JP2021509490A - ファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法 - Google Patents

ファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法 Download PDF

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Abstract

本明細書は、ファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法を提供する。ファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法は、メッシュ部が上面に備えられたファラデーケージ内に、開口パターン部を有する金属マスクが一面上に備えられたエッチング用基材を備えるステップと、プラズマエッチングを用いて、エッチング用基材に第１パターン領域を形成する第１パターニングステップと、メッシュ部の少なくとも一部をシャッタを用いて遮蔽した後、プラズマエッチングを用いて、エッチング用基材に第２パターン領域を形成する第２パターニングステップと、を含む。

Description

本明細書は、２０１７年１２月２６日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０−２０１７−０１７９３００号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本発明に組み込まれる。本明細書は、ファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法に関する。
ディスプレイに所望のイメージを使用者に見せるために、可視光の状態を変更するための導光板を用いることができる。導光板は、反射、屈折または回折などにより入射する可視光と相互作用が可能であり、このような相互作用を調節して使用者に所望のイメージを見せることができる。導光板に入射した光は、導光板に備えられた構造物と相互作用をして回折が起こり、これは光の波動性に起因するものであって光波の干渉として表現される。導光板内に入射した光が周期的な構造物に接する場合、光の回折によって互いに異なる方向のビームに分割されて使用者に見えることがある。
ディスプレイを通して使用者に所望のイメージを歪みなく見せるために、導光板に入射する光がディスプレイ上で一定の強度で出力されるように導光板の微細構造物を形成するための方法の研究が必要である。
韓国登録公報：ＫＲ１０−１１３１１０１Ｂ１
本発明は、ファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法を提供しようとする。
ただし、本発明が解決しようとする課題は上述した課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解されるであろう。
本発明の一実施態様は、メッシュ部が上面に備えられたファラデーケージ内に、開口パターン部を有する金属マスクが一面上に備えられたエッチング用基材を備えるステップと、プラズマエッチングを用いて、前記エッチング用基材に第１パターン領域を形成する第１パターニングステップと、前記メッシュ部の少なくとも一部をシャッタを用いて遮蔽した後、プラズマエッチングを用いて、前記エッチング用基材に第２パターン領域を形成する第２パターニングステップと、を含み、
前記第１パターン領域は、５ｍｍあたり０ｎｍ〜４０ｎｍの深さ勾配を有する第１溝パターンを含み、前記第２パターン領域は、５ｍｍあたり５０ｎｍ〜３００ｎｍの深さ勾配を有する第２溝パターンを含むものである、ファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法を提供する。
本発明の一実施態様に係るプラズマエッチング方法は、ファラデーケージにシャッタを備える簡単な方法で小さい深さ勾配を有する溝パターンと大きい深さ勾配を有する溝パターンを形成することができる。
本発明の一実施態様に係るプラズマエッチング方法は、溝パターンの底面に形成可能な針状構造物を効果的に制御することができる。
本発明の一実施態様に係るプラズマエッチング方法は、エッチング用基材上に均一な傾きで傾斜溝パターンを形成することができ、前記傾斜溝パターンの深さ勾配の変化量と深さ勾配が適用される位置を調節できるという利点がある。
本発明の一実施態様に係るプラズマエッチング方法は、簡単な工程で優れた精度を有する回折格子導光板用モールド基材を製造できるという利点がある。
実施例１で用いるファラデーケージおよびこれにシャッタを備えた場合の写真を示すものである。 本発明の一実施態様に係るプラズマエッチング方法における第１パターニングステップを模式化した図である。 本発明の一実施態様に係るプラズマエッチング方法における第２パターニングステップを模式化した図である。 ファラデーケージのメッシュ部からの距離に応じたエッチング率を測定した結果を示すものである。 本発明の一実施態様に係るプラズマエッチング方法により製造されたパターニングされたエッチング用基材を用いて製造された回折格子導光板の一例を示すものである。 参考例１による傾斜エッチング時の位置ごとの垂直方向のエッチング深さを示すものである。 参考例２による傾斜エッチング時の位置ごとの垂直方向のエッチング深さを示すものである。 参考例３による傾斜エッチング時の位置ごとの垂直方向のエッチング深さを示すものである。 実施例１による傾斜エッチング時の位置ごとの垂直方向のエッチング深さを示すものである。 実施例１によりエッチングされたガラス基材の３ｍｍ地点におけるエッチング部を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したイメージである。 実施例１によりエッチングされたガラス基材の１２ｍｍ地点におけるエッチング部を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したイメージである。 実施例１によりエッチングされたガラス基材の１５ｍｍ地点におけるエッチング部を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したイメージである。 実施例１によりエッチングされたガラス基材の１９ｍｍ地点におけるエッチング部を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したイメージである。 参考例１によりエッチングされたガラス基材の約１０ｍｍ付近でのエッチング部を示すものである。 実施例２による垂直エッチング時の位置ごとのエッチング深さを示すものである。
