(57)【要約】    【課題】  ガラス基板のエッチング速度を高める。    【解決手段】  ホトレジストパターンが形成されたガラス基板６を、ホトレジストパターン形成面を上にして基板ホルダ４上に載置する。そして、チャンバ２内を真空排気した後、プラズマを生成するためのエッチングガスを所定の流量で供給する。プラズマエッチングのためにＲＦ電源１２からプラズマ生成用の１３.５６ＭＨｚの高周波電源がアンテナコイル８からチャンバ２内に供給される。このとき、その高周波電源の供給は、ファンクションジェネレータ１６からパルス回路１４を介して、例えばオン時間１００〜２５０μｓ、オフ時間１０μｓ以下となるようにパルス変調される。また、バイアス電源１８によりガラス基板６にはバイアス電圧が印加される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電界により励起されたプラズマを基板に照射して基板のエッチングを行うプラズマエッチング方法において、
エッチングされる前記基板は酸化ケイ素を含むガラス基板であり、
プラズマ生成用の前記高周波電界が１０ｋＨｚ以下の周波数でパルス変調されていることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
プラズマが照射される前記基板の表面には３次元形状をもつマスク材を形成し、そのマスク材及び前記基板を前記プラズマでエッチングすることにより基板にマスク材の３次元形状を転写する請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項３】
前記パルス変調のオン時間が５０μｓ以上である請求項１又は２に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項４】
前記パルス変調のオフ時間が２０μｓ以下である請求項１から３のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
【請求項５】
エッチングガスは３原子以上で構成される化合物からなるガスである請求項１から４のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
【請求項６】
前記基板側にバイアス電圧を印加する請求項１から５のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
【請求項７】
エッチングガスが導入されるプラズマ生成室、前記プラズマ生成室内のエッチングガスを高周波電界により励起してプラズマを生成させる励起装置、及び前記プラズマ生成室内で被エッチング基板を支持する基板ホルダを備えたプラズマエッチング装置において、
該プラズマエッチング装置は被エッチング基板として酸化ケイ素を含むガラス基板をエッチングするものであり、
前記励起装置はプラズマを生成させる高周波電界を１０ｋＨｚ以下の周波数でパルス変調するパルス回路を備えていることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項８】
前記基板ホルダには周波数が３ＭＨｚ以下のバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加装置が接続されている請求項７に記載のプラズマエッチング装置。
【請求項９】
酸化ケイ素を含むガラス基板の表面に３次元形状をもつ物品であり、前記３次元形状は前記ガラス基板表面に形成されたマスク材の形状が請求項１から６のいずれかのプラズマエッチング方法によりそのガラス基板に転写されたものであることを特徴とする３次元形状物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドライエッチング方法に閲し、特に高周波電界を用いて生成したプラズマを用いて基板表面のエッチングを行う方法と装置、並びにそれにより得られる物品、例えばマイクロレンズのような光学部品などの物品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学部品の小型型化と高精度化が進んでいる。ガラスで形成した微細３次元形状を有する光学部品は樹脂成型等のものに比べて光学特性も耐環境性能も優れているため、にわかに注目を集めている。
【０００３】
微細３次元形状の作成方法においてはドライエッチング法が広く用いられている。ドライエッチング法では、ベースとなるガラス基板上にレジスト等を用いて微細３次元形状を形成し、その微細３次元形状をプラズマを用いた異方性ドライエッチングにより基板に転写する。
