JP5100840B2 - プラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置及びフォトニック結晶製造方法 - Google Patents

プラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置及びフォトニック結晶製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体デバイス等の微細加工に適したプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置、並びにその方法を用いたフォトニック結晶の製造方法に関する。
近年、新しい光デバイスとして、フォトニック結晶が注目されている。フォトニック結晶とは周期屈折率分布をもった光機能材料であり、この周期屈折率分布の構造が光や電磁波のエネルギーに対してバンド構造を形成する。特に、光や電磁波の伝播が不可能となるエネルギー領域（フォトニックバンドギャップ、略称：PBG）が形成されることが特徴である。また、この屈折率分布の中に乱れ（欠陥）を導入することにより、PBG中にこの欠陥によるエネルギー準位（欠陥準位）が形成され、欠陥準位に対応する波長の光のみが、この欠陥位置において存在可能になる。これにより、点状の欠陥から成る光共振器や線状の欠陥から成る光導波路等をフォトニック結晶内に設けることができる。また、光導波路の近傍に、その光導波路を伝播する光の波長帯に含まれる大きさの共振波長を持つ光共振器を配置することにより、そのフォトニック結晶は光導波路を伝播する光のうちこの共振波長と同じ波長の光を光共振器に取り出すこと（分波）ができると共に、その波長の光を光共振器から光導波路に合流させること（合波）ができる光合分波器となる。
フォトニック結晶には主に２次元フォトニック結晶（例えば特許文献１参照）と３次元フォトニック結晶（例えば非特許文献１、特許文献２）がある。特許文献１に記載の２次元フォトニック結晶は、板状の誘電体から成る本体に空孔を周期的に形成したものである。非特許文献１に記載の３次元フォトニック結晶は「ヤブロノバイト」と呼ばれ、誘電体から成るブロックの表面の法線に対して35°の角度で、互いに120°ずつ異なる３方向に延びる孔を多数形成したものである。特許文献２に記載の３次元フォトニック結晶は「ウッドパイル型」と呼ばれ、誘電体から成るロッドが平行に周期的に配列されたストライプ層を、最隣接のストライプ層のロッド同士が直交し次隣接のストライプ層のロッド同士が平行且つ半周期ずれるように積層したものである。３次元フォトニック結晶は欠陥位置に存在する光が外部に漏出し難く、光共振器や光導波路の損失を極めて低く抑えることができるという利点を有する。
従来、ウッドパイル型の３次元フォトニック結晶は、ストライプ層同士の位置を正確に合わせなければならないという点で製造が難しいとされていた。それに対して、最近、特許文献３において、誘電体から成る基体の表面に対して傾斜した第１の方向を指向する第１のエッチングを行ってこの第１方向に延びる孔を形成した後に、第１方向と所定の角度で交差する第２の方向を指向する第２のエッチングを行ってこの第２方向に延びる孔を形成することにより３次元フォトニック結晶を製造することが提案された。この方法では、4n番目（nは整数）のストライプ層及びそれに次隣接の(4n+2)番目のストライプ層は第１のエッチングにより、(4n+1)番目及び(4n+3)のストライプ層は第２のエッチングにより、それぞれ製造される。この方法によれば、ストライプ層同士の位置合わせを行う必要がないため、製造が容易である。
一方、２次元フォトニック結晶は３次元フォトニック結晶よりも製造が容易であるという利点を有する。最近、TE偏波及びTM偏波の双方に共通のPBG（完全PBG）を、従来よりも広いエネルギー領域に亘って形成することができる２次元フォトニック結晶が提案された。特許文献４には、板状の基体の表面における三角格子の各格子点から、互いに異なる方向に延びる３個の空孔（３方向傾斜孔）が形成された２次元フォトニック結晶が記載されている。それら３個の空孔は、本体に平行な方向には互いに120°ずつ異なり、本体に垂直な方向にはいずれも本体の法線に対して約36°傾斜した方向に形成されている。従来の２次元フォトニック結晶では完全PBGの幅は最大でも数%（完全PBGの中心値に対する幅の大きさで定義）であったのに対して、この２次元フォトニック結晶では約15%（基体にSiを用いた場合）の幅を持つ完全PBGを形成することができる。
特許文献３に記載の３次元フォトニック結晶、及び特許文献４に記載の３方向傾斜孔を有する２次元フォトニック結晶はいずれも、基体に対して所定の角度だけ傾斜した方向に基体をエッチング（斜方向エッチング）することにより製造される。このような斜方向エッチングはフォトニック結晶の製造の場合に限られず、半導体デバイスの微細加工や微小電気機械システム（microelectromechanical system、略称：MEMS）の製造等にも用いることができる。
特許文献５には、基体の表面に対して傾斜した縁を持つ電界制御板を基体表面に配置し、プラズマ中のイオンにバイアス電圧を印加してイオンを基体表面に入射させることにより基体表面をエッチングすることが記載されている。この方法によれば、傾斜した縁に沿って等電位面が変形し、その等電位面に対して垂直に近い角度で基体表面に対して斜め方向にイオンが入射するため、斜めエッチングを行うことができる。
特開2001-272555号公報 特開2001-074955号公報 国際公開WO2006/095648号パンフレット 特開2007-256382号公報 特開2008-004711号公報
Ｅ．ヤブロノビッチ 他２名、フィジカルレビューレターズ、（米国）、アメリカ物理学会発行、1991年10月21日、第67巻、第17号、第2295-2298頁（E. Yablonovitch et al.: "Photonic band structure: The face-centered-cubic case employing nonspherical atoms", Physical Review Letters 67 (1991) 2295-2298.）
