JP2014022411A

JP2014022411A - 近接場光を用いたエッチング方法

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Publication number: JP2014022411A
Application number: JP2012156812A
Authority: JP
Inventors: Genichi Otsu; 元一大津; Takashi Yatsui; 崇八井; Ko Nomura; 航野村
Original assignee: RES INST OF NANOPHOTONICS; RESEARCH INSTITUTE OF NANOPHOTONICS
Current assignee: RES INST OF NANOPHOTONICS; RESEARCH INSTITUTE OF NANOPHOTONICS
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2032-07-12
Also published as: JP6274717B2

Abstract

【課題】基板積層体の表面に存在するナノオーダーの不要な凸部を、その凸部の材料に応じて選択的にエッチングし平坦化することを目的とする。
【解決手段】チャンバ１１内に基板積層体１０を載置するとともに、チャンバ１１内に反応性ガスを導入する。凸部２１に近接場光を発生しうる波長の光を、基板積層体１０に照射する。光の照射により凸部２１の局所領域に選択的に発生した近接場光に基づく非共鳴過程を経て、凸部の素材に選択的に反応する反応性ガスの活性種を生成させる。そして、生成された活性種と凸部２１とを化学反応させて反応性生物を生成させることにより、凸部２１をその素材に基づき選択的に除去する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、フォトリソグラフィやドライエッチングを行う際に、シリコンウェハ等の基板表面に残存する、フォトレジスト等よりなる不要なナノ構造を選択的に除去するための近接場光を用いたエッチング方法に関する。

近年、半導体デバイスの微細化、高集積化に伴って、高度に微細化、多層化された薄膜構造を製造する技術が要求されている。このように、微細化、多層化された薄膜構造を製造する方法として、フォトリソグラフィやドライエッチングが用いられている（特許文献１参照）。

フォトリソグラフィやドライエッチング等を用いて電子デバイスの配線形成や微細構造の加工を行う場合、一般的に、基板上にはフォトレジストや金属薄膜等、複数の異種材料からなる薄層が形成される。こうした基板およびその表面に薄層が形成された構造体を、以下基板積層体と称する。このような基板積層体の加工が進むに従い、異種材料からなる薄層は必要に応じて基板上から除去され、基板上には必要なパターンのみが残される。

特開平０８−０３１８２７号公報

しかし、加工を行う基板上に微細な塵等が付着して、この塵により不必要な層の除去が十分に行われない場合等に、本来除去されるはずであった薄層が、数ｎｍのサイズ（ナノオーダー）の凸部として基板表面上に僅かに残存してしまうことがある。こうして基板上に残存したナノオーダーの凸部を除去するために、更にドライエッチングを行うと、残すべきパターン等の構造部分までもエッチングしてしまう恐れがあった。この問題は特に、残すべき構造部分が不要な凸部と同じくナノオーダーである場合に特に顕著なものとなっていた。

そのため、ナノオーダーの不要な凸部のみを選択的に除去することが可能なエッチング方法が強く望まれている。

本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、その目的とするところは、基板上に残存するナノオーダーの微細な凸部をその材料に応じて選択的に除去することのできる近接場光を用いたエッチング方法を提供するところにある。

本願請求項１に係る発明は、基板と、前記基板の表面に積層された前記基板と異なる材料よりなる薄膜と、を有する基板積層体の表面において、前記薄膜により形成されたナノオーダーの凸部を前記凸部の素材に基づき選択的に除去する表面平坦化方法であって、チャンバ内に前記基板積層体を載置する載置工程と、前記チャンバ内に、活性種となった場合に前記凸部の素材に基づき前記凸部と選択的に反応する反応性ガスを導入する導入工程と、前記凸部に近接場光を発生しうる波長の光を、前記基板積層体に照射する照射工程と、前記光の照射により前記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づく非共鳴過程を経て、前記反応性ガスを解離させて前記活性種を生成させる活性種生成工程と、生成された前記活性種と前記凸部とを化学反応させて反応性生物を生成させることにより、前記凸部を前記凸部の素材に基づき選択的に除去する除去工程と、を有することを特徴とする。

