JP2013187439A - エッチング方法およびエッチング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】微細な凹凸パターン構造の形成において、より材料選択の幅を広げかつ生産性を向上させることを可能とする。
【解決手段】微細な凹凸パターン構造を形成するエッチングにおいて、基板4の被加工面上の空間に光Lの定在波Lsを生じせしめ、定在波Lsを通して、上記定在波Lsと相互作用する原子からなるマスク材料20を被加工面に供給しながら、被加工面をエッチングする。
【選択図】図1
【解決手段】微細な凹凸パターン構造を形成するエッチングにおいて、基板4の被加工面上の空間に光Lの定在波Lsを生じせしめ、定在波Lsを通して、上記定在波Lsと相互作用する原子からなるマスク材料20を被加工面に供給しながら、被加工面をエッチングする。
【選択図】図1
Description
本発明は、基板に微細なパターンを形成するためのエッチング方法およびそれを実施するためのエッチング装置に関するものである。
微細な凹凸パターン構造を形成する加工技術は、半導体集積回路、ナノインプリントおよび表面加工等の多くの分野で利用されている。このような凹凸パターン構造は、例えば、シリコンや石英等の基板上にレジスト膜を形成し、このレジスト膜を所望の凹凸パターンに加工し、パターン化されたレジスト膜をマスクとしてエッチングすることにより製造される。しかしながら、このような方法ではレジスト材料に含まれる不純物が、パターンを形成する表面に拡散してその部分の特性に影響を与えるという問題があった。
そこで、例えば特許文献1は、光の定在波による原子ビームの回折を利用して、マスクレスで微細な構造物を基板上に形成することを開示している。また、例えば非特許文献1は、特許文献1と同様な手法により形成した微細な構造物をマスクとして基板をエッチングすることにより、当該構造物のパターンを当該基板に転写することを開示している。
J.J McClelland, R.J Celotta, Volume 367, Issues 1-2, 15 May 2000, Pages 25-27
しかしながら、特許文献1のような方法では、特定の材料からなる構造物を形成したい場合に、材料の原子の共鳴周波数との関係で決まる特定の周波数を持つ光の光源を用意しなければならない。このような場合、材料ごとに光源を変更しなければならず、材料種によっては適切な光源を用意できない場合がある。例えば、シリコン原子からなる構造物を形成するためには波長252.4nmで高出力且つ狭線幅の光源が必要となるが、このような光源は容易に入手できるものではない。したがって特許文献1のような方法では、実際に選択できる材料に制限がある。一方、非特許文献1のような方法では、マスクを形成する工程とエッチングを行う工程の2段階の工程を経なければならず、煩雑で生産性の面で改良の余地がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、微細な凹凸パターン構造の形成において、より材料選択の幅を広げかつ生産性を向上させることを可能とするエッチング方法およびエッチング装置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、本発明に係るエッチング方法は、
基板の被加工面上の空間に光の定在波を生じせしめ、
定在波を通して、上記定在波と相互作用する原子からなるマスク材料を被加工面に供給しながら、被加工面をエッチングすることを特徴とするものである。
基板の被加工面上の空間に光の定在波を生じせしめ、
定在波を通して、上記定在波と相互作用する原子からなるマスク材料を被加工面に供給しながら、被加工面をエッチングすることを特徴とするものである。
本明細書において、マスク材料を「供給しながら」エッチングするとは、マスク材料の供給と被加工面のエッチングが少なくとも一部の時間帯で同時に実施されることを意味する。
そして、本発明に係るエッチング方法において、被加工面のエッチングの際に定在波の形態を変更するように構成することもできる。
また、本発明に係るエッチング方法において、マスク材料の供給の度合いを徐々に弱めるように構成することもできる。
また、本発明に係るエッチング方法において、光の周波数線幅は200MHz以下であることが好ましい。
また、本発明に係るエッチング方法において、上記光の最大強度Imaxおよび上記原子の飽和強度Isが下記式1を満たし、上記光および上記原子についての離調δ並びに上記原子の吸収スペクトル線幅γが下記式2を満たすことが好ましい。
Imax/Is≧10 式1
0.001≦δ/γ≦1000 式2
Imax/Is≧10 式1
0.001≦δ/γ≦1000 式2
なお原子の飽和強度Isはπhc/3λ3τで与えられ、離調δは光の中心角周波数から原子の共鳴角周波数を引いたものである。ここで、hはプランク定数、cは光速度、λは共鳴波長およびτはその原子の励起状態の寿命を表す。
本発明に係るエッチング装置は、
光学窓を有するエッチング容器を含み、このエッチング容器内に配置された基板の被加工面をエッチングするエッチング手段と、
光学窓から光を入射せしめ、被加工面上の空間に光の定在波を生じせしめる定在波形成手段と、
被加工面のエッチングとともに、定在波を通して、上記定在波と相互作用する原子からなるマスク材料を被加工面に供給するマスク材料供給手段とを備えることを特徴とするものである。
光学窓を有するエッチング容器を含み、このエッチング容器内に配置された基板の被加工面をエッチングするエッチング手段と、
光学窓から光を入射せしめ、被加工面上の空間に光の定在波を生じせしめる定在波形成手段と、
