JP2007502023A

JP2007502023A - 電子デバイスの製造方法

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Publication number: JP2007502023A
Application number: JP2006530821A
Authority: JP
Inventors: 川有紀子古; ロベルトゥス、アー．エム．ウォルタース
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2007-02-01
Also published as: WO2004102279A2; US20070032086A1; CN1791840A; CN100555085C; WO2004102279A3; US7605089B2; TW200511380A

Abstract

電子装置を製造する方法であって、１９３ｎｍリソグラフィを用いて相互接続を構成する方法。低分子イオン中で解離するプラズマガスを使用する間、所望の線幅の変形が生じない。電子装置は、特には集積回路である。

Description

本発明は、複数の電気素子と、前記電子素子を所望のパターンに従って相互接続する相互接続構造とを備える電子装置を製造する方法において、
垂直相互接続は、
少なくとも１つの誘電体層を導電面に設け、
２００ｎｍ程度の波長の照射に好適なフォトレジスト層を設け、
２００ｎｍ程度の波長でフォトレジスト層に照射し、それを現像させ、および
誘電体層をパターン化する、
ことによって設けられる方法に関する。

そのような方法は、例えば、Ｈａｂｅｒｍａｓ等、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、４６８９（２００２）、９２〜１０１より知られている。その方法では、ＡｒＦ源を起源とする、波長λが１９３ｎｍの放射線が利用される。そのような放射線を使用して、回路設計の小型化のためのＩＴＲＳの要件を満たす。

Ｈａｂｅｒｍａｓが述べているように、フォトレジストが変形を示し、その結果として、垂直相互接続の径が所望の径より制御不可能なほどに小さくなることが、知られている方法の問題である。その径の縮小（線幅収縮としても知られている）は２０％を上回ることがある。

したがって、本発明の目的は、冒頭の段落で言及した種類の方法において、フォトレジストの変形が生じない方法を提供することである。

この目的は、原子質量がＣＦの原子質量と等しい程度のイオン中で解離するプラズマガスによりプラズマ点火ステップを実施する際に達成される。本発明に至る実験において、フォトレジスト層の変形は膨張効果によることがわかった。これらの膨張効果は、イオンボンバードメントによるフォトレジスト層の加熱によって生じる。したがって、ドライエッチング法の第１のステップを低分子イオンにより実施すると、フォトレジスト変形を防ぐことが可能であることが明らかになった。ＣＦ_２イオン中で解離するＣＦ_２Ｈ_２ガスまたはＡｒガスとは異なり、ＣＦイオン中で解離するＣＦ_４の使用およびＮ_２ガスの使用は、フォトレジストの変形をもたらさない。

任意の所望のエッチング剤を、１つまたは複数の誘電体層をエッチングするのに使用できることが本発明の方法の利点である。特に、Ａｒ／ＣＨ_２Ｆ_２／Ｏ_２のような蛍光体含有ガス（フッ素含有ガス）を使用することが可能である。

いずれの理論にも束縛されずに、発明者等は、上記の所見を以下のように説明することを試みる。すなわち、プラズマ点火ステップは、フォトレジストに対する化学的効果を有する。フォトレジストは化学的に改質されるため、プラズマ点火ステップ後の熱処理または高エネルギーイオンボンバードメントに敏感でなくなる。

また、フォトレジストがプラズマ点火ステップ中に変形すると、その変形はその後も消えない。

１つの可能な化学的効果は、反応基の不完全な変換の完全化である。（メタ）クリレートの場合は、これは不完全重合の完全化である。

その変形に対して与えられるさらなる説明は、フォトレジスト材料の軟化は、フォトレジストの重合体の主鎖における結合の開裂によって生じることである。

フォトレジスト層のパターン化のための好ましいプラズマガスは、Ｎ_２とＨｅである。これらの低分子ガスは、フォトレジストの有機物質と化学的に反応しないという利点がある。したがって、フォトレジストのあらゆる変形を防止するのが容易である。

