JP2006131954A - Plasma etching method, plasma etching system, molding die for optical element, and optical element - Google Patents

Plasma etching method, plasma etching system, molding die for optical element, and optical element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma etching method and a plasma etching system which can improve the reproducibility of plasma etching machining while keeping a device stability during the practice of plasma etching, to provide a molding die capable of producing an optical element at high precision with high reproducibility by using the plasma etching method, and to provide the optical element. <P>SOLUTION: In the plasma etching method, high frequency electric power is controlled based on the electric potential of the base material to be worked measured in plasma etching, thus the electric potential of the base material to be worked under plasma etching is controlled to a prescribed range. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、シリコン等の基板を加工するプラズマエッチング法、プラズマエッチング装置、プラズマエッチング法を用いて得た光学素子用成形金型及び光学素子に関するものである。   The present invention relates to a plasma etching method for processing a substrate such as silicon, a plasma etching apparatus, a molding die for an optical element obtained by using the plasma etching method, and an optical element.

従来、シリコン等の基板を加工する方法としてプラズマを使ったドライエッチングであるプラズマエッチングが使用されている(下記特許文献1参照)。半導体素子の性能向上や高密度集積素子の金型作製のため、より複雑でかつ高精度の基板加工が要求されるようになっているが、特に、シリコンは、エッチング加工性が良いこともあり、広くプラズマエッチングが適用されている(下記特許文献2参照)。   Conventionally, plasma etching, which is dry etching using plasma, has been used as a method for processing a substrate such as silicon (see Patent Document 1 below). In order to improve the performance of semiconductor elements and to manufacture molds for high-density integrated elements, more complicated and high-precision substrate processing is required. In particular, silicon may have good etching processability. Plasma etching has been widely applied (see Patent Document 2 below).

プラズマエッチングとは、真空中に反応性ガスを導入し高周波電界を印加することにより加速された電子がガス分子と衝突して正イオン、電子、中性粒子で構成されるプラズマに対し、シリコン基板等の被加工基材を導入して正イオンや中性粒子を用いて加工する方法である。プラズマエッチングは、例えば特許文献2に示されるように、高周波発生器に接続された基板電極がエッチング室に配置され共振器によりプラズマが励起されるプラズマエッチング装置で行われる。   Plasma etching is a silicon substrate against a plasma composed of positive ions, electrons, and neutral particles when electrons accelerated by introducing a reactive gas into a vacuum and applying a high-frequency electric field collide with gas molecules. This is a method of processing using positive ions or neutral particles by introducing a substrate to be processed such as. For example, as shown in Patent Document 2, plasma etching is performed in a plasma etching apparatus in which a substrate electrode connected to a high frequency generator is disposed in an etching chamber and plasma is excited by a resonator.

しかし、従来、プラズマエッチングをはじめとしたドライエッチング装置ではその装置安定性はブラックボックス化しており、装置の安定性を外部からモニターすることができないため、エッチング後の試料(シリコン等の被加工基材)を評価するまで装置の安定性を知ることができなかった。このため、プラズマエッチング中に誤差がなくなるように装置を即座に安定化させることは困難であった。   However, conventionally, dry etching equipment such as plasma etching has a black box for the stability of the equipment, and the stability of the equipment cannot be monitored from the outside. The stability of the device could not be known until the material was evaluated. For this reason, it has been difficult to immediately stabilize the apparatus so that there is no error during plasma etching.

また、シリコン等の被加工基材に微細周期構造をプラズマエッチングで形成する際の低密度なプラズマ条件では、プラズマ状態が不安定になってしまうことから、特にバッチ毎の均一性が悪くなる。また、プラズマ状態の不安定に起因して加工対象の形状や連続運転中のプラズマ状態の微妙な変化によってエッチングのばらつきを生じてしまい、エッチング加工の再現性が低下してしまう。   In addition, under low-density plasma conditions when a fine periodic structure is formed on a substrate to be processed such as silicon by plasma etching, the plasma state becomes unstable, and the uniformity from batch to batch is particularly deteriorated. In addition, due to instability of the plasma state, variations in etching occur due to subtle changes in the shape of the object to be processed and the plasma state during continuous operation, and the reproducibility of the etching process decreases.

プラズマエッチング(ドライエッチング全般)において装置安定性はバッチ間均一性と面内均一性によって評価される。一般的にバッチ間均一性、面内均一性は±3%以下で良好とされている。しかしながら、サブミクロンオーダーの周期性を持つ微細構造のエッチングを行う際にはバッチ間均一性は最大7%程度となってしまうことが本発明者らの実験により判明している。このように、従来、プラズマエッチングによりシリコン等の被加工基材を精度よくかつ再現性よく加工することは困難であった。
特許第2918892号公報 特表平07−503815号公報
In plasma etching (generally dry etching), apparatus stability is evaluated by batch-to-batch uniformity and in-plane uniformity. In general, the batch-to-batch uniformity and the in-plane uniformity are good at ± 3% or less. However, it has been found by experiments by the present inventors that the batch-to-batch uniformity is about 7% at the maximum when etching a fine structure having a periodicity on the order of submicrons. Thus, conventionally, it has been difficult to process a substrate to be processed such as silicon with high accuracy and reproducibility by plasma etching.
Japanese Patent No. 2918892 JP 07-503815 A

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、プラズマエッチングを実行中に装置安定性を維持しかつプラズマエッチング加工の再現性を向上できるプラズマエッチング法及びプラズマエッチング装置を提供することを目的とする。また、プラズマエッチング法を用いて光学素子を精度及び再現性よく製造できる光学素子用成形金型及び光学素子を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a plasma etching method and a plasma etching apparatus capable of maintaining apparatus stability during plasma etching and improving reproducibility of plasma etching processing. And It is another object of the present invention to provide an optical element molding die and an optical element that can be manufactured with high accuracy and reproducibility using a plasma etching method.