本明細書において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。
本明細書において、ある部材が他の部材の「上に」位置しているとする時、これは、ある部材が他の部材に接している場合のみならず、２つの部材の間にさらに他の部材が存在する場合も含む。
本明細書において、使用される用語「〜（する）ステップ」または「〜のステップ」は、「〜のためのステップ」を意味しない。
本発明におけるファラデーケージは、導体からなる密閉空間を意味し、プラズマ内にファラデーケージを設けると、ケージの外表面にシース（ｓｈｅａｔｈ）が形成されて内部は電場が一定の状態に維持される。この時、ファラデーケージの上面をメッシュ部で形成すれば、シースがメッシュ部の表面に沿って形成される。そのため、ファラデーケージを用いたプラズマエッチングを行う場合、メッシュ部の表面に水平に形成されたシースと垂直な方向に加速されたイオンは、ファラデーケージの内部に入射した後、入射する時の方向性を維持しながら基材まで到達して基材をエッチングする。さらに、本発明におけるファラデーケージ内部の基材の表面は、メッシュ面に対して水平または傾いた状態で固定されており、イオンはメッシュ面に垂直な方向に入射するので、基材の表面に対して垂直または傾いた方向へのエッチングが可能である。具体的には、本発明の一実施態様に係るファラデーケージは、上面が導電性を有するメッシュ部から構成された導電体ケージであってもよい。また、本発明の一実施態様によれば、前記プラズマエッチングのエッチング方向は、前記ファラデーケージのメッシュ部の表面に垂直な方向であってもよい。
ファラデーケージを用いたプラズマエッチングの場合、メッシュ部を通過したイオンは、基材に向けて移動する間、ファラデーケージの内部に存在する中性粒子と衝突して運動エネルギーを失い、これによって、イオンの密度はメッシュ部の距離に反比例する傾向を有する。すなわち、イオンが入射するメッシュ部に近いほど高いエッチング速度を示し、メッシュ部と遠くなるほど低いエッチング速度を示す。既存のファラデーケージを用いたプラズマエッチングは、基材の直径が増加する場合、または傾斜エッチングにおいてメッシュ部と基材の下端との距離が過度に遠くなる場合、エッチング均一度問題のため制限的に使用されるしかなかった。具体的には、既存のファラデーケージを用いたプラズマエッチング時、ファラデーケージの位置ごとに高エッチング領域と低エッチング領域とが不規則に混在して、エッチング時の正確度を高めることが困難であり、イオンの進行距離が長くなる場合、イオンビームの直径が大きくなるイオンビーム分散効果などの限界が存在していた。
また、プラズマエッチング、具体的には、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置（ＩＣＰ−ＲＩＥ）を用いた石英基材のエッチング工程時、自己マスキング現象（ｓｅｌｆ−ｍａｓｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）によってエッチング領域内に低い反射率を有する針状構造物が形成される問題点がある。このような針状構造物は、ブラックシリコンとも称され、数十から数百ｎｍの直径で針状にエッチング領域に存在して、石英基材の表面の反射率を大きく低下させ、精密なエッチングを妨げる要素として作用する。
仮想現実デバイスまたは拡張現実デバイスのようなウェアラブルデバイスの画質を向上させるために、これに適用される回折格子導光板のより精密化されたパターン設計が求められている。具体的には、ウェアラブルデバイスに出力される映像の輝度均一性を制御するために、計算された回折効率に基づいて各回折領域における格子溝部の深さ変化を細かく調節する必要性がある。回折格子導光板のより精密化されたパターン設計のうち、格子溝部の深さ勾配が急激に上昇する領域の実現が必要な場合があり、一般的なファラデーケージを介したプラズマエッチングでは大きい深さ勾配を有する領域の格子溝部を形成することが困難で、これを解決するための研究を継続した結果、下記のような発明を開発するに至った。
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明の一実施態様によれば、メッシュ部が上面に備えられたファラデーケージ内に、開口パターン部を有する金属マスクが一面上に備えられたエッチング用基材を備えるステップと、プラズマエッチングを用いて、前記エッチング用基材に第１パターン領域を形成する第１パターニングステップと、前記メッシュ部の少なくとも一部をシャッタを用いて遮蔽した後、プラズマエッチングを用いて、前記エッチング用基材に第２パターン領域を形成する第２パターニングステップと、を含み、
前記第１パターン領域は、５ｍｍあたり０ｎｍ〜４０ｎｍの深さ勾配を有する第１溝パターンを含み、前記第２パターン領域は、５ｍｍあたり５０ｎｍ〜３００ｎｍの深さ勾配を有する第２溝パターンを含むものである、ファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法を提供する。
