JP5207365B2 - 強誘電体基板のエッチング方法 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマを利用して強誘電体からなる基板を適正にエッチングすることが可能な強誘電体基板のエッチング方法に関する。
近年、例えば光導波路用の光変調器などにＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の焦電性材料でなる強誘電体基板が用いられている。この強誘電体基板をプラズマ中でエッチングする技術が、例えば特許文献１及び２に記載されている。
特許文献１、２には、アルミニウムから成る基板トレーを用いて、基板電極上に焦電性高誘電材料の基板を装着し、冷却ガスを基板トレーの裏面側に沿って流しながら、プラズマによって基板をエッチングするエッチング装置及び方法が記載されている。
特許文献１、２に記載のエッチング方法においては、基板トレーの上に載置された基板の上面の周縁をクランプリングで押圧することで、基板及び基板トレーを基板電極の上に保持するようにしていた。
焦電性を有する強誘電体基板は、温度変化が生じたときに、基板が有する焦電効果（パイロ電子効果）によって歪みが発生する。クランプリングによって基板を基板トレー上に保持する上記特許文献１、２に記載のエッチング方法においては、基板の周縁がクランプリングで拘束されているため、温度変化によってプロセス中に基板が割れる場合が多い。したがって、この種の強誘電体基板を適正にエッチングすることが困難であるという問題がある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、プロセス中の基板の割れを抑制することができる強誘電体基板のエッチング方法を提供することにある。
本発明の一形態に係る強誘電体基板のエッチング方法は、真空チャンバ内に設置されたステージの上にトレーを介して強誘電体材料でなる基板を載置することを含む。上記トレーの周縁は、クランプ機構によって上記ステージに保持される。上記基板は、当該基板と上記ステージの間に静電力を発生させることで、上記トレー上に保持される。上記トレーは、当該トレーに冷却ガスを接触させることで冷却される。上記基板は、上記真空チャンバ内にプラズマを発生させることでエッチングされる。
本発明の他の形態に係る強誘電体基板のエッチング方法は、真空チャンバ内に設置されたステージの上にトレーを介して強誘電体材料でなる基板を載置することを含む。上記トレーおよび上記基板は、上記ステージに設置された静電チャックによって上記ステージに保持される。上記トレーは、上記トレーに冷却ガスを接触させることで冷却される。上記基板は、上記真空チャンバ内にプラズマを発生させることでエッチングされる。
本発明の一実施形態に係る強誘電体基板のエッチング方法は、真空チャンバ内に設置されたステージの上にトレーを介して強誘電体材料でなる基板を載置することを含む。
上記トレーの周縁は、クランプ機構によって上記ステージに保持される。
上記基板は、当該基板と上記ステージの間に静電力を発生させることで、上記トレー上に保持される。
上記トレーは、当該トレーに冷却ガスを接触させることで冷却される。上記基板は、上記真空チャンバ内にプラズマを発生させることでエッチングされる。
上記エッチング方法において、トレー上の基板は、ステージとの間の静電力によって保持される。したがって、基板の位置決めにクランプ機構が不要となるため、プロセス中の温度変化に起因する基板の割れを抑制することが可能となる。これにより、強誘電体基板を適正にエッチングすることが可能となる。
上記トレーの周縁は、クランプ機構によって上記ステージに保持される。
上記基板は、当該基板と上記ステージの間に静電力を発生させることで、上記トレー上に保持される。
上記トレーは、当該トレーに冷却ガスを接触させることで冷却される。上記基板は、上記真空チャンバ内にプラズマを発生させることでエッチングされる。
上記エッチング方法において、トレー上の基板は、ステージとの間の静電力によって保持される。したがって、基板の位置決めにクランプ機構が不要となるため、プロセス中の温度変化に起因する基板の割れを抑制することが可能となる。これにより、強誘電体基板を適正にエッチングすることが可能となる。
上記エッチング方法において、前記静電力は、前記ステージに高周波電力を印加することで前記基板と前記ステージの間に発生させられることができる。
上記高周波電力は、プラズマ中のイオンを基板側へ引き込むバイアス電力として機能させることができる。これにより、基板の保持機能とともにエッチングレートの向上も図れるようになる。
上記高周波電力は、プラズマ中のイオンを基板側へ引き込むバイアス電力として機能させることができる。これにより、基板の保持機能とともにエッチングレートの向上も図れるようになる。
