(57)【要約】【課題】  側壁ラフネスが極めて小さく、かつ高い垂直加工精度が得られるドライエッチング方法を提供する。【解決手段】  原子あるいは分子が凝集したクラスターをイオン化して加速し、そのクラスターイオンビームを物質表面に照射することにより、物質表面の構成原子をエッチング除去するドライエッチング方法において、クラスターを２種類以上の原子あるいは分子が凝集してなる混成クラスター４２とし、その混成クラスター４２にＡｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒの中から選択された少なくとも１種類の原子と、上記物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分とが含まれているものとする。【選択図】  図２
2005175369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子あるいは分子が凝集したクラスターをイオン化して加速し、そのクラスターイオンビームを物質表面に照射することにより、物質表面の構成原子をエッチング除去するドライエッチング方法において、
上記クラスターが２種類以上の原子あるいは分子が凝集してなる混成クラスターとされ、
その混成クラスターに、Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒの中から選択された少なくとも１種類の原子と、上記物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分とが含まれていることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
原子あるいは分子が凝集したクラスターをイオン化して加速し、そのクラスターイオンビームを物質表面に照射することにより、物質表面の構成原子をエッチング除去するドライエッチング方法において、
上記クラスターが２種類以上の原子あるいは分子が凝集してなる混成クラスターとされ、
その混成クラスターに、上記物質表面と反応して揮発性の反応生成物を生成する成分と、上記物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分とが含まれていることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項３】
構成原子種または分子種の異なる２種類以上のクラスターをそれぞれイオン化して加速し、それらクラスターイオンビームを同時にあるいは交互に物質表面に照射することにより、物質表面の構成原子をエッチング除去するドライエッチング方法において、
少なくとも１種類の上記クラスターがＡｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれかの原子からなり、かつ他の少なくとも１種類の上記クラスターに上記物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分が含まれていることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項４】
構成原子種または分子種の異なる２種類以上のクラスターをそれぞれイオン化して加速し、それらクラスターイオンビームを同時にあるいは交互に物質表面に照射することにより、物質表面の構成原子をエッチング除去するドライエッチング方法において、
少なくとも１種類の上記クラスターに上記物質表面と反応して揮発性の反応生成物を生成する成分が含まれ、かつ他の少なくとも１種類の上記クラスターに上記物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分が含まれていることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項５】
請求項２または４記載のドライエッチング方法において、
上記揮発性の反応生成物を生成する成分として、ハロゲンを用いることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項６】
請求項１乃至４記載のいずれかのドライエッチング方法において、
上記薄膜を形成する成分として、カーボンフロライドを用いることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項７】
請求項１乃至４記載のいずれかのドライエッチング方法において、
上記薄膜を形成する成分として、ＣＨＦ3，Ｃ4Ｆ8，ＣＦ4，ＣＨＣｌ3のいずれかを用いることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項８】
請求項６記載のドライエッチング方法において、
上記物質がシリコン含有物質であることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項９】
請求項１乃至４記載のいずれかのドライエッチング方法において、
