JP5090443B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ドライエッチング方法に関する。
従来、ドライエッチング装置において、基板を固定するための機構としては、静電チャックや、メカチャックが用いられてきた。この静電チャックとしては、例えば、リング状の第1電極と、その第1電極の中心側であって、ウエハーの中心部に対応する中心電極部及び第1電極の外側の周辺電極部からなる第2電極とを有する静電チャック電極を備え、この静電チャック電極の上面に、ウエハーを、上記第1電極と第2電極との間にそれぞれ発生する静電力により吸着するように構成した双極型の静電チャックが知られている(例えば、特許文献1参照)この場合、ウエハーと静電チャック電極との間のわずかな間隙にヘリウムガスを流して被処理基板を冷却している。
ところで、近年の電子機器や通信機器の小型化の要求から、キーデバイスである水晶振動子は、水晶片のサイズが1.2mm程度といった超小型のものがフォトリソ法などで作製され、実用化されているが、さらに微細な、マイクロメートルオーダーの水晶振動子が求められている。このようなオーダーの水晶振動子は、機械的に加工することができないことから、ドライエッチング法により、水晶基板を微細加工して水晶振動子を形成することが知られている(例えば、特許文献2参照)。この場合、基板の両側からエッチングして水晶振動子を形成するか、または基板の一方の面を非常に深くエッチングして水晶振動子を形成する。
特開平10−125769号公報(段落0018及び図6) 特開2006−186847号公報(請求項8及び図2)
しかしながら、基板の両面をエッチングする場合、又は基板の一方の面を非常に深くエッチングする場合に、上記のような静電チャックを用いたエッチング装置を利用してエッチングし続けると、被処理基板が薄くなるので、基板の強度が低下し、また、温度変化の影響を受けやすくなって、基板が割れてしまうという問題がある。また、この割れた部分から静電チャック電極と基板との間に存在する冷却用のヘリウムガスが漏れるという問題がある。
本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決するためのものであり、基板の両面にエッチングを行う場合又は基板の一方の面を非常に深くエッチングする場合であっても、基板が割れることがないように基板を固定しながら、微細加工を行うことのできるドライエッチング方法を提供することにある。
発明のドライエッチング方法は、真空チャンバー内に、フルオロカーボンガス及び希ガスからなるエッチングガスを導入し、真空チャンバー内を所定の圧力にしてプラズマを発生させ、基板載置部に設けられた熱伝導性シートの粘着面に固着された水晶基板の一方の面をエッチングして加工し、その後、熱伝導性シートから水晶基板を剥離して反転させ、前記一方の面を熱伝導性シートの粘着面に固着して、前記一方の面と同様の条件で水晶基板の他方の面をエッチングして加工することを特徴とする。熱伝導性シートによって水晶基板を固定することで、基板全体を均一に支えることができると共に、基板に熱を伝導しやすく、基板の温度を制御できるので、両面にエッチングすることが可能となる。
この場合、前記水晶基板を、加熱又はUV照射によって熱伝導性シートから剥離することが好ましい。このような工程を経て水晶基板を剥離すれば、基板へのダメージが少ないからである。さらに、前記熱伝導性シートに、スリットを入れたことが好ましい。スリットをいれることで、熱伝導性シートから水晶基板を剥離しやすくし、また、熱伝導性シート下の気泡を減少させるためである。
また、エッチング加工においては、前記希ガスの流量が、エッチングガスの総流量の80〜95パーセントであることが好ましく、この希ガスは、Ar、Kr及びXeから選ばれた少なくとも一種のガスであることが好ましい。80パーセント未満であると、活性種が多すぎて、所望のエッチングを行うことができない。他方で、95パーセントを超えると、活性種が少なすぎるので十分にエッチングできない。
