(57)【要約】  ナノ精度の光／電気化学的な平坦化及びポリシング加工方法及びその装置を提供する。前記方法は、ナノ平坦精度を有するバイト表面上に、電気化学、光化学または光電気化学的な方法によってエッチング剤を生成することを含む。エッチング剤と作動溶液中の除去剤との化学反応、又はエッチング剤自身の減衰により、バイト表面にナノレベルの厚さを有するエッチング剤液層を生成する。エッチング剤とワークとの化学反応によって、ワーク表面にナノレベルの表面プロファイル精度及び粗さを達成させることにより、ワークに対するナノ精度の平坦化及びポリシングを実現する。
2013538169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ平坦精度を有するバイト表面上に、電気化学、光化学または光電気化学的な方法によってエッチング剤を生成すること；
エッチング剤と作動溶液中の除去剤との化学反応、又はエッチング剤自身の減衰により、バイト表面にナノレベルの厚さを有するエッチング剤液層を生成すること；及び
エッチング剤液層中のエッチング剤とワークとの化学反応によって、ワーク表面にナノレベルの表面プロファイル精度及び粗さを達成させることにより、ワークに対するナノ精度の平坦化及びポリシングを実現すること
を含む、光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法。
【請求項２】
除去剤を用いる場合、エッチングレベリング剤前駆体と除去剤との濃度比は一般的に10：1〜1：100の範囲内にある、請求項1に記載の光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法。
【請求項３】
前記エッチング剤とワークとの化学反応は、下記の各項から選ばれた少なくとも1項により行なわれる、請求項1に記載の光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法。
エッチング剤液層のpHを制御することにより、拘束エッチング剤層内の強酸性物質の濃度を向上させ、ワークと反応させて可溶性塩を生成すること；
強酸化特性を有するエッチング剤を生成することにより、ワークと直接に反応させて可溶性化合物を生成すること；
酸化性物質を生成することによりワーク表面に酸化物を生成し、それを溶液中の酸性又はアルカリ性物質に溶解させること；
作動溶液中に添加剤又は界面活性剤を加え、ワークの金属イオンと錯化反応させること；及び
拘束エッチング剤液層内に強酸化剤を生成すると同時に、錯化剤を加えて生成物の溶解度を高めること。
【請求項４】
用いられる除去剤は、ジスルフィド結合化合物、フェロセン及びその誘導体、過硫酸塩、亜硝酸塩、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、アスコルビン酸、シスチン及びソルビトールのうちから選ばれた少なくとも1種である、請求項3に記載の光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法。
【請求項５】
前記作動溶液は、界面活性剤、支持電解質及びpHバッファーのうちから選ばれた少なくとも1種を更に含む、請求項1に記載の光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法。
【請求項６】
前記ナノ平坦精度を有するバイトは、下記の各種製造方法から選ばれた少なくとも1種により製造される、請求項1に記載の光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法。
1）超精密機械加工の方法によってナノレベルの平坦精度を有するプラチナ、金、イリジウム、タングステンなどの金属電極を取得する方法；
2）各種の膜形成又は結晶体エピタキシャル成長技術によって、表面が原子オーダーの平坦程度を有する基板上に、金属又は半導体を沈着及び成長させ、その表面を導電化させる方法；
3）溶融のプラチナ、金、イリジウムなどの金属に対して、温度を精確に下げる方法又は引伸ばしなどの方法によって、表面にナノレベルの平坦精度を有するプラチナ、金、イリジウムなどの金属単結晶電極を製造する方法；
4）CMP技術を電解と結合する方法を用いて、金属多結晶又は単結晶電極表面に対して平坦化及びポリシングを行うことにより、ナノ平坦精度を有する電極表面を取得する方法；
5）液体金属又は合金が自然的に形成されたナノ平坦精度表面を用いる方法；及び
6）光触媒反応及び光電気触媒反応に用いるバイトを製造する方法であり、石英非導電光学材料、ITO又はFTO導電光学ガラスを担体とし、表面修飾、In-Situ電気化学的成長、又は化学的気相沈着によって、一層のナノ二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステンWO3、酸化第二鉄Fe2O3、セレン化カドミウムCdSe及びその複合光触媒材料を被覆する方法。
【請求項７】
バイトとワークとの距離がエッチング剤層の厚さより小さくなるように制御することにより、及び/又はバイトとワークとの相対運動により、ワーク表面の表面プロファイル精度を向上させてワーク表面の粗さを低減させることを更に含む、請求項1に記載の光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法。
【請求項８】
前記バイトが平面バイトである場合、平面回転運動しながらバイト又はワークを平面振動させることにより、さらにワーク表面の表面プロファイル精度を向上させ、ワーク表面の粗さを低減させる、請求項7に記載の光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法。
【請求項９】
ワーク表面とバイトとの距離及び平行度を調整することを更に含む、請求項1に記載の光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法。
【請求項１０】
光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法を実現するための装置であって、
バイトと、光／電気化学反応制御システムと、作動溶液循環装置と、作動溶液温度調節装置と、自動化制御システムとを含み、
前記バイトはナノ平坦精度の表面を有するバイトであり、
前記光／電気化学反応制御システムには、ポテンショスタット、光路制御装置、光／電気化学的作動電極、補助電極、参照電極、容器及び作動溶液が配置されており、前記バイトは光／電気化学的作動電極としてポテンショスタット及び/又は光路制御装置に接続され、光／電気化学的作動電極、補助電極及び参照電極はいずれも作動溶液を収容する容器中に挿入され、前記容器が更にワークを収容し、
前記作動溶液循環装置は、前記電気化学反応制御システム中の作動溶液を循環させ、
前記作動溶液温度調節装置は、前記電気化学反応制御システム中の作動溶液を一定の温度に保ち、
前記自動化制御システムには、固定台、多次元マイクロ駆動装置、可視化モニター、圧力センサ、平行レーザ光束距離測定装置、電流フィードバック装置及び情報処理コンピュータが配置されており、前記固定台の下部にはバイトが固定され、固定台上部には自動化制御システムの多次元マイクロ駆動装置の垂直軸マイクロ駆動コントローラが接続され、垂直軸マイクロ駆動コントローラには情報処理コンピュータが接続され、前記多次元マイクロ駆動装置の水平軸マイクロ駆動コントローラには前記容器が配置され、可視化モニターはバイトがワークへ接近する過程をモニタリングし、電流フィードバック装置はバイト表面電流をモニタリングし、圧力センサはバイトとワークとが接触したか否かをモニタリングし、平行レーザ光束距離測定装置はバイト表面とワーク表面との距離をモニタリングし、情報処理コンピュータは電流フィードバック装置が提供した電流値、圧力センサが提供した圧力値、及び平行レーザ光束距離測定装置が提供した両平面間の距離値などのフィードバックパラメーターに基づき、多次元マイクロ駆動装置の垂直軸マイクロ駆動コントローラ及び水平軸マイクロ駆動コントローラを駆動し、バイト表面とワーク表面との距離及び平行度を調節し、
前記作動溶液は、光／電気化学反応によって前記バイト表面にエッチングレベリング剤を生成し得るエッチングレベリング剤前駆体を含み、生成したエッチング剤自身が減衰できない場合、バイト表面におけるエッチングレベリング剤液層をナノレベルの厚さに拘束し得る除去剤を更に含む、装置。
【請求項１１】
光／電気化学反応制御システムにおける電極電位、光波の波長及び強度、光触媒層のパラメーター、並びに作動溶液の配合、温度及び循環のパラメーターを制御することにより、エッチングレベリング剤液層の厚さを調整制御する、請求項10に記載の光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法を実現するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによる平坦化及びポリシング技術に関し、特に、金属、半層体及び絶縁体表面に対するナノ平坦精度の大面積及びロット化の拘束化学的エッチングによる平坦化及びポリシング加工方法並びにその装置に関する。
【０００２】
［背景技術］