上記イオン化されたクラスターの加速電圧を５ｋＶ以上とすることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項１０】
請求項１または３記載のドライエッチング方法において、
上記クラスターを生成するためのＡｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒの中から選択された少なくとも１種類のガスと、上記薄膜を形成する成分のガスとの体積比を１：１〜５０：１の範囲内に設定することを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項１１】
クラスターイオンビームによって光透過性基板をエッチングすることにより、その基板表面に空孔もしくは柱がマトリクス状に配列形成されてなるフォトニック結晶素子であって、
上記空孔もしくは柱の側壁に、上記クラスターに含まれている成分と基板表面との反応により生成して堆積した薄膜が形成されていることを特徴とするフォトニック結晶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は微細加工の分野において、サブミクロンオーダーの微細な構造を高いアスペクト比で高精度かつ低ラフネスで加工するためのドライエッチング方法に関し、さらにそのドライエッチング方法を用いて作製されたフォトニック結晶素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路やMicro-Electro-Mechanical-System（ＭＥＭＳ）デバイス等を作製するための微細加工の分野において、サブミクロンオーダーの構造を高いアスペクト比で高精度に加工する技術へのニーズが高まっている。さらには、加工した表面、例えば底面や側壁の表面ラフネス（面粗さ）がデバイスの性能を決定することが指摘されており、表面ラフネスの低減が切望されている。現在、これらのデバイスの加工には、反応性プラズマを用いるプラズマエッチングやＡｒ＋などのモノマーイオンを照射するイオンミリングといったドライエッチング方法が一般に用いられており、特に反応性プラズマを用いる方法は、性能やコストパフォーマンスに優れることから、微細加工法の主流となっている。
【０００３】
一方、低損傷あるいは無損傷を目指したエッチング方法として、ガスクラスターイオンビームを用いる方法が提案されている。ガスクラスターイオンビームはガス分子を凝集させたクラスターをイオン化して照射する方法で、入射原子に換算した電荷やエネルギーが非常に小さいことから、低損傷あるいは無損傷加工が可能になることが知られている。例えば、Ａｒ＋モノマーイオンと１０００個の原子からなるＡｒクラスターイオンを１ｋＶの加速電圧で加速した場合、Ａｒクラスターイオン照射の場合の１原子あたりの運動エネルギーはわずか１ｅＶであるため、Ａｒ＋モノマーイオンの照射と比較して試料内部への侵入が起こりにくく、損傷を与えにくい。また、エッチングに寄与する原子数に対して電荷が小さいため、基板の帯電や絶縁構造を含む素子の絶縁破壊等の問題を避けつつ、高いエッチング率を得ることができる。
【０００４】
このようなクラスターイオンビームをエッチングに用いる従来例が特許文献１や２に開示されている。特許文献１ではビーム照射による試料表面の損傷を小さく抑える目的でクラスターイオンビームエッチングを用いており、Ｃｌ２ガス雰囲気下でＡｒクラスターイオンビームを照射してシリコンをエッチングする例が示されている。特許文献２ではプラズマエッチングで問題となっている照射損傷及び基板の帯電により入射するイオンの軌道が曲げられることに起因するエッチング形状の異常を回避するためにクラスターイオンビームによるエッチングを用いており、Ｃｌ２ガスを使用し、表面にＳｉＯ２等のマスクが形成されたシリコン基板をエッチングした結果、帯電が原因と考えられるテーパ型のエッチング形状が観察されないことが示されている。
【０００５】
一方、プラズマエッチングにおいては、イオンビームに入射角分布があっても垂直加工が可能となる「側壁保護」と呼ばれる技術が知られている。例えば、プラズマエッチングでシリコンをエッチングする場合、Ｃｌ２ガスのみを導入すると、プラズマ中のイオンにシリコン基板に対して斜めに入射する成分が存在するために溝の側壁がえぐれた形状となるが、Ｃｌ２ガスにＣＨＦ３を添加してエッチングを行うと、側壁にえぐれのない垂直なエッチング形状を実現できることが示されている（非特許文献１参照）。これは、ＣＨＦ３が重合した膜が側壁に形成され、斜め入射のイオンに対してエッチング耐性を示すためであると説明されている。このように、プラズマエッチング法ではエッチングを行うガスに側壁保護膜を形成することが可能なガスを添加することにより、垂直なエッチング形状を実現することが可能となることが知られており、この側壁保護の例は特許文献３にも示されている。
【０００６】