斜めエッチングを用いてフォトニック結晶その他のデバイスを高精度に作製するためには、基体表面へのイオンの入射角度の均一性を高くすることが必要である。この均一性が低いと、長さ方向に均一な径を持つ孔を形成することができない。孔の径の不均一性は、形成すべき孔が深く、径が小さくなるほど、即ち、孔の径に対する深さの比を示すアスペクト比が高くなるほど顕著になる。
本発明が解決しようとする課題は、高アスペクト比で均一性の高い斜めエッチングを行うことができるプラズマエッチング方法及びそのプラズマエッチング方法を用いたフォトニック結晶製造方法を提供することである。
上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマエッチング方法は、
基体を高アスペクト比でエッチングするためのプラズマエッチング方法であって、
該基体の表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有する電界制御体を、該基体の表面に配置し、
該電界制御体を配置した基体表面に該プラズマを生成し、
該プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、
該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる
ことにより該基体を高アスペクト比でエッチングすることを特徴とする。
本発明に係るプラズマエッチング方法では、プラズマ中のイオンを前記電位差によりイオン導入孔を通して基体表面に入射させ、イオンの運動エネルギーを利用した物理的スパッタリング又は反応性スパッタリングによって基体をエッチングする。その際、等電位面は、イオン導入孔のプラズマ側の開口においてイオン導入孔に引き込まれ、イオン導入孔の延びる方向に対して垂直に近い形状になる。そのため、イオンはイオン導入孔に平行な方向の力を受けてイオン導入孔内に導入される。
イオン導入孔に導入されたイオンのうち、イオン導入孔の傾斜方向から所定の角度以上ずれて入射したものは、イオン導入孔の内壁に非弾性的に衝突して運動エネルギーを失い、エッチングにはほとんど寄与しない。従って、イオン導入孔の傾斜方向に近い角度で入射したイオンだけを基体表面に入射させることができ、基体表面へのイオンの入射角度のばらつきを抑え、基体を高アスペクト比でイオンの入射方向にエッチングすることができる。ここで、イオン導入孔の開口が小さくなるほど、また、イオン導入孔が長くなるほど、イオン導入孔の傾斜方向からの入射方向のずれが大きいイオンをイオン導入孔の内壁に衝突させることができるため、基体表面へのイオンの入射角度の精度を高くすることができる。
前記イオン導入孔の前記基体側の開口に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置することにより、その所定パターンに対応した形で基体をエッチングすることができる。
フォトニック結晶の製造の際あるいは半導体デバイスの微細加工の際には、通常、数μm又はそれ以下（マイクロメートルオーダー又はそれ以下）の径の孔を持つマスクを使用する。このようなマスクの孔は、仮に基体表面の法線に対して傾斜した方向に形成したとしても、以下の理由により、電界制御体のイオン導入孔と同様に作用することはない。通常のプラズマ生成装置でプラズマを生成すると、プラズマ密度や自己バイアス電圧の大きさに応じて、前述のマスクの径よりも大きい約10μm〜10mmの厚みを持つイオンシースが基体の表面付近に形成される。このようにマスクの孔よりもイオンシースの厚みの方が大きいと、等電位面はマスクの孔の中にほとんど引き込まれない。そのため、イオンは電界による孔に平行な（基体表面の法線に対して傾斜した）方向の力をほとんど受けず、イオン軌道の方向が孔の傾斜方向から大きくずれてしまう。そのため、マスクの孔とは別に、それよりも大きい（例えばミリメートルオーダーの）径を持つイオン導入孔を備えた電界制御体を用いる必要がある。
なお、電界制御体は、基体あるいはマスクの表面に接するように配置（載置）してもよいが、例えば基体の側方から基体上にオーバーハングさせた支持具を用いて保持すること等により、基体あるいはマスクとの間に隙間を設けてもよい。
前記イオン導入孔には断面が前記電界制御体の表面においてよりも内部においての方が小さいものを用いることができる。表面側の断面が大きいことにより、等電位面がイオン導入孔側により深く引き込まれる。内部の断面が小さいことにより、入射方向のずれがより小さいイオンをイオン導入孔の内壁に衝突させることができるため、入射角度の精度をより高くすることができる。
前記イオン導入孔には、前記基体側に設けられた１個の開口から異なる方向に複数本延びているものを用いることができる。これにより、複数の方向に対する斜めエッチングを同時に行うことができる。
本発明に係るプラズマエッチング方法において、前記電位差の形成中に前記電界制御体を前記基体表面に沿って移動させてもよい。これにより、高アスペクト比でエッチングを行うという特徴を維持しつつ、イオン導入孔の径よりも広い範囲に対して斜めエッチングを行うことができる。その際、前記イオン導入孔を前記電界制御体に複数設けておけば、広い範囲を効率よくエッチングすることができる。ここで、電界制御体は、そのままの向きで移動させてもよいし、向きを変えつつ移動させてもよく、更には、その場で向きを変え（回動させ）てもよい。また、「電界制御体を基体表面に沿って移動させる」とは、電界制御体と基体表面との相対的な位置関係の変化を表現したものであり、基体の位置を固定して電界制御体を移動させることの他、電界制御体の位置を固定して基体を移動させることや、電界制御体と基体の双方を移動させることも含むものである。
本発明に係るプラズマエッチング方法において、前記電界制御体における前記傾斜方向は可変とすることができる。このような傾斜方向が可変の電界制御体は、例えば２枚又はそれ以上の枚数の羽根板を同方向に回動可能とし、その回動軸が並ぶようにそれらの羽根板を配列することにより構成することができる。この場合、羽根板と羽根板の間の空間がイオン導入孔となる。イオン導入孔の傾斜方向は、エッチング対象の基体毎に変化させてもよいし、１つの基体をエッチングしている間に変化させてもよい。１つの基体をエッチングしている間に傾斜方向を変化させると、意図的に、曲がった孔を基体に形成することができる。
