JP2012124218A - プラズマエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アモルファスＴｉＯ_２の表面に微細な表面構造を形成することができるプラズマエッチング方法を提供する。
【解決手段】本発明の一実施の形態に係るプラズマエッチング方法では、アモルファスＴｉＯ_２をエッチングするに際して、ラジカル反応が支配的な第１のエッチング工程と、イオン照射が支配的な第２のエッチング工程を含む。エッチング開始当初はエッチング圧力を比較的高めに設定した第１のエッチング工程を実施し、マスクパターンの開口領域を等方エッチングする。次いで、エッチング圧力を低くした第２のエッチング工程を実施し、アモルファスＴｉＯ_２をその表面に垂直な方向にエッチングする。これにより、マスクパターンに対応したエッチングパターンを高精度に形成でき、形状特性に優れた表面構造を形成することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空チャンバ内でエッチングガスのプラズマを発生させて、アモルファスＴｉＯ_２をエッチングするプラズマエッチング方法に関する。

近年、酸化チタン（ＴｉＯ_２）は、光学デバイス用材料、太陽電池用材料、光触媒用材料などに広く用いられている。例えば、光学デバイス用材料として、酸化チタンは、可視光波長を含む広い波長範囲にわたって高い光学的透明性および屈折率を有している。

光学デバイスとして用いられる酸化チタンとして、ルチル型及びアナターゼ型を含む結晶性ＴｉＯ_２が広く用いられている。この結晶性ＴｉＯ_２をプラズマエッチング法によってパターン加工することで、微細な表面構造を有する光学デバイスを形成することが可能である。

また、特許文献１には、ルチル型ＴｉＯ_２結晶の表面をイオン照射によりアモルファス化し、このアモルファス化した領域を酸などの溶解液を用いて除去することで、表面に微細構造を形成する結晶ＴｉＯ_２の微細加工方法が開示されている。

特開２００３−２７９７６６号公報（段落[０００７]）

近年、結晶性ＴｉＯ_２よりも光の透過率特性に優れたアモルファスＴｉＯ_２を利用した光学デバイスの開発が進められている。

しかしながら、アモルファスＴｉＯ_２は、結晶性ＴｉＯ_２に比べて加工性が悪く、所望の微細形状を付与することが困難である。したがって、微細な表面構造を安定して形成することができないため、所望の光学特性を備えたアモルファスＴｉＯ_２デバイスを製造することができないという問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、アモルファスＴｉＯ_２の表面に微細な表面構造を形成することができるプラズマエッチング方法を提供することにある。

本発明の一形態に係るプラズマエッチング方法は、真空チャンバ内でエッチングガスのプラズマを発生させて、マスクを介してアモルファスＴｉＯ_２をエッチングするプラズマエッチング方法である。
上記プラズマエッチング方法は、上記真空チャンバを第１の減圧雰囲気に維持して上記アモルファスＴｉＯ_２をエッチングする工程を含む。その後、上記アモルファスＴｉＯ_２は、上記真空チャンバを第１の減圧雰囲気よりも低圧の第２の減圧雰囲気下でエッチングされる。

本発明の実施の形態において説明されるエッチング装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態に係るエッチング方法を説明するフロー図である。 基板温度とエッチングレートの関係の一例を示す実験結果である。 エッチング方法とパターン形状との関係を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係るエッチング方法によるエッチングレートと、比較例に係るエッチング方法によるエッチングレートとを比較して示す一実験結果である。

本発明の一実施の形態のプラズマエッチング方法は、真空チャンバ内でエッチングガスのプラズマを発生させて、マスクを介してアモルファスＴｉＯ_２をエッチングするプラズマエッチング方法である。
上記プラズマエッチング方法は、上記真空チャンバを第１の減圧雰囲気に維持して上記アモルファスＴｉＯ_２をエッチングする工程を含む。その後、上記アモルファスＴｉＯ_２は、上記真空チャンバを第１の減圧雰囲気よりも低圧の第２の減圧雰囲気下でエッチングされる。

