JP2011195380A - エッチング加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチング加工における加工形状の誤差を低減する。
【解決手段】石英ガラス２４にプラズマジェットガン１からプラズマジェット３１を照射し、表面加工する工程において、プラズマジェット３１と石英ガラス２４との反応による発光部３２をＣＣＤビデオカメラ２７で撮像する。発光部３２の波長４４０ｎｍのスペクトルを検出し、その発光強度分布から求めた除去形状と目標除去形状との差を縮小するように、プラズマジェット３１と石英ガラス２４との相対位置、除去量及び除去径を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物の表面をエッチング加工によって局所的に除去し、形状創成するエッチング加工方法に関するものである。

近年、半導体素子の微細化に伴い、光学素子の精度は極めて高精度を要求され、1ｎｍＲＭＳ以下の精度、特に、極紫外光（ＥＵＶ）露光装置のレンズ、ミラーなどは、形状、表面粗さともに０．１ｎｍＲＭＳ以下の自由曲面が求められている。これらの光学素子を製造するために、研削加工、研磨加工、プラズマＣＶＭ加工、イオンビーム加工などを適宜組み合わせてプロセスを組み立てている。これらの加工手段で形状創成をするフローの概略は以下の通りである。

予め、加工手段の単位時間に対する除去形状（単位除去形状）のデータをとる。被加工物については、加工面全面に対して、任意の間隔で加工前の形状と目標とする形状の差分を測定する。次に、同様に加工面全面に対して、任意の間隔で各地点の除去形状を単位除去形状と滞留時間の積として、積算した除去形状と前記形状との差分との差が最小になるように演算する。そして、求められた各地点と滞留時間に従い、工具と加工面を相対移動させるものである。これを滞留時間制御と呼んでおり、例えば、特許文献１では、イオンビームによる形状創成手法、特許文献２では、研磨による形状創成手法が提示されている。この滞留時間制御による形状創成手法では、加工位置の誤差、及び単位除去形状の誤差が加工形状の誤差につながる。

また、特許文献３には、レーザ照射位置のずれを検出して補正する方法が開示されている。これは、レーザビームが照射される溶接部からプラズマ光の位置をＣＣＤカメラで撮像した画像に基づいて照射位置のずれ量を検出し補正するものである。

特開平１０−３３７６３８号公報 特開２００３−３１１５８７号公報 特開２００４−２１６４１８号公報

しかしながら、特許文献３に開示されたものは、プラズマ光を検出した部分の平面の重心を照射位置中心としている。また、熱プラズマであるから、除去されていない表面分子も発光しているため、発光と除去形状の対応が不明確である。特に、照射位置を走査（移動）する場合は、場所による熱履歴があるため、発光部の形状と実際の除去形状がずれることになる。そのため、発光形状で制御すると加工誤差が必ずしも小さくならず、精度が劣化するという課題があった。

本発明は、実加工中の反応生成物による発光強度分布を検出することで、除去形状をリアルタイムに測定して、目標除去形状との差を縮小し、加工精度を向上させることのできるエッチング加工方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明のエッチング加工方法は、ビーム発生手段から発生されるエッチングビームを被加工物に照射して加工するエッチング加工方法において、被加工物の表面形状を測定して目標除去形状を求める工程と、エッチングビームを被加工物に照射しながら、被加工物との反応による発光部の発光強度分布を検出する工程と、前記発光強度分布から求めた除去形状と前記目標除去形状の差を縮小するように、エッチングビームを制御する工程と、を有することを特徴とする。

エッチングビームとの反応生成物により発生する光の発光強度分布を検出することにより、実際の除去形状の除去中心位置や除去量等を正確に求めて、加工精度を上げることができる。

第１の実施形態に係るもので、（ａ）はエッチング加工装置を示す模式図、（ｂ）は単位除去形状を示す断面図である。 第１の実施形態に係るもので、（ａ）はプラズマジェトガンと被加工物の位置決めを説明する図、（ｂ）は発光強度分布マップを示す図である。 第２の実施形態によるイオンビームエッチング加工を行うための装置を示す模式図である。

