(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ化炭素ガスを減圧下での放電によりプラズマ状態にし、発生したイオンや中性ラジカル等の活性種とガラス基板材料との反応により基板をエッチングする方法において、
エッチング初期に−５００Ｖから−９４０Ｖの範囲の第１のバイアス電圧を基板に印加し、その後に前記第１のバイアス電圧より低いバイアス電圧を、基板への第１のバイアス電圧の印加時間より長い時間印加することを特徴とするプラズマエッチング法。
【請求項２】
前記第１のバイアス電圧が−８５０Ｖから−９００Ｖであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング法。
【請求項３】
前記第１のバイアス電圧より低い前記バイアス電圧が−５００Ｖであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング法。
【請求項４】
上記フッ化炭素ガスが２種類以上のフッ化炭素ガスを混合して用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマエッチング法。
【請求項５】
フッ化炭素ガス１に添加するフッ化炭素系ガス２の濃度を６９％以上にすることを特徴とする請求項４に記載のプラズマエッチング法。
【請求項６】
逆マイクロローディングを抑えるようにフッ化炭素ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング法。
【請求項７】
フッ化炭素ガスを低圧下での放電によりプラズマ状態にし、発生したイオンや中性ラジカル等の活性種とガラス基板材料との反応により基板をエッチングする方法において、
基板を希ガスでスパッタリングして、基板表面の異物や変質層を除去し、
エッチング初期に−５００Ｖから−９４０Ｖの範囲の第１のバイアス電圧を基板に印加し、その後に前記第１のバイアス電圧より低いバイアス電圧を、基板への第１のバイアス電圧の印加時間より長い時間印加することを特徴とするプラズマエッチング法。
【請求項８】
上記フッ化炭素ガスが２種類以上のフッ化炭素ガスを混合することを特徴とする請求項７に記載のプラズマエッチング法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路やバイオＭＥＭＳ等に使用されるガラス基板の微細加工に用いられ得るドライエッチング法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体微細加工技術を光導波路やバイオＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）等の製作への応用が注目されている。
光導波路は、通常、石英系ガラス基板に深さ５μｍ〜５０μｍ、幅５μｍ〜１５μｍ程度に形成され、光ファイバ通信の構成要素として例えば光合成・分波器に応用されている。
バイオＭＥＭＳは、石英系ガラス基板に深さ１０μｍ〜２０μｍ、幅数μｍ〜１０μｍ程度のマイクロキャピラリーを形成し、患者の微量血液からその患者の健康状態を評価するのに用いられる測定・分析機器の構成要素として応用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体プロセスでは、エッチングする深さは深くても１μｍ程度であるが、光導波路やバイオＭＥＭＳでは、深さ２０μｍ以上のエッチングが行われる。１μｍ程度の深さのエッチングでは観察されなかった異常穴形状がガラス基板の表面に生じることがわかった。
【０００４】
添付図面の図1には、石英基板１にＣｒマスク２を被せて深さ２〜３μｍエッチングした場合と深さ１０〜２０μｍエッチングした場合とを模式図で示す。この図からわかるように深くエッチングすると表面に穴３が形成される。実際には、２〜５μｍの深さまでのエッチングではさほど困難ではないが、それ以上の深さになると凹凸がでてくる。
【０００５】
このような基板の被エッチング部位の表面における異常形状の穴は、光導波路では壁面の平滑性が阻害され、光の散乱を生じさせることになり、一方、バイオＭＥＭＳでは、例えば試料液中のリンパ球を電気泳動で分離する際に流路に乱れを生じさせことになり、いずれも問題となっている。
【０００６】
このような異常形状の穴の形成について考察すると、図２に示すように、石英基板１上にμｍ台のマスク２をもうけて深堀エッチングをする場合に、エッチングの初期段階は図２のＡ、Ｂ、Ｃに示すように進み、次第にμｍ台のマスク２は後退して行き、すなわちマスクパターンの肩部デーパーをもつファセットが生じる。そしてエッチング中にパターン側面で反射されたイオンや電子による負電荷が溜まることなどにより図２のDで示すようにパターン周辺に溝（トレンチ）４が形成される。そして図２のＥに示すようにファセット角度を保ちながらエッチングは横方向に進み、逆マイクロローディングによる切れ込み５が発生し、そしてついには図２のＦに示すように穴６が形成されることがわかった。
【０００７】
本発明者等はこのような穴の形成されるメカニズムを解明するため磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマを利用したエッチング法を用いて石英基板のエッチングプロセスにおける種々のファクタに関して実験研究を重ねてきた。
【０００８】
