(57)【要約】【課題】フォトリソグラフィ技術を用いることなく、微細な立体像を形成することができるようにする。【解決手段】第１ステップＳ１では、単結晶シリコン基板等の被加工基板上に選択的にＦＩＢを照射する。その際に、形成すべき凸部の高さに応じてＦＩＢのドーズ量、ドットピッチ、加速電圧を調整する。このＦＩＢ照射によりＦＩＢ照射部にはエッチング液に対するマスキング効果が発現される。第２ステップＳ２では、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）で処理して基板表面に形成された自然酸化膜を除去する。第３ステップＳ３において、流水洗浄を行った後、第４ステップＳ４において、純水、アセトンを用いた超音波洗浄を行う。第５ステップＳ５では、ＫＯＨ水溶液に浸漬して被加工基板のＦＩＢ照射面をエッチングする。その後、確認のために、第６ステップＳ６において、ＡＦＭにより段差を観測する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射条件の異なる集束イオンビームを被加工基板上に照射し、湿式エッチングを行って被加工基板上に集束イオンビーム照射条件に応じてエッチング深さの異なる加工物を形成することを特徴とする被加工基板の湿式エッチング方法。
【請求項２】
照射条件の異なる集束イオンビームを被加工基板上に照射し、湿式エッチングを行って被加工基板上に集束イオンビーム照射の有無および集束イオンビーム照射条件に応じてエッチング深さの異なる加工物を形成することを特徴とする被加工基板の湿式エッチング方法。
【請求項３】
集束イオンビームの異ならせる照射条件は、ドーズ量、ドットピッチ、加速電圧の中の一種または複数種であることを特徴とする請求項１または２に記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
【請求項４】
エッチング時間をコントロールすることにより、集束イオンビーム照射条件の異なる領域間のエッチング深さの差を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
【請求項５】
被加工基板上の一または複数の領域に、異なる加速電圧により複数回の集束イオンビームを照射し、湿式エッチングを行って被加工基板上に集束イオンビーム照射の回数に応じた高さの加工物を形成することを特徴とする被加工基板の湿式エッチング方法。
【請求項６】
前記複数の領域の内ある領域に対しては、他の領域と集束イオンビーム照射回数、加速電圧のいずれかまたはその両方が異なり、ある領域と他の領域とでは形成される加工物の高さが異なることを特徴とする請求項５に記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
【請求項７】
前記被加工基板が半導体により形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
【請求項８】
前記被加工基板が単結晶シリコンにより形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
【請求項９】
湿式エッチングがアルカリ性エッチング液を用いて行われることを特徴とする請求項８に記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
【請求項１０】
湿式エッチングがＫＯＨ水溶液を用いて行われることを特徴とする請求項８に記載の被加工基板の湿式エッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工基板の湿式エッチング方法に関し、特に、集束イオンビーム（ＦＩＢ）と湿式エッチングとを組み合わせて微細な立体構造物を作製する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶シリコンの表面に集束イオンビームを照射するとエッチング液に対するエッチング性が変化することが知られており、この性質を利用してリソグラフィ技術を用いることなく、単結晶シリコンを選択的にエッチングする方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この方法は、集束イオンビーム照射領域にマスキング効果が発現されることを利用してエッチングを行って平面的なパターンを得る手法であり、この方法では、立体的な形状を有する構造物を形成することはできなかった。
