基板のプラズマ処理方法
【課題】マスクパターンが配置されたサファイア基板に対して、プラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する基板のプラズマ処理において、ＰＲ選択比を向上させて、凹凸構造の高アスペクト比化や微細化を実現する。
【解決手段】サファイア基板のプラズマ処理方法において、表面に配置されたレジスト膜によりマスクパターンが形成されたサファイア基板に対して、ＢＣｌ３が主体のガスにＣＨ２Ｆ２ガスを混合した混合ガスを用いてプラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する。
【解決手段】サファイア基板のプラズマ処理方法において、表面に配置されたレジスト膜によりマスクパターンが形成されたサファイア基板に対して、ＢＣｌ３が主体のガスにＣＨ２Ｆ２ガスを混合した混合ガスを用いてプラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マスクパターンが配置されたサファイア基板に対して、プラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する基板のプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤデバイスの製造工程において、デバイスからの光の外部取出し効率を向上させるために、サファイア基板の表面に凹凸構造を形成する工程としてエッチング処理（プラズマ処理）が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来のサファイア基板に対するエッチング処理では、まず、サファイア基板の表面にフォトレジスト（レジスト膜）を配置してマスクパターンを形成し、その後、ＢＣｌ３が主体のガスを用いて、サファイア基板に対するプラズマ処理が行われる。これにより、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた部分に円錐状または円錐台状の複数の突起から成る凹凸構造が形成される。このように凹凸構造が形成されたサファイア基板は、ＰＳＳ（Patterned Sapphire Substrate）と呼ばれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９４１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、ＬＥＤデバイスにおいて、デバイスからの光の外部取出し効率をさらに向上させるために、ＰＳＳにおいて凹凸構造の高アスペクト比化や微細化が求められている。このように凹凸構造の高アスペクト比化や微細化を図るためには、エッチング処理におけるＰＲ選択比（サファイア基板のエッチングレート／レジスト膜のエッチングレート）を高める必要がある。
【０００６】
しかしながら、サファイアは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶であるため、ＢＣｌ３が主体のガス系でエッチング処理を行うと、サファイアから発生するＯとＣｌとによりレジスト膜がエッチングされる。そのため、プロセス条件の最適化を図っても、高いＰＲ選択比を得ることができない。
【０００７】
また、凹凸構造を微細化するためにマスクパターンを微細化すると、レジスト膜自体が脆弱となるため、ＰＲ選択比を向上させることが難しい。
【０００８】
従って、本発明の目的は、上記課題を解決することにあって、マスクパターンが配置されたサファイア基板に対して、プラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する基板のプラズマ処理において、ＰＲ選択比を向上させて、凹凸構造の高アスペクト比化や微細化を実現できる基板のプラズマ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１０】
本発明の第１態様によれば、表面に配置されたレジスト膜によりマスクパターンが形成されたサファイア基板に対して、ＢＣｌ３が主体のガスにＣＨ２Ｆ２ガスを混合した混合ガスを用いてプラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する、基板のプラズマ処理方法を提供する。
【００１１】
本発明の第２態様によれば、ＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率が５〜２５％の範囲である、第１態様に記載の基板のプラズマ処理方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、ＢＣｌ３が主体のガスにＣＨ２Ｆ２ガスを混合した混合ガスを用いて、サファイア基板に対するプラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する。これにより、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合しない場合に比べて高いＰＲ選択比を得ることができる。よって、ＰＳＳの凹凸構造に対して、高アスペクト比化または微細化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態にかかるドライエッチング装置の構成図
【図２】エッチング処理工程（ＰＳＳ作成工程）の説明図
【図３】混合するガスの混合比率を変えてテストを行った結果のグラフ
【図４】実施例２と比較例１との凹凸構造の対比説明図
【図５】混合するガスの種類を変えてテストを行った結果のグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
（実施の形態）
本発明の一の実施の形態に係るプラズマ処理装置の一例としてＩＣＰ（誘導結合プラズマ）型のドライエッチング装置１の構成図を図１に示す。
【００１６】
ドライエッチング装置１は、サファイア基板２にプラズマ処理を行う処理室を構成するチャンバ（真空容器）３を備える。チャンバ３の上端開口は石英等の誘電体により形成された天板４により密閉状態で閉鎖されている。天板４上にはＩＣＰコイル５が配置されている。ＩＣＰコイル５にはマッチング回路を含む第１の高周波電源部６が電気的に接続されている。天板４と対向するチャンバ３内の底部側には、バイアス電圧が印加される下部電極としての機能及び基板２の保持台としての機能を有する基板ステージ１０が配置されている。
【００１７】
また、チャンバ３に設けられたエッチング用のガス導入口３ａには、ガス供給部７が接続されている。ガス供給部７には、複数種類のガスの供給ラインが備えられており、それぞれのガス種のライン毎に設けられた開閉バルブ７ａ、７ｂ、および流量調整部７ｃの開閉動作および開度が選択的に制御されることにより、ガス導入口３ａから所望の流量および仕様の処理ガスを供給できる。本実施の形態では、ガス供給部７には、複数種類のガスとして、例えば、ＢＣｌ３、Ｃｌ２、Ａｒのガス供給ラインが備えられており、これらのガス供給ラインに加えてＣＨ２Ｆ２のガス供給ラインが備えられている。また、チャンバ３に設けられた排気口３ｂには、真空ポンプや圧力制御弁等から構成される圧力制御部８が接続されている。
【００１８】
ドライエッチング装置１では、基板２の搬入出の際に、複数の基板２がトレイ９に収容された状態にて取り扱われる。薄板円盤状のトレイ９には、厚み方向に貫通する複数の円孔である基板収容孔９ａが形成されており、基板収容孔９ａの内壁面には、孔中心に向けて突出する環状の基板支持部９ｂが形成されている。それぞれの基板収容孔９ａでは、基板２の外周縁部の下面部分が基板支持部９ｂの上面に支持された状態にて、基板２が収容される。
【００１９】