被加工面のエッチングとともに、定在波を通して、上記定在波と相互作用する原子からなるマスク材料を被加工面に供給するマスク材料供給手段とを備えることを特徴とするものである。
本明細書において、「被加工面のエッチングとともに」マスク材料を供給するとは、マスク材料の供給と被加工面のエッチングが少なくとも一部の時間帯で同時に実施されることを意味する。
そして、本発明に係るエッチング装置において、定在波形成手段は、被加工面のエッチングの際に定在波の形態を変更できる構成であることが好ましい。
また、本発明に係るエッチング装置において、マスク材料供給手段は、マスク材料の供給の度合いを徐々に弱められるように調整可能なものであることが好ましい。
また、本発明に係るエッチング装置において、マスク材料供給手段は原子オーブンまたはスパッタリングによりマスク材料を供給するものであることが好ましい。
また、本発明に係るエッチング装置において、光学窓は反射防止処理が施されたものであることが好ましい。
また、本発明に係るエッチング装置において、定在波形成手段のすべての光学系はエッチング容器の外部に配置されていることが好ましい。
本発明に係るエッチング方法およびエッチング装置によれば、基板の被加工面上の空間に生じせしめた光の定在波を通してマスク材料を被加工面に供給しながら、被加工面をエッチングすることが可能となる。本発明においては、光との相互作用が必要な材料は上記マスク材料であるから、基板の材料は制限を受けない。さらに、本発明においては、マスク材料の供給と被加工面のエッチングが少なくとも一部の時間帯で同時に実施されるから、従来のようなマスクを形成するだけの工程を短縮もしくは省くことができる。この結果、微細な凹凸パターン構造の形成において、より材料選択の幅を広げかつ生産性を向上させることが可能となる。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
「第1の実施形態」
図1は第1の実施形態のエッチング装置の構成を示す概略断面図である。本実施形態のエッチング装置1は、図1に示されるように、真空チャンバ(エッチング容器)10、光源11、ミラー12、原子オーブン13、アースに接続された平面電極15、高周波電源18に接続された高周波電極16および制御手段17を備える。
図1は第1の実施形態のエッチング装置の構成を示す概略断面図である。本実施形態のエッチング装置1は、図1に示されるように、真空チャンバ(エッチング容器)10、光源11、ミラー12、原子オーブン13、アースに接続された平面電極15、高周波電源18に接続された高周波電極16および制御手段17を備える。
そして、本実施形態のエッチング方法は、上記エッチング装置1を使用して、平面電極15上に配置された基板4の被加工面上の空間にレーザ光Lの定在波Lsを生じせしめ、この定在波Lsを通して、定在波Lsと相互作用する原子(マスク原子という)からなるマスク材料20を被加工面に供給しながら、被加工面をエッチングするものである。すなわち、本発明では、定在波とマスク原子との相互作用に起因する光双極子力により、マスク原子が基板4上に堆積する前にマスク原子の進行方向を制御し、被加工面のエッチングと同時にマスク原子を所定のパターン状に堆積させている。なお、本実施形態では、レーザ光を使用した場合について説明するが、本発明はレーザ光に限定されない。
(エッチング手段)
本実施形態においてエッチング手段は、例えば真空チャンバ10、平面電極15および高周波電極16を備える。
本実施形態においてエッチング手段は、例えば真空チャンバ10、平面電極15および高周波電極16を備える。
真空チャンバ10は、真空ポンプ(図示省略)に接続されており、所望の真空度を維持することができる。また、真空チャンバ10は、光源11からのレーザ光Lを入射させるための光学窓14を有する。光学窓14は例えばガラスや石英から構成される。光学窓14は、真空チャンバ10内に実際に入射するレーザ光Lの出力が低下することを防止するため、反射防止処理を施されていることが好ましい。反射防止処理としては、光学窓14の両面に誘電体多層膜を形成したりモスアイ加工を施したりすることが挙げられる。また、真空チャンバ10は、エッチングにおける反応ガスを供給するガス源(図示省略)にも接続されており、例えば反応ガスG1、G2およびG3が真空チャンバ10に供給されるように構成されている。真空チャンバ10の内部は、所定の流量で反応ガスがその内部に供給されることで反応ガスの密度が所定の値となるように維持されている。
エッチング中の真空チャンバ10内の真空度は、好ましくは1Pa以下、より好ましくは0.1Pa以下、特に好ましくは0.01Pa以下であることが好ましい。圧力が高くなると原子の平均自由工程が短くなってしまい、これに起因してマスク原子の基板への入射角分布が大きく広がってしまうためである。特に、圧力が1Paを超える雰囲気下では、上記入射角分布がほぼ等方的となり、例えマスク原子に対して光双極子による力を作用させたとしても明瞭な凹凸パターンが得られなくなる可能性がある。
平面電極15および高周波電極16は真空チャンバ10内に高周波電界を発生させる。エッチング機構は、基板4上にエネルギービームを照射する異方性ドライエッチングであれば特に限定されない。しかしながらエッチング機構は、プラズマエッチングまたはイオンビームエッチングであることが好ましく、反応性イオンエッチングであることがより好ましい。反応性イオンエッチングは、誘導結合型、平行平板型およびマイクロ波アシスト型等を採用できる。例えば上記高周波電界によって、酸素(O2)、4フッ化炭素(CF4)およびアルゴン(Ar)等の反応ガスがプラズマ化し、このプラズマによって被加工面がエッチングされる。
(定在波形成手段)
