JP2004107765A

JP2004107765A - シリコン表面および金属表面の処理方法

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Publication number: JP2004107765A
Application number: JP2002274564A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Toyoda; 豊田　宏; Takashi Yotsuya; 四谷　任; Hisao Kikuta; 菊田　久雄
Original assignee: Osaka Prefecture; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Osaka Prefecture
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】光学材料としても金型の原体としても好適なシリコンの表面に、側面の傾斜が大きい錐体状の凸部を有する凹凸を形成する方法、および、金型として直接利用し得る金属の表面に、側面の傾斜が大きい錐体状の凹部を有する凹凸を形成する方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板（２０）の表面に、シリコンよりもエッチング速度の遅い材料を用いて、２次元配列状にマスク（１０）を設け、マスクが消失するまで反応性イオンエッチングを行う。また、ニッケル基板の表面に、ニッケルよりもエッチング速度の遅い材料を用いて、２次元配列の開口を有するようにマスクを設け、隣り合う開口が接するまで物理エッチングを行う。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン表面および金属表面をエッチングによって処理する方法に関し、例えば、反射を抑えた光学素子の作製に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
光を透過させる光学素子では、反射を抑えるために、屈折率の異なる誘電体を積層した反射防止膜を表面に設けることが行われている。しかし、広い波長範囲にわたって反射率を低くするためには、層厚や屈折率を違えて誘電体を多層積層する必要があり、作製に長時間を要し、コストも高くなる。
【０００３】
そこで、光学素子の表面に傾斜面を有する微小な凹凸を形成することにより、反射を抑えることが行われるようになっている。一般に、凹凸が形成されていないときの光の表面反射は、入射側の媒質（空気）と光学素子との間で屈折率が急激に変化することよって生じる。光学素子の表面に傾斜した凹凸が存在すると、屈折率は光が凹凸の高低差の距離を進む間に空気の屈折率１から光学素子の屈折率ｎへと次第に変化することになって、屈折率の急激な変化が抑えられ、これにより、反射が抑えられる。凹凸の配列ピッチＰが光の波長λを光学素子の屈折率ｎで割った値以下（Ｐ≦λ／ｎ）のとき、凹凸は波長がλ以上の光に対しては回折格子として作用せず、光学素子はその凹凸の配列ピッチによって定まる波長以上の全ての光に対して、反射防止効果を有する。
【０００４】
屈折率の変化を緩やかにするためには、凹凸の高低差が大きいほどよく、また、反射を防止する波長の下限を下げるためには、凹凸の配列ピッチは小さいほどよい。したがって、凹凸のアスペクト比（凸部の幅に対する高さの比）はできるだけ大きいことが望ましい。また、平坦な部位つまり傾斜していない部位は、屈折率を急激に変化させることになるので、平坦な部位はできるだけ少ないのがよい。
【０００５】
固体の表面に傾斜面を有する凹凸を形成する方法はいくつかあるが、従来の方法では、斜面の傾斜を大きくすることは難しく、特に、アスペクト比を１以上とするのは非常に困難であった。また、凸部の先端が平坦または平坦に近い形状となり易く、凸部の先端を尖らせることはできなかった。このため、反射を抑えるために望ましい上記の条件は十分に満たされていなかった。
【０００６】
