JP4534010B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents

Description

本願発明は、MEMS等のマイクロ・マシーンにおいて必要となる、被加工プレートに対して斜めで平行な構造をドライエッチングプロセスにより作製する方法に関するものである。

マイクロ・マシーンに関する特許として、「静電アクチュエータの運動方向変換機構」（下記特許文献１参照）あるいは「3次元静電アクチュエータ」（下記特許文献２参照）等が出願されている。これらの発明においては、シリコン被加工プレート上に作製される静電アクチュエータのサスペンションは、被加工プレートに対して傾いた構造を形成することにより３次元の動作が実現されている。

傾いた構造をドライエッチングにより作製する先行特許のうち、本発明に近いものとしては、「ドライエッチング方法及びドライエッチング装置」（下記特許文献３参照）又は「半導体装置の製造方法、及び半導体装置」（下記特許文献４参照）等がある。
特開2002-119072号公報 特願2003-068738号 特開平5-121376号公報 特開2002-134470号公報

上記「静電アクチュエータの運動方向変換機構」（上記特許文献１）及び「3次元静電アクチュエータ」（上記特許文献２）に記載の発明において、製造上の鍵となるのが被加工プレートに対して斜めに傾いた構造を形成する技術である。最も確実な方法は、集束イオンビームによりエッチング加工を行うことであるが、この方法では時間とコストがかかりすぎるという欠点がある。他の一般的な方法としては、シリコンの結晶方位によるエッチング速度の違いを利用した異方性エッチング技術があるが、その場合は、工程数が多くなる点、作製できる角度が結晶方位によって固定されている点などの制約があった。

上記「半導体装置の製造方法、及び半導体装置」（上記特許文献４参照）に記載された発明においては、被加工プレート内の電場勾配を得るために厚い絶縁膜と薄い絶縁膜を同時に必要としており、多数の工程が必要となる。また、平行な傾いた構造体を得ようとしたとき、厚い絶縁膜と薄い絶縁膜の境界部分から離れるほど電場勾配が緩やかになるため、傾いた構造体がテーパ状になると予想される。

一方、プラズマ利用を前提としないドライエッチングとしては、上記「ドライエッチング方法及びドライエッチング装置」（上記特許文献３参照）に記載の発明があり、エッチングガスの入射角度に対して被加工プレートを傾け、斜めの構造を作製している。この場合は、マスクを組み合わせることで平行な傾いた構造体ができるものの、エッチング速度が低く（10nm/分）、数ミクロン以上の深さの構造を作製することが困難である。

したがって、被加工プレートの厚み方向に数ミクロン以上の長さを有する斜めの傾いた構造体を得るために、被加工プレートを傾けてプラズマエッチングを行う方法が有望に思えるが、上記特許文献４に述べられているように、プラズマシース電位は、被加工プレートの面に対して平行に形成されるため、エッチングは、必ず被加工プレートに対して垂直に行われる。このため、例えば適当なジグを設けて基板を傾斜させても、傾斜構造を得ることは出来なかった。

プラズマエッチング時においては、基板上の電位勾配は、基板に対して垂直になろうとする。そこで、図１に示すように、基板１上にテーパブロック２を用いて幅の小さな被加工プレート３を角度αを設けて置いた場合、ベースとなる基板と基板上に置いた被加工プレートの両方の影響を受けた電位勾配が生じる。イオンは、この電場勾配に沿って被加工プレートに入射されるため、被加工プレートに対して傾いた方向にエッチングが進む。被加工プレート上にレジスト膜や酸化膜によって、マスク６を設けておけば、傾いた構造体７を得ることができる。このとき、被加工プレート３の幅が短くなれば、形成された傾いた構造体７の傾斜角度は増加する。

上記刊行物４に記載の発明においては、電場勾配が大きくなるのは、絶縁膜の厚さの変化するポイントの近傍になると考えられる。このため、開口部の広いエッチングを平行に行うことや、複数の平行な傾いた構造体７を同時に形成することは困難である。これに対して、本願発明においては、図２に示すように、被加工プレートの中央付近に傾いた構造体７を形成すれば、同程度の傾斜角度を有する傾いた構造体７を、比較的広い範囲で得ることができる。

「半導体装置の製造方法、及び半導体装置」での傾いた構造体７の形成角度は、マスクの厚み、異なる厚みのマスクの間隔、およびそれによって引き起こされる帯電量の違いによって影響されるため、目的とする形成角度を得るためには、パターンごとに最適なプロセス条件を見出し、それを厳密に制御する必要がある。それに対して、本発明の場合は、被加工プレートの角度、被加工プレートの幅、被加工プレート上の位置の3つのパラメータを制御する必要があるものの、これらを一致させることは極めて容易である。したがって、これらさえ同一にすれば、どのようなマスクパターンを用いても、常に必要とする傾いた構造体７の形成角度を得ることができる。
また、本発明は、均一の厚みのマスクで良いので、工程数も少なくてすむと言う利点もある。