本発明者らは、ファラデーケージを用いたプラズマエッチングに関する研究を継続した結果、ファラデーケージのメッシュ部の一部をシャッタを用いて遮蔽する場合、プラズマエッチング時のエッチング率が大きく変化する現象を発見した。具体的には、シャッタを備えずにファラデーケージを用いたプラズマエッチングを実施する場合には、ファラデーケージのメッシュ部からの距離の増加に伴うエッチング率の変化の幅を大きく調節することができなかった。これに対し、シャッタを用いてファラデーケージのメッシュ部の一部領域を遮蔽した場合、シャッタで遮蔽された領域に隣接したエッチング領域において、メッシュ部からの距離の増加に伴うエッチング率の変化が非常に大きく調節できることを見出して、前記の発明を開発するに至った。
さらに、ファラデーケージのメッシュ部にシャッタを備えた後、プラズマエッチングを実施する場合、エッチング領域に発生する針状構造物の発生を大きく低減できることを見出した。
本発明の一実施態様によれば、前記シャッタは、前記メッシュ部の一定領域を連続的に遮蔽するものであってもよい。
本発明の一実施態様によれば、前記シャッタは、前記メッシュ部の２０％〜８０％領域を遮蔽するものであってもよい。具体的には、前記シャッタは、前記メッシュ部の３０％〜６０％領域、または４０％〜６０％領域を遮蔽するものであってもよい。具体的には、前記シャッタは、前記メッシュ部の５０％領域を遮蔽するものであってもよい。
図１は、実施例で用いるファラデーケージおよびこれにシャッタを備えた場合の写真を示すものである。具体的には、図１の左側イメージは、シャッタが備えられていないファラデーケージのメッシュ部面を撮影したものであり、右側イメージは、シャッタを備えたファラデーケージのメッシュ部面を撮影したものである。
本発明の一実施態様によれば、前記シャッタは、アルミニウム酸化物材質であってもよい。ただし、シャッタの材質はこれに限定されるものではなく、多様な材質のシャッタを用いてもよい。
本発明の一実施態様によれば、前記エッチング用基材は、前記ファラデーケージの底面と水平面を有する平面支持台または傾斜面を有する支持台上に備えられる。具体的には、前記エッチング用基材を垂直エッチングして垂直溝パターンを形成する場合には、平面支持台を用いると良く、前記エッチング用基材を傾斜エッチングして傾斜溝パターンを形成する場合には、傾斜面を有する支持台を用いると良い。
本発明の一実施態様によれば、前記エッチング用基材は、傾斜面を有する支持台上に備えられ、前記第１溝パターンおよび前記第２溝パターンは、傾斜溝パターンであってもよい。
本発明の一実施態様によれば、前記支持台の傾斜角は、０゜以上６０゜以下、または３５゜以上４５゜以下であってもよい。前記支持台の傾斜角を調節することにより、前記第１溝パターンおよび前記第２溝パターンの傾斜角を調節することができる。
前記支持台の傾斜角を前記範囲に調節することにより、前記第１溝パターンおよび前記第２溝パターンの平均傾斜角を０゜〜５５゜、または３０゜〜４０゜に調節することができる。例えば、前記支持台の傾斜角を３５゜に調節する場合、前記第１溝パターンおよび前記第２溝パターンの最小傾斜角は２７゜、最大傾斜角は３６゜、平均傾斜角は３３゜に調節される。また、前記支持台の傾斜角を４０゜に調節する場合、前記第１溝パターンおよび前記第２溝パターンの最小傾斜角は３２゜、最大傾斜角は４０゜、平均傾斜角は３６゜に調節される。
本発明の一実施態様によれば、前記第１パターニングステップは、シャッタを備えないファラデーケージを用いて前記エッチング用基材をプラズマエッチングしてパターニングするものであってもよい。
図２は、本発明の一実施態様に係るプラズマエッチング方法における第１パターニングステップを模式化した図である。具体的には、図２は、ファラデーケージ内に傾斜面を有する支持台を備えた後、傾斜面上に石英基材を備え、プラズマエッチングを用いてエッチング用基材をパターニングすることを示すものである。
ファラデーケージを用いたプラズマエッチングの場合、メッシュ部からの距離の増加に伴ってエッチング速度が次第に低くなる傾向を示すので、これを用いて第１パターン領域を形成することができる。
前記第１パターニングステップを用いて形成された第１パターン領域の場合、５ｍｍあたり０ｎｍ〜４０ｎｍの深さ勾配を有する第１溝パターンを含む。具体的には、傾斜面を有する支持台を用いない場合、前記第１パターン領域の第１溝パターンは、実質的に深さ勾配がないか、５ｍｍあたり１０ｎｍ以内の深さ勾配を有することができる。また、傾斜面を有する支持台を用いる場合、前記第１パターン領域の第１溝パターンは、５ｍｍあたり１０ｎｍ〜４０ｎｍの深さ勾配を有することができる。
前記第１パターニングステップは、シャッタを備えないファラデーケージを用いて、第２溝パターン領域の深さ勾配より小さい深さ勾配を有する第１パターン領域を形成することができる。
本発明の一実施態様によれば、前記第１パターニングステップにおけるメッシュ部は、実質的にシャッタによって遮蔽されないものであってもよい。具体的には、前記第１パターニングステップにおけるメッシュ部は、シャッタによって１０％以下の領域が遮蔽されて、実質的にシャッタ部によって遮蔽されないものであってもよい。
本発明の一実施態様によれば、前記メッシュ部の少なくとも一部をシャッタを用いて遮蔽した後、プラズマエッチングを用いて、前記エッチング用基材に第２パターン領域を形成する第２パターニングステップは、前記第１パターニングステップの後、前記第１パターン領域に連続して備えられる第２パターン領域を形成するものであってもよい。
図３は、本発明の一実施態様に係るプラズマエッチング方法における第２パターニングステップを模式化した図である。具体的には、図３は、ファラデーケージのメッシュ部の一領域をシャッタを用いて遮蔽した後、第１パターニングステップを経たエッチング用基材をパターニングすることを示すものである。
ファラデーケージのメッシュ部の一領域をシャッタを用いて遮蔽する場合、メッシュ部からの距離の増加に伴ってエッチング速度が非常に急激に減少するので、これを用いて深さ勾配が大きい溝パターンを含む第２パターン領域を形成することができる。