２００ｎｍ程度の波長での照射に好適なフォトレジスト層は、λ＝２４８ｎｍのような大きい波長での照射に使用される化学システムとは実質的に完全に異なる化学システムである。これらの短波長に使用されるフォトレジスト層は、下部層に影響することなく高エネルギー放射線に対処することが必要とされるより不安定な構造を有することが明らかになっている。このことは、これらの波長に対応するフォトレジストは、一般には、環状基を有する鎖、および極性側基を有する共重合体であることに起因しうる。極性基により、それらの鎖はより大きい相互作用を有すると考えられる。環状基により、それらの基はかさ高い。確かに、鎖は、２４８ｎｍフォトレジストとして広く使用されているポリスチレンのようなビニル系重合体より不規則である。これは、より不安定な構造をもたらす。したがって、特に、熱供給は、著しい膨張、つまりは変形をもたらしうる。あるいは、フォトレジストはポリ（メチル）アクリレートであり、それらは、ガラス温度が低く、熱膨張係数が高く、変形に敏感でもある。

フォトレジストシステムの例としては、開環置換重合体、例えばエステルの共重合体、ならびにアルキル置換シクロペンチルエチレンおよびノルボルネン置換シクロペンチルエチレン（norbornene-substituted cyclopentylethylene）、またはポリ（置換シクロペンチルエチレン）もしくはポリ（置換シクロヘキシルエチレン）、置換基は例えば３、３−ジエステル、環状側基および極性側基を有する（メタ）クリレート、照射すると重合される、極性基、アルキル基および保護基で置換することができる、無水マレイン酸とノルボルネンのような環状オレフィンとの交互共重合体、エステルまたは他の保護基でさらに置換されるビニルエーテルと無水マレイン酸との交互共重合体、酸、エステル、アルキルのようなノルボルネンユニットに対する異なる置換基を有する、ノルボルネンのような環状オレフィンに基づく重合体に基づくシステムが挙げられる。

特に好適なのは、ポリアクリレートおよびポリメタクリレートの群から選択される物質を含むフォトレジストである。

好ましい実施形態において、一層だけでなく、誘電体の層の積層体（スタック）が導電面に設けられ、その積層体は少なくとも１つの低Ｋ物質を含む。低Ｋ物質（low-K materials）は、特にε_ｒ≦２．５、好ましくはε_ｒ≦２．０の極めて低い誘電率を有する物質である。それらは、極めて開口の大きい、または多孔質の内部構造を有する。よく知られている例としては、ＭＳＱ、ＨＳＱ、ＳｉＬＫ、ベンゾシクロブタンおよび有機改質多孔質シリカが挙げられる。そのような層に伴う問題は、積層体の機械的安定性である。しかし、様々な誘電体の薄膜を使用すると、この問題が克服される傾向にある。しかし、このアプローチは、エッチングをよりクリティカルにする。本発明の方法は、この種の積層体に完全に好適であることが明らかになった。

誘電体層のパターン化のために形成された接触窓に導電体が充電される結果として、垂直相互接続が得られる。例としては、アルミニウム、タングステン、ニッケル、金、銀および銅が挙げられる。接触窓の充填は、ダマシンまたは二重ダマシン法を用いて好適に行われうる。当業者に知られているように、ＴｉＮおよびＴａＮおよびメッキ基材のようなバリヤ層を、前記導電体を接触窓に充填する前に設けることができる。

得られる垂直相互接続は、好ましくは、１０から２５ｎｍの範囲の径を有する。その側壁は真っ直ぐで、サイズは完全に予測可能である。この相互接続は、集積回路に特に有用であり、そこでは、電気素子は（主に）トランジスタである。しかし、この相互接続は、薄膜網、バイオセンサおよび他の用途での使用にも好適である。