また、特許文献４にはプラズマエッチングにおいて、ＳＦ６などのエッチングガスとＣＨＦ３などの側壁保護膜を形成するパッシブガスを混合せず、交互に繰り返す方法が開示されている。これは一般にボッシュプロセスと呼ばれている方法であり、側壁の垂直性が優れており、高アスペクト比に加工できるものである。さらに、側壁保護をしながらエッチングする別の従来例が特許文献５に示されている。これは被エッチング材料とハロゲン系ガスとの反応生成物、及びその反応生成物の再解離生成物のうちの少なくとも一方を被エッチング基板上に堆積しながらエッチングを行う方法であり、この方法によればエッチングされる付近の側壁などに保護膜を効率よく堆積させることができる。
【０００７】
ところで、近年、ガスクラスターイオンビームを用いた固体表面の平坦化方法が、表面損傷が少なく、かつ表面ラフネスを非常に小さくできることで注目を集めている。例えば、特許文献６にはガスクラスターイオンビームを固体表面に照射して表面ラフネスを低減する方法が示されている。この方法は、被加工物へ照射されたガスクラスターイオンは被加工物との衝突で壊れ、その際、クラスター構成原子または分子と被加工物構成原子または分子とで多体衝突が生じ、被加工物表面に対して平行方向への運動が顕著となり、その結果、被加工物表面に対して横方向の切削が可能となるというもので、これは「ラテラルスパッタリング」と呼ばれている現象であり、被加工物表面を横方向に粒子が運動することにより、表面の凸部が主に削られ、原子サイズでの平坦な超精密研磨が実現できるというものである。ガスクラスターイオンビームは、イオンの持つエネルギーが通常のイオンエッチングと異なり、非常に小さいため、被加工表面に損傷を与えることなく、このような超精密研磨が可能となる。
【０００８】
なお、ガスクラスターイオンビームを用いる平坦化において、ガスクラスターイオンビームは被加工物表面に対して略垂直方向から照射するのが好ましいということが一般に認識されている。これは上述した「ラテラルスパッタリング」による表面平滑化の効果を最大限利用するためである。
【特許文献１】特許第２６３９１５８号公報
【特許文献２】特開平５−１０２０８３号公報
【特許文献３】特開平６−３４９７８４号公報
【特許文献４】特開平１０−１３５１９２号公報
【特許文献５】特許第３３９３４６１号公報
【特許文献６】特開平８−１２０４７０号公報
【非特許文献１】徳山巍編著、「半導体ドライエッチング技術」、産業図書、１９９２年１０月、ｐ．６４−６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、側壁保護をしながらエッチングを行う方法によれば、垂直加工が可能になるものの、通常のイオンビームを用いているために加工表面のラフネスは大きくなってしまい、また保護膜がプロファイルの全面に形成されるメカニズムではエッチングが進むに従って先すぼみになる傾向がある。図１３はこの様子を示したものであり、図中、１１は基板、１２はマスク、１３は溝を示す。また、１４は側壁保護膜を示す。このような先すぼみとなる傾向は図１４Ａに示した形状のようにアスペクト比が小さい場合には問題にならないこともあるが、図１４Ｂに示した形状のようにアスペクト比が大きい場合や例えばフォトニック結晶素子等、非常に高精度なエッチングが必要とされるデバイスには大きな問題となる。
【００１０】
また、エッチングと側壁保護膜の堆積を交互に繰り返すボッシュプロセスと呼ばれる方法では、図１５に示したように、例えばエッチングの際にマスク１２の下までえぐれてエッチングされるように工夫することによって先すぼみになることは避けられるが、図１５（４）に示したように側壁１５にスキャロップと呼ばれる構造ができることから、側壁１５の表面ラフネスが大きくなってしまうという本質的な問題がある。
従って、例えば表面ラフネスが平均粗さＲａとして０．１ｎｍレベルが要求されるようなフォトニック結晶素子等、高アスペクト比、高精度かつ低ラフネスが要求されるデバイスの作製にはこのような「側壁保護」と呼ばれる技術を用いるプラズマエッチングを使用することができないという問題がある。
【００１１】
一方、クラスターイオンビームを用いることにより被加工物表面の原子サイズでの平坦な超精密研磨が可能になること、及びクラスターイオンビームをエッチングに用いることにより表面損傷の少ないエッチングが可能になることが前述したように特許文献６や特許文献１，２に示されているものの、これら文献はクラスターイオンビームを用いることにより、その入射表面の低ラフネス化を図れることを示しているものであって、垂直加工性や側壁のラフネスについては何ら示されておらず、つまり高いアスペクト比で高精度かつ低ラフネスで加工するための方法については従来、検討されていない状況にある。
【００１２】
この発明の目的はこのような状況に鑑み、高いアスペクト比で高精度に加工でき、かつ側壁の低ラフネス化を図ることができるドライエッチング方法を提供することにあり、さらにその方法を用いて作製されたフォトニック結晶素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１の発明によれば、原子あるいは分子が凝集したクラスターをイオン化して加速し、そのクラスターイオンビームを物質表面に照射することにより、物質表面の構成原子をエッチング除去するドライエッチング方法において、クラスターが２種類以上の原子あるいは分子が凝集してなる混成クラスターとされ、その混成クラスターに、Ａｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒの中から選択された少なくとも１種類の原子と、上記物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分とが含まれているものとされる。