【０００４】
異方性ドライエッチングとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、誘導結合プラズマエッチング（ＩＣＰ）、電子サイクロトロン共鳴プラズマエッチング（ＥＣＲ）及び磁気中性線放電プラズマエッチング（ＮＬＤ）が広く用いられている。
【０００５】
プラズマエッチングは半導体装置の製造プロセスで多用されている。半導体装置の製造プロセスでは、プラズマの持つ高エネルギーや電荷蓄積によりダメージが生じるという問題点がある。そこで、そのような高密度プラズマを用いる加工方法の問題点を解決するために、本発明者の一人である寒川によりパルス変調プラズマ技法が発案された。パルス変調プラズマ技法では、プラズマ生成用の高周波電界をそれより長い周期のμｓ（マイクロ秒）オーダーでパルス変調することにより、プラズマ中の電子温度を低下させる。
【０００６】
半導体装置の製造プロセスに適用したパルス変調プラズマ技法の一例では、塩素プラズマ又はフロロカーボンプラズマを１０ｋＨｚ以上の周波数でパルス変調することにより、正イオンや中性粒子の密度を維持しながら電子温度を低下させ、シリコン基板へのダメージを低減するとともに、正負両イオンでエッチングすることで電荷蓄積を制御する（特許文献１参照。）。その方法によれば、塩素を用いたアルミ電極のエッチング又はフロロカーボンを用いたコンタクトホールのエッチングを行う際に、その基板表面に蓄積される電荷が減少し、ゲート酸化膜の劣化によるデバイス動作不良を抑制することができる。
【０００７】
半導体装置の製造プロセスに適用したパルス変調プラズマ技法の他の例では、塩素プラズマを１０〜１００μｓの周期でパルス変調してオフ時間中に多量の負イオンを生成させるとともに、６００ｋＨｚ以下の基板バイアス電圧を印加することにより、被エッチング基板に負イオンを導入してエッチングする（特許文献２，３参照。）。この方法によれば、磁場がある高密度プラズマ中でプラズマ密度分布を均一化でき、更に、電荷蓄積によるダメージがより少ないエッチングを実現できる。
【０００８】
これまでのパルス変調プラズマ技法の適用は半導体装置の製造プロセスが中心であり、その目的が高エネルギーや電荷蓄積によるダメージを軽減することに置かれているため、パルス変調の条件もそのような目的に最適なものに設定されている。そのため、プラズマ生成用の高周波電界を短時間でオン・オフするためにパルス周波数は１０ｋＨｚ以上に設定されることが多い。これはパルス周波数が低いとパルス変調のパワーオン時間が長くなって連続放電に近い状態となるため、電子温度の低下や、負のイオン発生による電荷蓄積ダメージの低減等の効果が得られにくくなるからである。また、変調用パルスのデューティについても、同様の理由からオン時間よりもオフ時間の方を長くするように設定されることが多い。
【特許文献１】特許第２９５７４０３号公報
【特許文献２】特許第２８４５１６３号公報
【特許文献３】特開平１０−２８４２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光学機器の分野では、近年のユニットの小型化により、ユニット内部に用いられる光学部品の小型化が進んでいる。また、厳しいコストダウン要求に応えるため、高精度な３次元形状部品を短時間で加工できる技術が求められている。
微細３次元形状の作成方法においてドライエッチング法が広く用いられており、そこではベースとなるガラス基板上にレジスト等を用いて微細３次元形状を形成し、それを、プラズマを用いた異方性ドライエッチングにより、基板に転写する技法が用いられている。
【００１０】
光学部品を初め、表面に微細３次元形状を備えた物品をドライエッチング法により、短時間で高精度に加工するためには、ガラス基板のエッチング速度を高める条件を模索する必要がある。その際、半導体装置では電気的特性に関する劣化が重要な課題であるが、光学部品等を作成するのにプラズマエッチング方法を用いたとしても、そのようなダメージが問題になることはない。
本発明は、ガラス基板をプラズマエッチング方法により加工する際に、エッチング速度を高めることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、高周波電界により励起されたプラズマを基板に照射して基板のエッチングを行うプラズマエッチング方法であるが、その際、エッチングされる基板は半導体基板ではなく、酸化ケイ素を含むガラス基板である点、及びダメージの軽減よりエッチング速度を高めるためにプラズマ生成用の高周波電界を１０ｋＨｚ以下の周波数でパルス変調する点に特徴をもっている。
