JP3377134B2

JP3377134B2 - 格子および二次元格子構造の反応性イオンエッチング

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Publication number: JP3377134B2
Application number: JP22465894A
Authority: JP
Inventors: トーマス・ダブリュ・デーリー; チャールズ・エル・シャアーブ; ヒュー・エル・ガービン; クラウス・ロビンソン
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1994-09-20
Publication date: 2003-02-17
Anticipated expiration: 2018-02-17
Also published as: EP0644462B1; US5417799A; DE69409897T2; IL110999A0; JPH07173649A; EP0644462A1; IL110999A; DE69409897D1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面の光学的特性の変
化に関し、特に、化学的活性イオンによる表面のイオン
エッチングに関する。

【０００２】

【従来の技術】表面の光学的特性は、表面にマイクロ構
造を製造することによって変化されることができる。こ
れらの構造は、光格子、二次元格子構造、および２進光
学の分野において有効である。

【０００３】光学表面に関する現在のエッチング技術
は、運動衝撃による基板からの材料の除去に依存する。
通常はアルゴンのような希ガスである入力イオンの運動
エネルギは衝撃時に基板に転送され、基板分子を破砕し
て除去する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方法は２つの欠点がある。第１はエッチングされた領域
における累積された破片の存在に関し、第２はエッチン
グされた領域の深さおよび形状の制御に関する。

【０００５】累積された破片に関して、除去された材料
は、隕石がクレーター中に落下するように破片がエッチ
ングされた構造に落下することができ、あるいはエッチ
ングされた溝の側壁に付着することができる。この破片
は、光学表面の特性を調整するのに重要である高度に画
定された、すなわち深い構造のエッチングを妨げる。

【０００６】エッチングされた領域の深さおよび形状の
制御に関して、従来の処理によるイオンの運動エネルギ
は陽極電圧を調整することによって変化される。しかし
ながら、この制御の方法は十分な正確さを有しない。

【０００７】したがって、結局、正確な光格子、二次元
格子構造、および２進光学の形成のために表面を変形す
るエッチング処理が必要となる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、その光
学的特性を変化させるマイクロ構造を形成するために表
面基板を変形する処理が提供される。その処理は、表面
上に準備されている選択されたパターンにより反応性イ
オンビームエッチングによってマイクロ構造を形成する
ことを含む。

【０００９】光学表面の反応性イオンビームエッチング
（ＲＩＢＥ）は、従来の方法に対する２つの異なる利点
を有する。第１に、ＲＩＢＥは破片の除去を高める。反
応性イオンが基板によって化学反応を受けるので、除去
された材料は容易に除去される揮発性ガスの形態とする
ことができる。第２に、ＲＩＢＥは、特に表面が大き
く、あるいは平坦でなく、通常の（プラズマ生成され
た）反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって均一に
エッチングされないときのエッチング領域の深さおよび
形状の正確な制御を可能にする。材料除去方法は化学反
応によるため、ガス混合物における不活性ガスに関する
反応性イオンの割合を制御することによってエッチング
速度の新しい制御を与え、それによってマイクロ構造の
深さおよび形状の制御を与える。

【００１０】

【実施例】正確な回折格子は２０年間にわたって製造さ
れている。回折格子は、反射鏡基板あるいは被覆材料中
にエッチングされている周期的構造である。格子の製造
の長い歴史、設計の容易さ、製造および試験によって、
これらの周期的構造が開発されている。格子製造に使用
される同様の製造方法および証明された容易さは、二次
元格子構造および２進光学的材料を製造するために使用
される。

【００１１】二次元格子は、光をトラップする深さおよ
び周期性の溝のグリッドを含む。このような構造は、光
路における迷光の効果を減少するために使用される。

【００１２】２進光学装置は、アナログ状態へのデジタ
ルアプローチである。この実施例において、一連の個々
のエッチングされる工程は、平滑に変化するトポロジー
を有している表面に近似させるために表面に形成され
る。

【００１３】本発明によれば、反応性イオンビームエッ
チング（ＲＩＢＥ）と呼ばれるこれらの光表面の生産を
容易にするイオンエッチングの新しい方法が使用され
る。ＲＩＢＥはそれ自体は既知の処理であるが、表面上
に正確な光学的構造を製造する場合における使用は新し
く考えられている。

【００１４】基本的な考えは基板に関して化学的に反応
するイオンにより光学表面のイオンマスクされた領域を
エッチングすることであり、それによって現存している
技術より早く、深くおよびさらに制御されたエッチング
を生じる。これらの技術は、特に反射防止層をシミュレ
ートする二次元格子構造の生産における光学表面を形成
する新しい独特の方法を構成する。

