(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料が単結晶質である場合はその面（２、２１）が主要結晶面と実質的に平行であり、半導体材料が多結晶質である場合はその面（２、２１）が多結晶質材料の全ての結晶粒について同一指数の主要結晶面に僅かに傾斜している平坦な当該面（２、２１）を有する半導体材料のウエハ（１、２０）から形成される半導体材料支持体の上にレリーフ構造を製造する方法であって、
イオン（３、８、２２）による前記ウエハの前記平坦な面への衝突によってインプラントしガス状微細気泡の領域（４〜７、２９）を生成する第１の段階であって、該領域が前記ウエハの断面方向の外形形状を規定しており、各領域が、前記平坦な面に関して、当該領域に対向する面の表面で受け取ったイオンのインプランテーションエネルギに応じた深さに位置すると共に、該各領域が前記表面と同じ幾何学形状となっており、前記外形形状が前記平坦な面側では薄膜を構成しているウエハの上側部分（９、３０）を前記平坦な面の反対側では基板の大部分を構成している下側部分（１９、３１）を規定しており、前記イオンが水素ガスイオン又は希ガスイオンから選ばれ、インプランテーション中のウエハ温度がインプラントされたイオンによって生じるガスが拡散によって半導体から逃げることができる温度より低く維持される前記第１の段階と、
前記ウエハの前記平坦な面（２、２１）を少なくとも１つの剛性材料層から構成される補強材（１１、３２）と結合させる第２の段階と、
前記ウエハ及び補強材から構成されるアセンブリを、前記ある形状に沿った前記薄膜と前記基板の大部分との分離を生じせしめるのに適切な温度で熱処理し、該分離によって前記薄膜上にレリーフ構造を前記基板上に反転レリーフ構造を形成する第３の段階と、
の３段階の処理を行うことを特徴とする半導体材料支持体上へのレリーフ構造の製造方法。
【請求項２】
前記第１の段階において、異なるインプランテーションエネルギを有するガス状微細気泡の前記領域（４〜７）が一連のインプランテーション段階によって得られることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記第１の段階において、ガス状微細気泡の全ての前記領域が、イオン（２２）の通路に位置するスクリーン（２３）によって同時に生成され、該スクリーンがイオンのエネルギを減少するが該イオンを通過を可能としておりかつ生成すべき微細気泡の各領域について必要なインプランテーションエネルギの通過を可能にすべく該領域に対応するパターンに従った局所的に異なる厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
所与の形状の構造を得るために、最初に、該所与の形状より過大な近似レリーフ構造を作成し、次いで該近似構造を前記所与の形状が得られるまで研磨することからなる第４の段階を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項５】
所与の形状の構造を得るために、最初に、該所与の形状（５２）より過小な近似レリーフ構造（５１）を作成し、次いで該近似構造を前記所与の形状が得られるまで充填することからなる第４の段階を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項６】
半導体がシリコンであり、インプラントされるイオンがヘリウム又は水素ガスイオンであり、インプランテーション温度が２０〜４００℃であり、前記第３の熱処理段階の温度が４５０℃を越えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項７】
前記補強材（１１、３２）が接着性物質によって前記ウエハ（１、２０）に接着されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項８】
前記補強材（１１、３２）が原子間結合によって前記ウエハ（１、２０）に結合されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項９】
バイナリ光学用装置の製造に用いたことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１０】