半導体超大規模集積回路（ULSI）製造技術は既に、120nmの特徴線幅、及び300mmの直径を有するウェハの時代に発展しているとともに、特徴線幅が100nmである技術も市場化されている。当今、一つのチップ上のトランジスタの数は既に1億個を超えている。アメリカ半導体工業協会のマイクロ電子技術発展計画によると、2011年、特徴線幅は50nmと低減され、450mmウェハは使用されるようになり、金属層数は5〜6層からより多くの層数になる。現在、国際半導体工業の一致した観点では、デバイスの特徴寸法が350nm以下である場合、フォトリソグラフィ影像伝達の精度及び解像度を保証するために、全局平坦化を行なわなければならず、平坦化及びポリシングはこれからのULSI製造の中核技術になり、ULSI製造技術の発展に非常に大きい制約作用を奏している。
【０００３】
ULSI製造の最も重要な条件として、基体材料であるシリコンウェハは、表面が平坦化及びポリシングされてはじめて使用可能である。デバイスの特徴寸法がナノレベルになるのに従って、シリコンウェハの表面品質、特に表面平坦程度及び機械損傷などはさらに高く要求され、フォトリソグラフィプロセスにおける解像度及び焦点深度（即ち被写界深度）に対する制限は益々高くなる。したがって、大寸法ウェハ表面は、ナノレベルの表面プロファイル精度及びサブナノレベルの表面粗さを有しなければならない。同時に、表面及びサブ表面に損傷がないことを保証しなければならない。その次、多層配線立体構造を構築する過程において、それぞれの層が全局平坦化を達することを保証する必要がある。ULSI製造がさらに特徴線幅微細化、構造立体化、配線多層化の方向に発展する場合、RC遅延のデバイス特性に対する影響は益々大きくなる。高周波金属相互に接触構造を達するために、構造を多層立体化させてRC遅延を低減することは要求されている。それぞれの層を構築するとき、その表面粗さが高すぎると、騒音の増加、電気特性の一致性悪化を招来し、デバイスの周波数特性に影響を与え、集積度、信頼性及び良品率に影響を与える。したがって、それぞれの層が高い全局平坦度を有することは要求される。即ち、多層配線相互に接触構造における過量に沈着した銅嵌合金属線、及び凹凸を有するSiO2、SiOFなどの低K誘電体（絶縁体）に対して全局平坦化を行うことは要求される。これは、大規模集積回路の立体化構造を実現するかなめである。また、デバイス特徴寸法が更に小さくなる場合、金属銅がSiO2絶縁層へ拡散することによる不利な影響は益々ひどくなる。拡散バリア層又は多孔質超低K値誘電体材料（絶縁体）を採用することは、この問題を解決する発展方向である。金属Ta又はTaNは、銅との優れた付着性及び優れた熱安定性を有するため、理想的な金属バリア層材料と考えられる。しかしながら、この層の金属の沈着が非選択的な沈着過程であり、SiO2が完全に被覆されるため、線溝の外部のTa又はTaNを除去しなければならない。Taは硬質金属であり、酸化後の硬度が大きい。Ta又はTaNを如何に平坦化することは、これからのULSI製造における全局平坦化の肝心な技術の一つになる。一方、脆性が非常に高い多孔質超低K値誘電体材料（絶縁体）を平坦化することも、非常に難しい挑戦である。したがって、金属、半層体及び絶縁体表面に対するナノ平坦精度の多機能平坦化及びポリシング技術を発展することは、ULSI製造工業における共同で肝心な問題であると共に、世界中の工業大国の注目を集めている重点技術の一つである。
化学機械的ポリシング（CMP）技術は、現在の最もよく、サブミクロン寸法において全局平坦化を実現する唯一の使用可能なプロセス技術である。そのメカニズムは、強機械研磨と化学溶解とを結合することにより平坦化及びポリシングを実現することである。即ち、化学機械的ポリシングするとき、ポリシングスラリー中の酸化剤及び触媒などはワーク表面の原子と酸化反応し、ワーク表面に酸化物薄膜を生成させ、そして、ポリシングスラリー中に懸濁する砥粒微粒子は機械摩擦作用によって酸化物薄膜を除去し、ワーク表面を新たに露出させ、更に酸化反応を行う。このように、化学と機械の交替作用によって、ワーク表面に対するポリシングを完成する。しかしながら、機械研磨及び外部圧力が不均一性を有するため、ポリシング後の表面粗さは高い。したがって、後続プロセスの加工及び歩留まりに直接に影響する。現在、Al2O3砥粒が多用されており、このような砥粒は硬度が高く、分散度が大きく、粘度が大きいため、表面擦れ傷を引起し易く、且つ損傷層が深い。また、金属イオン汚染、分散性が悪いこと、アルカリ環境における材料除去率が低いことなどのような問題が更に存在している。同時に、平坦化ポリシングの終点検出と制御も、CMP技術応用における加工プロセス全体の失敗を最も招来し易い難点問題の一つである。過度ポリシングもポリシング不足も、後続プロセスを実行し得ないことを招来する。更に重要なのは、これからのULSI製造の発展において、表面に対してナノレベルの表面プロファイル精度及びサブナノレベルの表面粗さは要求される。これは、CMP技術表面加工の極限（20mm×20mm、平坦度差＜20nm）に近づくかそれを超えている。近年来、CMP技術は電気化学を補助手段として用い、電気化学アノード溶解方法によって導電の金属銅又は他の半導体材料の表面平坦化及びポリシングの効果を改善するが、上記CMP技術に固有の欠点は依然として解消されていない。
【０００４】
一方、現代精密光学デバイス加工は現在、マイクロ光学素子（MOC）と大口径超精密光学素子との2種の発展傾向を有する。MOCとは、表面プロファイル精度がサブミクロンオーダーに達して表面粗さがナノレベルに達する自由光学曲面及びマイクロ構造光学素子のことであり、典型的なマイクロ光学素子は、ホログラフィックレンズ、回折光学素子及び屈折率分布型レンズなどを含む。システム小型化が必然な傾向になっているのにつれて、現代国防科学技術分野においても、普通の工業分野においても、MOCは広い応用の将来性を有する。大口径超精密光学素子も、宇宙望遠鏡のレンズ及び反射鏡、レーザ核融合装置における高精度大口径の光学ガラス素子などのような非常に重要な応用を有するが、高周波帯において、その表面粗さが1nm未満であることが要求されている。現在、精密光学デバイスのポリシング加工もCMP技術に依存する。したがって、原理から新たに考え、従来のCMP技術の欠点及び局限性を防止し得ると共にナノレベルの表面プロファイル精度及びサブナノレベルの表面粗さを加工し得る平坦化及びポリシング新技術を発展することは、どうしてもやらなければならないことになっている。
【０００５】
本願出願人は中国特許ZL03101271.Xにおいて、マイクロ構造を有する加工バイトを固定台に固定させること、作動溶液を容器に注入すること、加工バイトを溶液に入らせること、電気化学的システムを起動して加工バイト表面にエッチング剤を発生させること、除去剤を用いてエッチング剤層をナノレベル又はミクロンオーダーの厚さに拘束すること、及び、駆動装置を起動してワークをエッチングし、エッチングが完了するまでにワーク表面を除去してエッチング剤層から離脱させるようにすることを含む金属表面の複雑三次元マイクロ構造の加工方法及びその装置を開示している。加工装置には、加工バイト、固定台、駆動装置、コンピュータ、電気化学的システムが設けられている。各種の複雑三次元マイクロ構造の大量複製加工を行うことができ、大量マイクロ構造のエッチングを一歩に完成することができ、フォトリソグラフィーにおけるコーティング、露光、現像及びデコーティングを省略することができ、コストを低減させ、加工精度及び表面平坦度を向上させている。加工過程が距離感性を有するため、テンプレートの送り距離を精確に制御することにより、加工量を精確に制御することができる。
【発明の概要】
【０００６】
［発明の開示］
本発明は、光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ表面プロファイル精度及びナノ粗さの平坦化及びポリシング加工方法を提供することを目的とする。前記方法は、ナノ平坦精度を有するバイト表面上に、電気化学、光化学または光電気化学的な方法によってエッチング剤を生成すること；エッチング剤と作動溶液中の除去剤との化学反応、又はエッチング剤自身の減衰により、バイト表面にナノレベルの厚さを有するエッチング剤液層を生成すること；及び、エッチング剤液層中のエッチング剤とワークとの化学反応によって、ワーク表面にナノレベルの表面プロファイル精度及び粗さを達成させることにより、ワークに対するナノ精度の平坦化及びポリシングを実現することを含む。
【０００７】
本発明の更なる目的は、光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ表面プロファイル精度及びナノ粗さの平坦化及びポリシング加工方法を実現するための装置を提供することにある。前記光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ表面プロファイル精度及びナノ粗さの平坦化及びポリシング加工方法を実現するための装置には、バイトと、光／電気化学反応制御システムと、光路制御システムと、作動溶液循環装置と、作動溶液温度調節装置と、自動化制御システムとが配置されている。
【０００８】
前記バイトはナノ平坦精度の表面を有するバイトである。