そこで、本出願人は、処理対象物の表面に、処理対象物よりもエッチング速度が遅い材料を用いて２次元配列のマスクを設け、マスクが消失するまでエッチングを行う方法を提案した（特願平１２−８８５２４号）。この方法では、処理対象物の表面のうちマスクに覆われていない露出した部分からエッチングが始まり、処理対象物の凹部が深くなりながら、次第にマスクが小さくなって露出した部分が広がっていき、凹部の最深部と凸部の先端との間に傾斜の大きな斜面が形成される。最終的には、マスクは消失し、凸部の先端は尖って、凸部は錐体となる。この方法によれば、アスペクト比を１以上とすることは容易であり、また、凸部の先端が平坦になるのを確実に避けることができる。したがって、反射を抑えた光学素子の作製に好適である。
【０００７】
【特許文献】特願平１２−８８５２４号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特願平１２−８８５２４号にて提案した方法は、代表的な光学材料であるガラスをはじめ、あらゆる固体の表面処理に適用可能である。また、この方法で金型材料を処理して金型を作製し、その金型を用いる成形によって錐体状の凹部を有する物体を量産することもできる。
【０００９】
しかし、この方法は、錐体状の凸部を表面に設けたい物体そのものを対象として処理を施すこと、または、金型を経る成形により錐体状の凹部を有する物体を作製することを主たる目的としており、金型を経る成形により錐体状の凸部を有する物体を量産するためには、工程数を増す必要がある。すなわち、錐体状の凸部を有する金型原体を作製しておき、この原体の形状を転写して錐体状の凹部を有する金型を作製しなければならない。金型原体としては、表面処理が容易であるだけでなく、形状転写後に金型からの分離が容易なものを用いる必要がある。
【００１０】
本発明は、光学材料としても金型の原体としても好適なシリコンの表面に、側面の傾斜が大きい錐体状の凸部を有する凹凸を形成する方法を提供することを目的とする。また、金型に直接利用し得る金属の表面に、側面の傾斜が大きい錐体状の凸部を有する凹凸を形成する方法を提供することを目的とする。さらに、金型として直接利用し得る金属の表面に、側面の傾斜が大きい錐体状の凹部を有する凹凸を形成する方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、シリコンの表面にマスクを設けておき、エッチングによってシリコンの露出している表面を処理する方法において、シリコンよりも遅い速度でエッチングされる材料から成るマスクを、２次元配列を成すように複数設けて、マスクが所定の大きさになるまで反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うようにする。この方法は上記の方法を応用したものであり、アスペクト比の大きい凸部をシリコンの表面に形成することができる。
【００１２】
ここで、マスクが消失するまでエッチングを行うようにするとよい。凸部を先端の尖った錐体とすることができて、処理後のシリコンそのものを光学素子として用いるときも、これを金型として用いて光学素子を作製するときも、これを原体として金型を作製し、その金型を用いて光学素子を作製するときも、反射を抑えた光学素子が得られる。
【００１３】
エッチングガスとしてフッ素系のガスまたは塩素ガスを用いるとよい。アスペクト比の大きい凸部を容易にかつ短時間で形成することができる。
【００１４】
この場合、マスクとしては、金属を用いることができる。また、レジストを用いることもできる。
【００１５】
マスクとして金属を用いる場合、マスクの厚さを１０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下とするとよい。薄すぎると、所定の大きさになるまでに厚さ方向のエッチングによってマスクが消滅し、逆に、厚すぎると、マスクの大きさの減少に長時間を要する。マスクの厚さをこの範囲内にすることで、所定の大きさになるまでマスクを存在させることと、処理能率を高くすることの両立が容易になる。
【００１６】
マスクの配列方向に沿う各マスクの大きさを、配列ピッチの２５％以上かつ９５％以下とするとよい。配列ピッチに対するマスクの大きさの比が小さすぎると、マスクが所定の大きさになったときに、凹部の最深部が平坦になり易くなる。逆に大きすぎると、エッチング開始時のシリコン表面の露出面積が小さくなって、エッチングに長時間を要する。配列ピッチに対するマスクの大きさを上記の範囲とすることで、凹部の最深部において傾斜面を接し合わせることと、処理能率を高くすることの両立が容易になる。