アモルファスＴｉＯ_２は、マスクを介してエッチングされる。これにより、マスクの開口パターンに応じた形状が、アモルファスＴｉＯ_２の表面に形成される。エッチングは、エッチングガスのラジカルとアモルファスＴｉＯ_２との間の反応を主体とする等方性エッチングと、プラズマ中のイオンの照射を主体とするアモルファスＴｉＯ_２の表面に垂直な異方性エッチングとが同時に起こることで進行する。ラジカル反応を主体とするエッチングは、エッチング時のガス圧力が比較的高い場合に支配的となり、イオン照射を主体とするエッチングは、エッチング時の圧力が比較的低い場合に支配的となる。

ラジカル反応を主体とするエッチング工程では、エッチングの進行が等方的であるため、マスクパターンの開口領域だけでなく、当該開口領域の周辺も浸食される。他方、イオン照射を主体とするエッチング工程では、エッチングが表面に垂直な方向に進行するため開口部の浸食は現れないが、マスクパターンも同時にエッチングされるため、マスク形状が崩れる。
そこで、本発明の一実施の形態に係るプラズマエッチング方法では、アモルファスＴｉＯ_２をエッチングするに際して、ラジカル反応が支配的な第１のエッチング工程と、イオン照射が支配的な第２のエッチング工程を含む２ステップ方式のプラズマエッチング方法を採用する。具体的に、エッチング開始当初はエッチング圧力を比較的高めに設定した上記第１のエッチング工程を実施し、マスクパターンの開口領域を等方エッチングする。次いで、エッチング圧力を低くした第２のエッチング工程を実施し、アモルファスＴｉＯ_２をその表面に垂直な方向にエッチングする。

上記プラズマエッチング方法によれば、マスクパターンに対応したエッチングパターンを高精度に形成でき、形状特性に優れた表面構造を形成することが可能となる。また、マスクパターンの形状維持性に優れるため、微細なパターン形状をアモルファスＴｉＯ_２の表面に安定して形成することが可能となる。

なお、エッチング対象であるアモルファスＴｉＯ_２は、基板形状に加工されたもののほか、他の材料でなる基板の上に形成されたアモルファスＴｉＯ_２膜であってもよい。また、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程は、繰り返して実施されてもよい。

上記プラズマエッチング方法は、さらに、アモルファスＴｉＯ_２を１００℃以上に加熱する工程を含んでいてもよい。
これにより、エッチングレートの向上を図ることが可能となる。

上記第１のエッチング工程を実施するときの第１の減圧雰囲気は、１Ｐａ以下の圧力雰囲気とすることができる。また、上記第２のエッチング工程を実施するときの第２の減圧雰囲気は、０．７Ｐａ以下の圧力雰囲気とすることができる。これにより、アモルファスＴｉＯ_２を効率よくエッチングすることが可能となる。

上記プラズマエッチング方法において、上記第１、第２のエッチング工程は、アモルファスＴｉＯ_２を支持するステージにバイアス電力を印加することができる。これにより、プラズマ中のイオンをステージに引き込むエネルギーが高まるため、エッチングレートの向上を図ることが可能となる。

また、上記第２の減圧雰囲気下でエッチングする工程（第２のエッチング工程）は、上記第１の減圧雰囲気下でエッチングするときよりも大きなバイアス電力を上記ステージに印加することができる。これにより、ガス圧力の低下によりイオンが減少しても、バイアスパワーの増大によって、エッチングレートの低下を抑えることが可能となる。

上記マスクは、アモルファスＴｉＯ_２の上に形成された金属膜パターンとすることができる。この場合、上記第２のエッチング工程では、エッチングガスに酸素を含ませることができる。これにより、金属マスクの表面に酸化被膜が形成され、イオンの衝突に対する耐久性を高めることができる。特に、マスク材料としてクロム、ニッケルなどを採用することで、表面に安定した不動態被膜を形成することができる。