前記光／電気化学反応制御システムには、ポテンショスタット、光路制御装置、光／電気化学的作動電極、補助電極、参照電極、容器及び作動溶液が配置されており、前記バイトは光／電気化学的作動電極としてポテンショスタット及び/又は光路制御装置に接続され、光／電気化学的作動電極、補助電極及び参照電極はいずれも作動溶液を収容する容器中に挿入され、前記容器が更にワークを収容する。
前記作動溶液循環装置は、前記電気化学反応制御システム中の作動溶液を循環させる。
前記作動溶液温度調節装置は、前記電気化学反応制御システム中の作動溶液を一定の温度に保つ。
【０００９】
前記自動化制御システムには、固定台、多次元（即ち三次元以上）マイクロ駆動装置、可視化モニター、圧力センサ、平行レーザ光束距離測定装置、電流フィードバック装置及び情報処理コンピュータが配置されており、前記固定台の下部にはバイトが固定され、固定台上部には自動化制御システムの多次元マイクロ駆動装置の垂直軸マイクロ駆動コントローラが接続され、垂直軸マイクロ駆動コントローラには情報処理コンピュータが接続され、前記多次元マイクロ駆動装置の水平軸マイクロ駆動コントローラには前記容器が配置され、可視化モニターはバイトがワークへ接近する過程をモニタリングし、電流フィードバック装置はバイト表面電流をモニタリングし、圧力センサはバイトとワークとが接触したか否かをモニタリングし、平行レーザ光束距離測定装置はバイト表面とワーク表面との距離をモニタリングし、情報処理コンピュータは電流フィードバック装置が提供した電流値、圧力センサが提供した圧力値、及び平行レーザ光束距離測定装置が提供した両平面間の距離値などのフィードバックパラメーターに基づき、多次元マイクロ駆動装置の垂直軸マイクロ駆動コントローラ及び水平軸マイクロ駆動コントローラを駆動し、バイト表面とワーク表面との距離及び平行度を調節する。
【００１０】
前記作動溶液は、光／電気化学的反応によって前記バイト表面にエッチングレベリング剤を生成し得るエッチングレベリング剤前駆体を含み、生成したエッチング剤自身が減衰できない場合、バイト表面におけるエッチングレベリング剤液層をナノレベルの厚さに拘束し得る除去剤を更に含む。
【００１１】
本発明に係る平坦化及びポリシング方法並びに装置にて生産するワークは、表面がナノレベルの表面プロファイル精度及び粗さ（ナノ精度）を実現し得る。且つ、本発明は化学機械的ポリシング（CMP）技術に比べて、ワーク表面とサブ表面に機械損傷がなく、残存応力がないメリット、並びに、平坦化及びポリシングの終点が制御され易いメリットを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図1は本発明に係る光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法を実現するための装置の一つの実例の組成模式図である。
【図２】図2は本発明に係る光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法を実現するための装置の別の一つの実例の組成模式図である。
【図３】図3は本発明に係る光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工を実現するプロセス過程模式図である。
【図４】図4は本発明がナノ平坦精度の平面バイトを用いるとき、即ち二次元平面方向に大きい寸法を有するバイトを用いるとき、バイトをワークに徐々に接近させる方法によって、ワークに対して化学的エッチングによる平坦化及びポリシングを行う模式図である。このような加工方式において、平面回転運動しながらバイト又はワークを平面振動させることにより、ワーク表面の表面プロファイル精度をさらに向上させてワーク表面の粗さを低減させる。
【図５】図5は本発明がナノ平坦精度の線形バイトを用いるとき、即ち一次元方向に大きい寸法を有するバイトを用いるとき、X-Y二次元平面方向においてバイト又はワークを相対的に移動（平行移動又は回転）させることにより、大面積、ロット化のエッチングによる平坦化及びポリシングを行う模式図である。
【図６】図6は本発明がナノ平坦精度の線形バイトを用いるとき、即ち一次元方向に大きい寸法を有するバイトを用いるとき、回転運動状態にあるワークにバイトを徐々に接近させる方法によって、柱面平坦化及びポリシングを行う模式図である。
【図７】図7は本発明がナノ平坦精度のフライス状バイトを用いるとき、プログラム化された多次元運動方式によって非正規曲面の平坦化及びポリシングを行う模式図である。
【図８】図8は本発明実施例1の銅表面において平坦化及びポリシングを行なった後の銅表面顕微画像である。図8において、（a）はポリシング前であり、（b）はポリシング後である。
【図９】図9は本発明実施例2のシリコン表面において平坦化及びポリシングを行なった後のシリコン表面顕微画像である。図9において、（a）はポリシング前であり、（b）はポリシング後である。
【図１０】図10は本発明実施例3のガリウムヒ素（GaAs）表面において平坦化及びポリシングを行なった後のガリウムヒ素表面顕微画像である。図10において、（a）はポリシング前であり、（b）はポリシング後である。
【図１１】図11は本発明実施例4の二酸化ケイ素ガラス表面において平坦化及びポリシングを行なった後の二酸化ケイ素ガラス表面顕微画像である。図11において、（a）はポリシング前であり、（b）はポリシング後である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
定義
本文に記載の「光／電気化学」という技術用語は、光化学、電気化学及び光電気化学を含むと理解されるべきである。
本文に記載の「エッチング剤」または「エッチングレベリング剤」という技術用語は、いずれもワーク表面と反応してワーク表面をエッチングすることのできる物質、又は溶液中のエッチングレベリング剤の化学的エッチング速度を向上させることのできる触媒のことをいう。「エッチング剤前駆体」という技術用語は、光／電気化学的反応の誘導でエッチング剤を発生させ得る物質という。
本文に記載の「拘束エッチング剤層」という技術用語は、光／電気化学的誘導でエッチング剤前駆体から生成されたナノレベルの厚さを有するエッチングレベリング剤液層のことをいい、一般的には、前記エッチングレベリング剤液層の厚さは100nm以下に制御されることができ、且つより精密な平坦化及びポリシングプロセスにおいて20nm以下に制御されることができる。「拘束」という技術用語は、ワークの平坦化及びポリシング過程において、エッチングレベリング剤液層の厚さがいつもナノレベルの厚さに保持されることをいう。
本文に記載の「除去剤」という技術用語は、バイトの表面上に発生されたエッチング剤と迅速に反応することにより、エッチングレベリング剤液層の厚さをナノレベルの厚さに拘束する物質のことをいう。
本文に記載の「拘束エッチングシステム」、「作動溶液」という技術用語は、いずれもエッチング剤前駆体、除去剤、及びエッチング対象による界面活性剤、支持電解質、pHバッファーなどを含むシステムのこと、或いは、エッチング剤前駆体、及びエッチング対象による界面活性剤、支持電解質、pHバッファーなどを含むシステムのことをいう。「拘束エッチングシステムのマスバランス」という技術用語は、拘束エッチングシステムに含まれる各成分の組成比を合理的な範囲内に維持することをいう。
【００１４】
本発明の第1の面は、光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法を提供し、拘束エッチング剤層を用いることを特徴とする。即ち、表面がナノ平坦精度であるバイトの表面にナノレベルの厚さを有するエッチングレベリング剤層を生成させ、エッチング剤とワークとの化学反応によってワーク表面にナノレベルの表面プロファイル精度及び粗さ（ナノ精度）を達成させることにより、ワークに対する平坦化・ポリシングを実現する。その基本原理は以下の通りである。
【００１５】
1）電気化学、光化学または光電気化学の方法により、即ちシステムの化学反応特性に基づき、適切な電位及び/又は光波波長及び強度などを選択し、エッチング剤前駆体をバイト表面において反応させてエッチング剤を発生させる。エッチング剤は常規の化学物質であってもよく、ラジカル基であってもよい。そのバイト表面における化学反応を下記に示すことができる。
R → O ＋ ne    又は    R ＋ hv → O (＋ne)          (1)
（式中、Rはエッチング剤前駆体を表し、Oは発生されたエッチング剤を表す。
2）作動溶液に含まれる除去剤はバイト表面液層内のエッチング剤と化学反応し、エッチング剤層の厚さをナノ寸法に拘束する。ラジカル基のエッチング剤が生成される場合、ラジカル基のエッチング剤は除去剤によって拘束の効果を実現してもよく、その自身の減衰によって拘束の効果を実現してもよい。
O ＋ S → R ＋ Y      又は      O → Y              (2)
（式中、Sは除去剤を表し、Yはエッチング剤Oと除去剤との反応生成物、又はエッチング剤O自身の減衰による生成物を表す。）
拘束エッチング剤層の厚さは、（1）と（2）の反応速度、及びエッチング剤前駆体と除去剤との濃度比に決められる。理論上の計算によると、除去剤の濃度がエッチング剤前駆体の濃度より遥かに大きい場合、拘束エッチング剤層の極限厚さ（μ）は下式によって計算されることができる。
