JP2002511953A - 表面にシリコン層を形成する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 基板(10)の表面にシリコンの層を形成する方法が、シリコン供給源(4)を用いて電子ビーム蒸着のような物理的成長プロセスにより前記表面にシリコンを蒸着させ、この蒸着プロセスの最中に、形成された膜にイオン銃(20)からのイオン衝撃を施す各工程を含む。得られた膜は、通常の物理的成長プロセスにより製造された膜と比較して著しく減少した応力を有する。この方法は、シリカの層（または層の積重体）上に比較的厚いシリコン層（１μｍ以上）を形成して、その後のリアクティブイオンエッチングによるシリカの強腐蝕におけるエッチングマスクとして機能する用途に特によく適用される。

Description

【発明の詳細な説明】 表面にシリコン層を形成する方法 本発明は光学部材の製造分野に関するものである。より詳しくは、本発明は、 特に、リアクティブイオンエッチングが施されることになっている一つ以上のシ リカ層上にシリコンマスクを提供するために、表面に比較的厚いシリコン層を形 成する方法に関するものである。 プレーナ集積光学の分野において、プレーナ光学部材の製造中に、その光学部 材を定義するようにシリカ層（純粋なシリカまたはドープトシリカのいずれか） をエッチングする必要がしばしばある。例えば、その部材に含まれる導波路、回 折格子、レンズ等のような光学素子のトレーシングを行うために、非常に精密な パターン形成が必要とされる。さらに、一方の上に連続シリカ層を堆積させ、パ ターンを形成する（典型的に、コア層および一つ以上のオーバークラッド層）こ とがしばしば必要である。 そのようなシリカベースの光学部材の製造において、シリカ層のパターン形成 は、好ましくは、形成される素子の所望の精度（解像度）を得るために、リアク ティブイオンエッチングを用いて行われる。このエッチングの品質は、エッチン グマスクを形成するのに用いられる材料により大いに影響を受ける。 アルミニウム、チタン、クロム、ニッケル、フォトレジストまたはシリコンの ような異なる種類のマスク材料がこのエッチングプロセスに用いられてきた。金 属マスクでは、一般的に、二つの理由により満足な結果が得られない。第一に、 マスク層の付着中に、金属粒子が成長し、この粒子が、その後のエッチング工程 中に、エッチングされたキャビティの側壁を粗くしてしまう（典型的に、側壁の 所望の平面から0.1μｍより大きい偏位）。そのような粗さのために、それから 形成された光学素子が用いられたときに、光学損失が生じてしまう。この問題は 、特に、アルミニウムマスクの場合に著しい。第二に、シリカのリアクティブイ オンエッチングの最中に、金属マスク材料のスパッタリングが行われてしまう。 金属原子は揮発性ではないので、それらの原子は、エッチングされた区域の周り に 再付着し、ここで再び、粗さの問題が生じてしまう。フォトレジスト、そして一 般的に高分子マスクには、シリカの強腐蝕が必要とされる場合に、三つの主な欠 点がある。第一に、シリカと高分子マスクとの間のエッチング選択比は低いので （約２：１）、シリカを強腐蝕することが望ましい場合には、厚いマスク層を提 供する必要がある。約７μｍよりも厚い高分子層を使用すると、エッチング解像 度が損なわれてしまう。第二に、エッチングプロセスの最中に、高分子材料が流 動し、したがって、エッチングされたパターンを歪めてしまう。第三に、高分子 マスクを使用する場合、そのエッチングプロセス中に使用可能な出力密度が制限 され、したがって、このエッチングを成し遂げるのに必要な時間が長くなってし まう。 上述した問題を解決するために、エッチング条件に対して良好な耐性を有する が、プラズマ中でまだ揮発性であるという矛盾した特性が組み合わされたマスク 材料を提供する必要がある。シリコンは、これらの必要条件を満たす。シリコン は、既に、電子部材製造においてシリカのリアクティブイオンエッチングを行う ためのマスク材料として用いられている。