本発明の方法のこれらおよび他の態様を、図面を参照しながらさらに説明する。

１．フォトレジストおよびスピンオン低ｋ物質特性
図１は、該方法に使用される誘電体層２、３、４、５の積層体およびフォトレジスト層１の断面図を示す図である。フォトレジスト層１は、１９３ｎｍフォトレジストである。それは、ＪＳＲＡＲ４１４Ｊとして市販され、ポリアクリレートおよびポリメタクリレートを含む。比較のために、ＪＳＲＴＭＸ１２６５Ｇとして市販され、ＥＳＣＡＰを含む２４８ｎｍフォトレジスト（環境的に安定した化学増幅フォトレジスト）による実験も行った。この２４８ｎｍフォトレジストはポリスチレンの化合物である。誘電体２、３、４、５として、第１の層２、第２の層３、第３の層４、第４の層５の積層体を使用した。第１および第３の層２、４は、ＦＦ−０２として知られる低Ｋスピンオンハードマスクを含む。ＦＦ−０２は、誘電率が約３．３のポリアリレン系物質である。第２の層３は、誘電率が約２．２の多孔質ＭＳＱ型物質である低Ｋ物質ＪＳＲＬＫＤ−５１０９であった。第４の層５は、スピンオングラス物質で、特に誘電率が約３．０であるＭＳＱ型物質の低Ｋスピンオンハードマスク（ＳｏＨＭ）であった。該物質は、ＳＯＧ０４およびＳＯＧ０４１として知られる。ＳＯＧ０４１は改質ＳＯＧ０４で、１９３ｎｍフォトレジストに適合する。

２．誘電体層の積層体およびパターニング
積層体を図１に示す。動的分配（dynamic dispense）により、ＴＥＬクリーントラックＡＣＴ８ＳＯＤを使用してＬＫＤ−５１０９、ＦＦ−０２、ＳＯＧ０４およびＳＯＧ０４１を塗布した。２４８ｎｍフォトレジストおよび１９３ｎｍフォトレジストをＳｏＨＭの上面に塗布し、ＴＥＬクリーントラックＡＣＴ８を使用して現像し、それぞれＡＳＭＬＰＡＳ５５００／７５０およびＡＳＭＬＰＡＳ５５００／９５０を使用して露光した。ＬＫＤ−５１０９、ＳＯＧ０４およびＳＯＧ４１をＬａｍＥｘｅｌａｎでエッチングし、そこでは炭化フッ素化学系、Ａｒ、Ｏ２およびＮ２を使用したのに対して、ＦＦ−０２をＬａｍＶｅｒｓｙｓでエッチングするのに高密度ＴＣＰエッチング工具、Ｎ２／Ｏ２化学系を使用した。

３．２４８ｎｍフォトレジストおよび１９３ｎｍフォトレジストを使用した誘電体層のパターン化
図２に、パターン化手順（左）と、２４８ｎｍフォトレジスト（図２ａ、左）および１９３ｎｍフォトレジスト（図２ｂ、右）を使用した各エッチングステップのｘ断面ＳＥＭ写真を示す。２４８ｎｍフォトレジストおよび１９３ｎｍフォトレジストにより両積層体に対して同一のエッチング条件を適用した。それらのステップは、Ａｒ／ＣＦ_４／ＣＨ_２Ｆ_２／Ｏ_２ガスによる第４の層５のパターン化と、第３の層４のエッチングおよびＮ_２／Ｏ_２ガスを使用したフォトレジスト層１のストリッピングと、Ａｒ／ＣＦ_４／ＣＨ_２Ｆ_２／Ｏ_２ガスを使用した第２の層３のパターン化とを含むものであった。エッチング前の２４８ｎｍフォトレジストおよび１９３ｎｍフォトレジストの線幅は、それぞれ０．２μｍおよび０．２５μｍである。ＭＳＱ型ＳｏＨＭのエッチングの後で、１９３ｎｍフォトレジストの変形およびＳｏＨＭの上面の側壁傾斜を観察した。２４８ｎｍフォトレジストも上面にわずかな変形を示しているが、１９３ｎｍフォトレジストほど過酷ではなく、傾斜側壁も観察されなかった。１９３ｎｍフォトレジストを使用してＳｏＨＭの有機物のエッチングを行った後に、両ＳｏＨＭの傾斜を観察した。ＬＫＤ−５１０９のエッチングの後に、１９３ｎｍフォトレジストを使用した０．２５μｍ溝ターゲットに対して、約０．２μｍの狭い線幅が得られたが、それは２０％の線幅収縮である。２４８ｎｍフォトレジストを使用すると、ＳｏＨＭ側壁の傾斜が観察されず、０．２μｍの溝ターゲットに対する適切な線幅（約０．２μｍ）が得られた。