図１において、角度αを33度または45度にして、幅８mmの被加工プレート３に対して、プラズマエッチング（inductively coupled plasma）加工を行ったとき、形成された傾いた構造体７の角度と被加工プレート上の位置の関係が図２に示されている。
（１）所定角度αは、５度以上９０度以下で可能である。角度αを大きくすれば、傾いた構造体７の被加工プレートに対する傾き角度も大きくなる。傾いた構造体７の形成角度は、被加工プレート３のエッジと設置した基板１の両方の影響を受けており、中央部からやや基板よりの位置の角度が最も小さく、被加工プレート３上部（基板から遠い側）の角度は、被加工プレート３下部（基板側）の角度より大きい。

したがって、（２）傾いた構造体７を形成する被加工プレート３上の位置によって、角度をコントロールすることも可能である。
（３）傾いた構造体７の傾斜角度の不一致が問題となるときは、被加工プレート３の中央部付近に傾いた構造体７を作製すれば良い。

（４）被加工プレート３上の中央部付近で傾いた構造体７の傾斜角度を大きくしたいときは、図３に示すように、被加工プレート３に接するか極めて近くに、基板１と平行なプラズマ制御板８を設置すれば良い。

（５）被加工プレート上の端に近い部分で、傾いた構造体７の傾斜角度を一定にしたいときは、被加工プレートと平行にプラズマ制御板８を設置すれば良い（図４）。
（６）あるいは、被加工プレートに接するか極めて近くに、基板と平行なプラズマ制御板８を設置しても良い。
（７）またそれらを組み合わせても良い。

（８）被加工プレート下側にプラズマ制御板８を反対向きの傾き角を与えて設置すれば、被加工プレートの下側により急峻な傾斜角度を有する傾いた構造体７を形成することができる（図５）。
（９）このプラズマ制御板８を（４）あるいは（６）、（７）のプラズマ制御板８の代わりに用いて、それぞれの位置で、傾いた構造体７の傾斜角度を大きくすることも可能である。

（１０）被加工プレート上のほぼ全面に、傾斜角度のそろった傾いた構造体７を作製したいときは、プラズマ制御板８の位置を適宜ずらし、マスクも変えながら、プラズマエッチングを行えばよい。

（１１）ウェハを切断せずに傾斜構造を形成する場合は、水平に設置した被加工プレート3上にプラズマ制御板８を角度をつけて設置すると、被加工プレート3のエッチングが、プラズマ制御板８の影響を受けて進み、プラズマ制御板８が接触している付近に傾いた構造体７が形成される（図６）。

MEMSのアプリケーションにおいて、被加工プレートに対して垂直方向の運動成分を有する変位を得ることが必要な機構で利用可能である。具体的には、位置決め用ステージ、搬送機構、マニピュレータ、ダンピングを利用した圧力センサ、透過光のスペクトルを可変できる光学フィルタ、ミラーの角度調整機構、バルブ、流量調整バルブ、適当な変位センサと組み合わせての電圧計などが考えられる。

被加工プレートと基板の関係を示す断面図 傾いた構造体の形成された角度と被加工プレート上の位置を示すグラフ 被加工プレート中央部の傾いた構造体の角度を大きくするときのプラズマ制御板、被加工プレート、基板の関係を示す断面図 被加工プレート端部の角度を安定化させるときに設置するプラズマ制御板の位置を示す断面図 傾いた構造体の角度を大きくするときのプラズマ制御板の設置方法を示す断面図 カットしない基板状被加工プレートに傾斜構造を作製するときのプラズマ制御板の設置方法を示す断面図 シリコン被加工プレート上に作製した傾斜構造を示す斜視図（SEM像）

符号の説明

１ 基板
２ テーパブロック
３ 被加工プレート
４ 基板と被加工プレートで形成する角度
５ エッチングの進む向き
６ マスク
７ 傾いた構造体
８ プラズマ制御板

Claims (6)

1. 異方性プラズマエッチング方法において、基板に対して所定角度傾斜させて、加工を施すプレートを設置し、該基板及び該プレートにプラズマを照射することにより、該プレートに対し異方性プラズマエッチングを施し、該プレートの面に対し傾斜した構造を該プレートに形成する方法であって、
   該傾斜した構造の形成角度は、該プレートの該所定角度、該プレートの幅及び該プレートの上の形成位置により制御することを特徴とする異方性プラズマエッチング方法。
2. 上記プレート上の任意の位置にプラズマ制御板を設けることにより、該位置において、該プレートの面に対し傾斜した構造を該プレートに形成することを特徴とする請求項１に記載の異方性プラズマエッチング方法。
3. 上記プレート又は上記制御板を固定するために、上記基板との間にジグを配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の異方性プラズマエッチング方法。
4. 上記所定角度は、５度以上９０度以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の異方性プラズマエッチング方法。
5. 異方性プラズマエッチング方法において、加工を施すプレートを水平に設置し，プラズマ制御板を該プレート上に該プレートに対して所定角度傾斜させて設置し、該制御板及び該プレートに対し異方性プラズマエッチングを行うことにより、該プレート上の該制御板が接触している付近に、該プレートの面に対し傾斜した構造を形成することを特徴とする異方性プラズマエッチング方法。
6. 上記所定角度は、５度以上９０度以下であることを特徴とする請求項５に記載の異方性プラズマエッチング方法。
   

Images