約10：１の選択比が得られる。 ここで、シリコンを、光学部材を製造するためのシリカのエッチング用のマス ク材料として使用することが求められている場合、しばしばシリカ層の強腐蝕を 行う必要があるので、１μｍよりも厚いシリコンマスク層が必要とされる。しか しながら、真空下での蒸発による、従来の物理的気相成長技術を用いてそのよう な厚さのシリコン層をシリカ上に形成することが求められている場合、形成され たシリコン層は、応力が大きい。シリコン層が、電子ビーム蒸着を用いて蒸着さ れた場合、400ＭＰａの引張応力に直面する。シリコン層がスパッタリングによ り蒸着された場合、約400ＭＰａの圧縮応力が測定され、粒子サイズがより大き くなる（エッチングされた側壁の粗さを生じる）。これらの高い応力により、ウ エハが歪んでしまい、このために、リソグラフィー工程中に不正確となってしま う。２μｍ厚のシリコン層の場合には、上記応力は、光学層に亀裂がじ、その部 材が破壊されてしまうほど大きい。 本発明の好ましい実施の形態は、形成された層における応力が許容レベルに制 御されているシリコン層、特に、１μｍよりも厚いシリコン層を形成する方法を 提供する。より詳しくは、本発明は、表面にシリコンの層を形成する方法であっ て、物理的成長プロセスにより該表面上にシリコンを蒸着させ、この蒸着工程中 に、形成された膜にイオン衝撃を施す各工程を含む方法を提供する。 シリコン層を、物理的成長プロセスを用いて表面上に形成し、形成された層に イオンビームによる衝撃を施す場合、得られたシリコン層における応力は、シリ カ層（またはいくつかの層）上に比較的厚いシリコン層を形成した場合でさえも 、著しく減少させられることが分かった。 本発明の好ましい実施の形態において、基本の物理的成長プロセスは、電子ビ ーム蒸着である。この技術により、成長プロセスを厳密に制御し、形成された膜 のイオン衝撃と共同して、シリコン層の特性を正確に調整することができる。 シリカ層上のシリコンマスクの形成に本発明の方法を適用することにより、シ リカの強腐蝕にリアクティブイオンエッチングを使用することができ、それによ って、側壁の粗さの問題を避けながら、高エッチング解像度を得ることができる 。さらに、この技術を、一方を他方の上にパターンの形成された多数のシリカ層 の形成に使用する最中に、ウエハの歪みが減少することが確認された。さらに、 エッチングプロセスが過度に長くないリアクティブイオンエッチングの最中に、 通常の出力密度を使用することができる。 本発明のさらなる特徴および利点が、添付した図面により示された、実施例に より与えられた本発明の好ましい実施の形態の以下の説明から明らかとなる。 図１は、本発明の方法を実施するのに適した装置を示す図である。 図２は、パターンの形成されたシリカ層の製造プロセスを示しており、このプ ロセスにおいて、シリコンマスクが本発明の方法により製造され、図２Ａから２ Ｈは、この製造プロセスの異なる段階を示している。 本発明の好ましい実施の形態をここに図１を参照して説明する。本発明のこの 実施の形態において、電子ビーム蒸着プロセスを用いて、シリカ層（または層の 積重体）上への蒸着のための供給源からケイ素原子を遊離させている。このシリ カ層は、典型的にシリカから作成された基板上に形成されている。これと同時に 、アルゴンイオンを、形成されているプロセスにあるシリコン膜に衝突するよう に前記基板に向けて発射させる。 図１に示したように、本発明による方法は真空室１内で行われ、この真空は、 オリフィス２を介してポンプ（図示せず）により維持されている。シリコン４は 、電子銃６の陽極として機能する坩堝５内に供給される。電子銃により生じる電 流は、電子銃制御ユニット７により制御されている。電子銃からの電子は、シリ コンに向けて加速され、ケイ素原子を蒸発させるようにそのシリコンを加熱する 。