【００１７】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、金属の表面にマスクを設けておき、エッチングによって金属の露出している表面を処理する方法において、当該金属よりも遅い速度でエッチングされる材料から成るマスクを、２次元配列を成すように複数設けて、マスクが所定の大きさになるまで物理エッチングを行うようにする。この方法も前述の方法を応用したものであり、アスペクト比の大きい凸部を金属の表面に形成することができる。
【００１８】
ここで、マスクが消失するまでエッチングを行うようにするとよい。凸部を先端の尖った錐体とすることができて、処理後の金属を金型として用いて光学素子を作製するときに、反射を抑えた光学素子が得られる。
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明ではさらに、金属の表面にマスクを設けておき、エッチングによって金属の露出している表面を処理する方法において、当該金属よりも遅い速度でエッチングされる材料から成るマスクを、２次元配列の複数の開口を有するように設けて、マスクの開口が所定の大きさになるまで物理エッチングを行うようにする。
【００２０】
この方法では、金属の表面のうちマスクの開口内に露出した部分からエッチングが始まり、金属の凹部が深くなりながら、次第にマスクの開口が大きくなって露出した部分が広がっていき、凹部の最深部とマスクの下の凸部の先端との間に傾斜の大きな斜面が形成される。この方法でも、アスペクト比を１以上とすることは容易である。凸部は凹部を囲む連続した形状となり、処理後の金属を金型として用いることで、錐体状の凸部を表面に有する光学素子を得ることが可能である。
【００２１】
ここで、マスクの隣り合う開口が接するまでエッチングを行うようにするとよい。凸部の先端を尖らせることができ、金型として用いて光学素子を作製したときに、光学素子の錐体状の凸部の先端を尖らせるとともに、凹部の最深部において傾斜面が接する形態とすることができるようになる。
【００２２】
金属の表面を処理する場合、エッチングガスとしてアルゴンガスを用いるとよい。アスペクト比の大きい凸部を容易にかつ短時間で形成することができる。
【００２３】
この場合、マスクとしては、処理対象の金属以外の金属を用いることができる。また、レジストを用いることもできる。さらに、金属酸化物を用いることも可能である。
【００２４】
処理対象の金属は、ニッケルまたはニッケル合金とすることができる。ニッケルおよびその合金は、光学材料を成形した後の分離が容易であり、光学材料の金型の材料として適する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施の形態の説明に先立ち、本発明の原理について説明する。反応性イオンエッチングにおいては、角張った部分に電場が集中して、その部分が選択的にエッチングされ易い。これはエッジ効果と呼ばれる現象であり、エッチングされ得る材料でマスクを形成する場合は、マスクの縁にもエッジ効果が現れる。
【００２６】
マスクが処理対象物と同程度の速度でエッチングされる場合のエッジ効果の様子を図９に模式的に示す。この場合、最初、マスクＭの縁の部分が選択的にエッチングされるが、その後、処理対象物Ｓも略同じ速度でエッチングされて、マスクＭの端面と処理対象物Ｓの側面の成す角が１８０゜に近くなる。縁がこのようになると、もはやエッジ効果は現れず、マスクは厚さ方向にエッチングされるのみとなる。処理対象物は、深さ方向にのみエッチングされることになり、凸部と凹部の間は、上端付近を除き、ほとんど垂直な面となる。
【００２７】
マスクが処理対象物よりも遅い速度でエッチングされる場合のエッジ効果の様子を図１０に模式的に示す。この場合は、処理対象物が相対的に高速でエッチングされるため、マスクＭの端面と処理対象物Ｓの側面との成す角が１８０゜近くになることはなく、エッジ効果は継続して現れる。したがって、マスクＭの大きさは次第に減少していき、これに伴って、処理対象物Ｓのエッチングは、深さ方向に加えて横方向に進行する。その結果、処理対象物Ｓの凹部と凸部の間には傾斜面が現れる。本発明は、これを利用したものである。
