TWI406329B - 團簇噴射式加工方法、半導體元件、微機電元件及光學零件 - Google Patents

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Takehiko Senoo
Yu Yoshino
Shuhei Azuma
Jiro Matsuo
Toshio Seki
Satoshi Ninomiya
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Description

團簇噴射式加工方法、半導體元件、微機電元件及光學零件
本發明係關於一種使用由反應性氣體形成的反應性團簇而加工試料表面的團簇噴射式加工方法，及藉由使用反應性團簇的加工方法製造的半導體元件、微機電元件及光學零件。
作為在試料表面照射氣體團簇而進行加工的方法，習知一種使用氣體團簇離子束的方法，係例如將氣體團簇離子化，利用電場或磁場加速而衝撞試料表面，藉以除去試料表面之原子或分子(例如，參照專利文獻1)。
在上述之試料的加工方法中，係從氣體供給部將常溫常壓之氣體狀的物質及稀有氣體的混合加壓氣體噴出，藉此產生由氣體狀物質的塊狀原子集團或分子集團形成的氣體團簇。其後，藉由將電子線照射在此氣體團簇而離子化，而形成氣體團簇離子束。
當將此氣體團簇離子束照射在固體表面時，構成氣體團簇離子的分子或原子種相互之間、及與固體表面的原子之間產生多階段的衝撞。因此，產生具有橫方向之運動成分的反射原子或分子，利用此反射原子或分子，可使基板表面之平坦化或清淨化。
如此，利用氣體團簇離子束，可處理試料之表面。
又，提案令使用團簇離子的加工裝置具備加速電壓施加於團簇離子的加速電場部、及施加減速電壓的減速電場部，藉此將賦予氣體團簇離子束的加速電壓階段地或連續地減少(例如，參照專利文獻2)。
(先前技術文獻)
專利文獻：
專利文獻1：日本特開平8-319105號公報
專利文獻2：日本特開2005-310977號公報
但是，在以往使用氣體團簇離子束的方法或使用氣體團簇離子束的裝置中，進行將團簇加以離子化且利用直流電壓加速離子的步驟。因此，要使用弱離子化分子或中和裝置將團簇離子變化為電中性之後，才衝撞到試料。
但是，在上述的方法中，無法將團簇完全地作成電中性的粒子，而無法完全地消除電氣對試料的破壞。
又，例如，在製作半導體元件、微機電元件(Micro Electro Mechanical Systems：MEMS)及光學零件等之時，進行長寬比1以上的深挖加工、或貫穿孔在基板上之形成、金屬層之蝕刻。如此的加工，一般係利用電漿異方性蝕刻進行。
但是，當利用電漿異方性蝕刻進行上述的加工時，例如，在由已經形成在基板上的MOS電晶體或MOS電容器等所形成的控制器/電晶體之閾值電壓等的特性會產生變化。又，例如，在形成於半導體元件之多層配線構造中，將由於電漿熱使得由介電率低的材料(Low-k)製成的層間絕緣膜的介電率會產生變化。
又，在電漿處理以外，例如，也進行藉由對蝕刻液之浸漬法的蝕刻。但是，在由電漿處理或浸漬法的蝕刻中，側蝕或側挖(undercut)等的產生量大，並不適合於微細化或高密度化的圖案。
為了解決上述問題，本發明係提供使用電中性之反應性團簇的試料加工方法者。又，本發明係提供利用在上述加工方法中適用的異方性蝕刻而進行加工的半導體元件、微機電元件及光學零件。
本發明之團簇噴射式加工方法，係將反應性氣體、及沸點比反應性氣體更低之氣體形成的混合氣體，以未液化範圍之壓力朝預定方向一面進行斷熱膨脹一面噴出，而產生反應性團簇，將上述反應性團簇噴射到真空處理室內的試料而加工試料表面作為特徵。
又，本發明之半導體元件，其特徵為：具備有半導體基板，其係將反應性氣體、及沸點比反應性氣體更低之氣體形成的混合氣體，以未液化範圍之壓力朝預定方向一面進行斷熱膨脹一面噴出，將產生的反應性團簇朝真空處理室內噴射，藉此而被蝕刻。
又，本發明之微機電元件，其特徵為：具備有基板，其係將反應性氣體、及沸點比反應性氣體更低之氣體形成的混合氣體，以未液化範圍之壓力朝預定方向一面進行斷熱膨脹一面噴出，將產生的反應性團簇朝真空處理室內噴射，藉此而被加工。
又，本發明之光學零件，其特徵為：具備有基板，其係將反應性氣體、及沸點比反應性氣體更低之氣體形成的混合氣體，以未液化範圍之壓力朝預定方向一面進行斷熱膨脹一面噴出，將產生的反應性團簇朝真空處理室內噴射，藉此而被形成。
依據本發明的話，在試料加工之時，藉由使用反應性氣體及沸點比反應性氣體更低之氣體而形成反應性團簇，使反應性團簇衝撞到試料而與試料反應，藉此而可加工試料之表面。因此，不必施加電場或磁場以使氣體團簇離子化，且由於係未離子化之電中性粒子之故，不必將團簇作成電中性。因而，不會對試料造成電氣的破壞。更進一步，由於並不產生保護管(sheath)，故不產生反應性團簇朝側壁方向之拉入，可提高異方性蝕刻在深度方向的直進性。
因而，依據本發明時，在不致對試料造成電氣的破壞之狀態，使朝深度方向之直進性高的加工成為可能。
又，依據本發明時，藉由反應性團簇朝真空處理室內的噴射而加工半導體基板。因此，消除了電漿異方性蝕刻的進行，故可進行高精度的異方性蝕刻。因此，在不致產生電漿處理引起的電晶體的閾值電壓之變化、或層間絕緣膜之介電率的變化等，而可在基板等進行長寬比1以上之深挖加工。又，藉由高精度的異方性蝕刻，側蝕或側挖(undercut)之產生量非常地小，故可形成高密度化或微細化之圖案。因此，藉由使用反應性團簇之高精度的異方性蝕刻，可提供與設計值之偏差量很少的半導體元件、微機電元件及光學零件。