請求項２の発明によれば、原子あるいは分子が凝集したクラスターをイオン化して加速し、そのクラスターイオンビームを物質表面に照射することにより、物質表面の構成原子をエッチング除去するドライエッチング方法において、クラスターが２種類以上の原子あるいは分子が凝集してなる混成クラスターとされ、その混成クラスターに、上記物質表面と反応して揮発性の反応生成物を生成する成分と、上記物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分とが含まれているものとされる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、構成原子種または分子種の異なる２種類以上のクラスターをそれぞれイオン化して加速し、それらクラスターイオンビームを同時にあるいは交互に物質表面に照射することにより、物質表面の構成原子をエッチング除去するドライエッチング方法において、少なくとも１種類のクラスターがＡｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒのいずれかの原子からなり、かつ他の少なくとも１種類のクラスターに上記物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分が含まれているものとされる。
請求項４の発明によれば、構成原子種または分子種の異なる２種類以上のクラスターをそれぞれイオン化して加速し、それらクラスターイオンビームを同時にあるいは交互に物質表面に照射することにより、物質表面の構成原子をエッチング除去するドライエッチング方法において、少なくとも１種類のクラスターに上記物質表面と反応して揮発性の反応生成物を生成する成分が含まれ、かつ他の少なくとも１種類のクラスターに上記物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分が含まれているものとされる。
【００１５】
請求項５の発明では請求項２または４の発明において、揮発性の反応生成物を生成する成分として、ハロゲンが用いられる。
請求項６の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、薄膜を形成する成分として、カーボンフロライドが用いられる。
請求項７の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、薄膜を形成する成分として、ＣＨＦ３，Ｃ４Ｆ８，ＣＦ４，ＣＨＣｌ３のいずれかが用いられる。
請求項８の発明では請求項６の発明において、上記物質がシリコン含有物質とされる。
【００１６】
請求項９の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、イオン化されたクラスターの加速電圧が５ｋＶ以上とされる。
請求項１０の発明では請求項１または３の発明において、クラスターを生成するためのＡｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒの中から選択された少なくとも１種類のガスと、薄膜を形成する成分のガスとの体積比が１：１〜５０：１の範囲内に設定される。
請求項１１の発明によれば、クラスターイオンビームによって光透過性基板をエッチングすることにより、その基板表面に空孔もしくは柱がマトリクス状に配列形成されてなるフォトニック結晶素子は、上記空孔もしくは柱の側壁に、上記クラスターに含まれている成分と基板表面との反応により生成して堆積した薄膜が形成されているものとされる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、クラスターイオンビームを用いるドライエッチング方法において、クラスター中にエッチングを担う原子あるいは分子と、エッチング部の側壁に膜生成を行う役割を担う原子あるいは分子とを混成したクラスターを試料に照射するものとなっており、あるいはそれらをそれぞれクラスター化して同時にあるいは時間的に交互に試料に照射するものとなっており、このような方法を採用することによって、側壁ラフネスが極めて小さく、かつ高い垂直加工精度を実現可能とするドライエッチング方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明を実施するために用いたクラスターイオンビームエッチング装置の構成を模式的に示したものであり、まず、この図１を参照してクラスターイオンビームが生成されて基板（試料）に照射される過程を説明する。