上記目的を達成するために、本発明によるプラズマエッチング法は、プラズマエッチングにおいて測定された被加工基材の電位に基づいて高周波電力を制御することで、前記プラズマエッチング中の被加工基材の電位を所定範囲内に制御することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the plasma etching method according to the present invention controls the potential of the substrate to be processed during the plasma etching by controlling the high frequency power based on the potential of the substrate to be processed measured in the plasma etching. Is controlled within a predetermined range.

このプラズマエッチング法によれば、プラズマエッチング中に被加工基材の電位を測定し、その測定値に基づいて高周波電力を制御して被加工基材の電位を所定範囲内に制御することで、プラズマエッチングを実行中に装置安定性を維持しかつプラズマエッチング加工の再現性を向上できる。これにより、プラズマエッチングを同一条件で繰り返し実行した場合に、プラズマエッチング加工を精度よくかつ再現性よく行うことができる。   According to this plasma etching method, by measuring the potential of the substrate to be processed during plasma etching, by controlling the high-frequency power based on the measured value to control the potential of the substrate to be processed within a predetermined range, The apparatus stability can be maintained during the plasma etching, and the reproducibility of the plasma etching process can be improved. Thereby, when the plasma etching is repeatedly performed under the same conditions, the plasma etching process can be performed with high accuracy and reproducibility.

上記プラズマエッチング法において、予め取得したプラズマエッチングにおける被加工基材の電位変化に基づいて前記被加工基材の電位を制御することで、被加工基材の電位を容易に制御できる。   In the plasma etching method, the potential of the workpiece substrate can be easily controlled by controlling the potential of the workpiece substrate based on the potential change of the workpiece substrate in the plasma etching acquired in advance.

また、前記被加工基材の電位を所定範囲内に制御することで前記被加工基材におけるエッチングレートをほぼ一定に制御することができ、プラズマエッチング加工を精度よくかつ再現性よく行うことができる。   Further, by controlling the potential of the substrate to be processed within a predetermined range, the etching rate in the substrate to be processed can be controlled to be substantially constant, and plasma etching can be performed with high accuracy and reproducibility. .

本発明によるプラズマエッチング装置は、被加工基材を内部に保持する真空チャンバと、前記真空チャンバ内に保持された被加工基材の電位を測定する電位測定部と、前記真空チャンバ内でプラズマを生成するための高周波電源と、前記被加工基材に高周波バイアス電力を与えるバイアス高周波電源と、前記電位測定部により測定された被加工基材の電位に基づいて前記高周波電源における高周波電力を制御し、プラズマエッチング中の被加工基材の電位を所定範囲内に制御可能な制御部と、を備えることを特徴とする。   A plasma etching apparatus according to the present invention includes a vacuum chamber that holds a workpiece substrate therein, a potential measurement unit that measures the potential of the workpiece substrate held in the vacuum chamber, and plasma in the vacuum chamber. A high-frequency power source for generating, a bias high-frequency power source for applying a high-frequency bias power to the substrate to be processed, and a high-frequency power in the high-frequency power source based on the potential of the substrate to be processed measured by the potential measuring unit And a control unit capable of controlling the potential of the substrate to be processed during plasma etching within a predetermined range.

このプラズマエッチング装置によれば、上記プラズマエッチング法を実行でき、プラズマエッチング中に被加工基材の電位を測定し、その測定値に基づいて高周波電力を制御して被加工基材の電位を所定範囲内に制御することで、プラズマエッチングを実行中に装置安定性を維持しかつプラズマエッチング加工の再現性を向上できる。これにより、プラズマエッチングを同一条件で繰り返し実行した場合に、プラズマエッチング加工を精度よくかつ再現性よく行うことができる。   According to this plasma etching apparatus, the plasma etching method can be executed, the potential of the substrate to be processed is measured during the plasma etching, and the potential of the substrate to be processed is determined by controlling the high frequency power based on the measured value. By controlling within the range, it is possible to maintain the stability of the apparatus during execution of the plasma etching and improve the reproducibility of the plasma etching process. Thereby, when the plasma etching is repeatedly performed under the same conditions, the plasma etching process can be performed with high accuracy and reproducibility.

上記プラズマエッチング装置において、前記制御部は、予め取得したプラズマエッチングにおける被加工基材の電位変化に基づいて前記被加工基材の電位を制御することで、被加工基材の電位を容易に制御できる。   In the plasma etching apparatus, the control unit easily controls the potential of the substrate to be processed by controlling the potential of the substrate to be processed based on a potential change of the substrate to be processed in the plasma etching acquired in advance. it can.

また、前記制御部は、前記被加工基材の電位を所定範囲内に制御することで前記被加工基材におけるエッチングレートをほぼ一定に制御することができ、プラズマエッチング加工を精度よくかつ再現性よく行うことができる。   In addition, the control unit can control the etching rate of the substrate to be processed to be substantially constant by controlling the potential of the substrate to be processed within a predetermined range, thereby accurately and reproducibly performing plasma etching processing. Can be done well.

本発明による光学素子用成形金型は、上述のプラズマエッチング法により加工されたシリコン基板から製造可能なものである。これにより、精度よくかつ再現性のよい光学素子用成形金型を得ることができる。   The optical element molding die according to the present invention can be manufactured from a silicon substrate processed by the above-described plasma etching method. Thereby, a molding die for optical elements with high accuracy and good reproducibility can be obtained.

本発明による光学素子は、上述の成形金型を用いて製造可能なものである。これにより、成形金型により高品質で大量生産可能な光学素子とすることができる。   The optical element according to the present invention can be manufactured using the molding die described above. Thereby, it can be set as the optical element which can be mass-produced with high quality by a shaping die.

本発明のプラズマエッチング法及びプラズマエッチング装置によれば、プラズマエッチングを実行中に装置安定性を維持しかつプラズマエッチング加工の再現性を向上できる。   According to the plasma etching method and the plasma etching apparatus of the present invention, it is possible to maintain the apparatus stability and improve the reproducibility of the plasma etching process during the plasma etching.