 (發明之實施形態)
以下，將使用圖面說明本發明之具體的實施形態。
首先，在第1圖顯示適用於本發明之加工方法的試料之加工裝置的一實施形態。
第1A圖所示之加工裝置，係在真空處理室13內具備有氣體供給部11、及試料台14而構成。
在氣體供給部11設置噴出部12，其具有為了進行斷熱膨脹之小面積之開孔。又，噴出部12係在真空處理室13內。
又，構成為藉由未圖示的氣體之供給手段，將屬於反應性氣體的鹵素間化合物或鹵化氫、與沸點比反應性氣體更低的氣體之混合氣體，供給到氣體供給部11。其後，構成為充填於氣體供給部11內的混合氣體之分子18構成從噴出部12噴射而形成之反應性團簇19。
噴出部12，係在氣體供給部11的端部中，例如，如第1B圖所示，由形成為圓形的開口部、或如第1B圖所示形成矩形的開口部形成。此外，噴出部12係只要在氣體供給部11與真空處理室13之間，具有可獲得形成反應性團簇所需之差壓的面積為充分小的開口部，可為任何形狀。
又，在真空處理室13內，氣體供給部11、及用於設置試料17的試料台14，係設置成朝氣體噴射方向的直線上並排。又，藉由驅動真空處理室13內未圖示的可動部，可移動地設置試料台14及噴出部12。
因此，藉由移動試料台14及噴出部12，或變更傾斜角度，一方面可變更與噴出部12之距離，一方面可變更從噴出部12噴射的反應性團簇所衝撞的位置，亦可變更反應性團簇之入射角度。
真空處理室13中連接有渦輪分子泵15及乾式泵16，利用將此等2個泵加以組合，可將真空處理室13內減壓。
以下，說明作為本發明之試料的加工方法之一實施形態，使用第1圖所示之加工裝置的試料之加工方法。
首先，將作為反應性氣體例如鹵素間化合物或鹵化氫、與沸點比反應性氣體更低的氣體之混合氣體，使用未圖示的供給手段供給到氣體供給部11。此時之氣體供給部11內的壓力(一次壓力)，係沸點高的反應性氣體在未液化之範圍內的壓力，例如在ClF3 6 vol%及Ar 94 vol%之混合氣體之情況，係作成0.3MPaG以上1.0MPaG以下。
此外，一次壓力係使用大氣壓基準之壓力單位的PaG，而二次壓力係使用絕對壓力基準之壓力單位的Pa。
其後，利用渦輪分子泵15及乾式泵16將真空處理室13內進行抽真空，而將真空處理室13內之壓力(二次壓力)控制在100~0.1Pa以下，尤其較佳為控制在10Pa以下。利用氣體供給部11內之混合氣體的一次壓力、與真空處理室13內之二次壓力的差，使氣體供給部11內之混合氣體從噴出部12噴射到真空處理室13內。
此時，來自於噴出部12之氣體噴射，係利用一次壓力與二次壓力的差來執行。因此，最好將一次壓力與二次壓力的差作成大。但是，混合氣體在液化之狀態，無法進行穩定的氣體供給，因此必須使一次壓力在未液化之範圍的壓力以下進行。
又，一次壓力與二次壓力的差越大時，從噴出部12噴射之時的運動能量變大。因此，反應性團簇衝撞到試料時之能量變大，使得加工試料之反應能量變大。
此時，被噴射的混合氣體，從高壓狀態急遽地變成低壓狀態，而產生電中性的反應性團簇。反應性團簇，通常係由數十~數千個構成反應性氣體，例如係由鹵素間化合物或鹵化氫、及沸點比反應性氣體更低的氣體的原子或分子集團所形成。
反應性氣體，必須要有與成為加工對象的試料之間的反應性為高。因此，當試料為使用單晶矽之情況，使用與矽之反應性為高的鹵素間化合物為較佳。鹵素間化合物例如可使用ClF、ClF3 、ClF5 、BrF3 、BrCl、IF5 、IF7 。尤其以使用和矽之反應性為高的ClF3 為較佳。
又，當使用金屬材料或矽以外之半導體材料，例如GaAs、InP、GaN等作為試料之情況，使用與金屬材料之反應性為高的鹵化氫為較佳。
鹵化氫方面，可使用HCl、HBr、HI等。尤其，以使用與金屬材料之反應性為高的HI為較佳。
此時，由於上述之反應性氣體係沸點為高，故僅將反應性氣體供給到氣體供給部11內之時，無法獲得產生反應性團簇所需要的壓力。因此，將低沸點的氣體對上述之反應性氣體例如鹵素間化合物及鹵化氫加以混合，可藉以降低上述之反應性氣體之分壓。因此，一方面防止反應性氣體之液化，一方面可獲得產生反應性團簇所需之充分的一次壓力。
沸點比反應性氣體更低的氣體方面，可使用He、Ar、Ne、Rr、Xe等之稀有氣體、N2 、CO2 、O2 等。
又，沸點比反應性氣體更低的氣體，在氣體供給部11內，與反應性氣體不反應為較佳。在氣體供給部11，由於當反應性氣體與沸點比反應性氣體更低的氣體進行反應時，無法穩定地產生反應性團簇，而有試料的加工變成困難之情況。
已產生的反應性團簇，利用從氣體供給部11噴射之時的運動能量，從噴出部12朝向設置在試料台14的試料17噴射。其後，藉衝撞到試料台14之表面，運動能量變成反應能量，而與試料進行反應。
尤其，藉由使用與試料之反應性高的氣體，例如使用鹵素間化合物及鹵化氫，在反應性團簇之衝撞部分，引起反應性氣體與試料之反應，有効地蝕刻而除去試料表面之原子或分子。因此，藉由在試料表面使用互相之反應性高的組合之反應性氣體及試料，可有効地加工試料。