本実施形態において定在波形成手段は、光源11およびミラー12から構成される。
本実施形態において定在波形成手段は、光源11およびミラー12から構成される。
光源11は、光の定在波Lsを形成するためのレーザ光Lを出力する。光源11は、マスク材料20のマスク原子の励起波長(共鳴波長)近傍の波長(若しくは共鳴周波数近傍の周波数)または励起波長そのものを持つレーザ光Lを出力できるものであれば特に限定されない。本発明において励起波長は、原子をどのエネルギー準位間で遷移させるか、つまり定在波(光)とマスク原子との相互作用の対象としてどの遷移を選択するかによって適宜設定される。これは、原子が、遷移可能なエネルギー準位を無数に有しており、2つのエネルギー準位の選択次第で遷移に必要なエネルギーおよび波長が変化するためである。例えば光源11は、固体レーザ、色素レーザ、ガスレーザおよび半導体レーザを使用することができる。固体レーザとしては、ルビーレーザ、ガラスレーザ、YAGレーザおよびチタンサファイアレーザ等が挙げられる。ガスレーザとしては、He−Neレーザ、アルゴンレーザ、ArFエキシマレーザ、KrFエキシマレーザおよびXeBrエキシマレーザ等が挙げられる。半導体レーザとしては、GaAs、InGaAs、InGaAsP、InAlAsおよびGaN等のレーザが挙げられる。ただし、波長や周波数線幅の制御が容易であることから、光源11は半導体レーザであることが好ましく、さらにより高い制御性および単色性という観点から外部共振器型の半導体レーザが好ましい。外部共振器型の半導体レーザの場合、周波数および波長については、外部共振器の回折格子の角度を調整することで容易に制御することができ、出力については、半導体レーザに流す電流を調整することで容易に制御することができる。また、大きな出力を得るために、発振したレーザ光を何らかの方法(例えばテーパーアンプ法)で増幅させることもできる。
光源11は、レーザ光Lが基板4の被加工面上の定在波Lsを形成するべき空間を通過するように配置されている。また光源11は、均一なパターンを形成する観点から、レーザ光Lの光軸および被加工面が互いに平行となるように配置されることが好ましい。この場合、光軸および被加工面の距離は、形成するパターン形状や、光場とマスク原子の相互作用の強さ等に応じて適宜調整される。レーザ光Lの波長は、例えば被加工面に形成すべきパターンのスケール(特に凸部の幅、凹部の幅およびピッチ等)または使用するマスク原子の共鳴周波数に応じて適宜設定される。
レーザ光Lの周波数線幅(周波数分布の半値全幅)は、マスク原子に及ぼす力の揺らぎ(平均値からの変動)を抑制するという観点から、好ましくは200MHz以下、より好ましくは20MHz以下、特に好ましくは2MHz以下であることが好ましい。周波数線幅が200MHzを超えると、光がマスク原子に及ぼす力の揺らぎが大きくなって、マスク原子が堆積する場所に明瞭な周期構造が得られなくなるためである。
その理由は以下の通りである。光(光場)が原子に及ぼす双極子ポテンシャルUは下記式3にて与えられる。
上記式3において、rは座標、Iは光の強度、Isは上記相互作用の対象となる遷移に必要な原子の飽和強度、γは上記相互作用の対象となる遷移に起因するその原子固有の吸収スペクトル線幅(=1/τ:τはその原子の励起状態の寿命)である。δは光の角周波数ω1から原子の共鳴角周波数ω2を引いた離調(つまりδ=ω1−ω2)である。なお、離調δは、その大小を考察する範囲においては周波数f(=ω/2π)の単位で表現されることもある。離調δがどちらの単位で表現されても、吸収スペクトル線幅γの単位も整合させればδ/γは無次元となる。上記式3から分かるように、双極子ポテンシャルUの大きさは離調δに依存する。このため、マスク原子の進行方向を制御するのに十分な光双極子力F(=−dU/dr)を得るためには、光の最大強度Imax、マスク原子の飽和強度Is、離調δおよび吸収スペクトル線幅γに関してImax/Is及びδ/γが適切な値を取る必要がある。
本発明においては、上記光の最大強度Imaxおよび上記原子の飽和強度Isが下記式4を満たし、上記光および上記原子についての離調δ並びに上記原子の吸収スペクトル線幅γが下記式5を満たすことが好ましい。
Imax/Is≧10 式4
0.001≦δ/γ≦1000 式5
Imax/Is≧10 式4
0.001≦δ/γ≦1000 式5
例えばImax/Isの値が10未満であると、充分な光双極子力を得ることができないため原子の進行方向制御が困難となる。このため、Imax/Isは10以上であることが好ましい。さらに、より大きい光双極子力を得て、原子の進行方向の制御性を向上させる観点から、Imax/Isは100以上であることがより好ましく、1000以上であることが特に好ましい。また、δ/γの値が1000を超える場合又は0.001未満である場合にも、充分な光双極子力を得ることができないため原子の進行方向制御が困難となる。このため、δ/γは0.001以上1000以下であることが好ましい。さらに、より大きい光双極子力を得て、原子の進行方向の制御性を向上させる観点から、δ/γは0.01以上500以下であることがより好ましく、0.1以上100以下であることが特に好ましい。
なお、光源11は電気光学素子を含んでもよい。電気光学素子は、マスク原子の進行方向を制御するレーザ光Lの周波数、波長、位相および出力等を制御するものである。電気光学素子のレーザ光Lの制御に起因して、定在波の形態が変更されるから、マスク原子の進行方向をリアルタイムに制御することができる。このような素子としては、特に限定されるものではないが、光透過率ができるだけ高い材質のものを選択することとし、透過率は95%以上あることが好ましい。電気光学素子としては、例えばポッケルス効果、カー効果などの電気光学効果を奏する素子が挙げられる。電気光学効果とは、電場の作用で物質の屈折率が変化する効果を意味する。カー効果を奏する電気光学素子としては、例えば液体のニトロベンゼンを用いたカーセルなどが挙げられる。ポッケルス効果を奏する電気光学素子としては、ADP(リン酸二水素アンモニウム)およびKDP(リン酸二水素カリウム)などの結晶から構成される素子が挙げられる。
