JP2013219106A - 形状加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の形状加工方法は除去量プロファイルの変化を考慮していないため、高い加工精度を得ることが困難であった。
【解決手段】加工ツールの稼働条件を変数に持つ複数の除去量プロファイルを求める工程（工程１）と、前記複数の除去量プロファイルと設定加工量とから走査条件を算出する工程（工程２）とを有する形状加工方法が提供される。本方法によれば、加工中の除去量プロファイルの変化を考慮して走査条件を算出するので、高精度な形状加工を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハー、レンズやミラー、金型等の高精度素子を製造するための局所加工方法に関する。

被加工物を任意の形状に加工する方法として、局所加工ツールの滞留時間を、所望加工量（以下、「設定加工量」ともいう）に応じて変動させながら走査する方法が知られている。つまり、所望加工量が多い加工点では局所加工ツールの滞留時間を相対的に長く、所望加工量が少ない加工点では滞留時間を相対的に短くして加工する。このような形状加工方法を滞留時間制御加工と呼ぶ。

この方法は次の工程からなる。予め局所加工ツールの加工レートプロファイルを、ワークと同質のダミーワークを加工することで求めておく。次に、ワークの加工前形状を測定し、加工前形状と設計形状との差から、所望加工量の分布を算出する。そして、所望加工量の分布と加工レートプロファイルから、局所加工ツールの滞留時間の分布データを作成する。この滞留時間分布を求める演算はデコンボリューションと呼ばれており、Van−Cittert法、Lucy−Richardson法など様々な手法がある。最後に、滞留時間の分布データに従い、局所加工ツールとワークとを相対運動させて加工を行う。

近年、高速かつ低ダメージな局所加工が可能な技術として、局所プラズマによる化学的な除去加工技術が注目されている。方式や呼称は種々あるが、プラズマジェット、プラズマCVM（Chemical Vaporization Machining）、PACE（Plasma Assisted Chemical Etching）などが代表的である。本明細書中ではこれらを総称して反応性局所プラズマ加工と呼ぶことにする。

反応性局所プラズマ加工は次のようにして行う。エッチングガス（ＳＦ_６、ＣＦ_４、Ｃｌ_２等）を含むガスに高周波電力を印加して放電させ、反応性ガスプラズマを生成する。そして、生成した反応性ガスプラズマをワークに照射して、加工を行う。

反応性局所プラズマ加工中にはプラズマを維持するために、常に数Ｗ〜約１ｋＷの高周波電力が印加されており、そのエネルギーの一部は熱エネルギーとなってワークに照射され、ワークを加熱する。また、反応性局所プラズマ加工は化学的な除去加工であるので、その加工レートはワーク表面温度に依存する。従って、加工レートは照射中に刻々と変化する。

このような性質を有する反応性局所プラズマ加工法を利用して、所望の加工形状を得る方法が（非特許文献１）に開示されている。プラズマジェットの加工レートは照射中に変化するため、従来の滞留時間制御加工方法をそのまま適用して加工することはできない。そこで該先行技術では、ワークを加熱し、加工レートが滞留時間に対して一定とみなせる温度領域で走査加工を行う。

G. Boehm et. al. , Proc. of the 9th ICPE(1999)231−236

図３に反応性局所プラズマ加工シミュレーションの結果を示す。ワークはφ５０ｍｍの石英であり、プラズマはＡｒおよびＳＦ_６ガスに対し、マイクロ波を１５０Ｗ投入した反応性プラズマである。図３(a)はプラズマをワーク中心に８秒間静止した直後の温度プロファイルである。図３（b）はワークの水平方向中心線に対し、反応性プラズマを図の左から右へ１０ｍｍ／ｓｅｃでライン走査し、ワーク中心に到達した瞬間の温度プロファイルである。図３（c）は、ワーク全体に対し、反応性プラズマを図中の下を開始点に横方向へ走査速度１０ｍｍ／ｓｅｃで走査し、上へピッチ２ｍｍで送るラスター走査し、反応性プラズマがワーク中心に到達した瞬間の温度プロファイルである。