本発明においては、反応生成物のみをモニターすることで、加工中に除去形状を正確に測定し、目標除去形状との差を縮小するように加工条件を制御することで、加工精度を向上させる。除去加工では、表面で化学的な作用を起こす手法が各種研究開発されている。それらは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）加工、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）加工、プラズマジェット加工など、照射物と被加工物で化学結合を起こし、揮発性の高い物質にして除去速度の向上を狙ったものである。フッ素ラジカルを利用したガラス材料のエッチング加工では、ガラスの主成分であるＳｉＯ_２と主に次の反応を起こすことが知られている。
ＳｉＯ_２（固体）＋４Ｆ（ラジカル） → ＳｉＦ_２ ＋ Ｏ_２

ＳｉＦ_２は、沸点が−８６℃の材料であるため、常温で気体となる。Ｏ_２（酸素分子）も含め、生成物は全て気体なので、揮発して飛散し、ＳｉＯ_２が除去される。フッ素のラジカル反応の際、ラジカルと定常状態のエネルギー準位の差で定まる波長のスペクトルを放出する。フッ素イオンによる反応の場合も同様にある波長のスペクトルを発生する。

高周波やマイクロ波を用いて不活性ガスをプラズマ化し、反応性ガスを混合しラジカルにして被加工物に照射して、化学的に反応させて除去するプラズマジェット加工において、除去形状を求め、加工条件を調整する方法を説明する。プラズマジェットガンによりフッ素ラジカルをガラスに照射した場合では、ＳｉＦに由来する波長は４４０ｎｍ、Ｆに由来する波長は６８６ｎｍであり、発光分析装置（ＯＥＳ）では、混合のスペクトルが観測される。

それぞれ、６９０±１０ｎｍ、４４０±１０ｎｍのフィルターを通し、ＣＣＤを用いて撮像した二次元の画像でそれらの波長の位置を確認すると、６８６ｎｍの発光の位置は、４４０ｎｍの発光位置とは異なる位置にあり、ガラスに近い所にあることがわかった。フッ素ラジカルからフッ素分子になる際の発光は、プラズマジェットガンの出口より放出された時点から、ラジカルから定常状態への変化が始まり発光する。一方、ＳｉＦに由来する発光はフッ素ラジカルがガラスにあたって上記反応が起きた時点から発光する。そのため、波長により発光の位置が異なると考えられる。その発生メカニズムからエッチング加工の際の反応生成物の発光は、反応の位置と反応量と直結すると考えられる。したがって発光強度の分布から実際にガラスが除去されている除去中心位置や、単位時間あたりの除去量分布を相対的に求めることができる。

そこで、反応生成物の発光を適切なフィルターを通し、光量の二次元分布をとり、最大値や分布を演算で求めることにより、除去中心位置や除去量分布をエッチング加工と同時に検出する。除去中心位置が所望の位置と比較して異なると判定された場合、プラズマジェットと被加工物の相対位置を変化（相対移動）させることで、除去位置を所望の位置に近づける。また、単位時間あたりの除去量分布は、被加工物へのプラズマ照射径及びプラズマ発生量と相関があるので、プラズマジェットガンのプラズマ照射径及びプラズマ発生量を変えることで、単位時間あたりの除去量分布を所望の量に近づけることができる。このようにしてプラズマジェットを制御することで、発光強度分布から求めた実加工中の除去形状と目標除去形状との差を縮小することで、加工精度を向上させることができる。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、第１の実施形態によるエッチング加工装置を示す。ビーム発生手段であるプラズマジェットガン１は、二重構造のそれぞれ中空のステンレスでできた導管２、３と、マスフローコントローラ４、５からなる。内側の導管２は、プラズマ生成用のキャリアーガスとして、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスを導入する機能と、プラズマを生成するための高周波又はマイクロ波を入力する機能を持っている。Ａｒガスは、不図示のボンベからマスフローコントローラ４により流量を制御して導入する。マイクロ波は、マイクロ波電源６から調整用チューナ７を介して高周波ケーブル８で導管２に導入する。外側の導管３には、反応性ガスとして例えば六フッ化硫黄（ＳＦ_６）ガスを導入する。ＳＦ_６ガスも不図示のボンベからマスフローコントローラ５により流量を制御して導入する。