トレイ９の材質としては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）等のセラミクス材や、アルマイトで被覆したアルミニウム、表面にセラミクスを溶射したアルミニウム、樹脂材料で被覆したアルミニウム等の金属がある。Ｃｌ系プロセスの場合にはアルミナ、イットリア、炭化シリコン、窒化アルミニウム等、Ｆ系プロセスの場合には石英、水晶、イットリア、炭化シリコン、アルマイトを容射したアルミニウム等を採用することが考えられる。なお、本実施の形態では、炭化シリコンを主材料として形成されたトレイ９が用いられる。
【００２０】
図１に示すように、基板ステージ１０は、セラミクス等の誘電体部材により形成されたステージ上部１１と、表面にアルマイト被覆を形成したアルミニウム等により形成され、バイアス電圧が印加される下部電極として機能する金属ブロック１２と、絶縁体１３とを備える。基板ステージ１０の最上部に配置されるステージ上部１１は、金属ブロック１２の上面に固定されており、ステージ上部１１および金属ブロック１２の外周が絶縁体１３により覆われている。
【００２１】
円板状のステージ上部１１の上端面は、トレイ９の下面を支持するトレイ支持部１４となっている。また、トレイ９のそれぞれの基板収容孔９ａと対応する短円柱状の複数の基板保持部１５がトレイ支持部１４から上向きに突出して形成されている。
【００２２】
ここで、トレイ９、基板２、および基板保持部１５等の関係について説明する。それぞれの基板２は、その縁部がトレイ９の基板支持部９ｂにより支持された状態にて、それぞれの基板収容孔９ａ内に収容される。トレイ９の下面がトレイ支持部１４上に配置された状態では、基板保持部１５により基板２が押し上げられ、トレイ９の基板支持部９ｂから基板２が離間した状態とされる。すなわち、基板収容孔９ａに基板２を収容しているトレイ９をステージ上部１１上に配置すると、基板収容孔９ａに収容された基板２は基板支持部９ｂから浮き上がり、基板２の縁部と基板支持部９ｂとが互いに離間した状態にて、基板２の下面が基板保持部１５上に配置される。
【００２３】
ステージ上部１１に設けられた個々の基板保持部１５にはＥＳＣ電極（静電吸着用電極）１６が内蔵されている。これらのＥＳＣ電極１６は電気的に互いに絶縁されており、直流電源を内蔵するＥＳＣ駆動電源部２０から静電吸着用の直流電圧が印加される。
【００２４】
それぞれの基板保持部１５の上面には冷却ガス供給口１７が設けられており、それぞれの冷却ガス供給口１７は冷却ガス供給路１８を通じて共通の冷却ガス供給部２１に接続されている。なお、本実施の形態では、冷却ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）が用いられ、プラズマ処理中において、基板保持部１５と基板２との間に冷却ガスが供給されることで基板２の冷却が行われる。
【００２５】
金属ブロック１２には、バイアス電圧としての高周波を印加する第２の高周波電源部２２が電気的に接続されている。第２の高周波電源部２２はマッチング回路を備えている。
【００２６】
また、金属ブロック１２内には、金属ブロック１２を冷却するための冷媒流路１９が形成されており、冷却ユニット２３より温度調節された冷媒が冷媒流路１９に供給されることで、金属ブロック１２が冷却される。
【００２７】
次に、上述したような構成を有するドライエッチング装置１を用いて、サファイア基板２の表面に対してエッチング処理を行って、微小な凹凸構造を形成する加工（ＰＳＳ：Patterned Sapphire Substrate）について説明する。
【００２８】
エッチング処理用のガスとしては、ＢＣｌ３が主体のガスにＣＨ２Ｆ２ガスを所定の混合比率にて混合した混合ガスが用いられ、ガス供給部７からガス導入口３ａを通じて混合ガスがチャンバ３内に供給される。それとともに、圧力制御部８によりチャンバ３内は所定圧力に調整される。続いて、第１の高周波電源部６からＩＣＰコイル５に高周波電圧を印加する。これによりチャンバ３内にプラズマが発生する。また、第２の高周波電源部２２により金属ブロック１２にバイアス電圧を印加し、チャンバ３内で発生したプラズマを基板ステージ１０側へ引き寄せる。このプラズマにより、サファイア基板２に対するエッチング処理が行われる。なお、エッチング処理中は、それぞれの基板２がＥＳＣ電極１６により静電吸着され、基板２と基板保持部１５との間に供給される冷却ガスにより基板２が冷却される。
【００２９】
ここで、サファイア基板２の表面に対するエッチング処理を行うことにより実施されるＰＳＳ加工についてその概略を、図２（Ａ）〜（Ｅ）の説明図を用いて説明する。
【００３０】
まず、図２（Ａ）に示すように、サファイア基板２の表面には突起状の複数のレジスト５１（レジスト膜）が配置されている。これらのレジスト５１は、形成される凹凸構造に応じたマスクパターンを形成する。
【００３１】
次に、サファイア基板２に対するエッチング処理が開始されると、レジスト５１により覆われていない基板２の表面がプラズマに曝されてエッチングされる。具体的には、サファイア基板２の表面に対しては、イオンエッチングと、活性種（ラジカル）との化学反応によるエッチングが行われる。一方、レジスト５１自体もプラズマに曝されるため、基板２に対するエッチングの進行とともに、エッチングされることになる。具体的には、レジスト５１に対しては、イオンエッチングが行われるとともに、サファイア基板２に対するエッチングにより発生したＯやＣｌによるエッチングが併せて行われる。
【００３２】
さらに、エッチングの進行に伴い、デポ（フッ化アルミニウム、ＣＨ基がプラズマ重合して生じたポリマーやレジスト由来のカーボン系の反応生成物）が発生する。このデポ５２はサファイア基板２の表面やレジスト５１に付着する。サファイア基板２の表面やレジスト５１の頂部では、デポ５２の付着量よりもイオンエッチングによる除去量が勝っているため、デポ５２の膜は形成されない。一方、レジスト５１の側面ではイオンエッチングの作用が弱いため、付着したデポ５２が残存して膜を形成する（図２（Ｂ）参照）。このデポ５２の膜は、エッチングの進行に伴って成長し、その一部はサファイア基板２の上面を徐々に覆いながら広がっていく。このように、マスクとして機能するデポ５２がサファイア基板２のエッチングの進行に伴って広がることで、サファイア基板２の表面において、レジスト５１およびデポ５２にて覆われた部分に、テーパ面を有する円錐台状の突起５３が形成される（図２（Ｃ）参照）。
【００３３】
エッチングの進行に伴い、レジスト５１が後退する（すなわち、容積が減少する）と、レジスト５１の側面や突起５３のテーパ面におけるイオンエッチング効果が次第に強くなり、デポ５２も消失する（図２（Ｄ）参照）。この段階でサファイア基板２に対するエッチングを停止すれば、その頂部にレジスト５１が配置された複数の円錐台状の突起５３から成る凹凸構造を備えたＰＳＳが得られる。
【００３４】
その後、さらにエッチングを継続すると、レジスト５１が完全に消滅して、図２（Ｅ）に示すように、複数の円錐状の突起５３から成る凹凸構造を備えたＰＳＳが得られる。円錐状の突起５３は高さＨおよび幅Ｗを有し、高さＨ／幅Ｗがアスペクト比となっており、エッチング処理におけるＰＲ選択比が高くなる程、突起５３の幅Ｗに対する高さＨの比率が大きくなり、高アスペクト比の突起５３を形成することができる。
【００３５】
本実施の形態のエッチング処理では、エッチング処理用のガスとして、ＢＣｌ３が主体のガス（例えばＢＣｌ３（＞８０％）／Ｃｌ２（＜１０％）／Ａｒ（＜１０％））にＣＨ２Ｆ２ガスを所定の混合比率にて混合した混合ガスが用いられる。そのため、ＢＣｌ３が主体のガスのみ（すなわち、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合しない）でエッチング処理を行う場合に比して、ＰＲ選択比を高くすることができ、その結果、高アスペクト比の突起５３を有する凹凸構造を形成することができる。なお、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合させて用いることによる効果については、実施例の説明にて後述する。
