JP2004268206A - Wet etching method of processing object substrate - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工基板の湿式エッチング方法に関し、特に、集束イオンビーム(FIB)と湿式エッチングとを組み合わせて微細な立体構造物を作製する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
単結晶シリコンの表面に集束イオンビームを照射するとエッチング液に対するエッチング性が変化することが知られており、この性質を利用してリソグラフィ技術を用いることなく、単結晶シリコンを選択的にエッチングする方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。この方法は、集束イオンビーム照射領域にマスキング効果が発現されることを利用してエッチングを行って平面的なパターンを得る手法であり、この方法では、立体的な形状を有する構造物を形成することはできなかった。
一方で、マイクロレンズ、回折格子を用いるマイクロ光学系やMEMS(micro electro mechanical system)の分野においては、異なる高さを有する構造物や高さの変化する立体的構造物を形成することが求められている。この種構造物の従来の製造方法は、グレイスケールマスク(異なる紫外線透過率領域を有するマスク)を用いて露光を行い、現像して被加工物上に厚さの変化するフォトレジスト膜を形成し、ドライエッチングを行ってフォトレジストの形状を被加工物に転写するものである(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【非特許文献1】
Jpn. J. Phys. Vol. 39(2000) pp.2186−2188
【特許文献1】
特開2003−15275号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述したグレイスケール露光法を用いる方法では、複雑な形状のグレイスケールマスクが必要となる外、フォトリソグラフィを用いるものであるため、多くの工数がかかり、結果として製品のコストアップを招いてしまう。
本発明の課題は、少ない工数により高さの異なる、若しくは、高さの変化する立体構造を形成できるようにすることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明によれば、照射条件の異なる集束イオンビームを被加工基板上に照射し、湿式エッチングを行って被加工基板上に集束イオンビーム照射条件に応じてエッチング深さの異なる加工物を形成することを特徴とする被加工基板の湿式エッチング方法、が提供される。
【0006】
また、上述した課題を解決するため、本発明によれば、照射条件の異なる集束イオンビームを被加工基板上に照射し、湿式エッチングを行って被加工基板上に集束イオンビーム照射の有無および集束イオンビーム照射条件に応じてエッチング深さの異なる加工物を形成することを特徴とする被加工基板の湿式エッチング方法、が提供される。
そして、好ましくは、集束イオンビームの異ならせる照射条件は、ドーズ量、ドットピッチ、加速電圧の中の一種または複数種である。
また、好ましくは、エッチング時間をコントロールすることにより、集束イオンビーム照射条件の異なる領域間のエッチング深さの差を制御する。
【0007】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
以下の実施の形態では、単結晶シリコン基板を使用した例について説明する。図1は、本発明の実施の形態の処理の流れを示す図である。第1ステップS1では、単結晶シリコン基板の(100)面に部分的にSiO2マスクを形成し、このSiO2マスクの形成されていない領域に選択的にFIBを照射する。その際に、形成すべき凸部の高さに応じてFIBのドーズ量、ドットピッチ、加速電圧を調整する。FIBのイオン種としてはGa+、Si2+等が用いられる。このFIB照射により後述するようにFIB照射部にはエッチング液に対するマスキング効果が発現される。このマスキング効果はFIB照射条件により変化する。第2ステップS2では、バッファードフッ酸(BHF)で処理して基板表面に形成された自然酸化膜を除去する。第3ステップS3において、流水洗浄を行った後、第4ステップS4において、純水、アセトンを用いた超音波洗浄を行う。第5ステップS5では、超音波振動を加えたKOH水溶液に浸漬して単結晶シリコン基板のFIB照射面をエッチングする。このKOH水溶液にはIPA(イソプロピルアルコール)が添加されており、その水温は室温(24℃)程度である。その後、確認のために、第6ステップS6において、AFM(原子間力顕微鏡)により形成された段差を観測する。
【0008】
エッチング処理終了後の断面図を図2に示す。この図に関連して説明される用語の意味は、以降の図においても共通に用いられる。単結晶シリコン基板1の表面には選択的にSiO2マスク2が形成されており、この部分はエッチングが行われず、その基板面が基準面3となる。非照射部はh1だけエッチングされる。このh1は基準面高さを与えると共にこれに基づいてその領域のエッチレートが算出される。FIB照射部はh2だけエッチングされており、このh2に基づいてこの領域のエッチレートが算出される。h1とh2との差h3がFIB照射部の凸状構造の高さとなる。この凸状構造高さは、FIB照射条件やエッチング処理時間を変化させることにより制御することができる。