クラスター生成室２１にガス３１を導入し、ノズル２２から真空中へガスを噴出させることにより、ガス分子を凝集させ、クラスターを生成する。スキマー２３を通してクラスタービームとしてイオン化室２４へ導き、イオン化室２４ではイオナイザー２５を用いて電子線を照射して中性クラスターをイオン化する。イオン化されたクラスターイオンビーム４１はアクセラレーター２６を通って加速され、基板１１表面に入射する。図１中、２７はマグネットを示し、２８はアパーチャーを示す。
【００１９】
この例では上記のようにして生成されるクラスターが２種類以上の原子あるいは分子が凝集されてなる混成クラスターとされ、即ちクラスター生成室２１に導入されるガス３１は２種類以上のガスが混合されてなる混合ガスとされる。図２はこのような混成クラスターを模式的に示したものであり、この例では混成クラスター４２は原子種（あるいは分子種）−１と原子種（あるいは分子種）−２とよりなるものとされる。図２中、４３は原子種（あるいは分子種）−１を示し、４４は原子種（あるいは分子種）−２を示す。
原子種（あるいは分子種）−１はＡｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒの中から選択された少なくとも１種類の原子とされ、原子種（あるいは分子種）−２は基板表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分とされる。また、原子種（あるいは分子種）−１としては上記原子に替えて、基板表面と反応して揮発性の反応生成物を生成する成分とすることもでき、つまりこの例では混合ガスは上記原子種（あるいは分子種）−１よりなるエッチングガスと、上記原子種（あるいは分子種）−２よりなる保護膜（薄膜）形成ガスとが混合されたものとされる。
【００２０】
ここで、クラスターイオンビームとして上述したような混成クラスターを用いる本発明の原理・作用について説明する。
クラスターイオンビームを材料表面に略垂直に照射すると、ラテラルスパッタリングが起こることは従来から知られている。このラテラルスパッタリングは材料表面の平滑化を促し、表面ラフネスを小さくすることができる。しかしながら、垂直溝のようなパターンを形成した場合の側壁に関しては、このラテラルスパッタリングでは平坦化できず、つまりラテラルスパッタリングは側壁では起こらないので、ラテラルスパッタリングによって側壁が平坦化することはないと従来においては一般に認識されていた。
【００２１】
しかしながら、本発明者は図３Ａ（２）に示したように、クラスターイオンビーム４１のエッチング過程で、クラスターイオンビーム４１の加速エネルギーが高い条件では底面付近の側壁１５もエッチングされ、かつその表面ラフネスが著しく小さくなるという現象を発見したのである。本発明ではこの現象を巧みに応用することによって、垂直パターンのエッチングを行っても、その垂直性が良好で側壁ラフネスが小さなプロファイルが得られるのである。
さらに、本発明者は以下に示す重要な新しい発見をした。それは側壁保護膜１４の形成過程でクラスターと基板物質表面との反応によって側壁保護膜１４を形成することによって、側壁保護膜１４自体の表面ラフネスを非常に小さくすることができるというものである。この現象はラテラルデポジションと呼ぶことにするが、クラスター特有の高密度照射効果によるラテラル方向に反跳する現象を側壁に適用したものであり、側壁に保護膜がデポジションする場合に、おそらくラテラルスパッタリングと同種のメカニズムで平坦化が起こるのだと推測している。本発明ではこの新たに発見した現象と、前述のクラスターイオンビームを用いたエッチングを組み合わせることによって、図３Ａ（３）に示したように側壁ラフネスが非常に小さい状態で、側壁の垂直性を高くエッチング加工することができるのである。
【００２２】
これに対して、クラスターではないモノマーイオンビーム５１で側壁保護膜１４を形成すると、図３Ｂ（１）〜（３）に示したように側壁保護膜１４の膜厚分布によって側壁１５の垂直性が悪くなったり、図３Ｃ（１）〜（３）に示したようにクラスターイオンビーム特有のラテラルデポジションが起こらないために側壁保護膜１４の表面ラフネスが大きくなり、これがエッチングに影響し、側壁１５のラフネスが大きくなってしまうのである。
以上のように、本発明は従来の技術を組み合わせたものではなく、新しい現象を発見したから実現されたものであり、本質的なことはエッチングにも側壁保護膜形成にも両方ともクラスターイオンビームを用いることなのである。
［実施例１］
図１に示したクラスターイオンビームエッチング装置を使用し、エッチングガスとしてＡｒを用い、物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分としてＣＨＦ３を用いた。ＡｒガスとＣＨＦ３ガスを流量比（モル比）９：１で混合し、クラスター生成室に導入し、ノズルから噴出させることによって混成クラスターを得た。エッチングされる基板材料はシリコン（Ｓｉ）とした。混成クラスターイオンを加速電圧３０ｋＶの条件でＳｉに照射した。ＳｉにはあらかじめＮｉマスクによりラインアンドスペースパターンなどを形成しておいた。Ｓｉのエッチング深さが１０μｍになるまでクラスターイオンビームを照射した。
【００２３】
