JP4377724B2 - 珪酸ガラスのエッチング方法及びマイクロレンズアレイ - Google Patents

Description

本発明は、珪酸ガラスのエッチング方法及びマイクロレンズアレイに関し、特にＡｌ_２Ｏ_３を含む珪酸ガラスからなる基板のプラズマエッチング方法及びこのエッチングに従って作製されるマイクロレンズアレイに関する。

一般に、ＳｉＯ_２の屈折率が１．４５前後であるのに対し、低膨張結晶化ガラス又は超耐熱結晶化ガラスとして通常用いられるＬｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２（例えば、ネオセラム(登録商標、日本電気硝子株式会社製)）からなる珪酸ガラスは１．５４前後と高い。この低膨張結晶化ガラスはまた、透明であり、耐熱衝撃性や熱線透過性、寸法安定性に優れていることから、石英よりも有利な点が多く、エレクトロニクス等の分野でもその特性が評価されており、今後、新たな用途の開発が行われる可能性が高いと予測される。しかしながら、ＬｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３を含有するために、従来のＳｉＯ_２(石英)加工で通常用いているフロロカーボンガスでエッチングした場合、その表面にエッチング残渣が発生するという新たな問題が生じている。これは、低膨張結晶化ガラス中に含有されているＡｌやＬｉがエッチングで除去されにくいために生じるものと考えられる。特に、このガラスを用いてマイクロレンズを作製する場合には、このようなエッチング残渣が表面平滑性に直接影響を及ぼすことから、致命的な問題となる。

また、特定の濃度分布マスクを用いて、液晶プロジェクタ用マイクロレンズアレイを製作するためにネオセラム基板をフロロカーボンガス（ＣＨＦ_３＋ＣＦ_４）を用いてプラズマエッチングすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３５６４７１号公報（例えば、第８頁左欄）

本発明の課題は、上述の従来技術の問題点を解決することにあり、エッチング残渣を生じることなく、低膨張結晶化ガラスである珪酸ガラスからなる基板をプラズマエッチングする方法及びこのエッチング方法に従って作製されるマイクロレンズアレイを提供することにある。

本発明は、プラズマ発生手段及び基板バイアス手段を有するエッチング装置にてＡｌ_２Ｏ_３ を２０〜３０重量％の範囲で含む含む珪酸ガラスからなる基板の表面をエッチングし、その形状がほぼ球面の一部をなす複数の凸部を配列してなるマイクロレンズアレイを形成するエッチング方法であって、エッチングガスとして、フロロカーボンガスにホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含むガスを添加してなる混合ガスを導入し、プロセス圧力を２Ｐａ以下にしてプラズマエッチングすることを特徴とする。なお、Ａｌ _２ Ｏ _３ を２０〜３０重量％の範囲で含むものであればよい。Ａｌ _２ Ｏ _３ 含量が２０重量％未満であると、例えば、ホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含むガスがＢＣｌ _３ であるときにその添加率を低くしなければ好都合のエッチングが行われないが、この場合、エッチ表面にあれが残る。また、この含量が３０重量％を超えると、ＢＣｌ _３ 添加率を高くしなければ好都合のエッチングが行われないが、この場合、エッチング速度は低くなる。

上記のようなエッチング方法を実施することにより、基板表面にエッチング残渣を生じることなく、平滑表面を得ることができる。

前記エッチングガス中のホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含むガス（例えば、ＢＣｌ_３ガス等）の添加率がエッチングガス総流量基準で２０〜８０％であることを特徴とする。２０％未満であるとエッチ表面にあれが残り、８０％を超えるとエッチング速度が低くなりすぎる。

本発明によれば、フロロカーボンガスにホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含むガス（例えば、ＢＣｌ_３ガス）を添加してなる混合ガスを用いてプラズマエッチングするので、低膨張結晶化ガラスである珪酸ガラスからなる基板を、その表面にエッチング残渣を生じせしめることなくエッチングすることができると共に、このエッチング方法に従って作製される、表面にエッチング残渣のないマイクロレンズアレイを提供できるという効果を奏する。