さらに、光源11は、レーザ光Lを導光するための光学系を含んでもよい。この場合光学系は、定在波Lsが被加工面上のより広い空間範囲にわたって形成されるように、レーザ光Lのビーム断面形状を被加工面に平行な方向に引き伸ばす素子を含むことが好ましい。このような素子としてはアナモルフィックプリズムを使用することができる。
ミラー12は、光学窓14を透過したレーザ光Lを反射する。ミラー12は、当該反射光Lrが被加工面上の空間でレーザ光Lと重ね合わさるように配置されており、これらの光の干渉によって被加工面上の空間に定在波Lsが形成される。本実施形態ではミラー12は、真空チャンバ10の外部に設けられているが、その内部に設けることも可能である。ただし、ミラー等の光学系を真空チャンバ10の内部に設けた場合には、マスク原子やエッチング生成物の堆積等の汚れによって光学系の光学特性が低下するおそれ(例えばミラーの反射効率の減少)があるため、ミラー等の光学系は真空チャンバ10の外部に設けることが好ましい。なお、定在波形成手段は、本実施形態のように光源11とミラー12の組み合わせに限定されない。例えば、図2に示されるように定在波形成手段は、対向するレーザ光をそれぞれ出力する光源11aおよび光源11bの組み合わせでもよい。図1および図2のように定在波を発生させた場合、当該定在波を通過したマスク原子は、被加工面上でライン&スペースパターンを形成するように進行方向が制御される。
また図3および図4に示されるように、本発明において定在波形成手段は、図1または図2中の定在波Lsがある位置とは異なる位置に新たな定在波を形成するように、図1または図2に示される構成に加えて、光源およびミラーのセットまたは2つの光源のセットを備えてもよい。新たな定在波を「定在波Lsがある位置とは異なる位置に」形成するとは、当該新たな定在波の光軸と定在波Lsの光軸とが、被加工面に平行な平面内で互いに交わる場合の他、これらの軸が互いにねじれの関係を有する場合を含む意味である。
図3および図4は、図1または図2に示される定在波形成手段の構成に加えて、さらに光源およびミラーのセットを備えた定在波形成手段の例を示す概略図である。図3および図4における定在波形成手段は、定在波33を生じせしめる光源30およびミラー31のセットと、定在波43を生じせしめる光源40およびミラー41のセットとを有する。そして、これらのセットは、定在波33の光軸と定在波43の光軸とが被加工面に平行な平面内でかつ被加工面上で互いに直交するように配置されている。
図3aは定在波33のみが生じている状態を示し、図3a中の符号4aはそのときにマスク原子が基板上で堆積しやすい場所(白い部分)および堆積しにくい場所(黒い部34分)のパターンを示している。図3bは定在波33および定在波43が生じている状態を示し、図3b中の符号4aはそのときにマスク原子が基板上で堆積しやすい場所(白い部分)および堆積しにくい場所(黒い部分34および44)のパターンを示している。また、図4aは、図3aと同じ状態を示している。図4bは定在波43のみが生じている状態を示し、図4b中の符号4aはそのときにマスク原子が基板上で堆積しやすい場所(白い部分)および堆積しにくい場所(黒い部分44)のパターンを示している。このように、各図のaの状態およびbの状態を、エッチング工程中に前半と後半で切り替えたり交互に切り替えたりすることでも、定在波の形態が変更されるから、マスク原子の進行方向をリアルタイムに制御するとともに、より複雑な凹凸パターン構造を形成することができる。
(マスク材料供給手段)
本実施形態においてマスク材料供給手段は、原子オーブン13および制御手段17から構成される。
本実施形態においてマスク材料供給手段は、原子オーブン13および制御手段17から構成される。
原子オーブン13は、固体状のマスク原子を加熱することで気化させて、マスク材料20としてマスク原子の原子ビームを飛ばすものである。原子オーブン13には、例えば直径が数mm程度のピンホールが空いており、このピンホールから気体状の原子が放出される。供給するマスク原子の原子ビームを発生させるのに十分な蒸気圧をオーブン内で達成できるまで原子を高温に保っておくことができるものであれば、原子オーブン13は特に限定されない。マスク原子は、レーザ光Lの周波数若しくは波長に応じて決定される。なお、マスク原子は、被加工面をエッチングする際のエッチング選択比の観点からも充分な値が得られるように選択される。例えばマスク原子は、金属原子であることが好ましく、特に光の波長が426nm近傍である場合にはCr原子、光の波長が589nm近傍である場合にはNa原子、光の波長が852nm近傍である場合にはCs原子であることが好ましい。
制御手段17は、マスク材料の供給と被加工面のエッチングが少なくとも一部の時間帯で同時に実施されるように、原子オーブン13、または原子オーブン13およびエッチング手段の両方の駆動するタイミングを制御する。また、光源11が電気光学素子を有する場合には、制御手段17は、エッチングの際に電気光学素子を制御してレーザ光Lの周波数や出力を変えることで、定在波Lsの形態をリアルタイムに変更する。また、定在波形成手段が複数の光源を有する場合には、制御手段17は、それぞれの光源から出力される光のOn/Offを制御することで、定在波Lsの形態をリアルタイムに変更する。
