JPH04160019A - ガラスパターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光学・電子デバイスを作成する際のガラスパ
ターンの形成方法に関するものである。

（従来の技術） 石英ガラスを代表とする機能性ガラスは、近年の技術革
新を支える素材の１つとして欠くことのできないもので
ある。又、素子、デバイスの小型化と共に、ガラスパタ
ーンのミクロンオーダーからオングストロームオーダー
迄の微細加工技術の要請も増すばかりである。

機能性ガラスの合成法としては、通常の溶融法に加え、
蒸着法、スパッタ（Ｓ　Ｐ）法、化学気相反応（ＣＶＤ
）を利用する気相法、溶液のゾル及びゲルを利用するゾ
ル−ゲル法、更に、溶融法の一種である急速に融液な冷
却する超急冷法等が挙げられる。

以上の様な手段で作製される機能性ガラスに関して、例
えば、ＩＣ基板用として微細加工を行う場合には、いわ
ゆるマイクロ加工技術が必要とされるが、従来、量産性
に適するフォトリソ法がその代表格であった。

（発明が解決しようとしている課題） しかしながら、このフォトリソ法でガラスパターンを形
成する為には、先ずガラス面の洗浄、ベーキング、レジ
スト塗布を行い、溶媒蒸発後にはパターンに切られたフ
ォトマスクでの露光、現像、ボストベークを行い、その
後、不要ガラス部のエツチング、残存レジスト膜除去と
いった複数の複雑な工程を必要とした。

更にこの方法では、レジスト膜自体のピンホールによる
欠陥（但し、逆に厚すぎると回折、コリメーション不良
を起こし、解像度が減少する）や、レジスト−マスクの
密着性不良の為の光の回折、エツチングの際のアンダー
カット、オーバーエッチ、又、マスク精度が低いことに
よる解像不良といった微細化を妨げる要因も多い。

従って、本発明の目的は、上記従来の問題点を解消し、
光学・電子デバイスを作製する際のガラス、特に石英ガ
ラスパターンのマイクロ加工法として、従来のフォトリ
ソ法に比べてより少ない工程数で、しかも高い加工精度
を達成することが可能なガラスパターンの形成方法を提
供することにある。

（問題点を解決する為の手段） 上記目的は以下の本発明によって達成される。

即ち、本発明は、Ｓｉ系超微粒子を膜状堆積させる工程
と、該堆積膜を選択的に酸化することで部分的にガラス
化させる工程とを含むことを特徴とするガラスパターン
の形成方法である。

（作　用） Ｓｉ系超微粒子を基板上に膜状堆積させた後、レーザー
ビーム照射等により選択的に照射部分のＳｉ系超微粒子
を酸化することで、Ｓｉ系超微粒子堆積膜を部分的にガ
ラス化し、その後未処理のＳｉ系超微粒子を除去し、微
細ガラスパターンを形成させる。

（好ましい実施態様） 以下、本発明の構成について詳細を示す。

本発明のパターン形成方法は、第１図（ａ）に示したＳ
ｉ系超微粒子２を基板１上に膜状堆積させる第１の工程
と、第１図（ｂ）に示した該堆積膜を選択的に酸化処理
することによりその部分４をガラス化させる第２の工程
の大きく２つの工程から成る。

尚、最後に未処理のＳｌ系超微粒子部分（酸化処理によ
りガラス化していない残部）を、エツチング除去する工
程（第１図（Ｃ））が必要である。

第１の工程で作成されるＳｉ系超微粒子２は、水素を数
％以上、好ましくは１０％以上含有したものであって、
粒径が１００Å以下に制御されたものが望ましい、又、
その作成法としては、種々の手段が適用可能であるが、
特に、気相法が均質で更に粒子の密着性に優れた堆積膜
を得ることが出来るので望ましい。

本発明に用いるＳｌ超微粒子膜の作成法の例として、第
２図にマイクロ波プラズマＣＤＶ法の装置であって、微
粒子をビーム化するノズルを具備した装！を示す。

先ず、原料として３　ｉ　Ｈ４ガスをＨ富等のキャリア
ガスと共にガス導入口１２より送り込み、反応室である
空胴共振器６内でマイクロ波によりプラズマを発生させ
て、原料ガスの分解反応を起こさせ、Ｓｉ微粒子を形成
する。この微粒子は、−部未反応の気体状の活性種と共
に、磁気コイル９を配した縮小拡大ノズル１１から下流
室５ヘビーム状に噴出され、ホルダーに担持された基板
１上に吹き付けられ、固定及び堆積される。この際の下
流室５は、通常１０−”　ｔｏｒｒ以下程度の低圧で、
ノズル上流側との圧力比は、数１０〜１００程度である
ことが望ましい。

