JP2876976B2

JP2876976B2 - 低温ドライエッチング方法およびその装置

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Publication number: JP2876976B2
Application number: JP6020769A
Authority: JP
Inventors: 克之井本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1994-02-18
Filing date: 1994-02-18
Publication date: 1999-03-31
Anticipated expiration: 2014-03-31
Also published as: JPH07228985A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は被エッチング材を低温度
に保ち、その被エッチング材表面をドライエッチングす
る低温ドライエッチング方法およびその装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】最近、酸化膜や金属膜を垂直性良くドラ
イエッチングする方法として、被エッチング用基板温度
を０℃以下の低温度に保持・制御し、深さ方向のエッチ
ング速度をイオンアシスト効果により維持したまま、側
面でのラジカル反応を抑圧する、いわゆる低温ドライエ
ッチング技術が注目されるようになってきた。

【０００３】図９は本発明者が検討用に用いた反応性イ
オンエッチングによる低温ドライエッチング装置の概略
構成図を示したものである。これはエッチングを行う反
応室１と、被エッチング用基板としての試料１０の挿入
／取出しを行う予備室２とからなる。

【０００４】まず、石英系ガラス基板で構成した試料１
０は試料挿入／試料取出し系１２を介して予備室２に搬
送される。その後、予備室２は排気系４により真空排気
される。一方、反応室１内は予備室２からの試料１０を
受け入れるよう、排気系３にて高真空（１．３３×１０
^-1〜１．３３×１０^-2Pa）に保たれている。また、試料
１０を載置するための下部電極５−２は、電極内に冷媒
を矢印９−１から矢印９−２のように流すことによっ
て、試料１０を０℃以下の低温に保つようにしてある。

【０００５】次に、予備室２が所望の真空度（１．３３
Pa以下）に達したら、気密バルブとしてのゲートバルブ
１１を開いて試料１０を予備室２から反応室１の下部電
極５−２上に移送し、その下部電極５−２上に載置す
る。次いで試料１０の裏面にＨｅガス供給系８の矢印方
向にＨｅを吹き付けて試料１０の低温化を促進させてお
く。

【０００６】その後、上部電極５−１と下部電極５−２
との間に高周波電源６を印加してプラズマを発生させ、
そのプラズマ雰囲気中にエッチングガス（この場合、石
英系ガラス膜をエッチングするためにＣＨＦ₃ガスを用
いる。）を流しながらエッチングを行う方法である。こ
の方法において、石英系ガラス膜のエッチングは、その
膜上にパターニングされたＷＳｉ膜をマスクに用いて行
う。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法にお
いて、試料１０の温度（０℃〜−４０℃）、反応室内の
真空度（１３．３〜１．３３Pa）、ＣＨＦ₃のエッチン
グガス流量（１０〜５０cc/min）、高周波電源６のパワ
（３００〜５００Ｗ）を種々変えてエッチングした膜側
面の垂直性、膜側面の荒れ、サブトレンチ、エッチング
レート及びエッチング選択比（＝（酸化膜のエッチング
レート）／（ＷＳｉ膜のエッチングレート））を評価し
た結果、上記評価項目をすべて満足する条件を見い出す
ことができなかった。すなわち、 (1) 膜側面の垂直性を良くし、側面の荒れを小さくす
るには、ＣＨＦ₃のガス流量を少なくし、高真空に保た
なければならないが、反面、エッチングレートは低下
し、サブトレンチが大きく発生することがわかった。逆
にエッチングレートを大きくし、サブトレンチを小さく
するために、ＣＨＦ₃の流量を多くすると、垂直性が劣
化し、また側面の荒れも大きくなることがわかった。

【０００８】(2) またＣＨＦ₃ガスによりＷＳｉ膜も
エッチングされて、そのパターン幅が次第に狭くなって
いくことは避けられないが、ＷＳｉ膜と石英系ガラス酸
化膜とのエッチング選択比を大きくしないと、ＷＳｉ膜
のエッチングが早く進んでその幅が小さくなり、それに
伴い石英系ガラス酸化膜のパターン幅が所望の値よりも
著しく小さくなってしまうことがわかった。

【０００９】(3) また真空度を悪くすると、エッチン
グレートは大きくなるが、垂直性が劣化し、かつ側面の
荒れも大きくなることがわかった。

【００１０】(4) またＣＨＦ₃ガスは有害であり、量
が多くなると人体へ危害を加えるばかりか、反応室内や
排気系への反応生成物の付着を促進し、低温ドライエッ
チングの再現性を低下させ、しかも装置寿命の劣化を促
進することもわかった。

【００１１】そこで本発明の目的は、前記した従来技術
の欠点を解消し、被エッチング材表面ないし基板上の酸
化膜側面の垂直性、膜側面の荒れ、サブトレンチ、およ
びエッチングレート更には選択比のいずれについても全
て満足する特性を実現することが可能な低温ドライエッ
チング方法およびその装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】まず、第１の発明は、予
備室に挿入した被エッチング材を気密バルブを介して反
応室に搬送し、反応室内で基板を０℃以下の低温に保っ
て被エッチング材表面をフッ素系ガスを用いて低温ドラ
イエッチングする際に、フッ素系ガス流量に不活性ガス
流量を２倍以上重畳させて反応室内に流し、かつ反応室
内の真空度を２．６６Pa以下に保ってエッチングするよ
うにしたことを特徴とする低温ドライエッチング方法で
ある。

【００１３】第２の発明は、第１の発明において、被エ
ッチング材が酸化膜付き基板であり、低温ドライエッチ
ングされる被エッチング材表面が酸化膜付き基板の酸化
膜であることを特徴とする低温ドライエッチング方法で
ある。

【００１４】第３の発明は、第２の発明において、基板
の温度を−２０℃以下に保ち、フッ素系ガス流量と不活
性ガス流量との総流量を６０cc/min以上流すようにした
ことを特徴とする低温ドライエッチング方法である。