その後、エッチング形状評価として、パターンの垂直性を走査型顕微鏡（ＳＥＭ）によって評価し、エッチングパターンの側壁ラフネスを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって評価した。その結果、側壁のえぐれやマイクロトレンチのない、図４に示したような垂直なエッチング形状が形成されていることがわかった。側壁にはカーボン重合膜が形成されていることがわかった。カーボン重合膜が形成されている状態での側壁ラフネスの値は、平均粗さＲａとして０．１２ｎｍであった。側壁保護膜を酸素アッシングにより除去し、その後側壁ラフネスを測定した。側壁ラフネスの値は、平均粗さＲａとして０．１０ｎｍとなった。また、パターン垂直性は９０．００±０．０８度となった。
［実施例２］
基本的には実施例１と同様にし、混成クラスターイオンの加速電圧のみを変化させた実験を行った。加速電圧は０．５ｋＶから２００ｋＶまで変化させた。側壁ラフネスをＡＦＭで評価した。その結果を図５に示す。
［実施例３］
基本的には実施例１と同様にし、ＡｒガスとＣＨＦ３ガスの流量比を変化させた実験を行った。流量比は、Ａｒ／ＣＨＦ３＝０．１から１００に変化させた。側壁ラフネスをＡＦＭで評価した。その結果を図６に示す。
［実施例４］
基本的には実施例１と同様にし、エッチングガス、保護膜形成ガス、エッチング基板材料を変化させて実験を行った。エッチングガスにはＡｒ，Ｎｅ，Ｘｅ，Ｋｒの他、物質表面と反応して揮発性の反応生成物を生成するハロゲンを用いた。また、保護膜形成ガスにはカーボンフロライド（ＣＨＦ３，Ｃ４Ｆ８，ＣＦ４）及びＣＨＣｌ３を用いた。側壁ラフネスおよびパターン垂直性を評価した結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】
2005175369.tif 000003
［実施例５］
エッチングガスに実施例４のＳＦ６を用い、保護膜形成ガスにＣＨＦ３を用いて、基本的には実施例１と同様にし、混成クラスターイオンの加速電圧のみを変化させた実験を行った。加速電圧は０．５ｋＶから２００ｋＶまで変化させ、側壁ラフネスをＡＦＭで評価した。その結果を図５に示す。
［実施例６］
図１に示した装置を一部改造し、図７に示したようなクラスター生成室２１を２つ設けたクラスターイオンビームエッチング装置を作製した。２つのクラスター生成室でＳＦ６クラスターとＣＨＦ３クラスターをそれぞれ独立に生成した。２種類のクラスタービームを共通のイオン化室に導入してＳＦ６クラスターイオンとＣＨＦ３クラスターイオンを生成した。ＳＦ６クラスターイオンとＣＨＦ３クラスターイオンの２種類が電流比（クラスターイオン数の比）９：１で含まれる混合クラスターイオンビームを３０ｋＶに加速してＳｉよりなる基板表面に照射した。Ｓｉのエッチング深さが１０μｍになるまでクラスターイオンビームを照射した後、実施例１と同様な評価を行った。側壁ラフネスの値は、平均粗さＲａとして０．０８ｎｍとなった。また、パターン垂直性は９０．００±０．１１度となった。
【００２５】
図８は上記のような２種類のクラスターからなる混合クラスタービームを模式的に示したものであり、クラスター４５は単一の原子種（あるいは分子種）−１からなり、クラスター４６は単一の原子種（あるいは分子種）−２からなるものであり、この例ではこれらクラスター４５，４６がそれぞれＳＦ６クラスター，ＣＨＦ３クラスターとされる。
［実施例７］
図７の装置を用い、シャッター２９の開閉によって、２種類のクラスタービームを切り替えて交互に照射できるようにした。２つのクラスター生成室で、ＳＦ６クラスターとＣＨＦ３クラスターをそれぞれ独立に生成した。イオン化用の電子線をパルス化し、シャッターと連動させて時間的に交互にＳＦ６クラスターイオンとＣＨＦ３クラスターイオンとを生成するようにした。イオン化されたそれぞれのクラスターを３０ｋＶに加速し、時間的に交互にＳｉよりなる基板表面に入射した。ＳＦ６クラスターイオンとＣＨＦ３クラスターイオンの照射時間の間隔は、９秒：１秒とした。Ｓｉのエッチング深さが１０μｍになるまでクラスターイオンビームを照射した後、実施例１と同様な評価を行った。側壁ラフネスの値は、平均粗さＲａとして０．０８ｎｍとなった。また、パターン垂直性は９０．００±０．１０度となった。
【００２６】
図９Ａは上記のような２種類のクラスターを時間的に交互に基板に照射する場合を図８と同様、模式的に示したものであり、図９Ｂは２種類のクラスター４５，４６の照射の時間的切り替えを示したものである。図９Ｂ中、Ｔ１はエッチングを担うクラスター４５（この例ではＳＦ６クラスター）の照射時間を示し、Ｔ２は側壁保護膜形成を担うクラスター４６（この例ではＣＨＦ３クラスター）の照射時間を示す。
＜比較例１＞