本願請求項１に係る発明によると、除去したい不要な凸部に近接場光を発生させるとともに、当該凸部にその素材に基づき選択的に反応する反応性ガスの活性種を作用させることにより、残したいナノオーダーのパターン等を損なうことなく、不要な凸部のみを選択的にエッチングし、平坦化することができる。また、反応の進行に伴い、近接場光の発生する基板表面の凸部が除去され、自動的に平坦化の工程が終了することになる。このため、他からの特別の制御をすることなしに自己組織的に平坦化が施されることになり、その平坦化における工程が非常に簡便なものとなる。

本発明の対象となる基板積層体について説明するための図である。本発明を実現するために用いられる表面平坦化装置の構成を示す外略図である。共鳴光及び非共鳴光について説明するための図である。非共鳴過程について説明するための図である。凸部を有する基板を平坦化する工程について説明するための図である。凸部の局所領域で発生する反応について説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本発明を適用した近接場光を用いたエッチング方法の対象となる基板について説明する。

本実施形態に係る近接場光を用いたエッチング方法によるエッチングの対象となる基板積層体１０は、例えば、図１に模式的に示すように、基板２の表面に、酸化膜、フォトレジスト、金属薄膜等、１または複数の薄膜３が形成されて形成されている。

基板２は、ガラス、プラスチック、シリコンウェハ（Ｓｉ）、ダイヤモンド、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）等の素材により形成されている。また、基板２には、微細なパターン等の、ナノオーダーの構成部分４が形成されている。

薄膜３としての酸化膜は、基板２の保護膜として作用する薄膜であり、基板２を酸化させて形成される他、基盤とは異なる材料の酸化物により形成されていてもよい。例えば、基板２がシリコンウェハやＧａＮから形成されている場合には、酸化膜として、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）等が用いられる。

薄膜３としてのフォトレジストは、フォトリソグラフィにより基板２の加工を行う際に基板２や他の薄膜上に塗布されることで、後に行われる処理からこれらの層を保護するための感光性有機物質である。フォトレジストとしては、広く一般に用いられているフォトレジストであればよく、ポジ型、ネガ型いずれのタイプのフォトレジストでもよい。

薄膜３としての金属薄膜は、例えば金属パターンを形成する薄膜であり、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）等、およびこれらの酸化物や合金等により形成されている。

上述した基板２および薄膜３により構成されている基板積層体１０は、フォトリソグラフィ等により段階的に加工され、最終的な製品が製造される。

この加工の過程で、不要になった薄層の除去が完全に行われず、当該薄層の一部がナノオーダーのサイズの凸部２１として残存することがある。

本実施形態に係る近接場光を用いたエッチング方法では、不要な凸部２１に近接場光を発生させるとともに、その凸部２１と選択的に反応する反応性ガスの活性種を作用させることで、必要な他のナノオーダーのパターン等に影響を及ぼすことなく、当該凸部２１のみを選択的に除去することが可能となる。

本実施形態に係る近接場光を用いたエッチング方法は、図２に概略的に示すような表面平坦化装置１を用いて実現される。

この表面平坦化装置１は、チャンバ１１と、チャンバ１１内のステージ１３と、チャンバ１１内にガスを供給するためのガス供給部１７と、チャンバ１１内に光を照射するための光源１４とを備えている。また、この表面平坦化装置１は、光の形状や偏光方向を制御可能とする照明光学系１６と、光源１４から射出される光を照明光学系１６に反射する反射ミラー１５と、チャンバ１１内に光を導入するための開口窓１８と、チャンバ１１内のガス等を排気する排気口１９とを備えている。

チャンバ１１内には、ガス供給部１７から反応性ガスと不活性ガスとを混合してなる混合ガスが、所定の圧力となるように随時供給されている。

反応性ガスは、凸部２１を平坦化する場合にチャンバ１１内に導入される。反応性ガスは、例えば、Ｏ₂（酸素）や、ＢＣｌ₃、Ｃｌ₂、ＳｉＣｌ₄、ＨＣｌなどの塩素系ガス、ＨＢｒ、ＢＢｒ₃などの臭素系ガス、BHＯ₂、ＳＦ₆（六フッ化硫黄）、ＣＨＦ₃（トリフルオロメタン）、ＣＦ₄（四フッ化炭素）、Ｃ₃Ｆ₈（オクタフルオロプロパン）等のフッ素系ガス等によって具体化され、除去したい凸部２１の材料に基づき、その素材と特異的に反応する活性種の生成されるものが適宜選択される。