【００１５】第４の発明は、第２及び第３の発明におい
て、酸化膜として、ＳｉＯ₂、あるいはＳｉＯ₂にＰ，
Ｔｉ，Ｇｅ，Ｂ，Ｔａ，Ｅｒ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｚｎ，Ｓ
ｎ，Ｎなどのドーパンドが少なくとも１種添加されたも
のを用いたことを特徴とする低温ドライエッチング方法
である。なお、酸化膜としては上記のものが好ましい
が、これ以外にＳｉＯＮ、ＳｉＯ_xＮ_yＨ_zでもよい。

【００１６】第５の発明は、第４の発明において、フッ
素系ガスとしてＣＨＦ₃を用いたことを特徴とする低温
ドライエッチング方法である。

【００１７】第６の発明は、第５の発明において、ＣＨ
Ｆ₃ガス流量を３０cc/min以上とし、不活性ガス流量と
ＣＨＦ₃ガス流量の総量を６０cc/min以上流し、かつ真
空度を２．６６Pa以下、プラズマを発生させる高周波パ
ワを４５０Ｗ以上、基板の温度を−２０℃以下にしたこ
とを特徴とする低温ドライエッチング方法である。

【００１８】第７の発明は、第１から第６の発明におい
て、不活性ガスがＡｒガスであることを特徴とする低温
ドライエッチング方法である。

【００１９】第８の発明は、酸化膜付き基板の挿入／取
出しを行う予備室と、フッ素系のガスと不活性ガスとを
供給でき、少なくともフッ素系ガス流量に不活性ガス流
量を２倍以上重畳させて供給することが可能なエッチン
グ用ガス供給系と、室内を２．６６Pa以下に真空排気す
ることが可能な排気系とを設けた少なくとも１つの反応
室と、予備室と反応室とを接続するゲートバルブと、反
応室内に設けられ一方の電極上に酸化膜付き基板が置か
る一対の電極と、この一対の電極間に３００Ｗ以上の高
周波パワを印加する手段と、少なくとも１つの反応室内
の基板を０℃以下に保持する手段と、予備室に対して上
記基板の挿入・取出し、及び予備室と少なくとも１つの
反応室間の基板の移送をゲートバルブを通して行う手段
とを備え、少なくとも基板の酸化膜をエッチングするこ
とのできる低温ドライエッチング装置である。

【００２０】第９の発明は、第８の発明において、反応
室の残りの少なくとも１つを、酸化膜をエッチングする
反応室以外として、酸化膜上面のメタル膜をフォトレジ
ストマスクを用いてエッチングする反応室としたことを
特徴とする低温ドライエッチング装置である。

【００２１】第１０の発明は、第８及び第９の発明にお
いて、酸化膜付き基板としてその裏面が平坦なものを用
い、一方の電極上に気密封止状態で置いた上記酸化膜付
き基板の裏面に、反応室外からＨｅガスを供給して基板
裏面をＨｅガス雰囲気に保持するようにしたことを特徴
とする低温ドライエッチング装置である。

【００２２】第１１の発明は、第８ないし第１０の発明
において、反応室に設けた排気系の口径面積を酸化膜付
き基板の面積よりも大きくして上述した２．６６Pa以下
の真空度を実現できるようにしたことを特徴とする低温
ドライエッチング装置である。

【００２３】

【作用】第１の発明ないし第２の発明は、フッ素系ガス
流量に不活性ガス流量を２倍以上重畳させて流すことに
よって、フッ素系ガスは勿論のこと、エッチング用ガス
のトータル流量を増やす方法である。フッ素系ガス流量
は、エッチングの評価項目において、垂直性，側面の平
滑性と、サブトレンチ，エッチングレートとで相反する
結果が生じる。

【００２４】すなわち、フッ素系ガスの増大は、垂直性
および側面の平滑性を劣化させるが、サブトレンチ，エ
ッチングレートは改善される。そこで、このようにフッ
素系ガスおよびトータル流量を増やしてやることで、垂
直性，側面の平滑性と、サブトレンチ，エッチングレー
トとの両立を図っている。

【００２５】しかし、トータル流量を増やすと真空度が
低下する。そこで、本発明では高速・高真空排気の可能
なポンプを用いて真空度を２．６６Pa以下にする。その
結果、エッチングした基板表面ないし酸化膜側面の垂直
性および側面の荒れを良好に保つことができる。これ
は、特に基板上に形成した酸化膜からなる導波路のコア
パターンをドライエッチングにより断面略矩形状に加工
する上では極めて良好な結果をもたらす。

【００２６】たとえば、光分波器、光合波器、光フィル
タ、光方向性結合器などのような波長選択機能をもった
導波路型光デバイスを実現する場合、コア側面の垂直性
が乱れると、上記光デバイスの波長特性（たとえば、中
心波長とか、２つの波長間の分離度など）が変化してし
まう。またコア側面の荒れも上記波長特性の変化は勿論
のこと、光伝搬損失の増大も招く。従って、側面を９０
°に垂直性良く、かつ側面の荒れを少なくすることは極
めて重要となる。

【００２７】他方、本発明ではフッ素系ガスの流量を多
くしているので、サブトレンチがほとんど発生しなくな
ると共に、エッチングレートも向上する。このサブトレ
ンチの形状は後述するが、これの発生も光デバイスの波
長特性を劣化させ、また損失の増大も招く。さらに、導
波路のコア内への光の閉じ込めが不均一になり、偏光依
存性を生じさせるので、上記波長選択機能をもった光デ
バイスを実現する上で、従来大きな障害となっていた。
しかし、本発明によれば、これも改善できることから、
極めて大きな効果が得られる。

【００２８】なお、フッ素系ガスの増大は、前述したよ
うに、垂直性および側面の平滑性を劣化させるが、本発
明ではフッ素系ガスに不活性ガスを２倍以上に重畳して
流しているので、垂直性及び側面の平滑性の劣化を防ぐ
ことができる。

【００２９】また、フッ素系ガスの増大は、酸化膜に対
するエッチング選択比が小さくなり、コアパターン幅の
目減り量が大きくなるという問題があったが、フッ素系
ガスに不活性ガスを重畳させることで選択比を大幅に向
上させることができる。