蒸発したケイ素原子は、真空室の頂部に向けて、基板ホルダ11上に提供された 、例えば、シリカから作成された基板10の表面に存在するシリカ層および真空室 の壁の上で凝縮する（埃による表面の汚染を避けるように、上方蒸着が好ましい ）。本発明の方法によれば、基板を加熱することが必須ではないけれども、基板 の温度を、例えば、100℃に維持し、それによって、蒸着されたケイ素原子のシ リカ層への結合を促進させるように、加熱器12を設けても差し支えない。ケイ素 原子のシリカ層上への蒸着を所望なように妨げられるように、移動可能なシャッ タ15が設けられている。 今までのところ、この装置の構造は、シリコンの電子ビーム蒸着に用いられて いる従来の装置と同一である。しかしながら、上述した構成部材に加えて、図１ の装置は、イオンビームを基板10に向けて発射させるように配置されたイオン銃 20も備えている。この実施例において、このイオン銃は、プラスミオン(Plasmio n)銘柄のものであったが、代わりに他のイオン銃を用いても差し支えない。イオ ン銃には、入口22を介してアルゴンガスが供給され、この銃は、到達するケイ素 原子の衝突方向に対して約30°で基板に衝突するアルゴンイオン（Ａｒ⁺）を発 生させる。イオンビームの電流およびエネルギーは、イオン銃制御ユニット23に より制御されている。 本発明の好ましい実施の形態による方法をここに説明する。シリコン供給源４ が、真空室１内に置かれた坩堝５内に配置されており、一つ以上の基板10がホル ダ11内に配列されている。次いで、この真空室がオリフィス２を介して排気され る。次いで、イオン銃20が動され、安定な作動状態に達したときに（典型的には 数分後）、電子銃６を、シリコンの蒸着を開始するように始動させる。この蒸着 が安定状態に達したときに、シリコン供給源と基板10との間の自由行路を通すよ うに、シャッタ15が移動される。このようにして、ケイ素原子は、基板10の表 面に存在するシリカ層に衝突し、堆積し、形成されたシリコン膜にアルゴンイオ ンが衝突する。 膜形成プロセスの進行は、例えば、基板ホルダ11に取り付けられた圧電装置を 提供することによりモニタすることができる。この圧電装置の振動周波数は、蒸 着されたシリコンの量が増加するにつれて変化する。所望の量のシリコンが蒸着 されたときに、シャッタ15は、ケイ素原子が板に到達するのを遮断する位置に戻 り、イオン銃22が停止される。 本発明の方法により形成されたシリコン層において測定された応力は、シリコ ンの蒸着中に、基板に存在する外部層に到達した、それぞれ、ケイ素原子の数と アルゴンイオンの数との間の比率に依存する。10のケイ素原子毎に１未満のイオ ンが基板（または、より正確には、基板上に存在する外部層）に到達した場合に は、従来の方法により得られた結果に対して、得られた応力の減少は小さい（20 ％未満）。このような減少は、基板に到達する10のケイ素原子毎に１以上のイオ ンの比率に関しては、より著しくなる。好ましくは、基板に到達する10のケイ素 原子毎に１のイオンより大きい比率、そしてより好ましくは、10のケイ素原子毎 に約２のイオンの比率を確実にするために、作動条件は固定されている。これら の条件下で、シリコン層において測定された応力は、１μｍの厚さの層に関して は、200ＭＰａ未満、２μｍの層に関しては、400ＭＰａ未満等にすることができ る。 基板に設けられた外部表面に到達するイオンおよび原子の数は、それぞれ、イ オン銃20および電子銃６の電流に依存し、したがって、容易に制御することがで きる。さらに、基板上に存在する外部表面に到達するイオンと原子の数の間の最 適比率は、イオン衝撃に用いられるイオンの性質により異なる。 これらの実験に用いた型式のイオン銃は、12ｍＡの最大電流を発生させる。典 型的に、イオン銃へのアルゴンの流量は、1.5から３ｓｃｃｍ（立方センチメー トル毎分）であり、イオンエネルギーは、50ｅＶから100ｅＶまでの範囲にあり 、イオン電流の密度は、イオン銃の出口で平方センチメートル当たり１から２ｍ Ａであり、合計イオン電流は、10から12ｍＡであった。