エッチングガスは、例えば、フロロカーボン系ガスを用いることができる。エッチングガスは、単一種類のものに限定されず、複数種の混合ガスを用いることができる。具体的に、エッチングガスとしては、ＣＦ_４、Ｃ_３Ｆ_８又はこれらの混合ガスを用いることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法に適用されるエッチング装置の概略構成図である。エッチング装置１０は、槽本体１１、筒状壁１３及び天板１４によって構成される密閉構造の真空槽（真空チャンバ）２０と、真空槽２０の内部を排気する真空ポンプ２１とを備えている。真空ポンプ２１は、真空槽２０の内部に所定の減圧雰囲気を形成する。

筒状壁１３は、例えば石英等の透明絶縁材料で形成されている。筒状壁１３の外周側には、第１の高周波電源ＲＦ１に接続された高周波コイル（アンテナ）１６が巻回されている。高周波コイル１６は、第１の高周波電源ＲＦ１から高周波電力が印加されることによって、筒状壁１３の内部のプラズマ形成空間１２にエッチングガスのプラズマＰを発生させる。エッチングガスは、筒状壁１３に取り付けられたガス導入管１５を介してプラズマ形成空間１２へ導入される。

真空槽２０の内部には、基板Ｗを支持するステージ１７が設置されている。基板Ｗは、被加工面となる表面がアモルファスＴｉＯ_２で形成されている。基板Ｗは、全体がアモルファスＴｉＯ_２で構成されていてもよいし、ガラスや他の材質からなる支持体の上にアモルファスＴｉＯ_２膜が形成された基板であってもよい。

エッチングガスとしては、炭化水素系ガスが用いられる。具体的には、ＣＦ_４、Ｃ_３Ｆ_８ガスなどを用いることができる。本実施の形態では、ＣＦ_４とＣ_３Ｆ_８の混合ガスが用いられている。

ステージ１７は、コンデンサ１８を介して第２の高周波電源ＲＦ２に接続されている。第２の高周波電源ＲＦ２は、プラズマ形成空間１２で発生したプラズマＰからエッチングガスのイオンをステージ１７の表面に引き付けるためのものである。

ステージ１７は基板Ｗを所定温度に加熱する加熱源を内蔵している。典型的には、ステージ１７は、ホットプレートを含んでいる。また、基板Ｗの加熱温度を調整するために、ステージ１７はチラー（冷却機構）を備えていてもよい。さらに、ステージ１７は、基板Ｗをステージ１７の表面に保持するための静電チャック機構を備えていてもよい。

エッチング装置１０は、さらに、真空ポンプ２１と第２の高周波電源ＲＦ２を制御するコントローラ３０を備えている。コントローラ３０は、真空ポンプ２１の動作又は排気速度を制御する。また、コントローラ３０は、第２の高周波電源ＲＦ２の電力を制御することで、ステージ１７への印加電力を制御する。なお、高周波電源ＲＦ２の電力を制御する場合に代えて、コンデンサ１８の静電容量を制御するようにしてもよい。

コントローラ３０は、さらに、ガス導入管１５からのエッチングガスの導入制御、高周波コイル１６に対する高周波電力ＲＦ１の印加制御、ステージ１７による基板Ｗの加熱制御を実行可能に構成されている。

次に、以上のように構成されるエッチング装置１０を用いた基板Ｗのエッチング方法について説明する。

図２は本発明の一実施の形態に係るプラズマエッチング方法の工程フローを示している。本実施の形態のプラズマエッチング方法は、基板Ｗの加熱工程（ステップ１）と、第１のエッチング工程（ステップ２）と、第２のエッチング工程（ステップ３）とを有する。