【００３０】第３の発明によれば、基板温度が低くなれ
ばなる程、エッチングした表面への反応生成物がつき易
くなってサブトレンチが発生する。そこで、フッ素系ガ
ス流量と不活性ガス流量のトータル流量を６０cc/min以
上流してサブトレンチの発生を抑圧するようにしたもの
である。

【００３１】なお、本発明のように、エッチング中の基
板温度を−２０℃以下に保ってエッチングすることは、
例えば、導波路の中、あるいは上面に予め電子回路素子
あるいは、光回路素子を形成しておいた状態の基板をエ
ッチングする場合に、上記素子のダメージレスに極めて
有効である。なぜならば、導波路のコアの厚みは、通
常、３μm 以上、数１０μm と非常に厚いので、ドライ
エッチング時間も１時間以上の長時間にわたる。このよ
うな長時間、基板を高温状態（通常、冷却しない場合に
は数百℃の高温状態になる。）にさらしておくと、上記
素子にダメージを与えるばかりか、コア、あるいはバッ
ファ層内の屈折率制御用ドーパントの移動による屈折率
分布の変化やＯＨ^-の移動をもたらし、光学特性の劣化
を生じさせるからである。

【００３２】第４の発明のように、エッチングする酸化
膜として、ＳｉＯ₂は勿論のこと、ＳｉＯ₂にＰ，Ｔ
ｉ，Ｇｅ，Ｂ，Ｔａ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｚｒ，Ｅｒ，Ｐｒ，
Ｎｄ，Ｎなどの屈折率制御用、熱膨張係数制御用、機能
性付加用などのドーパントが少なくとも１種添加された
ものに適用すれば、これを容易にエッチングすることが
できる。しかも、前述したように、低温プロセスである
ので、ドーパントの拡散などが全く生ぜず、プロセスの
過程で所望の光学特性の劣化を未然に予防することがで
きる。これは高精度な導波路を実現する上で極めて有効
である。

【００３３】また、上記酸化膜をエッチングするマスク
材として、メタル膜（例えば、ＷＳｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｔ
ｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属膜）、レジスト膜など
を用いても、エッチング中に高温に曝されることがない
ので、上記メタル膜、あるいはレジスト膜が変質するこ
とがなく、安定にエッチングすることができる。その結
果、コアパターン幅の目減り量が極めて少ないものを実
現することができ、所望の光学特性をもった光デバイス
を設計通りに作成できる。

【００３４】第５の発明によれば、上記酸化膜をエッチ
ングするガスとして、ＣＨＦ₃ガスが好ましいが、それ
以外に、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₃Ｆ₈、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＦ₄などの
フッ素系ガス、あるいは上記ガスを少なくとも１種混合
したガス、さらにはＣ₂Ｈ₄などを添加したものでもよ
い。

【００３５】第６の発明によれば、プロセスパラメータ
であるＣＨＦ₃ガス流量を３０cc/min以上とし、不活性
ガス流量とＣＨＦ₃ガス流量の総量を６０cc/min以上流
し、かつ真空度を２．６６Pa以下、プラズマを発生させ
る高周波パワを４５０Ｗ以上、基板の温度を−２０℃以
下という最適な値に規定したので、エッチング評価項目
のすべてを一層良好に満足することができる。

【００３６】第７の発明によれば、不活性ガスをＡｒガ
スとしたので、エッチング評価項目のすべてを一層安定
に満足することができる。特に、コアパターンの目減り
量の点では、実施例で詳述するように、ＨｅやＮ₂等の
不活性ガスに比較して、Ａｒガスを用いる方がより選択
比を大きくできるため、目減り量が少ないという効果が
ある。

【００３７】第８の発明によれば、反応室に、フッ素系
のガス流量に不活性ガス流量を２倍以上重畳させて供給
することが可能なガス供給系と、室内を２．６６Pa以下
に真空排気することが可能な排気系とをもたせている。
またエッチングレートを高めるために反応室内の電極間
に３００Ｗ以上の高周波パワを印加させ、反応室内の基
板を０℃以下に保持させるようにしてある。しかも予備
室を介して挿入・取出しを行なう様にするとともに、予
備室と反応室とを気密性のゲートバルブで接続してこれ
らの室間を自動的に搬送するようにしてあるので、垂直
性、側面の平滑性、サブトレンチ、コア幅の目減り、エ
ッチングレートなどの諸特性をすべて満足したエッチン
グを行うことができる。

【００３８】第９の発明によれば、反応室の残りの少な
くとも１つを、酸化膜上面のメタル膜をエッチングする
反応室とすることによって、酸化膜上面のメタル膜をエ
ッチングした後、連続して酸化膜をエッチングすること
ができ、また両室はゲートバルブを介して接続されてい
るため基板を大気中に取り出さなくても良いので、ごみ
や不純物等の付着によるパターンの欠陥を防止すること
ができる。また、大気中に出ないので、大気中ＯＨ
^-（水酸基イオン）が酸化膜に付着したり、酸化膜中に
拡散することがなく、低損失な導波路を製造することが
できる。

【００３９】第１０の発明のように、酸化膜付き基板と
してその裏面が平坦なものを用いるとともに、酸化膜付
き基板の裏面と電極との間を気密封止して、基板の裏面
をＨｅガス雰囲気に保持するようにすると、Ｈｅガスは
反応室内にリークすることなく、基板裏面をＨｅ雰囲気
に保持することができ、効率的に基板を低温に保持させ
ることができる。

【００４０】第１１の発明のように、反応室の排気系の
口径面積を酸化膜付き基板の面積よりも大きくすると、
高速、かつ確実に２．６６Pa以下の真空度が得られる。

【００４１】

【実施例】図１に本発明の反応性イオンエッチングによ
る低温ドライエッチング装置の第１の実施例を示す。こ
こでは被エッチング材として後に詳述する導波路試料１
０（図２（ａ）参照）を用いた。