図１に、本発明に従って、低膨張結晶化ガラスである珪酸ガラスからなる基板をエッチングするためのプラズマエッチング（ドライエッチング）装置を示す。このエッチング装置１は、低温、高密度プラズマによるエッチングが可能なものであり、ターボ分子ポンプ等の真空排気手段２ａを備えた真空チャンバー２を有する。この真空チャンバー２の上部には、誘電体円筒状壁により形成されたプラズマ発生部３が設けられ、その下部には、基板電極部４が設けられている。プラズマ発生部３の側壁（誘電体側壁）５の外側には、三つの磁場コイル６、７、８が設けられ、この磁場コイル６、７、８によって、プラズマ発生部３内に環状磁気中性線（図示せず）が形成される。誘電体側壁５の外壁にはプラズマ発生用高周波アンテナコイル９が配置され、この高周波アンテナコイル９は、高周波電源１０に接続され、三つの磁場コイル６、７、８によって形成された磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するように構成されている。

磁気中性線の作る面と対向させて基板電極部４内には、被処理基板Ｓを載置する基板電極１１が設けられている。この基板電極は、絶縁体１１ａを介して真空チャンバー２内に設置されている。この基板電極１１は、コンデンサー１２を介して高周波電源１３に接続され、電位的に浮遊電極となって負のバイアス電位となるように構成されている。また、プラズマ発生部３の天板１４は、誘電体側壁５の上部フランジに密封固定され、電位的に浮遊状態として対向電極を形成する。この天板１４の内面には、真空チャンバ２内にエッチングガスを導入するガス導入ノズル１５が設けられ、このガス導入ノズル１５が、ガス流量制御手段（図示せず）を介してガス源に接続されている。

本発明によれば、エッチング加工する低膨張結晶化ガラスからなる基板は、Ａｌ_２Ｏ_３を含む珪酸ガラス、例えば、ＬｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２をベース組成とする低膨張結晶化ガラスからなる基板であり、好ましくはＡｌ_２Ｏ_３がベース中に２０〜３０重量％含まれている基板である。この珪酸ガラス中のＳｉＯ_２（石英）含量が７０〜８０重量％である基板を用いることもできる。市販されている低膨張結晶化ガラス基板としては、例えば前記ネオセラム基板を本発明における被処理基板として用いることができる。

本発明によれば、前記基板をプラズマエッチングするためのエッチングガスとしては、フロロカーボンガスにホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含むガスを添加してなる混合ガスを用いることができる。このホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含むガスには、ホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含む化合物ガスや、これら化合物ガスの混合ガスが含まれる。これらの添加ガスとしては、例えばＢＣｌ_３ガスが好ましい。

なお、ＳｉＯ_２含量が７０〜８０重量％である基板の場合には、エッチングガスとして、フロロカーボンガスにＢＣｌ_３ガス等のホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含むガスを添加してなる混合ガスの代わりに又はこの混合ガスと併用して、水素原子を含んでいてもよいフロロカーボンガスに水素ガスを添加した混合ガス又は水素原子を含むフロロカーボンガス(ヒドロフロロカーボンガス)を用いることが好ましい。

本発明で用いる上記フロロカーボンガスには、特にことわらない限り、例えば炭素原子の数が１〜２である炭化水素(Ｃ_ｘＨ_ｙ)の水素原子の一部又は全部をフッ素原子で置換したフロロカーボンが含まれる。例えば、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、ＣＨ_２Ｆ_２、ＣＨ_３Ｆ、ＣＦ_２ＣＨ_２Ｆ、ＣＦ_３ＣＨＦ_２等が含まれる。

本発明によれば、エッチングは、例えば、プロセス圧力：０．１〜２Ｐａ、好ましくは０．１〜１Ｐａ、アンテナパワー：１０００〜２０００Ｗ、バイアスパワー：３００〜８００Ｗ、基板温度：０〜１０℃にプロセス条件を設定し、所定のエッチングガス流量を用いて実施することができる。また、キャリアーガスとしては、ヘリウム等の通常用いるガスを用いることができる。