本発明では、マスク材料20の供給と被加工面のエッチングを同時に行うことにより、実質的にマスクレスで凹凸パターン構造を被加工面に形成することができる。この理由は以下の通りである。
上記式3によれば、光の角周波数ω1が原子の共鳴角周波数ω2より小さい(δ<0)場合、マスク原子に対して、双極子ポテンシャルが高くなる方向へ光双極子力が働く。つまりこの場合、マスク原子は定在波Lsの腹に向かうことになる。一方、光の角周波数ω1が原子の共鳴角周波数ω2より大きい(δ>0)場合、マスク原子に対して、双極子ポテンシャルが低くなる方向へ光双極子力が働く。つまりこの場合、マスク原子は定在波Lsの節に向かうことになる。なお、光の出力(パワー)が大きい程マスク原子に対して働く光双極子力は大きくなり、出力が小さい程小さくなる。
ここでδ>0の場合を考える。図5は、光の定在波による原子ビームの回折現象を示す概略図である。図5中のPは、定在波Lsがマスク原子に及ぼす双極子ポテンシャル曲線を表す。図5ではポテンシャル曲線Pの極大点の位置が定在波Lsの腹の位置に対応し、極小点の位置が節の位置に対応する。したがって、マスク材料20のうち節の位置に到達したマスク原子20aはそのまま直進することとなるが、節の位置からずれた位置に到達したマスク原子20bは双極子力が働くため節に引き寄せられながら定在波Lsを通過する。この結果、マスク原子は、定在波Lsの節の位置に対応した被加工面上の特定の領域に堆積しやすくなる。節の位置は定在波Lsの形態を反映したものであるから、定在波Lsの形態が変われば当然マスク原子の堆積しやすい領域も変わることになる。
以上は、マスク材料のみが存在する場合の説明であるが、エッチング材料であるエッチャント22が存在する場合でも同じ現象が起きる。つまり、マスク材料20およびエッチャント22が同時に供給された場合でも、マスク原子は光場による相互作用を受けて、定在波Lsの節の位置に対応した被加工面上の領域に堆積しやすくなる(図6a)。一方、エッチャント22は光場による相互作用を受けない。これは、一般的なエッチャント原子の共鳴角周波数とマスク原子に対して相互作用可能な光の角周波数とについての離調の大きさは数ギガ以上になるためである。つまりエッチャント原子に対しては、式3中のδの大きさが極めて大きくなることに起因して、式3中の自然対数関数内の第二項が0となる。このとき、当該光がエッチャント原子に及ぼす双極子ポテンシャルUが0となり、光双極子力Fも0となるため、エッチャント22は光場による相互作用を受けないと言える。このようなエッチャント22は、均等に被加工面に到達し、その後被加工面のエッチングを行う。その結果、マスク原子が堆積しやすい領域はエッチングされにくく、その他の領域ではエッチングが進行するため、実質的にマスクレスで凹凸パターン構造を被加工面に形成することができる(図6b)。
以上のように、本実施形態に係るエッチング方法およびエッチング装置によれば、基板の被加工面上の空間に生じせしめた光の定在波を通してマスク材料を被加工面に供給しながら、被加工面をエッチングすることが可能となる。本発明においては、光との相互作用が必要な材料は上記マスク材料であるから、基板の材料は制限を受けない。さらに、本発明においては、マスク材料の供給と被加工面のエッチングが少なくとも一部の時間帯で同時に実施されるから、従来のようなマスクを形成するだけの工程を短縮もしくは省くことができる。この結果、微細な凹凸パターン構造の形成において、より材料選択の幅を広げかつ生産性を向上させることが可能となる。
さらに本発明では、微視的には被加工面上でのマスク形成とエッチングが同時に進行する。そして、マスク原子が常に特定の領域に供給され続けるため、形成した凹凸パターン構造にマスクの後退が発生しないという利点も有する。
また、定在波の形態、マスク材料の供給分布および供給量等を変化させることで、マスク材料の供給場所、供給度合いおよびエッチング処方を常に制御下に置くことができるため、凹凸パターン構造の形状制御に対する柔軟性が高い。すなわち、被加工面をエッチングする段階でマスクの形状が定まっていないため、得られる凹凸パターン構造の形状がマスクの形状に依存せず、複雑な形状にも対応可能であるという利点も有する。この原理を応用すれば、例えば、マスク原子の堆積の度合いを徐々に弱めれば、先端が先細った形状のパターン構造を得ることができ、逆にマスク原子の堆積の度合いを一定に維持すれば、マスクの後退無しにエッチングが出来るため、矩形でかつアスペクト比の大きな形状のパターン構造を得ることができる。
「第2の実施形態」
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態は、スパッタリング法によってマスク材料を供給する点で第1の実施形態と異なる。したがって、第1の実施形態と同様の構成についての詳細な説明は、特に必要のない限り省略する。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態は、スパッタリング法によってマスク材料を供給する点で第1の実施形態と異なる。したがって、第1の実施形態と同様の構成についての詳細な説明は、特に必要のない限り省略する。
図7は第2の実施形態のエッチング装置2の構成を示す概略断面図である。本実施形態のエッチング装置2は、図2に示されるように、真空チャンバ10、光源11、ミラー12、アースに接続された平面電極15、平面電極15上に配置されマスク材料からなる支持体7、および高周波電源18に接続された高周波電極16を備える。