【００２８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態は、処理対象物をシリコン（Ｓｉ）の板（以下、シリコン基板という）とし、その表面に錐体状の凸部を２次元配列に設けるものである。本実施形態でシリコン基板の表面に設けるマスクのパターンを図１に模式的に示す。マスク１０は円形とし、一定のピッチで２次元に配列する。すなわち、シリコン基板に形成する凸部は円錐形である。なお、マスク１０の配列ピッチをＰで表し、マスクＭの直径をＤで表す。
【００２９】
マスク１０の形成過程を図２に模式的に示す。まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板２０の表面に、ポジ型の電子レジスト５１を約３００ｎｍの厚さでスピンコートし、矢印で示した電子線５２によって、直径１２５ｎｍの円形を、ピッチ２５０ｎｍの２次元配列で描画する。これらの直径およびピッチが、マスク１０の直径Ｄおよび配列ピッチＰとなる。
【００３０】
次いで、図２（ｂ）に示すように、描画した円形の部分を現像により除去する。さらに、図２（ｃ）に示すように、Ｃｒ、Ａｌ等の金属５３を約５０ｎｍの厚さで蒸着する。このとき、レジスト５１が除去されて露出したシリコン基板２０の表面と、残存するレジスト５１の上に、金属５３が蒸着される。最後に、リフトオフ法によって、レジスト５１と共にレジスト５１上の金属５３を除去する。これで、図２（ｄ）に示すように、シリコン基板２０上にのみ金属５３が残り、これがマスク１０となる。
【００３１】
マスク１０の厚さは、１０〜１０００ｎｍの範囲内とするのが好ましい。マスク１０が薄すぎると、マスク１０の直径があるうちに、厚さ方向のエッチングによってマスク１０が消滅して、シリコン基板２０の凸部が円錐ではなく円錐台になる。また、逆にマスク１０が厚すぎると、マスク１０の直径の減少速度が遅くなり、処理能率が低下する。マスク１０の厚さを１０〜１０００ｎｍの範囲内とすることで、シリコン基板２０の凸部を確実にかつ速やかに円錐形とすることができる。
【００３２】
マスク１０の縁の断面形状に制約はなく、図２（ｄ）に示したように、矩形になっていてもかまわない。
【００３３】
上記のように表面にマスク１０を設けたシリコン基板２０を反応性イオンエッチングに付したときの、エッチングの進行の様子を図３に模式的に示す。ここで、（ａ）は、エッチングがある程度進行した状態を表しており、（ｂ）はエッチングがさらに進行した状態を表している。また、（ｃ）は、マスク１０の直径が次第に減少して、最終的にマスク１０が消失したときの状態を表している。図３（ａ）に示すように、各凸部の側面は、エッチングがある程度進行した時点で、隣の凸部の側面と一定の角度で交わり、この状態は、図３（ｂ）、（ｃ）に示したように、マスク１０が消失するまで保たれる。なお、図３（ｃ）に示した凸部のピッチＰに対する、凸部の高さ（凸部の最上部と凹部の最下部との高低差）Ａの比Ａ／Ｐが、アスペクト比である。
【００３４】
エッチング終了後のシリコン基板２０を図４の斜視図に模式的に示す。４つの凸部に囲まれた部分および周辺部を除き、シリコン基板２０の表面は円錐の側面すなわち傾斜面を成す。
【００３５】
本実施形態で行う反応性イオンエッチングには、プラズマを発生させるための高周波導入部と、イオンを基板に引き込むための高周波導入部とが独立に存在する高密度プラズマエッチング装置が好適である。その例を図５に模式的に示す。
【００３６】
このような高密度プラズマエッチング装置では、シリコン基板２０が直接プラズマに曝されることがなく、マスク１０の厚さ方向のエッチング速度に対するシリコン基板２０のエッチング速度の比を、大きくすることができる。また、通常のエッチング装置よりも低真空でのエッチングが可能であるため、エッチングの指向性が高く、シリコン基板２０に形成する錐体形状をより良好にすることができる。さらに、エッチング中にマスク１０の直径を減少させていくためのイオンをシリコン２０基板側に十分に引き込むことができるため、マスク１０の厚さが１０ｎｍ以上であっても、その直径を徐々に減少させることが可能であり、得られる円錐のアスペクト比を大きくすることができる。
【００３７】
