(57)【要約】【課題】ニオブ酸リチウムの微細加工を実施する際に、従来フッ酸薬液を利用したウェットエッチングが主流であった。しかしながらウェットエッチングではその加工方法の特性上、等方的にエッチングされ、ミクロンオーダーの微細加工を行うのに非常に困難であった。ドライエッチングによりその微細加工を検討しているが、従来のレジストマスクでは選択比が低いため所望の深さのエッチングができず、ミクロンオーダーの深い加工が必要である。【解決手段】ニオブ酸リチウム上に窒化シリコンをマスクとして用い、カーボン／フッ素比の大きいガスを使用することで、窒化シリコンのエッチングレートを抑制することができ、１０μｍ以上の深さのエッチングが可能になる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成する材料が高誘電体材料もしくは基板自体が高誘電体材料であり、高誘電体材料上に第１層として有機材料ではないマスク材料を積層する第１の工程と、前記第１層上に第２層の薄膜としてレジストを塗布する第２の工程と、レジストをパターン形成する第３の工程と、第１層である窒化シリコンを高誘電体材料までエッチングする第４の工程と、第２層のレジストを除去する第５の工程を有し、パターン形成した第１層をマスクとして高誘電体材料をエッチングするプラズマ処理方法において、第１層のマスク材料が窒化シリコンであることを特徴とする高誘電体材料の加工方法。
【請求項２】
基板に形成する材料が高誘電体材料もしくは基板自体が高誘電体材料であり、高誘電体材料上に第１層として有機材料ではないマスク材料を積層する第１の工程と、前記第１層上に第２層の薄膜としてレジストを塗布する第２の工程と、レジストをパターン形成する第３の工程と、第１層である窒化シリコンを高誘電体材料までエッチングする第４の工程と、パターン形成した第１層およびレジストをマスクとして高誘電体材料をエッチングするプラズマ処理方法において、第１層のマスク材料が窒化シリコンであることを特徴とする高誘電体材料の加工方法。
【請求項３】
基板に形成する材料が高誘電体材料もしくは基板自体が高誘電体材料であり、窒化シリコンをマスクとして高誘電体材料をドライエッチングし、パターンを形成した高誘電体材料の窒化シリコン側に光を通過させることを特徴とする光導波路素子。
【請求項４】
高誘電体材料または高誘電体基板が比誘電率２０以上の材料であることを特徴とする請求項３記載の光導波路素子。
【請求項５】
基板に形成する高誘電体材料または高誘電体基板はニオブ酸リチウム、ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＣＬＢＯ、ＢＢＯのうち少なくとも１つを含む材料であることを特徴とする請求項３記載の光導波路素子。
【請求項６】
真空容器内にプラズマを発生させる手段が誘導結合プラズマ源、電子サイクロトン共鳴プラズマ源、ヘリコンプラズマ源またはＶＨＦプラズマ源であることを特徴とする請求項１または２記載の高誘電体材料の加工方法。
【請求項７】
真空容器内に導入するガスがＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８、ＣＨ２Ｆ２、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ５、Ｃ５Ｆ８のうち少なくとも１つを含むガスまたは混合ガスであることを特徴とする請求項１記載の高誘電体材料の加工方法。
【請求項８】
真空容器内に導入するガスの炭素に対するフッ素の比が２０％以上であることを特徴とする請求項１記載の高誘電体材料の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマを用いた高誘電体材料の加工方法および光導波路素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ペロブスカイト構造を有するニオブ酸リチウム、ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＣＬＢＯ、ＢＢＯなどが焦電体、電気光学効果、非線形光学効果、強誘電体の性質をもつ機能性材料として様々なデバイス応用に期待されている。その一部として、ピエゾ素子、赤外線検出素子、不揮発性メモリ素子、第二高調波発生素子などさまざまな素子に応用展開されている。近年の機器の軽量化、コンパクト化に伴ってこれらの素子の微細化・高機能化が要望されている。