上記エッチング方法において、前記基板は、焦電性の強誘電体材料で構成することができる。
これにより、プロセス時における焦電効果による基板の割れを抑制して、焦電性の強誘電体基板を適正にエッチングすることが可能となる。
これにより、プロセス時における焦電効果による基板の割れを抑制して、焦電性の強誘電体基板を適正にエッチングすることが可能となる。
本発明の他の実施形態に係る強誘電体基板のエッチング方法は、真空チャンバ内に設置されたステージの上にトレーを介して強誘電体材料でなる基板を載置することを含む。
上記トレーおよび上記基板は、上記ステージに設置された静電チャックによって上記ステージに保持される。
上記トレーは、上記トレーに冷却ガスを接触させることで冷却される。
上記基板は、上記真空チャンバ内にプラズマを発生させることでエッチングされる。
上記エッチング方法において、トレー上の基板は、ステージに設置された静電チャックによって保持される。したがって、基板の位置決めにクランプ機構が不要となるため、プロセス中の温度変化に起因する基板の割れを抑制することが可能となる。これにより、強誘電体基板を適正にエッチングすることが可能となる。
上記トレーおよび上記基板は、上記ステージに設置された静電チャックによって上記ステージに保持される。
上記トレーは、上記トレーに冷却ガスを接触させることで冷却される。
上記基板は、上記真空チャンバ内にプラズマを発生させることでエッチングされる。
上記エッチング方法において、トレー上の基板は、ステージに設置された静電チャックによって保持される。したがって、基板の位置決めにクランプ機構が不要となるため、プロセス中の温度変化に起因する基板の割れを抑制することが可能となる。これにより、強誘電体基板を適正にエッチングすることが可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による強誘電体基板のエッチング方法を実施するためのエッチング装置の概略構成図である。図示するエッチング装置は、ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）型のプラズマエッチング装置として構成されている。
図１は、本発明の第１の実施の形態による強誘電体基板のエッチング方法を実施するためのエッチング装置の概略構成図である。図示するエッチング装置は、ＮＬＤ（磁気中性線放電：magnetic Neutral Loop Discharge）型のプラズマエッチング装置として構成されている。
エッチング装置１１は、真空槽２１を備えている。真空槽２１の内部には、プラズマ形成空間２１ａを含む真空チャンバが形成されている。真空槽２１にはターボ分子ポンプ等の真空ポンプＰが接続され、真空槽２１の内部が所定の真空度に真空排気されている。
プラズマ形成空間２１ａの周囲は、真空槽２１の一部を構成する筒状壁２２によって区画されている。筒状壁２２は、石英等の透明絶縁材料で構成されている。筒状壁２２の外周側には、第１の高周波電源ＲＦ１に接続されたプラズマ発生用の高周波コイル（アンテナ）２３と、この高周波コイル２３の外周側に配置された三つの磁気コイル群２４（２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ）がそれぞれ配置されている。なお、高周波コイル２３は電場発生手段を構成し、磁気コイル群２４は磁場発生手段を構成している。
磁気コイル２４Ａと磁気コイル２４Ｃにはそれぞれ同一方向に電流が供給され、磁気コイル２４Ｂには他の磁気コイル２４Ａ、２４Ｃと逆方向に電流が供給される。その結果、プラズマ形成空間２１ａにおいて、磁場ゼロとなる磁気中性線２５が環状に連続して形成される。そして、高周波コイル２３により磁気中性線２５に沿って誘導電場（高周波電場）が形成されることで、プラズマ形成空間２１ａに導入されたガスのプラズマが発生する。
特に、ＮＬＤ方式のプラズマエッチング装置においては、磁気コイル２４Ａ〜２４Ｃに流す電流の大きさによって、磁気中性線２５の形成位置および大きさを調整することができる。すなわち、磁気コイル２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃに流す電流をそれぞれＩＡ、ＩＢ、ＩＣとしたとき、ＩＡ＞ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ｃ側へ下がり、逆に、ＩＡ＜ＩＣの場合は磁気中性線２５の形成位置は磁気コイル２４Ａ側へ上がる。また、中間の磁気コイル２４Ｂに流す電流ＩＢを増していくと、磁気中性線２５のリング径は小さくなると同時に、磁場ゼロの位置での磁場の勾配が緩やかになる。これらの特性を利用することで、プラズマ密度分布の最適化を図ることができる。