プラズマジェットガン１は、ステンレスなどで作成されたプロセス室１１に取り付けられる。プロセス室１１は、ドライポンプやターボポンプからなる排気系１２が設けられており、室内圧力を調節するためのバタフライバルブ１３が接続されている。排気系１２を動作させ、内側の導管２から例えば２００ｓｃｃｍのＡｒガス導入し、２．４５ＧＨｚ、１５０Ｗのマイクロ波を印加し、不図示の圧電点火器によりプラズマ点火をして、Ａｒガスをプラズマ状態にする。その後、外側の導管３より、ＳＦ_６ガスを例えば１００ｓｃｃｍ導入し、Ａｒプラズマと混合し、フッ素ラジカルを生成する。エッチング速度や安定性などのプロセス条件から予め決められた圧力を、真空計１４により、例えば１００ｋＰａにバタフライバルブ１３を調整する。あるいは、ガス導入ニードルバルブ１５によりＮ_２などを導入して調節する。

プロセス室１１には、リジッドな定盤２１が設置されており、その上にＸＹＺステージ２２が設置されている。ＸＹＺステージ２２は、制御ＰＣ２５で２ｍｍピッチで滞留時間制御をするプログラムが組まれている。ＸＹＺステージ２２には、ワークホルダー２３を介して被加工物である石英ガラス２４が装着されている。

プロセス室１１の外側には、先端に例えば４４０ｎｍ±１０ｎｍ（半値幅）のフィルター２６を装着したＣＣＤビデオカメラ２７（例えば画素数６４０×４８０）を装着している。プロセス室１１のカメラの視野部分は、ビューポートになっており、石英ガラス２４の表面が見えるようになっている。このカメラの光学系はＣＣＤにおいて、被加工物表面の１４０ｍｍ×９０ｍｍに相当するように調整されており、１画素あたり、１４０ｍｍ／６４０≒０．２２ｍｍ程度の分解能を持っている。石英ガラス２４に、フッ素ラジカルを含むエッチングビームであるプラズマジェット３１を照射し、発光部３２のＳｉＦ由来の４４０ｎｍのスペクトルを検出する。これと、ＣＣＤの各画素からの明度データをマトリックスに二次元で読み込むとＳｉＦ由来の発光強度分布マップができる。このマップから、発光強度の重心を求めたり、移動平均してノイズや画素抜けを補正して最大値を求めることで、除去中心位置を検知することができる。

次に、滞留時間制御の手法を説明する。まず、このプロセスの単位除去形状のデータをとる。被加工物である石英ガラス２４と同じ材質で、表面が平面で平滑なサンプルを用意し、白色干渉計などで表面の凹凸形状を二次元で測定する。続いて、ワークホルダー２３で、ＸＹＺステージ２２に固定し、ガス量、マイクロ波入力などのプロセス条件を設定し、例えば２０秒間定点照射する。その後、サンプルのエッチングされた形状を測定し、初期に測定した二次元データを差し引いて、除去形状を求める。その値が、単位時間（この場合は２０秒）の単位除去形状となる。

単位除去形状の断面の例を図１（ｂ）に示す。一般的に回転対称で、中央部が最大になる山形形状をしている。研磨加工などの機械加工では、加工工具の形状を転写したものになり、ビーム加工では、多くは正規分布に近い形を示す。

被加工物については、加工面全面に対して、任意の間隔で加工前の表面形状を測定し、目標とする表面形状との差分（目標除去形状）を求める。次に、同様に加工面全面に対して、プラズマジェットガン１を滞留させる任意の間隔（例えば２ｍｍ）で各地点の除去形状を単位除去形状と滞留時間の積として、積算した除去形状と前記目標除去形状との差分との差異が最小になるように演算する。このようにして、各地点における滞留時間のマップを作成する。

次に、実際に被加工物である石英ガラス２４の最初の１点目を加工する動作を図２（ａ）により説明する。最初に、被加工物とプラズマジェットガン１の除去中心位置の相対位置の初期化を行う。ワークホルダー２３に、予め求めている単位除去形状の径よりも小さい例えばφ２ｍｍのマーカーガラス２８がついている。プラズマジェットガン１の鉛直方向と、ＸＹＺステージ２１のＸＹ平面との交点から、除去中心位置とマーカーガラス２８とが合うステージ位置（位置Ａ）が設計的に求められる。位置Ａを中心にＣＣＤビデオカメラ２７を連続的に動作させ、ＸＹＺステージ２１をＸＹ平面で動かし、プラズマジェットガン１よりプラズマを照射して、マーカーガラス２８との反応で生ずる発光の明度の各ステージ位置データをとる。なお、この際、マーカーガラス２８は、石英ガラス２４の加工面よりも充分離れており、プラズマにより石英ガラス２４を除去しないようにする。