その装置がポリマーから形成されておりかつより小さなサイズを有する当該装置を得るための型の製造に用いられることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体材料支持体上にレリーフ構造を製造する方法に関する。この方法は、より特定的にはシリコンである半導体材料支持体上にバイナリ光学用の装置を効果的な方法で製造可能とすることに特に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイナリ光学の基本原理は、単純であり、かつ反射光学及び屈折光学の両方に適用される。これら原理は、ダブリュ・ビー・ベルカンプ（W.B.VELDKAMP）及びティー・ジェイ・マックヒュー（T.J.McHUGH）により、１９９２年５月、サイエンティフィックアメリカンより刊行された「バイナリ光学」なる文献に定義されている。
【０００３】
バイナリ光学で製造可能な最も簡単なものの１つはプリズムであり、これは、材料の表面に刻設された一連の階段状の微細ステップ形状となっている。その表面に波面が到達すると、その波は、ホイヘンス−フレネルの原理に従って複数の２次的な波面に分割される。２次的な波面の各々は、この点のステップの高さ、即ち横方向の追加光路長に比例して遅れる。上述の波面が互いに干渉する場合、波面の入射方向に対してある角度を持って伝搬する新しい波面が形成される。
【０００４】
従来技術によるアプローチにおいて偏向効果を得るためには、数ミリメータ厚のガラス片を必要としていたが、バイナリ光学によるアプローチにおいて偏向効果を得るためには、（入射光ビームの波長λに対応して）約１μｍの材料厚を有すれば充分である。
【０００５】
従って、バイナリ光学装置の製造を行う場合、材料領域の表面上に局所的に過大厚又は過小厚で製造できる（装置の使用波長の分数に対応するので正確な過大厚又は過小厚でなければならない）ことが必要となる。これら領域の位置は、生成すべき光学関数の関数である。同一の光学装置内に、例えばステップ状の差λ／８、３λ／８、λ／２等に対応する、数個の過大厚又は過小厚領域を設けることができる。
【０００６】
従来、このようなバイナリ光学を得るためには、薄膜デポジション法が用いられており、レリーフ構造を得たい場合には過大厚領域を形成するためのリソグラフィ法及びエッチング法が併用されていた。中空構造を得たい場合は、位置選定及び（例えば、ドライ）エッチングのためにリソグラフィ法が用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
これら従来技術による製造方法は、領域の厚さの制御及び再現性が難しい、並びに数種の厚さ範囲の領域を形成するのに複雑な動作が必要であるという問題点を有している。
【０００８】
厚さの制御及び再現性について、得られる結果は、反応速度論及び反応時間につながっている。一般に、製造工程のパラメータが調整されており、その製造工程が所定期間の間実施される。しかしながら、製造工程を実施している間、その時々の厚さ（即ち深さ）について、通常は何等表示されない。従って、その結果については全く当てにならない。
【０００９】
数種の厚さの領域を形成するために、所与の領域についてある厚さを得るために工程が実施されている間、他の領域に対してはその工程の処理がなされないように保護する方法が知られている。しかしながらこの方法によると、リソグラフィが複雑となるのみならず、不完全なアラインメントに基づいた領域間の境界問題を招いてしまう。
【００１０】
仏国特許公開公報ＦＲ−Ａ−２  ６８１  ４７２は、３段階による半導体材料薄膜の製造方法について開示している。その第１の段階では、ガス状の微細気泡層がイオンインプランテーションによって半導体材料ウエハの一方の面の下に生成される。第２の段階では、そのウエハ面が補強材に結合される。第３の段階では、ウエハ及び補強材から構成されるアセンブリに、ウエハ結晶の転位効果及び微細気泡の圧力によって微細気泡を有するウエハ位置でのへき開を生じせしめるのに適切な温度を与えられ、これにより補強材に接着した薄膜が得られる。
【００１１】
