(57)【要約】【課題】  ドライエッチング処理でミラーに適する精密に直角な側面を簡単に形成する。【解決手段】  広いエッチング幅を持つ領域をドライエッチングして断面矩形の構造体１９を作製するに際して、最初に前記構造体１９の側面２０に一致する輪郭を備えている細い溝１０を形成するための第１マスクパターン１を用いて第１のエッチング処理を行う。それにより構造体１９の側面２０を精密な直角に形成できる。次いで前記第１のエッチング処理により形成される溝１０の幅より構造体側面２０から離れた位置に輪郭１３を備えた広い面をエッチング除去するための第２マスクパターン１２を用いて第２のエッチング処理を行う。それによってエッチング側面１７は溝１０側に傾斜し、溝底部でその溝と接続することにより第２マスクパターンの輪郭１３と前記第１マスクパターン１の輪郭４の間の部分を除去することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
広いエッチング幅を持つ領域をドライエッチングすることにより形成した垂直側面を利用する構造体を製作する方法において、
最初に前記構造体の側面に一致する輪郭を備えている細い溝を形成するための第１マスクパターンを用いて第１のエッチング処理を行い、
次いで前記第１のエッチング処理により形成される溝の幅より構造体側面から離れた位置に輪郭を備えた広い面をエッチング除去するための第２マスクパターンを用いて第２のエッチング処理を行い、
前記第２のエッチング処理によって第２マスクパターンの輪郭と前記第１マスクパターンの輪郭の間の部分を除去することを特徴とするドライエッチングによる垂直面製作方法。
【請求項２】
前記第１のエッチング処理では、深さ方向に均一な細い溝を形成する処理条件を選択して行うことを特徴とする請求項１記載のドライエッチングによる垂直面製作方法。
【請求項３】
前記第２のエッチング処理では、第１のエッチング処理の処理条件より、処理の進行により深さ方向に傾斜する側面を形成する処理条件を選択して行うことを特徴とする請求項１記載のドライエッチングによる垂直面製作方法。
【請求項４】
ドライエッチング処理により形成する構造体の側面に一致する形状の第１の輪郭と該第１の輪郭から僅かに離れた第２の輪郭との間の幅の狭い領域をエッチングする第１マスクパターンと、前記第１マスクパターンの第２の輪郭より前記第１の輪郭から離れた位置に第３の輪郭を備え幅の広い領域をエッチングする第２マスクパターンとを備え、
前記第１マスクパターンによるエッチング処理では構造体の垂直側面を形成し、次いで行う前記第２マスクパターンによるエッチング処理によって、前記第２の輪郭と前記第１の輪郭の間の部分を除去することを特徴とするドライエッチング処理装置。
【請求項５】
前記第１マスクパターンによるエッチング処理では、深さ方向に均一な細い溝を形成する処理条件を選択して行うことを特徴とする請求項４記載のドライエッチング処理装置。
【請求項６】
前記第２マスクパターンによるエッチング処理では、少なくとも前記第１マスクパターンによるエッチング処理より、処理の進行によって前記第２輪郭に近い方向に傾斜する側面を形成する処理条件を選択して行うことを特徴とする請求項４記載のドライエッチング処理装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料を用いたＭＥＭＳの３次元形状をＲＩＥ装置によりドライエッチングするに際して、例えば光スイッチ等の反射面の性能を向上するために、垂直面を高精度で製作することができるようにしたドライエッチングによる垂直側面作製方法、及びその製作方法を実施するドライエッチング処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンを高密度プラズマで高速にドライエッチングするＲＩＥ (Reactive Ion Etching)装置が、半導体材料を用いたＭＥＭＳ (Micro Electro Mechanical Systems) の３次元形状作製に広く用いられるようになっている。ＲＩＥ装置を用いて加工するとエッチング異方性を強くすることができ、また、ほぼ垂直のエッチング側面が実現できる。これを利用して、様々なＭＥＭＳデバイスが開発されている。
【０００３】