【0009】
〔マスキング効果のドーズ量依存性〕
マスキング効果のドーズ量依存性を検証するために、ドーズ量を変化させて凸状構造の高さを測定し、エッチレートを算出した。結果を図3(a)、(b)に示す。照射イオン種はGa+、加速電圧は30kVである。また、エッチャント(KOH)の濃度は20wt%、エッチング処理時間は5分である。
図3より、ドーズ量が0.5C/cm2まではドーズ量の増加に伴ってエッチレートは直線的に低下し、ドーズ量が1.0C/cm2を越えるとエッチレートはほぼ一定となる(飽和状態となる)ことが分かる。
【0010】
〔マスキング効果のドットピッチ依存性〕
マスキング効果のドットピッチ依存性を検証するために、ドットピッチを変化させて凸状構造の高さを測定し、エッチレートを算出した。結果を図4(a)、(b)に示す。照射イオン種はGa+、加速電圧は30kVである。また、エッチャント濃度は20wt%、エッチング処理時間は5分である。
図4より、ドットピッチが150nm以下では、エッチレートは高く、ドットピッチが250nmを越えるとエッチレートはほぼ一定となる(飽和状態となる)ことが分かる。
図5(a)、(b)は、ドットピッチが小さい場合と大きい場合とのエッチング処理終了後の断面図である。ドットピッチが小さい場合にはFIB照射による変質層が均一に広がるため、エッチングも比較的均等に進行する。これに対してドットピッチが大きい場合にはFIB照射による変質層が局所的に強くなるため、エッチングも局所的に抑えられ、図示されるように、マイクロピラミッドが形成される。
【0011】
〔マスキング効果のエッチング処理時間依存性〕
マスキング効果のエッチング処理時間依存性を検証するために、ドーズ量の異なる試料を作成し、エッチング時間と凸状構造高さ、エッチレートとの関係を測定した。結果を図6(a)、(b)に示す。基準面の高さは、エッチング時間1分で45nm、5分で155nm、20分で821nmである。照射イオン種はGa+、加速電圧は30kVである。また、エッチャント濃度は20wt%である。
図6に示されるように、ドーズ量が2.6x10−5/cm2では、エッチング時間が1分経過するとその後は凸状構造高さはほぼ変化なくなり、ドーズ量が1.6x10−4/cm2の場合には、エッチング時間が5分経過するまでは凸状構造高さは増加しその後はその高さはほぼ変化しなくなり、ドーズ量がそれ以上では、エッチング時間が5分以上経過してもなお凸状構造高さは増加するがその増加速度は低下する。すなわち、エッチング時間が増すとエッチングレートは増加するがエッチングレートが増加するまでの時間はドーズ量が多いほど長くなる。。
【0012】
図7(b)は、エッチング時間の経過とエッチング状態との関係を説明するための断面図である。単結晶シリコン基板1のFIB照射部は変質して低エッチレート領域4になされている。エッチングが開始されると、FIB照射部とFIB非照射部の双方がエッチングされるが、低エッチレート領域4はエッチングが遅れ、FIB非照射部に対して凸部が形成される。この状態は、低エッチレート領域4がエッチングし尽くされるまで続き、その間凸状構造の高さは増加し続ける。低エッチレート領域4がエッチングし尽くされるとFIB照射部とFIB非照射部とのエッチレート差はなくなり、凸状構造高さは一定状態を維持する。
低エッチレート領域4のエッチレートは、図6(b)にも示されるように、ドーズ量の増加に連れて低下する。図7(a)は、図6(a)に基準面高さを追加記入したものである。いずれのドーズ量の場合にも、低エッチレート領域は基準面(基板表面)から35nm程度エッチングされるまでは高いエッチング耐性を示しこれを越えるとエッチングレートは上昇する。このことから、上記のFIB照射条件のもとではエッチング耐性の高い領域は深さ35nm程度までのところに形成されると推定される。
【0013】
〔マスキング効果の加速電圧依存性〕
マスキング効果の加速電圧依存性を検証するために、加速電圧とドーズ量を変化させてFIB照射を行い、凸状構造の高さを測定した。結果を図8(a)、(b)に示す。照射イオン種はSi+2、加速電圧は20〜30kVである。また、エッチャント濃度は20wt%、エッチング処理時間は5分である。
図8より、20〜30kVの加速電圧の範囲では加速電圧の上昇に伴って凸状構造高さが低減する。この現象は、加速電圧の上昇に伴ってマスキング効果の発現される領域の深さが深くなることに由来するものと推測される。また、単結晶シリコンにSi+2を注入してマスキング効果が発現されることからマスキング効果の要因の一つが結晶性の乱れにあるものと推定される。
図9(a)に示すように、単結晶シリコン基板1上に、中央部で加速電圧が低く周辺部で加速電圧が高くなる条件でFIBを照射して椀を伏せた形状のイオン注入領域5を形成してエッチングを行うと、基板上にドーム6を形成することができる。また、図9(b)に示すように、同一領域に加速電圧を変えて複数回のFIB照射を行い深さ方向に複数のイオン注入領域5を形成してエッチングを行うと、一番上のイオン注入領域5のマスキング効果により凸状構造が形成される。エッチングを続けるとやがて一番上のイオン注入領域がエッチングされてしまうが、続いて2番目のイオン注入領域がマスクとして機能し、凸状構造がより高く形成される。このように、上から順次イオン注入領域5がエッチングされても次々と新しいイオン注入領域が現れそれぞれによってマスキング効果が発現されるため、結果として単結晶シリコン基板1上に高アスペクト比凸状構造7を形成することができる。