本発明の一実施態様によれば、前記第２パターニングステップは、前記第２パターン領域の深さ勾配が始まる領域と前記シャッタの末端部とが同一線上に位置するように、前記エッチング用基材を整列させることを含むことができる。すなわち、前記シャッタによって遮蔽される領域は、プラズマエッチングされない領域であるので、前記エッチング用基材の位置を調節した後、前記第２パターン領域を形成することができる。
本発明の一実施態様によれば、前記第２パターニングステップは、前記第１パターニングステップにより形成された第１パターン領域の少なくとも一部を含む前記エッチング用基材の一領域をエッチングして前記第２パターン領域を形成するものであってもよい。具体的には、前記第１パターニングステップにより前記エッチング用基材にパターンが形成された領域に前記第２パターニングステップを用いて第２パターン領域を形成することができる。すなわち、前記第２パターン領域は、前記第１パターニングステップおよび前記第２パターニングステップをすべて経た領域を含むことができる。
前記第２パターニングステップを用いて形成された第１パターン領域の場合、５ｍｍあたり５０ｎｍ〜３００ｎｍの深さ勾配を有する第２溝パターンを含む。具体的には、傾斜面を有する支持台を用いる場合、前記第２パターン領域の第２溝パターンは非常に高い深さ勾配を実現できるので、２つのステップのパターニングステップにより深さ勾配が互いに異なるパターン領域を形成することができる。
本発明の一実施態様によれば、前記エッチング用基材は、前記メッシュ部と少なくとも７ｍｍの隔離距離を維持することができる。
本発明者らは、ファラデーケージ内に４０゜の傾斜面を有する支持台を設け、前記支持台上にエッチング用基材を備えた後、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｏｘｆｏｒｄ社のｐｌａｓｍａＬａｂ ｓｙｓｔｅｍ１００）を用いてプラズマエッチングを行った。この時、反応性ガスとして、Ｏ２およびＣ４Ｆ８を１：９の比率で混合して５０ｓｃｃｍの流速で供給した。また、エッチング条件として、ＲＦ ｐｏｗｅｒ １５０Ｗ、ＩＣＰ ｐｏｗｅｒ２ｋＷ、作動圧力７〜１０ｍＴｏｒｒにして３分間エッチングした。これによって、ファラデーケージのメッシュ部からの距離に応じたエッチング率を測定し、その結果は図４の通りである。
図４は、ファラデーケージのメッシュ部からの距離に応じたエッチング率を測定した結果を示すものである。ファラデーケージのメッシュ部からの距離に応じたエッチング率の測定結果によれば、実質的にプラズマエッチングされない距離はメッシュ部から約７５ｍｍ離れた位置と予測できるので、前記パターニング時、これを考慮して設計することができる。また、メッシュ部とエッチング用基材との距離が約６ｍｍ以下の場合には、メッシュ部のメッシュ格子柄がエッチング用マスクのような作用をしてエッチング領域に残ってしまう問題が発生することを発見した。そのため、前記エッチング用基材は、前記メッシュ部と少なくとも７ｍｍの隔離距離を維持することが必要であり得る。
本発明の一実施態様によれば、前記エッチング用基材は、石英基板またはシリコンウエハであってもよい。前記ファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法を利用する場合、エッチング用基材として石英基板のようなガラスまたはシリコンウエハのパターニング時に発生しうる針状構造物の発生を大きく低減することができる。
本発明の一実施態様によれば、前記金属マスクは、前記第１パターン領域および前記第２パターン領域を形成するためのものでもよいし、前記マスクの開口パターン部は、前記第１溝パターンおよび／または前記第２溝パターンに対応する領域でもよい。
図５は、本発明の一実施態様に係るプラズマエッチング方法により製造されたパターニングされたエッチング用基材を用いて製造された回折格子導光板の一例を示すものである。具体的には、図５は、前記パターニングされたエッチング用基材を用いて製造された回折格子導光板を示すものであって、回折格子導光板から光が抽出されて、使用者にディスプレイ情報が提供されるパターン部に対応する溝パターンを前記製造方法により製造することができる。前記光が抽出される領域のパターンは、漸進的にパターン構造体の高さが増加し、より優れた画質の抽出のために、相対的に低い高さ勾配でパターン構造体の高さが増加後、急激に高い高さ勾配でパターン構造体の高さが増加する領域が必要であり得る。このように高さ勾配が急激に増加するパターン構造体が必要な場合、前記製造方法を利用して回折格子導光板用モールド基材を製造することができる。
前記ファラデーケージのメッシュ部は、プラズマエッチング時、プラズマとの接触面で自由電子を引き寄せてシースを形成させることができる。また、前記メッシュ部は、負電荷を有する自由電子を加速させるために導電性を有することができる。
さらに、前記メッシュ部は、前記ファラデーケージの一面に平坦に備えられ、屈曲部がある場合、屈曲部でのエッチング速度が局部的に異なり得る。
本発明の一実施態様によれば、前記メッシュ部は、０．５Ω／□以上の面抵抗を有するものであってもよい。具体的には、本発明の一実施態様によれば、前記メッシュ部の面抵抗は、０．５Ω／□以上１００Ω／□以下であってもよい。
前記メッシュ部の面抵抗が０．５Ω／□以上の場合、プラズマエッチング時、ファラデーケージ内の位置ごとのエッチング速度を一定に維持することができる。また、前記メッシュ部の面抵抗が０．５Ω／□未満の場合、プラズマエッチング時、ファラデーケージの位置ごとのエッチング速度が不規則に形成されて、精密なエッチングを行いにくい問題がある。さらに、前記メッシュ部の面抵抗は、０．５Ω／□以上であれば、ファラデーケージ内の位置ごとのエッチング速度を一定に維持することができ、面抵抗が１００Ω／□を超える場合、効果の上昇はわずかであり、製造費用の増加のみ発生しうる。