上記のような種々のＭＥＭＳデバイスの中でも、垂直側面をミラーに利用する光スイッチなどの光応用ＭＥＭＳ は、垂直側面の角度や面粗さが性能に大きな影響を与えるため、高精度なエッチングが必要とされる。
【０００４】
従来のエッチングによってミラー構造物を形成するに際しては、例えば図４（ａ）に示されるようなマスクパターン３１を用いる。このマスクパターン３１においては、最終的に作製される同図（ｃ）のようなミラー構造物３２の上面形状に一致し、エッチング側面であるミラー面３３を画定する輪郭３４を備えたマスク遮光部３５が形成されており、その周囲はマスク透明部３６となっている。
【０００５】
このようなマスクパターン３１を用いて図４（ｂ）に示すようにシリコン基板３７の表面３８に塗布したポジレジストを光学的に除去して、前記マスク遮光部３４に一致するレジスト３９を形成する。このシリコン基板３７に対してドライエッチング処理すると、マスクパターンの遮光部分が保護され、前記レジスト３９以外の部分がエッチングによって剥離し除去されるため、図４（ｃ）に示すようなミラー構造物３２が作製され、そのエッチング側面であるミラー面３３が形成される。  
【０００６】
ドライエッチング装置は、被加工物の前面に反応ガスの高密度プラズマを形成し、このプラズマ中のイオンやラジカルを被加工物に照射することでエッチングを行うものである。このようなドライエッチングに際しては、反応ガスの種類、ガス圧力、高周波印加電力、バイアス電圧等のエッチング条件を変えることで、エッチングに寄与するイオン・ラジカルの作用は変化する。中でも特に、ほとんどのイオンが被加工物に垂直に入射するような条件でエッチングを行うとエッチング異方性が極めて強くなり、被加工物の表面と垂直方向にエッチングが進行する。このとき、フォトレジスト等でエッチングマスクのパターンを作成しておくと、その輪郭で垂直側面を形成することが可能になる。これら、条件の変化によるエッチング形状の変化は、下記非特許文献１に詳しく報告されている。
【０００７】
また、プラズマによってエッチングが起こるガスと、プラズマによって保護膜の堆積が起こるガスの２種類のガスを交互に切り替えることで、エッチング側面を保護しながらエッチングを行う、通称ボッシュプロセスと呼ばれる処理手法も実用化されている。この垂直側面をアクチュエータ等と組み合わせて可動ミラーとし、光の信号を制御する光通信用スイッチなどのＭＥＭＳデバイスが、例えば下記特許文献１等に多数提案されている。
【０００８】
また、上記のような各種の方法を用いて、シリコンで作った原型を元にメッキ等の技術を使用して形状を転写した金型を作製し、成形加工を利用して原型と同一の形状を持つプラスチック、ガラスの超小型部品を作製する研究も例えば下記非特許文献２等に報告されている。
【特許文献１】特開２００１−５６４４０号公報
【非特許文献１】Henri Jansent, Han Gardeniers, Meint de Boer, Miko Elwenspoek, Jan Fluitman,J.Micromech.Microeng.6(1996)14-28. A survey on the reactive ion etching of silicon in microtechnology
【非特許文献２】Yusuke Hashiura, Tsuyoshi Ikehara, Akiko Kitajima, Hiroshi Goto,Ryutaro Maeda, Device and Process Technologies for MEMS and Microelectronics ll, Jung-Chiao, Editor, Proceedings of SPIE Vol.4592(2001), 414-421, Optical switch array based on microforming process
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記のようなドライエッチングによって数μm〜１００μm程度の比較的狭い幅を持つ溝を作製する場合は、エッチング側面の垂直性はよく保たれ、ガス圧力等のエッチング条件の調整により、従来技術でも±０．１度程度の垂直精度が実現可能である。
【００１０】
しかし、垂直側面のミラーとしての利用を考えると、光の通路を確保するためにミラー面の前面には通常５００μm以上の空間が必要であり、エッチング幅は大きくならざるを得ない。