【００１２】
エッチングの対象とするガラス基板は酸化ケイ素を含むガラス基板であり、例えば耐熱ガラスや光学ガラスなどである。耐熱ガラスとしてはパイリックス（登録商標）、テンパックス（登録商標）、ネオセラム（登録商標）及び石英ガラスなどを挙げることができる。また、光学ガラスとしてはＳ−ＴＩＭ３５やＢＫ７を挙げることができる。
【００１３】
本発明における加工方法は、具体的には、プラズマが照射されるガラス基板の表面には３次元形状をもつマスク材を形成し、そのマスク材及びガラス基板をプラズマでエッチングすることによりガラス基板にマスク材の３次元形状を転写するプラズマエッチング方法である。
【００１４】
本発明のプラズマエッチングが対象にするプラズマの種類は特に限定されるものではなく、反応性イオンエッチング、誘導結合プラズマ、電子サイクロトロン共鳴プラズマ又は磁気中性線放電プラズマのいずれであってもよい。本発明はいずれの方法により生成したプラズマに対しても適用することができる。
【００１５】
プラズマ生成用の高周波電界の周波数は特に限定されるものではないが、例えば２.５６ＧＨｚ又は１３.５６ＭＨｚを使用する。そして、パルス変調用の周波数はそれより数桁低い１０ｋＨｚ以下に設定する。このような低周波でのパルス変調は連続放電に近い状態であるため、従来から半導体装置の製造プロセスで適用されているようなパルス変調の条件での電子温度の低下や負のイオン発生により基板へのダメージを軽減するという効果は期待できない。しかし、パルス変調により短時間のオフ時間を設けることにより、エッチングガスの１次解離が起きてイオン化したプラズマ種の再解離を抑制することが可能となり、結果としてプラズマ中のイオン密度が増大する。ガラスのエッチング反応はイオンが基板に入射することによって進行するイオンアシスト反応が中心であるため、イオン密度の増大がエッチング速度の増大につながる。そのようなオフ時間は、エッチングガスの種類や圧力により変動はするが、例えば２０μｓ以下、より好ましくは１０μｓ以下である。
【００１６】
パルス変調では、電界がオンになって電子密度が定常状態に達するまでに２０〜３０μｓを必要とする。そのため、プラズマを安定させるためには変調用パルスのオン時間を５０μｓ以上とするのが好ましく、より好ましくは１００〜２５０μｓとする。
【００１７】
イオン密度をより増大させるためには、エッチングガスとしては高次解離反応の起き得るガス、例えばフロロカーボンガスや六フッ化硫黄など３原子以上で構成される化合物からなるガスが好ましい。
さらに基板側にバイアス電圧を印加するのが好ましい。そのバイアス電圧の周波数としては、例えば３ＭＨｚ以下が適当である。
【００１８】
本発明のプラズマエッチング装置は、エッチングガスが導入されるプラズマ生成室、プラズマ生成室内のエッチングガスを高周波電界により励起してプラズマを生成させる励起装置、及びプラズマ生成室内で被エッチング基板を支持する基板ホルダを備えたものであるが、特に被エッチング基板として酸化ケイ素を含むガラス基板をエッチングするものであり、励起装置はプラズマを生成させる高周波電界を１０ｋＨｚ以下の周波数でパルス変調するパルス回路を備えていることを特徴としている。
【００１９】
本発明はまた、酸化ケイ素を含むガラス基板の表面に３次元形状をもつ物品も含み、その３次元形状はガラス基板表面に形成されたマスク材の形状が本発明のプラズマエッチング方法によりそのガラス基板に転写されたものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のプラズマエッチング方法は、プラズマ生成用の高周波電界を１０ｋＨｚ以下の周波数でパルス変調してガラス基板をエッチングするので、微細３次元形状を高精度に転写できるとともに、エッチング速度を増大させて加工速度の上昇が実現できる。
【００２１】
変調用パルスのオン時間を５０μｓ以上とすればプラズマを安定させるのに好都合であり、また変調用パルスのオフ時間を２０μｓ以下とすればプラズマの再解離反応を抑制してプラズマ中のイオン密度を上げるのに好都合であり、エッチング反応にイオンの衝突エネルギーが必要となるガラス基板のエッチング速度をより向上させることができる。このようなパルス変調の条件は、負イオン入射による電荷蓄積緩和の効果は期待できないが、光学部品などのようにこれらのダメージの影響が少ない製品の加工速度上昇に大きな効果を発揮することができる。
【００２２】