μ = (k2 / DR) 1/2                                    (3)
（式中、k2は除去反応（2）の準一次反応速度定数であり、DRはエッチング剤前駆体の作動溶液における拡散係数である。）
実際のエッチング過程において、エッチング剤前駆体と除去剤との濃度比を調整することにより、拘束エッチング剤層の厚さを調整制御する、即ち平坦化及びポリシングの精度を調整制御することができる。拘束エッチング剤層がナノレベルの厚さに達しているが、拘束エッチング剤層内部において、エッチング剤は安定な濃度分布を保っている。
3）自動制御システムによって、拘束エッチング剤層をワーク表面に接触させると、ワークに対する平坦化及びポリシングが始まる。
O ＋ M → R ＋ P                                    (3)
（式中、Mはワークの材質を表し、Pはワークとエッチング剤との反応生成物を表す。）
ワーク表面の除去率は反応（3）の速度に決められ、速度が速いほど加工効率が高い。ワーク表面とエッチング剤層との接触部分が除去されると、エッチング剤層がワークと分離し、エッチングは終了する。そして、自動制御システムにより、ナノ精度の平坦化及びポリシングが完成するまでに、引続きエッチング剤層をワークに接近させる。
【００１６】
具体的には、本発明に係る光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ表面プロファイル精度及びナノ粗さの平坦化及びポリシング加工方法は、下記のステップを含む。
1）表面にナノ平坦精度を有するバイトを製造し、光／電気化学的作動電極とすることにより、電気化学、光化学または光電気化学の方法によってエッチング剤を生成する。
2）表面がナノ平坦精度であるバイトを固定台上に固定し、ワークを容器底部に配置する。或いは、ワークを固定台（又は作業台）上に固定し、表面がナノ平坦精度であるバイトを容器底部に配置する。
3）エッチングレベリング剤前駆体及び／又は除去剤と、溶剤と、界面活性剤、支持電解質、及びpHバッファーなどの成分から選ばれた少なくとも1種とを含む作動溶液を容器中に注入する。
4）バイト（又はワーク）を作動溶液に浸し、バイトを光／電気化学的作動電極とし、更に容器中に補助電極と参照電極を設け、光／電気化学制御システムを起動し、電気化学、光化学または光電気化学反応によってバイト表面にエッチング剤を生成させ、エッチング剤と溶液中の除去剤との化学反応により、又はラジカル基のエッチング剤の場合、ラジカル基のエッチング剤自身の減衰により、バイト表面にナノレベルの厚さを有する拘束エッチング剤層を形成する。
5）自動化制御システムによって多次元マイクロ駆動装置を駆動し、バイト（又はワーク）をワーク（又はバイト）に徐々に接近させることにより、被加工ワーク表面とバイトとの距離及び平行度を調整制御すると共に、可視化モニターを介して原位置でリアルタイムで観測する。さらに、バイトとワークとの距離をエッチング剤層の厚さにより小さいように制御することにより、及び/又はバイトとワークとの相対運動（平行移動と回動を含む）を制御することにより、作動溶液のマスバランスを改善して、エッチングによる平坦化及びポリシングの均一性を向上させ、即ちワーク表面の表面プロファイル精度を向上させ、ワーク表面の粗さを低減させる。
6）垂直方向においてバイト（又はワーク）を絶えずにワーク表面（又はバイト表面）に移動させることにより、バイト表面の拘束エッチングレベリング剤液層をワーク表面に接触させ、化学エッチングによる平坦化反応が絶えずに行なわれるようにする。同時に、被加工ワーク表面全体のエッチングによる平坦化及びポリシングが完了するまで、XY二次元平面方向においてバイト又は被加工ワークを移動させることができる。
【００１７】
ステップ4）において、前記エッチングレベリング剤液層の厚さの調整制御は、電極電位、光波波長及びその強度、ならびに作動溶液の配合、温度及び循環を制御することにより実現されるものである。前記拘束エッチング剤層の厚さは100nm以下に制御されることができ、＜20nmに制御されることが好ましい。具体的な実験において、一般的にはエッチング剤の生成反応の極限拡散電位、励起光の波長及び強度等のパラメーターを選択する。これらパラメーターの選択は、エッチングレベリング剤の量を制御するのに用いられ、拘束エッチング剤層の厚さ及び表面除去効率に直接の影響を与える。前記極限拡散電位は、この電位において、光／電気化学による電流が最大の一定値を維持することを表す。例えば、酸性条件下でシリコン材料を加工する場合、臭素イオンが酸化されてエッチング剤である臭素を生成する極限拡散電位は0.9V以上である。前記表面除去効率は、化学エッチング反応が単位時間内に除去するワークの質量（g/min）、又は単位時間内に除去するワークの厚さ（μm/min）を指す。例えば、臭素を用いてガリウムヒ素をエッチングする場合、表面除去効率は0.2μm/minに達することができる。
【００１８】
ステップ5）において、前記被加工ワーク表面とバイトとの距離及び平行度に対する調整制御として、電流センサ、圧力センサ及び平行レーザ光束距離測定装置が提供するフィードバックパラメーターに基づき、被加工ワーク表面とバイトとの距離及び平行度を調整制御することができる。
【００１９】
本発明に記載のバイト（光／電気化学的作動電極）はナノレベルの平坦の表面精度を有し、その表面がX-Y二次元平面方向において大きい寸法を有してもよく、一次元方向において大きい寸法を有してもよい。その製造方法は、従来技術におけるナノレベルの平坦の表面精度を有するバイトを製造するための一般的方法であってもよく、本発明者が新たに提出した製造方法であってもよい。このような製造方法として、例えば下記の方法が挙げられる。
1）超精密機械加工（例えばナノフライス切削）の方法によってナノレベルの平坦精度を有するプラチナ、金、イリジウム、タングステンなどの金属電極を取得する；
2）各種の膜形成技術（例えば電子ビーム蒸着、マグネトロンスパッタリング、電気メッキ、化学メッキなど）又は結晶体エピタキシャル成長技術によって、表面が原子オーダーの平坦程度を有する基板上に金属又は半導体を沈着及び成長させ、その表面を導電化させる；
3）溶融のプラチナ、金、イリジウムなどの金属に対して、温度を精確に下げる方法又は引伸ばしなどの方法によって、表面にナノレベルの平坦精度を有するプラチナ、金、イリジウムなどの金属単結晶電極を製造する；
4）CMP技術を電解と結合する方法を用いて、金属多結晶又は単結晶電極表面に対して平坦化及びポリシングを行うことにより、ナノ平坦精度を有する電極表面を取得する；
5）液体金属又は合金が自然的に形成されたナノ平坦精度表面を用いる；及び
6）光触媒反応及び光電気触媒反応に用いるバイトを製造し、石英非導電光学材料、ITO及びFTO導電光学ガラスを担体とし、表面修飾、In-Situ電気化学的成長、又は化学的気相沈着によって一層のナノ二酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステンWO3、酸化第二鉄Fe2O3、セレン化カドミウムCdSe及びその複合光触媒材料を被覆する。
【００２０】
加工過程において、バイト表面に電気化学、光化学または光電気化学的反応によって生成される物質は、その自身によってワーク表面に対して直接的に化学エッチングを行うエッチングレベリング剤であってもよく、溶液中のエッチングレベリング剤の化学エッチング速度を向上させる触媒であってもよく、又は両者であってもよい。
【００２１】
本発明に係る光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ表面プロファイル精度及びナノ粗さの平坦化及びポリシング加工方法は、エッチングレベリング剤が、異なる加工対象に基づいて広範に選択されることができる。一般的には、ワークの材質に基づいてエッチングレベリング剤を選択し、エッチングレベリング剤に基づいて適切なエッチングレベリング剤前駆体及び対応の除去剤を選択し、且つ選択済みのエッチングレベリング剤前駆体及び除去剤をそれぞれ作動溶液中に添加する。
【００２２】
本発明に係る方法の平坦化及びポリシングの対象は、金属材料ワーク（例えばUSLI上のCu）であってもよく、半導体材料ワーク（例えばSi基板）であってもよく、絶縁材料ワーク（例えばSiO2ガラス）であってもよい。且つ、本発明は、金属、半導体及び絶縁体の表面に対して、大面積ロット化でナノ精度の平坦化及びポリシング加工を行うことができる。
【００２３】