図３には、磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を８００Ｗとし、ガスはＣ３Ｆ８／ＣＦ４を使用し、基板電極に印加するバイアス電圧（Ｖｄｃ）を−５００Ｖとし、ガスの流量をＣ３Ｆ８／ＣＦ４＝３０／９０ｓｃｃｍとして、エッチングチャンバー内の圧力を１．５mTorr、２．０mTorr、３．０mTorrと変えた場合の穴の形成の圧力依存性について示す。この図から圧力を変えても穴の形成には直接関係ないことが分かる。
【０００９】
図４には、磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を８００Ｗとし、ガスはＣ３Ｆ８／ＣＦ４を使用し、基板電極に印加するバイアス電圧（Ｖｄｃ）を−３１０Ｖとし、ガスの流量をＣ３Ｆ８／ＣＦ４＝３０／９０ｓｃｃｍとし、エッチングチャンバー内の圧力を３．０mTorrとして、エッチング深さを変えた場合の穴の形成状態を示す。エッチング深さが８．４μｍから９．１μｍと深くなると、穴径が拡大していることが認められる。穴の生成とエッチング深さとの関係の測定結果を図５のグラフに示す。
【００１０】
図６には、磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を８００Ｗとし、ガスはＣ３Ｆ８／ＣＦ４を使用し、基板電極に印加するバイアス電圧（Ｖｄｃ）を−５００Ｖとし、ガスの流量をＣ３Ｆ８／ＣＦ４＝３０／９０ｓｃｃｍとし、エッチングを３０分連続して行った場合と３分エッチングしたら３０秒休止を繰り返して総時間３０分間欠エッチングした場合の穴の生成状態を示す。
【００１１】
図７には、磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を８００Ｗとし、ガスはＣ３Ｆ８／ＣＦ４を使用し、ガスの流量をＣ３Ｆ８／ＣＦ４＝３０／９０ｓｃｃｍとし、エッチングチャンバー内の圧力を３．０mTorrとして、基板電極に印加するバイアス電圧（Ｖｄｃ）を変えた場合の穴の形成状態を示す。バイアス電圧（Ｖｄｃ）が−３１０Ｖの場合に比べて−５００Ｖ、−９４０Ｖと高くなるにつれて穴の生成が少なくなっていることが分かる。
【００１２】
図８には、ガスの総流量を一定にし、ＣＦ４の濃度を０％から１００％まで変化させて穴の発生個数を測定した結果を平均値で示している。また、図９にはエッチング形状のＣＦ４ガス濃度依存性を示す。
【００１３】
図１０及び図１１には、石英基板に対するエッチング時間を変えて種々の段差をもつ試料を用意し、それら試料に対して厚さ０．２μｍのＣｒマスクの大きさ（幅）を変えて４０分間エッチングした時のエッチング結果を示す。段差部の高さが５５ｎｍではＣｒマスクの大きさ（幅）０．１１μｍ〜４．００μｍの全てについて平坦にエッチングされているが、段差部の高さが１６７ｎｍ、３３３ｎｍになると、平坦にエッチングされずに、底が平坦な凹みになり、しかもＣｒマスクの大きさ（幅）が大きくなると、凹形状の底に三角錐が残り、さらに段差部の高さが１０００ｎｍ以上になると、中心に針状に残ったり穴の形状になることが分かった。
【００１４】
これらの実験結果から、エッチング特性の高周波自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）が異常穴の形成に大きく関係しており、初期エッチングを工夫することにより異常穴が形成されないことを見出した。また化学的に活性なガスの総流量に対するフッ化炭素系ガスの濃度を設定することによりエッチングの選択比を制御でき垂直形状を改善できることを見出した。
【００１５】
そこで、本発明は、初期エッチングにおける高周波自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）を制御することにより異常形状の穴の形成を防止できるプラズマエッチング法を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、フッ化炭素ガスを減圧下での放電によりプラズマ状態にし、発生したイオンや中性ラジカル等の活性種とガラス基板材料との反応により基板をエッチングする方法において、
エッチング初期に−５００Ｖから−９４０Ｖの範囲の第１のバイアス電圧を基板に印加し、その後に前記第１のバイアス電圧より低いバイアス電圧を、基板への第１のバイアス電圧の印加時間より長い時間印加することを特徴としている。
【００１７】
本発明によるプラズマエッチング法においては、好ましくは、フッ化炭素ガス１（例えば、C3F8）に別のフッ化炭素系ガス２（例えば、CF4）が添加され得る。この場合、エッチング特性の選択比を最大にして垂直形状を改善するために、フッ化炭素ガス１に添加するフッ化炭素系ガス２の濃度は６９％以上され得る。
【００１８】
また、好ましくはフッ化炭素ガスの流量は逆マイクロローディングを抑えるように制御され得る。
【００１９】
本発明によるプラズマエッチング法の別の特徴においては、エッチングに先立って、基板を希ガスでスパッタリングすることにより、 基板表面の異物や変質層が除去される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面の図１２及び図１３を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