如上述，藉由將反應性氣體及沸點比反應性氣體更低的氣體之反應性團簇加以噴射而加工試料，不致使加速電壓施加到團簇，而可加工試料。由於此反應性團簇不致變成離子，故不必使反應性團簇進行中性化，故可消除團簇未完全中性化之情況對試料所產生的電氣之破壞。
此外，在上述裝置中，雖然係已經就具備用於噴出混合氣體的1個噴出部之加工裝置而加以說明，但是在本發明之加工方法中，具備於加工裝置的噴出部之數量亦可為複數個。
利用從複數之噴出部朝同一方向將團簇噴出而進行試料之加工，能比使用單一之噴射部的加工進行更廣範圍的加工，同時提高試料的加工速度。
又，藉由將噴出方向相異的噴出部設置複數個，當從垂直方向對試料噴射團簇時，可同時從斜方向進行團簇的噴射。又，在複數之噴出部中，藉由將混合氣體壓力或流量同一或個別地進行控制，使控制試料之表面狀態或加工速度成為可能。
更進一步，可將上述之加工方法加以複數個組合，與先前技術比較，複雜的形狀可更快且能以一次的加工而進行。
其次，將說明可使用上述的團簇噴射式加工方法製造的本發明之半導體元件的實施形態。第17圖係顯示本實施形態之半導體元件的概略構成的圖。
第17圖所示的半導體元件40，係由基體51、及組裝在基體51上的半導體晶片41構成。
半導體晶片41，具備有：多層配線層50，係由形成於半導體基板42之一方的主面上之配線層43及層間絕緣層44形成；連接用之電極墊49，形成在另一方的主面上；及貫穿電極45，貫穿半導體基板42而形成。
又，在基體51上具備有：多層配線層55，係由形成於基體51之一方的主面上之配線層52及層間絕緣層53形成；及連接用之電極墊54。
其後，將形成於基體51上之電極墊54、及形成於半導體基板42上之電極墊49加以連接，藉此而將半導體晶片41組裝在基體51上。
形成於半導體晶片41上之貫穿電極45，係由形成在使用上述之反應性團簇的蝕刻而形成的孔部56內之埋入導電層46所形成。
又，設置在半導體基板42的貫穿孔，係藉由使用上述之反應性團簇的試料之加工方法而形成。
又，貫穿電極45在設置於半導體基板42的孔部56中，絕緣層48形成在孔部56之側壁。其後，除了此側壁以外，在絕緣層48上形成有阻蔽金屬(barrier metal)層47。
又，形成於半導體晶片41之配線層43、及形成於基體51上之配線層52，例如在以相減法(subtractive)形成之時，在絕緣層上之全面形成屬於配線層之導電體層之後，藉由光阻等形成配線圖案，將導電體層進行蝕刻，而形成具有所要圖案的配線層。
在此導電體層之蝕刻方面，可使用利用反應性團簇的試料之加工方法。由於上述反應性團簇的蝕刻，使異方性高的蝕刻變成可能，故沒有先前技術之相減法(subtractive)中產生的側蝕或側挖(undercut)等引起的配線之細線化等之影響，使配線之設計規則的微細化變成可能。因而，藉由利用反應性團簇的試料之加工方法，即使在使用相減法(subtractive)之情況亦使高密度配線變成可能。
此外，雖然在半導體基板42亦能構成以上述以外的方法形成的貫穿孔，但是至少一個以上之貫穿孔係藉由使用上述之反應性團簇的蝕刻形成。又，雖然期望上述之配線層係使用上述之反應性團簇的蝕刻形成，但是亦能利用此方法以外的方法進行蝕刻。
因而，在上述之半導體元件中，設於半導體基板之孔部或配線圖案之中，一個以上任一者使用上述之反應性團簇的加工形成即可，亦可具備在上述之反應性團簇的加工以外，併用其他的加工方法而形成上述各構成。
其次，將說明本發明之半導體元件的製造方法之實施形態。
首先，如第18A圖所示，在半導體基板42之一方的主面側，將配線層43及層間絕緣層44加以積層，而形成多層配線層50。其後，相對於形成多層配線層50的半導體基板42，從上述之多層配線層50形成孔部56。孔部56貫穿多層配線層50而形成到半導體基板42之厚度方向的中途為止。又，在形成後之孔部，使用例如熱氧化法、CVD(化學氣相沈積)法等而形成絕緣層48。
為了上述孔部56之形成，適用上述之反應性團簇的加工方法。
首先，例如利用微影蝕刻法，藉由僅在半導體基板42形成孔部56之部分開口的光阻形成圖案光罩，而進行孔部56之蝕刻。在此蝕刻中，使用上述反應性團簇的試料之加工方法。例如，在第1圖所示的加工裝置中，在試料台載置半導體基板42，而自噴出部噴出反應性氣體、及沸點比反應性氣體更低的氣體之混合氣體。藉此，產生反應性團簇以蝕刻半導體基板42。當使用矽基板作為半導體基板42之時，以使用與矽基板的反應性為高的ClF3 氣體、與氬氣之混合氣體為較佳。
又，配線層43對半導體基板42之形成，例如以相減法形成之時，在絕緣層上之全面形成屬於配線層之導電體層，利用微影蝕刻等形成配線圖案的遮罩。其後，使用此遮罩蝕刻導電體層，藉以形成具有所期望的圖案之配線層43。
上述藉由反應性團簇的蝕刻，使異方性高之蝕刻成為可行。因此，藉由此上述反應性團簇的蝕刻，可精密地進行長寬比1以上的深挖加工，因而可在半導體基板42形成精密的孔部56。又，使用上述之反應性團簇的加工方法，進行配線層43之圖案化，藉此不致產生導電體層之側蝕或側挖(undercut)等引起的配線之細線化等，而使配線之設計規則的微細化或高密度配線變成可行。
其次，如第18B圖所示，在孔部56內形成阻蔽金屬層47、及埋入導電層46。
首先，在包含孔部56之半導體基板42之全面，使用濺鍍法或CVD法形成由TiN、WN、Ti、TaN、Ta等形成的阻蔽金屬層47。其後，在阻蔽金屬層47上形成由Cu、Al、Ti、Sn等形成的導電體層。其後，使用化學機械研磨(CMP)法等，將形成於除了孔部56外之半導體基板42上的導電體層及阻蔽金屬層47加以除去，藉此，而在孔部56內形成阻蔽金屬層47及埋入導電層46。