また、プラズマエッチング法を用いて光学素子を精度及び再現性よく製造できる光学素子用成形金型を提供できる。精度がよく高品質で大量生産可能な光学素子を提供できる。   Further, it is possible to provide a molding die for optical elements that can be manufactured with high accuracy and reproducibility using a plasma etching method. It is possible to provide an optical element with high accuracy and high quality that can be mass-produced.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図1は本実施の形態によるプラズマエッチング法を実行可能なICP(誘導結合プラズマ)エッチング装置を概略的に示す図である。図2は図1のICPエッチング装置の制御系の要部を示すブロック図である。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows an ICP (inductively coupled plasma) etching apparatus capable of performing a plasma etching method according to the present embodiment. FIG. 2 is a block diagram showing the main part of the control system of the ICP etching apparatus of FIG.

図1に示すように、ICP(誘導結合プラズマ)エッチング装置200は、真空プラズマチャンバ211内に、プラズマ生成用高周波電源212に接続された一対の高周波電極213,214が配置され、高周波電極213,214に対向する側に被加工基材としてのシリコン基板210を保持する基板ホルダ215が配置されている。高周波電源212から高周波電極213,214に高周波電圧が印加されることで真空プラズマチャンバ211内のプラズマ生成領域AAにプラズマが形成され、エッチングガスをチャンバ211内に流しながらシリコン基板210をドライエッチングすることができる。   As shown in FIG. 1, an ICP (inductively coupled plasma) etching apparatus 200 includes a pair of high frequency electrodes 213 and 214 connected to a plasma generating high frequency power supply 212 in a vacuum plasma chamber 211. A substrate holder 215 for holding a silicon substrate 210 as a workpiece base is disposed on the side facing 214. When a high frequency voltage is applied from the high frequency power source 212 to the high frequency electrodes 213 and 214, plasma is formed in the plasma generation region AA in the vacuum plasma chamber 211, and the silicon substrate 210 is dry etched while flowing an etching gas into the chamber 211. be able to.

真空プラズマチャンバ211内の基板ホルダ215にはバイアス高周波電源216が接続され、基板ホルダ215に保持されたシリコン基板210の底面210bに高周波バイアス電力を与える。基板ホルダ215に保持されたシリコン基板210の底面210bのグラウンドに対する電位差(Vpp)を電位測定装置230で測定する。   A bias high frequency power source 216 is connected to the substrate holder 215 in the vacuum plasma chamber 211, and applies high frequency bias power to the bottom surface 210 b of the silicon substrate 210 held by the substrate holder 215. The potential difference (Vpp) with respect to the ground of the bottom surface 210 b of the silicon substrate 210 held by the substrate holder 215 is measured by the potential measuring device 230.

また、真空プラズマチャンバ211には、真空装置221が切替バルブ222を介して接続されている。また、エッチングガス源223が制御バルブ224を介して接続されており、制御バルブ224によりガス流量を制御することで、ガス圧を所定範囲内で変化させることができる。なお、エッチングガス源223を複数設け複数種類のガスを流すことも可能である。   A vacuum device 221 is connected to the vacuum plasma chamber 211 via a switching valve 222. Further, an etching gas source 223 is connected via a control valve 224. By controlling the gas flow rate with the control valve 224, the gas pressure can be changed within a predetermined range. It is possible to provide a plurality of etching gas sources 223 and flow a plurality of types of gases.

図1のICPエッチング装置200は、図2のように、中央演算処理装置(CPU)から構成される制御部100を備え、制御部100は、プラズマ生成用高周波電源212、バイアス高周波電源216、真空装置221,真空装置用切替バルブ222、及びエッチングガス源用制御バルブ224を所定のシーケンスに従って制御する。   As shown in FIG. 2, the ICP etching apparatus 200 of FIG. 1 includes a control unit 100 including a central processing unit (CPU). The control unit 100 includes a plasma generating high-frequency power source 212, a bias high-frequency power source 216, and a vacuum. The device 221, the vacuum device switching valve 222, and the etching gas source control valve 224 are controlled according to a predetermined sequence.

即ち、制御部100は、真空装置221により真空プラズマチャンバ211内を減圧し、制御バルブ224を制御してガス流量を制御しながらエッチングガスを流すように制御し、また、入力設定部220から入力された設定条件に基づいて、高周波電源212に対してプラズマ生成のための高周波電力を設定し、更にバイアス高周波電源216に対して高周波バイアス電力を設定し、高周波電源212を作動させてプラズマを生成するように制御する。   That is, the controller 100 depressurizes the vacuum plasma chamber 211 with the vacuum device 221, controls the control valve 224 to flow the etching gas while controlling the gas flow rate, and inputs from the input setting unit 220. Based on the set conditions, high frequency power for plasma generation is set for the high frequency power supply 212, high frequency bias power is set for the bias high frequency power supply 216, and the high frequency power supply 212 is operated to generate plasma. Control to do.

制御部100は、更に、電位測定装置230で測定されたシリコン基板210の底面210bのグラウンドに対する電位差(Vpp)がプラズマエッチング中に一定の関係になるように制御する。   The control unit 100 further controls the potential difference (Vpp) with respect to the ground of the bottom surface 210b of the silicon substrate 210 measured by the potential measuring device 230 so as to have a constant relationship during plasma etching.

次に、図2の制御部100におけるシリコン基板210の底面210bのグラウンドに対する電位差(Vpp)の制御方法について図3,図4,図5を参照して説明する。   Next, a method of controlling the potential difference (Vpp) with respect to the ground of the bottom surface 210b of the silicon substrate 210 in the control unit 100 of FIG. 2 will be described with reference to FIGS.

図3は、本実施の形態のプラズマエッチング法を説明するために電位差(Vpp)と被加工基材(シリコン基板)のエッチングレートとの関係の一例を示すグラフである。図4は、プラズマ生成用高周波電源による高周波電力(RF)と電位差(Vpp)との関係の一例を示すグラフである。図5は本実施の形態のプラズマエッチングにおいて電位差(Vpp)の経時変化を模式的に示す図である。   FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between the potential difference (Vpp) and the etching rate of the substrate to be processed (silicon substrate) in order to explain the plasma etching method of the present embodiment. FIG. 4 is a graph showing an example of the relationship between the high frequency power (RF) and the potential difference (Vpp) from the high frequency power source for plasma generation. FIG. 5 is a diagram schematically showing a change with time of the potential difference (Vpp) in the plasma etching of the present embodiment.