さらに、前記ドライエッチング方法を1Pa以下の低圧プロセスで行なうことが好ましい。圧力が1Paより高いと、ラジカル反応を抑制しがたくなり、微細加工が困難となるからである。
また、本発明のドライエッチング方法は、基体上に熱伝導性シートを固定し、この熱伝導性シートの粘着面に水晶基板を固着して、この基体を真空チャンバー内の基板載置部に載置し、次いで、フルオロカーボンガス及び希ガスからなるエッチングガスを真空チャンバー内に導入し、真空チャンバー内を1Pa以下にしながら、磁気中性線を形成せしめて電場を加えて真空チャンバー内にプラズマを発生させ、水晶基板の一方の面をエッチングして加工し、その後、熱伝導性シートから水晶基板を剥離して反転させ、該水晶基板の一方の面を熱伝導性シートの粘着面に固着して、水晶基板の他方の面を前記一方の面と同様の条件でエッチングして加工することを特徴とする。磁気中性線を形成してプラズマを発生させるドライエッチング装置を用いて、熱伝導性シートに固着された水晶基板のエッチングを行うことで、被処理基板全体を均一に保持しながら、高効率のプラズマにより、所望の両面エッチングを行うことが可能となる。
この場合、前記希ガスの流量が、エッチングガスの総流量の80〜95パーセントであり、また、前記希ガスが、Ar、Kr及びXeから選ばれた少なくとも一種のガスであり、前記熱伝導性シートはスリットが入っており、前記被処理基板は、加熱又はUV照射によって前記熱伝導性シートから剥離されることが好ましい。
本発明のドライエッチング方法によれば、基板を割ってしまうことなく、所望のエッチングを簡易に行うことが可能となる。
図1に本発明の層間絶縁膜のドライエッチング方法に用いるエッチング装置1を示す。エッチング装置1は、真空チャンバー11からなり、低温、高密度プラズマによるエッチングが可能である。この真空チャンバー11は、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段12を備えている。
真空チャンバー11は、下部の基板処理室13とその上部のプラズマ発生室14とから構成されている。基板処理室13内の底部中央には、基板載置部2が設けられている。基板載置部2は、基板電極21と、基板電極21上に設けられた静電チャック電極22と、この基板電極21と静電チャック電極22とを支持する支持台23とから構成されている。そして、基板電極21は、ブロッキングコンデンサー24を介して第1高周波電源25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。静電チャック電極22は、公知のものを用いることができる。
本発明では、静電チャック電極22で、熱伝導性シート26を載置した基体27を固定し、この熱伝導性シートの粘着面上に被処理基板Sを固着する。このような粘着面上に被処理基板Sを固着することで、被処理基板S自体を静電チャック電極で固定することが不要となり、被処理基板S全体を安定して保持でき、基板が割れることを防止できる。また、このように構成すれば、静電チャック電極22中の図示しないヘリウムガスによる冷却の効果が熱伝導性シート26を介して被処理基板Sまで達し、基板温度を十分に制御することができ、基板が割れることを防ぐ。
熱伝導性シート26に用いられる粘着層の材料としては、熱伝導性のよい樹脂、例えば、アクリル系やイソプレン・イソブチレンといったゴム系、あるいはシリコーン系などの樹脂がある。このような粘着層が、熱剥離又はUV剥離できるものであればよい。熱伝導性シート26は、前記したような熱伝導性がある粘着面を少なくとも1面有していればよい。
また、熱伝導性シート26にスリットをいれて、基体27に貼り付けてもよい。このようにすれば、熱伝導性シートが剥離しやすくなるとともに、熱伝導性シートと基体との間に、空気や真空引きした際のエッチングガス等の気体が入り込んで(気泡が発生する)、場合によっては基板を割ってしまうことを防止することが可能である。スリットの形状としては、線状のものだけでなく、多角形、円形などでもよく、2以上の形状を組み合わせることも可能である。例えば、ストライプ状のマスクを用いてエッチングする場合には、基板の対角線上に第1のスリットが形成され、かつ、ストライプ状のマスクのストライプの方向に沿うように第2のスリットが設けられていることが好ましい。また、このような気体が入り込むことを防止するために、基体に熱伝導性シートを固定した後に、さらにゴムローラー、へら、プレス等で熱伝導性シートを圧着することが好ましい。