これらのシミュレーション結果のように、反応性プラズマを静止している場合には、温度プロファイルは中心対称であるのに対し、走査している場合には走査方向へ伸びたプロファイルとなっている。また、反応性プラズマはワーク中心に有るにもかかわらず、温度プロファイルのピーク位置は、走査方向と逆方向に遅れた場所に位置している。さらにラスター走査の場合には、既に走査した下側部分の温度よりもこれから走査する上側部分の温度が低くなっており、走査経路により温度プロファイルが変化することを示している。

上記のシミュレーション結果によると、反応性プラズマをワーク上で走査している場合の温度プロファイルは、走査方向や走査速さ等の加工ツールの稼働条件により顕著に変化する。その結果、加工レートのみならず、除去量プロファイルも加工中に変化する。従って、（非特許文献１）に記載の加工方法では、加工レートが加工中に不変であっても、除去量プロファイルの変化を考慮していないため、高い加工精度を得ることが困難であることが明らかとなった。

そこで本発明では、除去量プロファイルの、加工ツールの稼働条件による変化を反映した形状加工方法を提供することを目的とする。

上述の課題を鑑みて本発明が提供する局所加工方法は、加工ツールの稼働条件を変数に持つ複数の除去量プロファイルを求める工程（工程１）と、前記複数の除去量プロファイルと設定加工量とから走査条件を算出する工程（工程２）とを有することを特徴とする。

本発明が提供する形状加工方法によれば、加工中の除去量プロファイルの変化を考慮して走査条件を算出するので、高精度な形状加工を行うことができる。

本発明に基づく工程の概要を示す図である。 本発明を適用して形状加工を行う加工装置を例示する図である。 反応性局所プラズマ加工シミュレーションの結果を示す図である。

（実施形態１）
本発明に基づく形状加工方法の第一の実施形態について、反応性局所プラズマ加工法を例にとって説明する。

まず図１を参照して、本実施形態の概要を説明する。工程１では、加工ツールの稼働条件を変数に持つ除去量プロファイルを求める。ここに除去量プロファイルとは、形状加工中に加工ツールがある加工点に位置しているときに、加工ツールが除去作用を及ぼす領域内の除去量の分布を表すものである。ゆえに、形状加工における全加工量の分布は、除去量プロファイルの重ね合わせによって表現される。そこで工程２において、上述のようにして求めた除去量プロファイルをどのように重ね合わせれば所望の加工形状が得られるかを示す走査条件を求める。

形状加工を行うワークと同質のダミーワークに対して、２種類の予備加工を行う。第一の予備加工は、加工ツールをダミーワーク上に位置させ、ワークの温度プロファイルＴ（ｘ，ｙ，ｔ）をサーモビューワ等で測定しながら所定時間保持して加工する。尚、ｔは時間である。加工時間を変えて予備加工したダミーワークの表面形状を測定し、加工深さプロファイルＦ（ｘ，ｙ，ｔ）を求める。さらに、Ｆ（ｘ，ｙ，ｔ）を時間微分して、加工レートプロファイルＦ’（ｘ，ｙ，ｔ）を得る。ここに求めた加工レートプロファイルＦ’（ｘ，ｙ，ｔ）とワークの温度プロファイルＴ（ｘ，ｙ，ｔ）とから、温度を変数とした加工レートプロファイルＦ’（ｘ，ｙ，Ｔ（ｘ，ｙ））を求める。

あるいは、加工レートを温度の関数として定式化しておき、第一の予備加工によって該関係式の係数を求め、温度を変数とした加工レートプロファイルＦ’（ｘ，ｙ，Ｔ（ｘ，ｙ））を得てもよい。

第二の予備加工は、ダミーワークの温度プロファイルＴ（ｘ，ｙ，ｔ）をサーモビューワ等で測定しながら、加工ツールを走査させて加工する。該予備加工は加工ツールの稼働条件を変数として、複数の条件で加工する。加工ツールの稼働条件は様々であるが、次に挙げる稼働条件は除去量プロファイルに対して与える影響が大きいので、これらから選択して変数とするとよい。そのような稼働条件は、走査方向、走査速さ、投入電力、ガス流量、ワークディスタンス、ワークと加工ツールとの相対角度である。選択した変数の値は加工する位置に対応させて形状加工前に予め定めておく。また、走査方法は一方向に加工ツールを走査するライン走査、ラスター走査や螺旋走査など様々であるが、製品となるワークの形状加工を行う際の走査方法によって走査するほうがよい。