例えば、加工対象が金属材料である場合、エッチング剤層のpHを制御することにより、拘束エッチング剤層内の硝酸、硫酸などのような強酸性物質の濃度を向上させ、金属と反応させて可溶性塩を生成する。或いは、酸素、フッ素、塩素、臭素、フェロセン、鉄シアン化物、金属錯体などのような強酸化特性を有するエッチング剤を生成することにより、金属と直接的に反応させて可溶性化合物を生成する。或いは、過酸化水素、酸素、オゾン、酸素含有ラジカル基などのような酸化性物質を生成することにより金属表面に酸化物を生成し、それを溶液中の硫酸、硝酸、塩酸、蓚酸などのような酸性物質と溶解反応させて除去目的を達する。用いられる除去剤は、シスチンのようなジスルフィド結合化合物、フェロセン及びその誘導体、過硫酸塩、亜硝酸塩、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、アスコルビン酸、ソルビトール、又はそれらの混合物などである。溶液における金属イオンの溶解度を向上させるために、溶液中に、ハロゲンイオン、アンモニア水、シアンイオン（cyanide ion）、チオシアンイオン（thiocyanide ion）、クラウンエーテル系超分子化合物、アルキルスルホン酸ナトリウム、ポリエーテル（ポリオキシエチレンが好ましい）、アゾール系化合物などのような添加剤又は界面活性剤を加え、金属イオンと錯化反応させる。
【００２４】
例えば、加工対象が、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、遷移金属二元及び三元化合物などのような半導体、並びに石英、ガラス、サファイア、酸化マグネシウム、テルリウムカドミウム水銀、リン酸二水素カリウムなどの無機結晶体のような絶縁体材料である場合、拘束エッチング剤層内に酸素、フッ素、塩素、臭素、過マンガン酸イオン、重クロム酸イオン、過塩素酸イオン、硝酸イオン、酸素含有ラジカル基などのような強酸化剤を生成すると同時に、ハロゲンイオン、アンモニア水、シアンイオン、チオシアンイオン、クラウンエーテル系超分子化合物、アルキルスルホン酸ナトリウム、ポリエーテル（ポリオキシエチレンが好ましい）、アゾール系化合物などのような錯化剤を加えて生成物の溶解度を高めることにより、平坦化及びポリシングの目的を達する。用いられる除去剤は、還元性質を有するシスチンのようなジスルフィド結合化合物、フェロセン及びその誘導体、過硫酸塩、亜硝酸塩、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、アスコルビン酸、ソルビトール、又はそれらの混合物などである。用いられる溶剤は、水、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、N,N’-ジメチルホルムアミド、並びに、第4級アンモニウムイオン、第4級ホスホニウムイオン、イミダゾリウムイオン、及びピロリウムイオンなどを陽イオンとするイオン液体であってもよい。
【００２５】
且つ、上述の通り、本発明における拘束エッチング剤液層の厚さは、さらにエッチング剤と除去剤との濃度比に決められる。一般的には、この濃度比は10:1〜1:100であり、1:1〜1:20であることが好ましい。例えば、フェロセン及びその誘導体、過硫酸塩、溶存酸素、臭化物、フッ化物、アルキルアミン系化合物のうちから選ばれた少なくとも1種を含むエッチングレベリング剤前駆体を用いる場合、その濃度範囲は0.001〜1.0 mol/dm3であり、電気化学的反応によって、ワーク表面を化学エッチングし得るエッチングレベリング剤を発生させる。発生されたエッチングレベリング剤と、ジスルフィド結合化合物、フェロセン及びその誘導体、過硫酸塩、亜硝酸塩、亜硫酸塩、チオ硫酸塩のうちの少なくとも1種からなる除去剤とは高速化学反応を行うことにより、エッチングレベリング剤の寿命を短縮させることができる。エッチングレベリング剤は寿命が短縮されたため、溶液中において非常に短い距離しか拡散することができない。したがって、バイト表面にナノレベルの厚さを有するエッチングレベリング剤液層を形成し、ワーク表面で非常に高い解像度でエッチングすることができる。また、バイトとワークとの間にはエッチングレベリング剤液層が存在し、実質的な機械的接触がないため、バイト表面にナノ平坦精度が保たれる。
【００２６】
本発明において、溶存酸素、オゾン、過酸化物、超酸化物、酸窒化物（oxynitrides）、次亜塩素酸塩、亜硝酸塩、過硫酸塩、アルキル過酸化物のうちの少なくとも1種を含むエッチング剤前駆体を用いる場合、一般的には、その濃度範囲は0.001〜1.0 mol/dm3であり、光化学、電気化学又は光電気化学的反応によってラジカル基のエッチング剤を発生させ、ワーク表面に対して化学的エッチングする。ラジカル基のエッチング剤は寿命が短いため、溶液中における拡散距離が非常に短い。したがって、バイト表面にナノレベルの厚さを有するエッチング剤液層を形成し、ワーク表面で非常に高い解像度で化学的エッチングすることができる。
【００２７】
また、バイトとワークとの間にはエッチングレベリング剤液層が存在し、実質的な機械的接触がないため、バイト表面にナノ平坦精度が保たれる。
【００２８】
これから分かる通り、本発明における溶液の配合は下記の要求を満たしている。
1）溶液にエッチング剤前駆体が含まれ、電気化学、光化学又は光電気化学的反応によってエッチングレベリング剤を発生させ、ワーク材料と化学的エッチング反応を行うことができ、且つ反応速度が十分に高く、除去率が10nm/min以上である。
2）エッチングレベリング剤のワーク材料に対する化学的エッチング作用は、等方性でなければならない。
3）エッチングによる平坦化過程において、難溶又は不溶の物質が発生してはならない。
4）除去剤（拘束剤）はエッチングレベリング剤と高速反応し、且つバイト表面にエッチングレベリング剤をナノレベルの厚さに拘束することができる。
5）溶液システム全体は安定しなければならない。
【００２９】
CMP技術に比べて、本発明は以下の際立ったメリットを有する。
1）バイトとワーク表面とが実際の機械的接触を有しないため、ワーク表面とサブ表面には機械損傷がなく、残存応力もない。
2）エッチングによる平坦化及びポリシングの過程において、ほかの沈殿し易い金属イオンが導入されていないため、金属イオンの汚染問題が存在しない。
3）化学エッチングによる平坦化反応の発生は、ワーク表面とエッチングレベリング剤液層とを接触するか否かに決められ、典型的な自己終止型の過程である。即ち、エッチングによる平坦化反応の進行を伴い、ワーク表面が徐々に溶けてなくなり、最終的にエッチングレベリング剤液層から離脱し、エッチング反応もそれに従って終了するため、平坦化及びポリシングの終点が制御され易い。
【００３０】
本発明の第2の面は、光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ表面プロファイル精度及びナノ粗さの平坦化及びポリシング加工方法を実現するための装置を提供する。前記光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ表面プロファイル精度及びナノ粗さの平坦化及びポリシング加工方法を実現するための装置には、バイトと、光／電気化学反応制御システムと、溶液循環装置と、溶液温度調節装置と、自動化制御システムとが配置されている。
【００３１】
前記バイトは、表面にナノ平坦精度を有する金属バイトであり、その材質がプラチナ、金、イリジウム、タングステン、チタンなどの金属及びその合金；二酸化チタンTiO2、酸化亜鉛ZnO、酸化タングステンWO3、酸化第二鉄Fe2O3、セレン化カドミウムCdSeなど及びその複合光触媒半導体材料である。或いは、前記バイトは、ガラス化カーボン、高温分裂分解黒鉛、ホウ素ドーピングダイヤモンドなどの非金属材料からなる、表面にナノ平坦精度を有するバイトである。
【００３２】
バイトの形状は特に制限されず、フライス状、リニアスクレーパ状、平面ディスク状、及び流体動圧設計に基づく溝状などであることができる。バイトの形状を合理的に設計し、且つバイトとワークとの相対的運動方式又はバイトの送り方式を制御することにより、加工されるワークの形状が平面、円柱面、円錐面、球面及び非球面にすることができ、さらにワーク表面の表面プロファイル精度を向上させ、ワーク表面の粗さを低減させることができる。例えば、前記バイトがディスク状バイトである場合、平面回転運動しながらバイト又はワークを平面振動させることにより、さらにワーク表面の表面プロファイル精度を向上させ、ワーク表面の粗さを低減させる。
【００３３】
前記光／電気化学反応制御システムは、エッチングレベリング剤液層の厚さをナノ寸法に精確に制御し、一般的に100nm以下に制御し、さらに精密な平坦化及びポリシングプロセスにおいて20nm以下に制御し得る光／電気化学反応制御システムである。前記光／電気化学反応制御システムには、ポテンショスタット及び/又は光路制御装置と、光／電気化学的作動電極と、補助電極と、参照電極と、容器と、作動溶液とが配置されている。
【００３４】
前記作動溶液循環装置には、循環ポンプ、流量コントローラ及び液槽が配置されている。
前記作動溶液温度調節装置には、測温器、ヒータ、クーラ及び液槽が配置されている。
前記自動化制御システムには、固定台、多次元（即ち三次元以上）マイクロ駆動装置、可視化モニター、圧力センサ、平行レーザ光束距離測定装置、電流フィードバック装置及び情報処理コンピュータが配置されている。
【００３５】