この基板載置部2に対向してプラズマ発生室14の上部に設けられた天板15は、プラズマ発生室14の側壁に固定される。天板15には、真空チャンバー11内にエッチングガスを導入するガス導入手段3のガス導入経路31が接続されている。このガス導入経路31は分岐し、それぞれガス流量制御手段32を介して希ガス用ガス源33及びフルオロカーボンガス用ガス源34に接続されている。
また、この天板15には、ガス導入手段3に接続されたシャワープレートが設けられていてもよい。
プラズマ発生室14は円筒形の誘電体側壁を備え、この側壁の外側には、磁場発生手段としての磁場コイル41が設けられており、この場合、磁場コイル41によって、プラズマ発生室14内に環状磁気中性線(図示せず)が形成される。
磁場コイル41とプラズマ発生室14の側壁の外側との間には、プラズマ発生用の高周波アンテナコイル42が配置されている。この高周波アンテナコイル42は、パラレルアンテナ構造のものであり、第2高周波電源43から電圧を印加できるように構成されている。そして、磁場コイル41によって磁気中性線が形成されると、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させる。
なお、アンテナコイルへの印加電圧値が所定の値になるようにする機構が設けられていてもよい。
上記のようにして構成されたエッチング装置は、簡単な構造からなり、印加する高周波電場が互いに干渉するという問題もなく、高効率のプラズマを形成することができる。
本発明のドライエッチング方法を実施するために用いられるエッチング装置は、高周波アンテナコイル42の内側に図示しないファラディシールド(又は静電場シールド)様浮遊電極を設置してもよい。このファラディシールドは、既知のファラディシールドであり、例えば、複数のスリットが平行に設けられ、このスリットの長手方向の中間にスリットと直交してアンテナコイルが設けられた金属板である。スリットの長手方向の両端には、短冊状金属板の電位を同じにする金属縁が設けられている。アンテナコイル42の静電場は金属板によりシールドされるが、誘導磁場はシールドされない。この誘導磁場がプラズマ中に入り誘導電場を形成する。スリットの幅は、目的に応じて適宜設計でき、0.5〜10mm、好ましくは1〜2mmのスリットである。このスリットの幅が広すぎると静電場の浸みこみが起こり、好ましくない。スリットの厚みは、〜2mm程度であればよい。
次に、前述したエッチング装置1を用いて被処理基板Sを両面エッチングする方法について図1及び図2を用いて説明する。
上記エッチング装置1を用いてエッチングされるエッチング対象としては、特に水晶基板が好ましい。水晶基板自体を加工することで、例えば、従来機械的加工では得ることができなかったミクロンオーダーの水晶振動子などを作製することが可能である。また、通常用いられる基板上にSiO膜及びSiOを含む化合物膜、光学素子に用いられる材料からなる膜が形成されたものを加工してもよい。
SiOを含む化合物としては、例えば、TEOS−SiO、燐酸シリケートガラス、ホウ酸添加燐酸シリケートガラス、希土類をドープしたガラス、低膨張結晶化ガラスがある。光学素子に用いられる材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ビスマスがある。
また、HSQやMSQのようにスピンコートによって形成されたSiOCH系材料膜や、CVDによって形成されるSiOC系材料で比誘電率2.0〜3.2のLow−k材料膜、多孔質材料膜が形成された基板であってもよい。