なお、加熱工程（ステップ１）は、エッチング処理の間継続して実行される。また、加熱工程は、真空槽２０内を所定の減圧雰囲気に排気した後に実施することができる。

基板Ｗは、ステージ１７の上に載置される。基板Ｗの被エッチング面を形成するアモルファスＴｉＯ_２の表面には、所定の開口パターンを有する金属膜（マスク）が形成されている。本実施の形態では、基板Ｗとして、ガラスなどの支持体の上にアモルファスＴｉＯ_２膜が形成された基板が用いられ、上記マスクとして、クロム（Ｃｒ）マスクが用いられる。

基板Ｗはステージ１７の上で所定温度に加熱される（ステップ１）。アモルファスＴｉＯ_２は揮発温度が高いため、基板Ｗを加熱することでエッチングレートの向上が図れるようになる。加熱温度としては、１００℃以上とすることができる。１００℃未満では、アモルファスＴｉＯ_２のエッチングレートの向上が図りにくい。より具体的に、加熱温度としては、１５０℃以上２５０℃以下とすることができる。

図３は、基板温度とエッチングレートとの関係の一例を示す実験結果である。基板温度が高いほど、アモルファスＴｉＯ_２のエッチングレートが向上することが確認できる。また、基板温度が高いほど、マスク（Ｃｒパターン）のエッチングレートが低下することも確認された。その結果、処理温度が高いほど、アモルファスＴｉＯ_２とマスクとの選択比が向上し、エッチングパターンの形状維持性を高めることが可能となる。

基板Ｗは、ラジカル反応を主体とする第１のエッチング工程でエッチングされる。
真空槽２０の内部は、真空ポンプ２１の駆動により所定の圧力に排気される。その後、ガス導入管１５を介してプラズマ形成空間１２へエッチングガス（反応ガス）が導入される。高周波コイル１６は、第１の高周波電源ＲＦ１から高周波電力（周波数が例えば１３．５６ＭＨｚ）が印加される。その結果、プラズマ形成空間１２に、エッチングガスのプラズマＰが形成される（図１）。

基板Ｗは、プラズマ中のラジカルとの反応を主体として、マスクパターンを介して開口するアモルファスＴｉＯ_２膜が等方的にエッチングされる。一方、ステージ１７には、第２の高周波電源ＲＦ２からバイアス電力（周波数が例えば１２．５ＭＨｚ）が印加される。これにより、プラズマ中のイオンがステージ１７に引き付けられ、アモルファスＴｉＯ_２膜の厚さ方向のエッチングが促進される。

以上のようにして、第１のエッチング工程が実施される（ステップ２）。第１のエッチング工程が所定時間実施された後、第２のエッチング工程が実施される（ステップ３）。

第２のエッチング工程では、上述した第１のエッチング工程よりも低圧でエッチング処理が実行される。これにより、プラズマ中のラジカル成分が少なくなるため、第１のエッチング工程と比較して、ラジカル反応を主体とする等方的なエッチング効果は少なくなる。その一方で、コントローラ３０は、ステージ１７へ印加するバイアス電力を高めるべく、第２の高周波電源ＲＦ２を制御する。これにより、基板Ｗに対するイオンの衝突エネルギーが高まり、ガス圧の低下に起因するアモルファスＴｉＯ_２膜のエッチングレートの低下が抑えられる。

また、ラジカル反応を主体とするアモルファスＴｉＯ_２膜のエッチング作用の低下と、イオン照射を主体とするエッチング作用の増進により、アモルファスＴｉＯ_２膜表面の形状の崩れが抑えられ、マスクパターンに対応したパターン形状が得られやすくなる。

上述のように、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法では、アモルファスＴｉＯ_２をエッチングするに際して、ラジカル反応が支配的な第１のエッチング工程と、イオン照射が支配的な第２のエッチング工程を含む２ステップ方式のプラズマエッチング方法を採用する。具体的に、エッチング開始当初はエッチング圧力を比較的高めに設定して上記第１のエッチング工程を実施し、マスクパターンの開口領域を等方エッチングする。次いで、エッチング圧力を低くして第２のエッチング工程を実施し、アモルファスＴｉＯ_２をその表面に垂直な方向にエッチングする。