一方で、マイクロレンズ、回折格子を用いるマイクロ光学系やＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ  ｅｌｅｃｔｒｏ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）の分野においては、異なる高さを有する構造物や高さの変化する立体的構造物を形成することが求められている。この種構造物の従来の製造方法は、グレイスケールマスク（異なる紫外線透過率領域を有するマスク）を用いて露光を行い、現像して被加工物上に厚さの変化するフォトレジスト膜を形成し、ドライエッチングを行ってフォトレジストの形状を被加工物に転写するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．  ３９（２０００）  ｐｐ．２１８６−２１８８
【特許文献１】
特開２００３−１５２７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したグレイスケール露光法を用いる方法では、複雑な形状のグレイスケールマスクが必要となる外、フォトリソグラフィを用いるものであるため、多くの工数がかかり、結果として製品のコストアップを招いてしまう。
本発明の課題は、少ない工数により高さの異なる、若しくは、高さの変化する立体構造を形成できるようにすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明によれば、照射条件の異なる集束イオンビームを被加工基板上に照射し、湿式エッチングを行って被加工基板上に集束イオンビーム照射条件に応じてエッチング深さの異なる加工物を形成することを特徴とする被加工基板の湿式エッチング方法、が提供される。
【０００６】
また、上述した課題を解決するため、本発明によれば、照射条件の異なる集束イオンビームを被加工基板上に照射し、湿式エッチングを行って被加工基板上に集束イオンビーム照射の有無および集束イオンビーム照射条件に応じてエッチング深さの異なる加工物を形成することを特徴とする被加工基板の湿式エッチング方法、が提供される。
そして、好ましくは、集束イオンビームの異ならせる照射条件は、ドーズ量、ドットピッチ、加速電圧の中の一種または複数種である。
また、好ましくは、エッチング時間をコントロールすることにより、集束イオンビーム照射条件の異なる領域間のエッチング深さの差を制御する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
以下の実施の形態では、単結晶シリコン基板を使用した例について説明する。図１は、本発明の実施の形態の処理の流れを示す図である。第１ステップＳ１では、単結晶シリコン基板の（１００）面に部分的にＳｉＯ２マスクを形成し、このＳｉＯ２マスクの形成されていない領域に選択的にＦＩＢを照射する。その際に、形成すべき凸部の高さに応じてＦＩＢのドーズ量、ドットピッチ、加速電圧を調整する。ＦＩＢのイオン種としてはＧａ＋、Ｓｉ２＋等が用いられる。このＦＩＢ照射により後述するようにＦＩＢ照射部にはエッチング液に対するマスキング効果が発現される。このマスキング効果はＦＩＢ照射条件により変化する。第２ステップＳ２では、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）で処理して基板表面に形成された自然酸化膜を除去する。第３ステップＳ３において、流水洗浄を行った後、第４ステップＳ４において、純水、アセトンを用いた超音波洗浄を行う。第５ステップＳ５では、超音波振動を加えたＫＯＨ水溶液に浸漬して単結晶シリコン基板のＦＩＢ照射面をエッチングする。このＫＯＨ水溶液にはＩＰＡ（イソプロピルアルコール）が添加されており、その水温は室温（２４℃）程度である。その後、確認のために、第６ステップＳ６において、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により形成された段差を観測する。
【０００８】
エッチング処理終了後の断面図を図２に示す。この図に関連して説明される用語の意味は、以降の図においても共通に用いられる。単結晶シリコン基板１の表面には選択的にＳｉＯ２マスク２が形成されており、この部分はエッチングが行われず、その基板面が基準面３となる。非照射部はｈ１だけエッチングされる。このｈ１は基準面高さを与えると共にこれに基づいてその領域のエッチレートが算出される。ＦＩＢ照射部はｈ２だけエッチングされており、このｈ２に基づいてこの領域のエッチレートが算出される。ｈ１とｈ２との差ｈ３がＦＩＢ照射部の凸状構造の高さとなる。この凸状構造高さは、ＦＩＢ照射条件やエッチング処理時間を変化させることにより制御することができる。
【０００９】
〔マスキング効果のドーズ量依存性〕