また、本発明に係るプラズマエッチング方法において、前記電界制御体における前記イオン導入孔の開口面積を可変とすることもできる。このような開口面積が可変の電界制御体は、例えば、上述のイオン導入口の傾斜方向を可変とする場合と同様に、２枚又はそれ以上の枚数の羽根板を配列したものを用いることができる。その場合、イオン導入口の開口は、各羽根板をその配列方向に移動可能とすることにより、開口面積を可変とすることができる。
本発明に係るプラズマエッチング装置は、基体を高アスペクト比でエッチングするためのものであって、
該基体の表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有し、前記基体の表面に配置された電界制御体と、
該電界制御体を配置した基体表面に該プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
該プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる電位差形成手段と、
を備えることを特徴とする。
本発明に係るフォトニック結晶製造方法は、上記プラズマエッチング方法を用いたものであり、
基体を高アスペクト比でエッチングするためのプラズマエッチングによるフォトニック結晶製造方法であって、
誘電体から成る該基体の表面の一部である孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置し、
前記基体表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有する電界制御体を、前記基体側の該イオン導入孔の開口を前記孔形成領域の位置に合わせて配置し、
前記電界制御体を配置した基体の表面に該プラズマを生成し、
前記プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、
該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる
ことにより該基体を前記所定のパターンで高アスペクト比のエッチングを行う工程を有することを特徴とする。
上記フォトニック結晶製造方法においては、前記エッチングを複数回、各回毎に前記電界制御体の向きを変えて行うことが望ましい。例えば、非特許文献１に記載のヤブロノバイト型の３次元フォトニック結晶及び特許文献４に記載の３方向傾斜孔を持つ２次元フォトニック結晶を製造する場合には、前記エッチングを３回、各回毎に前記電界制御体の向きを120°ずつ変えて行う。
特許文献２に記載のウッドパイル型の３次元フォトニック結晶を製造する場合には、以下のように、前記エッチングを２回、各回毎に前記電界制御体の向きを変えて行う。
a)１回目のエッチングにおいて、
a-1) 複数の帯状の領域に分けた帯状領域のうち4n番目（nは整数）の帯状領域に孔が周期a1で形成されると共に、(4n+2)番目の帯状領域に孔が周期a1であって帯の長手方向にa1/2だけずれた位置に形成されたマスクを用い、
a-2) 前記イオン導入孔が前記基体表面の法線に対して帯状領域が延びる方向に第１の角度で傾斜するように前記電界制御体が配置され、
b) ２回目のエッチングにおいて、
b-1) 前記帯状領域のうち(4n+1)番目の帯状領域に孔が周期a1で形成されると共に、(4n+3)番目の帯状領域に孔が周期a1であって帯の長手方向にa1/2だけずれた位置に形成されたマスクを用い、
b-2) 前記イオン導入孔が前記基体表面の法線に対して帯状領域が延びる方向に、前記第１角度とは異なる第２の角度で傾斜するように前記電界制御体が配置される。
上記フォトニック結晶製造方法において、前記イオン導入孔が前記基体側に設けられた１個の開口から異なる３方向に延びている電界制御体を用いることにより、３方向の斜めエッチングを同時に行うことができるため、ヤブロノバイト型の３次元フォトニック結晶や３方向傾斜孔を持つ２次元フォトニック結晶における空孔を１回のエッチングで同時に作製することができる。
本発明に係るプラズマエッチング方法により、高アスペクト比で均一性の高い斜めエッチングを行うことができるようになる。このプラズマエッチング方法を用いたフォトニック結晶製造方法により、周期の乱れが少なく、より理論上得られることが期待される特性に近い高特性を有するフォトニック結晶を得ることができる。
本発明に係るプラズマエッチング方法の一実施形態における電界制御体１１の形状及び配置の一例を示す縦断面図。 電界制御体１１の表面付近に形成される等電位面１５を示す概略図。 電界制御体１１の上面図及び縦断面図。 (a)電界制御体１１の表面付近に形成される等電位面及び(b)イオンの軌道の計算結果を示す縦断面図、並びに(c)基体表面へのイオンの入射角度の計算結果及び実験結果を示すグラフ。 電界制御体の他の例である電界制御体１１Ａを示す縦断面図。 電界制御体の他の例である電界制御体１１Ｂを示す縦断面図。 基体Ｓ側の開口から異なる方向に複数本延びているイオン導入孔を有する電界制御体２１を示す上面図、下面図及び側面図。 イオン導入孔の開口よりも広い範囲をエッチングする例を示す概略図。 比較例におけるイオンの軌道の計算結果を示す縦断面図。 ウッドパイル型３次元フォトニック結晶を示す斜視図及び断面４３における断面図。 本発明に係る方法によりウッドパイル型３次元フォトニック結晶を作製する工程を示す縦断面図。 本発明に係る方法によりウッドパイル型３次元フォトニック結晶を作製する際に用いるマスクを示す上面図。 ウッドパイル型３次元フォトニック結晶を作製した実験における、第１のエッチングを行った後の基体の(a)上面及び(b)縦断面の電子顕微鏡写真。 本発明に係る方法により作製されたウッドパイル型３次元フォトニック結晶の上面の電子顕微鏡写真。 本発明に係る方法により作製されたウッドパイル型３次元フォトニック結晶の反射率及び透過率の(a)測定値及び(b)理論値。 ３方向傾斜孔を有する２次元フォトニック結晶の一例を示す斜視図(a)及び平面図(b)、並びに３方向傾斜孔の斜視図(c)。 ３方向傾斜孔を有する２次元フォトニック結晶の第１の製造方法を示す上面図（(a-1), (b), (c)）及び縦断面図（(a-2)）。 ３方向傾斜孔を有する２次元フォトニック結晶の第２の製造方法を示す縦断面図(a)及び上面図(b)。 ヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶の一例を示す斜視図。 イオン導入孔の傾斜方向が可変である電界制御体の例を示す上面図(a)及び縦断面図(b)。 イオン導入孔の開口面積及び傾斜方向が可変である電界制御体の例を示す上面図(a)、縦断面図(b)及び開口面積を変化させた後の縦断面図(c)。