上記プラズマエッチング方法によれば、マスクパターンに対応したエッチングパターンを高精度に形成でき、形状特性に優れた表面構造を形成することが可能となる。また、マスクパターンの形状維持性に優れるため、微細なパターン形状をアモルファスＴｉＯ_２の表面に安定して形成することが可能となる。

第１、第２のエッチング工程におけるエッチング圧力は特に限定されないが、第１のエッチング工程に比べて、第２のエッチング工程は、処理圧力が低いことが必要である。具体的に、第１のエッチング工程における処理圧力（第１の減圧雰囲気）は、例えば、１Ｐａ以下とすることができる。１Ｐａを超える圧力では、ラジカル反応を主体とするエッチングの進行が顕著となり、パターン形状の制御性が得られにくくなる。また、第２のエッチング工程における処理圧力（第２の減圧雰囲気）は、例えば、０．７Ｐａ以下とすることができる。０．７Ｐａを超える圧力では、イオン照射によるエッチングが支配的なエッチング工程が得られにくくなる。

ステージ１７に印加するバイアスパワーも特に限定されない。例えば、第１のエッチング工程でステージ１７に印加するバイアスパワーは２００Ｗ、第２のエッチング工程でステージ１７に印加するバイアスパワーは３００Ｗとすることができる。

また、第２のエッチング工程では、ステージ１７に印加するバイアスパワーを増加させることで、イオン照射を主体とするアモルファスＴｉＯ_２膜の垂直方向におけるエッチングの進行を促進させる。その一方で、マスクもイオンによるエッチングが促進され、マスクパターンの形状維持性が低下する。

そこで本実施の形態では、第２のエッチング工程において導入されるエッチングガスに酸素（Ｏ_２）を含有させる。これにより、Ｃｒからなるマスクの表面に不動態被膜（酸化被膜）が形成されるため、マスクの耐久性が高まり、マスクパターンの形状維持性を確保することが可能となる。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、エッチング方法を異ならせてエッチングしたときに得られるエッチングパターンの形状を説明する模式図である。図において、Ｍはマスク、ＴはアモルファスＴｉＯ_２膜、Ｓは支持体である。

図４（Ａ）は、上記第１のエッチング工程のみ実施したときのエッチングパターンを示している。上述のように、第１のエッチング工程では、ラジカル反応を主体とする等方性エッチングが継続することによって、マスクＭの直下位置におけるアモルファスＴｉＯ_２膜Ｔの浸食が顕著になる。したがって、エッチングが深さ方向に進むに伴ってエッチングパターン形状が崩れてしまい、パターン倒れやパターン抜けといったパターン不良が生じやすい。

図４（Ｂ）は、上記第１のエッチング工程の後、上記第２のエッチング工程を実施したときのエッチングパターンを示している。第１のエッチング工程によって、マスク開口部に対応する領域がエッチングされるが、マスクＭの直下が浸食される前に第２のエッチング工程に移行する。これにより、パターン開口部の形状を崩すことなく、アモルファスＴｉＯ_２膜Ｔを深さ方向にエッチング可能となる。

また、図４（Ｂ）の例によれば、図４（Ａ）の例と比較して、エッチングレートの向上を図ることができる。図５は、図４（Ａ）の例におけるエッチングレートと、図４（Ｂ）の例（本実施の形態）におけるエッチングレートを示している。比較例の場合、エッチングレートは１５０（ｎｍ／ｍｉｎ）であったのに対し、本実施の形態では、２４０（ｎｍ／ｍｉｎ）のエッチングレートが得られた。

なお、比較例に係るエッチング条件は、本実施の形態に係る第１のエッチング工程に相当する。エッチング時間はいずれの例も同一とした。また、本実施の形態において、第１のエッチング工程の処理時間と第２のエッチング工程の処理時間は、それぞれ同一とした。また、エッチングガスとしては、ＣＦ_４とＣ_３Ｆ_８の混合ガスを用い、その混合比は、ＣＦ_４／Ｃ_３Ｈ_８＝３０／７０とした。

