JPH07256473A - 光分解を利用した固体の多段階エッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】エッチングの加工速度を高速化するとともに、
微細パターン加工やウェット・エッチングの際において
レジストを設ける必要性を排除して、加工工程を簡素化
し作業性を向上させた光分解を利用した固体の多段階エ
ッチング方法を提供する。 【構成】光がエッチングする対象物に強い吸収を持つ光
であって、照射エネルギーが少なくとも１光子解離ある
いは多光子解離により原子間結合を切断して光分解を発
生させる大きさである光を照射する第一の工程と、対象
物の少なくとも第一の工程により光を照射された領域を
エッチング処理する第二の工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光分解を利用した固体
の多段階エッチング方法に関し、さらに詳細には、１光
子解離あるいは多光子解離による光分解を利用した固体
の多段階エッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従来
より、光の吸収端が紫外よりも短い波長にある物質など
は、一般的に構成原子間の結合エネルギーが強いため、
エッチングなどの加工を行うことが困難であることが知
られている。

【０００３】例えば、石英ガラスは、光の吸収端が１７
０ｎｍ付近にあり、結合エネルギーも８ｅＶ程度である
ため、通常のレーザー光、イオン・ビーム光あるいはプ
ラズマなどを用いたエッチング方法では、エッチングの
加工速度が遅いという問題点があった。

【０００４】即ち、波長が１９０ｎｍ以下の真空紫外で
照射エネルギーの大きな光（レーザー光の場合にはレー
ザー・フルエンスの大きなレーザー光）を得ることが、
現在においては極めて困難であるため、結合エネルギー
の高い材料に対してレーザー・アブレーションなどのエ
ッチング加工を損傷を与えることなく高速で行うことが
できなかった。

【０００５】例えば、既存の紫外レーザー（エキシマ・
レーザーやＮｄ：ＹＡＧレーザー４次調波）でもアブレ
ーションは生じるが、ほとんど基板に吸収がないため大
きなレーザー・フルエンスを必要とし、それによって熱
的加工が支配的となって、加工部位に多大な損傷を与え
るといった問題が生じている。

【０００６】また、イオン・ビームやプラズマを用いて
微細パターンの加工を行う場合には、光リソグラフィの
工程によりレジストを設ける必要があるため、加工工程
が複雑になって作業が煩雑になるという問題点が指摘さ
れていた。

【０００７】一方、加工を高速で行うためには、一般的
にフッ酸を用いたウェット・エッチングが行われている
が、この場合にも光リソグラフィの工程によりレジスト
を設ける必要があるため、上記と同様に加工工程が複雑
になって作業が煩雑になるという問題点が指摘されてい
るとともに、特に、微細加工の場合には等方的エッチン
グによるアンダー・カットが問題となっていた。

【０００８】本発明は、従来の技術の有するこのような
種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは、エッチングの加工速度を高速化するとと
もに、微細パターン加工やウェット・エッチングの際に
おいてレジストを設ける必要性を排除して、加工工程を
簡素化し低損傷で作業性を向上させた光分解を利用した
固体の多段階エッチング方法を提供しようとするもので
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による光分解を利用した固体の多段階エッチ
ング方法は、エッチングする対象物に対して大きい吸収
を持ち、照射エネルギーが少なくとも１光子解離あるい
は多光子解離により原子間結合を切断して、熱的損傷を
与えることなく光分解を発生させる大きさである光を照
射する第一の工程と、上記対象物の少なくとも上記第一
の工程により光を照射された領域をエッチング処理する
第二の工程とを有するようにしたものである。

【００１０】

【作用】波長が短い光、即ち、光子エネルギーの大きい
光（短波長光）、あるいはパルス幅の短い光、即ち、ピ
ーク・パワー強度の大きい光（極短パルス光）をまず対
象物たる固体表面に照射し（以下、この光の照射を「予
備照射」と称す。）、当該予備照射による１光子解離あ
るいは多光子解離によって固体中の原子間の結合を切断
する。これによって、当該予備照射された領域の光の吸
収端が長波長側にシフトすることになり、当該予備照射
された領域は、エッチング処理により選択的かつ高速に
エッチングすることができるようになる。

【００１１】例えば、対象物に対して予備照射を行う際
に、マスクを通して対象物たる固体表面に光を縮小投影
露光する予備照射を行うと、マスクを通して予備照射さ
れた領域のみが、１光子解離あるいは多光子解離によっ
て固体中の原子の結合を切断されて改質され、光リソグ
ラフィの工程によりレジストを設けることなしに、予備
照射された領域のみをエッチングして微細パターニング
を行うことができるようになる。