エッチングは、具体的には以下のようにして行う。まず、高密度プラズマエッチング装置１００の真空チャンバー１０１の底面１０１ａに、マスク１０を形成した表面が上向きになるようにシリコン基板２０を配置し、真空チャンバー１０１内のガスをバルブ１０３を介して排気ポンプ１０４によって排出する。そして、真空チャンバー１０１上部のガス導入口１０１ｂから反応性ガス（エッチングガス）を導入し、高周波導入部１０５によって、真空チャンバー１０１の周囲に巻いたコイル１０６から高周波を発生させて、真空チャンバー１０１内に反応性ガスのプラズマを生成させる。
【００３８】
一方、高周波導入部１０７によって、インピーダンスを整合させるための整合器１０８を介して、シリコン基板２０を保持する電極１０９に高周波を印加する。ここで、発生した自己バイアスにより、真空チャンバー１０１内のイオンがシリコン基板２０に引き込まれるようになり、シリコン基板２０の垂直方向のエッチングが促進される。
【００３９】
反応性ガスとしては、ＣＦ_４とＣＨ_２Ｆ_２とを所定の割合で混合したものを用いることができる。この場合のエッチング条件の例を表１に示す。
＜表１＞
ガス圧：０．８Ｐａ
アンテナパワー：１５００Ｗ
バイアスパワー：２００Ｗ
ＣＦ_４／ＣＨ_２Ｆ_２：５１ｓｃｃｍ／３ｓｃｃｍ
エッチング時間：４５ｓｅｃ
【００４０】
ここで、アンテナパワーとは、プラズマを生成するために装置１００のアンテナ（不図示）に印加する高周波の電力であり、バイアスパワーとは、シリコン基板２０にプラズマ中のイオンを引き込むために電極１０９に印加する高周波の電力である、また、単位ｓｃｃｍは　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｃｕｂｉｃ　ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ　ｐｅｒ　ｍｉｎｕｔｅ　を表す。
【００４１】
反応ガス中のＣＨ_２Ｆ_２の混合割合は、５〜６０％の範囲内で調整することができる。ＣＨ_２Ｆ_２の濃度が低すぎると、シリコン基板２０に形成する凸部のテーパー角度（円錐の頂角）が大きくなって、アスペクト比を１以上にすることが困難になる。逆に、ＣＨ_２Ｆ_２の濃度が高すぎると、シリコン基板２０の隣り合う凸部の側面が斜面のままで交差せず、凹部の底が、図３に示したＶ字状ではなく、Ｕ字状になり易くなる。ＣＨ_２Ｆ_２の混合割合を５〜６０％とすることで、凸部のアスペクト比が高く凹部の最深部も尖った表面形状を得ることができる。
【００４２】
マスク１０の直径Ｄと配列ピッチＰの関係は、十分に考慮して設定する必要がある。原理上、マスク１０は互いに離間している必要があるが、単にマスク１０を離間させるだけでは、マスク１０の面積が小さくなりすぎて、凸部の高さＡが小さくなったり、４つの凸部に囲まれた平坦な部分の面積が大きくなったりするからである。実験を重ねた結果、マスク１０の配列ピッチＰに対するマスク１０の直径Ｄの割合を２５％以上とすれば、そのような事態は生じないことが判明した。
【００４３】
表１に示した条件でエッチングを行うことにより、高さＡが４４４ｎｍの円錐が得られている。前述のように、凸部の配列ピッチ（マスク１０の配列ピッチ）Ｐは２５０ｎｍであり、したがって、アスペクト比Ａ／Ｐは１．７８である。
【００４４】
このシリコン基板２０における光の波長と反射率の関係を図６に示す。図６には、比較のために、表面処理をしないシリコン基板における光の波長と反射率の関係も示している。実線で表した曲線ａが表１の条件で処理したシリコン基板２０ものであり、点線で表した曲線ｂが表面処理をしないシリコン基板のものである。表面処理をしない場合は、４００〜８００ｎｍの波長範囲において、反射率が３０〜５０％となるのに対し、本実施形態に従って表面処理を行うと、４００〜８００ｎｍの波長範囲の全体にわたって、反射率を２０％以下に抑えることができる。特に、５５０ｎｍ付近の波長では、反射率は５％以下と非常に小さくなる。
【００４５】
このように表面を処理したシリコン基板２０は、光を透過させる光学素子として好適である。例えば、処理をしていない方の表面を曲面とすることで、反射の少ないレンズとすることができる。また、あらかじめ不純物をドープしてシリコン基板２０をｐ型またはｎ型としておくことで、太陽電池の受光側の部材として利用することも可能である。処理を施した表面から光を入射させることで、反射が抑えられて、ｐｎ接合部に達する光の量を大きく増大させることができ、発電効率に優れた太陽電池が得られる。