そして、本実施形態のエッチング方法は、上記エッチング装置2を使用して、支持体7上に配置された基板4の被加工面上の空間にレーザ光Lの定在波Lsを生じせしめ、被加工面をエッチングするものである。エッチング手段および定在波形成手段については第1の実施形態と同様である。
(マスク材料供給手段)
本実施形態においてマスク材料供給手段は、平面電極15上に配置されたマスク材料からなる支持体7である。支持体7は、基板4よりも広い面積を有し、その上に基板4が配置された場合でもその表面が露出するような形状を有する(図7)。これにより、エッチングと同時に、例えばプラズマ化され加速されたイオンによって支持体7がスパッタリングされ、マスク材料21が飛散する。そして、飛散したマスク材料21は定在波Lsを通過して被加工面上に堆積することとなる。つまり、本実施形態はマスク材料供給の手法としていわゆる逆スパッタリングを採用している。本実施形態の場合、被加工面のエッチングを行えば必然的に支持体7がスパッタリングされるので、マスク材料の供給のタイミングを制御するという操作が不要となる。なお、支持体7の配置は、平面電極15上に限られず、通常のスパッタリングターゲットとして高周波電極16側に配置してもよい。
本実施形態においてマスク材料供給手段は、平面電極15上に配置されたマスク材料からなる支持体7である。支持体7は、基板4よりも広い面積を有し、その上に基板4が配置された場合でもその表面が露出するような形状を有する(図7)。これにより、エッチングと同時に、例えばプラズマ化され加速されたイオンによって支持体7がスパッタリングされ、マスク材料21が飛散する。そして、飛散したマスク材料21は定在波Lsを通過して被加工面上に堆積することとなる。つまり、本実施形態はマスク材料供給の手法としていわゆる逆スパッタリングを採用している。本実施形態の場合、被加工面のエッチングを行えば必然的に支持体7がスパッタリングされるので、マスク材料の供給のタイミングを制御するという操作が不要となる。なお、支持体7の配置は、平面電極15上に限られず、通常のスパッタリングターゲットとして高周波電極16側に配置してもよい。
飛散したマスク材料21のマスク原子が定在波Lsによって受ける相互作用、およびその相互作用によって特定の領域にマスク原子が堆積しやすいことについては、第1の実施形態と同様である。
以上のように、本実施形態に係るエッチング方法およびエッチング装置によっても、基板の被加工面上の空間に生じせしめた光の定在波を通してマスク材料を被加工面に供給しながら、被加工面をエッチングすることが可能となる。したがって第1の実施形態と同様の効果を奏する。
また、従来(例えば特許第4505670号)ドライエッチングと逆スパッタリングを同時に実施する方法は知られているが、単に逆スパッタリングを行っただけでは、ランダムな凹凸のパターン構造しか得られない。しかし本実施形態のエッチング方法および装置によれば、定在波の形態を反映した所望の形状のパターン構造を得ることが可能となる。
本発明に係るエッチング方法および装置の実施例を以下に示す。
「実施例1」
<真空チャンバの構成>
真空チャンバ側壁上部にマスク原子としてクロム原子を発する原子オーブン、真空チャンバ上部にプラズマ発生源となる高周波電極、真空チャンバ下部に基板保持機構及びイオン加速のためのバイアス電極、真空チャンバ側面に光を入射するための光学窓を備えた真空チャンバを使用した。
<真空チャンバの構成>
真空チャンバ側壁上部にマスク原子としてクロム原子を発する原子オーブン、真空チャンバ上部にプラズマ発生源となる高周波電極、真空チャンバ下部に基板保持機構及びイオン加速のためのバイアス電極、真空チャンバ側面に光を入射するための光学窓を備えた真空チャンバを使用した。
<光の定在波の形成>
波長425.55nmのレーザ光を出力可能な外部共振器型半導体レーザを使用した。そして、光学窓から4本のレーザ光を、2本ずつが各々対向するように導入し、定在波を基板の被加工面から250μm離れた位置に形成した。
波長425.55nmのレーザ光を出力可能な外部共振器型半導体レーザを使用した。そして、光学窓から4本のレーザ光を、2本ずつが各々対向するように導入し、定在波を基板の被加工面から250μm離れた位置に形成した。
<光の周波数幅、波長、出力の制御>
半導体レーザへの電流、半導体レーザの回折格子を微調整し、レーザ出力200mW/cm2、離調20MHz、周波数線幅を20MHz未満となるように調整した。
半導体レーザへの電流、半導体レーザの回折格子を微調整し、レーザ出力200mW/cm2、離調20MHz、周波数線幅を20MHz未満となるように調整した。
<クロム原子の基板上への堆積>
真空チャンバ内に直系6インチのシリコン基板をセットし、真空チャンバ内が十分にベークされ、かつ10−5Pa程度以下まで十分に真空引きされた後、原子オーブンからクロム原子を放出させ、被加工面上にクロム原子を堆積させた。
真空チャンバ内に直系6インチのシリコン基板をセットし、真空チャンバ内が十分にベークされ、かつ10−5Pa程度以下まで十分に真空引きされた後、原子オーブンからクロム原子を放出させ、被加工面上にクロム原子を堆積させた。
<基板のエッチング>
上記クロム原子の堆積工程と同時に、下記のようなエッチング工程を実施した。真空チャンバ内にエッチングガスであるCF4/SF6/Arの混合ガスを導入し、圧力を0.1Paに保った状態とした。高周波電極の出力を300Wとしプラズマを発生させ、かつバイアス電極に15Wの出力を印加し、反応性イオンエッチングにより基板をエッチングした。目標とするエッチング深さは400nmとした。
上記クロム原子の堆積工程と同時に、下記のようなエッチング工程を実施した。真空チャンバ内にエッチングガスであるCF4/SF6/Arの混合ガスを導入し、圧力を0.1Paに保った状態とした。高周波電極の出力を300Wとしプラズマを発生させ、かつバイアス電極に15Wの出力を印加し、反応性イオンエッチングにより基板をエッチングした。目標とするエッチング深さは400nmとした。