【００１２】即ち、予備照射後のエッチング手段として
レーザー・アブレーションを用いた場合には、予備照射
によって対象物の光の吸収端が長波長側にシフトするた
め、予備照射前にはほとんど吸収を持たず、かつ予備照
射後には強い吸収を持つレーザー光を照射すれば、予備
照射された領域のみにレーザー光のエネルギーは吸収さ
れて、レジストを設けることなしに予備照射された領域
のみを選択的かつ高速にエッチングすることができる。

【００１３】一方、予備照射後のエッチング手段として
ウェット・エッチングを用いた場合には、予備照射によ
って原子間の結合が切断された領域のエッチング速度
は、予備照射が行われない領域のエッチング速度と比較
すると格段に高速となるため、予備照射された領域と予
備照射されない領域とのエッチング速度の差を利用し
て、光リソグラフィの工程によりレジストを設けること
なしに、微細パターニングのエッチングを行うことがで
きる。

【００１４】

【実施例】以下、図面に基づいて、本発明による光分解
を利用した固体の多段階エッチング方法の実施例を詳細
に説明することとする。

【００１５】図１には、本発明の一実施例による光分解
を利用した固体の多段階エッチング方法が示されてお
り、予備照射の後にレーザー・アブレーションを行う実
施例が示されている。

【００１６】この実施例においては、まず第１工程とし
て、エッチングの対象物たる石英ガラス基板１０（Ｓｉ
Ｏ₂：本実施例における石英ガラス基板１０の光の吸収
端は１７０ｎｍ程度である）の表面に、波長１６０ｎｍ
のレーザー光Ａを、照射エネルギーたるレーザー・フル
エンス２００ｍＪ／ｃｍ²で１００パルス照射する予備
照射を行う（図１（ａ））。

【００１７】なお、石英ガラス基板１０の表面における
レーザー光Ａのスポット・サイズの直径は、約２００μ
ｍφである。

【００１８】このようにして、石英ガラス基板１０の表
面にレーザー光Ａの予備照射が行われると、予備照射領
域１２のＳｉ−Ｏ結合が切断されて、ＳｉＯ_x（ｘ＜
２）が形成されることになる（図１（ｂ））。

【００１９】次に、第２工程として、石英ガラス基板１
０の表面に対して行うエッチング処理としてのレーザー
・アブレーションを行う。即ち、石英ガラス基板１０の
予備照射領域１２上に、波長２６６ｎｍのレーザー光Ｂ
をレーザー・フルエンス２Ｊ／ｃｍ²で１０パルス照射
する（図１（ｃ））。

【００２０】なお、石英ガラス基板１０の表面における
レーザー光Ｂのスポット・サイズの直径は、約１ｍｍφ
である。

【００２１】こうして、第２工程におけるレーザー光Ｂ
の照射の結果、予備照射領域１２のみが選択的にアブレ
ーションされることになり、アブレーション領域１４が
形成される（図１（ｄ））。

【００２２】なお、波長２６６ｎｍのレーザー光のみで
石英ガラス基板１０に対するレーザー・アブレーション
を行ったときのレーザー・フルエンスの閾値は、約２．
１Ｊ／ｃｍ²であり、これ以下の値ではアブレーション
は発生しない。

【００２３】ところが、予備照射を行った後において
は、上記した閾値より低い２Ｊ／ｃｍ²のレーザー・フ
ルエンスで波長２６６ｎｍのレーザー光を照射した場合
でも、上記したようにアブレーションが発生することに
なる。

【００２４】図２乃至図４には、上記図１（ａ）乃至図
１（ｄ）に基づいて説明した工程によってエッチング加
工を行った石英ガラス基板１０の加工形状が示されてい
る。即ち、図２乃至図４は、図１（ａ）乃至図１（ｄ）
に示す石英ガラス基板１０の表面の加工状態を拡大して
示すものであり、縦軸にエッチング深さをとり、横軸に
エッチング幅をとって示している。

【００２５】図２は、第１工程の波長１６０ｎｍのレー
ザー光Ａの予備照射を行った直後の石英ガラス基板１０
の状態であるが、アブレーションは生じず形状の変化は
見られない。