【００４６】
表面を処理したシリコン基板２０から金型を作製することもできる。次のように行えば、金型の作製は容易である。まず、処理を施した表面にニッケル（Ｎｉ）の膜を電解メッキによって堆積させる。そして、その上に金型材料を流し込んで固化させる。次いで、アルカリ溶液でシリコン基板２０を溶解させて除去する。これで、ガラス、樹脂等の光学材料に対して離型性の高いニッケルを表面に有する金型が得られる。なお、この金型を用いて作製した光学素子は、シリコン基板２０と同じ円錐形の凸部を表面に有することになる。
【００４７】
本実施形態では、マスク１０を円形として凸部を円錐とする例を示したが、マスク１０を多角形として凸部を多角錐とすることもできる。マスク１０を、矩形や、向きの異なる２種の正三角形としておけば、凸部に囲まれた部位が平坦になるのを避けることも可能である。この場合も、マスク１０の配列ピッチに対するマスク１０の大きさの比は、前述のように、２５％以上とするのがよい。さらに、この比は９５％以下とするのが好ましい。配列ピッチに対するマスク１０の大きさの比がこの値を超えると、シリコン基板２０の露出した部分の面積が小さくなり、初期段階でのエッチングの進行速度が遅くなって、能率が低下するからである。
【００４８】
上記の比を２５〜９５％に保てば、マスク１０の配列ピッチは、１００〜３００ｎｍの範囲内で調整することができる。
【００４９】
また、ここでは、マスク１０が消失するまでエッチングを行って凸部を先端の尖った錐体とする例を示したが、マスク１０が残存している間にエッチングを終了して、凸部の形状を円錐台や角錐台としてもよい。ただし、反射を抑えるためには、凸部の形状を円錐や角錐とするのが好ましい。
【００５０】
マスク１０の材料に用いる金属としては、Ｃｒ、Ａｌのほか、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉも採用可能である。また、マスク１０を、金属で作製することに代えて、レジストで作製することもできる。一般に、レジストの反応性イオンエッチングの速度は、シリコンや金属よりも速いが、反応性イオンエッチングの条件の選択次第で、シリコン以下のある程度遅い速度でエッチングすることが可能である。このようなレジストには、ポジ型のＺＥＰ５２０（日本ゼオン製）、ネガ型のＮＥＢ２２（住友化学製）、ＳＡＬ６０１（シプレイ製）等がある。マスク１０をレジストで作製する場合、ネガ型のものを用いるのが、描画を容易にすることができて好ましい。
【００５１】
エッチングの反応性ガスとしては、例示したＣＦ_４とＣＨ_２Ｆ_２の組み合わせに限らず、ＳＦ_６等の他のフッ素系ガスも用いることが可能である。また、Ｃｌ_２ガスも採用することができる。
【００５２】
第２の実施形態について説明する。本実施形態では、処理対象物をニッケル（Ｎｉ）の板（以下、ニッケル基板という）とし、その表面に物理エッチングによって円錐状の凸部を２次元配列に設けるものである。マスクを設けた状態のエッチング処理前のニッケル基板３０を図７に模式的に示す。マスク１０の配列パターンや形成方法は、第１の実施形態と同様である。
【００５３】
エッチングのガスとしてはアルゴン（Ａｒ）を用いる。マスク１０の材料としては、Ｍｏ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｖ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、またはＰｔを用いる。ニッケルとこれらの金属のスパッタ収量（１個のイオンが弾き飛ばす原子の数）を表２に示す。これは、Ａｒのイオンエネルギーが２００ｅＶのときのものである。
【００５４】
＜表２＞
金属　　スパッタ収量
Ｎｉ　　　０．６
Ｍｏ　　　０．２５
Ａｌ　　　０．３５
Ｆｅ　　　０．３５
Ｖ　　　　０．４
Ｔｉ　　　０．３５
Ｗ　　　　０．２
Ｔａ　　　０．３
Ｐｔ　　　０．３
【００５５】
上記の金属のほか、Ａｌ_２Ｏ_３等の金属酸化物や炭素（Ｃ）もマスク１０として用いることができる。Ａｒのイオンエネルギーが５００ｅＶのとき、Ｎｉのスパッタ収量は１．４５、Ｃのスパッタ収量は０．１２であり、Ａｒのイオンエネルギーが１０００ｅＶのとき、Ｎｉのスパッタ収量は２．２１、Ａｌ_２Ｏ_３のスパッタ収量は０．０５である。また、レジストもマスク１０として使用することができる。