【００１１】
例えば図６に示すドライエッチング処理装置４１の例において、対向した上部電極４２と下部電極４８の間において、下部電極４８上に被加工物ウエハ４７を固定し、反応ガス雰囲気中で両電極に高周波電圧をかけると上部電極４２から下部電極４８上の被加工物ウエハ４７側にプラズマグロー４３が発生し、そのプラズマグローの境界から被加工物ウエハ４７の表面に向けてイオン・ラジカル４５が生じる。異方性の強い処理条件を適用すると、このイオン・ラジカルは被加工物ウエハ４７の表面に対して最初は全て垂直に進む。
【００１２】
その後、被加工物ウエハ４７表面にエッチングマスク４６が形成されていない部分では、このイオン・ラジカル４５によってエッチングが進む。上記エッチングマスク４６が形成されていない部分の幅が狭いときには、図中狭い溝４９と示されるような溝が形成され、その部分の幅が広いときには、図中広い溝５０として示されるような溝が形成される。図６から明らかなように、狭い溝４９を形成する部分ではエッチングが垂直に進行することにより、溝側壁が互いに平行な溝が形成される。それに対して、広い溝５０を形成する部分ではエッチングが進んで溝底部が下方に進行するにしたがって、プラズマグローの境界変形部４４が図示するように加工されていく溝底部に向けて突出するように生じる。
【００１３】
前記のようなプラズマグロー４３の境界変形部４４の側面は、形成される溝の形状とは異なりなだらかな突出変形となるため、側面は傾斜した形状となる。したがってプラズマグロー４３の境界から放射されるイオンラジカルは、境界変形部４４の側面から傾斜して放射され、それにより広い溝５０の溝側壁５１はサイドエッチングによって傾斜して形成される。
【００１４】
このように、被加工物ウエハ４７に形成する溝が狭い溝４９のときには、その溝側壁５１は表面から直角に形成されるのに対して、広い溝５０のときにはその溝側壁５１は図示するように傾斜する。そのため、前記図４に示した従来の手法によるエッチングを行う際に、幅５００μm、厚さ１００μm、高さ１２０μmの矩形のミラーを作製するときには、実際には図５の顕微鏡写真に示されるような逆テーパの角度をもつ傾斜側面が形成される。図示する例においては、そのエッチング側面の角度は８７度〜８９．５であった。
【００１５】
図７にエッチングガスＳＦ６と堆積ガスＣ４Ｆ８の２種類のガスを交互に切り替えながら、２種類の異なる条件でシリコン単結晶のドライエッチングを行った場合、エッチング溝幅によってエッチング側面の角度が変化する様子の実測結果を示す。溝幅が１０μm〜１００μm程度の場合はエッチング条件を調整することで側面角度をほぼ正確に９０度にすることが可能であるが、２００μm以上の溝幅ではいずれの条件でも困難となり、１mm以上の溝幅では大きく垂直からのズレが生じてしまい、残されたミラー構造は前記のように逆テーパー形状となる。したがって、開口部の幅の広いエッチングマスクを使用して作製した垂直側面の角度は、エッチング条件を最適化しても、８９．５度程度にしかならない。
【００１６】
なお、図６に示すような実験結果から、エッチング条件を調整することによって、エッチングで形成される側面をできる限り直角に形成するように設定する場合と、逆に側面をできる限り傾斜して形成するように設定する場合とで、これらを任意に選択して処理を行うことができることがわかる。本発明においてはこの性質を利用して、後述するようにその条件を任意に選択して、形成する側面から直角に形成する場合と、大きな傾斜に形成する場合とを選択することが可能となる。
【００１７】
このような垂直からの誤差は、わずかであっても、光デバイスとして使用する場合に光軸のズレを生じ、光量の挿入損失を引き起こしてしまうとともに、製造時の光軸調整が困難となる。そのため、前記のように垂直側面をミラーとして利用するとき、光の通路を確保するためにミラー面の前面に５００μm以上の空間を設けるときには、その部分は広い溝とならざるを得ず、したがってそのミラーは傾斜した形状となり、所望の垂直なミラー面を形成することができない。
【００１８】
また、前記のように溝側面が逆テーパー形状となるため、上記のような光学デバイスを製作する以外に、ドライエッチングによって作製された形状を原型として金型を作り成形加工を行う場合には、ホットエンボス加工や射出成形加工では製品の抜けが悪くなるという問題もある。  