本発明は、仏国特許公開公報ＦＲ−Ａ−２  ６８１  ４７２の開示から得られる工程を用いて半導体材料支持体上にレリーフ構造を製造する新規な方法を提案するものである。この新規な製造方法によれば、従来技術の製造方法による問題点を解消することが可能である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、半導体材料が単結晶質である場合はその面が主要結晶面とほぼ平行であり、半導体材料が多結晶質である場合はその面が多結晶質材料の全ての結晶粒について同一指数の結晶平面にやや傾斜している平坦な面を有する半導体材料のウエハに対して、以下の３段階の処理を行う半導体材料支持体上へのレリーフ構造の製造方法が提供される。
【００１３】
第１の段階は、イオンによる前記ウエハの前記平坦な面への衝突によってインプラントしガス状微細気泡の領域を生成する段階であって、該領域が前記ウエハの断面方向の外形形状を規定しており、各領域が、前記平坦な面に関して、当該領域に対向する面の表面で受け取ったイオンのインプランテーションエネルギに応じた深さに位置すると共に、該各領域が前記表面と同じ幾何学形状となっており、前記外形形状が前記平坦な面側では薄膜を構成しているウエハの上側部分を前記平坦な面の反対側では基板の大部分を構成している下側部分を規定しており、前記イオンが水素ガスイオン又は希ガスイオンから選ばれ、インプランテーション中のウエハ温度がインプラントされたイオンによって生じるガスが拡散によって半導体から逃げることができる温度より低く維持される段階である。
【００１４】
第２の段階は、前記ウエハの前記平坦な面を少なくとも１つの剛性材料層から構成される補強材と結合させる段階である。
【００１５】
第３の段階は、前記ウエハ及び補強材から構成されるアセンブリを、前記ある形状に沿った前記薄膜と前記基板の大部分との分離を生じせしめるのに適切な温度で熱処理し、該分離によって前記薄膜上にレリーフ構造を前記基板上に反転レリーフ構造を形成する段階である。
【００１６】
第１の段階において、異なるインプランテーションエネルギを有するガス状微細気泡の前記領域は、一連のインプランテーション段階によって得ることができる。
【００１７】
第１の段階において、ガス状微細気泡の全ての前記領域が、イオンの通路に位置するスクリーンによって同時に生成することができる。このスクリーンは、イオンのエネルギを減少するが該イオンを通過を可能としておりかつ生成すべき微細気泡の各領域について必要なインプランテーションエネルギの通過を可能にすべく該領域に対応するパターンに従った局所的に異なる厚さを有している。
【００１８】
所与の形状の構造を得るために、最初に、該所与の形状より過大な近似レリーフ構造を作成することが可能であり、次いで該近似構造を前記所与の形状が得られるまで研磨することからなる第４の段階が行われる。
【００１９】
所与の形状の構造を得るために、最初に、該所与の形状より過小な近似レリーフ構造を作成することが可能であり、次いで該近似構造を前記所与の形状が得られるまで充填することからなる第４の段階が行われる。
【００２０】
半導体がシリコンであり、インプラントされるイオンがヘリウム又は水素ガスイオンであり、インプランテーション温度が２０〜４００℃であり、前記第３の熱処理段階の温度が４５０℃を越えることができる。
【００２１】
【実施例】
以下添付の図面を参照したこれに限定されない実施例によって本発明をより詳しく説明する。
【００２２】
図１は、例えば単結晶シリコンである半導体材料によるウエハ１を側面から見た図である。
【００２３】
このウエハは、上側の平坦な面２を有しており、この平坦な面を通してその内部にガス状微細気泡の領域がインプランテーションによって形成可能である。インプランテーションは、第１のイオンレベルに対応する２つの領域及びこの第１のレベルより高い第２のイオンレベルに対応する２つの領域に適切なものであると仮定されている。
【００２４】
衝突によるインプランテーションに用いられるイオンは、例えばＨ+ であるが、水素分子イオン又はヘリウム、ネオン、クリプトン及びキセノン等の気ガスを単独に若しくは混合させて使用することもできる。本発明の目的は、例えばシリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイド及びシリコン−ゲルマニウム合金等の第IV族の半導体により特定的に適用可能である。
【００２５】
上述した仏国特許公開公報ＦＲ−Ａ−２  ６８１  ４７２は、単結晶シリコンウエハにＨ+ イオンをインプランテーションすることについて説明している。