図１２には本発明の一つの実施の形態に従って石英基板をエッチングした場合の基板の表面状態を示す。この実施の形態においては、磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を８００Ｗとし、ガスはＣ３Ｆ８／ＣＦ４を使用し、ガスの流量はＣ３Ｆ８／ＣＦ４＝３０／９０ｓｃｃｍとし、エッチングチャンバー内の圧力を２．０mTorrとした。基板電極に印加するバイアス電圧（Ｖｄｃ）はエッチング初期の２分間−８５０Ｖに設定し、その後２８分間−５００Ｖに設定した。その結果、エッチングは穴の発生を伴うことなく行うことができ、被エッチング部位の表面は平滑であった。
【００２２】
図１３には本発明の別の実施の形態に従って石英基板をエッチングした場合の基板の表面状態を示す。この実施の形態においては、図１１に示す実施の形態の場合と同様に磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマを利用したエッチング装置を使用し、磁気中性線放電出力を８００Ｗとし、ガスはＣ３Ｆ８／ＣＦ４を使用し、ガスの流量はＣ３Ｆ８／ＣＦ４＝３０／９０ｓｃｃｍとした。エッチングチャンバー内の圧力は２０．０mTorrとし、基板電極に印加するバイアス電圧（Ｖｄｃ）はエッチング初期の２分間−９００Ｖに設定し、その後３０分間−５００Ｖに設定した。その結果、この場合もエッチングは穴の発生を伴うことなく行うことができ、被エッチング部位の表面は平滑であった。
【００２３】
また、基板表面における穴の生成は、実験の結果基板表面に付着している異物や変質層の存在も関係していると認められたので、エッチング前に、基板をＡｒ、Ｈｅなどの基板を希ガスでスパッタリングするという前処理を施すのが有効である。
【００２４】
また、パターン幅とエッチング速度との関係において逆ローディングが大きいと、基板表面における穴の生成につながると認められるので、逆ローディングを抑えるために、ガスの流量を絞り、圧力を上げるなどのエッチング条件を制御するのも有効である。
【００２５】
ところで、図示実施例では石英基板をエッチングする場合について説明してきたが、当然他のガラス系基板にも適用できる。また、本発明の方法を実施するのに磁気中性線放電プラズマを利用した例を説明してきたが、本発明は他のドライエッチング技術を用いても実施可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、フッ化炭素ガスを低圧下での放電によりプラズマ状態にし、発生したイオンや中性ラジカル等の活性種とガラス基板材料との反応により基板をエッチングする方法において、 エッチング初期に−５００Ｖ〜−９００Ｖの高バイアス電圧を基板に印加することにより、深さ２０μｍ以上のエッチングを行う場合でも、基板表面に穴を生成することなく、平滑にエッチングを行うことができる。その結果、壁面の平滑性が要求される光導波路やバイオＭＥＭＳ等に使用されるガラス基板の微細加工に十分対応できる有用な方法を提供することができる。
【００２７】
また、２種類のフッ化炭素ガス１とフッ化炭素ガス２（例えば、C3F8とCF4）を混合することによりエッチングの高い選択比か得られ、特にフッ化炭素系ガス２の濃度を６９％以上にした場合には垂直形状のエッチングが得られる。
【００２８】
さらに、本発明の別の特徴に従って、基板のエッチングに先立って基板を希ガスでスパッタリングして、基板表面の異物や変質層を除去することにより、基板表面における穴の生成要因の一つを削除できるので、より確実に穴の生成なしに深さ２０μｍ以上のエッチングを行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】石英基板に対するエッチング深さによる穴の生成の有無を示す模式図。
【図２】石英基板の深堀エッチングにおける異常形態の穴の生成メカニズムを説明する図。
【図３】石英基板の深堀エッチングにおける異常形態の穴の生成の圧力依存性を示す図。
【図４】石英基板のエッチングにおける異常形態の穴の生成状態を示すの圧力依存性を示す図。
【図５】穴の生成とエッチング深さとの関係の測定結果を示すグラフ。
【図６】石英基板のを連続エッチングした場合と間欠エッチングした場合の穴の生成状態を示す図。
【図７】石英基板の深堀エッチングにおける異常形態の穴の生成数とバイアス電圧依存性を示すグラフ。
【図８】石英基板の深堀エッチングにおける異常形態の穴の生成数のＣＦ４の濃度依存性を示すグラフ。
【図９】エッチング形状のＣＦ４ガス濃度依存性を示すグラフ。
【図１０】石英基板に対する段差とエッチング形状との関係を示す表。
【図１１】図１０の種々の測定結果を示す図。
【図１２】本発明の一つの実施の形態に従って石英基板をエッチングした場合の基板の表面状態を示す図。
【図１３】本発明の別の実施の形態に従って石英基板をエッチングした場合の基板の表面状態を示す図。
【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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【図１２】
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【図１３】
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