測定した温度プロファイルから、前記稼働条件の値である変数値ｍに対応した、代表的な温度プロファイルＴ_ｔｙｐ（ｘ，ｙ，ｍ）を抽出する。例えば、ラスター走査加工において稼働条件として走査方向を選択したとすると、変数値ｍはｘ軸、ｙ軸の２軸それぞれについて正負方向の４つの値をとり得るので、代表的な温度プロファイルは４つ存在する。そして、前記加工レートプロファイルＦ’（ｘ，ｙ，Ｔ（ｘ，ｙ））と前記温度プロファイルＴ_ｔｙｐ（ｘ，ｙ，ｍ）とから、除去量プロファイルＦ_ｒｅｍ（ｘ，ｙ，ｍ）を求める。このような除去量プロファイルはｋを定数として、次の（式１）で定めておくとよい。

ここでは反応性局所プラズマ加工法を例としたため、温度測定を伴う２種類の予備加工により、稼働条件に応じた複数の除去量プロファイルを求める方法を述べた。しかし、加工レートへの温度の影響が無視できる加工ツールにおいては、無論、温度測定を伴わない別の方法で除去量プロファイルを求める。つまり、除去量プロファイルを求める方法は上述の方法に限るものではなく、加工ツールの加工特性を考慮した方法を適用する。

例えば、走査中に加工レートは変わらず、除去量プロファイルが走査方向によって変化する加工ツールを考える。予備加工として、ダミーワーク上のあらかじめ定めた２点間を一方向に一定の速さで走査加工し、加工深さプロファイルを求める。加工した面を適当なメッシュで分割し、走査線上の２点間にあるメッシュに同じ値の数値を割り振る。このようにして得た走査経路プロファイルで加工深さプロファイルをデコンボリューションすれば、本予備加工で走査した方向に対応する除去量プロファイルが得られる。

その他にも、予備加工ではなく加工のシミュレーションを行う方法を用いてもよい。形状加工の全てをシミュレーションするのは時間がかかって困難な場合であっても、予備加工に相当する加工のシミュレーションであれば実施可能な場合がある。

続いて走査条件を求める（工程２）。加工前のワーク表面形状を加工前形状として、触針式や光干渉式などの形状測定器を用いて測定する。測定した加工前形状と設計形状との差を、設定加工量の分布Ｖ_０（ｘ，ｙ）として求める。走査条件は加工量や加工時間の各加工点での目標値ｇ（ｘ，ｙ）で表される。そうすると、設定加工量の分布は次の式（式２）で表わすことができる。

ｇ（ｘ，ｙ）を求める手順を説明する。初期値として加工誤差量ε_０にＶ_０（ｘ，ｙ）を、ｇ_０（ｘ，ｙ）に０を定める。収斂計算の繰り返し回数をｉとする。ｉ回目の計算における目標値を次の式（式３）により求める。

Δｇ_ｉ（ｘ，ｙ）は加工誤差量ε_ｉ−１と変数値ｍに対応した複数の除去量プロファイルとに基づき求めた目標値の変化分である。Δｇ_ｉ（ｘ，ｙ）の求め方は様々である。例えば、加工誤差量ε_ｉ−１を異なる変数値ｍの除去量プロファイルでそれぞれデコンボリューションし、同じ座標どうし総和をとり、変数値ｍの個数で除する。あるいは、加工誤差量ε_ｉ−１を異なる変数値ｍの除去量プロファイルでそれぞれデコンボリューションし、それぞれの変数値ｍに対応する座標における値を採用する。あるいは、加工誤差量ε_ｉ−１を、異なる変数値ｍの除去量プロファイルを同じ座標どうし平均をとって生成した除去量プロファイルでデコンボリューションする。以上の方法における個々のデコンボリューション演算は、1つの既知の原信号によるデコンボリューションであるので、公知の方法を適用して容易に計算することができる。また、ここに示したΔｇ_ｉ（ｘ，ｙ）の求め方は例示であって、これらに限定するものではない。