本発明の一実施態様によれば、前記メッシュ部は、金属メッシュ上にフッ化炭素ラジカルが吸着されたものであってもよい。具体的には、前記フッ化炭素ラジカルは、−ＣＦ、−ＣＦ２、−ＣＦ３、または−Ｃ２Ｆｘ（ｘ＝１〜５の整数）であってもよい。具体的には、前記ファラデーケージの前記メッシュ部は、プラズマエッチング時、Ｆラジカルによるエッチングおよび表面重合によってフッ化炭素ラジカルがメッシュ部に吸着される。
本発明の一実施態様によれば、前記メッシュ部は、金属のような導電性を有する物質上に前記フッ化炭素ラジカルが吸着されて、前記のような面抵抗を示すことができる。
本発明の一実施態様によれば、前記メッシュ部は、ステンレス材質のメッシュを使用することができる。具体的には、ＳＵＳ３０４材質の＃２００（ピッチ１２５μｍ、ワイヤ直径５０μｍ、開口率３６％）商用メッシュを使用することができる。ただし、これに限定されるものではなく、前記メッシュ部は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、およびこれらの少なくとも２種を含む合金を材料とするものであってもよい。さらに、前記メッシュの孔隙率および格子の大きさは、エッチングの用途に応じて自由に調節可能である。
本発明の一実施態様によれば、前記プラズマエッチングは、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置（ＩＣＰ−ＲＩＥ）を用いることができる。具体的には、前記パターニングステップは、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置の内部に前記ファラデーケージを備えて行われるものであってもよい。また、前記プラズマエッチングは、ヘリコンプラズマ方式、ヘリカル共振プラズマ方式、電子共振プラズマ方式も適用可能である。
本発明の一実施態様によれば、前記プラズマエッチングは、プラズマエッチング装置の出力を０．７５ｋＷ以上４ｋＷ以下に調節することを含むことができる。具体的には、前記プラズマエッチング装置の出力は、０．７５ｋＷ以上３ｋＷ以下、０．７５ｋＷ以上１．５ｋＷ以下、または０．７５ｋＷ以上１ｋＷ以下に調節可能である。
前記プラズマエッチング装置の出力を前記範囲内に調節する場合、エッチング用基材、具体的には、石英基板またはシリコンウエハをパターニングする場合に発生する針状構造物の形成をより抑制し、発生する針状構造物の大きさを著しく小さく抑制することができる。
本発明の一実施態様によれば、前記プラズマエッチングは、プラズマエッチング装置に反応性ガスおよび酸素ガスを含む混合ガスを１０ｓｃｃｍ以上７５ｓｃｃｍ以下で供給することを含むことができる。具体的には、前記プラズマエッチングは、プラズマエッチング装置に前記混合ガスを１５ｓｃｃｍ以上７５ｓｃｃｍ以下、２５ｓｃｃｍ以上７０ｓｃｃｍ以下、３０ｓｃｃｍ以上７０ｓｃｃｍ以下、４０ｓｃｃｍ以上６０ｓｃｃｍ以下、または４５ｓｃｃｍ以上５５ｓｃｃｍ以下で供給することを含むことができる。
前記反応性ガスの供給流量を前記範囲に調節する場合、エッチング用基材、具体的には、石英基板またはシリコンウエハをパターニングする場合に発生する針状構造物の形成をより抑制し、発生する針状構造物の大きさを著しく小さく抑制することができる。
本発明の一実施態様によれば、前記反応性ガスは、プラズマエッチング時に用いる一般的な反応性ガスを使用することができる。例えば、ＳＦ６、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８、ＣＦ４、およびＣｌ２などのガスを用いることができる。
本発明の一実施態様によれば、前記混合ガスの総流量中の酸素ガス流量の含有量は、１％以上２０％以下であってもよい。具体的には、前記混合ガスの総流量中の酸素ガス流量の含有量は、１％以上１５％以下、１％以上１０％以下、または１％以上５％以下であってもよい。
前記混合ガス流量中の酸素流量の含有量が前記範囲内の場合、エッチング用基材、具体的には、石英基板またはシリコンウエハをパターニングする場合に発生しうる針状構造物の形成をより抑制し、発生する針状構造物の大きさを著しく小さくすることができる。
本発明の一実施態様によれば、前記ファラデーケージの底面は、前記金属マスクより低いイオン化傾向を有する金属を含むことができる。
前記ファラデーケージの底面の材質のイオン化傾向が金属マスクの材質のイオン化傾向より低い場合、エッチング用基材、具体的には、石英基板またはシリコンウエハをパターニングする場合に発生しうる針状構造物の形成をより抑制し、発生する針状構造物の大きさを著しく小さくすることができる。
本発明の一実施態様によれば、前記ファラデーケージの底面は、前記金属マスクの標準還元電位より１Ｖ以上高い金属を含むことができる。具体的には、前記ファラデーケージの底面は、前記金属マスクの標準還元電位より１Ｖ以上高い金属からなってもよい。また、前記ファラデーケージの底面を構成する金属の平均標準還元電位は、前記金属マスクの標準還元電位より１Ｖ以上高くてもよい。前記ファラデーケージの底面を構成する金属の平均標準還元電位は、前記ファラデーケージの底面を構成する金属の含有量と標準還元電位を考慮して計算される。例えば、１８ｗｔ％のＣｒ、８ｗｔ％のＮｉ、および７４ｗｔ％のＦｅからなるＳＵＳ３０４の場合、平均標準還元電位は−０．３３３Ｖであってもよい。参照として、Ｃｒの標準還元電位は−０．７４Ｖ、Ｆｅの標準還元電位は−０．４５Ｖ、Ｎｉの標準還元電位は−０．２６Ｖ、Ａｌの標準還元電位は−１．６６Ｖ、Ｃｕの標準還元電位は０．３４Ｖである。
本発明の一実施態様によれば、前記ファラデーケージの底面は、前記金属マスクの標準還元電位より１Ｖ以上、１．５Ｖ以上、または１．９Ｖ以上高い金属を含むことができる。また、本発明の一実施態様によれば、前記ファラデーケージの底面を構成する金属の平均標準還元電位は、前記金属マスクの標準還元電位より１Ｖ以上、１．５Ｖ以上、または１．９Ｖ以上高いものであってもよい。
前記ファラデーケージの底面に含まれる金属の標準還元電位が前記のような場合、エッチング用基材、具体的には、石英基板またはシリコンウエハのパターニング時、針状構造物の発生が最小化され、ひいては、発生する針状構造物の大きさが最小化できる。