また、不活性ガスは、Ｎ₂，Ｈｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の何れか一種または二種以上を混合してなるガスによって具体化される。

ステージ１３は、基板積層体１０を載置するための図示しない載置部や、基板積層体１０を加熱するための図示しない加熱機構が設けられており、これによって、基板積層体１０上に反応性ガスを堆積させる場合において、ガス分子の成膜状況をコントロールできる。なお、ステージ１３は、基板積層体１０の位置を高精度に調整するための図示しない高精度ステージ機構等が設けられていてもよい。

光源１４は、図示しない駆動電源による制御に基づき、所定の波長を有する光を射出するものである。この光源１４からは、以下に詳細に説明するように、反応性ガスのガス分子の吸収端波長よりも長波長からなる光であって、凸部２１に近接場光を発生しうる波長の光が射出される。この光源１は、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザー発振器やＡｒレーザー発振器によって具体化される。なお、凸部２１に近接場光が発生するのは、凸部２１のみが、周りの物質（基板に接している大気など）と屈折率が異なるためである。

照明光学系１６は、図示しない偏光レンズや集束レンズ等を備えて具体化される。これによって、凸部２１や凹部２２の位置、大きさ、範囲等に応じて、ビーム径やビーム形状を制御し、光を照射する範囲を絞ることができる。

次に、上述した表面平坦化装置１の光源１４から出射される光について説明する。

図３は、チャンバ１１内に導入された原料ガスや反応性ガスのガス分子の原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係について示している。通常、チャンバ１１内に導入されたガス分子に対して、基底準位と励起準位とのエネルギー差Ｅａ以上の光子エネルギーをもつ光、即ち、ガス分子の吸収端波長よりも短波長からなる光（以下、この光を共鳴光という。）を照射すると、このガス分子は、励起準位へ直接励起される。この励起準位は、解離エネルギーＥｂを超えているため、矢印で示される方向へガス分子を光解離させて活性種や分解生成物が生成される。

本発明においては、上述のようなガス分子に対して共鳴光を照射して、ガス分子を励起準位にまで直接的に励起させてから解離させる共鳴過程ではなく、ガス分子の吸収端波長よりも長波長である光（以下、この光を非共鳴光という。）を、近接場光として当該ガス分子に対して照射した場合に発生する非共鳴過程を利用して、基板表面の平坦化を行なう。

伝搬光である非共鳴光を照射した場合、通常、ガス分子は励起準位へ励起されないが、近接場光である非共鳴光を照射した場合、このガス分子は、非共鳴過程を経て活性種や分解生成物へと解離可能となる。この非共鳴過程とは、図４に示すような、過程T１、過程T２、過程T３に分類される。

過程T１は、ガス分子が複数の分子振動準位を介して励起され（多段階遷移）、その結果、励起準位にまで励起された後に、活性種等に解離される過程のことをいう。

また、過程T２は、ガス分子の解離エネルギーＥｂ以上の光エネルギーをもつ光（以下、S１モードという）を照射した場合に、ガス分子が解離エネルギー以上のエネルギー準位の分子振動準位にまで励起され、その結果、活性種等に直接的に解離される過程のことをいう。

また、過程T３は、ガス分子のＥｂ以下の光エネルギーを持つ光（以下、S２モードという）を照射した場合に、ガス分子が複数の分子軌道準位を介して励起され（多段階遷移）、Ｅａ未満Ｅｂ以上の分子振動準位にまで励起された後に、活性種等に解離される過程のことをいう。

このように、近接場光である非共鳴光を照射した場合に、非共鳴過程が発生するのは、近接場光をガス分子に対して照射した場合に、ガス分子を分子振動準位にまで直接的に励起可能となることによる。

即ち、伝搬光を使った通常の光解離では、伝搬光の電場強度が分子サイズの空間内において均一な分布であるため、ガス分子を構成する原子核や電子のうち軽い電子のみが光に対して反応するが、原子核間距離を変化させることができない。これに対して、近接場光を使った光解離では、近接場光の電場強度が分子サイズの空間内において変位が激しく、不均一な分布となっている。このため、近接場光を使った場合は、ガス分子の電子のみならず、原子核も反応し、原子核間距離を周期的に変化させることが可能となり、分子の振動準位への直接的な励起を生じさせることが可能となる（非断熱化学反応）。