４．１９３ｎｍフォトレジスト変形、およびＭＳＱ型ＳｏＨＭの上面の側壁傾斜に対するエッチング条件の効果
図３に、ＭＳＱ型ＳｏＨＭの上面を、異なるエッチング条件で１９３ｎｍフォトレジストを使用してエッチングした後のｘ断面ＳＥＭ写真を示す。（標準処方として、２００ｍＴｏｒｒレンジの圧力、１ｋＷレンジの２７ＭＨｚ出力、および０．５ｋＷレンジの２ＭＨｚ出力のＡｒ／ＣＦ４／ＣＨ２Ｆ２／０２化学系を選択した）。１９３ｎｍフォトレジストを使用したＭＳＱ型ＳｏＨＭの上面のエッチングの後の０．２５μｍ溝／０．２５μｍ空間構造のＳＥＭ写真が示されている。図３（ａ）〜（ｃ）は、エッチングの圧力および出力設定を同一とした異なる炭化フッ素化学系の効果を示す図である。図３（ａ）において、Ａｒ／ＣＦ４／Ｏ２化学系は、フォトレジスト変形およびＨＭ側壁の傾斜をほとんど与えない。フォトレジスト変形および側壁傾斜は、ＣＨ２Ｆ２へのＣＦ４の部分置換によって生じ（図３ｂ）、図３ｃにおいて、ＣＨ２Ｆ２による完全置換によって大きくなる。ＣＨ２Ｆ２のような重合性の化学系は、ＣＦ４のようなより重合性の低い化学系より大きなフォトレジスト変形を与える。図３（ｄ）〜（ｆ）は、Ａｒ／ＣＦ_４／ＣＨ_２Ｆ_２／Ｏ_２化学系によるエッチングの圧力および出力設定の効果を示す図である。図３（ｄ）において、５０％低威圧力、および（ａ）〜（ｃ）と同じ出力設定が用いられている。図３（ｅ）において、２倍の２ＭＨｚ出力、同一圧力、および（ａ）〜（ｃ）の２７ＭＨｚ出力設定が用いられている。図３（ｆ）において、２倍の２ＭＨｚ出力、５０％低い２７ＭＨｚ出力で（ａ）〜（ｃ）と同じ圧力が用いられている。

５．炭化フッ素化学系およびフォトレジスト被覆率に応じた１９３ｎｍフォトレジスト変形現象
図４に、プラズマ点火から、Ａｒ／ＣＦ４／Ｏ２化学系（図４（ａ）、（ｂ））およびＡｒ／ＣＨ２Ｆ２／Ｏ２化学系（図４（ｃ）、（ｄ））を使用した２０秒間のエッチングまでの１９３ｎｍフォトレジストの進行を示す。図４（ａ）、（ｃ）は、０．２５μｍ溝／０．２５μｍ空間構造のＳＥＭ写真を示し、図４（ｂ）、（ｄ）は、（ａ）、（ｂ）Ａｒ／ＣＦ４／Ｏ２化学系、（ｃ）、（ｄ）Ａｒ／ＣＨ２Ｆ２／Ｏ２化学系を使用したＭＳＱ型ＳｏＨＭの上面のエッチング後の０．１５μｍ溝／０．３５μｍ空間構造のＳＥＭ写真を示す図である。圧力および出力設定は、図３（ａ）〜（ｃ）と同じである。