(1) 本発明に係るプラズマエッチング方法の実施形態
図１〜図９を用いて、本発明に係るプラズマエッチング方法の実施形態を説明する。図１は、本発明に係るプラズマエッチング方法を用いて基体Ｓに対して斜めエッチングを行う際の電界制御体１１の形状及び配置の一例を縦断面図で示したものである。電界制御体１１は、基体Ｓ上にマスク１４を介して配置されており、基体Ｓの表面の法線に対して角度θだけ傾斜したイオン導入孔１２が貫通している。電界制御体１１の表面（上面）１３は、イオン導入孔１２の上側開口の位置においてイオン導入孔１２に対して垂直に形成されている。マスク１４には、イオン導入孔１２の下側開口の直下の位置に、基体Ｓをエッチングする形状に応じた孔（図示せず）が多数設けられている。
このように電界制御体１１を配置した状態で、従来の反応性イオンエッチング法と同様の方法によりプラズマＰを生成し、そのプラズマＰ中のイオンＩにバイアス電圧を印加することにより、イオンを加速して基体Ｓ及び電界制御体１１の表面に照射する。バイアス電圧により、電界制御体１１の表面付近に該表面に平行な等電位面１５が形成される。そのうち、イオン導入孔１２の開口付近において、イオン導入孔１２内に引き込まれるような形状の等電位面１５１が形成され、この開口付近に到達したイオンＩは等電位面１５１に垂直な方向の力を受けつつイオン導入孔１２内に入射する（図２）。イオン導入孔１２において、イオン導入孔１２の延びる方向からずれて入射したイオンは、イオン導入孔１２の内壁に非弾性的に衝突して運動エネルギーを失うため、基体Ｓの表面に到達したとしてもエッチングにはほとんど寄与しない。これにより、基体Ｓ表面へのイオンの入射角度のばらつきを小さくし、基体Ｓを高アスペクト比でエッチングすることができる。なお、イオン導入孔１２の内壁に凹凸を設けておけば、イオン導入口１２の内壁に衝突したイオンをより基体Ｓの表面に到達し難くすることができる。
なお、本実施形態における電界制御体１１では、イオン導入孔１２の方向に加えて、電界制御体１１の表面１３がイオン導入孔１２に垂直である（基体Ｓの表面に対しては傾斜している）ことにより、一層、イオンＩをイオン導入孔１２の延びる方向に入射させ易くなっている。
図３に、電界制御体１１につき、縦断面図と合わせて上面図を示す。(a)は電界制御体１１の表面１３におけるイオン導入孔１２の断面を円形にしたものであり、(b)は電界制御体１１の表面１３におけるイオン導入孔１２の断面を溝状にしたものである。
図４に、本実施形態の電界制御体１１を用いて斜めエッチングを行った場合につき、(a)電界制御体１１の表面付近に形成される等電位面及び(b)イオンの軌道の計算結果、並びに(c)基体表面へのイオンの入射角度の計算結果及び実験結果を示す。実験で用いた電界制御体１１の材料はAlでありイオン導入孔１２の径は0.5mm、長さは2.6mm、基体表面の法線に対する角度は45°である。また、プラズマ生成にはSF6ガス及びO2ガスを使用した。計算では、実験条件に対応させて、自己バイアス電圧を-130V、プラズマ密度を4.5×1016m-3、電子温度（エネルギー）を6eVとしてSF2+イオンの軌道を計算した。
図４(a)に示すように、イオン導入孔１２の開口付近において、等電位面１５１はイオン導入孔１２内に引き込まれた形状を有する。(b)に示すように、イオン導入孔１２内におけるイオンの軌道１６は、イオン導入孔１２の延びる方向である基体Ｓの表面の法線に対して45°に近い角度を有する。(c)にはイオン導入孔１２の基体側開口におけるイオンの入射角度の入射位置による違いを実験及び計算で求めた結果を示している。実験値は誤差の範囲内で計算値とよく一致している。実験及び計算を行った全範囲において、入射角は40°〜47°の範囲内にある。
図５に、電界制御体の他の例を示す。(a)に示した電界制御体１１Ａは、上面が基体Ｓと平行であり、イオン導入孔１２Ａが電界制御体上面及び基体Ｓに対して傾斜するように設けられている。電界制御体１１Ａを用いた場合に電界制御体上面付近に形成される等電位面を計算した結果を(b)に示す。等電位面１５Ａのうち、上面側のイオン導入孔１２Ａの開口付近における等電位面１５１Ａがイオン導入孔１２Ａに引き込まれており、各等電位面１５１Ａの底の接線１５２Ａはイオン導入孔１２Ａに対してほぼ垂直になっている。これにより、イオンはイオン導入孔１２Ａに平行に近い角度でイオン導入孔１２Ａ内に導入される。
図６(a)に、イオン導入孔の径が内部で変化する電界制御体の例を示す。この図に示した電界制御体１１Ｂは、電界制御体１１Ａと同様に上面が基体Ｓと平行であり、イオン導入孔１２Ｂが電界制御体上面及び基体Ｓに対して傾斜しているのに加えて、電界制御体の上面側１２１よりも基体側１２２の方がイオン導入孔の径が小さくなっている。このような形状のイオン導入孔１２Ｂを用いることにより、電界制御体の上面側１２１の開口で等電位面１５１Ｂをイオン導入孔１２Ｂ側に深く引き込むことができる（図６(b)）と共に、基体側１２２においてイオンがイオン導入孔の内壁に衝突する入射角度の範囲が広くなるため、入射角度の精度をより高くすることができる。
ここまで、電界制御体の上面がイオン導入孔に対して垂直である例（図４）と基体Ｓの表面に平行である例（図５、６）を示したが、電界制御体の上面の角度はこれらの例に限られず、適宜選択することができる。