図9(b)には、高アスペクト比凸状構造7を1本形成する例が示されているが、複数の領域にそれぞれ加速電圧を変えて複数回のFIB照射を行って複数本の高アスペクト比凸状構造7を形成するようにしてもよい。また、複数の領域の内ある領域に対しては、他の領域とFIB照射回数、加速電圧のいずれか一方またはその両方が異ならせることにより、ある領域と他の領域とで形成される加工物の高さを異ならせるようにしてもよい。
【0014】
【実施例】
図10は、本発明の一実施例を示す、エッチング前の斜視図とエッチング後の断面図である。図10(a)に示されるように、単結晶シリコン基板1の(100)面の50μmx50μmの領域にドーズ量:2.7x10−3C/cm2のGa+を、30μmx30μmの領域にドーズ量:9.1x10−3C/cm2のGa+を、10μmx10μmの領域にドーズ量:69.1x10−3C/cm2のGa+を、ビーム電流:10pAで照射した。超音波振動の加えられた、IPAを飽和状態に添加した20wt%KOH水溶液に6分間浸漬してエッチングを行った。段差は下部より、10nm、20nm、90nmであった。
また、ドーズ量を連続的に変化させることにより、ドーム状の凸部を形成することができた。
【0015】
以上好ましい実施の形態、実施例について説明したが、本発明はこれら実施の形態、実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、被加工基板は単結晶シリコンに代えて、GaAsやInPなどの化合物半導体やAl、Feなどの金属であってもよい。また、照射イオン種は、母材と同じ材料であってもよくまたその他の材料であってもよい。また、エッチング液についても例えば単結晶シリコンに対してヒドラジンやNaOH水溶液を用いてもよく、他の基板材料についても一般的に知られているエッチャントは適宜採用することができる。また、エッチング法も浸漬法に代えてスプレイ法を用いてもよい。
【0016】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、被加工基板上に照射条件を異ならせてFIBを照射した後、湿式エッチングを行って被加工基板表面に凹凸を形成するものであるので、複雑な構造のマスクやフォトリソグラフィ工程を必要とせず、簡単な方法により、微細な立体像を形成することができる。したがって、本発明によれば、マイクロレンズや回折格子の必要な光学、MEMSなどのマイクロマシーン技術、半導体製造技術などの幅広い技術分野において多用な応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるエッチング方法の処理の流れを示すフローチャート。
【図2】本発明の実施の形態を説明するための被加工基板の断面図。
【図3】本発明の実施の形態を説明するための、マスキング効果のドーズ量依存性を示すグラフ。
【図4】本発明の実施の形態を説明するための、マスキング効果のドットピッチ依存性を示すグラフ。
【図5】本発明の実施の形態を説明するための、ドットピッチによる形状変化を示す断面図。
【図6】本発明の実施の形態を説明するための、マスキング効果のエッチング処理時間依存性を示すグラフ。
【図7】本発明の実施の形態を説明するための、マスキング効果のエッチング処理時間依存性を示すグラフとエッチングの経過を示す断面図。
【図8】本発明の実施の形態を説明するための、マスキング効果の加速電圧依存性を示すグラフ。
【図9】マスキング効果の加速電圧依存性を利用して凸状構造を形成する例を示す断面図。
【図10】本発明の一実施例を説明するための斜視図と断面図。
【符号の説明】
1 単結晶シリコン基板
2 SiO2マスク
3 基準面
4 低エッチレート領域
5 イオン注入領域
6 ドーム
7 高アスペクト比凸状構造[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for wet etching a substrate to be processed, and more particularly to a method for producing a fine three-dimensional structure by combining a focused ion beam (FIB) with wet etching.
[0002]
[Prior art]
It is known that when a focused ion beam is irradiated on the surface of single crystal silicon, the etching property with respect to an etchant changes, and a method of selectively etching single crystal silicon without using a lithography technique utilizing this property is known. (For example, see Non-Patent Document 1). This method is a method of obtaining a planar pattern by performing etching utilizing the fact that a masking effect is developed in a focused ion beam irradiation region. In this method, a structure having a three-dimensional shape is formed. I couldn't do that.