又，亦可藉由使用上述之反應性團簇的加工方法而進行基板的平坦化，以取代CMP法。例如，在第1圖所示的加工裝置中，在試料台載置半導體基板42，而自噴出部噴出反應性氣體、及沸點比反應性氣體更低的氣體之混合氣體。此時，藉由移動試料台而將反應性團簇噴射於試料全面時，可進行試料全面的平坦化。藉此，產生反應性團簇以蝕刻形成於半導體基板42上之導電體層及阻蔽金屬層47。反應性氣體，可使用與採用在導電體層或阻蔽金屬層47的金屬之反應性高的HCl、HBr、HI等之氣體為較佳。
其次，如第18C圖所示，將埋入導電層46從半導體基板42之兩方之主面露出，藉此而形成貫穿電極45，並形成連接到此貫穿電極45的配線層43及電極墊49。
首先，使用CMP法或上述反應性團簇之蝕刻來蝕刻未形成有半導體基板42之多層配線層50的面。利用此蝕刻，從半導體基板42露出埋入導電層46。如此，利用從半導體基板42之兩方之主面露出埋入導電層46，而形成貫穿電極45。
其後，利用與上述之多層配線層50之配線層43同樣的方法，將與貫穿電極45連接的配線層43形成在多層配線層50上。又，在另一方之面形成與貫穿電極45連接的電極墊49。
藉由上述之步驟，可形成半導體晶片41。其後，將此半導體晶片41之電極墊49連接到基體51之電極墊54，藉此而可製造第17圖所示之半導體元件40。
此外，基板51在上述半導體晶片41之製造方法中，除了形成孔部56及貫穿電極45的步驟之外，可用同樣的方法製造，又，可使用其他周知的方法製造。
其次，將說明可使用上述的團簇噴射式加工方法來製造的本發明之微機電元件(MEMS)的實施形態。
第19圖係顯示作為MEMS之實施形態的壓力感測器之概略構成圖。
第19圖之壓力感測器20，係控制器一體型之MEMS感測器形成在半導體基板21上之構成。
在半導體基板21上之一方的主面上，形成由金氧半導體(MOS)電晶體或MOS電容器形成的MEMS感測器/控制器22。更進一步，形成由連接到MEMS感測器/控制器22的介電率低之材料(low-k)形成的low-k配線23。在半導體基板21及low-k配線23上形成絕緣性之鈍化膜24。
在形成半導體基板21之MEMS感測器/控制器22的面上，貼附有真空蓋玻璃28。真空蓋玻璃28在對半導體基板21貼附之面側，設置有兼作為容量電容器之控制器配線29。此兼作為容量電容器之控制器配線29，介由low-k配線23而連接到MEMS感測器/控制器22。真空蓋玻璃28利用接著劑層31而接著到半導體基板21之鈍化膜24上。
又，在半導體基板21之另一方之主面上，形成旋塗玻璃(SOG)絕緣層25。在SOG絕緣層25上，形成由Ni等形成的電極層26。
在上述半導體基板21，形成貫穿兩主面之長寬比1以上之孔部56所形成的壓力基準真空27。半導體基板21之壓力基準真空27，係藉由使用上述反應性團簇之試料的加工方法而形成。其後，藉由將壓力基準真空27形成於半導體基板21，使與壓力基準真空27接觸的部分之SOG絕緣層25及電極層26的薄膜構造30形成在壓力感測器20。又，真空蓋玻璃28之兼作為容量電容器之控制器配線29，介由半導體基板21而形成於與薄膜構造30相對向的位置。
其次，將說明上述壓力感測器20之製造方法。
首先，在半導體基板21上之一方的主面側，形成MEMS感測器/控制器22。此MEMS感測器/控制器22可利用與公知的MOS電晶體及MOS電容器同樣的方法製作。更進一步，在MEMS感測器/控制器22上利用low-k材料形成MEMS感測器/控制器22用之low-k配線23。其後，形成覆蓋半導體基板21、MEMS感測器/控制器22、low-k配線23的鈍化膜24。
又，在半導體基板21上之另一方的主面側，使用旋塗法等形成SOG絕緣層25。其後，在SOG絕緣層25上利用例如鍍Ni等形成電極層26。
其次，如第20圖所示，利用微影蝕刻藉由僅在半導體基板21形成壓力基準真空27之部分開口的光阻32形成圖案光罩。
其次，將光阻32作為遮罩而進行半導體基板21之蝕刻。在此蝕刻中，使用上述反應性團簇的試料之加工方法。例如，在第1圖所示的加工裝置中，在試料台載置半導體基板21，而自噴出部噴出反應性氣體、及沸點比反應性氣體更低的氣體之混合氣體。藉此，產生反應性團簇，而蝕刻半導體基板21。在使用矽基板作為半導體基板21之情況，以使用與矽基板之反應性高的ClF3 氣體、及氬氣之混合氣體為較佳。
藉由使用此上述反應性團簇的蝕刻，僅在形成半導體基板21之壓力基準真空27的部分，可進行長寬比1以上的深挖加工。
更進一步，在形成作為壓力基準真空27之孔部之後，在已蝕刻的真空處理室內，使用接著劑層31將真空蓋玻璃貼附在半導體基板21之鈍化膜24上。在真空蓋玻璃，預先形成兼作為容量電容器之控制器配線29。其後，在半導體基板21貼附真空蓋玻璃28，以使得兼作為容量電容器之控制器配線29與low-k配線23連接。
藉由以上之步驟，可製造與第19圖所示之控制器為一體型之靜電電容壓力感測器。