図７に、基体Ｓ側の開口から異なる方向に複数本延びているイオン導入孔を有する電界制御体２１の上面図、下面図及び側面図を示す。イオン導入孔２２は、電界制御体２１の基体（図示せず）側の面である下面に１個の開口２２１を有し、基体側開口２２１から電界制御体２１の上面側に向かって３本の孔（第１孔２２Ａ、第２孔２２Ｂ及び第３孔２２Ｃ）が延びた構造を有する。第１孔２２Ａ、第２孔２２Ｂ及び第３孔２２Ｃはいずれも基体の表面及び電界制御体２１の基体側の面の法線に対して同じ角度だけ傾斜している。このようなイオン導入孔２２を用いることにより、第１孔２２Ａ、第２孔２２Ｂ及び第３孔２２Ｃを通して互いに異なる方向にイオンが基体表面に入射するため、それら３方向への斜めエッチングを同時に行うことができる。
なお、図７には１個の開口から３本の孔が延びるイオン導入孔を示したが、２本あるいは４本以上の孔が延びていてもよい。また、図７では３本の孔が電界制御体２１の基体側の面の法線に対して同じ角度だけ傾斜している例を示したが、それら３本（あるいは２本、４本以上）が異なる角度をもって傾斜していてもよい。
図８に、イオン導入孔の開口よりも広い範囲をエッチングするために電界制御体を移動させながらエッチングを行う例を示す。図８(a)に示すように、電界制御体３１に複数のイオン導入孔３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ...を設け、電界制御体３１と基体Ｓの間にマスク１４を配置する。マスク１４にはイオン導入孔の基体Ｓ側の開口よりも広い領域（パターン形成領域１４１）に亘って孔のパターンが形成されている。エッチングを行う際、プラズマを生成したうえでプラズマ中のイオンを基体Ｓ側に引き寄せるように電位差を形成した状態で、電界制御体３１のうちイオン導入孔の基体Ｓ側開口が設けられている部分がパターン形成領域１４１の全体を通過するように１回又は複数回移動させる。これにより、パターン形成領域１４１全体に亘って斜めエッチングを行うことができる。
なお、図８では複数のイオン導入孔を設けた例を示したが、イオン導入孔が１個のみである場合にも同様の操作を行うことができる。また、電界制御体との接触により基体やマスクが破壊されることを避けるため、例えば基体の側方から基体上にオーバーハングさせた支持具を用いて電界制御体をマスクより上方に離して（浮かせて）保持すること等により、基体あるいはマスクと電界制御体の間に隙間を設けてもよい。
図９に、イオンシースの厚さとイオン導入孔の径の関係について計算した結果を示す。ここでは、上面が基体Ｓの表面に平行であって該上面におけるイオン導入孔の断面が溝状である電界制御体を用いた場合を例として、イオンシースの厚さが約2.5mmとなるようにプラズマパラメータを設定し、イオン導入孔の径（溝の幅）が(a)イオンシースの厚みよりも大きい4mmの場合と(b)イオンシースの厚みよりも小さい2mmの場合で比較をおこなった。(a)の場合、等電位面１５ＰＡ（(a-1)）がイオン導入孔の中に大きく引き込まれるため、イオンは電界による孔に平行な（基体表面の法線に対して傾斜した）方向の力を十分に受ける。そのため、イオン軌道１６ＰＡ（(a-2)）を孔の傾斜方向に曲げることができる。それに対して，(b)の場合、等電位面１５ＰＢ（(b-1)）がイオン導入孔の中にほとんど引き込まれず、イオンは孔に平行な方向の力を十分に受けることができない。そのため、イオン軌道１６ＰＢ（(b-2)）が十分に曲がらず、イオンがイオン導入孔の内壁に衝突してしまう。
通常、プラズマエッチングにおけるイオンシースの厚さは約10μm〜10mmの範囲の値であり、ほとんどの場合、マスクの孔の径はイオンシース厚さより小さくなる。従って、マスクの孔自体を基体表面の法線に対して傾斜させてマスクを電界制御体の代わりにするとイオンの軌道を十分に曲げることができないため、マスクの孔とは別に、適切な径を持つイオン導入孔を備えた電界制御体を用いる必要がある。
(2) 本発明に係るフォトニック結晶製造方法の実施形態
図１０〜図１９を用いて、本発明に係るプラズマエッチング方法を用いたフォトニック結晶製造方法の実施形態を説明する。
(2-1) ウッドパイル型３次元フォトニック結晶
図１０(a)に、本発明に係る方法で作製されるフォトニック結晶の一例であるウッドパイル型３次元フォトニック結晶４０の斜視図を示す。ウッドパイル型３次元フォトニック結晶４０はSiやGaAs等の誘電体から成るロッド４１が周期aで略平行に並んだストライプ層４２を有し、ストライプ層４２が積層した構造をとっている。ストライプ層４２は４層周期で同じ構造になるように積層しており、互いに次隣接である4n番目（nは整数、以下同様）のストライプ層４２１のロッド４１と(4n+2)番目のストライプ層４２３のロッド４１は略平行且つ1/2周期ずつずれるように並んでいる。(4n+1)番目のストライプ層４２２のロッド４１と(4n+3)番目のストライプ層４２４のロッド４１の関係も同様である。そして、最隣接のストライプ層４２同士では、ロッド４１は略直交するように配置されている。なお、その交差角が90°から多少ずれたとしても、その積層体は、フォトニックバンドギャップが形成されフォトニック結晶として機能する。
図１０(b)に、(a)とは異なる方向から見た斜視図を示す。この図では、ストライプ層４２に垂直であってロッド４１に角度45°で交差する断面４３を上面として表した。ストライプ層４２１及びストライプ層４２３においては、ロッド４１は図の左上から右下に延びるように形成されていると共に、ロッド４１の間にある空隙４４も図の左上から右下に延びるように形成されている。一方、ストライプ層４２２及びストライプ層４２４においては、ロッド４１及び空隙４４は図の右上から左下に延びるように形成されている。
本実施形態のフォトニック結晶製造方法では、本発明のプラズマエッチング法を用いて断面４３から斜方向に延びる空隙４４を形成することにより、３次元フォトニック結晶４０を製造する。その方法を、図１１及び図１２を用いて説明する。図１１に示した断面は、この方法により製造される３次元フォトニック結晶４０のストライプ層４２に平行な面であり、図１１(a), (b)はストライプ層４２１又は４２３を通る断面を、(c)〜(e)はストライプ層４２２又は４２４を通る断面を、それぞれ表している。