本発明者らの実験・研究によれば、シリコン基板210の底面210bのグラウンドに対する電位差(Vpp)とシリコン基板210におけるエッチングレートの間には一定の関係があることが明らかとなった。即ち、図3に示すように、基板とグラウンドとの電位差(Vpp)が大きくなると、エッチングレートが低下する傾向にあり、基板とグラウンドとの電位差(Vpp)をモニターすることでバッチ間のエッチングレートの誤差を定量化することが可能である。   According to experiments and research conducted by the present inventors, it has been clarified that there is a certain relationship between the potential difference (Vpp) with respect to the ground of the bottom surface 210b of the silicon substrate 210 and the etching rate in the silicon substrate 210. That is, as shown in FIG. 3, when the potential difference (Vpp) between the substrate and ground increases, the etching rate tends to decrease. By monitoring the potential difference (Vpp) between the substrate and ground, the etching rate between batches is monitored. It is possible to quantify the error.

なお、図3の関係は、後述の式(1)からも説明が可能であり、一定の高周波バイアス電力Wに対し電位差(Vpp)が増えると、電流値Iが減るので、電流値Iと相関関係にあるエッチングレートも減る。   The relationship of FIG. 3 can also be explained from the equation (1) described later. When the potential difference (Vpp) increases with respect to a constant high-frequency bias power W, the current value I decreases. The related etching rate is also reduced.

上述のように、基板とグラウンドとの電位差(Vpp)とエッチングレートとの間には一定の関係があるので、制御部100において電位差(Vpp)が一定の関係となるようなパラメータ制御を行うことで常にエッチングレートを一定にすることができる。   As described above, since there is a fixed relationship between the potential difference (Vpp) between the substrate and ground and the etching rate, parameter control is performed in the control unit 100 so that the potential difference (Vpp) has a fixed relationship. The etching rate can always be kept constant.

バイアス高周波電源216からシリコン基板210の底面210bに高周波バイアス電力W(一定)を与えたとき、基板とグラウンドとの電位差Vppと電流Iとの関係は次式(1)のようになる。   When a high frequency bias power W (constant) is applied from the bias high frequency power source 216 to the bottom surface 210b of the silicon substrate 210, the relationship between the potential difference Vpp between the substrate and ground and the current I is expressed by the following equation (1).

I∝1/Vpp (1)   I∝1 / Vpp (1)

ここで、電流値Iは、プラズマイオンとシリコン基板210の表面との間における電荷のやり取りに関係する量であり、エッチングレートに関係する量であり、電流量を一定とすることでエッチングレートを一定とすることができる。このように電位差(Vpp)を一定の関係にするパラメータ制御を行うことでエッチングレートを一定にすることができる。   Here, the current value I is an amount related to the exchange of charges between the plasma ions and the surface of the silicon substrate 210, is an amount related to the etching rate, and the etching rate can be controlled by making the current amount constant. Can be constant. Thus, the etching rate can be made constant by performing parameter control that makes the potential difference (Vpp) a constant relationship.

本発明者らの更なる実験・研究によれば、基板とグラウンドとの電位差(Vpp)は、図4のように、プラズマ生成用高周波電源212による高周波電力(RF)に対して一次にほぼ比例することが判明した。従って、電位差(Vpp)が常に一定となるように、または電位差(Vpp)の経時変化が常に同じプロファイルをとるように、高周波電力(RF)をパラメータにして制御することでエッチングレートを安定化できる。   According to further experiments and researches by the present inventors, the potential difference (Vpp) between the substrate and the ground is approximately proportional to the high frequency power (RF) from the high frequency power supply 212 for plasma generation as shown in FIG. Turned out to be. Therefore, the etching rate can be stabilized by controlling the high frequency power (RF) as a parameter so that the potential difference (Vpp) is always constant, or the change over time of the potential difference (Vpp) always takes the same profile. .

上述のように、シリコン基板210の底面210bに高周波バイアス電力を与えるが、このときのシリコン基板210の底面210bのグラウンドに対する電位差(Vpp)を電位測定装置230で測定し、制御部100が電位差(Vpp)が一定の関係になるように高周波電源212の高周波電力(RF)を制御することでエッチングレートを安定化できる。   As described above, high-frequency bias power is applied to the bottom surface 210b of the silicon substrate 210. At this time, the potential difference (Vpp) with respect to the ground of the bottom surface 210b of the silicon substrate 210 is measured by the potential measuring device 230, and the control unit 100 detects the potential difference ( The etching rate can be stabilized by controlling the high-frequency power (RF) of the high-frequency power supply 212 so that Vpp) has a certain relationship.

ここで、電位差(Vpp)が一定の関係になるとは、同一の条件でプラズマエッチングを繰り返し行っても、各エッチングにおいて電位差(Vpp)の経時変化がばらつかないことである。例えば、図5の破線で示す直線Bのように電位差(Vpp)が時間によりほぼ変化しない場合、同一の条件でプラズマエッチングを繰り返し行っても、電位差(Vpp)が直線Bに関してほぼ一定であることである。また、図5のカーブAのように、電位差(Vpp)が経時変化する場合には、同一の条件でプラズマエッチングを繰り返し行っても、電位差(Vpp)がカーブAに対しばらつかずに経時変化することである。   Here, the fact that the potential difference (Vpp) has a constant relationship means that even if the plasma etching is repeatedly performed under the same conditions, the change in the potential difference (Vpp) with time does not vary in each etching. For example, if the potential difference (Vpp) does not change with time as shown by the straight line B shown by the broken line in FIG. 5, the potential difference (Vpp) is substantially constant with respect to the straight line B even if the plasma etching is repeated under the same conditions. It is. Further, when the potential difference (Vpp) changes with time as shown by curve A in FIG. 5, the potential difference (Vpp) does not vary with respect to curve A even if plasma etching is repeatedly performed under the same conditions. It is to be.