【００４２】この装置は、ドライエッチングを行う２つ
の反応室１−１、１−２と、各反応室内をそれぞれ真空
排気する排気系３−１、３−２、各反応室に搬送する前
に真空状態を作る予備室２が設けられている。さらに、
その予備室２内を真空排気する排気系４、一方の反応室
１−１と予備室２をつなぐケーブルバルブ１１−１、他
方の反応室１−２と予備室２をつなぐゲートバルブ１１
−２、一方の反応室１−１内へエッチングガス（Ｎ
Ｆ₃、ＣＦ₄など）を供給するガス供給系１４、他方の
反応室１−２内へエッチングガスＣＨＦ₃を供給するＣ
ＨＦ₃ガス供給系７が設けられている。

【００４３】また反応室１−２には、上記エッチングガ
スＣＨＦ₃流量に２倍以上のＡｒガス流量を重畳させて
反応室１−２内に導入するためのＡｒガス供給系２１が
設けられている。このＡｒガスの導入は酸化膜を垂直性
良く、かつ側面荒れが少なく、さらにサブトレンチの発
生を抑えると共に、エッチング後の酸化膜（コア）パタ
ーン幅の減少（目減り）を低減するのに極めて有効であ
る。なお、Ａｒガスの代りに、Ｈｅ、Ｎ₂などの不活性
ガスを用いても同様な効果を期待することができる。

【００４４】さらに、図１の装置には、一方の反応室１
−１内に設置した上部電極１３−１と試料１０を載せる
下部電極１３−２との間に印加する高周波電源６−１、
他方の反応室１−２内に設置した上部電極５−１と試料
１０を載せる下部電極５−２との間に印加する高周波電
源６−２、各反応室１−１および１−２内の下部電極１
３−２及び５−２上の試料１０を低温に冷却するために
矢印９−１から９−２で示した方向に冷媒を流す冷媒循
環系９を備える。図示例から分かるように、本実施例の
反応室はいずれも、平行平板反応性イオンエッチング装
置を構成している。このうち、冷媒循環系９を設けた反
応室１−１および１−２により低温ドライエッチングが
行なわれる。

【００４５】また各反応室１−１および１−２内の試料
１０を載せる下部電極１３−１および５−２の中央部に
試料１０を嵌め込む穴１３−２１および５−２１をそれ
ぞれ設け、試料１０の裏面と下部電極１３−１または５
−２との間をＯリングにより気密封止できるようにして
ある。下部電極１３−１および５−２には、この気密封
止部に通じるＨｅガス供給系８を設け、試料１０の裏面
へＨｅガスを吹き付けて試料１０の低温化を促進できる
ようになっている。

【００４６】さらに、予備室２内へ試料１０を挿入し、
予備室２から試料を取り出す試料挿入／試料取出し系１
２、そして結露を防ぐために予備室２内へガス（Ｎ₂、
Ａｒ、Ｏ₂、Ｏ、Ｈｅなど）を導入するためのガス供給
系１５、さらに図示しないが予備室２と２つの反応室１
−１、１−２間を試料１０を移送する移送系を備える。
この移送系と上記試料挿入／試料取出し系１２とから搬
送手段が構成される。次に、この低温ドライエッチング
装置を用いてドライエッチングする方法を図２と照らし
合わせて説明する。

【００４７】まず、予備室２の試料挿入／試料取出し系
１２から挿入される試料を図２（ａ）で説明する。試料
は厚み１mm、直径３インチのＳｉＯ₂基板を用いた。こ
の基板の裏面は平坦に加工されている。ＳｉＯ₂基板の
代わりにＳｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓなどの半導体、石英系
および多成分系のガラス、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃
などの誘電体、磁性体などを用いても良い。この試料は
基板１６上に順にバッファ層２０とコア層１９とＷＳｉ
膜１８が形成されており、ＷＳｉ膜１８の上にフォトレ
ジストパターン１７がパターニングされているものであ
る。

【００４８】バッファ層２０はＳｉＯ₂からなり、厚さ
約１０μm である。コア層１９には酸化膜が用いられ
る。例えば、ＳｉＯ₂にＴｉＯ₂、ＧｅＯ₂、Ｐ₂Ｏ₅
などの屈折率制御用添加物を０．数重量％から１０数重
量％添加した膜、あるいはＳｉＯＮ、ＳｉＯ_xＮ_yＨ_z
などである。この実施例ではＳｉＯ₂にＴｉＯ₂を１重
量％添加した膜（膜厚約８μm ）を用いた。ＷＳｉ膜１
８はコア層１９をエッチングするためのマスク材となる
ことから、厚さ約１μm に形成されている。フォトレジ
ストパターン１７はＷＳｉ膜１８をドライエッチングに
よりパターン化するためのマスク材であり、その膜厚は
選択比の関係から０．５〜１μm に選ばれている。

【００４９】さて、この図２（ａ）の試料１０を、図１
に示す予備室２内に挿入後、ガス供給系１５の矢印方向
から予備室２内に、露点が−６０℃以下のＮ₂ガス（あ
るいはＡｒ、Ｈｅ、Ｏ₂などのガスでもよい。）を流し
ながら（ガス流量１００cc/min）、予備室２内を排気系
４で真空排気して乾燥させる。これに併せて２つの反応
室１−１及び１−２も排気系３−１、３−２で真空排気
する。予備室２および反応室１−１、１−２内の真空度
を１．３３×１０^-1Pa以下に保った後、一方の反応室１
−１につながるゲートバルブ１１−１を開いて試料１０
を予備室２から反応室１−１へ搬送し、下部電極１３−
２上に載置する。そして、冷媒循環系９とＨｅガス供給
系８とにより、基板を−４０℃に冷却する。次にゲート
バルブ１１−１を閉じ、ガス供給系１４の矢印方向から
ＮＦ₃ガスを２０cc/min流し、上部電極１３−１と下部
電極１３−２との間に高周波電源６−１（高周波パワ２
０Ｗ）を印加し、両電極間１３−１と１３−２間にプラ
ズマを発生させた。この時の反応室１−１内の真空度は
１．３３Paになるように排気系３−１を設定した。その
結果、約６分でＷＳｉ膜１８のエッチングは終了した。
この状態の試料を図２（ｂ）に示す。エッチングされた
ＷＳｉパターンの幅はフォトレジストパターン幅に対し
てわずかに１％の幅減りしかなかった。これは低温エッ
チングのため、フォトレジストの損傷やエッチングがほ
とんどなかったためと考えられる。また、エッチングさ
れたＷＳｉ側面も極めて平滑であった。