依據上述之製造方法時，由於在半導體基板21之蝕刻使用反應性團簇，而不進行電漿異方性蝕刻。因此，即使一般對電漿破壞性弱的MEMS感測器/控制器22在蝕刻步驟前形成於半導體基板21之時，亦不會由於電漿熱而對閾值電壓或設計值之特性有影響。又，可消除對low-k層間絕緣膜之介電率的變化。因而，可在基板上製造偏離設計值很少的控制器一體型之MEMS感測器。
其次，將說明可使用上述的團簇噴射式加工方法製造的本發明之光學零件的實施形態。第21A圖係顯示曝光用遮罩之製造步驟圖。第21B圖係使用上述的團簇噴射式加工方法製造的曝光用遮罩之概略構成圖。
如第21A圖所示，在石英基板61之全面，由Mo、Ta、Cr等形成作為遮光層之金屬膜64。其後，在金屬膜64上利用例如微影蝕刻，僅在形成遮光層之部分的金屬膜64上形成光阻圖案。
其次，將已形成的光阻作為遮罩，使用上述的團簇噴射式加工方法對金屬膜64進行蝕刻。例如，在第1圖所示的加工裝置中，在試料台載置石英基板61，而自噴出部的反應性氣體、及沸點比反應性氣體更低的氣體之混合氣體。藉此，產生反應性團簇而蝕刻石英基板61之金屬膜64。反應性氣體，可使用與金屬膜64所採用的金屬之反應性高的HCl、HBr、HI等之氣體為較佳。
使用反應性團簇將金屬膜64進行蝕刻之後，將光阻除去。在以上之步驟中，如第21B圖所示，在石英基板61上可製造具有由遮光層62形成的光學圖案之曝光用遮罩。
其次，將說明本發明之光學零件之另一實施形態的光學狹縫。第22A圖係顯示本實施形態之光學狹縫的製造步驟圖。第22B圖係使用反應性團簇的加工方法製造的光學狹縫之概略構成圖。
如第22A圖所示，在矽基板71上，利用例如微影蝕刻，將形成用於形成狹縫之孔部的部分除去，而形成光阻的圖案。
其次，將已形成的光阻作為遮罩，使用上述反應性團簇之試料的加工方法，將矽基板71加以蝕刻。例如，在第1圖所示的加工裝置中，在試料台載置矽基板71，而自噴出部噴出反應性氣體、及沸點比反應性氣體更低的氣體之混合氣體。藉此，產生反應性團簇而蝕刻基板71。基板71之蝕刻，以使用與矽基板71之反應性高的ClF3 氣體、與氬氣之混合氣體為較佳。
其後，使用反應性團簇將矽基板71進行蝕刻之後，將光阻除去。
在以上之步驟中，如第22B圖所示，可在矽基板71上形成孔部72。又，由利用蝕刻形成的孔部72、及殘留的矽基板71可形成狹縫73。
如此，利用上述之製造方法，如第22B圖所示，可製造具有由狹縫73形成的光學圖案之光學狹縫70。
在如上述曝光用遮罩及光學狹縫之光學零件中，藉由利用反應性團簇形成遮光層或光學狹縫等之光學圖案，使得異方性高的光學圖案之蝕刻變成可能。因此，藉由利用此反應性團簇的蝕刻，不致在光學圖案之形成時由於側蝕或側挖(undercut)等引起的圖案之精度降低，而使得光學圖案之微細化或高密度化成為可能。
(實施例)
其次，使用上述本實施形態的團簇噴射式加工方法，將實際加工試料的結果顯示如下。
首先，對試料噴射的混合氣體之噴射時間、及氣體供給部之混合氣體的一次壓力加以改變，而加工試料表面。將此加工之一次壓力及對試料的噴射時間、與試料的蝕刻速度之關係顯示在第2圖。
加工條件，係使用形成厚度約2nm之自然氧化膜的單晶矽作為試料，並使用ClF3 氣體6vol%、及作為沸點比反應性氣體更低的氣體之Ar氣體94vol%形成之混合氣體。又，將噴出部之直徑作成0.1mm。一次壓力以如第2圖所示的方式改變。噴出時間係以2分、5分、7分、15分作改變。
從第2圖所示的結果，可得知在同樣的噴射時間之條件下，藉由將一次壓力作成高，試料的蝕刻速度將增加。因而，將一次壓力變高而使得與二次壓力的差變大，藉此可將產生的反應性團簇之運動能量作成大，故可使利用與試料之衝撞產生的反應能量作成大。因此，可將蝕刻速度作成大。
其次，在第1圖所示的裝置中，將噴出部與試料表面之距離加以變化為26mm、35mm、50mm而進行試料表面之加工。噴出部與試料表面之距離、與加工引起的試料之蝕刻速度之關係顯示在第3圖。又，將噴出部與試料表面之距離作成26mm而加工之時的加工後之試料表面的狀態的相片表示在第4圖。將噴出部與試料表面之距離作成35mm而加工之時的加工後之試料表面的狀態的相片表示在第5圖。
試料之加工條件，係使用單晶矽作為試料，並使用ClF3 氣體6vol%、及作為沸點比反應性氣體更低的氣體之Ar氣體94vol%形成的混合氣體。又，反應性團簇對試料之噴出時間係作成5分，混合氣體之流量係作成398sccm，一次壓力係作成0.53MPaG，二次壓力係作成3.2Pa，真空處理室內的溫度係作成28℃。
如第3圖所示，噴出部與試料之距離為26mm之情況，可獲得約4.1μm/min之蝕刻速度。又，噴出部與試料之距離為35mm之情況，可獲得約2.2μm/min之蝕刻速度。又，當離開50mm以上時，蝕刻速度大致變成0。
又，噴出部與試料之距離為26mm之情況，可獲得將距離作成35mm之情況的約2倍之蝕刻速度。
由上述之結果可了解，藉由將噴出部與試料之距離作成靠近，可使試料之蝕刻速度變大。
又，由於利用噴出部與試料之距離而改變試料之蝕刻速度，故利用改變噴出部與試料之距離，可改變試料之蝕刻速度。
其次，藉由將試料台傾斜，將團簇對試料表面的入射角度作成斜方向，而進行試料表面之加工。又，試料係使用單晶矽，在表面利用1.2μm厚度之光阻層而形成線與間距的圖案。被加工後的試料表面附近之截面的照片顯示在第6圖。