【００３６】
エッチング処理中は、冷却ガスによる冷却に加えて、冷却ユニット２３によって冷媒流路１９中で冷媒を循環させて金属ブロック１２を冷却し、それによってステージ上部１１及び基板保持部１５に保持された基板２が冷却される。したがって、エッチング処理において、基板２の温度が確実に制御される。所定の処理時間経過すると、第１の高周波電源部６によるＩＣＰコイル５への高周波電圧の印加および第２の高周波電源部２２による基板ステージ１０の金属ブロック１２へのバイアス電圧の印加を停止するとともに、エッチング処理用のガスの供給を停止して、基板２に対するエッチング処理が完了する。
【００３７】
（実施例）
次に、上述した実施の形態のプラズマ処理装置を用いて、サファイア基板に対するエッチング処理を行った実施例および比較例について説明する。
【００３８】
まず、ＢＣｌ３が主体のガスへのＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率を変えてサファイア基板に対するエッチング処理を行い、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合することによる効果を検証した。
【００３９】
以下に比較例１および実施例１、２における主要なプロセス条件を示す。
（比較例１）
ＢＣｌ３ガス量： １６０ｓｃｃｍ
ＣＨ２Ｆ２ガス量： ０ｓｃｃｍ
（実施例１）
ＢＣｌ３ガス量： １４５ｓｃｃｍ
ＣＨ２Ｆ２ガス量： １５ｓｃｃｍ（混合比率：９．４％）
（実施例２）
ＢＣｌ３ガス量： １３５ｓｃｃｍ
ＣＨ２Ｆ２ガス量： ２５ｓｃｃｍ（混合比率：１５．６％）
【００４０】
実施例１、２および比較例１ともに共通するプロセス条件は次の通りである。
チャンバ内圧力： ０．６Ｐａ
ＩＣＰコイルへの印加パワー： １２００Ｗ
バイアス： ６６７Ｗ
Ｈｅ圧力： ２４００Ｐａ
Ｈｅ流量： ４０ｓｃｃｍ
温度： ４０℃
【００４１】
これらのプロセス条件に基づいて、エッチング処理を行った結果、次の結果が得られた。
（比較例１）
処理時間： ７５０ｓｅｃ
突起高さＨ２： ６５９ｎｍ
突起幅Ｗ２： １３３０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．３４
（実施例１）
処理時間： ７５０ｓｅｃ
突起高さＨ： ９３３ｎｍ
突起幅Ｗ： １５００ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．４１
（実施例２）
処理時間： ８４０ｓｅｃ
突起高さＨ１： １０７０ｎｍ
突起幅Ｗ１： １５８０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．６２
【００４２】
これら比較例１、実施例１および２について得られた結果として、サファイア基板に対するエッチングレートおよびＰＲ選択比の比較を図３のグラフに示す。図３に示すように、ＢＣｌ３が主体のガスへのＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率を変えた場合であっても、サファイア基板に対するエッチングレートはほとんど変化しなかった。一方、ＢＣｌ３が主体のガスへＣＨ２Ｆ２ガスを混合させた場合（実施例１、２）は、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合させない場合（比較例１）に比して、ＰＲ選択比が上昇しており、実施例１よりも混合比率が高い実施例２の方が高いＰＲ選択比を得られた。
【００４３】
ここで、実施例２のサファイア基板２の凹凸構造の形成過程、および比較例１のサファイア基板２の凹凸構造の形成過程を対比して図４（Ａ）〜（Ｅ）に示す。
【００４４】
実施例２では、ＢＣｌ３が主体のガスへＣＨ２Ｆ２ガスを混合して用いている。サファイアは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶であるため、ＣＨ２Ｆ２ガスのようなフッ素系のガスを混合させてエッチング処理を行うと、フッ化アルミニウムやＣＨ基がプラズマ重合して生じたポリマーが発生してデポとして装置内に付着して堆積する。そのため、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合して用いる実施例２では、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合しない比較例１に比して、デポの付着量が多くなる。
【００４５】
具体的には、図４（Ｂ）に示すように、比較例１ではレジスト１５１の側面に付着するデポ１５２は僅かであり、図４（Ｃ）の状態では、突起１５３の側面（テーパ面）に付着していたデポ１５２が消滅している。これに対して、実施例２では、突起５３の側面へのデポ５２の付着量が比較例１に比して多く、サファイア基板２のエッチングの進行に伴って、デポ５２が広がっている（図４（Ｂ）〜（Ｃ）参照）。そのため、デポ５２により覆われるサファイアの範囲が広くなり、形成される突起５３を大型化できる（図４（Ｄ）〜（Ｅ）参照）。
【００４６】
実施例２において、図４（Ｂ）〜（Ｅ）に示すそれぞれの状態における突起５３の底面の幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４は、対応する状態における比較例１の突起１５３の底面の幅Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３よりも大きくなっている。さらに実施例２にて最終的に形成された円錐状の突起５３の高さＨ１は、比較例１の突起１５３の高さＨ１１よりも高くなっている。
【００４７】
また、バイアスの大きさや圧力等を調整してエッチングの異方性を制御することで、突起５３の幅Ｗの大きさを調整できる。異方性を強くすれば幅Ｗは狭くなり、弱くすれば幅Ｗは広くなる。本発明の方法では、ＰＲ選択比を大きくすることができるため、突起５３の幅Ｗの調整代に余裕が生まれ、高さと幅の比率が最適な凹凸構造を有するＰＳＳが得やすくなる。
【００４８】
なお、比較例１では、突起１５３の高さＨ１１が６５９ｎｍ、幅Ｗ１３が１３３０ｎｍであり、そのアスペクト比は０．５０であった。これに対して、実施例２では、突起５３の高さＨ１が１０７０ｎｍ、幅Ｗ４が１５８０ｎｍであり、そのアスペクト比は０．６８であった。このように突起のアスペクト比についても、比較例１よりも実施例２の方が高くなった。
【００４９】
また、ＢＣｌ３が主体のガスへのＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率をさらに変えてサファイア基板に対するエッチング処理を行ったところ、次のような結果が得られた。この結果についても実施例３、４として図３のグラフに示す。実施例３および４についても、比較例１よりも高いＰＲ選択比を得ることができた。
（実施例３）
ＢＣｌ３ガス量： １２５ｓｃｃｍ
ＣＨ２Ｆ２ガス量： ３５ｓｃｃｍ（混合比率：２１．９％）
エッチングレート： ６９．２ｎｍ／ｍｉｎ
ＰＲ選択比： ０．６２
（実施例４）
ＢＣｌ３ガス量： １２０ｓｃｃｍ
ＣＨ２Ｆ２ガス量： ４０ｓｃｃｍ（混合比率：２５．０％）
エッチングレート： ５８．９ｎｍ／ｍｉｎ
ＰＲ選択比： ０．５１
【００５０】
次に、ＢＣｌ３が主体のガスへ混合させるガスの種類を変えてサファイア基板に対するエッチング処理を行い、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合することによる効果を検証した。
【００５１】
（実施例５）：ＢＣｌ３ガス量：１３５ｓｃｃｍ、ＣＨ２Ｆ２ガス量：２５ｓｃｃｍ
（比較例２）：ＢＣｌ３ガス量：１３５ｓｃｃｍ、ＣＦ４ガス量：２５ｓｃｃｍ
（比較例３）：ＢＣｌ３ガス量：１３５ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８ガス量：２５ｓｃｃｍ