一方、真空チャンバの内部には、強誘電体材料でなる基板Ｗ及び金属材料でなるトレー２３を支持するステージ２６が設置されている。本実施形態では、基板Ｗとしてニオブ酸リチウム基板が用いられている。ステージ２６は導電体で構成されており、コンデンサ２７を介して第２の高周波電源ＲＦ２に接続されている。
プラズマ形成空間２１ａの上部には、天板２８が設置されている。天板２８の近傍には、真空槽２１の内部にプロセスガスを導入するためのガス導入部材３０が設置されている。エッチング用のガス（エッチャント）としては、例えば、ＳＦ６、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３等のフッ素含有ガス、あるいは、これらフッ素含有ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いることができる。エッチングガスにＣ３Ｆ８を用いることにより、比較的高いエッチングレートを得ることができる。
図２は、ステージ２６の拡大断面図である。ステージ２６の上面には、トレー３２を位置決めするためのガイドリング３１が設置されている。ガイドリング３１は、例えばアルミナで構成されている。
トレー３２は、例えばアルミニウムなどの金属材料でなり、その基板Ｗを支持する面内には複数の貫通孔３２ａが形成されている。トレー３２の下面とステージ２６の上面との間には所定の間隙Ｇが形成されている。間隙Ｇには、トレー３２及び基板Ｗを冷却するためのガスが導入される。間隙Ｇに導入された冷却ガスは、トレー３２の下面側から貫通孔３２ａを介して上面側へ至ることで、基板Ｗを冷却する。
冷却ガスにはヘリウム（Ｈｅ）を用いることができる。冷却ガスは、ステージ２６に形成された通路２６ａを介して間隙Ｇへ導入される。通路２６ａは、ステージ２６の軸部を介してマスフローコントローラ３６及びガスボンベ３５に接続されている。マスフローコントローラ３６は、図示しない制御ユニットによって構成される。上記制御ユニットは、基板Ｗのエッチング時、プロセスの全期間にわたって常に同一の流量で冷却ガスを流すように構成されていてもよいし、エッチングの進行に応じて冷却ガスの導入量を変化させるように構成されていてもよい。
トレー３２の上面周縁部はクランプリング３３によって押圧されている。これにより、トレー３２は、ステージ２６の上面に機械的に保持される。クランプリング３３は、クランプ機構の一具体例であり、ステージ２６の上面に対して昇降自在に構成されている。クランプリング３３は、トレー３２の周縁全域にわたって押圧する構成でもよいし、トレー３２の周縁の複数箇所を部分的に押圧する構成でもよい。クランプリング３３は、アルミナ等の絶縁性の金属酸化物材料で構成されることにより、エッチングによる損耗が抑制される。
基板Ｗは、ステージ２６と基板Ｗとの間に発生する静電力によって、トレー３２上に保持される。本実施形態では、ステージ２６に第２の高周波電源ＲＦ２の高周波電力を供給することによって、強誘電体でなる基板Ｗに誘電分極を生じさせて、ステージ２６との間に所定の静電力を生じさせる。この静電力は、ステージ２６へ供給される高周波電力の大きさによって変化する。上記高周波電力の大きさは特に限定されず、基板Ｗの大きさ等に応じて適宜設定可能である。例えば、基板Ｗの直径が４インチ（約１０ｃｍ）の場合、８０Ｗ以上４００Ｗ以下のバイアスパワーとすることができる。
上述のように本実施形態では、基板Ｗは、ステージ２６へ印加されるバイアス電力によってトレー３２及びステージ２６の上面に保持される。これにより、基板Ｗは、クランプリング３３と接触することなく、トレー３２の上に保持される。
次に、以上のように構成されるエッチング装置１１を用いた強誘電体基板のエッチング方法について説明する。
ステージ２６の上面にトレー３２が載置される。トレー３２は、ガイドリング３１のガイド機能によってステージ２６の上面の所定位置に配置される。その後、クランプリング３３によって、トレー３２の上面の周縁部がステージ２６に向けて押圧される。これにより、トレー３２は、ステージ２６の上面に保持される。
基板Ｗは、トレー３２の上面に載置される。基板Ｗは、上述のようにしてステージ２６の上面に保持されたトレー３２の上に、図示しない基板搬送ロボットを介して載置することができる。あるいは、基板Ｗが載置されたトレー３２を上記基板搬送ロボットによってステージ２６の上に搬送するようにしてもよい。
基板Ｗがトレー３２の上に載置された後、第２の高周波電源ＲＦ２からステージ２６へ所定の高周波電力が供給される。これにより、基板Ｗは誘電分極し、金属材料でなるトレー３２を介してステージ２６の上面に吸着される。