【００５０】次に、ガス供給系１４から供給するエッチ
ングガスをＮＦ₃ガスからＣＦ₄ガスに切り換え、同様
にしてプラズマ雰囲気下でエッチングを行い、表面のフ
ォトレジストパターンの膜を取り除いた（図２
（ｃ））。

【００５１】その後、ガス供給系１４を閉じてＣＦ₄ガ
スの供給を止め、高周波電源６−１をオフ後、ゲートバ
ルブ１１−１を開いて、試料１０を予備室２内に移送系
により送り返した。そして再び予備室２内にＮ₂ガスを
１００cc/min流しつつ、高真空排気を行った。

【００５２】次に、他方の反応室１−２内の下部電極５
−２内に循環系９から冷媒を矢印９−１から９−２のよ
うに流し、下部電極５−２も低温（この実施例では−４
０℃）に制御した。そして高速のターボ分子ポンプを備
え、口径面積が基板の面積よりも大きい排気系３−２で
高真空排気（１．３３×１０^-2Pa以下）された反応室１
−２内に試料１０を搬送した。

【００５３】すなわち、他方の反応室１−２につながる
ゲートバルブ１１−２を開き、予備室２から反応室１−
２の下部電極５−２上に試料を搬送する。下部電極５−
２上に試料１０を載せた後、Ｈｅガスを試料１０の裏面
へ矢印方向から５cc/min吹きつけて、試料１０をＨｅガ
スによりＨｅ雰囲気にして、−４０℃の低温化を促進し
た。このＨｅガスは反応室１−２内には漏れ出ないよう
に、試料１０を下部電極５−２上にクランプしてある。
すなわち、試料１０の裏面へＨｅの一定ガス圧が加わる
ように構成されている。

【００５４】このようにして試料１０を所望の低温（−
４０℃）に保ち、真空排気しつつガス供給系７の矢印方
向からＣＨＦ₃ガスを流し、上部電極５−１と下部電極
５−２間に高周波電源６−２を印加し、プラズマを発生
させてコア層１９の低温ドライエッチングを行った。こ
の状態を図２（ｄ）に示す。

【００５５】反応室１−２でのエッチング終了後、ガス
供給系７、２１を閉じてＣＨＦ₃ガス及びＡｒガスを止
め、高周波電源６−２をオフとし、ゲートバルブ１１−
２を開いて、試料１０をＮ₂ガスが１００cc/min流され
つつ真空排気されている予備室２内へ移送した。移送
後、再度一方の反応室１−１につながるゲートバルブ１
１−１を開き、試料１０を予備室２から反応室１−１の
下部電極１３−２上に載置した。そしてガス供給系１４
の矢印方向からＮＦ₃ガスを流し、上部電極１３−１と
下部電極１３−２との間に高周波パワ（２０Ｗ）を印加
しつつ、１．３３Paの真空度に保ちながらコアパターン
１９上のＷＳｉ膜１８をドライエッチングにより取り除
き、図２（ｅ）の構造を得た。

【００５６】その後、ガス供給系１４を閉じてＮＦ₃ガ
スを止め、高周波電源６−１をオフし、ゲートバルブ１
１−１を開いて試料１０を予備室２内へ搬送した。次
に、しばらくＮ₂ガスを流しつつ真空排気をした後、予
備室２内の真空排気を止め、Ｎ₂ガスの導入を引続き行
って予備室２内をＮ₂ガスで充満させ、予備室２内の真
空を解除して試料１０を大気中へ取り出した。

【００５７】以下に、上述したプロセスにしたがった種
々の実験例を示す。この実験例には、本発明方法による
実施例の他に、従来の方法による比較例を含めた。

【００５８】（比較例１）真空度を１．３３Paに保ち、
高周波パワ（ＲＦパワ）を３００Ｗとして、ＣＨＦ₃ガ
スを１０cc/min流しながら９０分間エッチングを行っ
た。その結果、エッチングしたコア側面の垂直性は図３
（ａ）に示すごとく、良好であった。また側面荒れも図
４（ａ）のごとく良好であった。しかしエッチングレー
トは４００オングストローム/min（以下、Ａ/min）と低
く、また図５に示すごとく、コア側面２２に反応生成物
２４が付着し、これによりサブトレンチ２３が発生し
た。このサブトレンチ２３は、前述したように、導波路
の構造の不均一性による散乱損失を増大させると共に、
波長特性や偏光特性を劣化させる。さらにコア幅の目減
り量はＷＳｉ幅に比し、１０％近い値であり、これも問
題であった。

【００５９】なお、図３（ｂ）に示すコア側面は、ＣＨ
Ｆ₃ガスが１０cc/minよりも少ない場合を示している。

【００６０】（比較例２）真空度を１．３３Paに保ち、
高周波パワを３００Ｗとして、ＣＨＦ₃ガスを４０cc/m
in流しながら９０分間エッチングを行った。その結果、
エッチングしたコア側面の垂直性は図３（ｃ）のごとく
デーパ状になった。つまり、垂直性は劣化した。またそ
の側面も図４（ｂ）に示すごとく荒れを生じた。逆にエ
ッチングレートは５００Ａ/minと増大し、また図５のよ
うなサブトレンチ２３も殆ど無くなった。さらにコア幅
の目減り量は第１の実験よりも悪くなった。

【００６１】（比較例３）真空度を２．６６Paに保ち、
後は比較例１と同じ条件にしてエッチングを行った。そ
の結果、垂直性、側面の荒れはいずれも劣化し、またサ
ブトレンチも発生した。その代わりに、エッチングレー
トは約１．２倍に増大した。この場合も、コア幅の目減
り量は第１の実験よりも悪くなった。