本発明の一実施態様によれば、前記金属マスクは、アルミニウムおよびクロムのうちの少なくとも１種を含む。具体的には、前記金属マスクは、アルミニウムからなるものであってもよい。
本発明の一実施態様によれば、前記ファラデーケージの底面は、鉄、ニッケル、および銅のうちの少なくとも１種を含むものであってもよい。具体的には、前記ファラデーケージの底面は、銅または鉄、クロム、およびニッケルの合金であるステンレス鋼素材の金属板であってもよい。
本発明の一実施態様によれば、前記金属マスクは、アルミニウム素材のマスクであり、前記ファラデーケージの底面は、銅素材またはＳＵＳ３０４ステンレス鋼素材の金属板であってもよい。
本発明の一実施態様によれば、前記金属マスクは、アルミニウムおよびクロムのうちの少なくとも１種を含み、前記ファラデーケージの底面は、銅を含むものであってもよい。具体的には、前記金属マスクは、純度９５％以上のアルミニウムで形成されたものであり、前記ファラデーケージの底面は、純度９５％以上の銅板であってもよい。
本願発明のように、ファラデーケージの底面材質のイオン化傾向が金属マスクの材質のイオン化傾向より低い場合、および／またはファラデーケージの底面材質の標準還元電位が金属マスク材質の標準還元電位より１Ｖ以上高い場合、エッチング用基材、具体的には、石英基板またはシリコンウエハのパターニング時、針状構造物の発生が著しく抑制され、発生する針状構造物の大きさを著しく小さく抑制することができる。
本発明の一実施態様によれば、パターニングされた前記エッチング用基材は、回折格子導光板用モールド基材であってもよい。具体的には、前記エッチング用基材の前記第１パターン領域および前記第２パターン領域は、回折格子導光板用モールドの一パターン領域であってもよい。
本発明の一実施態様は、前記ファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法を用いて回折格子パターンが形成された基材を用意するステップと、前記回折格子パターンが形成された石英基材上に樹脂組成物を塗布するステップと、前記回折格子パターンが備えられた面の反対面上に透明基材を備えるステップと、前記樹脂組成物を硬化して回折格子パターンを形成するステップと、前記石英基材と前記回折格子パターンとを分離して回折格子導光板を形成するステップとを含む回折格子導光板の製造方法を提供する。
前記樹脂組成物は、当業界で一般的に用いられる樹脂組成物であれば制限なく使用可能である。さらに、前記樹脂組成物を塗布するステップは、スピンコーティング、ディップコーティング、ドロップキャスティングなど当業界で一般的に用いられるコーティング方法を利用して行われる。
前記回折格子導光板の製造方法は、前述したファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法でパターニングされた石英基材を用いることを除けば、一般的なパターン層を形成する方法が適用可能である。
前記回折格子導光板は、直接回折格子導光板として使用できる。また、前記回折格子導光板を中間モールドとして用いて、これを複製する方法で最終生産品を製造することもできる。具体的には、前記製造された回折格子導光板を中間モールドとして回折格子導光板用モールドを製造した後、回折格子導光板を製造する場合、中間モールドとして用いられた回折格子導光板の格子パターンの傾きが反転したものを得ることができる。さらに、格子パターンの傾きが反転した回折格子導光板を中間モールドとして用いて回折格子導光板用モールドを製造した後、回折格子導光板を製造する場合、最初の回折格子導光板と同じ方向の格子パターンを実現することができる。
［実施例］
以下、本発明を具体的に説明するために実施例を挙げて詳細に説明する。しかし、本発明に係る実施例は種々の異なる形態に変形可能であり、本発明の範囲が以下に述べる実施例に限定されると解釈されない。本明細書の実施例は、当業界における平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
［参考例１］
メッシュ部の面抵抗が０．５６０５Ω／□であり、底面がステンレス（ＳＵＳ３０４）プレートであるファラデーケージを用意した。そして、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置（ＩＣＰ−ＲＩＥ）（Ｏｘｆｏｒｄ社のｐｌａｓｍａＬａｂ ｓｙｓｔｅｍ１００）内に前記ファラデーケージを備えた。
さらに、厚さ２ｍｍのガラス基材上にＡｌを蒸着してＡｌ層を形成した。さらに、Ａｌ層上にフォトレジストをスピンコーティングした後、４０５ｎｍのピッチを有するフォトマスクを用いてＵＶ硬化でフォトレジストを現像した後、Ａｌ層を選択的にエッチングしてガラス基材上にＡｌ金属マスクを形成した。
前記ファラデーケージ内に４０゜の傾斜を有するＡｌ材質の支持台を設けた後、前記Ａｌ金属マスクが備えられたガラス基材を前記支持台上に備えた。この時、ガラス基材とメッシュ部との最小離隔距離は７ｍｍであり、別途のシャッタを用いたメッシュ部の遮蔽はなかった。
そして、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｏｘｆｏｒｄ社のｐｌａｓｍａＬａｂ ｓｙｓｔｅｍ１００）を用いてプラズマエッチングを行い、反応性ガスとして、Ｏ２およびＣ４Ｆ８を５：４５の比率で混合して５０ｓｃｃｍの流速で供給した。また、エッチング条件として、ＩＣＰ ｐｏｗｅｒ２ｋＷ、作動圧力７〜１０ｍＴｏｒｒにして３分間エッチングした。
図６は、参考例１による傾斜エッチング時の位置ごとの垂直方向のエッチング深さを示すものである。図６の横軸は、メッシュ部に近く位置するガラス基材の一側から他側までの距離を意味し、縦軸は、位置ごとにエッチングされた垂直深さを示すものである。図６によれば、メッシュ部からの距離が遠くなるに伴ってエッチング率が次第に減少後、高エッチング領域が存在する位置で再びエッチング率が増加する傾向を示すことが分かる。さらに、本発明者らは回折格子導光板の光学設計時、ガラス基材の約２５ｍｍ〜約４５ｍｍ区間中、約３５ｍｍ〜約４５ｍｍ区間でのエッチング深さの勾配を急激に増加させる必要性があることを見出したが、既存のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法ではこれを実現することが困難であった。