クラスターではないモノマーイオンビームを用いた従来のイオンビームエッチングによる実験を行った。装置の模式図を図１０に示す。この装置は本発明の実施例１に用いた装置からクラスター生成室を除いた構成にほぼ等しいものである。その他実験条件もクラスターイオンビームを用いない点を除いて、実施例１とほぼ同様な条件で実験を行った。エッチングガスとしてＡｒを用い、物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分としてＣＨＦ３を用いた。ＡｒガスとＣＨＦ３ガスを流量比（モル比）で９：１で混合し、イオン化室に導入した。エッチングされる基板材料はＳｉとした。混合イオン（Ａｒイオン、ＣＨＦ３イオン）を加速電圧３０ｋＶの条件でＳｉに照射した。ＳｉにはあらかじめＮｉマスクによりラインアンドスペースパターンなどを形成しておいた。Ｓｉのエッチング深さが１０μｍになるまでイオンビームを照射した。その後、実施例１と同様なエッチング形状評価を行った。側壁には、カーボン重合膜が形成されていることがわかった。カーボン重合膜が形成されている状態での側壁ラフネスの値は、平均粗さＲａとして２．５７ｎｍであった。側壁保護膜を酸素アッシングにより除去し、その後側壁ラフネスを測定した。側壁ラフネスの値は、平均粗さＲａとして２．３８ｎｍとなった。また、パターン垂直性は９０．００±２．８６度となった。
＜比較例２＞
混成クラスターを用いない点を除いて実施例１とほぼ同様な実験を行った。すなわち、エッチングガスとしてＡｒを用い、物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分は用いなかった。エッチングされる基板材料はＳｉとした。クラスターイオンを加速電圧３０ｋＶの条件でＳｉに照射した。ＳｉにはあらかじめＮｉマスクによりラインアンドスペースパターンなどを形成しておいた。Ｓｉのエッチング深さが１０μｍになるまでクラスターイオンビームを照射した。その後、実施例１と同様なエッチング形状評価を行った。その結果、図１１に示したように、側壁１５がややえぐれた後に先細り形状となり、底面の端部分にはマイクロトレンチと呼ばれる小さいＶ字型の溝が形成された。側壁ラフネスの値は、平均粗さＲａとして３．６５ｎｍとなった。また、パターン垂直性は９０．００±４．２９度となった。
実施例１〜７および比較例１，２から次のことがわかる。
【００２７】
（１）実施例１と比較例１を比較すると、エッチングガスと側壁保護のためのガスを単純に混合してエッチングすれば良いわけではなく、クラスター化することが側壁ラフネスの低減やパターン垂直性には必須であることがわかる。
（２）実施例１と比較例２を比較すると、単純にクラスターイオンビームを照射すればよいのではなく、物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分を用いないと、側壁ラフネス低減や良好なパターン垂直性は得られないことがわかる。
（３）実施例２からは、クラスターイオンビームの加速電圧が低すぎると側壁ラフネス低減には効果がないことがわかる。顕著な効果が認められる範囲は５ｋＶ以上の加速電圧である。さらには、１５０ｋＶ以上で側壁ラフネスが若干悪くなることもわかるが、この範囲でも従来の方法（比較例１）と比較して著しい特性改善が図られている。このような傾向は、前述したように、ガスクラスターイオンビームのエッチング過程で、ガスクラスターイオンビームの加速エネルギーが低い条件ではガスクラスターの側壁をエッチングする能力が低いために、側壁の平坦化が起こらない状態となり、表面ラフネスが小さくならないのである。この現象は本発明で初めて発見したものである。しかしながら、逆に加速エネルギーが高すぎると、クラスタービームが側壁を含む表面の奥深くまで侵入してしまい、ラフネスを若干増加させるものと考えられる。
【００２８】
（４）実施例３からは、エッチングガス成分と側壁保護膜形成成分との比率に関して、１：１から５０：１程度が最適であることがわかる。これは、前述したメカニズムを考えると、ＡｒやＣＨＦ３の組み合わせのみに適用されるものではなく、Ａｒの代わりに他の希ガスやハロゲン系ガスなどを用いたりしても同様な傾向にあるものと考えられる。
（５）実施例４からは、エッチングガス、保護膜形成ガス、エッチング基板材料などを広範囲に変化させても側壁ラフネスが小さく、かつパターン垂直性が良好なエッチング加工が実現されていることがわかる。これは、前述したように、クラスター特有の高密度照射効果および新たに発見した側壁平坦化効果を応用しているからである。従って、本質的なことはエッチングにも側壁保護膜形成にも両方ともクラスターイオンビームを用いることが重要なことであり、その他の条件は広範囲に変更することが可能であることを示しているものである。
【００２９】
（６）実施例５は、実施例２と同様に、クラスターの加速電圧を変化させたものであるが、その傾向は実施例２とほぼ同様であることがわかる。これは、クラスターの有するエネルギーが先の側壁ラフネス低減に本質的に寄与しているメカニズムであると考えられるので、加速電圧依存性はどのようなガス組成を用いても本質的に同様な傾向になるものと考えられる。
（７）実施例６、７と実施例４を比較すると、構成原子種または分子種の異なる２種類以上のクラスターをイオン化して加速し、クラスターイオンビームを、同時にあるいは交互に照射することにより物質表面の構成原子を除去するドライエッチングを用いることによって、混成クラスターを用いるよりも側壁ラフネスがさらに低減されていることがわかる。
【００３０】
次に、本発明によるドライエッチング方法を用いてフォトニック結晶素子を作製した条件及びその光学特性の評価結果について説明する。