「実施例2」
クロム原子の基板上への堆積を下記に示す方法で行った点以外は実施例1と同様である。
<クロム原子の基板上への堆積>
クロムからなる支持体をバイアス電極上に配置し、その支持体上に直径6インチシリコン基板を配置した。その後のシリコン基板のエッチングにより、逆スパッタリングによってシリコン基板上にクロム原子を堆積させた。
クロム原子の基板上への堆積を下記に示す方法で行った点以外は実施例1と同様である。
<クロム原子の基板上への堆積>
クロムからなる支持体をバイアス電極上に配置し、その支持体上に直径6インチシリコン基板を配置した。その後のシリコン基板のエッチングにより、逆スパッタリングによってシリコン基板上にクロム原子を堆積させた。
「比較例1」
基板のエッチングを行わず、クロム原子の基板上への堆積のみによってパターン構造を形成した点以外は実施例1と同様である。
基板のエッチングを行わず、クロム原子の基板上への堆積のみによってパターン構造を形成した点以外は実施例1と同様である。
「比較例2」
クロム原子の堆積工程と基板のエッチング工程を別々の工程として実施した点以外は実施例1と同様である。
クロム原子の堆積工程と基板のエッチング工程を別々の工程として実施した点以外は実施例1と同様である。
「比較例3」
光の定在波を形成しなかった点以外は実施例2と同様である。
光の定在波を形成しなかった点以外は実施例2と同様である。
「評価方法」
<形状について>
下記の(1)および(2)の項目において、両方が良好(○)と判断される場合に形状についての総合判断として良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。
(1)得られたパターン構造の断面形状を走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察した。この場合において、ドット状凸部の側壁のテーパ角度≧80°かつ凸部の半値幅≧50nm以上である場合に良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。
(2)得られたパターン構造の凸部高さを原子間力顕微鏡(AFM)にて測定した。この場合において、凸部高さの標準偏差の3倍(3σ)≦20nmである場合に良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。
<形状について>
下記の(1)および(2)の項目において、両方が良好(○)と判断される場合に形状についての総合判断として良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。
(1)得られたパターン構造の断面形状を走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察した。この場合において、ドット状凸部の側壁のテーパ角度≧80°かつ凸部の半値幅≧50nm以上である場合に良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。
(2)得られたパターン構造の凸部高さを原子間力顕微鏡(AFM)にて測定した。この場合において、凸部高さの標準偏差の3倍(3σ)≦20nmである場合に良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。
<配列規則性ついて>
下記の(3)および(4)の項目において、両方が良好(○)と判断される場合に配列規則についての総合判断として良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。
(3)形成されたドット形状の配列をSEMのTOPVIEWにて観察した。この場合において、ドット間距離の標準偏差の3倍(3σ1)≦20nmである場合に良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。ここで、ドット間距離の標準偏差σ1は、隣接するドット間の距離(隣り合う二つのドットの中心間距離)を任意の50箇所で測長したときの標準偏差である。
(4)形成されたドット形状の配列をSEMのTOPVIEWにて観察した。この場合において、線分間角度の標準偏差の3倍(3σ2)≦5°である場合に良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。ここで、線分間角度の標準偏差σ2は、最近接の任意の2つのドット(それぞれ第1ドット、第2ドットとする)について、それらを結ぶ線分1を求め、さらに線分1から最も近距離にある第3ドットを選択し、第1或いは第2ドットのうち第3ドットに近い方とこの第3のドットとを結ぶ線分2を求め、線分1と線分2の角度を任意の50箇所で算出したときの標準偏差である。
下記の(3)および(4)の項目において、両方が良好(○)と判断される場合に配列規則についての総合判断として良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。
(3)形成されたドット形状の配列をSEMのTOPVIEWにて観察した。この場合において、ドット間距離の標準偏差の3倍(3σ1)≦20nmである場合に良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。ここで、ドット間距離の標準偏差σ1は、隣接するドット間の距離(隣り合う二つのドットの中心間距離)を任意の50箇所で測長したときの標準偏差である。
