特許第5719579号(P5719579)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5719579
(24)【登録日】2015年3月27日
(45)【発行日】2015年5月20日
(54)【発明の名称】プラズマエッチング方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/3065 20060101AFI20150430BHJP
   H05H 1/46 20060101ALN20150430BHJP
【FI】
   H01L21/302 105A
   H01L21/302 101C
   !H05H1/46 L
【請求項の数】6
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2010-271600(P2010-271600)
(22)【出願日】2010年12月6日
(65)【公開番号】特開2012-124218(P2012-124218A)
(43)【公開日】2012年6月28日
【審査請求日】2013年11月22日
(73)【特許権者】
【識別番号】000231464
【氏名又は名称】株式会社アルバック
(74)【代理人】
【識別番号】100104215
【弁理士】
【氏名又は名称】大森 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100117330
【弁理士】
【氏名又は名称】折居 章
(72)【発明者】
【氏名】森川 泰宏
(72)【発明者】
【氏名】鄒 弘綱
【審査官】 内田 正和
(56)【参考文献】
【文献】 特開平11−162949(JP,A)
【文献】 特開2007−251020(JP,A)
【文献】 国際公開第2007/032379(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/3065
H05H 1/46
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
真空チャンバ内で炭化水素系ガスを含むエッチングガスのプラズマを発生させて、マスクを介してアモルファスTiOをエッチングするプラズマエッチング方法であって、
前記真空チャンバを第1の減圧雰囲気に維持して前記アモルファスTiO等方エッチングし、
前記真空チャンバを前記第1の減圧雰囲気よりも低圧の第2の減圧雰囲気に維持して前記アモルファスTiOの表面に垂直な方向に前記アモルファスTiO異方エッチングする
プラズマエッチング方法。
【請求項2】
請求項1に記載のプラズマエッチング方法であって、さらに、
前記アモルファスTiOを100℃以上に加熱する
プラズマエッチング方法。
【請求項3】
請求項2に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記第1の減圧雰囲気は、1Pa以下の圧力雰囲気であり、
前記第2の減圧雰囲気は、0.7Pa以下の圧力雰囲気である
プラズマエッチング方法。
【請求項4】
請求項3に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記エッチングする工程は、前記アモルファスTiOを支持するステージにバイアス電力を印加する工程を含み、
前記第2の減圧雰囲気下でエッチングする工程は、前記第1の減圧雰囲気下でエッチングするときよりも大きなバイアス電力を前記ステージに印加する
プラズマエッチング方法。
【請求項5】
請求項3に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記マスクは、前記アモルファスTiOの上に形成された金属膜パターンであり、
前記第2の減圧雰囲気下でエッチングする工程は、前記エッチングガスに酸素を含ませる
プラズマエッチング方法。
【請求項6】
請求項1に記載のプラズマエッチング方法であって、
前記エッチングガスは、CFとCの混合ガスを含む
プラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、真空チャンバ内でエッチングガスのプラズマを発生させて、アモルファスTiOをエッチングするプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、酸化チタン(TiO)は、光学デバイス用材料、太陽電池用材料、光触媒用材料などに広く用いられている。例えば、光学デバイス用材料として、酸化チタンは、可視光波長を含む広い波長範囲にわたって高い光学的透明性および屈折率を有している。
【0003】
光学デバイスとして用いられる酸化チタンとして、ルチル型及びアナターゼ型を含む結晶性TiOが広く用いられている。この結晶性TiOをプラズマエッチング法によってパターン加工することで、微細な表面構造を有する光学デバイスを形成することが可能である。
【0004】
また、特許文献1には、ルチル型TiO結晶の表面をイオン照射によりアモルファス化し、このアモルファス化した領域を酸などの溶解液を用いて除去することで、表面に微細構造を形成する結晶TiOの微細加工方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2003−279766号公報(段落[0007])