さらに基板側にバイアス電圧を印加すれば、正・負イオンがバイアス電圧に追従して加速されて基板に半周期ずつ交互に入射することになる。これにより、正イオンばかりでなく加速されて入射した負イオンによってもエッチングが進むので、エッチング速度をより向上させることができる。そのバイアス電圧の周波数があまり高くなるとイオンが追従できなくなるので、３ＭＨｚ以下が適当であり、より好ましくは６００ｋＨｚ以下である。
エッチングガスとして３原子以上で構成される化合物からなるガスを使用した場合は、連続放電のときはプラズマ種の再解離がより起きやすくなるが、本発明ではパルス変調により短時間のオフ時間を設けることによりプラズマ種の再解離を抑制することが可能となる。そのため、本発明はエッチングガスとして３原子以上で構成される化合物からなるガスを使用した場合により効果的に作用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は一実施例の誘導結合型プラズマエッチング装置を概略的に表わしたものであり、図２はその装置におけるプラズマ生成用の励起装置をブロック図として表わしたものである。
チャンバ２はプラズマ生成室を兼ねており、その内部には基板ホルダ４が設けられ、その上にエッチングしようとするガラス基板６が載置される。図示は省略されているが、チャンバ２には内部を真空排気するための排気機構と、プラズマを生成するエッチングガスを導入するためのガス導入部が接続されている。チャンバ２には基板搬送室（図示略）が隣接して接続されている。
【００２４】
チャンバ２の外部側方を取り囲んで、チャンバ２内でプラズマを発生させるためのアンテナコイル８が配置されている。チャンバ２の主要な部分はステンレスなどの金属製であるが、アンテナコイル８と対向する部分にはアンテナコイル８で発生したマイクロ波を透過させることのできる石英ガラス又はセラミックス製の誘電体窓が設けられている。
【００２５】
アンテナコイル８にはマッチングボックス１０を介してプラズマを生成させるための高周波（ＲＦ）電源１２が接続されている。ＲＦ電源１２はプラズマ生成用の１３.５６ＭＨｚの周波数をもつ高周波電圧を供給することができる。ＲＦ電源１２から供給される高周波電圧をパルス変調するために、ＲＦ電源１２にはパルス回路１４が接続され、パルス周波数とそのオン時間及びオフ時間を設定するためのファンクションジェネレータ１６がパルス回路１４に接続されている。
【００２６】
基板ホルダ４は金属製であり、基板ホルダ４にはバイアス電源１８が接続されている。バイアス電源１８により基板ホルダ４を介してガラス基板６には６００ＫＨｚ〜１３.５６ＭＨｚのバイアス電圧が印加されるようになっている。
【００２７】
ガラス基板６のエッチングに先立ち、ガラス基板６の表面にはホトレジストにより微細３次元形状のパターンが写真製版により形成される。プラズマエッチングはそのホトレジストパターンをマスクとして、ホトレジストとガラス基板６をともにエッチングし、ホトレジストパターンをガラス基板６に転写する工程である。
【００２８】
この誘導結合型プラズマエッチング装置においてガラス基板６にプラズマエッチングを施すときは、ホトレジストパターンが形成されたガラス基板６を、ホトレジストパターン形成面を上にして基板ホルダ４上に載置する。そして、チャンバ２内を真空排気した後、プラズマを生成するためのエッチングガスを所定の流量で供給する。プラズマエッチングのためにＲＦ電源１２からプラズマ生成用の１３.５６ＭＨｚの高周波電源がアンテナコイル８からチャンバ２内に供給される。このとき、その高周波電源の供給は、ファンクションジェネレータ１６からパルス回路１４を介して、例えばオン時間１００〜２５０μｓ、オフ時間１０μｓ以下となるようにパルス変調される。また、バイアス電源１８によりガラス基板６にはバイアス電圧が印加される。
【００２９】
この誘導結合型プラズマエッチング装置において、ガラス基板６として石英ガラスをエッチングした。そのときのエッチング条件は、エッチングガスとしてＣＦ4を１００ｓｃｃｍで供給し、圧力を５ｍＴｏｒｒとし、バイアス電圧として周波数６００ＫＨｚで電力１００Ｗで印加し、アンテナコイルから供給する１３.５６ＭＨｚのプラズマ生成用高周波電源の電力を５００Ｗとし、そのパルス変調のオン時間を３０μｓ、５０μｓ、７０μｓ、１２５μｓ及び５００μｓに設定して、それぞれでパルス変調のオフ時間を変化させた。そのときのエッチングレートを図３に示す。
【００３０】