例えば、プラズマエッチングの間に図5のカーブAのように電位差(Vpp)が経時変化する場合、次の同一条件下でのプラズマエッチング中のある時間の電位差(Vpp)の測定値が図5の点mのようにカーブAの値に対し差分値ΔVppだけ差があると、制御部100は、図4のような高周波電力(RF)と電位差(Vpp)との関係に従って高周波電源212の高周波電力(RF)を制御することで電位差(Vpp)がカーブAの値に近づくように(差分値ΔVppがゼロになるように)制御する。具体的には、図5の差分値ΔVppが所定値を越えたとき、上述の高周波電力(RF)の制御を行うようにできる。   For example, when the potential difference (Vpp) changes with time as shown by curve A in FIG. 5 during plasma etching, the measured value of the potential difference (Vpp) at a certain time during plasma etching under the same conditions as follows is shown in FIG. When there is a difference by a difference value ΔVpp with respect to the value of curve A as shown at point m, the control unit 100 causes the high-frequency power of the high-frequency power supply 212 to follow the relationship between the high-frequency power (RF) and the potential difference (Vpp) as shown in FIG. By controlling (RF), the potential difference (Vpp) is controlled so as to approach the value of curve A (so that the difference value ΔVpp becomes zero). Specifically, when the difference value ΔVpp in FIG. 5 exceeds a predetermined value, the above-described high-frequency power (RF) control can be performed.

以上のようにして、電位差(Vpp)を一定の関係に制御することでエッチングレートを安定化できるとともにプラズマエッチングを精度よくかつ再現性よく行うことができる。   As described above, by controlling the potential difference (Vpp) to a fixed relationship, the etching rate can be stabilized and plasma etching can be performed with high accuracy and reproducibility.

次に、図1〜図5のICPエッチング装置を用いて行う本実施の形態によるプラズマエッチング法について図6,図7を参照して説明する。   Next, a plasma etching method according to this embodiment performed using the ICP etching apparatus shown in FIGS. 1 to 5 will be described with reference to FIGS.

図6は本実施の形態によるプラズマエッチング法の各ステップS01乃至S13を説明するためのフローチャートである。図7は図6のプラズマエッチング法によりシリコン基板に凹凸形状を形成する工程(a)、(b)を模式的に示す断面図である。   FIG. 6 is a flowchart for explaining the steps S01 to S13 of the plasma etching method according to the present embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing steps (a) and (b) for forming a concavo-convex shape on a silicon substrate by the plasma etching method of FIG.

図6のプラズマエッチング法は、図7(a)のように電子ビーム描画・現像により所定の微細パターンが形成されたエッチングマスク15を有するシリコン基板210に対しプラズマエッチングを行うことで、図7(b)のように深さT、幅Wの凹凸部10を有する高アスペクト比の凹凸形状を加工するものである。   The plasma etching method of FIG. 6 performs plasma etching on a silicon substrate 210 having an etching mask 15 on which a predetermined fine pattern is formed by electron beam drawing / development as shown in FIG. As shown in b), a high aspect ratio concavo-convex shape having the concavo-convex portion 10 having a depth T and a width W is processed.

まず、シリコン基板210にレジストを均一に塗布してから(S01)、そのレジスト表面に対し電子ビームにより所定の微細パターンを描画し(S02)、所定の現像材料により現像することで(S03)、図7(a)のようにシリコン基板210の表面210a上に厚さtの微細パターンを有するエッチングマスク15を形成する。   First, after a resist is uniformly applied to the silicon substrate 210 (S01), a predetermined fine pattern is drawn on the resist surface with an electron beam (S02), and development is performed with a predetermined developing material (S03). As shown in FIG. 7A, an etching mask 15 having a fine pattern with a thickness t is formed on the surface 210a of the silicon substrate 210.

また、ステップS02における電子ビーム描画は、本発明者等が、他の発明者とともに、例えば、特開2004−107793号公報や特開2004−54218号公報等で提案した電子ビーム描画装置により行うことができる。これにより、所望の描画パターンを電子ビームによる3次元描画でサブミクロンオーダーの高精度でレジスト膜上に形成できる。   In addition, the electron beam drawing in step S02 is performed by the present inventors together with other inventors by using an electron beam drawing apparatus proposed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-107793 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-54218. Can do. Thereby, a desired drawing pattern can be formed on the resist film with high accuracy on the order of submicrons by three-dimensional drawing with an electron beam.

次に、上述のエッチングマスク15の形成されたシリコン基板210を図1の真空プラズマチャンバ211内の基板ホルダ215に保持してICPエッチング装置200にセットする(S04)。そして、高周波電力や高周波バイアス電力やガス流量等の各種条件を図2の入力設定部220から入力し図1のICPエッチング装置200に設定する(S05)。   Next, the silicon substrate 210 on which the etching mask 15 is formed is held on the substrate holder 215 in the vacuum plasma chamber 211 of FIG. 1 and set in the ICP etching apparatus 200 (S04). Various conditions such as high-frequency power, high-frequency bias power, and gas flow rate are input from the input setting unit 220 in FIG. 2 and set in the ICP etching apparatus 200 in FIG. 1 (S05).

次に、真空プラズマチャンバ211内を排気し減圧してから(S06)、エッチングガスを真空プラズマチャンバ211内に導入し、電極213,214に高周波電圧を印加してプラズマを生成するとともにバイアス電圧をシリコン基板210に印加し、シリコン基板210に対するエッチングを開始する(S07)。   Next, after the vacuum plasma chamber 211 is evacuated and depressurized (S06), an etching gas is introduced into the vacuum plasma chamber 211, a high frequency voltage is applied to the electrodes 213 and 214 to generate plasma, and a bias voltage is applied. This is applied to the silicon substrate 210 to start etching the silicon substrate 210 (S07).