前記バイトは固定台下部に固定され、固定台上部には自動化制御システムの多次元マイクロ駆動装置の垂直軸マイクロ駆動コントローラが接続され、垂直軸マイクロ駆動コントローラには情報処理コンピュータが接続されている。バイトは光／電気化学的作動電極として、固定台を介してポテンショスタット及び/又は光路制御システムに接続されている。補助電極及び参照電極は作動溶液に挿入され、作動溶液は温度調節装置により一定の温度に調節された後、容器に注入され、且つ作動溶液循環装置を介して、容器と定温液槽との間の作動溶液の循環を実現する。前記容器は、多次元マイクロ駆動装置の水平軸マイクロ駆動コントローラに配置される。ワークは容器中に配置され、可視化モニターはバイトがワークへ接近する過程をモニタリングし、電流フィードバック装置はバイト表面電流をモニタリングし、圧力センサはバイトとワークとの接触をモニタリングし、平行レーザ光束距離測定装置はバイト表面とワーク表面との距離をモニタリングし、情報処理コンピュータは電流フィードバック装置が提供した電流値、圧力センサが提供した圧力値、及び平行レーザ光束距離測定装置が提供した両平面間の距離値などのフィードバックパラメーターに基づき、多次元マイクロ駆動装置の垂直軸マイクロ駆動コントローラ及び水平軸マイクロ駆動コントローラを駆動し、バイト表面とワーク表面との距離及び平行度を調節する。多次元マイクロ駆動装置は、バイトとワークとの相対的運動方式を制御すること、及びバイトの送り方式を調整することにも用いられる。
【００３６】
前記作動溶液は、エッチングレベリング剤前駆体及び／又は除去剤と溶剤とを含み、さらに界面活性剤、支持電解質、pHバッファーなどを任意に含むことができる。
【００３７】
前記溶剤は水、有機溶剤又はイオン液体などであってもよい。前記有機溶剤は、アセトニトリル（CH3CN）、ジメチルスルホキシド（dimethyl sulphoxide，DMSO）、N,N’-ジメチルホルムアミド（N,N’-dimethylformamide，DMF）などのうちの少なくとも1種であってもよい。前記イオン液体は、第4級アンモニウムイオン、第4級ホスホニウムイオン、イミダゾリウムイオン、及びピロリウムイオンなどを陽イオンとする。イオン液体に含まれる添加剤は、尿素（urea）、アセトアミド（acetamide）、チオ尿素（thiourea）、トリクロロ酢酸（trichloroacetic acid）、フェニル酢酸（phenylacetic acid）、マロン酸（malonic acid）、蓚酸（oxalic acid）、p-トルエンスルホン酸（p-toluene sulfonic acid）、m-クレゾール（m-cresol）、p-クレゾール（p-cresol）、o -クレゾール（o-cresol）、及びフルクトース（(-)fructose）などのうちから選ばれる少なくとも1種であってもよい。前記添加剤の濃度は、前記溶液の総質量に対して、質量％で5%〜95%である。
【００３８】
前記エッチングレベリング剤前駆体はフェロセン及びその誘導体、過硫酸塩、溶存酸素、臭化物、フッ化物、アルキルアミン系化合物等のうちから選ばれた少なくとも1種であってもよく、前記エッチングレベリング剤前駆体の濃度は0.001〜1.0 mol/dm3であり、0.01〜0.1mol/dm3であることが好ましい。前記除去剤は、メルカプト化合物、フェロセン及びその誘導体、過硫酸塩、亜硝酸塩、亜硫酸塩、チオ硫酸塩等のうちから選ばれた少なくとも1種であってもよく、前記除去剤の濃度は0.05〜10 mol/dm3であり、0.1〜1.0mol/dm3であることが好ましい。前記界面活性剤はアルキルスルホン酸塩、第4級アンモニウム塩、ポリエーテル、ベンゾトリアゾール等のうちから選ばれた少なくとも1種であってもよく、前記界面活性剤の濃度は0.001〜1.0 mol/dm3であり、0.01〜0.1mol/dm3であることが好ましい。
【００３９】
作動溶液に用いられる支持電解質は溶液の導電性を保証するためのものであり、その濃度は具体的に加工対象によって決められ、一般的には0.01〜1mol/Lである。作動溶液中に用いられるpHバッファーは酸性又はアルカリ性であってもよい。
【００４０】
本発明に係る光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ表面プロファイル精度及びナノ粗さの平坦化及びポリシング加工装置におけるマイクロ駆動装置、情報処理コンピュータ及び電気化学反応制御システムなどは、既に本出願人の中国特許ZL03101271.Xにおいて説明されている。本発明はそれに基づき、マイクロ駆動装置を三次元から多次元に拡張した。このような変化は、特に複雑な表面プロファイルの加工に適する。同時に、光路制御装置を増やし、光化学及び光電気化学的調整を行うようにする。拘束エッチング剤層技術を採用し、バイト表面に電気化学的に生成されたエッチングレベリング剤層の厚さがナノ寸法にあるため、特に大面積ワークに対して平坦化及びポリシングを行う場合、バイトとワークとの平行度は非常に重要である。本発明は、中国特許ZL03101271.Xにおける感圧方式によってワークとバイトとの距離を調整するほか、さらに平行レーザ光束検証の方法によってワークとバイトとの距離及び平行度を調整する。また、本発明は自動化制御システムを増設し、該システムはバイト表面電流フィードバック、バイト表面とワーク表面との接触圧力、及び平行レーザ光束装置により、多次元マイクロ駆動装置を自動的に微調整し、バイトをワーク表面に精確に移動させる。バイト表面のエッチングレベリング剤液層がワーク表面と接触すると、エッチングによる平坦化加工が開始され、エッチングによる平坦化の進行を伴い、ワーク表面が徐々に溶けてなくなる。自動制御システムは絶えずに多次元マイクロ駆動装置を駆動してバイトを移動させ、エッチングによる平坦化及びポリシング反応を絶えずに進行させると共に、可視化モニターを介してプロセス過程をリアルタイムでモニタリングする。平坦化及びポリシング過程におけるマスバランス及び除去剤の補充を確保し、エッチング反応の速度を調整制御するために、本発明は作動溶液循環装置及び温度制御装置を増設した。
【００４１】
加工過程において、ワーク表面には機械的応力、内部損傷、金属汚染が発生しなく、且つ平坦化及びポリシング終点は制御され易い。同時に、金属、半導体及び絶縁体などのような異なる材質の表面に対して、大面積、ロット化の平坦化及びポリシングを行うことができる。
【００４２】
図1は、本発明に係る拘束化学的エッチングによる平坦化及びポリシング加工方法の実施装置の一つの実例の組成模式図である。加工バイトとして、表面がナノ平坦精度であるプラチナ金属ディスク状バイト5を採用する。バイト5は金属固定台4の下部に固定され、バイト外側に固定される平行レーザ光束距離測定装置17の光ファイバプローブ16も金属固定台4の下部に固定される。平行レーザ光束距離測定装置17は情報処理コンピュータ3に接続される。金属固定台4は、直径が異なる2つの円柱からなることができ、その上部に駆動装置のZ軸（垂直軸）マイクロ駆動コントローラ2が接続され、Z軸マイクロ駆動コントローラ2は情報処理コンピュータ3に接続される。電気化学システムには、ポテンショスタット1、補助電極8、参照電極9、容器10、及び溶液11などが配置されている。プラチナ金属ディスク状バイト5は、金属固定台4を介してポテンショスタット1に接続され、電気化学的作動電極となる。補助電極8及び参照電極9は作動溶液11に挿入され、作動溶液11は定温槽13を経て定温された後、容器10に注入され、且つ作動溶液循環装置12を介して、容器10と定温液槽13との間における作動溶液の循環を実現する。容器10は、情報処理コンピュータ3に接続される圧力センサ15上に設けられる。容器10及び圧力センサ15は、いずれも駆動装置のxy軸（水平軸）マイクロ駆動コントローラ7に配置される（図1に示されていない）。ワーク6は容器10に配置される。可視化モニター14により、バイトとワークとの接触をモニタリングする。
【００４３】
図2は、本発明に係る拘束化学的エッチングによる平坦化及びポリシング加工方法の実施装置の別の実例の組成模式図である。同様に、本実例もバイトと、光／電気化学反応制御システムと、作動溶液循環装置と、作動溶液温度調節装置と、自動化制御システムとを含む。図2に示すように、光／電気化学反応制御システムは光路装置3及び／又は電気化学的作動ステーション9を含み、自動化制御システムには、情報処理コンピュータ1、多次元マイクロ駆動システム、作業台（図1における固定台に相当）及び可視化モニター14が含まれる。情報処理コンピュータ1は加工装置の中枢であり、多次元マイクロ駆動システム（バイトディスク運動コントローラ2及びワークディスク運動コントローラ8を含む）、光路装置3、電気化学的作動ステーション9、溶液循環装置12、温度調節装置13及び可視化モニター14にそれぞれ接続し、指令発信及び情報フィードバックの役割を果たし、プロセスパラメーター及び加工進捗をリアルタイムでモニタリングする。バイトディスク運動コントローラ2は超安定回転の作業台であり、作業台にはバイト4を固定し、その動作パラメーターが情報処理コンピュータ1に調整制御される。ワーク6はワークディスク7に固定され、ワークディスク7はワークディスク運動コントローラ8に接続され、情報処理コンピュータ1からの指令に基づいて垂直接近及び水平振動をする。電気化学的誘導の拘束化学エッチング反応の場合には、電気化学的作動ステーション9、参照電極15及び補助電極16を配置し、且つバイト4を作動電極とする必要がある。作動溶液10は容器11に注入され、容器11は溶液循環装置12及び温度調節装置13に接続されている。作動電極（バイト）の電位を制御し、電気化学的反応によって拘束エッチング剤層5を発生させる。光化学又は光電気化学的誘導の拘束化学エッチング反応の場合には、バイト表面に光触媒を修飾する必要があり、光路装置3を起動すると、励起光が触媒表面に入射して光触媒又は光電気化学反応を引起し、ラジカル基のエッチング剤層5を発生させる。ワークディスク運動コントローラ8を起動し、平坦化及びポリシングプロセスを完成するまでにワークを拘束エッチング剤層と接触させる。圧力センサ17及びレーザ距離測定プローブ18はワークディスク7に内蔵され（17及び18は図2に示されていない）、光／電気化学反応制御システムと組合わせ、圧力、距離、電流などのフィードバックデータによりワークとバイトとの距離及び平行度を調整する。
