JP2006239787A - 微細構造作製方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工基板に微細な立体構造を形成する際、フォトリソグラフィー工程等を必要とせず、ＦＩＢの照射によるスパッタリング手法よりも高能率であり、基板材料の再付着による形状精度の劣化が無く、任意の形状、高さの微細構造物を製作可能な方法を得る。
【解決手段】Ｓ１では形成すべき凹部の深さに応じてＦＩＢのドーズ量、加速電圧を調整しながら単結晶シリコン（１００）面にＦＩＢを照射する。Ｓ２ではアセトン、純水を用いた超音波洗浄を行う。Ｓ３では単結晶シリコン基板を２３℃程度のＨＦ水溶液に浸漬して超音波振動を加えてエッチングし、確認のためにＳ４でＡＦＭにより形成された構造を観測すると、ＦＩＢ照射を行った基板表面に高さ数ｎｍ程度の凸状の隆起が生じている。この基板をエッチングすると非照射部はエッチングされないのに対して、照射部はエッチングされ、照射条件によって高さの異なる段差が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は被加工基板の湿式エッチング方法及びその方法を実施する装置に関し、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、加工条件により深さを調整するようにした微細な立体構造物を作製する方法及びその方法を実施する装置に関するものである

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、照射した領域が選択的にエッチングされることが知られている（例えば、非特許文献1参照）。この性質を利用してリソグラフィー技術を用いることなく、平面的な凹状の微細構造を得る手法であり立体的な微細構造を得ることはできなかった。

一方で、集束イオンビームのスパッタリング作用を利用して、被加工基板を加工する手法が知られている（例えば、非特許文献2参照）。また、従来までの立体構造を形成する手法として、グレースケールマスク（異なる紫外線透過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）。
J. Vac. Sci. Technol., B1 (1983) 985-999. J. Vac. Sci. Technol., B6（1990）1945-1950. 特開2003-15275号公報

上述したスパッタリング作用を用いる方法では、大面積を加工するには時間が必要であり、またスパッタリングされた基板材料が再付着し形状精度が劣化を招いてしまう。
グレースケール露光法を用いる方法では複雑形状のグレースケールマスクが必要となるほか、フォトリソグラフィー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。

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法が提供される。

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及び装置が提供される。
そして、好ましくは集束イオンビームの異なせる照射条件は、ドーズ量、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。

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、微細な立体構造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、半導体製造技術や微細金型などの幅広い技術分野において多様な応用が期待できる。

本発明は、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、微細な立体構造を形成することができるようにすることを、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、湿式エッチングにより照射部を選択的にエッチングする微細構造形成において、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により実現した。

次に、本発明の実施例について、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（１００）面にＦＩＢを照射する。その際に、形成すべき凹部の深さに応じてＦＩＢのドーズ量、加速電圧を調整する。ＦＩＢのイオン種としてはＧａ^＋が用いられる第２ステップＳ２ではアセトン、純水を用いた超音波洗浄を行う。第３ステップＳ３では超音波振動を加えたＨＦ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ＨＦ水溶液の水温は室温（２３℃）程度である。その後確認のために、第４ステップＳ４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。

エッチング処理前後の断面図を図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。ＦＩＢ照射を行った基板表面には高さｈ１の凸状の隆起が生じる。この基板をエッチングすると非照射部はエッチングされないのに対して、照射部はエッチングされ、非照射部と高さｈ２の段差が生じる。この高さはＦＩＢ照射条件やエッチング処理条件を変化させることにより制御することができる。

［ＦＩＢ照射部深さのドーズ量依存性］
ＦＩＢ照射部深さ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ＦＩＢ照射部深さを測定した。結果を図３に示す。照射イオンはＧａ^＋、加速電圧は３０ｋＶである。また、エッチャント（ＨＦ）の濃度は４６ｍａｓｓ％、エッチング処理時間は２０分である。

ドーズ量の増加にともない、ＦＩＢ照射後の隆起高さは増加した。ドーズ量が９．０×１０^−５Ｃ／ｃｍ^２以上になるとＦＩＢ照射部でスパッタが生じ始め、ドーズ量１．１×１０^−３Ｃ／ｃｍ^２以降では照射部に凹みが形成される。これらの試料をＨＦ水溶液でエッチング処理すると、ＦＩＢ照射部の微小な隆起は消滅し、照射部に凹みが形成される。ドーズ量が６．９×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２以下の場合、照射部の凹みは1nm以下である。ドーズ量がそれ以上になると、凹み深さは急激に増加し、ドーズ量３．４×１０^−５Ｃ／ｃｍ^２以上の場合、ドーズ量の増加にともない凹み深さは連続的に増加する。

