着の間の乱されないバランスを与え、それゆえに側壁に一定のポリマー厚 さを与えるので、断面の傾斜もまた変化しないという事実と矛盾しない。側壁粗さと寸法ロスの間の釣りい合い コントロールパラメーターとしてサンプル温度を使用することは、寸法ロスな しに得られるべき滑らかな側壁を可能にするが、一方Ｏ₂添加を使用することは 、寸法コントロールと滑らかな側壁の両者が達成され得るプロセスを可能にする ことはない。Ｏ₂の場合には、活性な酸素がａ−ＳｉマスクとＳｉＯ₂側壁の両者 でポリマーエッチング速度を増強し、それゆえ側壁粗さの改良と一緒に、マスク の等方性エッチングによる寸法ロスを引き起こす。サンプル温度を上昇させる場 合は、プラズマからポリマー形成種のフラックスが変化せずに維持されるが、し かしそれらの固着の確率は減少し、従って有効ポリマー蒸着速度が減少し、これ は次いで粗さの低下に帰着することとなる。しかしここで得られた結果は、温度 の増加と共にポリマー形成種のシリカへの固着確率がａ−Ｓｉ表面に対するより も早く減少することを示唆している。これはポリマーフリーのＳｉＯ₂側壁及び 、同時に寸法ロスを防ぐためにａ−Ｓｉマスク側壁上に残留する十分なポリマー を可能にする。 今までの記載から、シリカベースの集積光学装置(integrated optic devices) の組み立てに、高プラズマ密度の中空陰極エッチングシステムにおける反応性イ オンエッチングを使用することが効果的に例示できた。この応用はエッチング深 さ、側壁粗さ及び断面の傾斜のコントロールに特定の要件を課している。中空陰 極放電で生成する高いプラズマ密度、高いシリカのエッチング速度（ａ−Ｓｉに 対して０．５μｍを超える）及び著しい寸法ロス（５μｍのエッチング深さに対 して＞１μｍ）のためである。フォトレジストの欠点は、マスクの側壁に起こる 強いファセットから生ずると信じられる。ａ−Ｓｉマスクでは、ファセットは無 視できる。ＲＦパワーの増加は、フォトレジストとａ−Ｓｉマスクの両方におい て、選択性の減少と側壁粗さの増加に帰着する。 ａ−Ｓｉの場合について、エッチング特性へのサンプル温度、ＣＦ₄とＯ₂の添 加の効果が研究された。エッチングの選択性は全てのパラメーターで減少する。 サンプル温度の上昇とＯ₂含有量の増加は、０．０２μｍまで側壁粗さの減少を 可能にする。しかし，Ｏ₂の場合には、側壁粗さの低下はａ−Ｓｉマスクの横方 向のエッチングを併発し、寸法ロスと断面の傾斜の減少を引き起こす。類似した 効果がサンプル温度で観察されたが、しかしこの場合には、ほとんど垂直な側壁 と共に寸法ロスなしで、滑らかな側壁を得ることのできる温度範囲があるように 見える。 最後に、ポリマー蒸着速度の測定に基づいて、種々の実験データを説明するモ デルが説明された。このモデルは等方性のポリマー蒸着とエッチングの間のバラ ンスに基づいている。ある一定の安定状態の厚さのポリマーフィルムは、(i)マ スクの頂部表面、(ii)マスクの側壁及び、(iii)ＳｉＯ₂の側壁のバランスの結果 として形成される。頂部表面のポリマー厚さはエッチングの選択性を決定し、一 方マスクの側壁とＳｉＯ₂の側壁のポリマー厚さは、断面の傾斜と側壁粗さを決 定する。 結論として、好ましい態様のシリカ反応性イオンエッチングプロセスはプレー ナー導波管の組み立ての全ての要件を満足し、そして滑らかなエッチング側壁と 垂直又は傾斜したエッチング断面に加えて、シリカの深いエッチングを必要とす るその他の集積光学系への利用又はＭＥＭＳへの応用に対してもまた使用するこ とができる。 広く記載したように本発明の精神と範囲から離れることなく、特定の態様で示 すように、多数の変更及び／又は変形が本発明に対してなされることが、当業者 に認められるであろう。それゆえ、本発明の態様は例示であり、限定するもので はないことが全てに関して考慮されるべきである。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．炭素ベースのポリマーを同時に等方性蒸着を行う条件下で行われる、マスク を通した反応性イオンエッチングを含む、シリカベースのガラス層又は基板のエ ッチング方法。 ２．エッチングされた構造の異なった表面上のポリマー蒸着速度又は／及びその 安定状態の厚さが、エッチングされた断面、寸法ロス、側壁及び底部のエッチン グされた表面の粗さ、及びシリカベース層とマスク材料との間のエッチング選択 性をコントロールするために、１個又は数個のプロセスコントロールパラメータ ーを調節することによってコントロールされる請求項１に記載の方法。 ３．フッ素原子と炭素原子を含むガス又はガスの混合物を使用する先行する請求 項のいずれかに記載の方法。 ４．フォトレジストマスクを使用する先行する請求項のいずれかに記載の方法。 ５．非フォトレジストマスクを使用する先行する請求項のいずれかに記載の方法 。 ６．アモロファスシリコンがマスク材料である請求項５に記載の方法。 ７．放電に組み合せたＲＦパワーが調節されるパラメーターである先行する請求 項のいずれかに記載の方法。 ８．基板温度が調節されるパラメーターである先行する請求項のいずれかに記載 の方法。 ９．低い側壁粗さと低い寸法ロスを同時に達成するために温度が調節される請求 項８に記載の方法。 １０．放電領域内に又は／及び放電領域に接触して存在する金属材料の再スパッ ターが防止される先行する請求項のいずれかに記載の方法。 １１．反応性イオンエッチングが、高プラズマ密度の中空陰極エッチング装置内 で行われる先行する請求項のいずれかに記載の方法。 １２．エッチングガス混合物がＣＨ₃Ｆとアルゴンである先行する請求項のいず れかに記載の方法。 １３．先行する請求項のいずれかの方法により製造された製品。