【００５６】
物理エッチングにより、ニッケル基板３０の表面に、第１の実施形態で説明した形状と同様の錐体状の凸部を形成することができる。処理後のニッケル基板３０は、金型として利用可能である。この場合、成形によって作製した光学素子は、錐体状の凹部を表面に有することになる。
【００５７】
なお、表２より明らかなように、金属によってスパッタ収量つまりエッチング速度には差があり、スパッタ収量の小さいものをマスクとして用いることで、ニッケル以外の金属でもニッケルと同様に処理することが可能である。また、単体金属に限らず、ニッケルに他の金属を加えたニッケル合金をはじめ、種々の金属の合金を処理することもできる。
【００５８】
第３の実施形態について説明する。本実施形態は、第１、第２の実施形態とは逆に、処理対象物に錐体状の凹部を２次元配列に設けるものである。処理対象物は、第２の実施形態と同様、ニッケル基板である。
【００５９】
本実施形態では、２次元配列の開口を有するようにマスクを形成しておき、エッチングによって開口を次第に大きくしていく。本実施形態におけるマスクの例を図８に模式的に示す。図８（ａ）のマスク１０は円形の開口１０ａを有し、図８（ｂ）のマスク１０は正方形の開口１０（ｂ）を有する。
【００６０】
マスク１０の材料としては、表２に示した金属を用いることもできるが、リフトオフ法によって開口１０ａ、１０ｂの部分の金属を除去するのは困難であるから、レジストを用いるのが好ましい。ポジ型のレジストを用いる場合は、開口１０ａ、１０ｂを描画し、ネガ型のレジストを用いる場合は、開口１０ａ、１０ｂ以外の部分を描画する。
【００６１】
エッチングは、第２の実施形態と同様に、アルゴンをエッチングガスとして用いて行う。
【００６２】
図８（ａ）に示したようにマスク１０の開口１０ａが円形のときは、隣り合う開口が接し合うまでエッチングを行うことにより、図４に示した形状と相補的な形状、つまり、凹部が円錐形（頂点が下で底面が上）の形状を得ることができる。この場合、凸部は凹部を囲むことになり、凸部のうちの４つの凹部で囲まれた部分は平坦になる。
【００６３】
図８（ｂ）に示したようにマスク１０の開口１０ｂが正方形のときは、隣り合う開口１０ｂが接し合うまでエッチングを行うことにより、凹部が正四角錐（頂点が下で底面が上）の形状を得ることができる。この場合、隣り合う開口１０ｂが接したときには、マスク１０は全て消失しており、凹部を囲む凸部のどの部位も平坦にはならない。
【００６４】
こうして処理したニッケル基板３０を金型として用いると、第２の実施形態とは逆に、凸部が錐体の成型物が得られる。なお、第２の実施形態と同様に、本実施形態の方法は、ニッケル以外の金属や種々の合金の処理にも適用することができる。
【００６５】
【発明の効果】
シリコンの表面にマスクを設けておき、エッチングによってシリコンの露出している表面を処理する方法において、本発明のように、シリコンよりも遅い速度でエッチングされる材料から成るマスクを、２次元配列を成すように複数設けて、マスクが所定の大きさになるまで反応性イオンエッチングを行うようにすると、アスペクト比の大きい凸部をシリコンの表面に容易に形成することができる。処理後のシリコンは、そのまま光学素子として用いることができる上、作製した金型からの除去が容易な金型原体としても用いることができる。
【００６６】
金属の表面にマスクを設けておき、エッチングによって金属の露出している表面を処理する方法において、本発明のように、当該金属よりも遅い速度でエッチングされる材料から成るマスクを、２次元配列を成すように複数設けて、マスクが所定の大きさになるまで物理エッチングを行うようにすると、アスペクト比の大きい凸部を金属の表面に容易に形成することができる。処理後の金属は、アスペクト比の大きい錐体状の凹部を表面に有する光学素子の金型として、好適である。
【００６７】