マスキング効果のドーズ量依存性を検証するために、ドーズ量を変化させて凸状構造の高さを測定し、エッチレートを算出した。結果を図３（ａ）、（ｂ）に示す。照射イオン種はＧａ＋、加速電圧は３０ｋＶである。また、エッチャント（ＫＯＨ）の濃度は２０ｗｔ％、エッチング処理時間は５分である。
図３より、ドーズ量が０．５Ｃ／ｃｍ２まではドーズ量の増加に伴ってエッチレートは直線的に低下し、ドーズ量が１．０Ｃ／ｃｍ２を越えるとエッチレートはほぼ一定となる（飽和状態となる）ことが分かる。
【００１０】
〔マスキング効果のドットピッチ依存性〕
マスキング効果のドットピッチ依存性を検証するために、ドットピッチを変化させて凸状構造の高さを測定し、エッチレートを算出した。結果を図４（ａ）、（ｂ）に示す。照射イオン種はＧａ＋、加速電圧は３０ｋＶである。また、エッチャント濃度は２０ｗｔ％、エッチング処理時間は５分である。
図４より、ドットピッチが１５０ｎｍ以下では、エッチレートは高く、ドットピッチが２５０ｎｍを越えるとエッチレートはほぼ一定となる（飽和状態となる）ことが分かる。
図５（ａ）、（ｂ）は、ドットピッチが小さい場合と大きい場合とのエッチング処理終了後の断面図である。ドットピッチが小さい場合にはＦＩＢ照射による変質層が均一に広がるため、エッチングも比較的均等に進行する。これに対してドットピッチが大きい場合にはＦＩＢ照射による変質層が局所的に強くなるため、エッチングも局所的に抑えられ、図示されるように、マイクロピラミッドが形成される。
【００１１】
〔マスキング効果のエッチング処理時間依存性〕
マスキング効果のエッチング処理時間依存性を検証するために、ドーズ量の異なる試料を作成し、エッチング時間と凸状構造高さ、エッチレートとの関係を測定した。結果を図６（ａ）、（ｂ）に示す。基準面の高さは、エッチング時間１分で４５ｎｍ、５分で１５５ｎｍ、２０分で８２１ｎｍである。照射イオン種はＧａ＋、加速電圧は３０ｋＶである。また、エッチャント濃度は２０ｗｔ％である。
図６に示されるように、ドーズ量が２．６ｘ１０−５／ｃｍ２では、エッチング時間が１分経過するとその後は凸状構造高さはほぼ変化なくなり、ドーズ量が１．６ｘ１０−４／ｃｍ２の場合には、エッチング時間が５分経過するまでは凸状構造高さは増加しその後はその高さはほぼ変化しなくなり、ドーズ量がそれ以上では、エッチング時間が５分以上経過してもなお凸状構造高さは増加するがその増加速度は低下する。すなわち、エッチング時間が増すとエッチングレートは増加するがエッチングレートが増加するまでの時間はドーズ量が多いほど長くなる。。
【００１２】
図７（ｂ）は、エッチング時間の経過とエッチング状態との関係を説明するための断面図である。単結晶シリコン基板１のＦＩＢ照射部は変質して低エッチレート領域４になされている。エッチングが開始されると、ＦＩＢ照射部とＦＩＢ非照射部の双方がエッチングされるが、低エッチレート領域４はエッチングが遅れ、ＦＩＢ非照射部に対して凸部が形成される。この状態は、低エッチレート領域４がエッチングし尽くされるまで続き、その間凸状構造の高さは増加し続ける。低エッチレート領域４がエッチングし尽くされるとＦＩＢ照射部とＦＩＢ非照射部とのエッチレート差はなくなり、凸状構造高さは一定状態を維持する。
低エッチレート領域４のエッチレートは、図６（ｂ）にも示されるように、ドーズ量の増加に連れて低下する。図７（ａ）は、図６（ａ）に基準面高さを追加記入したものである。いずれのドーズ量の場合にも、低エッチレート領域は基準面（基板表面）から３５ｎｍ程度エッチングされるまでは高いエッチング耐性を示しこれを越えるとエッチングレートは上昇する。このことから、上記のＦＩＢ照射条件のもとではエッチング耐性の高い領域は深さ３５ｎｍ程度までのところに形成されると推定される。
【００１３】
〔マスキング効果の加速電圧依存性〕
マスキング効果の加速電圧依存性を検証するために、加速電圧とドーズ量を変化させてＦＩＢ照射を行い、凸状構造の高さを測定した。結果を図８（ａ）、（ｂ）に示す。照射イオン種はＳｉ＋２、加速電圧は２０〜３０ｋＶである。また、エッチャント濃度は２０ｗｔ％、エッチング処理時間は５分である。
図８より、２０〜３０ｋＶの加速電圧の範囲では加速電圧の上昇に伴って凸状構造高さが低減する。この現象は、加速電圧の上昇に伴ってマスキング効果の発現される領域の深さが深くなることに由来するものと推測される。また、単結晶シリコンにＳｉ＋２を注入してマスキング効果が発現されることからマスキング効果の要因の一つが結晶性の乱れにあるものと推定される。