（比較例４）：ＢＣｌ３ガス量：１３５ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３ガス量：２５ｓｃｃｍ
（比較例５）：ＢＣｌ３ガス量：１６０ｓｃｃｍ
【００５２】
実施例５、比較例２〜５ともに共通するプロセス条件は次の通りである。
チャンバ内圧力： ０．６Ｐａ
ＩＣＰコイルへの印加パワー： １５００Ｗ
バイアス： ８３４Ｗ
Ｈｅ圧力： ２４００Ｐａ
Ｈｅ流量： ４０ｓｃｃｍ
温度： ４０℃
処理時間： ６５０ｓｅｃ
【００５３】
これらのプロセス条件に基づいて、エッチング処理を行った結果、次の結果が得られた。
（実施例５）
突起高さＨ： １０５０ｎｍ
突起幅Ｗ： １３９０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．６２
（比較例２）
突起高さＨ： ６２１ｎｍ
突起幅Ｗ： １２９０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．３６
（比較例３）
突起高さＨ： ５７４ｎｍ
突起幅Ｗ： １３３０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．３４
（比較例４）
突起高さＨ： ６９６ｎｍ
突起幅Ｗ： １３００ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．４１
（比較例５）
突起高さＨ： ６１６ｎｍ
突起幅Ｗ： １２６０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．３６
【００５４】
これら実施例５、比較例２〜５について得られたＰＲ選択比の比較を図５のグラフに示す。図５に示すように、他のガスを混合しない比較例５では、ＰＲ選択比が０．３６と低かった。また、ＣＨ２Ｆ２ガス以外のガスを混合した比較例２〜４についてもＰＲ選択比が０．３４〜０．４１程度であり、比較例５と大差がなかった。これに対して、ＢＣｌ３が主体のガスへＣＨ２Ｆ２ガスを混合した実施例５ではＰＲ選択比が０．６２となり、他の比較例２〜５と比べて大幅にＰＲ選択比を向上させることができた。
【００５５】
これらの実施例１〜５、および比較例１〜５のテスト結果からは、ＢＣｌ３が主体のガスへＣＨ２Ｆ２ガスを混合することにより、ＰＲ選択比を大幅に向上できる効果が得られることが判る。また、ＩＣＰコイルへの印加電圧やバイアス電圧、さらに他のパラメータ（特に圧力）を調整することにより、形成される突起５３の形状（特に幅）を調整することが可能である。
【００５６】
ＣＨ２Ｆ２ガスが多いとサファイアの表面を覆うデポが多くなり、所望の幅に突起を加工する上で、隣接する突起の底部同士が繋がり、エッチングストップの現象が生じやすい。また、エッチングガスであるＢＣｌ３主体のガス量が減りすぎるとエッチングレートが低下する。エッチングストップやエッチングレートの低下が生じると、ＰＲ選択比が低下する。したがって、ＢＣｌ３が主体のガスへのＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率は、５〜２５％の範囲内とすることが好ましく、１０〜２０％の範囲内とすることがより好ましい。この混合比率の範囲外においても、他のプロセス条件を調整することによりＰＲ選択比を向上させることは可能であるかもしれないが、混合比率を５〜２５％の範囲内に設定することにより、他のプロセス条件の調整を比較的簡単なものとしながら、ＰＲ選択比向上の効果を得ることができる。また、ＣＨ２Ｆ２ガスをプラズマ化した場合、ポリマー等のデポが生じる。このデポは、ＰＲ選択比を上げるのみでなく、チャンバ内にも付着する。したがって、ＣＨ２Ｆ２ガス量が多いと、デポを除去するためのクリーニング処理時間が長くなり、場合によってはチャンバ内にてダストの発生が生じる。したがって、あまり多くのＣＨ２Ｆ２ガスを混合することは、装置の生産性の観点からも望ましくなく、混合比率を上述の範囲とすることが望ましい。
【００５７】
このような混合比率を含めた各種プロセス条件の調整としては、例えば次のような傾向を考慮して行うことができる。ＢＣｌ３が主体のガスへのＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率については、混合比率を増加し過ぎると、ＰＲ選択比を高めることはできるが凹凸構造にて形成される突起の幅Ｗも増加することになる。隣接する突起同士が一体化される程、突起の幅Ｗが増加し過ぎることは好ましくない。また、バイアスパワーを上昇させることで、形成される突起の幅Ｗの増加を抑制できる。さらに、チャンバ内の圧力を下げることにより、突起の高さＨを保持しながら幅Ｗを狭めることができる。
【００５８】
ここで、ＢＣｌ３が主体のガスへ混合されるＣＨ２Ｆ２ガスについて説明する。本発明の基板に対するエッチング方法はサファイア基板が対象となっている。しかしながら、サファイアは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶であるため、フッ素系のガスを混合させてエッチング処理を行うと、フッ化アルミニウムが発生し残渣（デポ）として装置内に付着して堆積する。そのため、一般的には、フッ素系のガスを、サファイア基板のエッチング処理用のガスに混合することは適切ではないと考えられている。本発明では、このように経験的に知られている従来の考え方に反して、ＢＣｌ３が主体のガスへＣＨ２Ｆ２ガスを混合させて、サファイア基板に対するエッチング処理を行うことで、ＰＲ選択比の向上を図ることを可能とするものである。
【００５９】
また、ＣＨ２Ｆ２ガスは、高圧ガス保安法上では可燃性ガスには該当しないため、取り扱いが比較的容易であることから、Ｈ２やＣＨ４ガスを用いることと比較して、装置構成を簡易とすることが可能である。
【００６０】
なお、本発明は上述の構成に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、円盤状の基板に代えて、四角形状の基板に対しても本実施の形態のエッチング処理方法を適用できる。
【００６１】
また、上述の構成では、トレイ９の基板収容孔９ａの内壁の全周囲に渡って形成された基板支持部９ｂにより、基板２の縁部の全周囲が支持されるような例について説明したが、基板支持部９ｂが基板収容孔９ａの内壁の一部について形成されて、基板２の縁部がその外周の一部において支持されるような構成を採用しても良い。
【００６２】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、マスクパターンが配置されたサファイア基板に対して、プラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた微小な凹凸構造を形成する基板のプラズマ処理方法に適用できる。特に、ＬＥＤデバイスの製造工程において、デバイスからの光の外部取出し効率を向上させるために、サファイア基板の表面に凹凸構造を形成するエッチング処理に適用できる。
【符号の説明】
【００６４】
１ ドライエッチング装置
２ 基板
３ チャンバ
３ａ ガス導入口
３ｂ 排気口
４ 天板
５ ＩＣＰコイル
６ 第１の高周波電源部
７ ガス供給部
８ 圧力制御部
９ トレイ
９ａ 基板収容孔
９ｂ 基板支持部
１０ 基板ステージ
１１ ステージ上部
１２ 金属ブロック
１３ 絶縁体
１４ トレイ支持部
１５ 基板保持部
１６ ＥＳＣ電極
１７ 冷却ガス供給口
１８ 冷却ガス供給路
１９ 冷媒流路
２０ ＥＳＣ駆動電源部
２１ 冷却ガス供給部
２２ 第２の高周波電源部
２３ 冷却ユニット
５１ レジスト
５２ デポ
５３ 突起