次に、ｉ回目の計算における実際の加工量ｖ_ｉ（ｘ，ｙ）を次の式（式４）により求める。

また、ｉ回目の計算における加工誤差量ε_ｉを次の式（式５）により求める。

加工誤差量ε_iが設定値以下となれば、ｇ_ｉ（ｘ，ｙ）なる目標値が求まる。さもなければ、ｉに１を加えて（式３）に戻る。

上述した方法で求めた走査条件に基づき、ワークと加工ツールとを相対走査させ、両者の相対位置を制御することによって形状加工を行う。

（実施形態２）
反応性局所プラズマ加工において特に高精度な加工を行う場合には、以下に述べる実施形態に基づく形状加工方法が望ましい。

使用する加工装置の形態を図２に示す。ワークホルダー２０７に保持したワーク２０３に対して、加工ツール２０１で発生させた反応性局所プラズマ２０２を照射する。加工ツール２０１には不図示の電力供給線、ガス供給管、冷却管が接続されている。加工ツール２０１はステージ２０５に固定されており、直交３軸方向に走査可能な構成である。また、放射温度計２０４により加工点温度を測定できるようになっている。これらはチャンバー２０８内に設置されており、該チャンバー２０８に接続した不図示の排気設備によりチャンバー２０８内は排気可能となっている。チャンバー２０８の外部には電子演算装置２０６が設置されている。該電子演算装置２０６には走査条件が記録されており、さらに、放射温度計２０４で測定したデータの演算処理、ステージ２０５との制御信号の送受信、加工ツール２０１への供給電力や供給ガス流量の制御ができるようになっている。

予め、加工点温度と加工レートの関係を例えば上述の第二の予備加工のデータから求め、電子演算装置２０６に入力しておく。また、上述の方法で求めた目標値である目標加工量ｇ（ｘ，ｙ，ｍ）も電子演算装置２０６に入力しておく。

今、ある加工点Ｐを加工しているとする。加工中に所定の時間インターバルで放射温度計２０４により測定した温度のデータを更新し、該温度に対応する加工レートを前記加工点温度と加工レートの関係から求める。ここに求めた加工レートと前記所定の時間インターバルとから、該時間インターバルの間に加工された加工量を求める。このように算出された加工量を逐次積算して加工点Ｐの総加工量をモニターする。そして、加工点Ｐの総加工量がちょうど目標加工量となるように、ステージ２０５を制御する。

ここでは、加工レートを加工点温度との関係から求めたが、これに限られるものではない。例えば、加工レートとエッチング生成物の発光強度との間にも関係があるので、これを利用することもできる。その場合には、放射温度計２０４に変えて発光分析器を設置し、当該エッチング生成物に該当する波長の発光強度を観測する。その他にも、エッチング生成物の発生量を質量分析器で観測し、加工レートを求める方法もある。

また、本実施形態に述べた形状加工方法は、反応性イオンビームエッチング、反応性ガスクラスターイオンビームエッチングにも適用可能である。

（実施例１)
本実施例では（実施形態１）および（実施形態２）に基づき、反応性局所プラズマ加工法で平板の石英基板に、有効径４０ｍｍ、曲率半径１０ｍの凹球面を形成した例を示す。供給ガスはＡｒとＳＦ_６、Ｏ_２で、１５０Ｗのマイクロ波電力を供給して放電させた。

まず、サーモビューワでワーク表面の温度プロファイルを測定しながら、種々の保持時間で定点加工を行った。保持時間は1分以内であった。加工前後の表面形状を光干渉式の形状測定器で測定し、加工深さプロファイルを得た。そして、保持時間と加工深さプロファイルの相関関係から、加工時間を変数とする加工レートプロファイルを求めた。ここで、測定した温度プロファイルを用い、温度を変数とする加工レートプロファイルを得た。