まず、ロッド４１と同じ材料から成る基体Ｓを用意し、基体Ｓの表面に第１マスク４５１を形成する（図１１(a)）。この第１マスク４５１は、図１２(a)に示すように、断面４３においてストライプ層４２１及び４２３内の空隙４４に対応する位置に孔４６１を設けたものである。孔４６１は、ストライプ層に平行な方向に周期a1（例えばエッチング角が基体Ｓの表面に対して45°である場合にはa1=20.5a）で並んでおり、ストライプ層４２１に対応する帯状の領域とストライプ層４２３に対応する帯状領域の間ではa1/2だけずれて配置されている。
次に、基体Ｓの上の第１マスク４５１の近傍に、基体Ｓの上面の法線に対して45°の角度でイオン導入孔４８が延びるように電界制御体４７を配置する。ここで、電界制御体４７は、イオン導入孔４８が図の左上から右下に向かうように配置する。その後、電界制御体４７の上にプラズマを生成し、プラズマと基体Ｓの間に電位差を形成することにより、基体Ｓをエッチングする（第１のエッチング、図１１(b)）。これにより、基体Ｓの表面には、イオン導入孔４８及びマスクの孔４６１を通して左上から右下に指向したイオンが入射し、このイオンの入射方向と同じ方向に延びる空隙４４を有するストライプ層４２１及び４２３が形成される。
次に、第１マスク４５１を除去し、基体Ｓの表面に第２マスク４５２を形成する（図１１(c)）。第２マスク４５２は、ストライプ層４２２及び４２４内の空隙４４に対応する位置に孔４６２を設けたものである（図１２(b)）。次に、基体Ｓの上の第２マスク４５２の近傍に電界制御体４７を配置する。ここで、電界制御体４７は、イオン導入孔４８が図の右上から左下に向かうように配置する。その後、電界制御体４７の上にプラズマを生成し、プラズマと基体Ｓの間に電位差を形成することにより、基体Ｓをエッチングする（第２のエッチング、図１１(d)）。これにより、基体Ｓの表面には、イオン導入孔４８及びマスクの孔４６２を通して右上から左下に指向したイオンが入射し、このイオンの入射方向と同じ方向に延びる空隙４４を有するストライプ層４２２及び４２４が形成される。その後、第２マスク４５２を除去することにより、３次元フォトニック結晶４０が完成する（図１１(e)）。
図１３〜図１５を用いて、本実施形態の方法によりウッドパイル型３次元フォトニック結晶を作製した例を示す。ここでは、基体の材料にSiを用い、周期aを0.59μmとした。図１３は、第１のエッチングを行った後における(a)上面及び(b)縦断面の電子顕微鏡写真である。基体Ｓ上面の法線に対して45°の角度で直線状に空隙４４が形成されている。図１４は、本実施形態の方法により作製されたウッドパイル型３次元フォトニック結晶の上面（図１０の断面４３に相当）の電子顕微鏡写真である。4n番目のストライプ層４２１、(4n+1)番目のストライプ層４２２、(4n+2)番目のストライプ層４２３及び(4n+3)番目のストライプ層４２４がこの順で繰り返すように形成されている。
こうして作製されたウッドパイル型３次元フォトニック結晶につき、上面から光を照射した場合の光の透過率及び反射率の測定値を図１５(a)に、理論値を(b)に、それぞれ示す。測定値と理論値はよく一致している。PBGは波長1.31μm〜1.73μmの範囲で形成されている。
(2-2) ３方向傾斜孔を有する２次元フォトニック結晶の製造方法
図１６に、本実施形態のフォトニック結晶製造方法により作製される３方向傾斜孔を有する２次元フォトニック結晶の一例を示す。３方向傾斜孔２次元フォトニック結晶５０は、誘電体から成る板状の基体Ｓに、この基体Ｓに平行な断面において円形である空孔５２が周期的に形成されたものである(a)。空孔５２は、基体Ｓの表面５３１においては三角格子５４１の格子点５２１上に配置されており、基体Ｓの裏面５３２においては、三角格子５４１の格子点により形成される三角形の重心の直下にある、三角格子５４２の格子点５２２上に配置されている(b)。全ての格子点５２１から同様に、それに最隣接の３個の格子点５２２に向かってそれぞれ１個ずつ、基体Ｓに対して傾斜して延びる斜円柱状の第１空孔柱５２Ａ、第２空孔柱５２Ｂ及び第３空孔柱５２Ｃが形成されている。図１６(b)及び(c)に、第１空孔柱５２Ａ、第２空孔柱５２Ｂ及び第３空孔柱５２Ｃが延びる方向を矢印で示した。これら矢印の表面５３１への射影は、第１空孔柱５２Ａ、第２空孔柱５２Ｂ及び第３空孔柱５２Ｃの間で120°ずつ異なる方向を向いている。
３方向傾斜孔２次元フォトニック結晶５０は、以下の２通りの方法により製造することができる。
(2-2-1) 第１の方法
第１の方法では、基体表面の法線に対して傾斜した１本のイオン導入孔５６１が延びている電界制御体５６（図１７(a-2)）を用いる。イオン導入孔５６１の角度は、プラズマエッチングにより基体Ｓが第１空孔柱５２Ａの延びる方向にエッチングされるように、予備実験により求めておく。まず、三角格子状に孔５５１が設けられたマスク５５を基体Ｓ上に形成する。次に、形成しようとする第１空孔柱５２Ａの延びる方向とイオン導入孔５６１の延びる方向が一致するように、マスク５５の上に電界制御体５６を配置する（図１７(a-1)）。その後、電界制御体５６の上にプラズマを生成し、プラズマと基体Ｓの間に電位差を形成することにより、基体Ｓをエッチングする。これにより、マスク５５の各孔５６１から同じ方向に延びる第１空孔柱５２Ａが形成される。次に、基体Ｓ表面の法線を軸として電界制御体５６を120°回転し（図１７(b)）、基体Ｓをエッチングする。これにより、第２空孔柱５２Ｂが形成される。同様に、電界制御体５６を更に120°回転し（図１７(c)）、基体Ｓをエッチングすることにより、第３空孔柱５２Ｃが形成される。以上により、３方向傾斜孔２次元フォトニック結晶５０を製造することができる。
(2-2-2) 第２の方法