SiOCH系材料としては、例えば、商品名LKD5109r5/JSR社製、商品名HSG−7000/日立化成社製、商品名HOSP/Honeywell Electric Materials社製、商品名Nanoglass/Honeywell Electric Materials社製、商品名OCD T−12/東京応化社製、商品名OCD T−32/東京応化社製、商品名IPS2.4/触媒化成工業社製、商品名IPS2.2/触媒化成工業社製、商品名ALCAP−S5100/旭化成社製、商品名ISM/UL
VAC社製がある。
SiOC系材料としては、例えば、商品名Aurola2.7/日本ASM社製、商品名Aurola2.4/日本ASM社製、商品名Orion2.2/ファーストゲート・TRIKON社製、商品名Coral/Novellus社製、商品名Black Diamond/AMAT社製、商品名NCS/富士通社製がある。また、商品名SiLK/Dow Chemical社製、商品名Porous-SiLK/Dow Chemical社製、商品名FLARE/Honeywell Electric Materials社製、商品名 Porous FLARE/Honeywell Electric Materials社製、商品名 GX‐3P/Honeywell Electric Materials社製などがある。
このエッチング対象である被処理基板Sには、図2に示すように、マスクMが形成されており、マスク材料としては、例えば、KrFレジスト材、ArFレジスト材などの有機系材料や、Ni等の公知の金属材料が挙げられる。
前記したマスクMが形成された被処理基板Sを面S1を上向きにして、基体27上の熱伝導性シート26の粘着面に固着し(図2(a)参照)、この基体27を真空チャンバー11内の静電チャック電極22の上に載置する。次いで、エッチングガス導入手段4からエッチングガスを導入し、第2高周波電源43からRFパワーを印加してプラズマ発生室14内にプラズマを発生させ、被処理基板Sの面S1のエッチングを行う(図2(b)参照)。被処理基板Sの両面をエッチングする場合には、その後、熱伝導性シート26から被処理基板Sを剥離し、被処理基板Sを上下反転させ、面S2を上面として熱伝導性シート26に固定し、面S2のエッチングを同条件で行うことで、両面エッチングが可能である(図2(c))。このように熱伝導性シート26を用いれば、両面エッチングを行って被処理基板Sが非常に薄く残されたとしても被処理基板Sが割れることがなく、所望のエッチングにより加工された基板を得ることができる。
熱伝導性シートを加熱して剥離する場合には、ホットプレートや、熱風炉、近赤外線などで温度を剥離温度、例えば170℃程度にすることがあげられる。
エッチングガスとしては、フルオロカーボンガスに、Ar、Xe、Krなどの希ガスから選ばれた少なくとも1種のガスを添加したガスを用いることができる。フルオロカーボンガスとしては、例えばCF、C、CまたはCを用いることができ、特にC及びCが好ましい。この場合、希ガスは、エッチングガス総流量基準で80〜95パーセントとなるようにガス流量制御手段32によって制御され、導入される。このエッチングガスを、プラズマ雰囲気中1.0Pa以下の作動圧力下で、100
〜300sccm真空チャンバ11内に導入してエッチングする。
このようなドライエッチング装置1を用いたドライエッチング方法によれば、水晶基板の場合、厚さ10μmまでエッチングすることが可能である。これにより、例えば、厚さ50〜150μmの基板を両側からエッチングし、幅1μm、深さ20〜70μmというアスペクト比の高いエッチングも可能となる。
本実施例では、図1に示すエッチング装置1を用いて水晶基板の両面エッチングを行った。