なお、ここでいう近接場光とは、約１μm以下の大きさからなる物体の表面に伝搬光を照射した場合に、その物体の表面にまとわりついて局在する非伝搬光のことをいう。この近接場光は、非常に強い電場成分を有しているが、物体の表面から遠ざかるにつれてその電場成分が急激に減少する性質をもっている。

この非常に強い電場成分が見られる物体表面からの厚みは、その物体の寸法に依存しており、その物体の寸法と同程度の厚みからなる。本発明における局所領域とは、このような非常に強い電場成分が見られる物体表面の局所的な領域のことをいうものとする。この局所領域とは、例えば図１における凸部２１外周面近傍の領域のことをいう。

このような本発明の原理的な説明を踏まえて、本発明を適用した表面平坦化方法を含む工程について説明する。

まず、図２、図５（ａ）に示すように、チャンバ１１内のステージ１３上に基板積層体１０を配置する。この場合において、チャンバ１１内にガス供給部１７から予め反応性ガスが導入されていてもよいし、基板積層体１０の配置後に反応性ガスを導入してもよい。上述したように、反応性ガスとして、その活性種が凸部２１の素材に基づき、凸部２１と選択的に反応するものが選択される。

次に、図５（ｂ）に示すように、光源１４から、反射ミラー１５等を介して基板積層体１０に対して光を照射する。これによって、凸部２１の局所領域において、近接場光が発生する。この場合、照射する光は非共鳴光であり、ナノオーダーの凸部２１や基板２に形成されているナノオーダーの構造部分４（図１参照）周辺に近接場光を発生させることのできる波長である。

こうしてナノオーダーの凸部２１および構造部分４のいずれの箇所にも近接場光が発生するが、同時に発生する反応性ガスの活性種は、上記凸部２１のみと選択的に反応するものである。そのため、近接場光の発生しない基板積層体１０表面の平坦な箇所や、基板２に形成されているナノオーダーの構造部分４（図１参照）周辺では反応は起こらず、凸部２１の局所領域においてのみ選択的に反応が進行する。

例えば、基板２がＧａＮ、薄膜３が酸化膜ＳｉＯ₂であり、凸部２１がこの酸化膜ＳｉＯ₂から形成されている場合、反応性ガスとしてＣｌ₂を用い、波長５３２ｎｍの光を照射する。これにより、ＳｉＯ₂よりなるナノオーダーの凸部２１に近接場光を発生させるとともに、ＳｉＯ₂に対して選択的に作用する活性種が生成されるため、ＳｉＯ₂からなる凸部２１のみを選択的に除去することができるとともに、ＧａＮからなるナノオーダーの構造部分４は保護することができる。

次に、図６に示すように、発声した反応性ガスG１０は、上述したような非共鳴過程を経て解離されて、活性種G１１を生成し、この活性種G１１と凸部２１の原子、分子２１aとが化学反応し、これによって、揮発性を有する反応生成物G１２が生成される。この反応生成物G１２は、排気口１９に接続された、図示しない真空ポンプによってチャンバ１１外に排出される。

ここで、反応の進行に伴って凸部２１の寸法は、徐々に微小化されるため、凸部２１周囲に発生している近接場光の厚みも小さくなる。最終的には、凸部２１周囲の基板積層体１０を構成する原子層と略同一レベルになった時点、即ち、凸部２１がほぼ完全に除去された時点で、近接場光の発生する領域も消滅し、エッチング反応が発生しなくなる。

このように、本発明を適用した近接場光を用いるエッチング方法では、他からの特別の制御をすることなしに自己組織的かつ凸部２１の材料に基づき当該材料よりなるナノオーダーの凸部２１に特異的にエッチング反応が進行する。そして、最終的に、図５（ｃ）に示すような、基板積層体１０の表面が原子レベルになるまで平坦化が施されて、平坦化の工程が終了する。

本発明を適用した近接場光を用いたエッチング方法によれば、不要なナノオーダーの凸部のみをその材料に基づき選択的に平坦化し除去することができる。そして、残す必要のある他の構造部分にナノオーダーのものがあった場合でも、これをエッチングしてしまうことを効果的に防止することができる。