【００４４】
図1及び図2に示す本発明に係る光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ表面プロファイル精度及びナノ粗さの平坦化及びポリシング加工方法に用いられる装置は、その基本的な作動原理が以下の通りである。作動溶液において、電気化学、光化学又は光電気化学的反応によって、表面がナノ平坦精度であるバイト（作動電極）21表面にエッチングレベリング剤液層22を生成する（図3aに示される）。作動溶液にはエッチングレベリング剤と高速化学反応を行なえる除去剤が予め添加されたため、エッチングレベリング剤の寿命は大幅に短縮され、拘束エッチングレベリング剤液層23はバイト21表面から外部へ長距離拡散できず、ナノ寸法を達し得る（図3bに示されるように、図3bにおいて、24はめっき層であり、25は誘電体である）。バイト表面のエッチングレベリング剤液層が加工ワークに接触すると、エッチングによる平坦化の化学反応が始まる。バイト表面がエッチングされるにつれて、拘束エッチングレベリング剤液層が引続きワーク表面に接触し、所望の程度までにエッチングするように、精密駆動装置は絶えずにバイトをワークへ移動させる必要がある（図3cに示される）。拘束エッチング剤層は非常に薄く且つ安定した濃度分布を有し、厚さが20nm以下に達することができるため、バイト表面の平坦度を維持し、エッチング終了後に、ワーク表面はバイト表面のナノ平坦精度に達し得る（図3dに示される）。
【００４５】
本発明に係る光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ表面プロファイル精度及びナノ粗さの平坦化及びポリシング加工方法は、大面積の平坦化及びポリシング加工を実現し得るとともに、二次元平面のワーク表面、円柱状ワーク表面、非正規曲面ワーク表面などに対して加工を行うことができる。
【００４６】
図4に示すように、ナノ平坦精度の平面バイト31、即ち二次元平面方向において大きい寸法を有するバイトを用い、バイトをワーク32に徐々に接近させる方法によって、ワークに対して化学エッチングによる平坦化及びポリシングを行う。自動制御システムによりバイトディスク運動コントローラ2を駆動し、表面がナノレベルの厚さのエッチング剤液層に被覆されたバイトをワーク表面に徐々に接近させる。バイト表面のエッチングレベリング剤液層がワーク表面の最も突出点に接触すると、化学エッチング反応が始まり、ワーク表面に対して化学エッチングによる平坦化及びポリシングを行う。エッチング反応の進行につれて、ワーク表面の最も突出点が溶けてなくなってエッチング液層から徐々に離れた場合には、再びバイトをワーク表面に接近させる。所望の平坦化及びポリシング精度に達するまでに、前記工程を繰返す。33は、超精密機械的加工方法によって製造された平面バイトである。
【００４７】
図5に示すように、ナノ平坦精度の線形バイト41、即ち一次元方向において大きい寸法を有するバイトを用い、X-Y二次元平面方向においてバイトとワークとを相対的に移動させることにより、ワークに対して化学エッチングによる平坦化及びポリシングを行う。即ち、自動制御システムによりバイトディスク運動コントローラ2を駆動し、表面がナノレベルの厚さのレベリング剤液層に被覆されたバイトをワーク42表面に徐々に接近させる。バイト表面のレベリング剤液層がワーク表面の最も突出点に接触すると、ワーク表面に対して平坦化及びポリシングが始まる。エッチング反応の進行につれて、ワーク表面の最も突出点が溶けてなくなって、徐々にワークがエッチング液層から離れた場合には、バイトがワーク表面全体に至るように、X-Y二次元平面方向においてバイト又はワークを相対的に移動させる。所望のポリシング及び平坦化の精度に達するまでに、前記工程を繰返す。
【００４８】
図6に示すように、ナノ平坦精度の線形バイト53を用いて円柱状ワークの表面に対して平坦化及びポリシングを行う。即ち、自動制御システムによりバイトディスク運動コントローラ2を駆動し、表面がナノレベルの厚さのレベリング剤液層52が被覆されたバイトを、中軸周りを回転するワーク51表面に徐々に接近させる。バイト表面のレベリング剤液層がワーク表面の最も突出点に接触すると、ワーク表面に対して平坦化及びポリシングが始まる。エッチング反応の進行につれて、ワーク表面の最も突出点が溶けてなくなり、ワークがエッチング液層から徐々に離れる。この場合には、バイトがワーク表面全体に至るように、バイトの送り量を制御する。所望のポリシング及び平坦化の精度に達するまでに、前記工程を繰返す。
【００４９】
図7に示すように、ナノ平坦精度のフライス状バイト62を用いて非正規曲面ワークの表面に対して平坦化及びポリシングを行う。即ち、まず非正規曲面に対してデジタル化処理を行い、バイトの運動軌跡をプログラム化する。そして、自動化制御システムによりバイト表面の拘束エッチング剤層をワークに接触させ、事前に設定されたプログラム化運動軌跡に沿って非正規曲面ワークに対して加工を行う。61はバイトのプログラム化運動軌跡であり、63はバイトの電極電位を制御するための補助電極であり、64は非正規曲面ワークである。
【００５０】
以下、図面の実施例を参照しながら本発明を更に説明する。これらの実施例は説明的なものに過ぎず、本発明の範囲を制限するためのものではない。
実施例
実施例1
図2に示す装置を用い、ワークである銅の表面に対して平坦化及びポリシングを行った。加工条件：循環流動する作動溶液は、酢酸（pH 5.5） 0.1mol/dm3と、ベンゾトリアゾール 2mg/dm3と、チオ硫酸ナトリウム（Na2S2O8） 10mmol/dm3と、N-アセチルシステイン 0.1 mol/dm3とを含む；エッチング平坦化全過程において、その温度は25℃に保持される；電気化学的エッチング反応制御システムを起動させた後、プラチナ金属ディスク表面においてNa2S2O8を電解してSO4-●ラジカルのエッチングレベリング剤を発生させる；除去剤は、エッチング溶液に添加されるN-アセチルシステインである；平坦化及びポリシング全過程において、定電位法によってバイト（金属プラチナディスク電極）の電極電位を-0.5V（飽和甘汞電極の電位に対して）に保持する。その中、プラチナ金属ディスクの表面はCMP技術によってポリシングされてその平坦化精度が60nmを超えると共に、図2に示すバイトディスク運動コントローラ2の頂部に固定された。自動制御システムを起動すると、システムは、電流フィードバック装置、圧力センサ及び平行レーザ光束距離測定装置が提供するフィードバック電流、圧力及び平行度などのパラメーターに基づき、ワークディスク運動コントローラ8を自動的に駆動し、ワークをバイトディスク運動コントローラ2の頂部に固定されるバイトに精確に移動させた。バイト表面を被覆するエッチングレベリング剤液層が銅表面に接触すると、エッチング平坦化加工を開始した。エッチング平坦化の進行につれて、銅表面は徐々に溶けてなくなった。自動制御システムは絶えずにバイトを送り、エッチング平坦化の化学反応を絶えずに行なわせた。ワークが超安定低速回転（1r/min）し、且つ拘束エッチングレベリング剤層の厚さが非常に薄く（その厚さが50nm以下に拘束される）、層流層内にあるため、バイト又はワークは移動する過程においてエッチングレベリング剤液層の表面平坦に影響を与えない。加工時間は、ワーク材料及び拘束化学的エッチングシステムに関係があり、即ち表面除去率に決められる。銅の平坦化及びポリシング実験において、バイトの送り時間は15 minであり、その後に自動制御システムを切断してバイトを送らないようにし、5 min後に電気化学的システムを切断してバイトを持ち上げた。得られたワーク表面の光学顕微鏡（Olympus BX-51、Olympus Co.製）画像は図8に示される。原子力顕微鏡（タッピングモードNanoscope IIIa、Digital Instrument Co.製）の結果によると、ポリシング後の表面粗さは12.0nmであった。
【００５１】
実施例2