(4)形成されたドット形状の配列をSEMのTOPVIEWにて観察した。この場合において、線分間角度の標準偏差の3倍(3σ2)≦5°である場合に良好(○)と判断し、それ以外の場合には不良(×)と判断した。ここで、線分間角度の標準偏差σ2は、最近接の任意の2つのドット(それぞれ第1ドット、第2ドットとする)について、それらを結ぶ線分1を求め、さらに線分1から最も近距離にある第3ドットを選択し、第1或いは第2ドットのうち第3ドットに近い方とこの第3のドットとを結ぶ線分2を求め、線分1と線分2の角度を任意の50箇所で算出したときの標準偏差である。
「結果」
下記表1は実施例および比較例の結果を示す。
本発明では、光と相互作用させるのはマスク原子であり、加工対象の基板に依らないことから、基板の材料に制限がない。また、本発明では、マスクの形成とエッチングを同時に行うことが可能となるため、生産性が向上するのは自明である。そして、下記表1の結果から本発明によれば、矩形なドット状の凹凸パターン構造を周期的にかつ所望の形状で作製可能であることが実証された。
下記表1は実施例および比較例の結果を示す。
本発明では、光と相互作用させるのはマスク原子であり、加工対象の基板に依らないことから、基板の材料に制限がない。また、本発明では、マスクの形成とエッチングを同時に行うことが可能となるため、生産性が向上するのは自明である。そして、下記表1の結果から本発明によれば、矩形なドット状の凹凸パターン構造を周期的にかつ所望の形状で作製可能であることが実証された。
本発明は、微細な凹凸パターン構造を形成する加工技術として、半導体集積回路、ナノインプリントおよび表面加工等の多くの分野で利用可能である。
1、2 エッチング装置
4 基板
7 支持体
10 真空チャンバ
11、11a、11b 光源
12 ミラー
13 原子オーブン
14 光学窓
15 平面電極
16 高周波電極
17 制御手段
18 高周波電源
20、21 マスク材料
22 エッチャント
L 光
Lr 反射光
Ls 定在波
P ポテンシャル曲線
4 基板
7 支持体
10 真空チャンバ
11、11a、11b 光源
12 ミラー
13 原子オーブン
14 光学窓
15 平面電極
16 高周波電極
17 制御手段
18 高周波電源
20、21 マスク材料
22 エッチャント
L 光
Lr 反射光
Ls 定在波
P ポテンシャル曲線
Claims (11)
- 基板の被加工面上の空間に光の定在波を生じせしめ、
前記定在波を通して、前記定在波と相互作用する原子からなるマスク材料を前記被加工面に供給しながら、前記被加工面をエッチングすることを特徴とするエッチング方法。 - 前記被加工面のエッチングの際に前記定在波の形態を変更することを特徴とする請求項1に記載のエッチング方法。
- 前記マスク材料の供給の度合いを徐々に弱めることを特徴とする請求項1または2に記載のエッチング方法。
- 前記光の周波数線幅が200MHz以下であることを特徴とする請求項1から3いずれかに記載のエッチング方法。
- 前記光の最大強度Imaxおよび前記原子の飽和強度Isが下記式1を満たし、前記光および前記原子についての離調δ並びに前記原子の吸収スペクトル線幅γが下記式2を満たすことを特徴とする請求項1から4いずれかに記載のエッチング方法。
Imax/Is≧10 式1
0.001≦δ/γ≦1000 式2 - 光学窓を有するエッチング容器を含み、該エッチング容器内に配置された基板の被加工面をエッチングするエッチング手段と、
前記光学窓から光を入射せしめ、前記被加工面上の空間に光の定在波を生じせしめる定在波形成手段と、
前記被加工面のエッチングとともに、前記定在波を通して、前記定在波と相互作用する原子からなるマスク材料を前記被加工面に供給するマスク材料供給手段とを備えることを特徴とするエッチング装置。 - 前記定在波形成手段が、前記被加工面のエッチングの際に前記定在波の形態を変更できる構成であることを特徴とする請求項6に記載のエッチング装置。
- 前記マスク材料供給手段が、前記マスク材料の供給の度合いを徐々に弱められるように調整可能なものであることを特徴とする請求項6または7に記載のエッチング装置。
- 前記マスク材料供給手段が原子オーブンまたはスパッタリングにより前記マスク材料を供給するものであることを特徴とする請求項6から8いずれかに記載のエッチング装置。
- 前記光学窓が、反射防止処理が施されたものであることを特徴とする請求項6から9いずれかに記載のエッチング装置。
- 前記定在波形成手段のすべての光学系が前記エッチング容器の外部に配置されていることを特徴とする請求項6から10いずれかに記載のエッチング装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012052576A JP2013187439A (ja) | 2012-03-09 | 2012-03-09 | エッチング方法およびエッチング装置 |
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
EP3181892A1 (en) * | 2015-12-16 | 2017-06-21 | Ricoh Company, Ltd. | Optical window member, laser device, ignition system, and internal combustion engine |
-
2012
- 2012-03-09 JP JP2012052576A patent/JP2013187439A/ja active Pending
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