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
近年、結晶性TiOよりも光の透過率特性に優れたアモルファスTiOを利用した光学デバイスの開発が進められている。
【0007】
しかしながら、アモルファスTiOは、結晶性TiOに比べて加工性が悪く、所望の微細形状を付与することが困難である。したがって、微細な表面構造を安定して形成することができないため、所望の光学特性を備えたアモルファスTiOデバイスを製造することができないという問題がある。
【0008】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、アモルファスTiOの表面に微細な表面構造を形成することができるプラズマエッチング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の一形態に係るプラズマエッチング方法は、真空チャンバ内でエッチングガスのプラズマを発生させて、マスクを介してアモルファスTiOをエッチングするプラズマエッチング方法である。
上記プラズマエッチング方法は、上記真空チャンバを第1の減圧雰囲気に維持して上記アモルファスTiOをエッチングする工程を含む。その後、上記アモルファスTiOは、上記真空チャンバを第1の減圧雰囲気よりも低圧の第2の減圧雰囲気下でエッチングされる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】本発明の実施の形態において説明されるエッチング装置の概略構成図である。
図2】本発明の実施の形態に係るエッチング方法を説明するフロー図である。
図3】基板温度とエッチングレートの関係の一例を示す実験結果である。
図4】エッチング方法とパターン形状との関係を示す模式図である。
図5】本発明の実施の形態に係るエッチング方法によるエッチングレートと、比較例に係るエッチング方法によるエッチングレートとを比較して示す一実験結果である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明の一実施の形態のプラズマエッチング方法は、真空チャンバ内でエッチングガスのプラズマを発生させて、マスクを介してアモルファスTiOをエッチングするプラズマエッチング方法である。
上記プラズマエッチング方法は、上記真空チャンバを第1の減圧雰囲気に維持して上記アモルファスTiOをエッチングする工程を含む。その後、上記アモルファスTiOは、上記真空チャンバを第1の減圧雰囲気よりも低圧の第2の減圧雰囲気下でエッチングされる。
【0012】
アモルファスTiOは、マスクを介してエッチングされる。これにより、マスクの開口パターンに応じた形状が、アモルファスTiOの表面に形成される。エッチングは、エッチングガスのラジカルとアモルファスTiOとの間の反応を主体とする等方性エッチングと、プラズマ中のイオンの照射を主体とするアモルファスTiOの表面に垂直な異方性エッチングとが同時に起こることで進行する。ラジカル反応を主体とするエッチングは、エッチング時のガス圧力が比較的高い場合に支配的となり、イオン照射を主体とするエッチングは、エッチング時の圧力が比較的低い場合に支配的となる。
【0013】
ラジカル反応を主体とするエッチング工程では、エッチングの進行が等方的であるため、マスクパターンの開口領域だけでなく、当該開口領域の周辺も浸食される。他方、イオン照射を主体とするエッチング工程では、エッチングが表面に垂直な方向に進行するため開口部の浸食は現れないが、マスクパターンも同時にエッチングされるため、マスク形状が崩れる。
そこで、本発明の一実施の形態に係るプラズマエッチング方法では、アモルファスTiOをエッチングするに際して、ラジカル反応が支配的な第1のエッチング工程と、イオン照射が支配的な第2のエッチング工程を含む2ステップ方式のプラズマエッチング方法を採用する。具体的に、エッチング開始当初はエッチング圧力を比較的高めに設定した上記第1のエッチング工程を実施し、マスクパターンの開口領域を等方エッチングする。次いで、エッチング圧力を低くした第2のエッチング工程を実施し、アモルファスTiOをその表面に垂直な方向にエッチングする。
【0014】
上記プラズマエッチング方法によれば、マスクパターンに対応したエッチングパターンを高精度に形成でき、形状特性に優れた表面構造を形成することが可能となる。また、マスクパターンの形状維持性に優れるため、微細なパターン形状をアモルファスTiOの表面に安定して形成することが可能となる。
【0015】
なお、エッチング対象であるアモルファスTiOは、基板形状に加工されたもののほか、他の材料でなる基板の上に形成されたアモルファスTiO膜であってもよい。また、第1のエッチング工程と第2のエッチング工程は、繰り返して実施されてもよい。
【0016】
上記プラズマエッチング方法は、さらに、アモルファスTiOを100℃以上に加熱する工程を含んでいてもよい。