On the other hand, in the field of micro optical systems using micro lenses, diffraction gratings, and MEMS (micro electro mechanical systems), it is required to form structures having different heights and three-dimensional structures having variable heights. ing. A conventional method of manufacturing this kind of structure is to perform exposure using a gray scale mask (a mask having different ultraviolet transmittance regions) and develop it to form a photoresist film having a variable thickness on a workpiece. In this method, the shape of a photoresist is transferred to a workpiece by performing dry etching (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Non-patent document 1]
Jpn. J. Phys. Vol. 39 (2000) pp. 2186-2188
[Patent Document 1]
JP-A-2003-15275
[Problems to be solved by the invention]
In the method using the above-described gray scale exposure method, a gray scale mask having a complicated shape is required, and since photolithography is used, many man-hours are required, resulting in an increase in product cost.
An object of the present invention is to make it possible to form a three-dimensional structure having different heights or changing heights with a small number of steps.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, according to the present invention, a target substrate is irradiated with a focused ion beam having different irradiation conditions, and wet etching is performed to perform etching on the target substrate in accordance with the focused ion beam irradiation condition. A method for wet etching a substrate to be processed, characterized by forming workpieces of different sizes.
[0006]
Further, according to the present invention, in order to solve the above-described problems, according to the present invention, a focused ion beam having different irradiation conditions is irradiated onto a substrate to be processed, and wet etching is performed to determine whether or not focused ion beam irradiation is performed on the substrate to be processed and focusing. A wet etching method for a substrate to be processed, wherein a workpiece having a different etching depth is formed according to ion beam irradiation conditions is provided.