【０００３】
従来例として、ニオブ酸リチウム材料を用いた第二高調波発生素子（以下ＳＨＧ）について述べる。従来、光導波路素子には、埋め込み型光導波路が一般的に用いられている。従来の埋め込み型光導波路の製造方法について説明する。図６に従来の埋め込み型光導波路の形状を示す。プロトンイオン（＋Ｈ）の交換を行うプロトン交換と熱処理とによって埋め込み型光導波路を形成する方法である。この方法ではプロトン交換層を熱処理で拡散させるため幅数＋μｍオーダーの光導波路ができる。
【０００４】
さらに、高効率で微細な閉じ込めを行う光導波路素子を実現するために、図２のようなリッジ加工を実施すればよい（特許文献１、２）。
【０００５】
従来の光導波路素子のリッジ加工例について説明する。
【０００６】
まず、図８を参照して従来の一つ目の加工例の説明をする。ニオブ酸リチウム基板６上にある膜厚の金属膜１４を形成し、金属膜１４上にレジストマスク１５を形成する。レジスト１５をマスクとして金属膜１４を加工し、レジスト１５を除去し、さらに加工した金属膜１４をマスクとして、ニオブ酸リチウム基板６のリッジ加工を行う（非特許文献１）。ここで金属マスクはニッケル、クロムなどの重金属である（図７）。
【０００７】
次に、従来の二つ目の加工例の図９を参照して説明をする。ニオブ酸リチウム基板６上にある膜厚の金属膜１４を形成し、金属膜１４上にレジストマスク１５を形成する。レジスト１５をマスクとして金属膜１４を加工し、レジストを除去する。金属膜をマスクとしてニオブ酸リチウム基板６をプロトン交換と熱処理を行い、プロトン交換層１６を形成させる。さらにプロトン交換層１６をドライエッチングすることでリッジ加工を行う。プロトン交換層は結晶構造が崩れているため、単結晶のニオブ酸リチウムよりもエッチングレートが速い。ここでも同様に金属マスクはニッケル、クロムなどの重金属である。
【０００８】
上記二つの加工のエッチング方法を説明する。
【０００９】
図１に従来例のエッチング装置の構成図を示す。真空容器１の上部に誘電板５を介して誘導結合コイル４が設置されており、真空容器１内の電極７上に基板６を載置し、ガス導入口１４から真空容器１内にフッ素系ガスを導入しつつ、圧力コントローラー１０で所定の圧力に制御し、真空容器１内にプラズマを発生させ、電極７上に載置された基板６、または基板６上の膜がエッチングされる。ここで、基盤６上の膜はニオブ酸リチウム薄膜または、基板自体がニオブ酸リチウムである。プラズマ発生には、高周波電源より誘導結合コイル４に高周波電力を印加し、プラズマを発生させる。真空容器１内のプラズマに存在しているイオンの引き込みのため、下部電極７に高周波電力を印加している。使用しているエッチングガスは、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＮＦ３である（非特許文献１）。
【００１０】
リッジ作成後、ニオブ酸リチウム表面に屈折率の低い酸化シリコンを堆積し、リッジ内に光を閉じ込める。
【００１１】
【特許文献１】
特開平０７−１５９６３７号公報
【特許文献２】
特開２０００−１４７５８４号公報
【非特許文献１】
フッ素系ガスプラズマＲＩＥによるニオブ酸リチウム結晶のエッチング特性、電子論Ａ、１２０巻２号、平成１２年
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の例ではいずれも金属マスクを用いて工程が多く、エッチングレートが遅いため長い加工時間を要する。また、ニッケル、クロムなどの金属は反応性が低いためエッチングされにくく、マスクとしてミクロンオーダーの加工が困難である。金属マスクを用いる理由は、レジストマスクのエッチングレートがニオブ酸リチウムのエッチングよりも速い、つまり、対レジスト選択比が低いために所望の深さまで加工することができないためである。
【００１３】