そして、制御部100は、電位測定装置230で電位差(Vpp)を測定し(S08)、電位差(Vpp)の測定値の図5の差分値ΔVppが所定値を越えると(S09)、高周波電力(RF)を制御し、電位差(Vpp)がばらつかず一定の関係になるように制御する(S10)。   Then, the control unit 100 measures the potential difference (Vpp) with the potential measuring device 230 (S08), and when the difference value ΔVpp in FIG. 5 of the measured value of the potential difference (Vpp) exceeds a predetermined value (S09), the high frequency power ( RF) is controlled so that the potential difference (Vpp) does not vary and has a constant relationship (S10).

上述のように高周波電力(RF)の制御で電位差(Vpp)を制御しながらプラズマエッチングを行い、エッチングが終了したら(S11)、ICPエッチング装置200を停止し(S12)、シリコン基板210を真空プラズマチャンバ211内から移動させる(S13)。これにより、シリコン基板210の表面210aに図7(b)のように深さT、幅Wの凹凸部10を有する高アスペクト比(T/W)の凹凸形状を形成する。   As described above, plasma etching is performed while controlling the potential difference (Vpp) by controlling the high-frequency power (RF). When the etching is completed (S11), the ICP etching apparatus 200 is stopped (S12), and the silicon substrate 210 is vacuum plasma. The chamber 211 is moved (S13). As a result, a concavo-convex shape having a high aspect ratio (T / W) having the concavo-convex portion 10 having a depth T and a width W as shown in FIG. 7B is formed on the surface 210a of the silicon substrate 210.

以上のように、本実施の形態のプラズマエッチング法によれば、プラズマエッチング中にシリコン基板の電位差(Vpp)を測定し、その測定値に基づいて高周波電力(RF)を制御して電位差(Vpp)を所定範囲内に制御することができる。このため、プラズマエッチングを実行中に装置安定性を維持しかつプラズマエッチング加工の再現性を向上できる。これにより、プラズマエッチングを同一条件で繰り返し実行し、シリコン基板に図7(b)のような高アスペクト比の凹凸形状を形成したとき、かかる凹凸形状を精度よくかつ再現性よく形成することができ、プラズマエッチングの生産性が向上する。   As described above, according to the plasma etching method of the present embodiment, the potential difference (Vpp) of the silicon substrate is measured during the plasma etching, and the high-frequency power (RF) is controlled based on the measured value to control the potential difference (Vpp). ) Can be controlled within a predetermined range. For this reason, it is possible to maintain the apparatus stability during execution of the plasma etching and to improve the reproducibility of the plasma etching process. As a result, when the plasma etching is repeatedly performed under the same conditions to form a concavo-convex shape with a high aspect ratio as shown in FIG. 7B on the silicon substrate, the concavo-convex shape can be formed with high accuracy and reproducibility. The productivity of plasma etching is improved.

次に、図6,図7においてプラズマエッチングを行い凹凸形状が形成されたシリコン基板を成形金型として用いて光学素子を製造する方法について図8のフローチャート及び図9を参照して説明する。   Next, a method of manufacturing an optical element using a silicon substrate on which concave and convex shapes are formed by plasma etching in FIGS. 6 and 7 as a molding die will be described with reference to the flowchart of FIG. 8 and FIG.

図9(a)乃至(c)は図8において成形金型により光学素子を成形で製造する工程を説明するための成形金型及び光学素子の模式的な側面図である。   FIGS. 9A to 9C are schematic side views of the molding die and the optical element for explaining the steps of manufacturing the optical element by molding with the molding die in FIG.

上述のようにしてプラズマエッチングにより凹凸形状に加工され凹凸部10を有する図7のシリコン基板210を図9(a)のように波長板や回折格子等の光学素子成形のための成形金型Cとする(S21)。   The silicon substrate 210 of FIG. 7 having the concavo-convex portion 10 processed into a concavo-convex shape by plasma etching as described above is formed into a molding die C for forming an optical element such as a wave plate or a diffraction grating as shown in FIG. 9A. (S21).

図9(a)のように、ステンレス鋼等からなる下型31の上面に素材Mをセットし固定し、ステンレス鋼等からなる上型32の下面に成形金型Cをセットし固定する(S22)。なお、素材Mとしては、例えば、PMMA、ポリカーボネート、ポリオレフィン等の光学素子用素材が好ましい。   As shown in FIG. 9A, the material M is set and fixed on the upper surface of the lower mold 31 made of stainless steel or the like, and the molding die C is set and fixed on the lower surface of the upper mold 32 made of stainless steel or the like (S22). ). The material M is preferably an optical element material such as PMMA, polycarbonate, or polyolefin.

次に、上型32の内部に設けたヒータに通電することで上型32を素材Mのガラス転移点温度以上に加熱する(S23)。次に、上型32を下方に移動させて下型31に押圧する(S24)。これにより、素材Mは急速にガラス転移点温度以上に加熱されて溶融し、その表面に成形金型Cの凹凸部10が転写される(S25)。   Next, the upper mold 32 is heated to the glass transition temperature of the material M or higher by energizing the heater provided in the upper mold 32 (S23). Next, the upper die 32 is moved downward and pressed against the lower die 31 (S24). As a result, the material M is rapidly heated to the glass transition temperature or higher and melted, and the uneven portion 10 of the molding die C is transferred to the surface (S25).

次に、上型32のヒータへの通電を停止し上型32を自然冷却させ(強制冷却でもよい)、下型31の内部に設けた配管に冷却水を流して下型31を強制冷却する(S26)。   Next, energization of the heater of the upper die 32 is stopped, the upper die 32 is naturally cooled (may be forced cooling), and cooling water is supplied to the piping provided in the lower die 31 to forcibly cool the lower die 31. (S26).

次に、上型32を上方に移動させて素材Mから離すようにして離型を行うことで(S27)、凹凸形状が転写された光学素子を得る。   Next, the upper mold 32 is moved upward so as to be separated from the material M (S27), thereby obtaining an optical element having the concavo-convex shape transferred thereto.