まず、両面に粘着層を有する日東電工社製の熱剥離シート(商品名リバアルファ、熱剥離温度170℃)を熱伝導性シート26として用意し、この熱伝導性シート26に、図3に示す形状のスリットを形成した。図3中、点線で示したものが貼付予定の基板Sであり、熱伝導性シート26には、基板の対角線に対応する2本の線状のスリットL31と、基板の中心を通り、基板の横方向に平行な1本の線状のスリットL32とが形成され、かつ、マスクのストライプの方向と平行な2本の長方形状のスリットL33が形成されている。これらのスリットが形成された熱伝導性シート26を基体27としてのシリコン基体に貼り付けた。そして、水晶からなる被処理基板S(厚さ100μm)にNiマスクをマスク間隔400μmで形成し、熱伝導性シート26上に前記基板Sを載置し、固定した。次いで、このシリコン基体をエッチング装置1の静電チャック電極22上に載置し、第2高周波電源43によってプラズマを発生させると共に、CガスとArガスとからなるエッチングガスを100sccm(Arガスがエッチングガスの総流量基準で80パーセント)導入して、被処理基板Sのエッチングを行なった。エッチング条件は、第1高周波電源(基板側)550W、第2高周波電源(アンテナ側)1800W、基板設定温度:10℃、圧力:0.67Paであった。
その後、50分間ガスを導入して水晶基板を約45μmエッチングした後に、シリコン基体をエッチング装置1から取り出して、ホットプレートにより120℃で熱伝導性シートから被処理基板Sを剥離した。次いで、基板Sを上下反転させ、まだエッチング処理していなかった面を上にして熱伝導性シート上に固着し、再度同条件で50分間ガスを導入して45μmエッチングした。このようにして得られた基板の断面SEM写真及び基板を斜め上から見た場合のSEM写真を、それぞれ図4(a)及び(b)に示す。
図4(a)及び(b)から、基板Sの面S1及びS2がエッチングにより削られ、非常に薄い中央部(約10μm)のみ残して、割れずに両面エッチングできたことがわかった。(比較例1)
実施例1とは、熱伝導性シートを設けずに基体としてのシリコン基体上に被処理基板を直接設置した以外は、同条件でエッチングを行った。表面のエッチング後、シリコン基体を取り出すと、基板が割れていたことが観察された。これは、被処理基板を基体に直接設置したのでは、熱伝導性が悪いために冷却が十分にできず基板が高温になって割れてしまったものと思われる。
(比較例2)
実施例1とは、熱伝導性シートを設けずに熱伝導ペーストを基体としてのシリコン基体上に塗布して被処理基板Sを固定した以外は、同条件でエッチングを行った。裏面のエッチング後、シリコン基体を取り出すと、被処理基板Sが割れていたことが観察された。これは、ペースト中の気泡が熱膨張したことにより被処理基板Sが割れてしまったものと思われる。さらに、この熱伝導ペーストを用いた場合には、ペースト除去のためにアルコール超音波洗浄を行う必要があるが、アルコール超音波洗浄後にはさらに細かく被処理基板が割れてしまった。
(比較例3)
実施例1とは、熱伝導性シートのスリットの形状を図5(a)に示した形状(基板の対角線に一致する線状スリット及び基板の一辺に平行な線状スリットL51)とした点以外は、同条件でエッチングを行った。表面のエッチング後、シリコン基体を取り出すと、基板は割れていなかったが、メタルマスクが剥がれていたことが観察された。
(比較例4)
実施例1とは、熱伝導性シートのスリットの形状を図5(b)に示した形状(基板の対角線に対応する多角形状スリットL52)とした点以外は、同条件でエッチングを行った。表面のエッチング後、シリコン基体を取り出すと、基板が割れ、メタルマスクが剥がれていたことが観察された。
(比較例5)
実施例1とは、熱伝導性シートのスリットの形状を図5(c)に示した形状(マスクのストライプの方向と平行な2本の長方形状スリットL53)とした点以外は、同条件でエッチングを行った。表面のエッチング後、シリコン基体を取り出すと、基板が割れ、メタルマスクが剥がれていたことが観察された。
(比較例6)
実施例1とは、熱伝導性シートのスリットの形状を図5(d)に示した形状(基板の中心を通る十文字の多角形状スリットL54)とした点以外は、同条件でエッチングを行った。表面のエッチング後、シリコン基体を取り出すと、基板が割れ、メタルマスクが剥がれていたことが観察された。
以上により、実施例1の形状でスリットが形成された熱伝導シートを用いた場合のみ、エッチング装置1を用いて水晶基板の両面エッチングを行うことができることがわかった。