【００１５】反応性イオンビームエッチングは、光格
子、二次元格子構造および２進光学装置用のすぐれたマ
イクロ構造表面を生成する。特定の利点は、エッチング
された形状の達成できる深さが深いことおよび正確な制
御が可能なことである。これらの利点は、集積回路の製
造において使用される一般的な反応性イオンエッチング
技術を使用しては得られない。本発明による反応性イオ
ンビームエッチングの使用は、マイクロ構造に基づいた
すぐれた光学表面の生成に根本的に重要である。

【００１６】本発明の処理は、図１および２に示されて
いる。図１の（ａ）に示されている処理の第１の工程に
おいて、基板材料、すなわちバッフル材料10は通常の方
法で清浄にされ、光学的被覆のために準備される。回折
格子に関して、バッフルの実例は、ガラス、水晶、Ｃｄ
Ｓｅ、あるいはＺｎＳｅのような回折格子を製造するた
めに使用された任意の一般の材料を含む。二次元格子に
関して、通常、ベリリウムあるいはアルミニウムのよう
な軽量金属が使用される。代りとなる材料は、炭化物、
ホウ化物、および窒化物のようなセラミックスを含む。

【００１７】反応性ガスと反応する適当な被覆材料の薄
い層12は、選択されたバッフル材料10の表面上に付着さ
れる。このような材料の１例は、二酸化珪素ＳｉＯ₂で
ある。別の酸化物も本発明の実施において使用されるこ
とができる。

【００１８】被覆材料12は、ピンホールがないように十
分な厚さでなければならないが、ＲＩＢＥの使用による
エッチングに過度の時間を必要とする厚さではならな
い。一般に、被覆材料12は約０．０５乃至０．５μｍの
厚さの範囲である。１例として、ＳｉＯ₂に関しては、
約０．２μｍの厚さが十分であると考えられる。

【００１９】図１の（ｂ）に見られるように、被覆層12
は、格子あるいはその他の光構造を形成するために所望
の周期的構造を光学的に記録するために使用されるフォ
トレジスト層14で覆われる。フォトレジスト層14の組成
およびその処理は通常よく知られている。フォトレジス
ト層14は、下側の被覆層12へのパターンの転写を可能に
するのに十分な厚さに付着される。

【００２０】パターンをフォトレジスト層14に形成する
ために、マスク16がフォトレジストの表面上に配置さ
れ、典型的に１０乃至２０秒の周期で紫外線光源（図示
されていない）からの紫外線（ＵＶ）放射18によって照
射される。水銀の光源が都合よく使用される。処理のこ
の部分は図１の（ｃ）に示されている。マスク16の透明
な部分（図示されていない）を通過する短い波長の放射
18は、フォトレジストの露出された領域において化学変
化を生じる。

【００２１】ホログラフィック映像の生成を含んでいる
別の実施例において、コヒーレントな光の２つのビーム
は基板表面で干渉され、フォトレジスト層14中に記録さ
れる干渉縞パターン（図示されていない）を形成する。
ＵＶ放射の使用にまさるこの方法の利点は、直径１メー
トル程度の大きな領域が処理されることができることで
ある。例えば、約４１３１オングストロームの波長の可
視スペクトルの青い部分において動作するレーザが使用
される。

【００２２】接触プリントマスク16は、開口領域および
影の領域を有する金属あるいはプラスチック基板を具備
する。フォトレジスト層14上にマスク16を配置し、光線
18で照射することによって、マスクの開口領域はフォト
レジストを露光することを可能にし、影の領域は暗く露
出されないままである。

【００２３】現像材料を使用して、フォトレジスト14の
露出された領域は、図１の（ｄ）に示されているように
フォトレジストにおける所望の周期的構造を残して洗い
取られる。パターンは、輪郭特徴が良好に画定され、フ
ォトレジストパターンの列の開口が開けられることを決
定するために顕微鏡で検査される。

【００２４】次に、ＣＦ₄あるいはＣＨＦ₃のようなフ
ッ素含有ガス状エッチング剤による反応性イオンビーム
エッチングを使用して、パターン19は図１の（ｅ）に示
されているような複製されたパターン20を形成するため
にＳｉＯ₂層12に転送される。反応性イオンビームエッ
チング中の圧力は、１０^-5乃至１０^-3トルの範囲にわた
る。