第２の方法では、上述の電界制御体２１と同様に、基体Ｓ側の開口から異なる方向に３本の孔（第１孔５８Ａ、第２孔５８Ｂ及び第３孔５８Ｃ）が延びているイオン導入孔５８を有する電界制御体５７を用いる（図１８）。イオン導入孔のこれら３本の孔が延びる方向は、第１空孔柱５２Ａ、第２空孔柱５２Ｂ及び第３空孔柱５２Ｃが延びる方向に合わせる。本方法では、一部の領域（孔形成領域）５５２に三角格子状に孔５５１が設けられたマスク５５を基体Ｓ上に形成した後、イオン導入孔５８の基体Ｓ側の開口５８１を孔形成領域５５２の位置に合わせるように、電界制御体５７をマスク５５の上に配置する。その後、電界制御体５７の上にプラズマを生成し、プラズマと基体Ｓの間に電位差を形成することにより、基体Ｓをエッチングする。この時、イオンは第１孔５８Ａを通って第１空孔柱５２Ａの延びる方向に、第２孔５８Ｂを通って第２空孔柱５２Ｂの延びる方向に、第３孔５８Ｃを通って第３空孔柱５２Ｃの延びる方向に、それぞれ基体Ｓの表面に入射するため、第１空孔柱５２Ａ、第２空孔柱５２Ｂ及び第３空孔柱５２Ｃが同時に形成される。従って、１回の操作だけで、３方向傾斜孔２次元フォトニック結晶５０を製造することができる。
(2-3) ヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶
図１９に、ヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶の一例を示す。ヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶６０は、基体Ｓの上面に設けられた三角格子状の開口６１から、基体Ｓ上面の法線に対して35°の角度で３方向に延びる孔６２を形成したものである。３方向の孔６２は互いに120°の角度を成す。図１９には、３方向の孔６２が延びる方向を太線で示した。これら３方向の孔６２が基体Ｓの下方に延びることにより、３次元状の周期構造が形成される。
ヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶６０は、より深い孔が形成されることにより３次元状の周期構造が形成されるという点を除いて、３方向傾斜孔２次元フォトニック結晶５０と同様の構成を有する。特に、基体Ｓの表面に三角格子状に配置された開口から３方向の孔が延びているという点で、ヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶６０と３方向傾斜孔２次元フォトニック結晶５０は共通している。従って、ヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶６０は、より深くまでエッチングを行うという点を除いて、３方向傾斜孔２次元フォトニック結晶５０と同様の方法により作製することができる。
ここまではイオン導入孔の傾斜方向が固定された電界制御体を用いる場合について説明したが、図２０に示すように、イオン導入孔の傾斜方向が可変である電界制御体７０を用いてもよい。電界制御体７０は、左右一対の板状の第１枠体７１１及び第２枠体７１２の間に、それら第１枠体７１１及び第２枠体７１２の板に垂直な回動軸を有する羽根板７２を複数、第１枠体７１１及び第２枠体７１２に平行な方向に並べたものである。２枚の羽根板７２、第１枠体７１１及び第２枠体７１２で囲まれた空間がイオン導入孔７３となる。この電界制御体７０では、羽根板７２を回動させることにより、イオン導入孔７３の向きを変化させることができる。
また、図２１に示すように、イオン導入孔の開口面積が可変である電界制御体７０Ａを用いてもよい。電界制御体７０Ａは上述の電界制御体７０と同様の第１枠体７１１Ａ、第２枠体７１２Ａ及び回動軸を有する羽根板７２Ａを備えている。更に、電界制御体７０Ａは、第１枠体７１１Ａ及び第２枠体７１２Ａの互いに対向する面に、羽根板７２Ａが配列された方向に延びるレール７４を有している。２枚の羽根板７２Ａ、第１枠体７１１Ａ及び第２枠体７１２Ａで囲まれた空間がイオン導入孔７３Ａとなる。そして、回動軸は、羽根板７２Ａがレール７４に沿って移動できるように、レール７４に保持されている。電界制御体７０Ａでは、羽根板７２Ａをレール７４に沿って移動させ、羽根板７２Ａの間隔を変更することにより、イオン導入孔７３Ａの開口面積を変化させることができる。なお、電界制御体７０Ａではイオン導入孔７３Ａの開口面積と共に、上述の電界制御体７０と同様にイオン導入孔７３Ａの向きを変化させることもできる。
なお、基体の表面に対して斜め方向にエッチングを行う場合の他、羽根板７２（７２Ａ）を基体の表面に対して垂直にすることにより、アスペクト比を高めることを目的として基体表面に垂直な方向にエッチングを行うこともできる。また、このような垂直方向へのエッチングは、イオン導入孔の傾斜方向や開口面積が可変である場合に限らず行うことができる。即ち、基体の表面に、該基体表面の法線方向に貫通したイオン導入孔を有する電界制御体を配置し、該電界制御体を配置した基体表面にプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成することにより、該基体を基体Ｓに対して垂直な方向に高アスペクト比でエッチングすることができる。このような電界制御体は、エッチングにより所定のパターンを形成する場合には、そのパターン形成のためのマスクの上に配置する。
１１、１１Ａ、１１Ｂ、２１、３１、４７、５６、５７、７０、７０Ａ…電界制御体
１２、１２Ａ、１２Ｂ、２２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、４８、５６１、５８、７３、７３Ａ…イオン導入孔
１２１…電界制御体の上面側
１２２…電界制御体の基体側
１３…電界制御体の表面
１４…マスク
１４１…パターン形成領域
１５、１５Ａ、１５ＰＡ、１５ＰＢ…等電位面
１５１、１５１Ａ…イオン導入孔付近の等電位面
１５２Ａ…等電位面の接線
１６、１６ＰＡ、１６ＰＢ…イオンの軌道
２２１…イオン導入孔の基体側開口
２２Ａ、５８Ａ…第１孔
２２Ｂ、５８Ｂ…第２孔
２２Ｃ、５８Ｃ…第３孔
４０…ウッドパイル型３次元フォトニック結晶
４１…ロッド
４２…ストライプ層
４２１…第１のストライプ層
４２２…第２のストライプ層
４２３…第３のストライプ層
４２４…第４のストライプ層
４３…断面
４４…空隙
４５１…第１マスク
４５２…第２マスク
４６１…第１マスクの孔
４６２…第２マスクの孔
５０…３方向傾斜孔２次元フォトニック結晶