次に、プラズマ形成空間２１ａ内が所定の真空度に真空排気される。その後、ガス導入部材３０を介してＣ３Ｆ８などのエッチングガスが導入される。そして、第１の高周波電源ＲＦ１から高周波コイル２３へ所定の高周波電力が供給されるとともに、磁気コイル群２４へ所定の大きさの電流が供給される。これにより、プラズマ形成空間２１ａに環状の磁気中性線２５が形成されるとともに、この磁気中性線２５に沿って誘導電場（高周波電場）が形成されることで、エッチングガスの放電プラズマが発生される。
プラズマ中の陽イオンは、ステージ２６へ印加される高周波バイアスを受けて、ステージ２６へ向けて周期的に引き付けられる。その結果、ステージ２６上の基板Ｗは、ステージ２６へ印加される高周波バイアスによってステージ２６上に保持されるとともに、プラズマ中のイオンの照射を受けて表面がエッチングされる。基板Ｗのエッチングには、基板Ｗの全面のエッチングのほか、図示しないエッチングマスクを介してのパターンエッチングが含まれる。
エッチングプロセス中における基板Ｗの所定温度以上の加熱を抑制するため、基板Ｗは冷却ガスによって冷却される。冷却ガスは、ステージ２６とトレー３２の間の間隙Ｇに所定の流量で導入される。トレー３２は、冷却ガスとの接触により冷却される。また、基板Ｗは、冷却されたトレー３２との接触、及び、トレー３２の貫通孔３２ａを介して導入される冷却ガスとの接触によって、冷却される。
上述のように、本実施形態においては、基板Ｗは、ステージ２６との間で発生する静電力によってステージ２６の上に保持される。これにより、プロセス中に基板温度が変化したとしても、基板Ｗは分極の形態を異ならせて変形することが可能となる。したがって、プロセス中の温度変化に起因する基板Ｗの割れが抑制されて、焦電性を有する強誘電体基板を適正にエッチングすることが可能となる。
図３は、比較例として示す基板の保持構造を示している。図３において、図２と対応する部分については同一の符号が付されている。図３に示す基板保持構造では、クランプリング３３Ａは基板Ｗの上面の周縁部を押圧することで、基板Ｗをトレー３２と共にステージ２６の上面に保持するようにしている。このような基板の保持方法においては、プロセス中に基板温度が変化した場合、クランプリング３３Ａの拘束力に抗して基板Ｗが焦電効果によって変形しようとする。その結果、基板Ｗの割れの発生が回避できなくなる。
また、ステージ２６へ印加する高周波バイアス（ＲＦ２）のパワーが大きくなるに従い、基板Ｗに対するイオンの入射エネルギーが高まることになる結果、基板Ｗのエッチングレートが向上する。しかしその反面、イオンとの衝突による基板Ｗの加熱量が増加する傾向にある。また、バイアスパワーの増加によって強誘電体基板の有する圧電特性によって基板Ｗの変形量が大きくなる。したがって、基板に作用するバイアス電力の大きさによっては、クランプリング３３Ａによる機械的拘束に起因して基板Ｗに割れが生じ易い。
図４は、図２に示した本実施形態の基板保持構造と図３に示した比較例の基板保持構造との各々について、ステージ２６へ印加するバイアスパワーと基板の割れの有無の関係を調べた一実験結果を示している。用いた基板サンプルは、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板であり、その大きさは４インチ（約１０ｃｍ）とした。
図４の結果から明らかなように、バイアスパワーが８０Ｗ、１５０Ｗの場合、本実施形態及び比較例のいずれの基板保持構造においても基板の割れは認められなかった。しかし、バイアスパワーが３５０Ｗ以上になると、比較例に係る基板保持構造では基板の割れが認められた。一方、本実施形態の基板保持構造によれば、バイアスパワーを４００Ｗに上昇させても、基板の割れは認められなかった。
以上のように、本実施形態によれば、基板Ｗの位置決めにクランプ機構が不要となるため、プロセス中の温度変化に起因する基板の割れを抑制することが可能となる。これにより、強誘電体材料でなる基板Ｗを適正にエッチングすることができるとともに、エッチングレートの向上を図ることが可能となる。
また、本実施形態においては、ステージ２６へ高周波電力を印加し、基板Ｗとステージ２６の間に所定の静電力を発生させることで、基板Ｗをステージ２６の上に吸着、保持するようにしている。この静電力は、基板Ｗの裏面側に導入される冷却ガスの漏れを抑制する機能をも果たす。
図５は、図２に示した本実施形態の基板保持構造におけるある条件下において測定した冷却ガス（Ｈｅガス）の漏れ量の一例を示している。図５に示したように、ステージ２６へ印加する高周波電力（ＲＦ２）がオフの場合の漏れ量に比べて、当該高周波電力（ＲＦ２）がオンの場合の漏れ量の方が格段に少ないことがわかる。