本実施例では、フロロカーボンガスにＢＣｌ_３ガスを添加した場合のエッチング効果を検討した。

この場合のエッチング加工は、図１に示すエッチング装置を用いて行った。すなわち、プラズマ発生用高周波アンテナコイル９に接続した高周波電源１０の出力（アンテナパワー）を５００Ｗ、基板電極１１に接続した高周波電源１３の出力（バイアスパワー）を５０Ｗ、基板温度を０℃、真空チャンバ２の圧力を０．６７Ｐａに設定してエッチング加工を行った。被処理基板として、低膨張結晶化ガラス基板（ネオセラム基板）を用い、また、エッチングガス種として、フロロカーボンガス（ＣＨＦ_３ガス）にＢＣｌ_３ガスを添加してなるガス（流量比：ＣＨＦ_３／ＢＣｌ_３＝６０ｓｃｃｍ／４０ｓｃｃｍ）を用いた場合と、ＣＨＦ_３単独のガスを使用した場合とについてエッチングを実施した。キャリアーガスとしてヘリウムを用いた。

得られたエッチング結果について、基板表面のＳＥＭ写真を図２(ａ)及び(ｂ)に示す。フロロカーボンガス単独でエッチングした場合、図２(ａ)に示すＳＥＭ写真から明らかなように、基板表面にエッチング残渣が生じていることが分かる。これに対して、本発明のようにフロロカーボンガスにＢＣｌ_３ガスを添加してなる混合ガスを用いてエッチングした場合には、図２(ｂ)に示すＳＥＭ写真から明らかなように 基板表面にエッチング残渣が生じておらず、平滑な表面が得られていることが分かる。

本実施例では、エッチングガス中のＢＣｌ_３添加率依存性を検討した。この場合のエッチング加工は、プラズマ発生用高周波アンテナコイル９に接続した高周波電源１０の出力（アンテナパワー）を５００Ｗ、基板電極１１に接続した高周波電源１３の出力（バイアスパワー）を５０Ｗ、基板温度を０℃、真空チャンバ２の圧力を０．６７Ｐａ、エッチング時間を１４１０ｓｅｃに設定し、エッチングガス種として、ＣＨＦ_３／ＢＣｌ_３（６０ｓｃｃｍ／４０ｓｃｃｍ）、ＣＨＦ_３／ＢＣｌ_３（４０ｓｃｃｍ／６０ｓｃｃｍ）、ＣＨＦ_３／ＢＣｌ_３（２０ｓｃｃｍ／８０ｓｃｃｍ）を用いて行った。被処理基板は実施例１のものと同じものを用いた。キャリアーガスとしてヘリウムを用いた。

得られたエッチング結果について、基板表面のＳＥＭ写真を図３(ａ)〜(ｃ)に示す。ＢＣｌ_３の添加率を増すに従い、エッチング表面の残渣が除去されていくことが分かる。この場合、低膨張結晶化ガラス（ＬｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２）中のＡｌがＢで置換されて、ＡｌはＡｌ_ｘＣｌ_ｙを形成し、ＢはＢ_ｘＦ_ｙを形成する。そして、Ａｌはイオンエネルギーによって脱離除去され、また、Ｌｉは物理的にスパッタ除去される結果、残渣のないエッチング表面が得られるものと考えられる。ただし、ＢＣｌ_３添加量を増加するに従って、得られたマイクロレンズアレイ表面には残渣がないのできれいになり、得られた凸部（レンズ部）の間隔は広くなる。

なお、高圧プロセス（例えば、１０Ｐａ）を用いた場合には、弾性衝突によりイオンのエネルギーが低下し、ラジカル反応が大きくなることから、例えばマスクのレジストのエッチング速度が上昇し、選択比が低下するという問題が生じるため不具合である。しかし、本発明によるエッチング方法は、２Ｐａ以下の低圧プロセスで行われることから、いわゆるイオン支援エッチングプロセスであり、高圧の場合のような上記問題は生じない。

以上のことから、弾性衝突を低減し、ラジカル反応を抑制するためには、プロセス圧力を２Ｐａ以下にして、エッチング表面（底面）の残渣を抑制又は除去するために、適量の塩素原子とホウ素原子とを含む添加ガスを用いてエッチングすることは、平滑エッチング加工の重要な鍵となることが分かる。

本実施例では、エッチング加工中のプロセス圧力の影響を検討した。この場合のエッチング条件として、アンテナパワー、バイアスパワー、基板温度、エッチング時間は実施例２の場合と同様にし、真空チャンバ２の圧力を０．６７Ｐａ及び０．４０Ｐａに設定し、エッチングガス種として、ＣＨＦ_３／ＢＣｌ_３（６０ｓｃｃｍ／４０ｓｃｃｍ）を用いた。