これにより、エッチングレートの向上を図ることが可能となる。
【0017】
上記第1のエッチング工程を実施するときの第1の減圧雰囲気は、1Pa以下の圧力雰囲気とすることができる。また、上記第2のエッチング工程を実施するときの第2の減圧雰囲気は、0.7Pa以下の圧力雰囲気とすることができる。これにより、アモルファスTiOを効率よくエッチングすることが可能となる。
【0018】
上記プラズマエッチング方法において、上記第1、第2のエッチング工程は、アモルファスTiOを支持するステージにバイアス電力を印加することができる。これにより、プラズマ中のイオンをステージに引き込むエネルギーが高まるため、エッチングレートの向上を図ることが可能となる。
【0019】
また、上記第2の減圧雰囲気下でエッチングする工程(第2のエッチング工程)は、上記第1の減圧雰囲気下でエッチングするときよりも大きなバイアス電力を上記ステージに印加することができる。これにより、ガス圧力の低下によりイオンが減少しても、バイアスパワーの増大によって、エッチングレートの低下を抑えることが可能となる。
【0020】
上記マスクは、アモルファスTiOの上に形成された金属膜パターンとすることができる。この場合、上記第2のエッチング工程では、エッチングガスに酸素を含ませることができる。これにより、金属マスクの表面に酸化被膜が形成され、イオンの衝突に対する耐久性を高めることができる。特に、マスク材料としてクロム、ニッケルなどを採用することで、表面に安定した不動態被膜を形成することができる。
【0021】
エッチングガスは、例えば、フロロカーボン系ガスを用いることができる。エッチングガスは、単一種類のものに限定されず、複数種の混合ガスを用いることができる。具体的に、エッチングガスとしては、CF、C又はこれらの混合ガスを用いることができる。
【0022】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0023】
図1は、本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法に適用されるエッチング装置の概略構成図である。エッチング装置10は、槽本体11、筒状壁13及び天板14によって構成される密閉構造の真空槽(真空チャンバ)20と、真空槽20の内部を排気する真空ポンプ21とを備えている。真空ポンプ21は、真空槽20の内部に所定の減圧雰囲気を形成する。
【0024】
筒状壁13は、例えば石英等の透明絶縁材料で形成されている。筒状壁13の外周側には、第1の高周波電源RF1に接続された高周波コイル(アンテナ)16が巻回されている。高周波コイル16は、第1の高周波電源RF1から高周波電力が印加されることによって、筒状壁13の内部のプラズマ形成空間12にエッチングガスのプラズマPを発生させる。エッチングガスは、筒状壁13に取り付けられたガス導入管15を介してプラズマ形成空間12へ導入される。
【0025】
真空槽20の内部には、基板Wを支持するステージ17が設置されている。基板Wは、被加工面となる表面がアモルファスTiOで形成されている。基板Wは、全体がアモルファスTiOで構成されていてもよいし、ガラスや他の材質からなる支持体の上にアモルファスTiO膜が形成された基板であってもよい。
【0026】
エッチングガスとしては、炭化水素系ガスが用いられる。具体的には、CF、Cガスなどを用いることができる。本実施の形態では、CFとCの混合ガスが用いられている。
【0027】
ステージ17は、コンデンサ18を介して第2の高周波電源RF2に接続されている。第2の高周波電源RF2は、プラズマ形成空間12で発生したプラズマPからエッチングガスのイオンをステージ17の表面に引き付けるためのものである。
【0028】
ステージ17は基板Wを所定温度に加熱する加熱源を内蔵している。典型的には、ステージ17は、ホットプレートを含んでいる。また、基板Wの加熱温度を調整するために、ステージ17はチラー(冷却機構)を備えていてもよい。さらに、ステージ17は、基板Wをステージ17の表面に保持するための静電チャック機構を備えていてもよい。
【0029】
エッチング装置10は、さらに、真空ポンプ21と第2の高周波電源RF2を制御するコントローラ30を備えている。コントローラ30は、真空ポンプ21の動作又は排気速度を制御する。また、コントローラ30は、第2の高周波電源RF2の電力を制御することで、ステージ17への印加電力を制御する。なお、高周波電源RF2の電力を制御する場合に代えて、コンデンサ18の静電容量を制御するようにしてもよい。
【0030】
コントローラ30は、さらに、ガス導入管15からのエッチングガスの導入制御、高周波コイル16に対する高周波電力RF1の印加制御、ステージ17による基板Wの加熱制御を実行可能に構成されている。
【0031】
次に、以上のように構成されるエッチング装置10を用いた基板Wのエッチング方法について説明する。
【0032】
図2は本発明の一実施の形態に係るプラズマエッチング方法の工程フローを示している。本実施の形態のプラズマエッチング方法は、基板Wの加熱工程(ステップ1)と、第1のエッチング工程(ステップ2)と、第2のエッチング工程(ステップ3)とを有する。