【００６２】（比較例４）試料の温度を−４０℃から０
℃に変更し、残りの条件は比較例１の条件と同じでエッ
チングを行った。その結果、垂直性、側面の荒れはいず
れも劣化したが、サブトレンチは低減し、エッチングレ
ートも増大した。この場合もコア幅の目減り量は益々大
きくなった。

【００６３】以上のように、垂直性、側面の荒れ、サブ
トレンチ、エッチングレート、コア幅の精度のすべてを
満足する条件を得ることができなかった。そこで、本発
明のＡｒガスをＣＨＦ₃ガスに重畳させる方法を検討し
た。

【００６４】（比較例５）比較例１の条件に、Ａｒガス
流量を１０cc/min重畳して流し、コア膜のエッチングを
行った結果、コア側面はほぼ９０°にエッチングされ、
その側面の荒れは少なかった。しかし、サブトレンチは
相変らず発生している。更に、エッチングレートの向上
もなかった。次に、Ａｒガス流量を１５cc/minに増やし
て見たが、あまり変化は見られなかった。但し、コア幅
の目減り量はＷＳｉ幅に比し、３％以下であり、Ａｒガ
スを重畳させることにより、コア幅の目減り量が大幅に
低減することを確認した。

【００６５】（実施例１）比較例２の条件に、Ａｒガス
流量を１２５cc/min重畳して流し、コア膜のエッチング
を行った。その結果、垂直性、側面の平滑性は極めて良
好であり、またサブトレンチもほとんど発生しなかっ
た。さらにエッチングレートも比較例２とほぼ同等の大
きな値を得ることができ、コア幅の目減り量も比較例５
なみとなり、当初の目標をすべて満足する結果を得るこ
とができた。また、この条件からＡｒガス流量を少しず
つ減らして同様な実験を行なった結果、Ａｒガス流量が
８０cc/min以上から効果があることがわかった。

【００６６】（実施例２）実施例１の条件において、Ｃ
ＨＦ₃ガス流量を４０cc/minから３０cc/minに変更し、
また真空度も１．３３Paから１．９９５Paに変更して、
約９０分間のエッチングを行った。その結果、垂直性、
側面の平滑性は共に良好であり、またサブトレンチもほ
とんど発生しなかった。エッチングレート、コア幅の目
減り量もほとんど変わらなかった。また、この場合にも
Ａｒガス流量は６０cc/min以上から有効な効果がでるこ
とがわかった。

【００６７】（実施例３）実施例２の条件において、高
周波パワを３００Ｗから４５０Ｗに変更し、同様に９０
分間のエッチングを行った結果、エッチングレートは約
１０００Ａ/minに向上した。また垂直性、側面の平滑
性、サブトレンチ、コア幅の目減り量ともいずれも良好
であった。

【００６８】これらを表１に示した。表１の結果をまと
めて整理すると、プロセスパラメータと評価項目との関
係は表２のようになることがわかった。なお、ＷＳｉと
酸化膜との選択比（＝（酸化膜のエッチングレート）／
（ＷＳｉのエッチングレート））は１５以上の値であ
り、導波路用のコア膜をエッチングするのに十分な値で
あった。

【００６９】

【表１】

【００７０】

【表２】

【００７１】すなわち、ＣＨＦ₃ガス流量は垂直性，側
面の平滑性と、サブトレンチ，エッチングレートとの間
に相反する結果が生ずるため、その中間の値をとり、≧
３０cc/minとし、その分だけＡｒガス流量をＣＨＦ₃の
２倍以上で総量は６０cc/min以上流すことによって、垂
直性と側面の平滑性の劣化を抑える。

【００７２】真空度はできる限り高真空が望ましいこと
から、≦２．６６Paとした。高周波パワは垂直性、側面
の荒れ、サブトレンチには直接的に影響せず、エッチン
グレートに寄与するため、できる限り高い方が望ましい
ことから≧４５０Ｗとした。温度は導波路上あるいは中
に形成されている光素子や電子回路素子にダメージを与
えないためと、垂直性、側面の平滑性を良くし、エッチ
ングしたコアパターン幅の目減りを小さくするためにも
できる限り低温（≦−２０℃）が好ましい。なお、図２
において、ＳｉＨ₄とＮ₂ＯとＮ₂ガスを用い、コア層
１９としてプラズマＣＶＤ法で形成したＳｉＯ_xＮ_yＨ
_z膜を同様にエッチングしたが、前述の結果とほぼ同等
の特性を得ることができた。

【００７３】なお、本発明のように、フッ素系ガスにＡ
ｒガス流量を２倍以上重畳して流し、かつ反応室を２．
６６Pa以下に高速排気するため、排気系３−２には排気
速度が５００ｌ/sec以上のターボ分子ポンプまたはロー
タリーポンプを用いて排気を行った。また排気系３−２
の排気管には直径が６インチの大口径排気管を用いた。
すなわち、エッチングする基板の面積（直径２インチ〜
直径５インチ）よりも大面積の口径を有する排気管を用
いて排気することが必須条件となる。これも本実施例の
低温ドライエッチング装置の特徴の一つである。

【００７４】次に、上記低温ドライエッチング装置を用
いて試作した導波路構成の光合分波器の試作結果につい
て説明する。

【００７５】図６（ａ）および（ｂ）は導波路型光合分
波器の概略図を示したもので、（ａ）は全体平面図、
（ｂ）は（ａ）のａ−ａ’断面図をそれぞれ示したもの
である。まず（ａ）に示したように、矢印２６のごとく
光合分波器の入力端に入射した波長λ₁およびλ₂の光
信号はコア２５−１内を伝搬し、結合領域２９内に達
し、コア２５−１とコア２５−２間を干渉しながら伝搬
して光合分波器の出力端から矢印２７−１および２７−
２のごとく、波長λ₁およびλ₂の光信号がそれぞれ分
波されて出力される。