また、本発明を適用した近接場光を用いたエッチング方法によれば、反応の進行に伴い、近接場光の発生する基板積層体１０の表面の凸部２１が除去され、自動的に平坦化の工程が終了することになる。このため、他からの特別の制御をすることなしに自己組織的に平坦化が施されることになり、その平坦化における工程が非常に簡便なものとなる。

なお、この表面平坦化装置１は、例えば、光CVD（Chemical Vapor Deposition）装置、スパッタリング装置、光励起エッチング装置、反応性イオンエッチング装置、誘導結合プラズマエッチング装置等に用いられているガス供給部１７や、光源１４、チャンバ１１等をそのまま利用することによって具体化されていてもよい。この場合、光CVD装置の光源の波長のみを変化させるのみによって本発明を適用した近接場光を用いたエッチング方法を実現可能となる。

なお、光源の波長を変化させる場合、光源から白色光を射出させ、開口窓１８等においてカラーフィルターを通過させるようにして、単色光を照射するようにしてもよい。

また、凸部２１は、その大きさが１mm以上である等、あまりに大きすぎる場合は、反応に要する時間が膨大になる。このため、この場合は、予めCMP装置等を使用して、ある程度基板積層体１０の表面を研磨しておき、この後の仕上げ加工として、本発明を適用するようにしてもよい。

また、本発明に係る近接場光を用いたエッチング方法においては、表面平坦化装置１のチャンバ１１内に、上述した光源１４とは異なる第２の光源を設け、当該第２の光源から、光源１４から照射される光よりも長波長であり、凸部２１に近接場光が発生しない検出工を基板積層体１０の表面に照射するようにしてもよい。

そして、基板積層体１０から反射した検出光の反射光を、受光部で受光するとともに、受光した反射光の屈折率を観測し、屈折率の変化により凸部２１の除去が終了したことを検出し、光源１４からの光の照射を終了するようにしてもよい。

表面平坦化装置１をこのように構成することで、除去したい凸部２１以外のナノオーダーの構造部分４がエッチングされることを更に効果的に防止することができると共に、無駄な光の照射を抑制することで省エネルギー化を図ることができる。

また、本発明に係る近接場光を用いたエッチング方法は、フォトリソグラフィを行う過程で残存するナノオーダーの不要な凸部を除去することに用いられる他、ナノインプリンティングを行う際にフォトレジストに形成される微細なバリを除去すること等にも用いることができる。

１表面平坦化装置
２基板
３薄膜
４ナノオーダーの構造部分
１０基板積層体
１１チャンバ
１２基板
１３ステージ
１４光源
１５反射ミラー
１６照明光学系
１７ガス供給部
１８開口窓
１９排気口
２１凸部

Claims

基板と、前記基板の表面に積層された前記基板と異なる材料よりなる薄膜と、を有する基板積層体の表面において、前記薄膜により形成されたナノオーダーの凸部を前記凸部の素材に基づき選択的に除去する表面平坦化方法であって、
チャンバ内に前記基板積層体を載置する載置工程と、
前記チャンバ内に、活性種となった場合に前記凸部の素材に基づき前記凸部と選択的に反応する反応性ガスを導入する導入工程と、
前記凸部に近接場光を発生しうる波長の光を、前記基板積層体に照射する照射工程と、
前記光の照射により前記凸部の局所領域に発生した近接場光に基づく非共鳴過程を経て、前記反応性ガスを解離させて前記活性種を生成させる活性種生成工程と、
生成された前記活性種と前記凸部とを化学反応させて反応性生物を生成させることにより、前記凸部を前記凸部の素材に基づき選択的に除去する除去工程と、
を有することを特徴とする表面平坦化方法。
前記光が照射されている前記基板積層体に、前記光よりも長波長であり、前記凸部に近接場光が発生しない検出光を照射する検出光照射工程と、
前記基板積層体から反射した前記検出光の反射光を受光する受光工程と、
受光した前記反射光の屈折率の変化に基づき前記除去工程の終了を検出する検出工程と、
を更に有することを特徴とする請求項１記載の表面平坦化方法。
前記反応性ガスがハロゲン系ガスよりなる請求項１または２記載の表面平坦化方法。
前記反応性ガスが酸素よりなる請求項１または２記載の表面平坦化方法。