【００１９】
したがって本発明は、ドライエッチング処理によって正確に垂直な側面を容易に形成することができるようにしたドライエッチングによる垂直面製作方法を得ること、及びその方法を実施する装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明によるドライエッチングによる垂直面製作方法は、上記課題を解決するため、広いエッチング幅を持つ領域をドライエッチングすることにより形成した垂直側面を利用する構造体を製作する方法において、最初に前記構造体の側面に一致する輪郭を備えている細い溝を形成するための第１マスクパターンを用いて第１のエッチング処理を行い、次いで前記第１のエッチング処理により形成される溝の幅より構造体側面から離れた位置に輪郭を備えた広い面をエッチング除去するための第２マスクパターンを用いて第２のエッチング処理を行い、前記第２のエッチング処理によって第２マスクパターンの輪郭と前記第１マスクパターンの輪郭の間の部分を除去するようにしたものである。
【００２１】
また、本発明による他のドライエッチングによる垂直面製作方法は、前記ドライエッチングによる垂直面製作方法において、前記第１のエッチング処理では、深さ方向に均一な細い溝を形成する処理条件を選択して行うようにしたものである。
【００２２】
また、本発明による他のドライエッチングによる垂直面製作方法は、前記ドライエッチングによる垂直面製作方法において、前記第２のエッチング処理では、第１のエッチング処理の処理条件より、処理の進行により深さ方向に傾斜する側面を形成する処理条件を選択して行うようにしたものである。
【００２３】
また、本発明によるドライエッチング処理装置は、上記課題を解決するため、ドライエッチング処理により形成する構造体の側面に一致する形状の第１の輪郭と該第１の輪郭から僅かに離れた第２の輪郭との間の幅の狭い領域をエッチングする第１マスクパターンと、前記第１マスクパターンの第２の輪郭より前記第１の輪郭から離れた位置に第３の輪郭を備え幅の広い領域をエッチングする第２マスクパターンとを備え、前記第１マスクパターンによるエッチング処理では構造体の垂直側面を形成し、次いで行う前記第２マスクパターンによるエッチング処理によって、前記第２の輪郭と前記第１の輪郭の間の部分を除去するようにしたものである。
【００２４】
また、本発明による他のドライエッチング処理装置は、前記ドライエッチング処理装置において、前記第１マスクパターンによるエッチング処理では、深さ方向に均一な細い溝を形成する処理条件を選択して行うようにしたものである。
【００２５】
また、本発明による他のドライエッチング処理装置は、前記ドライエッチング処理装置において、前記第２マスクパターンによるエッチング処理では、少なくとも前記第１マスクパターンによるエッチング処理より、処理の進行によって前記第２輪郭に近い方向に傾斜する側面を形成する処理条件を選択して行うようにしたものである。
【発明の効果】
【００２６】
ドライエッチングを、溝の輪郭を定義をする幅の細い第１のエッチング処理と、残りの広い面積を除去する第２のエッチング処理の２回に分けて処理を行うことにより、第１のエッチング処理によって安定的かつ精密なエッチング側面角度の制御が可能になり、特に精度の高い垂直度の側面を形成することができる。このとき、垂直からの誤差は従来の±０．５度程度から±０．１度程度まで減少させることが可能である。
【００２７】
また、第２のエッチング処理は広い面積を除去するエッチングを行うことにより、第１のエッチングを行う部分の外側から内側に向けて傾斜したエッチング側面を形成し、第１エッチング処理で残った不要部分を容易に除去することができる。また、第１マスクパターンと第２マスクパターンの位置ずれが生じても図３のようなエッチング残りや二重エッチングを生じることなく、所望の構造物を確実に形成することができる。
【００２８】
この技術により光スイッチのミラーを製造することで、予め設定した光軸からのの偏向が小さくなり、精密な光路調整が可能になるため、より低い挿入損失を、より少ない組立調整で得ることができ、光通信分野での基本コンポーネントである光スイッチの高性能化・低コスト化に寄与することができる。