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態による強誘電体基板のエッチング方法を実施するためのエッチング装置の概略構成図である。図において上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。図示するエッチング装置４１は、上述の第１の実施の形態と同様、ＮＬＤ型のプラズマエッチング装置として構成されている。
図６は、本発明の第２の実施の形態による強誘電体基板のエッチング方法を実施するためのエッチング装置の概略構成図である。図において上述の第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。図示するエッチング装置４１は、上述の第１の実施の形態と同様、ＮＬＤ型のプラズマエッチング装置として構成されている。
本実施の形態では、真空チャンバ２１ａ内に設置されたステージ４２の上にトレー３２を介して強誘電体材料でなる基板Ｗが載置される。トレー３２および基板Ｗは、ステージ４２に設置された静電チャック４３によって上記ステージに保持される。トレー３２は、冷却ガスとの接触によって冷却される。基板Ｗは、プラズマ形成空間２１ａ内にプラズマを発生させることでエッチングされる。
本実施形態においては、静電チャック４３によって強誘電体基板でなる基板Ｗ及び金属製のトレー３２をステージ４２上に保持するようにしている。これにより、基板Ｗをクランプリング３３によって機械的に保持する構成と異なり、エッチングプロセス中における強誘電体材料でなる基板の割れを効果的に抑制することが可能となる。
静電チャック４３は単極型でもよいし双極型でもよい。静電チャック４３による基板保持作用を確実にするために、基板Ｗの裏面にアルミニウム等の金属膜を形成するようにしてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば以上の実施の形態では、強誘電体基板としてニオブ酸リチウム基板を用いたが、これに限られず、タンタル酸リチウム（ＬＴ）基板やチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）基板などの他の強誘電体基板を用いても同様の効果を得ることができる。
また、以上の実施の形態では、ＮＬＤ型のエッチング装置を例に挙げて説明したが、勿論これに限られず、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）型エッチング装置、ＣＣＰ（容量結合プラズマ）型エッチング装置、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）型エッチング装置などの他のプラズマエッチング装置を用いて本発明を実施してもよい。
さらに、ステージ２６へ直流バイアスを印加することで強誘電体基板を保持することも可能である。
１１、４１ エッチング装置
２１ 真空槽
２１ａ プラズマ形成空間
２３ 高周波コイル
２４ 磁気コイル群
２５ 磁気中性線
２６ ステージ
３２ トレー
３３ クランプリング
４２ ステージ
４３ 静電チャック
２１ 真空槽
２１ａ プラズマ形成空間
２３ 高周波コイル
２４ 磁気コイル群
２５ 磁気中性線
２６ ステージ
３２ トレー
３３ クランプリング
４２ ステージ
４３ 静電チャック
Claims (3)
- 真空チャンバ内に設置されたステージの上に金属製のトレーを介して焦電性の強誘電体材料でなる基板を載置し、
クランプ機構によって前記トレーの周縁を前記ステージに保持し、
前記ステージに高周波電力を印加し前記基板に誘電分極を生じさせて前記基板と前記ステージとの間に静電力を発生させることで、前記基板を前記トレーに保持し、
前記トレーに冷却ガスを接触させることで、前記トレーを冷却し、
前記真空チャンバ内にプラズマを発生させることで、前記基板をエッチングする
強誘電体基板のエッチング方法。 - 真空チャンバ内に設置されたステージの上に金属製のトレーを介して焦電性の強誘電体材料でなる基板を載置し、
前記ステージに設置された静電チャックによって前記基板に誘電分極を生じさせて前記基板と前記ステージとの間に静電力を発生させることで、前記トレー及び前記基板を前記ステージに保持し、
前記トレーに冷却ガスを接触させることで、前記トレーを冷却し、
前記真空チャンバ内にプラズマを発生させることで、前記基板をエッチングする
強誘電体基板のエッチング方法。 - 請求項２に記載の強誘電体基板のエッチング方法であって、
前記基板の前記トレーと対向する面には金属膜が形成される
強誘電体基板のエッチング方法。
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