図2に示す装置を用い、ワークであるシリコンの表面に対して平坦化及びポリシングを行った。加工条件：循環流動する作動溶液は、フッ化アンモニウム（NH4F） 0.1mol/dm3と、臭化テトラメチルアンモニウム（(CH4)4NBr） 1mmg/dm3と、L-シスチン0.01 mol/dm3と、硫酸（H2SO4） 0.5 mol/dm3とを含む；エッチング平坦化全過程において、その温度は30℃に保持される；電気化学的エッチング反応制御システムを起動した後、プラチナ金属ディスク表面において臭素イオン（Br−）を電解酸化して臭素（Br2）のエッチングレベリング剤を発生させる；除去剤はシスチンである；平坦化及びポリシング全過程において、定電位法によってバイト（金属プラチナディスク電極）の電極電位を0.9V（飽和甘汞電極の電位に対して）に保持する。その中、プラチナ金属ディスクの表面はCMP技術によってポリシングされて、その平坦化の精度が60nmを超えると共に、図2に示すバイトディスク運動コントローラ2の頂部に固定された。自動制御システムを起動すると、システムは、電流フィードバック装置、圧力センサ及び平行レーザ光束距離測定装置が提供するフィードバック電流、圧力及び平行度などのパラメーターに基づき、ワークディスク運動コントローラ8を自動的に駆動し、ワークをバイトディスク運動コントローラ2の頂部に固定されるバイトに精確に移動させた。バイト表面を被覆するエッチングレベリング剤液層（その厚さが20nm以下に拘束される）がシリコン表面に接触すると、エッチング平坦化加工を開始した。エッチング平坦化の進行につれて、シリコン表面は徐々に溶けてなくなった。自動制御システムは絶えずにバイトを送り、エッチング平坦化の化学反応を絶えずに行なわせた。本実験において、10min後に自動制御システムを切断してバイトを送らないようにし、さらに3 min後に電気化学的システムを切断してバイトを持ち上げた。得られるワーク表面の走査電子顕微鏡（FESEM LEO 1530、LEO Co.製）画像は図9に示される。原子力顕微鏡（タッピングモードNanoscope IIIa、Digital Instrument Co.製）の結果によると、ポリシング後の表面粗さは0.6nmであった。
【００５２】
実施例3
図2に示す装置を用い、ワークであるガリウムヒ素の表面に対して平坦化及びポリシングを行った。加工条件：循環流動する作動溶液は、HBr 10mol/dm3と、L-シスチン 10 mmol/dm3と、H2SO4 0.5 mol/dm3とを含む；エッチング平坦化全過程において、その温度は20℃に保持される；電気化学的エッチング反応制御システムを起動した後、プラチナ金属ディスク表面において臭素イオン（Br−）を電解酸化して臭素（Br2）のエッチングレベリング剤を発生させる；除去剤はL-シスチンである；平坦化及びポリシング全過程において、定電位法によってバイト（金属プラチナディスク電極）の電極電位を0.9V（飽和甘汞電極の電位に対して）に保持する。その中、プラチナ金属ディスクの表面はCMP技術によってポリシングされてその平坦化の精度が60nmを超えると共に、図2に示すバイトディスク運動コントローラ2の頂部に固定された。自動制御システムを起動すると、システムは、電流フィードバック装置、圧力センサ及び平行レーザ光束距離測定装置が提供するフィードバック電流、圧力及び平行度などのパラメーターに基づき、ワークディスク運動コントローラ8を自動的に駆動し、ワークをバイトディスク運動コントローラ2の頂部に固定されたバイトに精確に移動させた。バイト表面を被覆するエッチングレベリング剤液層がガリウムヒ素表面に接触すると、エッチング平坦化加工を開始した。エッチング平坦化の進行につれて、ガリウムヒ素表面は徐々に溶けてなくなった。自動制御システムは絶えずにバイトを送り、エッチング平坦化の化学反応を絶えずに行なわせた。本実験において、8min後に自動制御システムを切断してバイトを送らないようにし、さらに2min後に電気化学的システムを切断してバイトを持ち上げた。得られるワーク表面の走査電子顕微鏡（FESEM LEO 1530、LEO Co.製）画像は図10に示される。原子力顕微鏡（タッピングモードNanoscope IIIa、Digital Instrument Co.製）の結果によると、ポリシング後の表面粗さは1.0nmであった。
【００５３】
実施例4
図2に示す装置を用い、ワークであるSiO2ガラスの表面に対して平坦化及びポリシングを行った。加工条件：用いる溶液は、NH4F 0.1mol/dm3と、アンモニア水（NH4OH, pH12）と、亜硝酸ナトリウム（NaNO2） 10mmol/dm3とを含む；エッチング平坦化全過程において、循環流動する作動溶液の温度は30℃に保持される；電気化学的エッチング反応制御システムを起動した後、プラチナ金属ディスク表面においてNaNO2を電解してH+のレベリング剤を発生させ、プラチナ金属ディスク表面に強酸層を発生させ、SiO2が強酸条件においてF−イオンと錯化反応して除去される；除去剤はエッチング溶液におけるOH-であり、且つプラチナ金属ディスク表面に形成された強酸層の厚さを20nm以下に拘束する；平坦化及びポリシング全過程において、定電位法によってバイト（金属プラチナディスク電極）の電極電位を0.9V（飽和甘汞電極の電位に対して）に保持する。その中、プラチナ金属ディスクの表面はCMP技術によってポリシングされてその平坦化精度が60nmを超えると共に、図2に示すバイトディスク運動コントローラ2の頂部に固定された。自動制御システムを起動すると、システムは、電流フィードバック装置、圧力センサ及び平行レーザ光束距離測定装置が提供するフィードバック電流、圧力及び平行度などのパラメーターに基づき、ワークディスク運動コントローラ8を自動的に駆動し、ワークをバイトディスク運動コントローラ2の頂部に固定されるバイトに精確に移動させ、エッチング平坦化加工を開始した。エッチング平坦化の進行につれて、SiO2ガラス表面は徐々に溶けてなくなった。自動制御システムは絶えずにバイトを送り、エッチング平坦化の化学反応を絶えずに行なわせた。30min後に自動制御システムを切断してバイトを送らないようにし、更に10 min後に電気化学的システムを切断してバイトを持ち上げた。得られたワーク表面の光学顕微画像（Olympus BX-51、Olympus Co.製）は図11に示される。原子力顕微鏡（タッピングモードNanoscope IIIa、Digital Instrument Co.製）の結果によると、ポリシング後の表面粗さは0.6nmであった。
【００５４】
実施例5〜32
実施例5〜13のプロセスステップは上記実施例2と類似し、実施例14〜22のプロセスステップは上記実施例1と類似し、実施例23〜31のプロセスステップは上記実施例4と類似しているが、エッチング平坦化及びポリシング溶液と除去剤の成分及び含有量が異なる。具体的な成分及びそのエッチング効果は、表1〜3に示されている。エッチング効果は、高倍率の光学顕微鏡（Olympus BX-51、Olympus Co.製）、走査電子顕微鏡（FESEM LEO 1530、LEO Co.製）、原子力顕微鏡（タッピングモードNanoscope IIIa、Digital Instrument Co.製）によって観察されることができ、表面粗さRaは、原子力顕微鏡（タッピングモードNanoscope IIIa、Digital Instrument Co.製）によって局部走査する結果から分析されることができる。
【００５５】
【表１】
2013538169.tif 000003
【００５６】
表1から分かる通り、本発明に係わる光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法は、シリコン材質のワークに対する平坦化効果が顕著であり、ワーク表面の表面粗さを2.0nm以下にすることができる。
【００５７】
【表２】
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【００５８】
表2から分かる通り、本発明に係わる光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法は、銅材質のワークに対する平坦化効果が顕著であり、ワーク表面の表面粗さを25nm以下にすることができる。
【００５９】
【表３】
2013538169.tif 000005
【００６０】
表3から分かる通り、本発明に係る光／電気化学的誘導の拘束化学エッチングによるナノ精度の平坦化及びポリシング加工方法は、SiO2材質のワークに対する平坦化効果が顕著であり、ワーク表面の表面粗さを1.5nm以下にすることができる。
【００６１】
【表４】
2013538169.tif 000006
【００６２】
産業上の利用可能性
本発明に係る平坦化及びポリシング方法並びに装置にて生産されるワークは、表面がナノレベルの表面プロファイル精度及び粗さ（ナノ精度）を実現し得る。且つ、本発明は化学機械的ポリシング（CMP）技術に比べて、ワーク表面とサブ表面に機械損傷がなく、残存応力がなく、金属イオンの汚染問題がないというメリット、並びに、平坦化及びポリシングの終点が制御され易いメリットを有する。したがって、半導体工業材料、超大規模集積回路、マイクロ機械電気やマイクロ光機械電気システム、現代精密光学デバイス、及び航空宇宙飛行の発動機翼板などの工業分野の平坦化及びポリシングプロセスに特に適用する。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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