［参考例２］
参考例１と同様の誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置およびファラデーケージを用いるものの、ファラデーケージのメッシュ部の半分の領域をシャッタを用いて遮蔽した。そして、ファラデーケージ内に平面のＡｌ材質の支持台を設け、参考例１と同様の方法で製造されたＡｌ金属マスクが備えられたガラス基材を前記支持台上に備えた。この時、ガラス基材とメッシュ部との離隔距離は７ｍｍであり、ガラス基材の半分の領域はシャッタで遮蔽されたメッシュ部内に位置するように位置を調整した。
そして、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｏｘｆｏｒｄ社のｐｌａｓｍａＬａｂ ｓｙｓｔｅｍ１００）を用いてプラズマエッチングを行い、反応性ガスとして、Ｏ２およびＣ４Ｆ８を５：４５の比率で混合して５０ｓｃｃｍの流速で供給した。また、エッチング条件として、ＩＣＰ ｐｏｗｅｒ２ｋＷ、作動圧力７〜１０ｍＴｏｒｒにして３分間エッチングした。
図７は、参考例２による傾斜エッチング時の位置ごとの垂直方向のエッチング深さを示すものである。図７の横軸は、メッシュ部に近く位置するガラス基材の一側から他側までの距離を意味し、縦軸は、位置ごとにエッチングされた垂直深さを示すものである。図７によれば、メッシュ部の隣接した領域で急激にエッチング深さの勾配が実現されることが分かる。
［参考例３］
ファラデーケージ内に４０゜の傾斜を有するＡｌ材質の支持台を設けた後、前記Ａｌ金属マスクが備えられたガラス基材を前記支持台上に備えたことを除き、参考例２と同様の方法でガラス基材をエッチングした。
図８は、参考例３による傾斜エッチング時の位置ごとの垂直方向のエッチング深さを示すものである。図８の横軸は、メッシュ部に近く位置するガラス基材の一側から他側までの距離を意味し、縦軸は、位置ごとにエッチングされた垂直深さを示すものである。図８によれば、シャッタに隣接したガラス基材の３５ｍｍ〜４５ｍｍ区間は非常に急激な深さ勾配を有するようにエッチングされることを確認することができ、その他の部分は緩やかな深さ勾配を有するようにエッチングされることを確認することができる。
前記参考例１〜参考例３の結果を用いて、本発明者らは本発明を完成した。
［実施例１］
参考例１と同様の方法でガラス基材に対してプラズマエッチングをして１次パターニングを実施した。さらに、メッシュ部の半分の領域をシャッタを用いて遮蔽し、１次パターニングされたガラス基材の３５ｍｍ地点とシャッタ部の末端とが整列されるようにガラス基材を位置させた後、１次プラズマエッチングと同一の条件でプラズマエッチングをして２次パターニングを実施した。
図１は、実施例１で用いるファラデーケージおよびこれにシャッタを備えた場合の写真を示すものである。具体的には、左側のファラデーケージは、１次パターニング時のファラデーケージを示すものであり、右側のファラデーケージは、２次パターニング時のメッシュ部の一部がシャッタによって遮蔽されたファラデーケージを示すものである。
図９は、実施例１による傾斜エッチング時の位置ごとの垂直方向のエッチング深さを示すものである。図９によれば、実施例１の結果は、設計案と類似して緩やかな深さ勾配および急激な深さ勾配を同時に有し得ることを確認することができる。
図１０は、実施例１によりエッチングされたガラス基材の３ｍｍ地点におけるエッチング部を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したイメージである。
図１１は、実施例１によりエッチングされたガラス基材の１２ｍｍ地点におけるエッチング部を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したイメージである。
図１２は、実施例１によりエッチングされたガラス基材の１５ｍｍ地点におけるエッチング部を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したイメージである。
図１３は、実施例１によりエッチングされたガラス基材の１９ｍｍ地点におけるエッチング部を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したイメージである。
図１０〜図１３によれば、図９における結果のように、緩やかな深さ勾配を有するエッチング領域および急激な深さ勾配を有するエッチング領域を同時に有することを確認することができる。さらに、図１０〜図１３から確認できるように、シャッタを用いてエッチングする場合、針状構造物の発生をほとんど除去できることが分かる。
参照として、図１３と類似の深さを有するようにシャッタ部を備えずにプラズマエッチングを進行させた場合には針状構造物が形成され、これは図１４に示した。図１４は、参考例１によりエッチングされたガラス基材の約１０ｍｍ付近でのエッチング部を示すものである。図１４によれば、非常に多い量の針状構造物が形成されていることが分かる。
これに対し、実施例１によりエッチングされたガラス基材は、シャッタを用いた２次パターニングにより、図１４のように発生した針状構造物を除去して高エッチング領域での針状構造物を抑制することができる。
［実施例２］
傾斜面を有する支持台を用いず、ファラデーケージの底面にＡｌ金属マスクが備えられたガラス基材を備え、ガラス基材とメッシュ部との離隔距離が４０ｍｍとなるように調節したことを除き、参考例１と同様の方法でガラス基材に対してプラズマエッチングをして１次パターニングを実施した。