【００２６】また、図３は、比較のために第１工程の予
備照射を行うことなしに、第２工程の波長２６６ｎｍの
レーザー光Ｂのみを照射した場合の石英ガラス基板１０
の状態を示すが、この場合にもアブレーションは生じず
形状の変化は見られない。

【００２７】そして、図４には、第１工程の波長１６０
ｎｍのレーザー光Ａの予備照射を行った後に、第２工程
の波長２６６ｎｍのレーザー光Ｂを照射した場合の石英
ガラス基板１０の状態が示されており、図２ならびに図
３とは異なりアブレーションが生じており、深さ約４０
μｍの溝が形成されている。

【００２８】なお、この際の第２工程におけるエッチン
グ速度は０．４μｍ／ｓであり、従来のエッチング方法
と比較すると極めて高速である。また、上記したよう
に、予備照射における石英ガラス基板１０表面のレーザ
ー光Ａのスポット・サイズの直径は約２００μｍφであ
り、またレーザー・アブレーションにおける石英ガラス
基板１０表面のレーザー光Ｂのスポット・サイズの直径
は約１ｍｍφであるのに対し、図４におけるアブレーシ
ョンの直径は約２００μｍφとなっており、予備照射領
域のみがアブレーションされていることが確認された。

【００２９】このように予備照射の後に第２工程のレー
ザー・アブレーションを行うことにより、効果的なアブ
レーションを行うことができる。

【００３０】また、上記した実施例において予備照射に
用いたレーザー光の波長のみを変化させて、上記第１工
程および第２工程の処理を行った結果が、図５に示され
ている。

【００３１】図５から明らかなように、いずれの波長の
予備照射においても、予備照射のみではアブレーション
は発生してない。

【００３２】しかしながら、上記したように波長１６０
ｎｍのレーザー光を予備照射した後に第２工程の波長２
６６ｎｍのレーザー光を照射した場合と、波長１７１ｎ
ｍのレーザー光を予備照射した後に第２工程の波長２６
６ｎｍのレーザー光を照射した場合とにおいては、石英
ガラス基板１０にアブレーションが発生した。

【００３３】従って、上記のことよりアブレーション・
プロセスにおいては、波長１７１ｎｍ以下の波長成分の
レーザー光の予備照射が有効であることがわかる。そし
て、この波長１７１ｎｍとは、石英ガラス基板１０の光
の吸収端の波長たる約１７０ｎｍにほぼ一致するため、
エッチングする対象物に大きな吸収を持つ光の予備照射
によって、予備照射領域に原子間結合を切断する光解離
を発生させることができ、その結果、第２工程により高
速なエッチングが行われるものである。以下、この点に
ついて詳細に説明する。

【００３４】図６乃至図７には、図１に示す第１工程で
予備照射を行った予備照射領域の原子の結合状態を、Ｘ
線光電子分光法（ＸＰＳ）によって評価した結果が示さ
れている。

【００３５】図６は、Ｓｉ−２ｐ軌道に関するものであ
り、図１に示す第１工程で予備照射された石英ガラス基
板１０のＳｉ−２ｐ軌道スペクトルは、予備照射されて
いない石英ガラス基板１０のＳｉ−２ｐ軌道スペクトル
に比べて、ピークが０．２ｅＶ乃至０．３ｅＶ低エネル
ギー側へシフトしている。

【００３６】ここにおいて、一般的に酸化物では、酸化
数が減少すると結合エネルギーが低下し、ピークが低エ
ネルギー側へシフトするものであることが知られてい
る。従って、図６におけるピークの低エネルギー側への
シフトは、予備照射によりＳｉＯ₂のＯが光解離され、
即ち、Ｓｉ−Ｏ結合が切断されて、ＳｉＯ_x（ｘ＜２）
が生成されたことに起因するものである。

【００３７】また、図７は、Ｏ−１ｓ軌道に関するもの
であるが、図１に示す第１工程で予備照射された石英ガ
ラス基板１０のＯ−１ｓ軌道スペクトルにおいては、５
３５ｅＶ付近のピークの他に、５３１ｅＶ乃至５３２ｅ
Ｖ付近にもう一つのピークが観察される。この５３１ｅ
Ｖ乃至５３２ｅＶ付近の結合エネルギーは、結合を持た
ない酸素原子単体からのエネルギーのスペクトルとほぼ
一致しており、予備照射によってＳｉ−Ｏ結合が切断さ
れて酸素原子が生成されるとともに、ＳｉＯ_x（ｘ＜
２）が生成されていることを示している。