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マスクパターンが配置されたサファイア基板に対して、プラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する基板のプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤデバイスの製造工程において、デバイスからの光の外部取出し効率を向上させるために、サファイア基板の表面に凹凸構造を形成する工程としてエッチング処理（プラズマ処理）が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来のサファイア基板に対するエッチング処理では、まず、サファイア基板の表面にフォトレジスト（レジスト膜）を配置してマスクパターンを形成し、その後、ＢＣｌ３が主体のガスを用いて、サファイア基板に対するプラズマ処理が行われる。これにより、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた部分に円錐状または円錐台状の複数の突起から成る凹凸構造が形成される。このように凹凸構造が形成されたサファイア基板は、ＰＳＳ（Patterned Sapphire Substrate）と呼ばれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９４１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、ＬＥＤデバイスにおいて、デバイスからの光の外部取出し効率をさらに向上させるために、ＰＳＳにおいて凹凸構造の高アスペクト比化や微細化が求められている。このように凹凸構造の高アスペクト比化や微細化を図るためには、エッチング処理におけるＰＲ選択比（サファイア基板のエッチングレート／レジスト膜のエッチングレート）を高める必要がある。
【０００６】
しかしながら、サファイアは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶であるため、ＢＣｌ３が主体のガス系でエッチング処理を行うと、サファイアから発生するＯとＣｌとによりレジスト膜がエッチングされる。そのため、プロセス条件の最適化を図っても、高いＰＲ選択比を得ることができない。
【０００７】
また、凹凸構造を微細化するためにマスクパターンを微細化すると、レジスト膜自体が脆弱となるため、ＰＲ選択比を向上させることが難しい。
【０００８】
従って、本発明の目的は、上記課題を解決することにあって、マスクパターンが配置されたサファイア基板に対して、プラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する基板のプラズマ処理において、ＰＲ選択比を向上させて、凹凸構造の高アスペクト比化や微細化を実現できる基板のプラズマ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１０】
本発明の第１態様によれば、表面に配置されたレジスト膜によりマスクパターンが形成されたサファイア基板に対して、ＢＣｌ３が主体のガスにＣＨ２Ｆ２ガスを混合した混合ガスを用いてプラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する、基板のプラズマ処理方法を提供する。
【００１１】
本発明の第２態様によれば、ＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率が５〜２５％の範囲である、第１態様に記載の基板のプラズマ処理方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、ＢＣｌ３が主体のガスにＣＨ２Ｆ２ガスを混合した混合ガスを用いて、サファイア基板に対するプラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する。これにより、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合しない場合に比べて高いＰＲ選択比を得ることができる。よって、ＰＳＳの凹凸構造に対して、高アスペクト比化または微細化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態にかかるドライエッチング装置の構成図
【図２】エッチング処理工程（ＰＳＳ作成工程）の説明図
【図３】混合するガスの混合比率を変えてテストを行った結果のグラフ
【図４】実施例２と比較例１との凹凸構造の対比説明図
【図５】混合するガスの種類を変えてテストを行った結果のグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
（実施の形態）
本発明の一の実施の形態に係るプラズマ処理装置の一例としてＩＣＰ（誘導結合プラズマ）型のドライエッチング装置１の構成図を図１に示す。
【００１６】
ドライエッチング装置１は、サファイア基板２にプラズマ処理を行う処理室を構成するチャンバ（真空容器）３を備える。チャンバ３の上端開口は石英等の誘電体により形成された天板４により密閉状態で閉鎖されている。天板４上にはＩＣＰコイル５が配置されている。ＩＣＰコイル５にはマッチング回路を含む第１の高周波電源部６が電気的に接続されている。天板４と対向するチャンバ３内の底部側には、バイアス電圧が印加される下部電極としての機能及び基板２の保持台としての機能を有する基板ステージ１０が配置されている。
【００１７】
また、チャンバ３に設けられたエッチング用のガス導入口３ａには、ガス供給部７が接続されている。ガス供給部７には、複数種類のガスの供給ラインが備えられており、それぞれのガス種のライン毎に設けられた開閉バルブ７ａ、７ｂ、および流量調整部７ｃの開閉動作および開度が選択的に制御されることにより、ガス導入口３ａから所望の流量および仕様の処理ガスを供給できる。本実施の形態では、ガス供給部７には、複数種類のガスとして、例えば、ＢＣｌ３、Ｃｌ２、Ａｒのガス供給ラインが備えられており、これらのガス供給ラインに加えてＣＨ２Ｆ２のガス供給ラインが備えられている。また、チャンバ３に設けられた排気口３ｂには、真空ポンプや圧力制御弁等から構成される圧力制御部８が接続されている。
【００１８】
ドライエッチング装置１では、基板２の搬入出の際に、複数の基板２がトレイ９に収容された状態にて取り扱われる。薄板円盤状のトレイ９には、厚み方向に貫通する複数の円孔である基板収容孔９ａが形成されており、基板収容孔９ａの内壁面には、孔中心に向けて突出する環状の基板支持部９ｂが形成されている。それぞれの基板収容孔９ａでは、基板２の外周縁部の下面部分が基板支持部９ｂの上面に支持された状態にて、基板２が収容される。
【００１９】
トレイ９の材質としては、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）等のセラミクス材や、アルマイトで被覆したアルミニウム、表面にセラミクスを溶射したアルミニウム、樹脂材料で被覆したアルミニウム等の金属がある。Ｃｌ系プロセスの場合にはアルミナ、イットリア、炭化シリコン、窒化アルミニウム等、Ｆ系プロセスの場合には石英、水晶、イットリア、炭化シリコン、アルマイトを容射したアルミニウム等を採用することが考えられる。なお、本実施の形態では、炭化シリコンを主材料として形成されたトレイ９が用いられる。
【００２０】
図１に示すように、基板ステージ１０は、セラミクス等の誘電体部材により形成されたステージ上部１１と、表面にアルマイト被覆を形成したアルミニウム等により形成され、バイアス電圧が印加される下部電極として機能する金属ブロック１２と、絶縁体１３とを備える。基板ステージ１０の最上部に配置されるステージ上部１１は、金属ブロック１２の上面に固定されており、ステージ上部１１および金属ブロック１２の外周が絶縁体１３により覆われている。
【００２１】
円板状のステージ上部１１の上端面は、トレイ９の下面を支持するトレイ支持部１４となっている。また、トレイ９のそれぞれの基板収容孔９ａと対応する短円柱状の複数の基板保持部１５がトレイ支持部１４から上向きに突出して形成されている。