又、原料ガスについては、上記のＳｉ　Ｈ４だけでな（
、通常Ｓｔの成膜に使われるシラン誘導体、例えば、５
ｉｔＨｓやＳｉＦ、等も使用可能である。

第２の工程においては、この様にして作成したＳＬ微粒
子堆積膜を、所望のパターンとなる様に選択的にレーザ
ービーム照射等で酸化し、その部分をガラス化させる。

この様にして作成されたガラスパターンは、同様に低温
成長で膜作成されるスパッタ法や蒸着法によるＳｉＯ□
膜と比べ、緻密で絶縁性の非常に高い良質なものになる
。

上記のＳｔ系機微粒子堆積膜酸化に用いる、例えば、レ
ーザー光を用いた加工機の概略としては、レーザー源集
光レンズ、駆動系を備えた試料台、試料観測用顕微鏡と
から成る。又、レーザー光の走査は、試料台に具備した
精密な駆動系で行われる。

又、Ｓｉ超微粒子のガラス化に必要な温度は、超微粒子
という形態の為、バルクよりずっと低くて十分である。

又、加熱雰囲気中に含まれる水蒸気により酸化が加速さ
れる。更に、Ｓｉ超微粒子に含まれる水素が酸化プロセ
スに関与していると考えられる。

即ち、Ｓｉと結合している水素原子が水蒸気により酸化
して解離し、余ったＳｉの結合手に酸素が結合し、ＳＬ
系超超微粒子酸化してゆくと推測される。又、この反応
は十分低温でも進行し、時間をかければ常温でも酸化が
行われる。ＳＬ系超超微粒子粒径が小さければ小さい程
、表面に存在する水素原子の割合が多くなる為容易に酸
化されるが、粒径が小さ（なり過ぎて連続膜と見なせる
様になってしまうと、バルクと同じ酸化速度に低下して
しまう。

又、Ｓｉ超微粒子の堆積膜は熱伝導性が悪い為、レーザ
ー光による熱が基板方向や膜面内方向に逃げに（（、レ
ーザー照射部のみが効率よ（加熱処理される。

レーザーパワーは大きい方が短時間で酸化処理が完了す
る為、スループットの向上に有効であるが、例えば、エ
キシマレーザ−の様な大パワーレーザーの照射は、超微
粒子の溶融蒸発を引き起こす為、好ましくない。

又、レーザー照射部の温度は、 に比例する為、所望の温度に合わせてレーザーパワーと
照射時間が選ばれる。又、使用するレーザー波長はＳｉ
超微粒子の吸収が大きい６００ｎｍ以下が好ましい。従
って、６００ｎｍ以下の波長で比較的大出力の得られる
アルゴンレーザー、クリプトンレーザー、Ｈｅ−Ｃｄレ
ーザー等が適する。

この様な水蒸気雰囲気中でのレーザー光照射により、Ｓ
ｉ超微粒子は酸化され、粒子同士の境界が融合しガラス
状のＳ　ｉ　Ｏ＊薄膜に変化する。この形成されたガラ
ス薄膜は酸化処理中の水蒸気を多量に含んでいる為、レ
ーザー処理によるガラス化後に不要なレーザー未照射部
を除去した後に、１５０℃以上の低温で熱処理し、含有
水分を蒸発させる。

以上の本発明方法によりパターン状に形成されたガラス
膜は、低い温度で成膜したスパッタ膜や蒸着膜に比べ欠
陥が少ない緻密な膜となる。

（実施例） 次に実施例に基づき、更に具体的に説明する。

実施例１ シリコンウェハー上に、Ｓ　ｉ　Ｏ＊ガラスの微細加工
を施したＩＣ用ガラス基板を以下の工程により作成した
。

シリコンウェハー上にＳｉ系超微粒子堆積膜を、第２図
のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて成膜した。

先ず、原料ガスとして、Ｈ２９７％とＳ　ｉ　Ｈ４３％
の混合ガスを、ガス導入口１２よりｌ　ＯＯ３ＣＣＭ流
し、次に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管１０及
び石英窓７を介して投入し、反応室である空胴共振器６
内でプラズマを発生させ、原料ガスを分解し、生成した
微粒子をノズル１１を介してシリコンウニへ−基板１上
に厚み０．５μｍとなるまで堆積させた（第３図（ａ）
）。

尚、この際の基板温度は室温であった。

得られたＳｉ系超微粒子堆積膜は、透過型電子顕微鏡（
ＴＥＭ）及び電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ
）により観察したところ、均質な球形であり、平均粒径
４５人程度の粒子が密に堆積した構造であった。

続いて、５０℃、８０％ＲＨの雰囲気中でＡｒレーザー
（波長４８８　ｎｍ）を用いて、加工寸法５μｍ幅のガ
ラスパターンを形成した。その際のレーザーパワーは２
００ｍＷとし、スポット径は５μｍに集束させ、６ｍｍ
／１Ｉｌｉｎの速度で基板を駆動し、レーザー照射によ
る酸化処理を行った。