５２…空孔
５２１、５２２…格子点
５２Ａ…第１空孔柱
５２Ｂ…第２空孔柱
５２Ｃ…第３空孔柱
５３１…基体Ｓの表面
５３２…基体Ｓの裏面
５４１、５４２…三角格子
５５…マスク
５５１…マスクの孔
５５２…孔形成領域
５８１…開口
６０…ヤブロノバイト型３次元フォトニック結晶
７１１、７１１Ａ…第１枠体
７１２、７１２Ａ…第２枠体
７２、７２Ａ…羽根板
７４…レール

Claims (15)

  1. 基体を高アスペクト比でエッチングするためのプラズマエッチング方法であって、
    該基体の表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有する電界制御体を、該基体の表面に配置し、
    該電界制御体を配置した基体表面に該プラズマを生成し、
    該プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、
    該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる
    ことにより該基体を高アスペクト比でエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
  2. 前記イオン導入孔が前記電界制御体の表面に対して垂直に延びていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
  3. 前記イオン導入孔の断面が前記電界制御体の表面においてよりも内部においての方が小さいことを特徴とする１又は２に記載のプラズマエッチング方法。
  4. 前記イオン導入孔が、基体側に設けられた１個の開口から異なる方向に複数本延びていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
  5. 前記電位差の形成中に前記電界制御体を前記基体表面に沿って移動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
  6. 前記電界制御体が前記イオン導入孔を複数備えることを特徴とする請求項５に記載のプラズマエッチング方法。
  7. 前記基体表面と前記電界制御体の間に隙間を設けることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
  8. 前記イオン導入孔の前記基体側の開口に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
  9. 前記電界制御体における前記傾斜方向が可変であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
  10. 前記電界制御体における前記イオン導入孔の開口面積が可変であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
  11. 基体を高アスペクト比でエッチングするためのプラズマエッチング装置であって、
    該基体の表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有し、前記基体の表面に配置された電界制御体と、
    該電界制御体を配置した基体表面に該プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
    該プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる電位差形成手段と、
    を備えることを特徴とするプラズマエッチング装置。
  12. 基体を高アスペクト比でエッチングするためのプラズマエッチングによるフォトニック結晶製造方法であって、
    誘電体から成る該基体の表面の一部である孔形成領域に、所定のパターンで多数の孔を設けたマスクを配置し、
    前記基体表面の法線に対して傾斜した方向に貫通する孔であって、かつ、プラズマ中のイオンが形成するイオンシースの厚みよりも大きい径のイオン導入孔を有する電界制御体を、前記基体側の該イオン導入孔の開口を前記孔形成領域の位置に合わせて配置し、
    前記電界制御体を配置した基体の表面に該プラズマを生成し、
    前記プラズマ中のイオンを前記基体側に引き寄せるように該プラズマと該基体の間に電位差を形成し、
    該イオンを前記電位差により前記イオン導入孔を通して該基体表面に入射させる
    ことにより該基体を前記所定のパターンで高アスペクト比のエッチングを行う工程を有することを特徴とするフォトニック結晶製造方法。
  13. 前記エッチングを複数回、各回毎に前記電界制御体の向きを変えて行うことを特徴とする請求項１２に記載のフォトニック結晶製造方法。
  14. a)１回目のエッチングにおいて、
    a-1) 複数の帯状の領域に分けた帯状領域のうち4n番目（nは整数）の帯状領域に孔が周期a1で形成されると共に、(4n+2)番目の帯状領域に孔が周期a1であって帯の長手方向にa1/2だけずれた位置に形成されたマスクを用い、
    a-2) 前記イオン導入孔が前記基体表面の法線に対して帯状領域が延びる方向に第１の角度で傾斜するように前記電界制御体が配置され、
    b) ２回目のエッチングにおいて、
    b-1) 前記帯状領域のうち(4n+1)番目の帯状領域に孔が周期a1で形成されると共に、(4n+3)番目の帯状領域に孔が周期a1であって帯の長手方向にa1/2だけずれた位置に形成されたマスクを用い、
    b-2) 前記イオン導入孔が前記基体表面の法線に対して帯状領域が延びる方向に、前記第１角度とは異なる第２の角度で傾斜するように前記電界制御体が配置される、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のフォトニック結晶製造方法。
  15. 前記イオン導入孔が前記基体表面側に設けられた１個の開口から異なる３方向に延びていることを特徴とする請求項１２に記載のフォトニック結晶製造方法。
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