【００２６】
図１において、所定のインプランテーションエネルギによる、参照符号３で示したインプランテーションイオンは、ウエハ１の平坦な面２から同じ深さに位置するガス状微細気泡の２つの領域４及び５を形成する。イオンビームの通路にマスクを置くことによって、各領域４又は５を連続して又は同時にインプラントすることが可能である。
【００２７】
同様なインプランテーションにより、図２に示すように、参照符号８で示したより高いエネルギのイオンを用いて領域６及び７がウエハ１内のより深い位置に形成される。この例において、全ての領域が平坦な面２上に突出すると、領域６及び７は領域４及び５に再結合する。
【００２８】
明確に規定された領域についてのインプランテーションの位置設定は、例えばホトリソグラフィによって得られた樹脂マスクを通したインプランテーション又は開口を有する金属マスクを通したインプランテーション等の公知の処理によって行うことができる。
【００２９】
インプラントされたこれら全ての領域は、ウエハ内に上側部分９及び下側部分１０を規定する外形形状を形成する。
【００３０】
図３は、第１の段階の最後に得られかつその平坦な面２で補強材１１に一体化される半導体ウエハ１を示している。補強材は、補強材及びウエハの両方に接着する物質を用いてボンディングにより半導体ウエハに固定可能である。しかしながら、好ましい方法として補強材は、仏国特許公開公報ＦＲ−Ａ−２  ６８１  ４７２又はヨーロッパ特許公開公報ＥＰ−Ａ−５３３  ５５１に記載されているように、原子間結合によってウエハに結合される。補強材は、いかなる劣化もなしにかつウエハに結合したまま第３の段階における熱処理に耐えなければならない。
【００３１】
熱処理は、結晶転位及び気泡の凝結が効果的に行われるような温度で実施されなければならない。シリコンウエハの場合、分離が生じるためには４５０℃より上の温度が必要となる。
【００３２】
図４は、熱処理後に得られる結果を示している。上側部分９及び下側部分１０は、インプラントされた領域の位置及びインプラントされた領域間の連結部分でスペース１２によって分離された状態に保持される。連結部分での破断は、比較的近い２つのへき開平坦面間に生じる脆さによるものである。
【００３３】
図５〜図７は、スクリーン又はシールドを用いる、本発明の第２の実施例を説明する図である。
【００３４】
例えば単結晶シリコンである半導体材料のウエハ２０は、内部にガス状微細気泡が生成されるであろうインプランテーションがそれを通して行われることが望まれる上側の平坦な表面２１を有している。インプランテーションは、参照符号２２で示すイオンの通路に、イオンの通過が可能であるがその厚さがイオンのエネルギに影響を及ぼすスクリーン２３を置くことによって行われる。スクリーンが厚くなればなるほど、イオンのエネルギは減少する。このスクリーンは、例えばシリコン又はＳｉＣで構成可能である。
【００３５】
図５に示す実施例において、スクリーン２３は３つの異なる厚さを有している。領域２４、２５及び２６は同じ厚さを有しており、領域２７はこれよりやや厚くなっており、領域２８はさらに厚くなっている。このスクリーン上にウエハ内で得たいレリーフ構造が形成されている。
【００３６】
例えば適切に選択されたエネルギのＨ+ イオンによる、イオン衝突が、スクリーン２３を通して平坦な面２１の全表面にわたって生じる。イオンは、横切るスクリーンの厚さの関数としてウエハ２０内に入り込む。これらイオンは、ウエハ内部に上側部分３０及び下側部分３１を規定するガス状微細気泡の連続する形状２９を発生させる。
【００３７】
この実施例は、スクリーンが一度作成されれば異なる領域の繰り返し位置に何等問題が生じないため、特に興味深いものである。１回のインプランテーションで充分であり、しかもスクリーンは数回使用できる。
【００３８】
以後の段階は、本製造方法の第１の実施例の場合と同一である。図６はこの造方法の第２の段階を示しており、補強材３２はウエハ２０の平坦な面２１に結合される。図７は、以下の熱処理によって得られる結果を示している。上側部分３０及び下側部分３１は、インプラントされた領域及び第１の実施例で既に述べた脆くなった連結領域の位置でスペース３３によって分離されている。
【００３９】
最終的に、補強材に接着した薄膜上にレリーフ構造が、さらに、ウエハ即ち半導体基板の残りの部分上に反転レリーフ構造が得られる。