このようにしてとった発光の明度のデータの中で最も明度の高いステージ位置が、マーカーガラス２８の中心位置とプラズマジェットガン１の除去中心位置が一致したところと判断する。その位置は、必ずしも位置Ａと一致するとは限らない。そのため、位置Ａと最も明度の高いステージ位置の偏差を滞留時間制御の位置データに加え補正する。

これで初期設定が完了し、最初の１点目にステージ位置を移動させる。例えば０．５秒ごとにＣＣＤのデータを取り込み、５ポイントの移動平均をマッピングし、最大値をとる位置を除去中心位置とする。このように発光強度分布から求めた除去形状の除去中心位置と目標除去形状の最大加工位置（除去中心位置）との間に偏差εがあれば、ＸＹＺステージ２２をεだけ移動（相対移動）させることで目標除去形状との差を縮小する。この作業を繰り返し、予め１点目を加工するように設定した所定時間後、２点目にステージ位置を移動させる。この作業を加工面全面で行い、加工を完了する。

なお、プラズマジェット加工に限らず、ＲＩＢＥ加工、プラズマＣＶＭ加工など、反応生成物が除去と相関がある加工では、上記と同様の操作で高精度な加工をすることができる。

ＣＣＤの各画素からの明度データをマトリックスに二次元で読み込むと、石英ガラス２４の表面１４０ｍｍ×９０ｍｍにおけるＳｉＦ由来の発光強度分布マップができる。ただし、このデータは、周囲の環境光や、加工面からは離れたところでの微量のＳｉＦ発光を含んでおり、バックグラウンドの強度を含んでいる。そのため、そのバックグラウンド強度データを差し引くことで加工による発光強度分布マップの精度を上げることができる。具体的には、ＣＣＤの四隅のそれぞれ数点のデータの平均値を用いることができる。

単位時間あたりの除去量は、発光強度分布マップの全データを積算して求めることができる。除去径は、以下のように求める。図２（ｂ）は、発光強度分布マップの一部であり、発光強度の閾値（例えば最大値の５％に設定）にして、それ以上の強度を持つポイントを選択する。図２（ｂ）の斜線部分が、閾値を超えており、Ｘ座標の最大値Ｘｊと最小値Ｘｉの差ΔＸ、Ｙ座標の最大値Ｙｊと最小値Ｙｉの差ΔＹが除去径にほぼ等しい。

そのため、Ｘ、Ｙどちらかの座標について、閾値を超えた点の集合から最大値、最小値を求め、差分をとることで、除去径とすることができる。何らかの非対称性によって値が異なることがあるため、除去径をΔＸとΔＹの平均値として定めてもよい。また、適宜、Ｘ方向、Ｙ方向の移動平均をとり、ノイズのスムージングを行なってもよい。

プラズマジェット加工は、除去量及び除去径を制御する方法として、以下の複数のパラメータがある。
（１）プラズマガス（不活性ガス、反応性ガスと比率も含む）の流量
（２）マイクロ波など、プラズマ発生のための電気的入力とチューニング
（３）プラズマジェットガンと被加工物の離間距離

それぞれ、加工時に設定が必要なパラメータであり、１つのパラメータを変化させることで、除去量、除去径がそれぞれ変わる。各パラメータでこの中の２つのパラメータを選んで、目標除去形状に基づく発光強度分布マップに近くなるように制御することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）加工において、単位時間あたりの除去量分布を調整する。反応性イオンビームエッチングは、数キロ〜１００ｋＶ程度に加速した塩素系、フッ素系などの反応性イオンを被加工物に照射して、表面で反応を起こし、揮発性物質を生成させ、除去するものである。