得られたエッチング結果について、基板表面のＳＥＭ写真を図４(ａ)及び(ｂ)に示す。図４(ａ)及び(ｂ)から明らかなように、エッチング表面残渣が除去されていると共に、プロセス圧力を低くする方がレンズ形状が立っており、レンズ高さが高くなることが分かる。なお、このようにプロセス圧力を制御することにより、所望のレンズ高さのものを得ることができる。かくして、焦点距離が調節可能のレンズを提供できる。

上記実施例２及び３から、得られるエッチング表面のレンズ形状及びレンズ高さは、それぞれ、エッチングガス中のホウ素原子及び塩素原子を含むガス（ＢＣｌ_３）の添加率、プロセス圧力を調整することにより制御可能であることが分かる。

本実施例では、実施例１におけるＣＨＦ_３ガスへのＢＣｌ_３ガスの添加量、アンテナパワー、バイアスパワー等の条件を代えてエッチング加工を行った。

すなわち、アンテナパワーを１５００Ｗ、バイアスパワーを５００Ｗ、基板バイアス周波数を１３．５６ＭＨｚ、基板温度を０℃、真空チャンバの圧力を０．４０Ｐａに設定し、エッチングガス種として、ＣＨＦ_３／ＢＣｌ_３（８０ｓｃｃｍ／２０ｓｃｃｍ）を用いてエッチング加工した。被処理基板は実施例１のものと同じものを用い、キャリアーガスとしてヘリウムを用いた。

その結果、実施例１の場合と同様に、残渣のない平滑なエッチング表面が得られた。

本発明のエッチング方法によれば、エッチングガスとしてフロロカーボンガスにホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含むガスを添加してなる混合ガスを用いて珪酸ガラス基板をプラズマエッチングすることにより、表面にエッチング残渣を生じることなく、平滑な表面を有する基板を得ることができる。そのため、例えば液晶表示素子用マイクロレンズアレイ等を作製する分野で適用可能である。

本発明に従って被処理基板をエッチングするためのプラズマエッチング装置の概略を示す構成図。 低膨張結晶化ガラス基板をプラズマエッチングする際に、(ａ)はフロロカーボンガス単独を用いた場合、(ｂ)はフロロカーボンガスにＢＣｌ_３ガスを添加した混合ガスを用いた場合の、それぞれのエッチング加工された基板表面のＳＥＭ写真。 低膨張結晶化ガラス基板をプラズマエッチングする際に、(ａ)はＣＨＦ_３／ＢＣｌ_３（６０ｓｃｃｍ／４０ｓｃｃｍ）ガスを用いた場合、(ｂ)はＣＨＦ_３／ＢＣｌ_３（４０ｓｃｃｍ／６０ｓｃｃｍ）ガスを用いた場合、(ｃ)はＣＨＦ_３／ＢＣｌ_３（２０ｓｃｃｍ／８０ｓｃｃｍ）ガスを用いた場合の、それぞれのエッチング加工された基板表面のＳＥＭ写真。 低膨張結晶化ガラス基板をプラズマエッチングする際のプロセス圧力依存性を示すものであり、(ａ)は０．６７Ｐａの場合、(ｂ)は０．４０Ｐａの場合の、それぞれのエッチング加工された基板表面のＳＥＭ写真。

符号の説明

１ エッチング装置 ２ 真空チャンバー
３ プラズマ発生部 ４ 基板電極部

Claims (4)

1. プラズマ発生手段及び基板バイアス手段を有するエッチング装置にて、Ａｌ_２Ｏ_３を２０〜３０重量％の範囲で含む珪酸ガラスからなる基板の表面をプラズマエッチングし、その形状がほぼ球面の一部をなす複数の凸部を配列してなるマイクロレンズアレイを形成するエッチング方法であって、
   エッチングガスとして、フロロカーボンガスにホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含むガスを添加してなる混合ガスを導入し、プロセス圧力を２Ｐａ以下にすることを特徴とするエッチング方法。
2. 前記基板が、ＬｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系組成をベースとして有する低膨張結晶化ガラス基板であることを特徴とする請求項１記載のエッチング方法。
3. 前記ホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含むガスの添加率がエッチングガス総流量基準で２０〜８０％であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のエッチング方法。
4. 前記ホウ素原子及び塩素原子から選ばれた少なくとも一種を含むガスが、ＢＣｌ_３ガスであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のエッチング方法。

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