【００２９】
また、作製したエッチング形状を原型として金型を作製した成形プロセスで、逆テーパーによる抜け性の困難さを改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明は、ドライエッチング処理によって正確に垂直な側面を容易に形成することができるようにするため、広いエッチング幅を持つ領域をドライエッチングすることにより形成した垂直側面を利用する構造体を製作するに際して、最初に前記構造体の側面に一致する輪郭を備え細い溝を形成するための第１マスクパターンを用いて第１のエッチング処理を行い、次いで前記第１のエッチング処理により形成される溝の幅より構造体側面から離れた位置に輪郭を備えた広い面をエッチング除去するための第２マスクパターンを用いて第２のエッチング処理を行い、前記第２のエッチング処理によって第２マスクパターンの輪郭と前記第１マスクパターンの輪郭の間の部分を除去するようにしたものである。
【実施例１】
【００３１】
本発明によるドライエッチングによる垂直面作製方法及び装置を、前記図４に示す例と同様に、シリコン単結晶基板上に垂直壁面を持つ、孤立した幅５００μm、厚さ１００μm、高さ１２０μmの矩形のミラーを作製する例に基づいて説明する。
【００３２】
最初、図１(ａ)に示すような第１マスクパターンを用意する。図 １(ａ)に示す第１マスクパターン１においては、前記図４（ａ）に示したマスクパターン３１のマスク遮光部３５と同様の第１中央マスク遮光部２を中央に備えており、その第１中央マスク遮光部２の輪郭である第１中央マスク輪郭３から距離ａだけ離れた部分を周辺マスク輪郭４とする周辺マスク遮光部５を備えている。図示の例においては、前記距離ａを均一に７０μmとしたマスク透明部８が形成されている。
【００３３】
この第１マスクパターン１を用いてシリコン基板６上にレジスト７を形成すると、図１（ｂ）に示されるように、幅７０μmのレジスト７が除去された第１のレジストパターン９が形成される。このレジスト７を用いて第１のエッチング処理を行うと、図１（ｃ）に示すようにシリコン基板６の表面から直角に平行な側面をもつ溝１０が形成されていく。
【００３４】
このときエッチング条件を前記図７の条件２のように調整することによって、幅７０μmのエッチング領域のエッチング側面角度は８９．９度〜９０．１度に制御することができる。
【００３５】
所定の深さ、即ち形成するミラーの高さである前記１２０μmの深さまでエッチングを行ったときにその処理を停止し、表面のレジスト７を剥離する。その状態は図１（ｄ）に示される。その後次に行う第２のエッチング処理のために、図１（ｅ）に示されるように第２のレジスト１１を表面全体に均等に施す。その際には、幅の狭い溝１０の周壁にもレジストが確実に塗布されるように、スプレーコーティング等によって塗布する。
【００３６】
次いで、図１（ｆ）に示すような第２マスクパターン１２を用いる。図１（ｆ）に示す第２マスクパターン１２においては、その中央部に第２中央マスク遮光部１３を備えており、第２中央マスク遮光部１３は前記第１マスクパターン１における周辺マスク輪郭４よりも距離ｂだけ外側に位置するように設定されている。図示の例においては、前記距離ｂを３μmとしている。
【００３７】
この第２マスクパターン１２を用いて図１（ｅ）の第２のレジスト１１を除去すると、同図（ｇ）に示されるような第２のレジストパターン１４が形成される。このとき形成される第２のレジストパターン１３の輪郭１５は、図１（ｇ）に示されるように、図１（ｄ）に示される溝１０の外側壁１６よりも更にｂだけ外側の位置迄第２のレジスト１４で覆われている。
【００３８】
このとき位置合わせ誤差が３μm以内の場合には、溝周辺の保護長さは最小０μm、最大６μmとなる。従って、第１のエッチング処理によって形成された溝１０は完全にフォトレジストで保護されることとなる。
【００３９】
その後図１（ｇ）のように第２のレジストパターン１４が形成された状態で、第２のエッチング処理を施す。このとき図６の条件１で示したようなサイドエッチングの大きなエッチング条件を選択すると、エッチング幅が広いこともあり、側面１７の角度αは約８７度になる。このときのサイドエッチング幅は、深さ１２０μmのエッチングを行ったときには、１２０μm／tan８７度 ＝６．３μm となり、溝周辺の保護長さが最大の６μmの場合でも、1回目のエッチング溝とその溝底部において連結が起きる。