次に、サーモビューワでワーク表面の温度プロファイルを測定しながら、走査速度２ｍｍ／ｓｅｃ、送りピッチ２ｍｍのラスター走査加工を行った。加工ツールの稼働条件として走査方向を選択し、変数値を走査軸の正負２方向に定めた。送り方向に走査する時の除去量プロファイルの変化が加工形状に影響を与えないよう、形状加工時にはワーク端部から加工ツールが十分離れた位置で送り方向への走査を行うこととした。ここに定めた変数値に対応した代表的な温度プロファイルを抽出し、先に求めた温度を変数とする加工レートプロファイル、（式１）を用いて２つの除去量プロファイルを得た。尚、（式１）の係数ｋは１とした。また、加工点温度と加工レートの関係も、温度プロファイルと温度を変数とする加工レートプロファイルとから求めた。さらに、光干渉式の形状測定器で測定した加工前形状と、設計形状との差をとり、設定加工量を求め、これと前記２つの除去量プロファイルとに基づき、目標加工量を算出した。

形状加工にあたっては、加工点の温度を放射温度計で１０ミリ秒毎に測定した。そして、先に求めた加工点温度と加工レートの関係を用いて加工量をモニターし、各加工点の加工量がちょうど目標加工量となるよう、加工ツールを保持したステージを駆動した。

以上述べた方法で形状加工を行った結果、最大加工深さに対する形状誤差ＰＶとして±２．５％を得た。

（実施例２)
本実施例では、反応性局所プラズマ加工法で４００℃に加熱した平板の石英基板に、有効径４０ｍｍ、曲率半径１０ｍの凹球面を形成した例を示す。

まず、（実施形態１）に基づき、除去量プロファイルを求めた。（実施例１）と異なり、予備加工も４００℃に加熱したダミーのワークを用いて行った。予備加工におけるラスター走査の走査速度は４ｍｍ／ｓｅｃとした。除去量プロファイルは走査軸の正負２方向について、（式１）の係数ｋを、

として求めた。こうして求めた２つの除去量プロファイルと設定加工量とに基づき、滞留時間分布を算出した。

形状加工にあたっては、前記滞留時間分布に従って加工ツールを保持したステージを駆動した。本実施例では（実施例１）と異なり、形状加工中の温度測定を行わなかった。

以上述べた方法で形状加工を行った結果、最大加工深さに対する形状誤差ＰＶとして±６％を得た。

比較例

本例では、除去量プロファイルを唯一つとして走査条件を求め、反応性局所プラズマ加工法で４００℃に加熱した平板の石英基板に、有効径４０ｍｍ、曲率半径１０ｍの凹球面を形成した例を示す。

まず、４００℃に加熱したダミーの石英基板の中央を２秒間照射した。加工完了後に加工形状を測定し、これを加工時間で除して除去量プロファイルとした。加工前形状と設計形状から求めた設定加工量を該除去量プロファイルでデコンボリューションして、滞留時間分布を求めた。

実際の加工は、Ａｒ、ＳＦ_６、Ｏ_２をマイクロ波で放電させる反応性局所プラズマ加工法を用い、前記求めた滞留時間分布に従い、ワークを水平面内でラスター走査して加工を行った。

以上述べた方法で形状加工を行った結果、最大加工深さに対する形状誤差ＰＶとして±９％を得た。

２０１ 加工ツール
２０２ 反応性局所プラズマ
２０３ ワーク
２０４ 放射温度計
２０５ ステージ
２０６ 電子演算装置
２０７ ワークホルダー
２０８ チャンバー

Claims (3)

1. 形状加工方法であって、加工ツールの稼働条件を変数に持つ複数の除去量プロファイルを求める工程（工程１）と、前記複数の除去量プロファイルと設定加工量とから走査条件を算出する工程（工程２）とを有することを特徴とする形状加工方法。
2. 前記除去量プロファイルの変数が、走査方向、走査速さ、投入電力、ガス流量、ワークディスタンス、ワークと加工ツールとの相対角度の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の形状加工方法。
3. 前記走査条件と、加工中に測定したワークの温度またはエッチング生成物の発光強度に対応する加工レートとに基づきワークと加工ツールとの相対位置を制御する工程を有することを特徴とする請求項１または２記載の形状加工方法。