【００２５】フォトレジスト14によってマスクされてい
るＳｉＯ²層12の領域は被覆されており、フッ素イオン
と反応せず、エッチングしない。フォトレジスト層14の
残りの部分は、通常の溶剤を使用して除去される。

【００２６】異なる反応性化学的種を使用している第２
のイオンエッチングは、図１の（ｆ）に示されているよ
うに基板10にパターン20を模写し、溝22を形成する。例
えば、ベリリウムおよびアルミニウムに関して、反応性
イオンエッチング剤は、アルゴンまたはヘリウムのよう
な不活性ガスキャリアによる塩素である。このような塩
素含有エッチング液の１実施例はＣＣｌ₄である。再
び、圧力は、１０^-5乃至１０^-3トルの範囲である。

【００２７】ＳｉＯ₂材料12はフォトレジストよりさら
に耐久性があり、基板10中の溝22のエッチング中に劣化
されない。最終工程として、ＳｉＯ₂層12は、乱されて
いない周期的特徴22を残して基板10から化学的に除去さ
れる。

【００２８】本発明の処理は、赤外線用の場合に関し
て、２乃至３μｍの周期性を有する間隔が約１μｍで深
さが約０．５乃至１．５μｍの深さの溝の製造を可能に
する。可視スペクトル用の場合に関して、溝は、約０．
５μｍの周期性を有しており、間隔が０．５乃至１．５
μｍであり、深さが約０．７μｍである。前述の例示的
な寸法および波長は、二次元格子用の場合に関する。

【００２９】回折格子に関して、同じ周期性が使用され
ているが、深さは回折される波長に依存して約０．１μ
ｍ乃至約０．２５μｍの範囲である。

【００３０】本発明は、大きな領域（メートル程度の寸
法）の平坦でない表面上の１以上のアスペクト比を有し
ている溝のようなマイクロメートル未満の寸法の製造を
効果的に可能にし、ここで使用されるアスペクト比は深
さと幅の比として定められる。このような性能は、通常
のプラズマＲＩＥあるいはイオンビームミリング（スパ
ッタ）によっては得られない。

【００３１】２進光学的表面の処理において、マスクパ
ターンが表面の一部分に供給され、残りの（開いた）領
域はエッチング処理によって除去される。所望の最終的
な光学的表面はマスクおよびエッチング工程の反復によ
って形成され、マスク周期性およびエッチング深さは所
望の形状を生成するために設定する。

【００３２】反応性イオンビームエッチングは非常に正
確であり、制御可能な処理である。図２に示されている
ように、基板10は水平面において均一なエッチングを達
成するためにイオンソース26の前方で水冷式の移動ステ
ージ24によって移動される。成形された開口28は、垂直
方向の均一性を与えるためにイオンソース26において生
成されたイオンビーム30の前方に位置される。

【００３３】イオンソース26は、イオン放電チャンバ34
中に反応性ガスあるいは反応性ガス混合物を導入する反
応性ガス入力ライン32を具備する。反応性ガスは、ＣＦ
₄、ＣＨＦ₃、ＳＦ₆、ＣＬ₂、ＣＣｌ₄等のような反
応性イオンエッチングにおいて使用された任意の反応性
ガスから形成される。反応性ガス混合物は、１つ以上の
反応性ガスの混合物、あるいは１つ以上の不活性ガスと
１つ以上の反応性ガスとの混合物を含む。不活性ガスの
例として、Ｈｅ、Ａｒ、Ｘｅ等が含まれる。

【００３４】図示されていない手段によって付勢される
陰極36は、ガス混合物からイオン40および電子42を形成
する。磁極部材44は、プラズマ効率を改善するために随
意に使用される。このような磁極部材は、通常、市販の
ＲＩＢＥ装置に組み込まれている。中和装置46はイオン
ビーム中にトラップされる超過した数の電子を供給し、
表面電荷がイオン衝突ビームおよび反応性の種をはね返
し、あるいは歪ませる原因となる絶縁表面上の蓄積を防
ぐ。

【００３５】本発明の実施においてＲＩＢＥ装置を動作
させる処理条件は通常のとおりである。通常、圧力は約
１０^-4トルであり、ビーム電流密度は１平方センチメー
トル当り約１ミリアンペア（ｍＡ／ｃｍ²）までであ
る。ガスの流速は、特定の適用に対して変化するが、１
分当り約８立方センチメートル（ｓｃｃｍ）である。