そのような条件下で、シ リコンの蒸着を速い速度、典型的に、約10から20Å／秒に維持することができた 。し かしながら、より高い電流に耐えるイオン銃は、より速いシリコン蒸着速度を得 ることができたおよび／または同一のシリコン蒸着速度をより大きい表面積を有 するウエハ上で維持することができた。 上記実験に用いた型式のイオン銃は、非常に効率的であった。この銃により、 非常に小さいガス流を生じることができ、したがって、真空室内の動作圧力を低 く維持することができた（典型的に１から２×10^-4トル）。 形成されたシリコン膜に衝突させるのに用いられるイオンは、50ｅＶから100 ｅＶの範囲のエネルギーを有した。高すぎるイオンエネルギーでは、本発明の利 点を得られないけれども、これとは対照的に、形成するのが求められている層か らケイ素原子をはじき出すことになる。 厚さが１ｍｍであり、直径が４インチ（10.2ｃｍ）のシリカウエハ上に形成さ れたシリカ層上に１μｍ厚のシリコン膜を形成するために、本発明による方法を 上述したように実施した。シリコンを蒸着させるこのプロセスの最中に、10のケ イ素原子毎に、２のアルゴンイオンが基板に到達した。形成されたシリコン膜に おいて測定された応力は、100ＭＰａであった。このことは、通常の電子ビーム 蒸着により形成された比較シリコン膜において生じた400ＭＰａの応力と比較し て、著しく応力が減少したことを示している。この応力の減少のために、本発明 の方法により、これまで可能であったよりも厚いシリコン膜をシリカ層上に形成 することができる。そこで、例えば、亀裂を形成せずに、シリカ層上に２μｍ厚 のシリコン層を形成することができる。これにより、その後のリアクティブイオ ンエッチングによるシリカのパターン形成のために、シリカ上に厚いシリコンマ スク（１μｍ以上）を形成することができる。 ここで、図２を参照して、リアクティブイオンエッチングによりシリカ層にパ ターンを形成する典型的なプロセスであって、本発明による方法によりシリコン マスク層を形成する工程を含むプロセスを説明する。 図２Ａは、従来の技術により製造されたシリカ層で被覆されたシリカウエハ10 を示している。エッチングマスクを蒸着することを意図した表面は、いつものよ うに調製される。次に、図２Ｂに示したように、シリコン層40が、図１に関して 記載したように、シリカ層上に蒸着される。シリカの強腐蝕が必要とされる場合 には、このシリコン層40は、１μｍ厚以上であってもよい。次に、図２Ｃおよび ２Ｄにそれぞれ示したように、フォトレジスト50でシリコン層40が被覆され、次 いで、このフォトレジストが、その下にあるシリコン層の選択された区域を露出 するように露光され、現像される。シリコン層の露出された部分は、例えば、Ｓ Ｆ₆を用いたリアクティブイオンエッチングにより腐蝕除去され（図２Ｅ）、次 いで、フォトレジストの残りの部分が酸素プラズマ灰化により除去される（図２ Ｆ）。これで、シリコンマスクが完全に形成された。 基板10の表面に存在するシリカ層は、リアクティブイオンエッチングによりシ リコンマスクを通してエッチングされる（図２Ｇ）。エッチングプロセスの選択 性は、フッ素欠乏プラズマ（水素が豊富または炭素が豊富なプラズマを用いてフ ッ素原子を捕捉することにより達成される）を用いることにより向上させられる 。この目的のための典型的なエッチングガスは、ＣＨＦ₃、Ｃ₂Ｆ₆またはＣ₃Ｆ₈ のようなガスである。一旦シリカ層がエッチングされたら、シリコンマスクの残 りは、例えば、ＳＦ₆を用いたリアクティブイオンエッチングにより除去される （図２Ｈ）。 上述したシリカのパターン形成プロセスにおけるマスクの形成に用いたシリコ ン層40が、本発明の方法により形成された場合、シリカのエッチング工程の選択 性が、約10％向上することが分かった。これは、シリカの強腐蝕を促進させるま た別の要因である。さらに、エッチングの品質が、選択性の増大だけでなく、層 の改良された平滑性（平面性）のためにも改良される。