図３は、反応性イオンビームエッチング装置を示すもので、この装置は、図１のプラズマジェットガン１の代わりにビーム発生手段であるイオンビームガン４１を用いる。それ以外は図１の装置と同様であるから同じ符号で表わし、説明は省略する。イオンビームガン４１は、プラズマを起こすプラズマ発生室４２、プラズマ発生室４２から発生した正イオンを加速して引き出す引き出し電極４３、加速されたイオンビームの軌道を制御する電界レンズ群４４等を有する。

イオンビームガン４１は、ステンレスなどで作成されたプロセス室１１に取り付けられる。プロセス室１１は、ドライポンプ及びターボポンプからなる排気系１２が設けられており、１０^−２Ｐａ程度以上の高真空状態にする。

次に、イオンビームガン４１の動作を説明する。Ａｒなどの不活性ガス及び六フッ化硫黄など反応性のガスを適量プラズマ発生室４２に樹脂チューブ４５で導入し、不図示のコイルや電界で電磁界を発生し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）や高周波でプラズマ化し、Ａｒ及び反応性のイオンを生成する。六フッ化硫黄をプラズマ化した場合、ＳＦ_６、ＳＦ_５、Ｆなどの正イオンが発生する。プラズマ発生室４２は、５〜３０ｋＶの電位がかかっており、引き出し電極４３との電位差で、これらのイオンが引き出され、電界レンズ群４４に到達する。電界レンズ群４４は、それぞれ異なった電位を印加することができ、エッチングビームであるイオンビーム５１の集束、発散状態を制御することができる。その後、被加工物に到達し、表面での反応及びエネルギーを持ったイオンの衝突に伴う物理的なスパッタによる除去が起きる。その反応過程において、ラジカルが生じＳｉＦに由来する反応生成物による発光部５２が発生する。

イオンビーム加工の場合、被加工物の電位にイオンビームの照射エネルギーや軌道が大きく影響を受ける。特に被加工物が絶縁物の場合は、イオンビーム照射により表面に正イオン照射と二次電子の放出で、正電荷の蓄積が起きるため、ニュートラライザー４６で適宜被加工物の表面に電子を照射し電荷を中和することでイオンビーム照射を安定させる。

イオンビームエッチング加工の除去量及び除去径を制御する方法として、以下の複数のパラメータがある。
（１）電界レンズの電位
（２）プラズマガス（不活性ガス、反応性ガスと比率も含む）の流量
（３）マイクロ波などプラズマ発生のための電気的入力
（４）加速及び引出し電圧
（５）イオンビームガンと被加工物の離間距離

電界レンズの電位は、イオンビーム総量は変えずに照射径を制御することが可能であり、残りのパラメータも２つ以上を組み合わせて制御することで除去量、除去径を制御することができる。

なお、プラズマジェット加工、ＲＩＢＥ加工ともに、反応性ガスとしては、六フッ化硫黄に限定されるわけではない。三フッ化窒素（ＮＦ_３）、四フッ化炭素（ＣＦ_４）、フロン１１６（Ｃ_２Ｆ_６）他のフッ素系の材料、また、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）、塩素（Ｃｌ_２）などの塩素系のガスが使用できる。

１ プラズマジェットガン
１１ プロセス室
１２ 排気系
２２ ＸＹＺステージ
２７ ＣＣＤビデオカメラ
３１ プラズマジェット
３２、５２ 発光部
４１ イオンビームガン
５１ イオンビーム

Claims (4)

1. ビーム発生手段から発生されるエッチングビームを被加工物に照射して加工するエッチング加工方法において、
   被加工物の表面形状を測定して目標除去形状を求める工程と、
   エッチングビームを被加工物に照射しながら、被加工物との反応による発光部の発光強度分布を検出する工程と、
   前記発光強度分布から求めた除去形状と前記目標除去形状の差を縮小するように、エッチングビームを制御する工程と、を有することを特徴とするエッチング加工方法。
2. 前記エッチングビームを制御する工程において、
   前記ビーム発生手段により、エッチングビームの除去量及び除去径を制御することを特徴とする請求項１に記載のエッチング加工方法。
3. 前記エッチングビームを制御する工程において、
   エッチングビームに対して被加工物を相対移動させることを特徴とする請求項１又は２に記載のエッチング加工方法。
4. 前記エッチングビームを制御する工程において、
   前記ビーム発生手段と被加工物との離間距離を制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のエッチング加工方法。

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