試料之加工條件，係將噴出部與試料之距離作成26mm，並使用ClF3 氣體6vol%、及作為沸點比反應性氣體更低的氣體之Ar氣體94vol%形成的混合氣體。又，反應性團簇對試料之噴出時間係作成5分，混合氣體之流量係作成398sccm，一次壓力係作成0.53MPaG，二次壓力係作成3.2Pa，真空處理室內的溫度係作成28℃。
如第6圖所示，對準於反應性團簇之入射方向，試料傾斜地被蝕刻。如此，藉由從斜方向之入射，使對應於入射角之直進性高的蝕刻變成可行。
又，如上述，利用改變噴出部與試料之距離，可改變試料之蝕刻速度，在從斜方向進行加工時將試料與噴嘴的距離保持為一定之狀態，移動噴出部或試料。藉此，突出部優先地被蝕刻。因而將試料表面之段差減少而平坦化係為可能。
又，如第6圖所示，形成於試料表面之光阻層，幾乎不被蝕刻，單晶矽與光阻之蝕刻選擇比為100：1以上。因此，使用光阻之遮罩形成圖案之後，將單晶矽選擇地加工，可形成圖案。
其次，藉由將反應性團簇噴射於試料而進行貫穿試料的加工。
利用反應性團簇之噴射而形成貫穿孔。形成貫穿孔後之單晶矽狀態的相片係顯示在第7圖。
試料之加工條件，係將噴出部與試料之距離作成26mm，使用厚度為625μm之單晶矽作為試料，並使用ClF3 氣體6vol%、及作為沸點比反應性氣體更低的氣體之Ar氣體94vol%形成的混合氣體。又，反應性團簇對試料之噴出時間係為15分，混合氣體之流量係作成585sccm，一次壓力係作成0.8MPaG，二次壓力係作成7.5Pa，真空處理室內的溫度係作成25.4℃。
如第7圖所示，利用上述之加工可在厚度為625μm之單晶矽形成貫穿孔。又，為了能對厚度為625μm之單晶矽以15分以內的噴射時間形成貫穿孔，上述加工條件的蝕刻速度係為41μm/min以上。
從以上的加工結果，藉由將反應性氣體及沸點比反應性氣體更低的氣體之團簇噴射到試料，在試料可形成貫穿孔。因此，例如，在矽材料中，使形成劃線或在已形成的劃線將基板切斷成為可能。更進一步，利用光阻之良好的選擇比，藉由光阻之遮罩在試料上形任意的圖案，而形成直線以外的劃線，或在已形成的劃線將基板切斷成為可能。
其次，在氣體供給部內，單獨使用ClF3 氣體以取代使用混合氣體而進行試料表面的加工。將加工後之試料表面之狀態的相片表示在第8圖。
試料之加工條件，係將噴出部與試料之距離作成26mm，又，反應性團簇對試料之噴出時間係為15分，混合氣體之流量係為300sccm，一次壓力係為0.05MPaG，二次壓力係作成2.2Pa，真空處理室內的溫度係作成29℃。
如第8圖所示，在試料表面形成由反應性團簇引起的加工痕跡，相對於15分之噴射時間，試料表面幾乎不被蝕刻，上述條件之蝕刻速度係為0.01μm/min以下。
如此，由於ClF3 氣體係沸點為高，在高壓下會液化，故在單獨使用ClF3 氣體之時，在試料的加工中，無法將一次壓力作成高，而無法將與二次壓力的差作成大。因而，無法獲得為了產生反應性團簇的充分之斷熱膨脹。
因而已被證明，在反應性氣體中混合沸點比反應性氣體更低的氣體，而將一次壓力作成高，藉此，從噴出部噴射的混合氣體之團簇能充分地產生，而有効地加工試料表面。
其次，單獨使用氬氣以取代混合氣體而加工試料表面。加工後之試料表面之狀態的相片表示在第9圖。
試料之加工條件，係將噴出部與試料之距離作成26mm，又，反應性團簇對試料之噴出時間係為15分，氬氣之流量係為637sccm，一次壓力係為0.8MPaG，二次壓力係作成8.6Pa，真空處理室內的溫度係作成21.1℃。
如第9圖所示，在使用氬氣之加工中，在試料表面未發現變化。因此可了解，在單獨使用氬氣之加工中，無法加工單晶矽。
因而已證明，藉由使用反應性氣體、及沸點比反應性氣體更低的氣體做為混合氣體，可進行試料表面之加工。
其次，將噴出部之口徑擴大為6mm，將一次壓力作成-0.09MPaG而進行試料表面之加工。加工後之試料表面之狀態的相片表示在第10圖。
試料之加工條件，係將噴出部與試料之距離作成26mm，並使用ClF3 氣體6vol%、及作為比反應性氣體更低沸點的氣體之Ar氣體94vol%形成的混合氣體。又，反應性團簇對試料之噴出時間係作成15分，混合氣體之流量係作成580sccm，二次壓力係作成7.5Pa，真空處理室內的溫度係作成25.4℃。
在上述的條件，將噴出部之口徑擴大為6mm且將一次壓力減少，使與二次壓力的差變小。結果，如第10圖所示，在試料表面並未形成加工痕跡。
由此結果，在上述之加工條件中，應係由於一次壓力太低，而未有効地形成混合氣體之團簇。又，由此結果，為了產生反應性團簇，可說必須要有一次壓力與二次壓力的差壓。
其次，使用Cl2 或F2 氣體，以取代作為反應性氣體使用的鹵素間化合物或鹵化氫，而進行試料表面的加工。使用Cl2 氣體加工後之試料表面之狀態的相片係表示在第11圖。使用F2 氣體加工後之試料表面之狀態的相片係表示在第12圖。
使用Cl2 氣體之時的加工條件，係將噴出部與試料之距離作成26mm，並使用Cl2 氣體5vol%、及作為沸點比反應性氣體更低的氣體之Ar氣體95vol%形成的混合氣體。又，反應性團簇對試料之噴出時間係作成15分，混合氣體之流量係作成542sccm，一次壓力係作成0.81MPaG，二次壓力係作成8.3Pa，真空處理室內的溫度係作成28.4℃。
使用F2 氣體之時的加工條件，係將噴出部與試料之距離作成26mm，並使用F2 氣體5vol%、及作為比反應性氣體更低沸點的氣體之Ar氣體95vol%形成的混合氣體。又，反應性團簇對試料之噴出時間係作成30分，混合氣體之流量係作成569sccm，一次壓力係作成0.81MPaG，二次壓力係作成8.6Pa，真空處理室內的溫度係作成27.4℃。