さらに、１次パターニングされたガラス基材を、参考例２と同様に、平面のＡｌ材質の支持台上に備え、ガラス基材とメッシュ部との離隔距離を７ｍｍに調節し、ガラス基材の２０ｍｍ地点とシャッタ部の末端とが整列されるようにガラス基材を位置させた後、１次プラズマエッチングと同一の条件でプラズマエッチングをして２次パターニングを実施した。
図１５は、実施例２による垂直エッチング時の位置ごとのエッチング深さを示すものである。図１５によれば、実施例２の結果は、設計案と類似して緩やかな深さ勾配および急激な深さ勾配を同時に有し得ることを確認することができる。
上記の結果を検討した結果、本発明に係るプラズマエッチング方法を応用する場合、多様な深さ勾配を有するモールド基板を製作することができ、高エッチング領域での針状構造物の発生を抑制して、高い品質のエッチング基材、具体的には、回折格子導光板用モールド基材を製造できることが分かる。

Claims (16)

  1. メッシュ部が上面に備えられたファラデーケージ内に、開口パターン部を有する金属マスクが一面上に備えられたエッチング用基材を備えるステップと、
    プラズマエッチングを用いて、前記エッチング用基材に第１パターン領域を形成する第１パターニングステップと、
    前記メッシュ部の少なくとも一部をシャッタを用いて遮蔽した後、プラズマエッチングを用いて、前記エッチング用基材に第２パターン領域を形成する第２パターニングステップと、を含み、
    前記第１パターン領域は、５ｍｍあたり０ｎｍ〜４０ｎｍの深さ勾配を有する第１溝パターンを含み、
    前記第２パターン領域は、５ｍｍあたり５０ｎｍ〜３００ｎｍの深さ勾配を有する第２溝パターンを含むものである、ファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  2. 前記シャッタは、前記メッシュ部の２０％〜８０％領域を遮蔽するものである、請求項１に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  3. 前記第２パターニングステップは、前記第２パターン領域の深さ勾配が始まる領域と前記シャッタの末端部とが同一線上に位置するように、前記エッチング用基材を整列させることを含むものである、請求項１または２に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  4. 前記第２パターニングステップは、前記第１パターニングステップにより形成された第１パターン領域の少なくとも一部を含む前記エッチング用基材の一領域をエッチングして前記第２パターン領域を形成するものである、請求項１から３のいずれか一項に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  5. 前記エッチング用基材は、傾斜面を有する支持台上に備えられ、
    前記第１溝パターンおよび前記第２溝パターンは、傾斜溝パターンである、請求項１から４のいずれか一項に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  6. 前記エッチング用基材は、前記メッシュ部と少なくとも７ｍｍの隔離距離を維持するものである、請求項１から５のいずれか一項に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  7. 前記エッチング用基材は、石英基板またはシリコンウエハである、請求項１から６のいずれか一項に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  8. 前記メッシュ部は、０．５Ω／□以上の面抵抗を有するものである、請求項１かｒくぁ７のいずれか一項に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  9. 前記メッシュ部は、金属メッシュ上にフッ化炭素ラジカルが吸着されたものである、請求項８に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  10. 前記プラズマエッチングは、プラズマエッチング装置の出力を０．７５ｋＷ以上４ｋＷ以下に調節することを含むものである、請求項１から９のいずれか一項に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  11. 前記プラズマエッチングは、プラズマエッチング装置に反応性ガスおよび酸素ガスを含む混合ガスを１０ｓｃｃｍ以上７５ｓｃｃｍ以下で供給することを含むものである、請求項１から１０のいずれか一項に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  12. 前記混合ガスの総流量中の酸素ガス流量の含有量は、１％以上２０％以下である、請求項１１に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  13. 前記ファラデーケージの底面は、前記金属マスクより低いイオン化傾向を有する金属を含むものである、請求項１から１２のいずれか一項に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  14. 前記ファラデーケージの底面は、前記金属マスクの標準還元電位より１Ｖ以上高い金属を含むものである、請求項１から１３のいずれか一項に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  15. 前記金属マスクは、アルミニウムおよびクロムのうちの少なくとも１種を含み、前記ファラデーケージの底面は、銅を含むものである、請求項１から１４のいずれか一項に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
  16. パターニングされた前記エッチング用基材は、回折格子導光板用モールド基材である、請求項１から１５のいずれか一項に記載のファラデーケージを用いたプラズマエッチング方法。
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