図４（ａ）、（ｂ）は、ドーズ量を２．２×１０^−７〜２．７×１０^−５Ｃ／ｃｍ^２と２．２×１０^−４〜２．０×１０^−３Ｃ／ｃｍ^２条件でＦＩＢ照射した基板のエッチング処理前後の変化である。ドーズ量が小さい条件では、ＦＩＢ照射部に微小な隆起が生じ、ドーズ量の増加にともない高さが増加する。この基板をエッチング処理すると、ドーズ量が小さい場合、ＦＩＢ照射部に形成された微小な隆起が除去され、照射部に約１ｎｍの凹みが形成される。ドーズ量が大きくなると照射部の凹み深さは急激に増加し、約３３ｎｍの凹みが形成される。ドーズ量が大きい条件では、ドーズ量がいずれの場合でも深い凹みが形成され、ドーズ量の増加にともない深さが増加する。また、試料のスパッタリングにより照射部周辺に形成されていたばり状の突起は除去され、照射部周辺は平滑になることがわかる。

［ＦＩＢ照射部深さの加速電圧依存性］
ＦＩＢ照射部深さの加速電圧依存性を検証するために、加速電圧を変化させてＦＩＢ照射部深さを測定した。結果を図５に示す。照射イオンはＧａ^＋である。また、エッチャント（ＨＦ）の濃度は４６ｍａｓｓ％、エッチング処理時間は２０分である。
ドーズ量がいずれの場合でも、加速電圧の増加にともない凹み深さは線形的に増加することがわかる。

［ＦＩＢ照射部深さのエッチング処理時間依存性］
ＦＩＢ照射部深さのエッチング処理時間依存性を検証するために、エッチング処理時間を変化させてＦＩＢ照射部深さを測定した。結果を図６に示す。照射イオンはＧａ^＋、加速電圧は３０ｋＶである。また、エッチャント（ＨＦ）の濃度は４６ｍａｓｓ％である。

ドーズ量が２．９×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２の場合、エッチング処理時間が変化しても凹み深さは約０．５ｎｍであり、大きな変化は見られない。ドーズ量が６．９×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２の場合、エッチング処理時間４０分まで凹み深さは２．３ｎｍであるが、エッチング処理時間が６０分になると凹み深さは急激に増加し、２３．５nmとなる。ドーズ量が４．５×１０^−５C/cm^２以上になると、エッチング処理時間２０分で急激にエッチングが進行する。

ＦＩＢ照射部の結晶性の変化を検証するために、照射部を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察した。結果を図７に示す。照射イオンはＧａ^＋、加速電圧は３０ｋＶである。
ドーズ量が小さい場合、深さ約２０〜３０ｎｍを中心として、ドットピッチと同じ間隔で非晶質化した領域が形成されていることがわかる。ドーズ量が大きくなると、非晶質化した領域は、幅方向と同時に深さ方向に広くなる。さらにドーズ量の増加にともない、この領域は試料表面から生じるようになることがわかる。これより、ＦＩＢ照射によって形成された非晶質化層がエッチャントに選択的にエッチングされたものと推定できる。

ＦＩＢ照射部深さのドーズ量依存性のメカニズムを検証するために、ＨＦで６０分エッチング処理した基板を、さらに水酸化カリウム（ＫＯＨ）でエッチング処理を行った。
結果を図８と図９に示す。照射イオンはＧａ^＋、加速電圧は３０ｋＶである。また、エッチャント（ＫＯＨ）の濃度は１０ｍａｓｓ％、エッチング処理時間は９０秒である。

図８より、ドーズ量２．２×１０^−７〜２．７×１０^−５Ｃ／ｃｍ^２の範囲でＦＩＢ照射後、４６ｍａｓｓ％のＨＦ水溶液で６０分間エッチング処理すると、ドーズ量２．２×１０^−７Ｃ／ｃｍ^２の場合、照射部に変化は見られない。ドーズ量がそれ以上になると、照射部に凹みが形成される。この基板を１０ｍａｓｓ％のKOH水溶液で９０秒間エッチング処理すると、ドーズ量が２．２×１０^−７C/cm^２の場合、加工部がエッチングされずに溶け残り、高さ7nmの凸状構造が形成される。

ドーズ量２．２×１０^−６Ｃ／ｃｍ^２以下の場合、ＦＩＢ照射部にマスキング作用が発現し凹み深さは低下する。このことからＨＦ水溶液でエッチングされない条件では、基板内部に非晶質化した層が残っていると推定される。ドーズ量がそれ以上になると、ＦＩＢ照射部の凹み深さはエッチング処理前よりも大きくなった。試料内部の非晶質化層上部には、ＦＩＢ照射により損傷を受けた層が存在し、この層がＫＯＨ水溶液に対して耐食性が低いと推定される。ドーズ量が大きくなると、凹み深さは変化しなくなる。これは照射部に形成されたの非晶質化層が、ＨＦ水溶液によるエッチングにより完全に除去されたことを示している。

ＦＩＢ照射部表面あらさ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ＦＩＢ照射部表面あらさを測定した。結果を図１０に示す。照射イオンはＧａ^＋、加速電圧は３０ｋＶ、1ドットあたりのイオン照射量を４．０×１０^−１４Ｃである。また、エッチャント（ＨＦ）の濃度は４６ｍａｓｓ％、エッチング処理時間は２０分である。