【００４０】
このようにして得られた構造は、数分の一μｍから数ダースμｍのレベル誤差を有し得る。また、このようにして得られた構造は、バイナリ光学の分野で使用され、さらにポリマー光学装置を製造するための型に使用することができる。即ち、従来技術によると、領域の厚さの制御及び再現性が難しいこと、数種の厚さ範囲の領域を形成するのに複雑な動作が必要であることなどの問題があったが、本発明によれば、この問題を解消することができる。
【００４１】
図８は、本発明の１つの応用例を示している。これは、バイナリ光学用の円筒状プリズム４０である。その上側面は、本発明の製造方法によるレリーフ構造を有している。プリズム４０は、例えば、補強材に結合した上側膜の除去によって得られる基板の大部分から構成されている。この例の場合、この構造は、中央の非貫通穴４１と異なる高さの同軸リング４２、４３及び４４とから構成されている。
【００４２】
図９及び図１０は、本発明をバイナリ光学とは異なる分野へ適用した例を説明する断面図である。より小さいサイズの従来の光学素子、例えばポリマーレンズを製造するための型を得ることが問題であった。
【００４３】
本発明の製造方法を用いることにより、補強材に接着した膜又は使用された半導体ウエハの残りの部分から構成されるレリーフ構造５１が半導体材料支持体５０上に形成される。構造５１は、得たい凹部４２の近似からなっている。この近似は、その構造へ与えられた階段形状で得られる。型の最終的な形状は、例えばシリコンの平滑化デポジット５３を用いることによって得られる（図１０参照）。
【００４４】
その他の処理手順は、所望の形状が得られるまできめ細かく研磨することによって、得たい凹部形状へ近づけてレリーフ構造を形成することからなる。
【００４５】
本発明の製造方法によれば、例えば、最大深さ４μｍについて４０μｍの直径の凹部を得ることができる。本発明は、特に、比較的浅い、即ちｈ／ｌの比が小さい型を得るのに有効である。このような型は、他の方法では製造が難しいのである。
【００４６】
この種の型によって製造されるべき光学素子は、その型へ、デポジション又は加圧下でのポリマー層の印加を行うことによって得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレリーフ構造製造方法の第１の実施例を説明する図である。
【図２】本発明によるレリーフ構造製造方法の第１の実施例を説明する図である。
【図３】本発明によるレリーフ構造製造方法の第１の実施例を説明する図である。
【図４】本発明によるレリーフ構造製造方法の第１の実施例を説明する図である。
【図５】本発明によるレリーフ構造製造方法の第２の実施例を説明する図である。
【図６】本発明によるレリーフ構造製造方法の第２の実施例を説明する図である。
【図７】本発明によるレリーフ構造製造方法の第２の実施例を説明する図である。
【図８】本発明による製造方法によって製造されたバイナリ光学装置の斜視図である。
【図９】本発明による製造方法によって得られた他の実施例を説明する断面図である。
【図１０】本発明による製造方法によって得られた他の実施例を説明する断面図である。
【符号の説明】
１、２０  ウエハ
２、２１  平坦な面
３、８  イオン
４、５、６、７、２４、２５、２６、２７、２８  領域
９、３０  上側部分
１０、３１  下側部分
１１、３２  補強材
１２、３３  スペース
２２  イオンの通路
２３  スクリーン
２９  連続する形状
４０  円筒状プリズム
４１  非貫通穴
４２、４３、４４  同軸リング
５０  半導体材料支持体
５１  レリーフ構造
５２  凹部
５３  平滑化デポジット
【図１】
0003735880.tif 000002
【図２】
0003735880.tif 000003
【図３】
0003735880.tif 000004
【図４】
0003735880.tif 000005
【図５】
0003735880.tif 000006
【図６】
0003735880.tif 000007
【図７】
0003735880.tif 000008
【図８】
0003735880.tif 000009
【図９】
0003735880.tif 000010
【図１０】
0003735880.tif 000011