如第11圖及第12圖所示，被混合氣體噴射的部分產生變色的試料表面幾乎未被蝕刻。由此結果可了解，在使用鹵素及惰性氣體的混合氣體之時，無法進行試料之加工。
由此結果可了解，藉由使用鹵素間化合物及鹵化氫、及沸點比反應性氣體更低的氣體之混合氣體，可進行試料之加工。
其次，在單晶矽之表面，使用形成氧化矽膜的試料而進行試料表面之加工。表示加工後之試料表面之狀態的相片係顯示在第13圖。
試料之加工條件，係將噴出部與試料之距離作成26mm，並使用ClF3 氣體6vol%、及作為沸點比反應性氣體更低的氣體之Ar氣體94vol%形成的混合氣體。又，反應性團簇對試料之噴出時間係作成15分，混合氣體之流量係作成560sccm，一次壓力係作成0.7MPaG，二次壓力係作成5Pa，真空處理室內的溫度係作成28.2℃。
如第13圖所示，形成在試料表面的氧化矽膜，在上述之加工條件未被蝕刻。因而可了解，在上述之加工方法中，與單晶矽比較，氧化矽膜之蝕刻速度非常小，故氧化矽膜與矽材料之蝕刻選擇比為大。因此，除了利用遮罩形成圖案之外，藉由在矽材料之表面利用氧化矽膜、氮化矽膜、氧氮化矽膜等形成遮罩的圖案，使得因應此圖案的矽材料之加工成為可能。
依此，藉由形成對反應性氣體具有耐性的膜以作為圖案光罩，使得因應於圖案之試料的加工成為可能。
又，除了作為圖案光罩的上述之材料以外，亦可使用金屬材料。在反應性氣體為鹵素間化合物之情況，並不需要考慮與金屬材料之反應性，因此適用作為一般之圖案光罩使用的金屬材料，故使用金屬材料之遮罩的試料之加工成為可能。
又，在反應性氣體為鹵化氫之情況，選擇對鹵化氫具有耐性的Ni等之金屬材料，則使用金屬材料之遮罩的試料之加工成為可能。
其次，將形成於作為試料之單晶矽之表面厚度約2nm之自然氧化膜，藉由氟化氫(HF)處理而除去之後，進行試料表面之加工。表示加工後之試料表面之狀態的相片係顯示在第14圖。又，為了比較，針對不除去自然氧化膜而進行表面加工之試料，表示加工後之試料表面之狀態的相片係顯示在第15圖。
試料之加工條件，係將噴出部與試料之距離作成26mm，並使用ClF3 氣體6vol%、及作為沸點比反應性氣體更低的氣體之Ar氣體94vol%形成的混合氣體。又，反應性團簇對試料之噴出時間係作成5分，混合氣體之流量係作成560sccm，一次壓力係作成0.3MPaG，二次壓力係作成1.5Pa，真空處理室內的溫度係作成28.2℃。
又，為了比較，不除去自然氧化膜而進行表面加工之試料，係第2圖所示，使用ClF3 氣體6vol%作為反應性氣體、及作為沸點比反應性氣體更低的氣體之Ar氣體94vol%形成的混合氣體，將一次壓力作成0.3MPaG，噴出時間作成5分，而進行加工的試料。
當第14圖所示之結果與第15圖所示之結果比較時，第14圖所示之除去自然氧化膜的試料之蝕刻深度係為8.67μm，相對於此，第15圖所示之不除去自然氧化膜的試料之蝕刻深度係為0.711μm。
不除去自然氧化膜的試料之蝕刻速度為0.14μm/min，相對於此，除去自然氧化膜的試料之蝕刻速度為1.73μm/min。此結果，藉由HF等將形成於單晶矽之表面的自然氧化膜除去，蝕刻速度變為12倍。
此加工之一次壓力及對試料的噴射時間、與試料的蝕刻速度之關係顯示在第16圖。此外，在第16圖中，為了比較，對第2圖所示之試料的噴射時間、與試料的蝕刻速度之關係保持原樣地記載，將除去上述之自然氧化膜而進行試料的加工以星號及箭號表示。
如第16圖所示，在一次壓力及噴射時間幾乎為同樣條件，與未除去自然氧化膜之試料的情況比較，可了解藉由除去自然氧化膜，蝕刻速度大幅地提高。
因而，藉由除去矽材料之自然氧化膜，可大幅地提高蝕刻速度。
本發明並不限定於上述之構成，在不違離本發明之要點的範圍內，可取得其他各種之構成。
11．．．氣體供給部
12．．．噴出部
13．．．真空處理室
14．．．試料台
15．．．渦輪分子泵
16．．．乾式泵
17．．．試料
18．．．混合氣體之分子
19．．．反應性團簇
20．．．壓力感測器
21．．．半導體基板
22．．．MEMS感測器/控制器
23．．．low-k配線
24．．．鈍化膜
25．．．SOG絕緣層
26．．．電極層
27．．．壓力基準真空
28．．．真空蓋玻璃
29．．．兼作為容量電容器之控制器配線
30．．．薄膜構造
31．．．接著劑層
32,63,74．．．光阻
40．．．半導體元件
41．．．半導體晶片
42．．．半導體基板
43,52．．．配線層
44,53．．．層間絕緣層
45．．．貫穿電極
46．．．埋入導電層
47．．．阻蔽金屬層
48．．．絕緣層
49,54．．．電極墊
50,55．．．多層配線層
51．．．基體
56,72．．．孔部
61．．．石英基板
62．．．遮光層
64．．．金屬膜
70．．．光學狹縫
71．．．矽基板
73．．．狹縫
第1圖係用於說明本發明之加工方法相關的試料之加工裝置之一實施形態的構成之圖。
第2圖係顯示在本發明之加工方法中，一次壓力及對試料的噴射時間與試料的蝕刻速度之關係圖。
第3圖係顯示在本發明之加工方法中，噴出部與試料表面之距離、與加工引起的試料之蝕刻速度之關係圖。
第4圖係表示在本發明之加工方法中，將噴出部與試料表面之距離作成26mm而加工之時的加工後之試料表面的狀態的相片。