【００７６】この構成において、低損失で分波し、かつ
波長分離度を良くするためには、前述したように、それ
ぞれのコア２５−１および２５−２の側面の垂直性が良
く、側面の荒れが小さく、サブトレンチも小さく、かつ
それぞれのコア２５−１及び２５−２の幅減りを小さく
抑えなければならない。コア２５−１および２５−２の
幅及び厚さＷを８μm 、コア２５−１と２５−２との間
隔Ｓを５．５μm とし、コア２５−１（２５−２）とク
ラッド２８との比屈折率差を０．２５％として試作した
光合分波器の分波特性を評価した。その結果を図７の実
線（本実施例の方法により作成した光合分波器）および
点線（比較例の方法により作成した光合分波器）で示
す。ただし、設計値ではλ₁＝１．３μm 、λ₂＝１．
５５μm とした。

【００７７】本実施例の方法のものは、それぞれの分波
すべき中心波長のずれがほとんどないのに対して、比較
例の方法のものはかなりの中心波長のずれ（約０．１２
μm）が生じた。また伝搬損失も本実施例の方法のもの
が小さかった。これも側面の荒れ、サブトレンチの大幅
な低減に依存したものである。さらに、波長λ₁とλ₂
との間のアイソレーションも本実施例の方法のものは２
０数dB以上あるのに対し、比較例の方法のものは、ぎり
ぎり２０dB程度のアイソレーションしか得られないこと
がわかった。以上のように、本実施例の方法は導波路の
光学特性にも良好な結果が得られることがわかった。

【００７８】図８は本発明の低温ドライエッチング装置
を簡略化した第２の実施例を示したものである。これ
は、図１の装置において、反応室１−１を省略して、低
温ドライエッチングの可能な反応室を１個だけ予備室２
につないだ構成の低温ドライエッチング装置であり、図
２（ｄ）の低温ドライエッチングプロセスを行なう。

【００７９】なお、本発明は上記実施例に限定されな
い。まず、反応室は３室、さらには４室以上でもよい。
すなわち、反応室を１個または２個以上設けることによ
って、エッチングすべき膜を、１層膜、２層膜、３層
膜、さらには多層膜からなるメタル、あるいは酸化物、
あるいはメタルと酸化物の複合膜等とすることができ
る。これらの反応室はいずれも共通の予備室を介してつ
ながるように構成される。

【００８０】また、上記実施例１〜３においては、Ａｒ
ガスを重畳させる場合について述べたが、Ａｒガスに代
えてＨｅ或いはＮ₂ガスを用いた場合のコアの垂直性、
側面の平滑性、サブトレンチ、エッチングレートはＡｒ
ガスを用いた場合とほぼ同等であり、またＨｅ或いはＮ
₂ガスを用いた場合の選択比は１０以上、コア幅の目減
り量はＷＳｉ幅に比し５％以下であり、十分に本発明の
目的を達成することができることを確認している。

【００８１】さらに、ドライエッチング装置は平行平板
型反応性イオンエッチング装置に限定されるものではな
く、他のドライエッチング装置であってもよい。また、
上記実施例ではＷＳｉ膜等をエッチングする一方の反応
室１−１でも低温ドライエッチングを行うようにした
が、反応室１−１内の下部電極１３−２における冷媒循
環系９およびＨｅガス供給系８による冷却を省略して、
通常のドライエッチングを行うようにしても良い。また
試料も上記実施例に限定されず、半導体ＩＣ用などの被
エッチング材を用いることができる。

【００８２】

【発明の効果】

(1) 請求項１に記載の発明によれば、エッチングした
被エッチング材表面の側面の垂直性をほぼ９０°に保
ち、かつその側面の荒れおよびサブトレンチをほとんど
生じさせず、さらにエッチングレートも十分に大きい状
態でエッチングすることができる。また不活性ガスを重
畳して流すことはＣＨＦ₃ガスのような有害なガスを十
分に希釈する作用が働くため、人体への危害を低減でき
る。また、反応室内や排気系への反応生成物の付着を大
幅に低減する効果があり、低温ドライエッチングの再現
性を高め、かつ装置寿命の劣化を予防することもでき
る。さらに、不活性ガスを重畳させたことにより、エッ
チングした酸化膜の幅減り量を小さく抑えることができ
る。

【００８３】(2) 請求項２に記載の発明によれば、請
求項１の効果に加え、エッチングする基板上、あるいは
基板中に光素子や電子回路素子が形成されている場合に
は、これらにもダメージを与えることなくエッチングす
ることができる。これは、たとえば導波路のようなパタ
ーンをエッチングにより形成する場合に、所望の光学特
性（損失特性、波長特性、偏波特性等）を容易に実現す
ることが可能となる。

【００８４】(3) 請求項３に記載の発明によれば、表
面への反応生成物が付着しにくくなるため、サブトレン
チの発生を抑圧することができる。

【００８５】(4) 請求項４に記載の発明によれば、ド
ーパントの拡散などを生じずに、容易にエッチングする
ことができ、光学特性の劣化を未然に防止することがで
きる。 (5) 請求項５に記載の発明によれば、酸化膜に適した
エッチング用ガスを用いたので、エッチングを良好に行
なうことができる。

【００８６】(6) 請求項６に記載の発明によれば、エ
ッチングのための各プロセスパラメータを最適な値に規
定したので、エッチング諸特性のすべてを一層良好に満
足させることができる。

【００８７】(7) 請求項７に記載の発明によれば、不
活性ガスをＡｒガスとしたのでより安定にエッチングす
ることができる。加えて、エッチングした酸化膜の幅減
り量低減の点で、Ｈｅ、Ｎ₂等の不活性ガスを用いる場
合に比較して、優れた効果を奏する。

【００８８】(8) 請求項８に記載の発明によれば、装
置を良好な各プロセスパラメータが得られるように構成
したので、エッチング諸特性のすべて満足したエッチン
グを行うことができる。

【００８９】(9) 請求項９に記載の発明によれば、メ
タル膜のエッチング後、続けて酸化膜をエッチングでき
るため、作業効率が良く、しかもごみや不要な不純物等
の付着あるいは混入を有効に防止できる。