【００２２】
ここで、トレイ９、基板２、および基板保持部１５等の関係について説明する。それぞれの基板２は、その縁部がトレイ９の基板支持部９ｂにより支持された状態にて、それぞれの基板収容孔９ａ内に収容される。トレイ９の下面がトレイ支持部１４上に配置された状態では、基板保持部１５により基板２が押し上げられ、トレイ９の基板支持部９ｂから基板２が離間した状態とされる。すなわち、基板収容孔９ａに基板２を収容しているトレイ９をステージ上部１１上に配置すると、基板収容孔９ａに収容された基板２は基板支持部９ｂから浮き上がり、基板２の縁部と基板支持部９ｂとが互いに離間した状態にて、基板２の下面が基板保持部１５上に配置される。
【００２３】
ステージ上部１１に設けられた個々の基板保持部１５にはＥＳＣ電極（静電吸着用電極）１６が内蔵されている。これらのＥＳＣ電極１６は電気的に互いに絶縁されており、直流電源を内蔵するＥＳＣ駆動電源部２０から静電吸着用の直流電圧が印加される。
【００２４】
それぞれの基板保持部１５の上面には冷却ガス供給口１７が設けられており、それぞれの冷却ガス供給口１７は冷却ガス供給路１８を通じて共通の冷却ガス供給部２１に接続されている。なお、本実施の形態では、冷却ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）が用いられ、プラズマ処理中において、基板保持部１５と基板２との間に冷却ガスが供給されることで基板２の冷却が行われる。
【００２５】
金属ブロック１２には、バイアス電圧としての高周波を印加する第２の高周波電源部２２が電気的に接続されている。第２の高周波電源部２２はマッチング回路を備えている。
【００２６】
また、金属ブロック１２内には、金属ブロック１２を冷却するための冷媒流路１９が形成されており、冷却ユニット２３より温度調節された冷媒が冷媒流路１９に供給されることで、金属ブロック１２が冷却される。
【００２７】
次に、上述したような構成を有するドライエッチング装置１を用いて、サファイア基板２の表面に対してエッチング処理を行って、微小な凹凸構造を形成する加工（ＰＳＳ：Patterned Sapphire Substrate）について説明する。
【００２８】
エッチング処理用のガスとしては、ＢＣｌ３が主体のガスにＣＨ２Ｆ２ガスを所定の混合比率にて混合した混合ガスが用いられ、ガス供給部７からガス導入口３ａを通じて混合ガスがチャンバ３内に供給される。それとともに、圧力制御部８によりチャンバ３内は所定圧力に調整される。続いて、第１の高周波電源部６からＩＣＰコイル５に高周波電圧を印加する。これによりチャンバ３内にプラズマが発生する。また、第２の高周波電源部２２により金属ブロック１２にバイアス電圧を印加し、チャンバ３内で発生したプラズマを基板ステージ１０側へ引き寄せる。このプラズマにより、サファイア基板２に対するエッチング処理が行われる。なお、エッチング処理中は、それぞれの基板２がＥＳＣ電極１６により静電吸着され、基板２と基板保持部１５との間に供給される冷却ガスにより基板２が冷却される。
【００２９】
ここで、サファイア基板２の表面に対するエッチング処理を行うことにより実施されるＰＳＳ加工についてその概略を、図２（Ａ）〜（Ｅ）の説明図を用いて説明する。
【００３０】
まず、図２（Ａ）に示すように、サファイア基板２の表面には突起状の複数のレジスト５１（レジスト膜）が配置されている。これらのレジスト５１は、形成される凹凸構造に応じたマスクパターンを形成する。
【００３１】
次に、サファイア基板２に対するエッチング処理が開始されると、レジスト５１により覆われていない基板２の表面がプラズマに曝されてエッチングされる。具体的には、サファイア基板２の表面に対しては、イオンエッチングと、活性種（ラジカル）との化学反応によるエッチングが行われる。一方、レジスト５１自体もプラズマに曝されるため、基板２に対するエッチングの進行とともに、エッチングされることになる。具体的には、レジスト５１に対しては、イオンエッチングが行われるとともに、サファイア基板２に対するエッチングにより発生したＯやＣｌによるエッチングが併せて行われる。
【００３２】
さらに、エッチングの進行に伴い、デポ（フッ化アルミニウム、ＣＨ基がプラズマ重合して生じたポリマーやレジスト由来のカーボン系の反応生成物）が発生する。このデポ５２はサファイア基板２の表面やレジスト５１に付着する。サファイア基板２の表面やレジスト５１の頂部では、デポ５２の付着量よりもイオンエッチングによる除去量が勝っているため、デポ５２の膜は形成されない。一方、レジスト５１の側面ではイオンエッチングの作用が弱いため、付着したデポ５２が残存して膜を形成する（図２（Ｂ）参照）。このデポ５２の膜は、エッチングの進行に伴って成長し、その一部はサファイア基板２の上面を徐々に覆いながら広がっていく。このように、マスクとして機能するデポ５２がサファイア基板２のエッチングの進行に伴って広がることで、サファイア基板２の表面において、レジスト５１およびデポ５２にて覆われた部分に、テーパ面を有する円錐台状の突起５３が形成される（図２（Ｃ）参照）。
【００３３】
エッチングの進行に伴い、レジスト５１が後退する（すなわち、容積が減少する）と、レジスト５１の側面や突起５３のテーパ面におけるイオンエッチング効果が次第に強くなり、デポ５２も消失する（図２（Ｄ）参照）。この段階でサファイア基板２に対するエッチングを停止すれば、その頂部にレジスト５１が配置された複数の円錐台状の突起５３から成る凹凸構造を備えたＰＳＳが得られる。
【００３４】
その後、さらにエッチングを継続すると、レジスト５１が完全に消滅して、図２（Ｅ）に示すように、複数の円錐状の突起５３から成る凹凸構造を備えたＰＳＳが得られる。円錐状の突起５３は高さＨおよび幅Ｗを有し、高さＨ／幅Ｗがアスペクト比となっており、エッチング処理におけるＰＲ選択比が高くなる程、突起５３の幅Ｗに対する高さＨの比率が大きくなり、高アスペクト比の突起５３を形成することができる。
【００３５】
本実施の形態のエッチング処理では、エッチング処理用のガスとして、ＢＣｌ３が主体のガス（例えばＢＣｌ３（＞８０％）／Ｃｌ２（＜１０％）／Ａｒ（＜１０％））にＣＨ２Ｆ２ガスを所定の混合比率にて混合した混合ガスが用いられる。そのため、ＢＣｌ３が主体のガスのみ（すなわち、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合しない）でエッチング処理を行う場合に比して、ＰＲ選択比を高くすることができ、その結果、高アスペクト比の突起５３を有する凹凸構造を形成することができる。なお、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合させて用いることによる効果については、実施例の説明にて後述する。
【００３６】
エッチング処理中は、冷却ガスによる冷却に加えて、冷却ユニット２３によって冷媒流路１９中で冷媒を循環させて金属ブロック１２を冷却し、それによってステージ上部１１及び基板保持部１５に保持された基板２が冷却される。したがって、エッチング処理において、基板２の温度が確実に制御される。所定の処理時間経過すると、第１の高周波電源部６によるＩＣＰコイル５への高周波電圧の印加および第２の高周波電源部２２による基板ステージ１０の金属ブロック１２へのバイアス電圧の印加を停止するとともに、エッチング処理用のガスの供給を停止して、基板２に対するエッチング処理が完了する。
【００３７】
（実施例）
次に、上述した実施の形態のプラズマ処理装置を用いて、サファイア基板に対するエッチング処理を行った実施例および比較例について説明する。
【００３８】
まず、ＢＣｌ３が主体のガスへのＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率を変えてサファイア基板に対するエッチング処理を行い、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合することによる効果を検証した。