【００３８】このように、上記した実施例においては、
第１工程の予備照射により、石英ガラス基板１０中のＳ
ｉ−Ｏ結合が切断され、ＳｉＯ_x（ｘ＜２）が生成され
ることになる。そして、このＳｉＯ_x（ｘ＜２）は波長
２６６ｎｍの光に対して大きい吸収を持つ。例えば、Ｓ
ｉＯの吸収係数は、波長２４０ｎｍに対しては３×１０
⁵ｃｍ^-1程度であり、また波長３００ｎｍに対しては
１．７×１０⁵ｃｍ^-1程度である。

【００３９】従って、第１工程で予備照射された領域に
はＳｉＯ_x（ｘ＜２）が生成されて、波長２６６ｎｍの
光に対して大きい吸収を持つようになり、その結果、第
２工程により波長２６６ｎｍの光を照射すると、当該光
照射に対して光エネルギーがＳｉＯ_x（ｘ＜２）に蓄積
され、アブレーションが生じるものである。

【００４０】そして、例えば、上記した実施例において
は、第１工程において石英ガラス基板１０表面にレーザ
ー光をマスクを通して縮小投影露光する予備照射を行う
と、マスクを通して予備照射された領域のみが、１光子
解離あるいは多光子解離によって固体中の原子の結合を
切断されて改質され、光リソグラフィの工程によりレジ
ストを設けることなしに、予備照射された領域のみを第
２工程によりエッチングして微細パターニングを行うこ
とができるようになる。

【００４１】なお、上記実施例は、以下のように変形し
てもよい。

【００４２】（１）第１工程の予備照射のレーザー光な
らびに第２工程のレーザー・アブレーションのレーザー
光の波長、パルス幅、レーザー・フルエンス、パルス数
などの数値は、エッチングする対象物に応じて適宜に変
更してよいこと勿論である。

【００４３】（２）上記実施例においては、光の吸収端
が紫外よりも短い波長である石英ガラス基板をエッチン
グする場合に関して説明したが、光の吸収端が紫外より
も短い波長である他の材料や、光の吸収端が紫外よりも
長い波長の材料をエッチングする際に用いてもよいこと
は勿論である。

【００４４】（３）上記実施例においては、第２工程と
してレーザー・アブレーションを行う場合に関して説明
したが、ウェット・エッチングを行うようにしてもよ
い。

【００４５】なお、第２工程としてウェット・エッチン
グを行う場合には、予備照射によって原子間の結合が切
断された領域のエッチング速度は、予備照射が行われな
い領域のエッチング速度と比較すると格段に高速となる
ため、予備照射された領域とさない領域とのエッチング
速度の差を利用して、光リソグラフィの工程によりレジ
ストを設けることなしに、微細パターニングのエッチン
グを行うことができる。

【００４６】（４）上記実施例においては、第１工程の
予備照射を波長１６０ｎｍのレーザー光のみで行い、第
２工程のレーザー・アブレーションを波長２６６ｎｍの
レーザー光のみで行うようにしたが、第１工程で複数の
波長のレーザー光をそれぞれ予備照射したり、あるいは
第２工程で複数の波長のレーザー光でそれぞれレーザー
・アブレーションするようしてもよく、また、これら複
数のレーザー光照射よりなる第１工程と第２工程とを合
わせて行ってもよい。

【００４７】上記したように、第１工程の予備照射を複
数のレーザー光照射により行うようにすると、各レーザ
ー光の波長選択により、原子間結合の切断の状態を変化
させることができるようになり、多段階で光の吸収端を
ずらすことができるようになるため、第２工程によるレ
ーザー・アブレーションにより、特定の構成部分のみを
順次アブレーションできるようになる。

【００４８】（５）第１工程の予備照射のレーザー光の
波長を制御することにより、予備照射領域の深さを制御
して、第２工程によるレーザー・アブレーションやウェ
ット・エッチングなどにおけるアブレーション深さを制
御してもよい。

【００４９】（６）上記実施例および上記変形例におい
ては、予備照射をレーザー光により行う場合に関しての
み説明したが、これに限られることなしに、１光子解離
あるいは多光子解離によりエッチングの対象物の原子間
結合を切断して、光分解を発生させる大きさの照射エネ
ルギーを備えた光であるならば、光源はレーザーに限定
されるものではない。