【００９０】(10) 請求項１０に記載の発明によれば、
反応室内にＨｅガスをリークすることなく、効率的に基
板を低温に保持することができる。

【００９１】(11) 請求項１１に記載の発明によれば、
高速、かつ確実に所望の高真空度が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の低温ドライエッチング装置の第１の実
施例を説明するための装置の概略構成図。

【図２】本発明の低温ドライエッチング方法の実施例を
説明するための導波路の製造工程図。

【図３】低温ドライエッチング条件の違いによるエッチ
ング酸化膜の垂直性を示す説明図。

【図４】低温ドライエッチング条件の違いによるエッチ
ング酸化膜の側面荒れを示す説明図。

【図５】低温ドライエッチングによるエッチング酸化膜
のサブトレンチの発生状況を示す説明図。

【図６】本実施例の低温ドライエッチング装置を用いて
試作した導波路構成の光合分波器の概略図。

【図７】図６に示す導波路型光合分波器の実施例と従来
例との比較特性図。

【図８】本発明の低温ドライエッチング装置の第２の実
施例を説明するための装置の概略構成図。

【図９】本発明の検討用に用いた低温ドライエッチング
装置の概略構成図。

【符号の説明】

１−１反応室１−２反応室２予備室３−１排気系３−２排気系４排気系５−２１穴７ＣＨＦ₃ガス供給系８Ｈｅガス供給系９冷媒循環系１０試料１１−１ゲートバルブ１１−２ゲートバルブ１２試料挿入／試料取出し系１３−２１穴１４ガス供給系１５ガス供給系２１Ａｒガス供給系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23F 4/00 H01L 21/3065 C30B 33/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】予備室に挿入した被エッチング材を気密バ
ルブを介して反応室に搬送し、該反応室内で上記基板を
０℃以下の低温に保って上記被エッチング材の表面をフ
ッ素系ガスを用いて低温ドライエッチングする際に、上
記フッ素系ガスの流量に不活性ガスの流量を２倍以上重
畳させて上記反応室内に流し、かつ上記反応室内の真空
度を２．６６Pa以下に保ってエッチングするようにした
ことを特徴とする低温ドライエッチング方法。
【請求項２】請求項１に記載の低温ドライエッチング方
法において、上記被エッチング材が酸化膜付き基板であ
り、低温ドライエッチングされる被エッチング材表面が
上記酸化膜付き基板の酸化膜であることを特徴とする低
温ドライエッチング方法。
【請求項３】請求項２に記載の低温ドライエッチング方
法において、上記基板の温度を−２０℃以下に保ち、フ
ッ素系ガス流量と不活性ガス流量との総流量を６０cc/m
in以上流すようにしたことを特徴とする低温ドライエッ
チング方法。
【請求項４】請求項２または３に記載の低温ドライエッ
チング方法において、上記酸化膜がＳｉＯ₂、あるいは
ＳｉＯ₂にＰ，Ｔｉ，Ｇｅ，Ｂ，Ｔａ，Ｅｒ，Ｐｒ，Ｎ
ｄ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｎなどのドーパンドが少なくとも１種
添加されたものであることを特徴とする低温ドライエッ
チング方法。
【請求項５】請求項４に記載の低温ドライエッチング方
法において、上記フッ素系ガスとしてＣＨＦ₃を用いた
ことを特徴とする低温ドライエッチング方法。
【請求項６】請求項５に記載の低温ドライエッチング方
法において、ＣＨＦ₃ガス流量を３０cc/min以上とし、
不活性ガス流量とＣＨＦ₃ガス流量の総量を６０cc/min
以上流し、かつ真空度を２．６６Pa以下、プラズマを発
生させる高周波パワを４５０Ｗ以上、基板の温度を−２
０℃以下にしたことを特徴とする低温ドライエッチング
方法。
【請求項７】請求項１ないし６に記載の低温ドライエッ
チング方法において、上記不活性ガスがＡｒガスである
ことを特徴とする低温ドライエッチング方法。
【請求項８】酸化膜付き基板の挿入／取出しを行う予備
室と、フッ素系のガスと不活性ガスとを供給でき、少な
くともフッ素系ガス流量に不活性ガス流量を２倍以上重
畳させて供給することが可能なエッチング用ガス供給系
と、室内を２．６６Pa以下に真空排気することが可能な
排気系とを設けた少なくとも１つの反応室と、上記予備
室と反応室とを接続するゲートバルブと、上記反応室内
に設けられ一方の電極上に酸化膜付き基板が置かれる一
対の電極と、該一対の電極間に３００Ｗ以上の高周波パ
ワを印加する手段と、上記少なくとも１つの反応室内の
基板を０℃以下に保持する手段と、上記予備室に対して
上記基板の挿入・取出し、及び予備室と少なくとも１つ
の反応室間の基板の移送をゲートバルブを通して行う搬
送手段とを備え、少なくとも上記基板の酸化膜をエッチ
ングすることのできる低温ドライエッチング装置。
【請求項９】請求項８に記載の低温ドライエッチング装
置において、上記反応室の残りの少なくとも１つを、酸
化膜上面のメタル膜をフォトレジストマスクを用いてエ
ッチングする反応室としたことを特徴とする低温ドライ
エッチング装置。
【請求項１０】請求項８または９に記載の低温ドライエ
ッチング装置において、上記酸化膜付き基板としてその
裏面が平坦なものを用い、上記一方の電極上に気密封止
状態で置いた上記酸化膜付き基板の裏面に、反応室外か
らＨｅガスを供給して基板裏面をＨｅガス雰囲気に保持
するようにしたことを特徴とする低温ドライエッチング
装置。
【請求項１１】請求項８ないし１０のいずれかに記載の
低温ドライエッチング装置において、上記反応室に設け
た排気系の口径面積を上記酸化膜付き基板の面積よりも
大きくして上記２．６６Pa以下の真空度を得るようにし
たことを特徴とする低温ドライエッチング装置。