【００３９】
以下に比較例１および実施例１、２における主要なプロセス条件を示す。
（比較例１）
ＢＣｌ３ガス量： １６０ｓｃｃｍ
ＣＨ２Ｆ２ガス量： ０ｓｃｃｍ
（実施例１）
ＢＣｌ３ガス量： １４５ｓｃｃｍ
ＣＨ２Ｆ２ガス量： １５ｓｃｃｍ（混合比率：９．４％）
（実施例２）
ＢＣｌ３ガス量： １３５ｓｃｃｍ
ＣＨ２Ｆ２ガス量： ２５ｓｃｃｍ（混合比率：１５．６％）
【００４０】
実施例１、２および比較例１ともに共通するプロセス条件は次の通りである。
チャンバ内圧力： ０．６Ｐａ
ＩＣＰコイルへの印加パワー： １２００Ｗ
バイアス： ６６７Ｗ
Ｈｅ圧力： ２４００Ｐａ
Ｈｅ流量： ４０ｓｃｃｍ
温度： ４０℃
【００４１】
これらのプロセス条件に基づいて、エッチング処理を行った結果、次の結果が得られた。
（比較例１）
処理時間： ７５０ｓｅｃ
突起高さＨ２： ６５９ｎｍ
突起幅Ｗ２： １３３０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．３４
（実施例１）
処理時間： ７５０ｓｅｃ
突起高さＨ： ９３３ｎｍ
突起幅Ｗ： １５００ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．４１
（実施例２）
処理時間： ８４０ｓｅｃ
突起高さＨ１： １０７０ｎｍ
突起幅Ｗ１： １５８０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．６２
【００４２】
これら比較例１、実施例１および２について得られた結果として、サファイア基板に対するエッチングレートおよびＰＲ選択比の比較を図３のグラフに示す。図３に示すように、ＢＣｌ３が主体のガスへのＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率を変えた場合であっても、サファイア基板に対するエッチングレートはほとんど変化しなかった。一方、ＢＣｌ３が主体のガスへＣＨ２Ｆ２ガスを混合させた場合（実施例１、２）は、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合させない場合（比較例１）に比して、ＰＲ選択比が上昇しており、実施例１よりも混合比率が高い実施例２の方が高いＰＲ選択比を得られた。
【００４３】
ここで、実施例２のサファイア基板２の凹凸構造の形成過程、および比較例１のサファイア基板２の凹凸構造の形成過程を対比して図４（Ａ）〜（Ｅ）に示す。
【００４４】
実施例２では、ＢＣｌ３が主体のガスへＣＨ２Ｆ２ガスを混合して用いている。サファイアは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶であるため、ＣＨ２Ｆ２ガスのようなフッ素系のガスを混合させてエッチング処理を行うと、フッ化アルミニウムやＣＨ基がプラズマ重合して生じたポリマーが発生してデポとして装置内に付着して堆積する。そのため、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合して用いる実施例２では、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合しない比較例１に比して、デポの付着量が多くなる。
【００４５】
具体的には、図４（Ｂ）に示すように、比較例１ではレジスト１５１の側面に付着するデポ１５２は僅かであり、図４（Ｃ）の状態では、突起１５３の側面（テーパ面）に付着していたデポ１５２が消滅している。これに対して、実施例２では、突起５３の側面へのデポ５２の付着量が比較例１に比して多く、サファイア基板２のエッチングの進行に伴って、デポ５２が広がっている（図４（Ｂ）〜（Ｃ）参照）。そのため、デポ５２により覆われるサファイアの範囲が広くなり、形成される突起５３を大型化できる（図４（Ｄ）〜（Ｅ）参照）。
【００４６】
実施例２において、図４（Ｂ）〜（Ｅ）に示すそれぞれの状態における突起５３の底面の幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４は、対応する状態における比較例１の突起１５３の底面の幅Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３よりも大きくなっている。さらに実施例２にて最終的に形成された円錐状の突起５３の高さＨ１は、比較例１の突起１５３の高さＨ１１よりも高くなっている。
【００４７】
また、バイアスの大きさや圧力等を調整してエッチングの異方性を制御することで、突起５３の幅Ｗの大きさを調整できる。異方性を強くすれば幅Ｗは狭くなり、弱くすれば幅Ｗは広くなる。本発明の方法では、ＰＲ選択比を大きくすることができるため、突起５３の幅Ｗの調整代に余裕が生まれ、高さと幅の比率が最適な凹凸構造を有するＰＳＳが得やすくなる。
【００４８】
なお、比較例１では、突起１５３の高さＨ１１が６５９ｎｍ、幅Ｗ１３が１３３０ｎｍであり、そのアスペクト比は０．５０であった。これに対して、実施例２では、突起５３の高さＨ１が１０７０ｎｍ、幅Ｗ４が１５８０ｎｍであり、そのアスペクト比は０．６８であった。このように突起のアスペクト比についても、比較例１よりも実施例２の方が高くなった。
【００４９】
また、ＢＣｌ３が主体のガスへのＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率をさらに変えてサファイア基板に対するエッチング処理を行ったところ、次のような結果が得られた。この結果についても実施例３、４として図３のグラフに示す。実施例３および４についても、比較例１よりも高いＰＲ選択比を得ることができた。
（実施例３）
ＢＣｌ３ガス量： １２５ｓｃｃｍ
ＣＨ２Ｆ２ガス量： ３５ｓｃｃｍ（混合比率：２１．９％）
エッチングレート： ６９．２ｎｍ／ｍｉｎ
ＰＲ選択比： ０．６２
（実施例４）
ＢＣｌ３ガス量： １２０ｓｃｃｍ
ＣＨ２Ｆ２ガス量： ４０ｓｃｃｍ（混合比率：２５．０％）
エッチングレート： ５８．９ｎｍ／ｍｉｎ
ＰＲ選択比： ０．５１
【００５０】
次に、ＢＣｌ３が主体のガスへ混合させるガスの種類を変えてサファイア基板に対するエッチング処理を行い、ＣＨ２Ｆ２ガスを混合することによる効果を検証した。
【００５１】
（実施例５）：ＢＣｌ３ガス量：１３５ｓｃｃｍ、ＣＨ２Ｆ２ガス量：２５ｓｃｃｍ
（比較例２）：ＢＣｌ３ガス量：１３５ｓｃｃｍ、ＣＦ４ガス量：２５ｓｃｃｍ
（比較例３）：ＢＣｌ３ガス量：１３５ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８ガス量：２５ｓｃｃｍ
（比較例４）：ＢＣｌ３ガス量：１３５ｓｃｃｍ、ＣＨＦ３ガス量：２５ｓｃｃｍ
（比較例５）：ＢＣｌ３ガス量：１６０ｓｃｃｍ
【００５２】
実施例５、比較例２〜５ともに共通するプロセス条件は次の通りである。
チャンバ内圧力： ０．６Ｐａ
ＩＣＰコイルへの印加パワー： １５００Ｗ
バイアス： ８３４Ｗ
Ｈｅ圧力： ２４００Ｐａ
Ｈｅ流量： ４０ｓｃｃｍ
温度： ４０℃
処理時間： ６５０ｓｅｃ
【００５３】
これらのプロセス条件に基づいて、エッチング処理を行った結果、次の結果が得られた。
（実施例５）
突起高さＨ： １０５０ｎｍ
突起幅Ｗ： １３９０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．６２
（比較例２）
突起高さＨ： ６２１ｎｍ
突起幅Ｗ： １２９０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．３６
（比較例３）
突起高さＨ： ５７４ｎｍ
突起幅Ｗ： １３３０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．３４
（比較例４）
突起高さＨ： ６９６ｎｍ