以上の様にしてガラスパターンを形成後、未処理の不要
なＳｉ系超微粒子は、水酸化カリウム水溶液でエツチン
グ除去後、洗浄した。その後これを２５０℃で２時間加
熱し脱水した。

以上の方法で作製されたＩＣ用ガラス基板を、ＦＥ−３
ＥＭにより観察した結果、所望のガラスパターンが欠陥
もなく、きれいに形成されたものとなっており、性能上
優れたＩＣ用基板であった。

実施例２ シリコンウェハー上に、Ｓ　ｉ　ＯＩガラスの微細加工
を施したＩＣ用ガラス基板を、レーザーでの熱処理工程
の際、Ａｒ”気体レーザー（発振波長０、４８８　ｕｍ
）の連続波（ＣＷ）を用いて、チョッパーでＩＫＨｚに
パルス化して照射した以外は実施例１と同様の方法によ
り作成した。

作成されたＩＣ用ガラス基板を、ＦＥ−３ＥＭにより観
察したところ、所望のガラスパターンが欠陥もなく、き
れいに形成されたものとなっており、性能上優れた基板
であった。

実施例３ シリコンウェハー上に、４分岐回路の３次元（チャンネ
ル型）ガラス光導波路を作成した。

その際の光導波路コア部（ＳｉＯ＝ガラス）の形成は、
実施例１と全く同様の方法で行い、厚さ及び幅は２μｍ
程度のものとした（第４図（ａ））、続いて、Ｂ、０．
を８　ｍｏ１％ドープしたＳｉＯ＊ガラスのブラッド部
１４を形成した。

その形成方法は、Ｓ　ｉ　Ｈ４／　Ｂｚ　Ｈａ　／　Ｈ
ｚ系ガスを用いたマイクロ波プラズマＣＶＤで、５Ｌ−
Ｂ系超微粒子１３を１μｍの厚みに堆積後（第４図（ｂ
））、スポット径４μｍのレーザーを照射させる以外は
上記コア部と同様の条件で、ガラス化した後、未照射の
不要部分Ｓｉ系超微粒子をエツチング除去後、洗浄した
（第４図（ｃ））。

得られた光導波路は、コア屈折率が１．４６、ブラッド
部属折率が１．４２のステップ型のものとなり、非常に
光損失の少ない光デバイスとなった。

（発明の効果） 以上の様に、本発明方法は、Ｓｉ系超微粒子を膜状堆積
させた後、該堆積膜を選択的に熱処理しその部分をガラ
ス化させるという大きくは２工程で、精度よく石英ガラ
スの微細加工をすることが可能であり、従来のフォトリ
ソ法で微細加工をする場合と比べ、複雑な複数の工程を
必要とせず、作業性、経済性に優れる。

又、Ｓｉ系超微粒子の粒径を１００Å以下とし、更に、
熱処理方法として、最適条件を選んでのレーザービーム
照射を採用することにより特に優れた微細ガラスパター
ンが得られる。

更に、本発明方法では、ガラスパターン形成の際に部分
的な熱処理だけで済み、デバイス全体を高温処理する必
要がない為、使用することが可能な基板材料の範囲も広
げることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガラスパターン形成方法を示す概略図
であり、第２図は、本発明方法に用いられるＳｉ超微粒
子堆積膜の作成装置の一例を示す概略図である。第３図
は、本発明の実施例１及び２の、ＩＣガラス基板のガラ
ス微細加工方法を具体的に示す概念図であり、第４図は
、本発明の実施例３の、４分岐３次元ガラス光導波路の
ガラス微細加工方法を具体的に示す概念図である。 ｌ二基板　　　　　　２二Ｓｔ超微粒子３：レーザー光
　　　４：石英ガラス ５：下流室　　　　　６：空胴共振器 ７：石英窓　　　　　８：排気バイブ ９：磁石　　　　　ｌＯ：マイクロ波導波管１１：縮小
拡大ノズル１２：ガス導入口１３：５ｉ−Ｂ系超微粒子 １４：ＳｉＯｘ　−Ｂｘ　Ｏｓガラス 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｓｉ系超微粒子を膜状堆積させる工程と、該堆積
   膜を選択的に酸化することで部分的にガラス化させる工
   程とを含むことを特徴とするガラスパターンの形成方法
   。
2. （２）酸化をレーザービーム照射で行う請求項１に記載
   のガラスパターンの形成方法。
3. （３）Ｓｉ系超微粒子が水素を含有したものである請求
   項１に記載のガラスパターンの形成方法。
4. （４）Ｓｉ系超微粒子の大きさが１００Å以下である請
   求項１に記載のガラスパターンの形成方法。
5. （５）Ｓｉ系超微粒子を気相法で形成する請求項１に記
   載のガラスパターンの形成方法。（６）Ｓｉ系超微粒子
   をノズルより噴出させて膜状堆積させる請求項１に記載
   のガラスパターンの形成方法。