本発明のドライエッチング方法によれば、基板の両面を安定してエッチングすることができる。従って、本発明は半導体技術の分野で利用可能である。
本発明のドライエッチング方法に用いられるエッチング装置の構成を示す模式図。 本発明の両面ドライエッチング方法を説明するための模式図。 実施例1で用いた熱伝導性シートのスリットの形状を示すための模式図。 実施例1の結果を示すSEM写真であって、(a)は基板の断面SEM写真であり、(b)は基板を斜め上から見た場合のSEM写真。 比較例3〜6で用いた熱伝導性シートのスリットの形状を示すための模式図であって、(a)が比較例3、(b)が比較例4、(c)が比較例5、(d)が比較例6の場合である。
符号の説明
1 エッチング装置
2 基板載置部
3 エッチングガス導入手段
11 真空チャンバー
12 真空排気手段
13 基板処理室
14 プラズマ発生室
15 天板
21 基板電極
22 静電チャック電極
23 支持台
24 ブロッキングコンデンサー
25 高周波電源
26 熱伝導性シート
27 基体
31 ガス導入経路
32 ガス流量制御手段
33 希ガス用ガス源
34 フルオロカーボンガス用ガス源
41 磁場コイル
42 アンテナコイル
42 高周波アンテナコイル
43 高周波電源
S 被処理基板
L31、L32、L33 スリット
L51、L52、L53、L54 スリット

Claims (8)

  1. 真空チャンバー内に、フルオロカーボンガス及び希ガスからなるエッチングガスを導入し、真空チャンバー内を所定の圧力にしてプラズマを発生させ、基板載置部に設けられた熱伝導性シートの粘着面に固着された水晶基板の一方の面をエッチングして加工し、その後、熱伝導性シートから水晶基板を剥離して反転させ、前記一方の面を熱伝導性シートの粘着面に固着して、前記一方の面と同様の条件で水晶基板の他方の面をエッチングして加工することを特徴とするドライエッチング方法。
  2. 前記水晶基板を、加熱又はUV照射によって前記熱伝導性シートから剥離することを特徴とする請求項1記載のドライエッチング方法。
  3. 前記熱伝導性シートに、スリットを入れたことを特徴とする請求項1または2記載のドライエッチング方法。
  4. 前記希ガスの流量が、エッチングガスの総流量の80〜95パーセントであることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項記載のドライエッチング方法。
  5. 前記希ガスが、Ar、Kr及びXeから選ばれた少なくとも一種のガスであることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項記載のドライエッチング方法。
  6. 記エッチングを1Pa以下の圧力で行なうことを特徴とする請求項1〜のいずれか1項記載のドライエッチング方法。
  7. 基体上に熱伝導性シートを固定し、この熱伝導性シートの粘着面に水晶基板を固着して、この基体を真空チャンバー内の基板載置部に載置し、次いで、フルオロカーボンガス及び希ガスからなるエッチングガスを真空チャンバー内に導入し、真空チャンバー内を1Pa以下にしながら、磁気中性線を形成せしめて電場を加えて真空チャンバー内にプラズマを発生させ、水晶基板の一方の面をエッチングして加工し、その後、熱伝導性シートから水晶基板を剥離して反転させ、該水晶基板の一方の面を熱伝導性シートの粘着面に固着して、水晶基板の他方の面を前記一方の面と同様の条件でエッチングして加工することを特徴とするドライエッチング方法。
  8. 前記希ガスの流量が、エッチングガスの総流量の80〜95パーセントであり、また、前記希ガスが、Ar、Kr及びXeから選ばれた少なくとも一種のガスであり、前記熱伝導性シートはスリットが入っており、前記水晶基板は、加熱又はUV照射によって前記熱伝導性シートから剥離されることを特徴とする請求項記載のドライエッチング方法。
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