また、金属の表面にマスクを設けておき、エッチングによって金属の露出している表面を処理する方法において、本発明のように、当該金属よりも遅い速度でエッチングされる材料から成るマスクを、２次元配列の複数の開口を有するように設けて、マスクの開口が所定の大きさになるまで物理エッチングを行うようにすると、アスペクト比の大きい錐体状の凹部を金属の表面に形成することができる。処理後の金属は、アスペクト比の大きい錐体状の凸部を表面に有する光学素子の金型として、好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態においてシリコン基板の表面に設けるマスクの例を模式的に示す平面図。
【図２】第１の実施形態におけるマスクの形成過程を模式的に示す断面図。
【図３】第１の実施形態におけるシリコン基板のエッチングの進行の様子を模式的に示す断面図。
【図４】第１の実施形態におけるエッチング終了後のシリコン基板を模式的に示す斜視図。
【図５】各実施形態で用いる高密度プラズマエッチング装置の構成を模式的に示す図。
【図６】第１の実施形態で処理したシリコン基板における光の波長と反射率の関係（ａ）と、無処理のシリコン基板における光の波長と反射率の関係（ｂ）を示す図。
【図７】第２の実施形態におけるマスクを設けた状態のニッケル基板を模式的に示す断面図。
【図８】第３の実施形態においてニッケル基板の表面に設けるマスクの例を模式的に示す平面図。
【図９】マスクが処理対象物と同程度の速度でエッチングされる場合のエッジ効果の様子を模式的に示す図。
【図１０】マスクが処理対象物よりも遅い速度でエッチングされる場合のエッジ効果の様子を模式的に示す図。
【符号の説明】
１０　　マスク
１０ａ、１０ｂ　開口
２０　　シリコン基板
３０　　ニッケル基板
５１　　電子レジスト
５２　　電子線
５３　　金属
１００　　高密度プラズマエッチング装置

Claims

シリコンの表面にマスクを設けておき、エッチングによってシリコンの露出している表面を処理する方法において、
シリコンよりも遅い速度でエッチングされる材料から成るマスクを、２次元配列を成すように複数設けて、
マスクが所定の大きさになるまで反応性イオンエッチングを行うことを特徴とするシリコン表面の処理方法。
マスクが消失するまでエッチングを行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン表面の処理方法。
エッチングガスとしてフッ素系のガスまたは塩素ガスを用いることを特徴とする請求項１に記載のシリコン表面の処理方法。
マスクとして金属を用いることを特徴とする請求項３に記載のシリコン表面の処理方法。
マスクとしてレジストを用いることを特徴とする請求項３に記載のシリコン表面の処理方法。
マスクの厚さを１０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下とすることを特徴とする請求項４に記載のシリコン表面の処理方法。
マスクの配列方向に沿う各マスクの大きさを、配列ピッチの２５％以上かつ９５％以下とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコン表面の処理方法。
金属の表面にマスクを設けておき、エッチングによって金属の露出している表面を処理する方法において、
当該金属よりも遅い速度でエッチングされる材料から成るマスクを、２次元配列を成すように複数設けて、
マスクが所定の大きさになるまで物理エッチングを行うことを特徴とする金属表面の処理方法。
マスクが消失するまでエッチングを行うことを特徴とする請求項８に記載の金属表面の処理方法。
金属の表面にマスクを設けておき、エッチングによって金属の露出している表面を処理する方法において、
当該金属よりも遅い速度でエッチングされる材料から成るマスクを、２次元配列の複数の開口を有するように設けて、
マスクの開口が所定の大きさになるまで物理エッチングを行うことを特徴とする金属表面の処理方法。
マスクの隣り合う開口が接するまでエッチングを行うことを特徴とする請求項１０に記載の金属表面の処理方法。
エッチングガスとしてアルゴンガスを用いることを特徴とする請求項８または請求項１０に記載の金属表面の処理方法。
マスクとして当該金属以外の金属を用いることを特徴とする請求項１２に記載の金属表面の処理方法。
マスクとしてレジストを用いることを特徴とする請求項１２に記載の金属表面の処理方法。
マスクとして金属酸化物を用いることを特徴とする請求項１２に記載の金属表面の処理方法。
ニッケルまたはニッケル合金の表面を処理することを特徴とする請求項８または請求項１０に記載の金属表面の処理方法。