例えエッチングできたとしても、次工程でマスクを除去し、リッジ表面に屈折率の低い酸化シリコンを堆積するため工程数が多くなるという問題を有することになる。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するために行われたものであり、対マスク選択比の高いマスク材料を提案し、２μｍ以上の深さのエッチングを可能にし、工程を簡略化させる高誘電体材料の加工方法及び光導波路素子を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本願第１の発明に係る高誘電体材料の加工方法は、基板に形成する材料が高誘電体材料もしくは基板自体が高誘電体材料であり、高誘電体材料上に第１層として有機材料ではないマスク材料を積層する第１の工程と、前記第１層上に第２層の薄膜としてレジストを塗布する第２の工程と、レジストをパターン形成する第３の工程と、第１層である窒化シリコンを高誘電体材料までエッチングする第４の工程と、第２層のレジストを除去する第５の工程を有し、パターン形成した第１層をマスクとして高誘電体材料をエッチングするプラズマ処理方法において、第１層のマスク材料が窒化シリコンであることを特徴とする。
【００１６】
また、本願第２の発明に係る高誘電体材料の加工方法は、基板に形成する材料が高誘電体材料もしくは基板自体が高誘電体材料であり、高誘電体材料上に第１層として有機材料ではないマスク材料を積層する第１の工程と、前記第１層上に第２層の薄膜としてレジストを塗布する第２の工程と、レジストをパターン形成する第３の工程と、第１層である窒化シリコンを高誘電体材料までエッチングする第４の工程と、パターン形成した第１層およびレジストをマスクとして高誘電体材料をエッチングするプラズマ処理方法において、第１層のマスク材料が窒化シリコンであることを特徴とする。
【００１７】
また、本願第３の発明に係る光導波路素子は、基板に形成する材料が高誘電体材料もしくは基板自体が高誘電体材料であり、窒化シリコンをマスクとして高誘電体材料をドライエッチングし、パターンを形成した高誘電体材料の窒化シリコン側に光を通過させることを特徴とする。
【００１８】
このとき、本願第３の発明に係る光導波路素子は、高誘電体材料または高誘電体基板が比誘電率２０以上の材料であると好適である。
【００１９】
さらに、基板に形成する高誘電体材料または高誘電体基板はニオブ酸リチウム、ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＣＬＢＯ、ＢＢＯのうち少なくとも１つを含む材料であると好適である。
【００２０】
また、本願第１及び第２に係る高誘電体材料の加工方法は、真空容器内にプラズマを発生させる手段が誘導結合プラズマ源、電子サイクロトン共鳴プラズマ源、ヘリコンプラズマ源またはＶＨＦプラズマ源であると好適である。
【００２１】
また、本願第１の発明に係る高誘電体材料の加工方法は、真空容器内に導入するガスがＣＨＦ３、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８、ＣＨ２Ｆ２、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ５、Ｃ５Ｆ８のうち少なくとも１つを含むガスまたは混合ガスであると好適である。
【００２２】
さらに、本願第１の発明に係る高誘電体材料の加工方法は、真空容器内に導入するガスの炭素に対するフッ素の比が２０％以上であると好適である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００２４】
図１に実験で用いたエッチング装置の構成図を示す。真空容器１の上部に誘電板５を介して誘導結合コイル４が設置されており、真空容器１内の電極７上に基板６を載置し、ガス導入口１４から真空容器１内にフッ素系ガスを導入しつつ、圧力コントローラー１０で所定の圧力に制御し、真空容器１内にプラズマを発生させ、電極７上に載置された基板６、または基板６上の膜がエッチングされる。ここで、基板６上の膜はニオブ酸リチウム薄膜であるが、基板自体がニオブ酸リチウムでもよい。また、基板６上の被エッチング物はニオブ酸リチウム、ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＣＬＢＯ、ＢＢＯのうち少なくとも１つを含む材料であってもよい。これらの物質は比誘電率が２０以上である。
【００２５】
プラズマ発生には、高周波電源より誘導結合コイル４に高周波電力を印加し、プラズマを発生させる。真空容器１内のプラズマに存在しているイオンの引き込みのため、下部電極７に高周波電力を印加している。
【００２６】