【００３６】前述の処理を使用して、±２０オングスト
ローム内の誤差で設計された深さに種々の材料に溝を形
成する能力は証明されている。基板を横切るエッチング
の深さの均一性は、一定の±２０オングストロームであ
る。

【００３７】本発明の反応性イオンビームエッチング処
理は、光学的材料の表面において非常に正確な特徴を生
成する。これらの特徴は、強度のレーザビーム内の照射
中に損傷を受けやすい小さなフィラメントおよびこぶ状
部分がないことである。

【００３８】所望ではないが考慮されているエッチング
処理は、その中にパターン20を模写するための基板10の
表面の通常のアルゴン付着エッチングである。このアル
ゴンイオン整合処理は、反応性イオンビームエッチング
と比較されるときにいくつかの欠点を有する。第１は、
必要とされた深さの高品質の特徴を生成することが不可
能である。２，０００オングストローム程度に溝が深い
場合のアルゴン付着処理によれば、材料は除去中に溝の
上部へ除去されず、材料は溝の側壁および底部に再付着
する。この材料の再付着は、粗く、幾つもの小さな材料
のこぶ状部分から成る特定の組織を有する溝の上部およ
び側面に生じる。これらのこぶ状組織は、レーザからの
熱衝撃あるいは機械的衝撃のような衝撃の場合には側壁
にしっかりと付着されておらず、これらのこぶ状部分は
脱落し、光学的装置の故障を生じる。

【００３９】このように、基板に光学的構造を製造する
ための反応性イオンビームエッチング処理が開示されて
いる。明瞭な性質の様々な変化および変更が本発明の技
術的範囲から逸脱することなしに行われ、このような変
化および変更の全てが特許請求の範囲に限定されている
ように本発明の技術的範囲内にあると考えられること
は、当業者に容易に明瞭となるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の処理の断面図。

【図２】本発明の実施において使用される装置の概略
図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者チャールズ・エル・シャアーブアメリカ合衆国、ニューヨーク州 10570、プレザントビル、パーク・ストリート 77 (72)発明者ヒュー・エル・ガービンアメリカ合衆国、カリフォルニア州 90265、マリブ、ホライゾン・ドライブ 5540 (72)発明者クラウス・ロビンソンアメリカ合衆国、カリフォルニア州 91367、ウッドランド・ヒルズ、ナンバー13、カルバート・ストリート 22040 (56)参考文献特開平５−142403（ＪＰ，Ａ) 特開平３−253802（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光学的特性を変化させるマイクロ構造を
形成するためにベリリウムまたはアルミニウムからなる
基板の表面を変形する処理方法において、（ａ）前記基板上に酸化物を含む被覆層を形成し、（ｂ）前記被覆層上にマスク層を形成し、（ｃ）前記マスク層にパターンを形成し、（ｄ）前記被覆層の部分を露出しそして前記マスク層を
エッチングせずに残すように、フッ素含有ガスを含む第
１の反応性イオンビームを接触させることにより、前記
被覆層に前記パターンを反応性イオンビームエッチング
し、（ｅ）溶剤により前記マスク層を除去し、（ｆ）前記パターンを前記基板の前記表面に転写しそし
て前記被覆層をエッチングせずに残すように、前記第１
の反応性イオンビームとは異なる塩素含有ガスを含む第
２の反応性イオンビームを接触させることにより前記被
覆層の前記パターンを通して反応性イオンビームエッチ
ングを行い、（ｇ）前記被覆層を化学的処理により除去する工程を含
み、前記マイクロ構造が約０．５乃至１．５μｍの幅と約
０．５乃至１．５μｍの深さを有し、幅に対する深さの
比が１より大きいことを特徴とする処理方法。
【請求項２】前記被覆層は二酸化珪素を含む請求項１
記載の処理方法。
【請求項３】前記マスク層はフォトレジストを含む請
求項１記載の処理方法。
【請求項４】前記パターンが形成されているコンタク
トマスクを設け、このコンタクトマスクを通る紫外線放
射に前記フォトレジストを露出することによって、前記
パターンが前記フォトレジスト層中に形成される請求項
３記載の処理方法。
【請求項５】前記パターンがコヒーレントな光の２つ
のビームの干渉からホログラフ映像を形成することによ
って前記フォトレジスト層に形成される請求項４記載の
処理方法。
【請求項６】前記表面は平坦でない表面である請求項
１記載の処理方法。
【請求項７】前記表面がメートル程度の寸法範囲の領
域を有している請求項１記載の処理方法。