Preferably, the irradiation conditions for differentiating the focused ion beam are one or more of a dose, a dot pitch, and an acceleration voltage.
Preferably, the etching time is controlled to control the difference in etching depth between regions having different focused ion beam irradiation conditions.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In the following embodiments, examples using a single crystal silicon substrate will be described. FIG. 1 is a diagram showing a flow of processing according to the embodiment of the present invention. In the first step S1, to form a partially SiO 2 mask (100) plane of the single crystal silicon substrate is selectively irradiated with the FIB region where the SiO 2 is not formed in the mask. At this time, the dose of the FIB, the dot pitch, and the acceleration voltage are adjusted according to the height of the projection to be formed. Ga + , Si 2+, or the like is used as the ion species of FIB. Due to this FIB irradiation, a masking effect on the etchant is exerted on the FIB irradiated portion as described later. This masking effect changes depending on the FIB irradiation conditions. In the second step S2, a natural oxide film formed on the substrate surface is removed by processing with buffered hydrofluoric acid (BHF). After performing running water cleaning in the third step S3, ultrasonic cleaning using pure water and acetone is performed in the fourth step S4. In a fifth step S5, the FIB-irradiated surface of the single crystal silicon substrate is etched by immersion in a KOH aqueous solution to which ultrasonic vibration has been applied. IPA (isopropyl alcohol) is added to this KOH aqueous solution, and its water temperature is about room temperature (24 ° C.). Thereafter, for confirmation, in a sixth step S6, a step formed by an AFM (atomic force microscope) is observed.
[0008]
FIG. 2 shows a cross-sectional view after the completion of the etching process. The meanings of the terms described in relation to this figure are used in common in the following figures. The SiO 2 mask 2 is selectively formed on the surface of the single
[0009]
[Dose amount dependence of masking effect]
In order to verify the dose dependency of the masking effect, the height of the convex structure was measured while changing the dose, and the etch rate was calculated. The results are shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). The irradiation ion species is Ga + , and the acceleration voltage is 30 kV. The concentration of the etchant (KOH) is 20 wt%, and the etching time is 5 minutes.
From FIG. 3, it can be seen that the etch rate decreases linearly with increasing dose up to a dose of 0.5 C / cm 2, and becomes substantially constant when the dose exceeds 1.0 C / cm 2. (Saturated).
[0010]
[Dot pitch dependency of masking effect]
In order to verify the dot pitch dependency of the masking effect, the height of the convex structure was measured while changing the dot pitch, and the etch rate was calculated. The results are shown in FIGS. The irradiation ion species is Ga + , and the acceleration voltage is 30 kV. The etchant concentration is 20 wt%, and the etching time is 5 minutes.
FIG. 4 shows that when the dot pitch is 150 nm or less, the etch rate is high, and when the dot pitch exceeds 250 nm, the etch rate becomes substantially constant (saturates).
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views of the case where the dot pitch is small and the case where the dot pitch is large after the end of the etching process. When the dot pitch is small, the deteriorated layer due to the FIB irradiation spreads uniformly, so that the etching proceeds relatively evenly. On the other hand, when the dot pitch is large, the deteriorated layer due to the FIB irradiation becomes locally strong, so that the etching is also locally suppressed, and a micro pyramid is formed as shown in the figure.
[0011]
[Etching time dependence of masking effect]
In order to verify the dependence of the masking effect on the etching time, samples having different doses were prepared, and the relationship between the etching time, the height of the convex structure, and the etch rate was measured. The results are shown in FIGS. 6 (a) and (b). The height of the reference surface is 45 nm for an etching time of 1 minute, 155 nm for 5 minutes, and 821 nm for 20 minutes. The irradiation ion species is Ga + , and the acceleration voltage is 30 kV. The etchant concentration is 20% by weight.