ドットピッチが６２．５ｎｍ以下の場合、ＦＩＢ照射部は平滑となり、表面あらさＲａは約０．３０nmである。ドットピッチが６２．５ｎｍ以上になると、ドットピッチの増加にともない表面あらさは増加した、ドットピッチが２５０ｎｍ以上になると、各ドットは重畳しなくなり表面あらさＲａは１６ｎｍ以上となった。ドットピッチを６２．５ｎｍ以下にすることで高精細な微細構造を形成できることがわかる。

図１１は、ドットピッチ６２．５、１２５ｎｍの条件で形成した微細構造表面のＡＦＭ観察像である。ドットピッチが６２．５ｎｍの場合、ＦＩＢ照射部は平滑である。一方、ドットピッチが１２５ｎｍ場合、ドットピッチと同様の間隔で微小な凹凸が形成される。

図１２は、本発明の一実施例である。図１２（ａ）に示されるように、単結晶シリコンの基板１の（１００）面の２０μｍ×２０μｍの領域にドーズ量：４．４×１０^−５Ｃ／ｃｍ^２、１５μｍ×１５μｍの領域にドーズ量：３．３×１０^−５Ｃ／ｃｍ^２、１０μｍ×１０μｍの領域にドーズ量：２．２×１０^−５Ｃ／ｃｍ^２、５μｍ×５μｍの領域にドーズ量：２．２×１０^−５Ｃ／ｃｍ^２のＧａ^＋を加速電圧３０ｋＶで照射した。ＦＩＢ照射部には隆起が生じるが、高さの差は１ｎｍ以下である。この基板を超音波の加えられた４６ｍａｓｓ％のＨＦ水溶液でエッチング処理を行った。これより図１２（ｂ）に示す深さが４段階に変化した階段状構造が形成された。
また、ドーズ量を連続的に変化させることにより、図１３に示す滑らかな曲面を持ったフレネルレンズ型の構造を形成することができた。

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変えて、ＧａＡｓ、ＩｎＰやＡｌ_２Ｏ_３などの加工物半導体でもよい。また照射イオンは母材と同じ材料であっても良く、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｓｎ、Ｉｎなどその他の材料でも良い。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Ｈ_３ＰＯ_４を用いても良く、他の基板材料に対して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変えてスプレイ法を用いても良い。

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、微細な立体構造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、半導体製造技術や微細金型などの幅広い技術分野において多様な応用が期待できる。

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。 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。 本発明の形態を説明するためのエッチング深さのドーズ量依存性を示すグラフ。 図３の実験において、ドーズ量を変化させてＦＩＢ照射を行った基板のエッチング処理前後のＡＦＭ観察像。 本発明の形態を説明するためのエッチング深さの加速電圧依存性を示すグラフ。 本発明の形態を説明するためのエッチング深さのエッチング処理時間依存性を示すグラフ。 ＦＩＢ照射部の結晶性の変化を示すＴＥＭ観察像。 本発明のメカニズムを検証するための、ＫＯＨ水溶液によるエッチング処理前後のエッチング量の変化を示すグラフ。 図８の実験において、ＫＯＨ水溶液によるエッチング前後のＡＦＭ観察像。 本発明の形態を説明するための表面あらさのドットピッチ依存性を示すグラフ。 図１０の実験において、表面形態を表すＡＦＭ観察像。 本発明の一実施例を説明する階段構造の図 本発明の一実施例を説明するフレネルレンズ構造の図

符号の説明

１ 単結晶シリコン基板
２ イオン注入領域

Claims (12)

1. 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、湿式エッチングにより照射部を選択的にエッチングする微細構造形成において、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。
2. 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、湿式エッチングにより照射部を選択的にエッチングる微細構造形成において、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。
3. 集束イオンビームの異ならせる条件は、ドーズ量、加速電圧の中の一種または複数種であることを特徴とする請求項１または２に記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
4. 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ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
5. 被加工基板上の一または複数の領域に、異なる加速電圧により複数回の集束イオンビームを照射し、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回数に応じた高さの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。
6. 前記複数の領域のうちにある領域に対しては、他の領域と集束イオンビーム照射照射回数、加速電圧のいずれかをまたはその両方が異なり、ある領域と他の領域とでは形成される加工物の高さが異なることを特徴とする請求項５に記載の湿式エッチング方法。
7. 前記被加工基盤が半導体により形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
8. 前記被加工基盤が単結晶シリコンにより形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
9. 湿式エッチングが酸性エッチング液を用いて行われることを特徴とする請求項８に記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
10. 湿式エッチングがHF水溶液を用いて行われることを特徴とする請求項８に記載の被加工基盤の湿式エッチング方法。
11. 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、湿式エッチングにより照射部を選択的にエッチングする微細構造形成において、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装置。
12. 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、湿式エッチングにより照射部を選択的にエッチングる微細構造形成において、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装置。