突起幅Ｗ： １３００ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．４１
（比較例５）
突起高さＨ： ６１６ｎｍ
突起幅Ｗ： １２６０ｎｍ
ＰＲ選択比： ０．３６
【００５４】
これら実施例５、比較例２〜５について得られたＰＲ選択比の比較を図５のグラフに示す。図５に示すように、他のガスを混合しない比較例５では、ＰＲ選択比が０．３６と低かった。また、ＣＨ２Ｆ２ガス以外のガスを混合した比較例２〜４についてもＰＲ選択比が０．３４〜０．４１程度であり、比較例５と大差がなかった。これに対して、ＢＣｌ３が主体のガスへＣＨ２Ｆ２ガスを混合した実施例５ではＰＲ選択比が０．６２となり、他の比較例２〜５と比べて大幅にＰＲ選択比を向上させることができた。
【００５５】
これらの実施例１〜５、および比較例１〜５のテスト結果からは、ＢＣｌ３が主体のガスへＣＨ２Ｆ２ガスを混合することにより、ＰＲ選択比を大幅に向上できる効果が得られることが判る。また、ＩＣＰコイルへの印加電圧やバイアス電圧、さらに他のパラメータ（特に圧力）を調整することにより、形成される突起５３の形状（特に幅）を調整することが可能である。
【００５６】
ＣＨ２Ｆ２ガスが多いとサファイアの表面を覆うデポが多くなり、所望の幅に突起を加工する上で、隣接する突起の底部同士が繋がり、エッチングストップの現象が生じやすい。また、エッチングガスであるＢＣｌ３主体のガス量が減りすぎるとエッチングレートが低下する。エッチングストップやエッチングレートの低下が生じると、ＰＲ選択比が低下する。したがって、ＢＣｌ３が主体のガスへのＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率は、５〜２５％の範囲内とすることが好ましく、１０〜２０％の範囲内とすることがより好ましい。この混合比率の範囲外においても、他のプロセス条件を調整することによりＰＲ選択比を向上させることは可能であるかもしれないが、混合比率を５〜２５％の範囲内に設定することにより、他のプロセス条件の調整を比較的簡単なものとしながら、ＰＲ選択比向上の効果を得ることができる。また、ＣＨ２Ｆ２ガスをプラズマ化した場合、ポリマー等のデポが生じる。このデポは、ＰＲ選択比を上げるのみでなく、チャンバ内にも付着する。したがって、ＣＨ２Ｆ２ガス量が多いと、デポを除去するためのクリーニング処理時間が長くなり、場合によってはチャンバ内にてダストの発生が生じる。したがって、あまり多くのＣＨ２Ｆ２ガスを混合することは、装置の生産性の観点からも望ましくなく、混合比率を上述の範囲とすることが望ましい。
【００５７】
このような混合比率を含めた各種プロセス条件の調整としては、例えば次のような傾向を考慮して行うことができる。ＢＣｌ３が主体のガスへのＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率については、混合比率を増加し過ぎると、ＰＲ選択比を高めることはできるが凹凸構造にて形成される突起の幅Ｗも増加することになる。隣接する突起同士が一体化される程、突起の幅Ｗが増加し過ぎることは好ましくない。また、バイアスパワーを上昇させることで、形成される突起の幅Ｗの増加を抑制できる。さらに、チャンバ内の圧力を下げることにより、突起の高さＨを保持しながら幅Ｗを狭めることができる。
【００５８】
ここで、ＢＣｌ３が主体のガスへ混合されるＣＨ２Ｆ２ガスについて説明する。本発明の基板に対するエッチング方法はサファイア基板が対象となっている。しかしながら、サファイアは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶であるため、フッ素系のガスを混合させてエッチング処理を行うと、フッ化アルミニウムが発生し残渣（デポ）として装置内に付着して堆積する。そのため、一般的には、フッ素系のガスを、サファイア基板のエッチング処理用のガスに混合することは適切ではないと考えられている。本発明では、このように経験的に知られている従来の考え方に反して、ＢＣｌ３が主体のガスへＣＨ２Ｆ２ガスを混合させて、サファイア基板に対するエッチング処理を行うことで、ＰＲ選択比の向上を図ることを可能とするものである。
【００５９】
また、ＣＨ２Ｆ２ガスは、高圧ガス保安法上では可燃性ガスには該当しないため、取り扱いが比較的容易であることから、Ｈ２やＣＨ４ガスを用いることと比較して、装置構成を簡易とすることが可能である。
【００６０】
なお、本発明は上述の構成に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、円盤状の基板に代えて、四角形状の基板に対しても本実施の形態のエッチング処理方法を適用できる。
【００６１】
また、上述の構成では、トレイ９の基板収容孔９ａの内壁の全周囲に渡って形成された基板支持部９ｂにより、基板２の縁部の全周囲が支持されるような例について説明したが、基板支持部９ｂが基板収容孔９ａの内壁の一部について形成されて、基板２の縁部がその外周の一部において支持されるような構成を採用しても良い。
【００６２】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、マスクパターンが配置されたサファイア基板に対して、プラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた微小な凹凸構造を形成する基板のプラズマ処理方法に適用できる。特に、ＬＥＤデバイスの製造工程において、デバイスからの光の外部取出し効率を向上させるために、サファイア基板の表面に凹凸構造を形成するエッチング処理に適用できる。
【符号の説明】
【００６４】
１ ドライエッチング装置
２ 基板
３ チャンバ
３ａ ガス導入口
３ｂ 排気口
４ 天板
５ ＩＣＰコイル
６ 第１の高周波電源部
７ ガス供給部
８ 圧力制御部
９ トレイ
９ａ 基板収容孔
９ｂ 基板支持部
１０ 基板ステージ
１１ ステージ上部
１２ 金属ブロック
１３ 絶縁体
１４ トレイ支持部
１５ 基板保持部
１６ ＥＳＣ電極
１７ 冷却ガス供給口
１８ 冷却ガス供給路
１９ 冷媒流路
２０ ＥＳＣ駆動電源部
２１ 冷却ガス供給部
２２ 第２の高周波電源部
２３ 冷却ユニット
５１ レジスト
５２ デポ
５３ 突起
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に配置されたレジスト膜によりマスクパターンが形成されたサファイア基板に対して、ＢＣｌ３が主体のガスにＣＨ２Ｆ２ガスを混合した混合ガスを用いてプラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する、基板のプラズマ処理方法。
【請求項２】
ＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率が５〜２５％の範囲である、請求項１に記載の基板のプラズマ処理方法。
【請求項１】
表面に配置されたレジスト膜によりマスクパターンが形成されたサファイア基板に対して、ＢＣｌ３が主体のガスにＣＨ２Ｆ２ガスを混合した混合ガスを用いてプラズマ処理を行い、サファイア基板の表面にマスクパターンに応じた凹凸構造を形成する、基板のプラズマ処理方法。
【請求項２】
ＣＨ２Ｆ２ガスの混合比率が５〜２５％の範囲である、請求項１に記載の基板のプラズマ処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２０４７８５（Ｐ２０１２−２０４７８５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７０６２２（Ｐ２０１１−７０６２２）
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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