さらに、強腐蝕を必要と する光学部材の製造中、例えば、ウエハ上に形成されたシリカ層の積重体をエッ チングする場合、シリコンマスクを形成する本発明による方法を使用することに より、ウエハの歪みを著しく減少させられることが確認された。これにより、改 良された平面性が得られたおかげで、リソグラフィーの解像度を改良することが できる。 本発明は、マイクロレンズおよび回折格子のような光学素子を含むシリカベー スの光学部材の製造に使用する、比較的厚いシリコンマスクの形成における用途 に特に適している。 本発明を、特に好ましい実施の形態に関して上述してきたが、請求の範囲に定 義された本発明から逸脱せずに、様々な変更および改変を行えることが理解され よう。特に、前記好ましい実施の形態において用いられた物理的成長プロセスは 電子ビーム蒸着であるけれども、代わりに、スパッタリングのような他の物理的 成長プロセスを用いても差し支えない（形成された膜のイオン衝撃と組み合わせ て）。 同様に、本発明の好ましい実施の形態において、衝撃に用いたイオンはアルゴ ンイオンであるけれども、他の可能性もある。例えば、アルゴンの代わりに他の 不活性ガスイオンを用いてもよく、個々にまたは別の不活性ガス（原子の質量が 大きいイオンが好ましい）と混合した他の材料のイオン（水素のような）を前記 不活性ガスのイオンと混合しても差し支えなく、または、ある場合においては、 それら不活性ガスイオンを別の材料のイオンと置き換えても差し支えない。 さらに、上述した実施の形態において、本発明の方法を用いて、シリカ基板の 表面に存在するシリカ層上にシリコン層を形成したけれども、このシリカ層は、 シリコンのような別の材料の基板上に形成しても差し支えない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，Ａ Ｔ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ， ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物理的成長プロセスにより表面にシリコンを蒸着させる工程を含む、該表面 にシリコンの層を形成する方法であって、形成されたシリコン層にイオン衝撃 を行う工程を含むことを特徴とする方法。 ２．下にある表面に意図されたパターンを定義するマスクを形成するように前記 シリコン層にパターンを形成し、該シリコンマスクを通してリアクティブイオ ンエッチングを行い、該シリコンマスクの残りを除去する工程を含むことを特 徴とする請求の範囲第１項記載の方法。 ３．前記エッチング工程に用いられるエッチングガスが、フッ素化炭化水素を含 むことを特徴とする請求の範囲第２項記載の方法。 ４．前記表面がシリカまたはドープトシリカの層にあり、前記シリコン層が１μ ｍ以上の厚さに形成されることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項いず れかに記載の方法。 ５．前記物理的成長プロセスが、電子ビーム蒸着であることを特徴とする請求の 範囲第１項から第４項いずれかに記載の方法。 ６．前記イオン衝撃工程か、アルゴンイオンを用いた衝撃を含むことを特徴とす る請求の範囲第１項から第５項いずれがに記載の方法。 ７．前記シリコン蒸着工程の最中に、前記表面へのイオンおよびケイ素原子の到 達率の比が１：10より大きいことを特徴とする請求の範囲第６項記載の方法。 ８．前記シリコン蒸着工程の最中に、前記表面へのイオンおよびケイ素原子の到 達率の比が２：10以上であることを特徴とする請求の範囲第７項記載の方法。 ９．前記イオン衝撃工程に用いられるイオンのエネルギーが、50-100ｅＶの範囲 にあることを特徴とする請求の範囲第１項から第８項いずれかに記載の方法。 10．請求の範囲第１項から第９項いずれかに記載の方法により表面に蒸着された シリコンの層を備えた製品であって、該シリコン層における応力が、その厚さ の１μｍ当たり200ＭＰａ以下であることを特徴とする製品。