以上のように、図8,図9の光学素子の製造方法によれば、光学素子成形のための成形金型Cを、上述のプラズマエッチング法で精度よく形成した凹凸部10を持つシリコン基板210から構成できるので、精度のよい凹凸形状を有する光学素子を製造できる。このため、光学素子を成形金型により高品質で大量生産できる。   As described above, according to the manufacturing method of the optical element shown in FIGS. 8 and 9, the silicon substrate 210 having the concavo-convex portion 10 in which the molding die C for molding the optical element is accurately formed by the above-described plasma etching method. Therefore, an optical element having an accurate uneven shape can be manufactured. For this reason, optical elements can be mass-produced with high quality using a molding die.

次に、本発明によるプラズマエッチング法について実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Next, the plasma etching method according to the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

実施例1,2,3として、基板とグラウンドとの電位差(Vpp)のばらつきを抑えるように制御しながらプラズマエッチングを行うことでシリコン基板に線幅100nmの溝を深堀りし凹凸形状をそれぞれ形成した。プラズマエッチング条件は次の表1のとおりである。   As Examples 1, 2, and 3, plasma etching is performed while controlling the variation in potential difference (Vpp) between the substrate and the ground to deepen a groove with a line width of 100 nm on the silicon substrate, thereby forming an uneven shape. did. The plasma etching conditions are as shown in Table 1 below.

比較例1,2,3として、従来のプラズマエッチングにより実験日を変えて表1と同条件で線幅100nmの溝を深堀りし凹凸形状をそれぞれ形成した。   As Comparative Examples 1, 2, and 3, the experiment date was changed by conventional plasma etching, and grooves having a line width of 100 nm were deeply formed under the same conditions as in Table 1 to form uneven shapes.

図11は実施例1,2,3の各プラズマエッチングにおいて電位差(Vpp)の経時変化をプロットしたグラフである。また、次の表2に実施例1,2,3におけるエッチングレートを示す。   FIG. 11 is a graph plotting changes with time in potential difference (Vpp) in each plasma etching of Examples 1, 2, and 3. Table 2 below shows the etching rates in Examples 1, 2, and 3.

図10は比較例1,2,3の各プラズマエッチングにおいて電位差(Vpp)の経時変化をプロットしたグラフである。また、次の表3に比較例1,2,3におけるエッチングレートを示す。   FIG. 10 is a graph plotting changes with time in potential difference (Vpp) in each plasma etching of Comparative Examples 1, 2, and 3. Table 3 below shows etching rates in Comparative Examples 1, 2, and 3.

比較例1〜3では、表3のように、装置の不安定性によってエッチングレートにばらつきが生じたが、このプラズマエッチングのとき、図10に示すように、基板とグラウンドとの電位差(Vpp)がかなりばらついたことが分かる。   In Comparative Examples 1 to 3, as shown in Table 3, the etching rate varied due to the instability of the apparatus. At this plasma etching, as shown in FIG. 10, the potential difference (Vpp) between the substrate and the ground was You can see that it was quite scattered.

これに対し、実施例1〜3では、高周波電力を制御し図11のように電位差(Vpp)のばらつきを抑えた結果、表2のように、エッチングレートのばらつきが最大1.4%であり、目標値の3.0%以下にできた。   On the other hand, in Examples 1 to 3, as a result of controlling the high frequency power and suppressing the variation in potential difference (Vpp) as shown in FIG. 11, the variation in the etching rate is 1.4% at the maximum as shown in Table 2. The target value was 3.0% or less.

実施例1でシリコン基板の表面に形成した凹凸形状についての走査型電子顕微鏡写真を図12に示す。シリコン基板上に高アスペクト比の凹凸形状を精度よく形成できた。   A scanning electron micrograph of the uneven shape formed on the surface of the silicon substrate in Example 1 is shown in FIG. An uneven shape with a high aspect ratio could be accurately formed on the silicon substrate.

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、本実施の形態のプラズマエッチング法による加工形状は、凹凸形状であったが、階段形状や鋸歯形状等の他の形状であってもよく、また、これらの形状を少なくとも2つ混在させたものであってもよい。また、図6のステップS02における電子ビーム描画は他の露光方法により微細パターンを描画するようにしてもよい。   As described above, the best mode for carrying out the present invention has been described. However, the present invention is not limited to these, and various modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention. For example, the processed shape by the plasma etching method of the present embodiment is a concavo-convex shape, but may be other shapes such as a stepped shape and a sawtooth shape, and at least two of these shapes are mixed. It may be a thing. Further, the electron beam drawing in step S02 of FIG. 6 may draw a fine pattern by another exposure method.

また、図8,図9の成形金型は、バイナリ構造の波長板や回折格子等の光学素子のためのものであったが、本発明はこれに限定されずに、階段状のエシュロン回折格子を有する光学素子や鋸歯状の回折格子を有する光学素子を成形するためのものであってよく、また、光学面はレンズ面であっても平面であってもよい。   8 and 9 are for optical elements such as a wave plate having a binary structure and a diffraction grating. However, the present invention is not limited to this, and a stepped echelon diffraction grating is used. And an optical element having a sawtooth diffraction grating, and the optical surface may be a lens surface or a flat surface.

また、上述のプラズマエッチング法により加工されたシリコン基板から成形金型用母型を得て、この母型から電鋳等により成形金型を製造するようにしてもよい。   Alternatively, a molding die mother die may be obtained from the silicon substrate processed by the above-described plasma etching method, and the molding die may be manufactured from the mother die by electroforming or the like.