図３で、直線で示されるのは従来の連続放電プラズマによるエッチングレートである。オフ時間が１０μｓ以下であれば、測定したすべてのオン時間について連続放電プラズマよりも大きなエッチングレートを示している。オン時間が１２５μｓの場合は、オフ時間が３０μｓぐらいまでは連続放電プラズマよりもエッチングレートが大きくなっている。オン時間が５００μｓの場合は、オフ時間が５０μｓでも連続放電プラズマよりもなおエッチングレートが大きくなっている。このように、短いオフ時間を設けることにより連続放電プラズマよりもエッチングレートが大きくなるのは、連続放電プラズマの場合にＣＦ4ガスがプラズマとなったときに発生するＣＦ3イオンが再解離してＣＦ2ラジカルになることによりプラズマ中のイオン密度が減少する現象が、短時間のオフ期間を設けることによって抑制することができるためであると考えられる。
【００３１】
図４にオフ時間と電子の挙動を示す。（Ａ）はエッチングガスが塩素の場合、（Ｂ）はエッチングガスがアルゴンの場合で、横軸の時間は高周波電界をオフにした時点を基準０としてプラス側にオフ時間を表わしており、左側縦軸は電子密度ｎｅ、右側縦軸は電子温度Ｔｅである。プラズマ励起のための高周波電界がオフになると電子密度と電子温度が低下していく。一方、図５はオフ時間（横軸）と負イオン密度（縦軸）の関係を示しており、高周波電界がオフになると負イオンが増加していく。図４と図５の結果から、高周波電界がオフになると、そのオフ時間が短時間であれば、プラズマ密度は下がらず、電子温度が低下することがわかる。
【００３２】
図６はパルス変調のオン時間とエッチングレートの関係を示したものである。エッチング条件は、エッチングガスとしてＣＦ4を１００ｓｃｃｍで供給し、圧力を５ｍＴｏｒｒとし、バイアス電圧として周波数６００ＫＨｚで電力１００Ｗで印加し、アンテナコイルから供給する１３.５６ＭＨｚのプラズマ生成用高周波電源の電力を異ならせた。アンテナコイルに供給するプラズマ生成用高周波電源の電力は、（Ａ）では５００Ｗ、（Ｂ）では１０００Ｗ、（Ｃ）では１２５０Ｗとした。ガラス基板として石英ガラスをエッチングし、パルス変調のオフ時間は５μｓで固定した。直線で示されるのは連続放電プラズマの場合である。
【００３３】
オン時間が２０μｓ以下というように短い場合はプラズマが安定せず、連続放電プラズマに対してエッチングレートでの寄与はないか、あったとしても少ない。
オン時間が１００〜２５０μｓの範囲で連続放電プラズマの場合よりもエッチングレートが大きくなっている。これは、その範囲のオン時間でプラズマ密度が高くなるためであると考えられる。
【００３４】
オン時間がさらに長くなって、２５０μｓを超えてくると、エッチングレートは連続放電プラズマの場合よりも大きいとはいうものの、その寄与は小さくなってくる。これはオン時間が長くなるにつれて連続放電プラズマに近づき、ＣＦ3イオンの再解離が生じてくるためであると考えられる。
【００３５】
好ましい条件の一例であるオン時間／オフ時間＝１００μｓ／５μｓでは、パルス変調の周波数は約９.５ＫＨｚ、デューティ比は約９５％である。このように、本発明では、１０ＫＨｚ以下の低い周波数でパルス変調し、デューティ比が９０％を超えるといった、オン時間を長く、オフ時間を短くするといったパルス変調の条件設定が好ましいことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明のプラズマエッチング方法は、ガラス基板をエッチングしてマイクロレンズアレイのような光学素子などを製造するのに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】一実施例のプラズマエッチング装置を示す概略図である。
【図２】同実施例におけるプラズマ駆動装置を示すブロック図である。
【図３】パルスオフ時間と石英ガラスエッチング速度の関係を示す図である。
【図４】パルスオフ時間と電子の挙動を示す図であり、（Ａ）は塩素プラズマの場合、（Ｂ）はアルゴンプラズマの場合である。
【図５】パルスオフ時間とマイナスイオン密度の関係を示す図である。
【図６】パルスオン時間と石英ガラスエッチング速度の関係を示す図である。（Ａ）〜（Ｃ）はプラズマ励起電力とバイアス電力を異ならせた場合である。
【符号の説明】
【００３８】
２      チャンバ
４      基板ホルダ
６      ガラス基板
８      アンテナコイル
１８      バイアス電源
１０      マッチングボックス
１２      ＲＦ電源
１４      パルス回路
１６      ファンクションジェネレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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