【0033】
なお、加熱工程(ステップ1)は、エッチング処理の間継続して実行される。また、加熱工程は、真空槽20内を所定の減圧雰囲気に排気した後に実施することができる。
【0034】
基板Wは、ステージ17の上に載置される。基板Wの被エッチング面を形成するアモルファスTiOの表面には、所定の開口パターンを有する金属膜(マスク)が形成されている。本実施の形態では、基板Wとして、ガラスなどの支持体の上にアモルファスTiO膜が形成された基板が用いられ、上記マスクとして、クロム(Cr)マスクが用いられる。
【0035】
基板Wはステージ17の上で所定温度に加熱される(ステップ1)。アモルファスTiOは揮発温度が高いため、基板Wを加熱することでエッチングレートの向上が図れるようになる。加熱温度としては、100℃以上とすることができる。100℃未満では、アモルファスTiOのエッチングレートの向上が図りにくい。より具体的に、加熱温度としては、150℃以上250℃以下とすることができる。
【0036】
図3は、基板温度とエッチングレートとの関係の一例を示す実験結果である。基板温度が高いほど、アモルファスTiOのエッチングレートが向上することが確認できる。また、基板温度が高いほど、マスク(Crパターン)のエッチングレートが低下することも確認された。その結果、処理温度が高いほど、アモルファスTiOとマスクとの選択比が向上し、エッチングパターンの形状維持性を高めることが可能となる。
【0037】
基板Wは、ラジカル反応を主体とする第1のエッチング工程でエッチングされる。
真空槽20の内部は、真空ポンプ21の駆動により所定の圧力に排気される。その後、ガス導入管15を介してプラズマ形成空間12へエッチングガス(反応ガス)が導入される。高周波コイル16は、第1の高周波電源RF1から高周波電力(周波数が例えば13.56MHz)が印加される。その結果、プラズマ形成空間12に、エッチングガスのプラズマPが形成される(図1)。
【0038】
基板Wは、プラズマ中のラジカルとの反応を主体として、マスクパターンを介して開口するアモルファスTiO膜が等方的にエッチングされる。一方、ステージ17には、第2の高周波電源RF2からバイアス電力(周波数が例えば12.5MHz)が印加される。これにより、プラズマ中のイオンがステージ17に引き付けられ、アモルファスTiO膜の厚さ方向のエッチングが促進される。
【0039】
以上のようにして、第1のエッチング工程が実施される(ステップ2)。第1のエッチング工程が所定時間実施された後、第2のエッチング工程が実施される(ステップ3)。
【0040】
第2のエッチング工程では、上述した第1のエッチング工程よりも低圧でエッチング処理が実行される。これにより、プラズマ中のラジカル成分が少なくなるため、第1のエッチング工程と比較して、ラジカル反応を主体とする等方的なエッチング効果は少なくなる。その一方で、コントローラ30は、ステージ17へ印加するバイアス電力を高めるべく、第2の高周波電源RF2を制御する。これにより、基板Wに対するイオンの衝突エネルギーが高まり、ガス圧の低下に起因するアモルファスTiO膜のエッチングレートの低下が抑えられる。
【0041】
また、ラジカル反応を主体とするアモルファスTiO膜のエッチング作用の低下と、イオン照射を主体とするエッチング作用の増進により、アモルファスTiO膜表面の形状の崩れが抑えられ、マスクパターンに対応したパターン形状が得られやすくなる。
【0042】
上述のように、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法では、アモルファスTiOをエッチングするに際して、ラジカル反応が支配的な第1のエッチング工程と、イオン照射が支配的な第2のエッチング工程を含む2ステップ方式のプラズマエッチング方法を採用する。具体的に、エッチング開始当初はエッチング圧力を比較的高めに設定して上記第1のエッチング工程を実施し、マスクパターンの開口領域を等方エッチングする。次いで、エッチング圧力を低くして第2のエッチング工程を実施し、アモルファスTiOをその表面に垂直な方向にエッチングする。
【0043】
上記プラズマエッチング方法によれば、マスクパターンに対応したエッチングパターンを高精度に形成でき、形状特性に優れた表面構造を形成することが可能となる。また、マスクパターンの形状維持性に優れるため、微細なパターン形状をアモルファスTiOの表面に安定して形成することが可能となる。
【0044】
第1、第2のエッチング工程におけるエッチング圧力は特に限定されないが、第1のエッチング工程に比べて、第2のエッチング工程は、処理圧力が低いことが必要である。具体的に、第1のエッチング工程における処理圧力(第1の減圧雰囲気)は、例えば、1Pa以下とすることができる。1Paを超える圧力では、ラジカル反応を主体とするエッチングの進行が顕著となり、パターン形状の制御性が得られにくくなる。また、第2のエッチング工程における処理圧力(第2の減圧雰囲気)は、例えば、0.7Pa以下とすることができる。0.7Paを超える圧力では、イオン照射によるエッチングが支配的なエッチング工程が得られにくくなる。