【００４０】
次いで第２のレジスト１４の剥離処理を行うと、上記のように残存したウエハ１８も含めて除去し排出される。このようにして形成した最終製品の構造体１９は図１（ｉ）に示されるように、側面２０の角度は１回目のエッチング時の８９．９度〜９０．１度を維持される。実際に試作した形状の走査型電子顕微鏡写真を図２に示す。
【００４１】
なお、通常このように２回のエッチングを行うと、リソグラフィ時のわずかな位置合わせ誤差により、図３のようなエッチング残りによる突出部、二重エッチングによる溝の形成等の不必要な干渉構造が生じてしまう。しかし、本発明による方法では、２回目に側面方向へのサイドエッチングが進むことを利用し、１回目と２回目のエッチングマスクにわずかな距離ｂの空隙を作ることで、位置合わせ誤差が生じても不必要な干渉構造が生ずることなく、１回目の溝と連結したエッチングとすることができる。
【００４２】
上記のような製造方法及び製造装置によって、１回目のエッチングでは狭い溝をエッチング処理することにより、ほぼ正確に直角な構造体の側面が得られ、残る広い面積を２回目のエッチングにより全て落とすことができる。特に、このとき起きるエッチング側面のサイドエッチング効果を利用し、１回目と２回目のエッチングマスクの間ににわずかな空隙を作っても1回目の溝と連結したエッチングとすることができるので、位置合わせ誤差に伴う干渉構造を避けることができる。
【００４３】
本発明の技術を用いて光スイッチのミラーを製造することで、予め設定した光軸からのの偏向が小さくなり、精密な光路調整が可能になるため、より低い挿入損失を、より少ない組立調整で得ることができ、光通信分野での基本コンポーネントである光スイッチの高性能化・低コスト化に寄与することができる。
【００４４】
例えば、ミラーで反射後の光路長が５mmの場合、側面角度誤差によるスポット位置の偏向は、角度誤差±０．５度では±４４μm、角度誤差±０．１度では±９μmとなる。通信用光ファイバのコアの直径は最も細いシングルモードファイバーの場合９μm前後であるので、従来無調整では全く光ファイバに入射しなかった光ビームが、無調整の状態でもコアに入射するようになり、光軸調整を大幅に簡略化することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、垂直側面に極めて精度の高い垂直度を実現できるので、特に光通信分野での基本コンポーネントである光スイッチ等に好適に利用されるが、その他本発明の前記特徴を利用してマイクロマシン等の種々の分野に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明のドライエッチングによる垂直面作製方法の例を順に説明した図である。
【図２】本発明によって作製したミラー構造の外形を示す顕微鏡写真である。
【図３】サイドエッチング効果を用いない場合の、位置合わせ誤差の影響を示す図である。
【図４】従来のドライエッチング方法を示す図である。
【図５】従来のエッチング工程で作製したミラー構造の断面を示す顕微鏡写真である。
【図６】広いエッチング幅で側面の垂直性が低下する原因を示す模式断面図である。
【図７】エッチング幅を変えたときの側面の角度変化の測定例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１  第１マスクパターン
２  第１中央マスク遮光部
３  第１中央マスク輪郭
４  周辺マスク輪郭
５  周辺マスク遮光部
６  シリコン基板
７  レジスト
８  マスク透明部
９  第１のレジストパターン
１０  溝
１１  第２のレジスト
１２  第２マスクパターン
１３  第２中央マスク遮光部
１４  第２のレジストパターン
１５  輪郭
１６  外側壁
１７  側面
１８  残存したウエハ
１９  構造体
２０  側面
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図２】
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【図５】
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