図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）の例とは逆に、上記第２のエッチング工程の後、上記第１のエッチング工程を実施したときのエッチングパターンを示している。第２のエッチング工程では、ラジカル反応を主体とする等方性エッチングよりも、イオン照射を主体とする異方性エッチングが支配的となる。したがって、この第２のエッチング工程では、マスクＭの耐久性が低下し、アモルファスＴｉＯ_２膜Ｔのエッチングの進行に伴ってマスクＭのエッチングも早められる。また、第１のエッチング工程への移行後は、ラジカルがエッチングパターンの底部へ到達する効率が低下するため、エッチングの進行が緩やかになる。その結果、図４（Ａ）及び（Ｂ）の例と比較して、アモルファスＴｉＯ_２膜Ｔのエッチングレートが低下する。

以上の結果から、本実施の形態（図４（Ｂ）の例）によれば、他のエッチング方法と比較して、アモルファスＴｉＯ_２に対する優れたエッチング特性が得られることがわかる。また、本実施の形態によれば、パターン形状に優れ、エッチングレートも良好であることから、アモルファスＴｉＯ_２に対して微細な凹凸パターンを有する形状精度に優れた表面構造を効率よく形成することが可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば、以上の実施の形態では、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程とをそれぞれ１回ずつ実施する例を説明した。これに限らず、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程とを交互に複数回繰り返して実施してもよい。

また、以上の実施の形態では、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程の処理時間について特に言及しなかったが、形成するパターンの間隔や形状などに応じて適宜設定することが可能である。

１０…プラズマエッチング装置
１１…槽本体
１２…プラズマ形成空間
１３…筒状壁
１４…天板
１５…ガス導入管
１６…高周波コイル
１７…ステージ
１８…コンデンサ
２０…真空槽
３０…コントローラ
Ｍ…マスク
Ｐ…プラズマ
Ｔ…アモルファスＴｉＯ_２膜
ＲＦ１…第１の高周波電源
ＲＦ２…第２の高周波電源
Ｓ…支持体
Ｗ…基板

Claims (6)

1. 真空チャンバ内でエッチングガスのプラズマを発生させて、マスクを介してアモルファスＴｉＯ_２をエッチングするプラズマエッチング方法であって、
   前記真空チャンバを第１の減圧雰囲気に維持して前記アモルファスＴｉＯ_２をエッチングし、
   前記真空チャンバを前記第１の減圧雰囲気よりも低圧の第２の減圧雰囲気に維持して前記アモルファスＴｉＯ_２をエッチングする
   プラズマエッチング方法。
2. 請求項１に記載のプラズマエッチング方法であって、さらに、
   前記アモルファスＴｉＯ_２を１００℃以上に加熱する
   プラズマエッチング方法。
3. 請求項２に記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記第１の減圧雰囲気は、１Ｐａ以下の圧力雰囲気であり、
   前記第２の減圧雰囲気は、０．７Ｐａ以下の圧力雰囲気である
   プラズマエッチング方法。
4. 請求項３に記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記エッチングする工程は、前記アモルファスＴｉＯ_２を支持するステージにバイアス電力を印加する工程を含み、
   前記第２の減圧雰囲気下でエッチングする工程は、前記第１の減圧雰囲気下でエッチングするときよりも大きなバイアス電力を前記ステージに印加する
   プラズマエッチング方法。
5. 請求項３に記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記マスクは、前記アモルファスＴｉＯ_２の上に形成された金属膜パターンであり、
   前記第２の減圧雰囲気下でエッチングする工程は、前記エッチングガスに酸素を含ませる
   プラズマエッチング方法。
6. 請求項１に記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記エッチングガスは、ＣＦ_４とＣ_３Ｆ_８の混合ガスを含む
   プラズマエッチング方法。

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