【００５０】（７）上記実施例ならびに上記変形例
（１）乃至（６）を、適宜に組み合わせて実施してもよ
いことは勿論である。

【００５１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００５２】光がエッチングする対象物に大きな吸収を
持つ光であって、照射エネルギーが少なくとも１光子解
離あるいは多光子解離により原子間結合を切断して光分
解を発生させる大きさである光を照射する第一の工程
と、対象物の少なくとも第一の工程により光を照射され
た領域をエッチング処理する第二の工程とを有するよう
にしたため、光がエッチングする対象物に強い吸収を持
つ光、即ち、光子エネルギーの大きい光（短波長光）、
あるいはパルス幅の短い光、即ち、ピーク・パワー強度
の大きい光（極短パルス光）をまず対象物たる固体表面
に予備照射すると、当該予備照射による１光子解離ある
いは多光子解離によって固体中の原子間の結合を切断で
きる。

【００５３】従って、当該予備照射された領域の光の吸
収端が長波長側にシフトすることになり、当該予備照射
された領域は、エッチング処理により選択的かつ高速に
エッチングすることができるようになる。

【００５４】即ち、本発明の光分解を利用した固体の多
段階エッチング方法によれば、エッチングの加工速度を
高速化できるとともに、微細パターン加工やウェット・
エッチングの際においてレジストを設ける必要性がなく
なり、加工工程を簡素化することができるので作業性を
大幅に向上させることができる。

【００５５】また、予備照射によって、照射領域の結合
エネルギーを低下させるため、第２工程におけるエッチ
ングにおいては、熱的作用をほとんど与えることがなく
なり、それによる損傷を低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の一実施例による
光分解を利用した固体の多段階エッチング方法を示す説
明図である。

【図２】縦軸にエッチング深さをとり、かつ横軸にエッ
チング幅をとって石英ガラス基板の表面の加工状態を拡
大して示すグラフであり、第１工程の波長１６０ｎｍの
レーザー光の予備照射を行った直後の状態を示す。

【図３】縦軸にエッチング深さをとり、かつ横軸にエッ
チング幅をとって石英ガラス基板の表面の加工状態を拡
大して示すグラフであり、第１工程の予備照射を行うこ
となしに、第２工程の波長２６６ｎｍのレーザー光のみ
を照射した場合の状態を示す。

【図４】縦軸にエッチング深さをとり、かつ横軸にエッ
チング幅をとって石英ガラス基板の表面の加工状態を拡
大して示すグラフであり、第１工程の波長１６０ｎｍの
レーザー光の予備照射を行った後に、第２工程の波長２
６６ｎｍのレーザー光を照射した場合の状態を示す。

【図５】予備照射に用いたレーザー光の波長のみを変化
させて第１工程および第２工程の処理を行ったときの測
定結果を示す表である。

【図６】第１工程で予備照射を行った予備照射領域の原
子の結合状態を、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）によって
評価した結果を示すグラフであり、Ｓｉ−２ｐ軌道に関
する評価結果を示す。

【図７】第１工程で予備照射を行った予備照射領域の原
子の結合状態を、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）によって
評価した結果を示すグラフであり、Ｏ−１ｓ軌道に関す
る評価結果を示す。

【符号の説明】

１０ 石英ガラス基板 １２ 予備照射領域 １４ アブレーション領域 Ａ 波長１６０ｎｍのレーザー光 （レーザー・フルエンス２００ｍＪ／ｃｍ²で１００パ
ルス照射） Ｂ 波長２６６ｎｍのレーザー光 （レーザー・フルエンス２Ｊ／ｃｍ²で１０パルス照
射）

フロントページの続き (72)発明者 豊田 浩一 埼玉県和光市広沢２番１号 理化学研究所 内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光がエッチングする対象物に対して大き
   な吸収を生じるような光であって、照射エネルギーが少
   なくとも１光子解離あるいは多光子解離により原子間結
   合を切断して光分解を発生させる大きさである光を照射
   する第一の工程と、 前記対象物の少なくとも前記第一の工程により光を照射
   された領域をエッチング処理する第二の工程とを有する
   ことを特徴とする光分解を利用した固体の多段階エッチ
   ング方法。
2. 【請求項２】 前記第二の工程は、レーザー・アブレー
   ション処理を行う請求項１記載の光分解を利用した固体
   の多段階エッチング方法。
3. 【請求項３】 前記第二の工程は、ウェット・エッチン
   グ処理を行う請求項１記載の光分解を利用した固体の多
   段階エッチング方法。