第5圖係表示在本發明之加工方法中，將噴出部與試料表面之距離作成35mm而加工之時的加工後之試料表面的狀態的相片。
第6圖係在本發明之加工方法中，將反應性團簇之入射角度作為對試料表面傾斜的方向，而進行試料表面之加工時之加工後之試料表面附近的截面之相片。
第7圖係在本發明之加工方法中，形成貫穿孔之單晶矽狀態的相片。
第8圖係表示單獨使用ClF3 氣體進行試料表面之加工時之加工後之試料表面之狀態的相片。
第9圖係表示單獨使用Ar氣體進行試料表面之加工時之加工後之試料表面之狀態的相片。
第10圖係表示將一次壓力作成0.09MPaG而進行試料表面之加工時之加工後之試料表面之狀態的相片。
第11圖係表示使用Cl2 氣體進行試料表面之加工時之加工後之試料表面之狀態的相片。
第12圖係表示使用F2 氣體進行試料表面之加工時之加工後之試料表面之狀態的相片。
第13圖係顯示在本發明之加工方法中，進行形成氧化矽膜之試料的加工之時之加工後之試料表面之狀態的相片。
第14圖係顯示在本發明之加工方法中，將除去自然氧化膜後的試料之表面進行加工之時的加工後之試料表面之狀態的相片。
第15圖係顯示在本發明之加工方法中，不除去自然氧化膜而對試料之表面進行加工之時的加工後之試料表面之狀態的相片。
第16圖係顯示在本發明之加工方法中，一次壓力及對試料的噴射時間與試料的蝕刻速度之關係圖。
第17圖係顯示本發明之半導體元件的實施形態之概略構成的圖。
第18A~18C圖係本發明之半導體元件的實施形態之製造步驟圖。
第19圖係顯示本發明之壓力感測器的實施形態之概略構成的圖。
第20圖係說明本發明之壓力感測器的實施形態之製造步驟的圖。
第21A圖係說明本發明之光學元件的實施形態之製造步驟圖。第21B圖係本發明之光學元件的實施形態之概略構成圖。
第22A圖係說明本發明之光學元件的實施形態之製造步驟圖。第22B圖係本發明之光學元件的實施形態之概略構成圖。
11．．．氣體供給部
12．．．反應性氣體噴出部
13．．．真空處理室
14．．．試料台
15．．．渦輪分子泵
16．．．乾式泵
17．．．試料
18．．．混合氣體之分子
19．．．反應性團簇

Claims (14)

  1. 一種團簇噴射式加工方法，其特徵為：將反應性氣體、及沸點比反應性氣體更低之氣體所形成的混合氣體，以未液化範圍之壓力，自噴出部朝預定方向一面進行斷熱膨脹一面噴出，而產生電中性的反應性團簇，將上述反應性團簇噴射到真空處理室內的試料，而依據化學反應對試料表面進行加工。
  2. 如申請專利範圍第1項的團簇噴射式加工方法，其中上述反應性氣體係鹵素間化合物氣體或鹵化氫氣體。
  3. 如申請專利範圍第1或2項的團簇噴射式加工方法，其中上述試料係半導體材料或金屬材料。
  4. 如申請專利範圍第1項的團簇噴射式加工方法，其中在上述試料表面，使用光阻、氧化矽膜、氮化矽膜、或氧氮化矽膜之任何一種以上形成圖案，將上述圖案作為遮罩而加工上述試料。
  5. 如申請專利範圍第1項的團簇噴射式加工方法，其中在上述試料表面，使用對上述反應性氣體具有耐性之金屬材料形成圖案，將上述圖案作為遮罩而加工上述試料。
  6. 如申請專利範圍第1項的團簇噴射式加工方法，其中將上述反應性團簇從斜方向對上述試料表面噴射，藉此傾斜地加工上述試料。
  7. 如申請專利範圍第6項的團簇噴射式加工方法，其中藉 由移動上述噴出部或上述試料，而將上述試料表面平坦化。
  8. 如申請專利範圍第1項的團簇噴射式加工方法，其中藉由移動上述噴出部或上述試料，而進行直線/曲線加工及大面積加工。
  9. 如申請專利範圍第1項的團簇噴射式加工方法，其中在上述試料形成貫穿孔。
  10. 如申請專利範圍第1項的團簇噴射式加工方法，其中在除去試料表面之自然氧化膜之後，對表面進行加工。
  11. 如申請專利範圍第1項的團簇噴射式加工方法，其中同時進行由以下加工方法選出的1種或2種以上的加工方法：自複數個上述噴出部將上述反應性氣體朝同一方向噴出而將反應性團簇噴出到上述試料的加工方法；自複數個上述噴出部將上述反應性氣體朝相異的方向噴出而將反應性團簇噴出到上述試料的加工方法；以及使上述複數個噴出部的流量/壓力相同或個別地控制而將反應性團簇噴出到上述試料的加工方法。
  12. 一種半導體元件，其特徵為具備有透過朝真空處理室內噴射電中性的反應性團簇，且依化學反應而被蝕刻的半導體基板，該電中性的反應性團簇為，將反應性氣體、及沸點比上述反應性氣體更低之氣體所形成的混合氣體，以未液化範圍之壓力朝預定方向一面進行斷熱膨脹一面噴出所生成。
  13. 一種微機電元件，其特徵為具備有透過朝真空處理室內噴射電中性的反應性團簇，且依化學反應而被加工的基 板，該電中性的反應性團簇為，將反應性氣體、及沸點比上述反應性氣體更低之氣體所形成的混合氣體，以未液化範圍之壓力朝預定方向一面進行斷熱膨脹一面噴出所生成。
  14. 一種光學零件，其特徵為具備有透過朝真空處理室內噴射電中性的反應性團簇，且依化學反應所加工形成的光學圖案，該電中性的反應性團簇為，將反應性氣體、及沸點比上述反應性氣體更低之氣體所形成的混合氣體，以未液化範圍之壓力朝預定方向一面進行斷熱膨脹一面噴出所生成。
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