フォトレジスト変形は、Ａｒ／ＣＦ４／Ｏ２およびＡｒ／ＣＨ２Ｆ２／Ｏ２の両化学系を使用したプラズマ点火で始まる。より高いフォトレジスト被覆率を有する０．１５μｍ溝／０．３５μｍ空間構造は、より過酷なフォトレジスト変形を有する。ここで、微小負荷効果（micro-loading effect）は観察されなかった。Ａｒ／ＣＦ４／Ｏ２化学系の場合は、ＳｏＨＭの上面は、プラズマ点火において既にパターン化されており、フォトレジスト変形により丸い側壁が形成されていた。１０秒間のエッチング（図４（ａ２）、（ｂ２））の後も、特に０．１５μｍ溝構造においてフォトレジスト変形がまだ観察された。しかし、ＳｏＨＭ側壁の傾斜はほとんど観察されなかった。溝サイズは目標内であった。２０秒間のさらなるエッチングは、フォトレジストの突出部分をスパッタするため、フォトレジスト変形がより小さいようである（図４（ａ３）、（ｂ３））。他方で、Ａｒ／ＣＨ２Ｆ２／Ｏ２化学系は、Ａｒ／ＣＦ４／Ｏ２化学系より大きいフォトレジスト変形および低いＳｏＨＭおよびフォトレジストのエッチング率を与える。プラズマ点火ステップにおいて、ＳｏＨＭはわずかにパターン化され、フォトレジスト変形にかかわらず、溝サイズは目標以内であった（図４（ｃ１）、（ｄ１））。１０秒間にわたるさらなるエッチングは、フォトレジストおよび側壁の重合によりフォトレジスト変形を大きくし、ＳｏＨＭの上面の側壁傾斜が過酷になった（図４（ｃ２）、（ｄ２））。２０秒間のエッチング後に、０．２５μｍ溝が０．２μｍ未満に減少した（図４（ｃ３）。一方、０．１５μｍ溝構造は、過酷なフォトレジスト変形により６０度の側壁傾斜、および閉鎖溝パターン化を有していた（図４（ｄ３））。

６．Ａｒ／ＣＨ２Ｆ２／Ｏ２化学系を使用したエッチング時の１９３ｎｍフォトレジスト変形に対するＡｒまたはＮ２プラズマ点火の効果
図５に、点火時におけるＡｒおよびＮ２プラズマの１９３ｎｍフォトレジスト変形の効果を示す。図５（ａ）および（ｃ）は、０．２５μｍ溝／０．２５μｍ空間構造のＳＥＭ写真を示す図である。図５（ｂ）および（ｄ）は、０．１５μｍ溝／０．３５μｍ空間構造のＳＥＭ写真を示す図である。図５（ａ）、（ｂ）に示される実験では、Ａｒプラズマ点火を用い、図５（ｃ）、（ｄ）では、Ｎ２プラズマ点火を用いた。プラズマ点火後に、Ａｒ／ＣＨ２Ｆ２／Ｏ２化学系を使用してエッチングを行った。圧力および出力設定は図３（ａ）〜（ｃ）と同じである。

点火時のＡｒプラズマ（図５（ａ１）、（ｂ１））は、Ａｒ／ＣＨ２Ｆ２／Ｏ２点火（図４（ａ１）、（ｂ１））と同様のフォトレジスト変形を与えるとともに、ＳｏＨＭの表面に対する改質を与えたため、１０秒間にわたってエッチングを行った後の０．２５μｍ溝構造に対して、ＳｏＨＭ上のパターン化は観察されなかった（図５（ｃ２））。一方、０．１５μｍ溝構造は、溝サイズが狭く、１９３ｎｍフォトレジスト変形が過酷であるため、Ａｒプラズマ点火による改質がより小さい（図５（ｂ２））。点火時のＮ２プラズマは、より高いフォトレジスト被覆率の構造に対しても、フォトレジスト変形を与えなかった。続くＡｒ／ＣＨ２Ｆ２／Ｏ２化学系を使用した１０秒間のエッチングにより、わずかなフォトレジスト変形が生じた。０．２５μｍ溝構造では真っ直ぐな側壁が得られ、０．１５μｍ溝構造ではより傾斜の小さい側壁が得られた（図５（ｃ２）、（ｄ２））。

７．ドライエッチングによる１９３ｎｍフォトレジスト変形の機構
主にポリアクリレートとポリメタクリレートとを含む１９３ｎｍフォトレジストを使用し、また主にポリエチレンよりなる２４８ｎｍフォトレジストを使用して実験を行った。プラズマエッチング中のイオンボンバードメントは、フォトレジストの表面を加熱し、フォトレジストは、誘電体層のような下部層と半導体材料とに熱が伝達されるまで急速に膨張する。ガラス温度（Ｔ_ｇ）および膨張係数の差の結果として、１９３ｎｍフォトレジストは、２４８ｎｍフォトレジストより大きく変形した。イオンボンバードメントのエネルギーは、使用化学系の化学種の質量に依存する。したがって、Ａｒ（ｍ／ｅ＝４０）と、主にＣＦ２（ｍ／ｅ＝５０）に解離することになるＣＨ２Ｆ２とによる点火は、Ｎ２（ｍ／ｅ＝１４（Ｎ）、ｍ／ｅ＝２８（Ｎ２））と、主にＣＦ（ｍ／ｅ＝３１）に解離することになるＣＦ４より過酷なフォトレジスト変形を与える。ＸＰＳの結果によって、Ｎ２による点火はフォトレジストの改質が小さいことが確認される。また、ＣＦ４およびＣＨ２Ｆ２はフォトレジストと化学反応する。ＣＦ４化学系は、フォトレジストおよび下部誘電体層を除去するのに対して、ＣＨ２Ｆ２化学系は、フォトレジストおよび側壁に対する重合を生じさせる。図６に示されるように、プラズマ点火時に使用される化学系がフォトレジスト変形を決定づける。