As shown in FIG. 6, when the dose is 2.6 × 10 −5 / cm 2 , the height of the convex structure hardly changes after one minute of the etching time, and the dose is 1.6 × 10 −4 / cm. In the case of 2, the height of the convex structure increases until the etching time has elapsed for 5 minutes, and the height does not substantially change thereafter, and when the dose is larger, the etching time has elapsed for 5 minutes or more. Still, the height of the convex structure increases, but the rate of increase decreases. That is, as the etching time increases, the etching rate increases, but the time until the etching rate increases increases as the dose increases. .
[0012]
FIG. 7B is a cross-sectional view for explaining the relationship between the passage of the etching time and the etching state. The FIB-irradiated portion of the single
As shown in FIG. 6B, the etch rate of the low
[0013]
[Acceleration voltage dependence of masking effect]
In order to verify the acceleration voltage dependence of the masking effect, FIB irradiation was performed while changing the acceleration voltage and the dose, and the height of the convex structure was measured. The results are shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b). The irradiation ion species is Si + 2 , and the acceleration voltage is 20 to 30 kV. The etchant concentration is 20 wt%, and the etching time is 5 minutes.
From FIG. 8, in the range of the acceleration voltage of 20 to 30 kV, the height of the convex structure decreases as the acceleration voltage increases. This phenomenon is presumed to be due to the fact that the region where the masking effect is exhibited becomes deeper as the accelerating voltage increases. In addition, since the masking effect is exhibited by injecting Si + 2 into single crystal silicon, it is presumed that one of the factors of the masking effect is disordered crystallinity.
As shown in FIG. 9A, an ion-implanted
FIG. 9 (b) shows an example in which one high aspect ratio convex structure 7 is formed. The aspect ratio convex structure 7 may be formed. In addition, for one of the plurality of regions, one or both of the FIB irradiation frequency and the accelerating voltage differ from the other region, so that a workpiece formed between the certain region and the other region is formed. May be made different in height.
[0014]
【Example】
FIG. 10 shows a perspective view before etching and a cross-sectional view after etching, showing one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10A, a dose of 2.7 × 10 −3 C / cm 2 Ga + is applied to a (50) × 50 μm region on the (100) plane of the single
By continuously changing the dose, a dome-shaped convex portion could be formed.
[0015]
Although the preferred embodiments and examples have been described above, the present invention is not limited to these embodiments and examples, and appropriate changes can be made without departing from the scope of the present invention. . For example, the substrate to be processed may be a compound semiconductor such as GaAs or InP, or a metal such as Al or Fe, instead of single crystal silicon. Further, the irradiation ion species may be the same material as the base material or another material. For the etchant, for example, hydrazine or NaOH aqueous solution may be used for single crystal silicon, and generally known etchants can be appropriately used for other substrate materials. Also, the spraying method may be used instead of the immersion method for the etching method.
[0016]
【The invention's effect】
As described above, the present invention irradiates the substrate to be processed with FIB under different irradiation conditions and then performs wet etching to form irregularities on the surface of the substrate to be processed. A fine three-dimensional image can be formed by a simple method without requiring a mask or a photolithography step. Therefore, according to the present invention, versatile applications are expected in a wide range of technical fields such as optics requiring microlenses and diffraction gratings, micromachine technology such as MEMS, and semiconductor manufacturing technology.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a processing flow of an etching method according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a substrate to be processed for describing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing dose dependency of a masking effect for explaining the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph illustrating a dot pitch dependency of a masking effect for explaining the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a shape change depending on a dot pitch for describing the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the etching processing time dependency of a masking effect for explaining the embodiment of the present invention.
FIGS. 7A and 7B are a graph showing the dependence of the masking effect on the etching processing time and a cross-sectional view showing the progress of etching, for explaining the embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a graph showing acceleration voltage dependence of a masking effect for explaining the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating an example in which a convex structure is formed by using the acceleration voltage dependence of a masking effect.
FIG. 10 is a perspective view and a cross-sectional view for explaining one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
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