本実施の形態のプラズマエッチング法を実行可能なICPエッチング装置を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the ICP etching apparatus which can perform the plasma etching method of this Embodiment. 図1のICPエッチング装置の制御系の要部を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the principal part of the control system of the ICP etching apparatus of FIG. 本実施の形態のプラズマエッチング法を説明するために電位差(Vpp)と被加工基材(シリコン基板)のエッチングレートとの関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between a potential difference (Vpp) and the etching rate of a to-be-processed base material (silicon substrate) in order to demonstrate the plasma etching method of this Embodiment. プラズマ生成用高周波電源による高周波電力(RF)と電位差(Vpp)との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the high frequency electric power (RF) and the potential difference (Vpp) by the high frequency power supply for plasma generation. 本実施の形態のプラズマエッチングにおいて電位差(Vpp)の経時変化を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the time-dependent change of a potential difference (Vpp) in the plasma etching of this Embodiment. 本実施の形態によるプラズマエッチング法の各ステップS01乃至S13を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating each step S01 thru | or S13 of the plasma etching method by this Embodiment. 図6のプラズマエッチング法によりシリコン基板に凹凸形状を形成する工程(a)、(b)を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the process (a) and (b) which form an uneven | corrugated shape in a silicon substrate by the plasma etching method of FIG. 図6,図7において図6,図7においてプラズマエッチングを行い凹凸形状が形成されたシリコン基板を成形金型として用いて光学素子を製造する工程S21乃至S27を説明するためのフローチャートである。6 and 7 are flowcharts for explaining steps S21 to S27 in which an optical element is manufactured using a silicon substrate on which concave and convex shapes are formed by performing plasma etching in FIGS. 6 and 7 as a molding die. 図9(a)乃至(c)は図8において成形金型により光学素子を成形で製造する工程を説明するための成形金型及び光学素子を模式的に示す側面図である。FIGS. 9A to 9C are side views schematically showing a molding die and an optical element for explaining a process of manufacturing the optical element by molding with the molding die in FIG. 比較例1,2,3の各プラズマエッチングにおいて電位差(Vpp)の経時変化をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the time-dependent change of potential difference (Vpp) in each plasma etching of the comparative examples 1, 2, and 3. FIG. 実施例1,2,3の各プラズマエッチングにおいて電位差(Vpp)の経時変化をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the time-dependent change of electric potential difference (Vpp) in each plasma etching of Example 1, 2, and 3. FIG. 実施例1でシリコン基板の表面に形成した凹凸形状についての走査型電子顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the scanning electron micrograph about the uneven | corrugated shape formed in the surface of the silicon substrate in Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

210 シリコン基板
210b 底面
210a 表面
10 凹凸部
100 制御部
200 ICP(誘導結合プラズマ)エッチング装置
211 真空プラズマチャンバ
212 プラズマ生成用高周波電源
215 基板ホルダ
216 バイアス高周波電源
230 電位測定装置
C 成形金型
M 素材

210 Silicon substrate 210b Bottom surface 210a Surface 10 Concavity and convexity part 100 Control part 200 ICP (inductively coupled plasma) etching device 211 Vacuum plasma chamber 212 High frequency power source 215 for plasma generation Substrate holder 216 Bias high frequency power source 230 Potential measuring device C Mold M Material

Claims (8)

プラズマエッチングにおいて測定された被加工基材の電位に基づいて高周波電力を制御することで、前記プラズマエッチング中の被加工基材の電位を所定範囲内に制御することを特徴とするプラズマエッチング法。   A plasma etching method comprising controlling a potential of a substrate to be processed during the plasma etching within a predetermined range by controlling high-frequency power based on the potential of the substrate to be processed measured in plasma etching. 予め取得したプラズマエッチングにおける被加工基材の電位変化に基づいて前記被加工基材の電位を制御す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法。   The plasma etching method according to claim 1, wherein the potential of the substrate to be processed is controlled based on a change in potential of the substrate to be processed in plasma etching acquired in advance. 前記被加工基材の電位を所定範囲内に制御することで前記被加工基材におけるエッチングレートをほぼ一定に制御することを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマエッチング法。   3. The plasma etching method according to claim 1, wherein an etching rate of the substrate to be processed is controlled to be substantially constant by controlling a potential of the substrate to be processed within a predetermined range. 被加工基材を内部に保持する真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に保持された被加工基材の電位を測定する電位測定部と、
前記真空チャンバ内でプラズマを生成するための高周波電源と、
前記被加工基材に高周波バイアス電力を与えるバイアス高周波電源と、
前記電位測定部により測定された被加工基材の電位に基づいて前記高周波電源における高周波電力を制御し、プラズマエッチング中の被加工基材の電位を所定範囲内に制御可能な制御部と、を備えることを特徴とするプラズマエッチング装置。
A vacuum chamber for holding the workpiece substrate therein;
An electric potential measuring unit for measuring the electric potential of the workpiece substrate held in the vacuum chamber;
A high-frequency power source for generating plasma in the vacuum chamber;
A bias high-frequency power source for applying a high-frequency bias power to the workpiece substrate;
A control unit that controls high-frequency power in the high-frequency power source based on the potential of the substrate to be processed measured by the potential measuring unit, and can control the potential of the substrate to be processed during plasma etching within a predetermined range; A plasma etching apparatus comprising:
前記制御部は、予め取得したプラズマエッチングにおける被加工基材の電位変化に基づいて前記被加工基材の電位を制御することを特徴とする請求項4に記載のプラズマエッチング装置。   5. The plasma etching apparatus according to claim 4, wherein the control unit controls the potential of the substrate to be processed based on a potential change of the substrate to be processed in plasma etching acquired in advance. 前記制御部は、前記被加工基材の電位を所定範囲内に制御することで前記被加工基材におけるエッチングレートをほぼ一定に制御することを特徴とする請求項4または5に記載のプラズマエッチング装置。   6. The plasma etching according to claim 4, wherein the control unit controls the etching rate of the substrate to be processed to be substantially constant by controlling the potential of the substrate to be processed within a predetermined range. apparatus. 請求項1,2または3に記載のプラズマエッチング法により加工されたシリコン基板から製造可能な光学素子用成形金型。   A molding die for an optical element that can be manufactured from a silicon substrate processed by the plasma etching method according to claim 1. 請求項7に記載の成形金型を用いて製造可能な光学素子。

An optical element that can be manufactured using the molding die according to claim 7.

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