図６Ａは、いずれかのプラズマ点火前の状況を示す図である。図６Ｂおよび６Ｃは、プラズマ点火時（図６Ｂ）および冷却後（図６Ｃ）においてプラズマ点火に使用された異なるプラズマに対する状況を概略的に示す図である。状況Ｉは、プラズマガスＮ_２に関する。この場合は、主たる機構は、下部層への熱伝達であると想定される。状況ＩＩは、プラズマガスＡｒに関し、状況ＩＶは、プラズマガスＡｒ／ＣＨ_２Ｆ_２／Ｏ_２に関する。この場合は、フォトレジストの膨張がある。膨張に加えて、状況ＩＶのプラズマガスは、重合の特性をも示す。状況ＩＩＩは、プラズマガスＡｒ／ＣＨ_４／Ｏ_２に関する。この場合は、プラズマ点火は、フォトレジストとハードマスクの両方の何らかのエッチングをもたらす。

要約すると、１９３ｎｍフォトレジスト変形による２０％を超える線幅収縮が、相互接続構造における誘電体層のパターン化を通じて観察される。Ａｒ／ＣＨ２Ｆ２／Ｏ２のような重合生化学系は、著しい１９３ｎｍのフォトレジスト変形を与え、６０度の側壁傾斜をもたらす。１９３ｎｍフォトレジスト変形は、Ｎ２、ＨｅおよびＣＦ４化学系のような低分子イオン中で解離するプラズマガスを用いたプラズマ点火ステップを実施することによって抑制することが可能である。

該方法に用いられる誘電体層の積層体およびフォトレジスト層の断面図を示す図である。先行技術の方法のＳＥＭ写真を示す図である。本発明による実験のＳＥＭ写真を示す図である。本発明による実験のＳＥＭ写真を示す図である。本発明による実験のＳＥＭ写真を示す図である。使用するプラズマガスに依存する変形の断面図を示す図である。

Claims

複数の電気素子と、前記電子素子を所望のパターンに従って相互接続する相互接続構造とを備え、前記構造は少なくとも１つの誘電体層を通じた垂直相互接続を含む電子装置を製造する方法において、
垂直相互接続を設けることは、
少なくとも１つの誘電体層を導電面に設け、
２００ｎｍ程度の波長での照射に好適なフォトレジスト層を設け、
２００ｎｍ程度の波長で前記フォトレジスト層に照射し、それを現像させ、
前記誘電体層をパターン化する、
ことを備える方法であって、
前記誘電体層をパターン化する前に、原子質量がＣＦの原子質量と等しい程度のイオン中で解離するプラズマガスによりプラズマ点火処理を実施する
ことを特徴とする方法。
前記プラズマガスは、Ｎ_２、Ｈｅ、ＣＦ_４の群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記プラズマガスは、Ｎ_２またはＨｅである請求項２に記載の方法。
前記フォトレジスト層は、ポリアクリレートおよびポリメタクリレートの群から選択される物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
誘電体層の積層体が導電面に設けられ、該積層体は、少なくとも１つの低Ｋ物質の層を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記誘電体層のパターン化の後に、得られるあらゆる接触窓に導電体を充填することによって、前記垂直相互接続を設けることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記電気素子はトランジスタで、前記電子装置は集積回路であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記誘電体層をドライエッチングによってパターン化することを特徴とする請求項１、２または３に記載の方法。
前記誘電体層を、蛍光体含有物質を含むプラズマガスでエッチングすることを特徴とする請求項８に記載の方法。