エッチング条件は実施例１と同様にし、エッチングガスとしてＡｒを用い、物質表面との反応により堆積して薄膜を形成する成分としてＣＨＦ３を用いた。ＡｒガスとＣＨＦ３ガスを流量比（モル比）９：１で混合し、クラスター生成室に導入し、ノズルから噴出させることによって混成クラスターを得た。混成クラスターイオンを加速電圧３０ｋＶの条件で照射した。
【００３１】
フォトニック結晶素子にはＳｉ基板上に１μｍ厚のＳｉＯ２が形成され、さらにその上に１０μｍ厚のＳｉが形成されているＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用いた。ＳＯＩウエハにレジストを塗布し、電子線露光装置で露光し、現像後Ｎｉを蒸着し、リフトオフ法によりＮｉマスクを形成した。その後、上記条件でＳｉを１０μｍエッチングした。
図１２Ａはエッチングにより作製された構造をイメージ図として示したものであり、マトリクス（正方格子）状に配列された柱から、柱が一列排除されて導波路が形成され、その導波路内に共振器構造が配置されたものとなっている。図１２Ｂはこの共振器構造を示したものである。マトリクス状をなす柱はこの例では直径ｄ＝０．２μｍ、ピッチａ＝０．５μｍとし、また共振器構造の各部の寸法は下記の通りとした。
【００３２】
柱の直径ｄ１＝０．１μｍ ， ｄ２＝０．３μｍ
柱の間隔ｂ１＝０．２μｍ,ｂ２＝０．１５μｍ,ｂ３＝０．５５μｍ,ｂ４＝０．９μｍ
なお、図１２Ａ中、６１は基板としてのＳｉを示し、６２はＳｉＯ２を示す。また、６３はエッチングされて柱状とされたＳｉを示す。
作製したフォトニック結晶素子の光学特性の評価は、共振器構造が配置されている導波路に、波長１．２μｍ〜１．８μｍの光を導入し、透過光をモニターすることによって行った。作製したフォトニック結晶素子１０サンプルについて測定し、透過光のピーク波長のばらつき（最大値と最小値の差）を求めた結果、ばらつきの値は±０．０３２ｎｍとなった。
【００３３】
一般に、ＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）に用いるフィルタの特性としては、波長ばらつきとして±０．０５ｎｍ程度が要求されている。上記結果はこれを十分に満足するものであり、本発明によるフォトニック結晶素子はＤＷＤＭ用途に適用できることがわかる。
なお、比較として、比較例１に示したエッチング条件で上記と同様のフォトニック結晶素子を作製した。同様に透過光のピーク波長のばらつきを求めた結果、ばらつきの値は±０．６８ｎｍとなり、従来のモノマーイオンビームを用いたエッチングではＤＷＤＭ用途のフォトニック結晶素子を作製できないことを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例１で用いたクラスターイオンビームエッチング装置の構成を示す模式図。
【図２】実施例１における混成クラスタービームの模式図。
【図３】Ａは本発明のエッチングメカニズムを説明するための図、Ｂ及びＣは従来法のエッチングメカニズムを説明するための図。
【図４】実施例１によるエッチング形状を示す断面図。
【図５】実施例２及び５における側壁ラフネスの加速電圧依存性を示すグラフ。
【図６】実施例３における側壁ラフネスの混合ガス比依存性を示すグラフ。
【図７】実施例６及び７で用いたクラスターイオンビームエッチング装置の構成を示す模式図。
【図８】実施例６における混合クラスタービームの模式図。
【図９】Ａは実施例７における交互照射クラスタービームの模式図、Ｂはその時間的切り替えを示す図。
【図１０】比較例１で用いた従来のイオンビームエッチング装置の構成を示す模式図。
【図１１】比較例２によるエッチング形状を示す断面図。
【図１２】Ａは本発明により作製したフォトニック結晶素子の構成を示すイメージ図、ＢはＡにおける共振器構造を示す図。
【図１３】イオンビームエッチングと側壁保護を用いた従来の方法によるエッチング過程を示す図。
【図１４】図１３に示した方法によるエッチング形状を示す断面図、Ａはアスペクト比小の場合、Ｂはアスペクト比大の場合を示す。
【図１５】ボッシュプロセスを用いた従来の方法によるエッチング過程を示す図。
【図１】
2005175369.tif 000004
【図２】
2005175369.tif 000005
【図３】
2005175369.tif 000006
【図４】
2005175369.tif 000007
【図５】
2005175369.tif 000008
【図６】
2005175369.tif 000009
【図７】
2005175369.tif 000010
【図８】
2005175369.tif 000011
【図９】
2005175369.tif 000012
【図１０】
2005175369.tif 000013
【図１１】
2005175369.tif 000014
【図１２】
2005175369.tif 000015
【図１３】
2005175369.tif 000016
【図１４】
2005175369.tif 000017
【図１５】
2005175369.tif 000018