【0045】
ステージ17に印加するバイアスパワーも特に限定されない。例えば、第1のエッチング工程でステージ17に印加するバイアスパワーは200W、第2のエッチング工程でステージ17に印加するバイアスパワーは300Wとすることができる。
【0046】
また、第2のエッチング工程では、ステージ17に印加するバイアスパワーを増加させることで、イオン照射を主体とするアモルファスTiO膜の垂直方向におけるエッチングの進行を促進させる。その一方で、マスクもイオンによるエッチングが促進され、マスクパターンの形状維持性が低下する。
【0047】
そこで本実施の形態では、第2のエッチング工程において導入されるエッチングガスに酸素(O)を含有させる。これにより、Crからなるマスクの表面に不動態被膜(酸化被膜)が形成されるため、マスクの耐久性が高まり、マスクパターンの形状維持性を確保することが可能となる。
【0048】
図4(A)〜(C)は、エッチング方法を異ならせてエッチングしたときに得られるエッチングパターンの形状を説明する模式図である。図において、Mはマスク、TはアモルファスTiO膜、Sは支持体である。
【0049】
図4(A)は、上記第1のエッチング工程のみ実施したときのエッチングパターンを示している。上述のように、第1のエッチング工程では、ラジカル反応を主体とする等方性エッチングが継続することによって、マスクMの直下位置におけるアモルファスTiO膜Tの浸食が顕著になる。したがって、エッチングが深さ方向に進むに伴ってエッチングパターン形状が崩れてしまい、パターン倒れやパターン抜けといったパターン不良が生じやすい。
【0050】
図4(B)は、上記第1のエッチング工程の後、上記第2のエッチング工程を実施したときのエッチングパターンを示している。第1のエッチング工程によって、マスク開口部に対応する領域がエッチングされるが、マスクMの直下が浸食される前に第2のエッチング工程に移行する。これにより、パターン開口部の形状を崩すことなく、アモルファスTiO膜Tを深さ方向にエッチング可能となる。
【0051】
また、図4(B)の例によれば、図4(A)の例と比較して、エッチングレートの向上を図ることができる。図5は、図4(A)の例におけるエッチングレートと、図4(B)の例(本実施の形態)におけるエッチングレートを示している。比較例の場合、エッチングレートは150(nm/min)であったのに対し、本実施の形態では、240(nm/min)のエッチングレートが得られた。
【0052】
なお、比較例に係るエッチング条件は、本実施の形態に係る第1のエッチング工程に相当する。エッチング時間はいずれの例も同一とした。また、本実施の形態において、第1のエッチング工程の処理時間と第2のエッチング工程の処理時間は、それぞれ同一とした。また、エッチングガスとしては、CFとCの混合ガスを用い、その混合比は、CF/C=30/70とした。
【0053】
図4(C)は、図4(B)の例とは逆に、上記第2のエッチング工程の後、上記第1のエッチング工程を実施したときのエッチングパターンを示している。第2のエッチング工程では、ラジカル反応を主体とする等方性エッチングよりも、イオン照射を主体とする異方性エッチングが支配的となる。したがって、この第2のエッチング工程では、マスクMの耐久性が低下し、アモルファスTiO膜Tのエッチングの進行に伴ってマスクMのエッチングも早められる。また、第1のエッチング工程への移行後は、ラジカルがエッチングパターンの底部へ到達する効率が低下するため、エッチングの進行が緩やかになる。その結果、図4(A)及び(B)の例と比較して、アモルファスTiO膜Tのエッチングレートが低下する。
【0054】
以上の結果から、本実施の形態(図4(B)の例)によれば、他のエッチング方法と比較して、アモルファスTiOに対する優れたエッチング特性が得られることがわかる。また、本実施の形態によれば、パターン形状に優れ、エッチングレートも良好であることから、アモルファスTiOに対して微細な凹凸パターンを有する形状精度に優れた表面構造を効率よく形成することが可能である。
【0055】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【0056】
例えば、以上の実施の形態では、第1のエッチング工程と第2のエッチング工程とをそれぞれ1回ずつ実施する例を説明した。これに限らず、第1のエッチング工程と第2のエッチング工程とを交互に複数回繰り返して実施してもよい。
【0057】
また、以上の実施の形態では、第1のエッチング工程と第2のエッチング工程の処理時間について特に言及しなかったが、形成するパターンの間隔や形状などに応じて適宜設定することが可能である。
【符号の説明】
【0058】
10…プラズマエッチング装置
11…槽本体
12…プラズマ形成空間
13…筒状壁
14…天板
15…ガス導入管
16…高周波コイル
17…ステージ
18…コンデンサ
20…真空槽
30…コントローラ
M…マスク
P…プラズマ
T…アモルファスTiO
RF1…第1の高周波電源
RF2…第2の高周波電源
S…支持体
W…基板
図1
図2
図3
図4
図5