図３のように基板６上のニオブ酸リチウム６上に窒化シリコン膜１７を成長させる。その上にレジストマスク１５を形成し、ステッパによってパターン１５を形成する。その後、前記ドライエッチング装置を用いて、ニオブ酸リチウムに到達するまで窒化シリコンをエッチングする。次に、アッシングによってレジスト除去後、前記エッチング装置を用いてニオブ酸リチウムをエッチング処理する。そのときエッチングガスとしてフッ素系ガスを用いているが、フッ素系ガスの炭素／フッ素比が３０％以上であればよく、ここでは、Ｃ４Ｆ８をエッチングガスとして用いた例を説明する。図４に対窒化シリコン選択比の炭素／フッ素依存性を示す。この図からエッチングガスの構成は炭素／フッ素比が３０％以上になるようにＣ４Ｆ８、ＣＨ２Ｆ２、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ５、Ｃ５Ｆ８のうち少なくとも１つを含むガスまたは混合ガスとしてもよいことがわかる。ニオブ酸リチウムのエッチングレートに比べ窒化シリコンのエッチングレートが遅い。
【００２７】
このエッチングについて説明する。ニオブ酸リチウムのエッチングにおいて酸素原子をガス中の炭素原子による引き抜き、フッ化ニオブの蒸発、フッ化リチウムのスパッタが同時進行で行われている。そのため炭素比の高いガスを用いてもエッチングレートの低下は見られない。一方、窒化シリコンは窒素原子とシリコン原子で構成されており、これらの原子はガス中のフッ素とシリコンが反応するが、窒素原子とは反応しない。そのため炭素比を増大したとき、反応ガスが減少し、エッチングストップが起こるため、マスクとして機能を果たす。
【００２８】
また、ニオブ酸リチウムのエッチング処理を行う真空度は１．０Ｐａ以上の高真空が望ましい。１．０Ｐａ以下の高真空ではニオブ酸リチウムとフッ素が反応したフッ素化合物が蒸発しやすくなり、レジストとフッ素の反応よりも多く反応するためニオブ酸リチウムのエッチングレートが上昇する（図５）。１．０Ｐａ以下の高真空でプラズマを維持するために、ここでは誘導結合プラズマを用いた例を示したが、プラズマ源として電子サイクロトン共鳴プラズマ源、ヘリコンプラズマ源またはＶＨＦプラズマ源であることが有効である。ただし、今回の例ではレジストをアッシングによって除去していたが、レジストを残したままニオブ酸リチウムのエッチング処理を実施しても良い。
【００２９】
通常、ニオブ酸リチウム上には窒化シリコンのマスクが形成されているが、ニオブ酸リチウムと窒化シリコン層との間に何らかの中間膜が存在してもよい。また、このときこの中間層は窒化シリコンのエッチング直後に除去する、もしくはニオブ酸リチウムのエッチング直前に除去する。
【００３０】
なお、ニオブ酸リチウムのリッジを形成したときに、マスクとして用いた窒化シリコン膜が残る。この窒化シリコンはニオブ酸リチウムを所定の深さまでエッチングした後、除去しても良い。
【００３１】
また、ニオブ酸リチウムのリッジを形成後、窒化シリコンを残したまま光導波路を作製した一例を図２に示す。通常酸化シリコン膜でリッジ表面を覆っていたが、窒化シリコンマスクをそのままデバイスに用いる。
【００３２】
【発明の効果】
窒化シリコン膜をリッジ上に残すことによってその工程が削減できる。リッジ上に屈折率の低い窒化シリコン膜が存在することによって光が窒化シリコン直下に集まり、損失の低い光導波路が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いたドライエッチング装置の模式図
【図２】本発明で加工したニオブ酸リチウムのリッジ形状を示す図
【図３】本発明で用いたサンプル構造図
【図４】本発明で実施した形態での対窒化シリコン選択比のガス依存性を示す図
【図５】本発明で実施した形態でのニオブ酸リチウムエッチングレートの真空容器内圧力依存性を示す図
【図６】従来から用いられている光閉じ込め領域を示す図
【図７】従来の金属マスクを用いたサンプル構造図
【図８】従来の金属マスクを用いてエッチングしたニオブ酸リチウムのエッチング形状１を示す図
【図９】従来の金属マスクを用いてエッチングしたニオブ酸リチウムのエッチング形状２を示す図
【符号の説明】
１  真空容器
２  誘導結合コイル印加用高周波電源
３  誘導結合コイル用マッチングボックス
４  誘導結合コイル
５  誘電板（石英板）
６  基板（ニオブ酸リチウム）
７  下部電極
８  下部電極用高周波電源
９  下部電極印加用高周波電源
１０  圧力コントローラー
【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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