図９（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板１上に、中央部で加速電圧が低く周辺部で加速電圧が高くなる条件でＦＩＢを照射して椀を伏せた形状のイオン注入領域５を形成してエッチングを行うと、基板上にドーム６を形成することができる。また、図９（ｂ）に示すように、同一領域に加速電圧を変えて複数回のＦＩＢ照射を行い深さ方向に複数のイオン注入領域５を形成してエッチングを行うと、一番上のイオン注入領域５のマスキング効果により凸状構造が形成される。エッチングを続けるとやがて一番上のイオン注入領域がエッチングされてしまうが、続いて２番目のイオン注入領域がマスクとして機能し、凸状構造がより高く形成される。このように、上から順次イオン注入領域５がエッチングされても次々と新しいイオン注入領域が現れそれぞれによってマスキング効果が発現されるため、結果として単結晶シリコン基板１上に高アスペクト比凸状構造７を形成することができる。
図９（ｂ）には、高アスペクト比凸状構造７を１本形成する例が示されているが、複数の領域にそれぞれ加速電圧を変えて複数回のＦＩＢ照射を行って複数本の高アスペクト比凸状構造７を形成するようにしてもよい。また、複数の領域の内ある領域に対しては、他の領域とＦＩＢ照射回数、加速電圧のいずれか一方またはその両方が異ならせることにより、ある領域と他の領域とで形成される加工物の高さを異ならせるようにしてもよい。
【００１４】
【実施例】
図１０は、本発明の一実施例を示す、エッチング前の斜視図とエッチング後の断面図である。図１０（ａ）に示されるように、単結晶シリコン基板１の（１００）面の５０μｍｘ５０μｍの領域にドーズ量：２．７ｘ１０−３Ｃ／ｃｍ２のＧａ＋を、３０μｍｘ３０μｍの領域にドーズ量：９．１ｘ１０−３Ｃ／ｃｍ２のＧａ＋を、１０μｍｘ１０μｍの領域にドーズ量：６９．１ｘ１０−３Ｃ／ｃｍ２のＧａ＋を、ビーム電流：１０ｐＡで照射した。超音波振動の加えられた、ＩＰＡを飽和状態に添加した２０ｗｔ％ＫＯＨ水溶液に６分間浸漬してエッチングを行った。段差は下部より、１０ｎｍ、２０ｎｍ、９０ｎｍであった。
また、ドーズ量を連続的に変化させることにより、ドーム状の凸部を形成することができた。
【００１５】
以上好ましい実施の形態、実施例について説明したが、本発明はこれら実施の形態、実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、被加工基板は単結晶シリコンに代えて、ＧａＡｓやＩｎＰなどの化合物半導体やＡｌ、Ｆｅなどの金属であってもよい。また、照射イオン種は、母材と同じ材料であってもよくまたその他の材料であってもよい。また、エッチング液についても例えば単結晶シリコンに対してヒドラジンやＮａＯＨ水溶液を用いてもよく、他の基板材料についても一般的に知られているエッチャントは適宜採用することができる。また、エッチング法も浸漬法に代えてスプレイ法を用いてもよい。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、被加工基板上に照射条件を異ならせてＦＩＢを照射した後、湿式エッチングを行って被加工基板表面に凹凸を形成するものであるので、複雑な構造のマスクやフォトリソグラフィ工程を必要とせず、簡単な方法により、微細な立体像を形成することができる。したがって、本発明によれば、マイクロレンズや回折格子の必要な光学、ＭＥＭＳなどのマイクロマシーン技術、半導体製造技術などの幅広い技術分野において多用な応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエッチング方法の処理の流れを示すフローチャート。
【図２】本発明の実施の形態を説明するための被加工基板の断面図。
【図３】本発明の実施の形態を説明するための、マスキング効果のドーズ量依存性を示すグラフ。
【図４】本発明の実施の形態を説明するための、マスキング効果のドットピッチ依存性を示すグラフ。
【図５】本発明の実施の形態を説明するための、ドットピッチによる形状変化を示す断面図。
【図６】本発明の実施の形態を説明するための、マスキング効果のエッチング処理時間依存性を示すグラフ。
【図７】本発明の実施の形態を説明するための、マスキング効果のエッチング処理時間依存性を示すグラフとエッチングの経過を示す断面図。
【図８】本発明の実施の形態を説明するための、マスキング効果の加速電圧依存性を示すグラフ。
【図９】マスキング効果の加速電圧依存性を利用して凸状構造を形成する例を示す断面図。
【図１０】本発明の一実施例を説明するための斜視図と断面図。
【符号の説明】
１  単結晶シリコン基板
２  ＳｉＯ２マスク
３  基準面
４  低エッチレート領域
５  イオン注入領域
６  ドーム
７  高アスペクト比凸状構造
【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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