基板の気相化学エッチング方法
【課題】光ディスクや基板等の立体形状の上面と外周面とを均一にエッチングすることが可能な基板のエッチング方法を提供する。
【解決手段】研削された外周面２ｂを有する基板２をエッチングガス雰囲気中に配置し、該エッチングガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光をプリズム３を介して基板２の上面２ａに対して斜めに入射させて、前記光を基板２の上面２ａと底面２ｃとの間で反射させつつ外周面２ｂまで伝搬させ、外周面２ｂを介して基板２内から外部へと出射される前記伝搬光により前記エッチングガスを解離して外周面２ｂに形成された凹凸をエッチングするとともに、前記凹凸における少なくとも角部に前記伝搬光に基づいた近接場光を発生させ、該近接場光により前記エッチングガスを解離して前記凹凸をエッチングする。
【解決手段】研削された外周面２ｂを有する基板２をエッチングガス雰囲気中に配置し、該エッチングガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光をプリズム３を介して基板２の上面２ａに対して斜めに入射させて、前記光を基板２の上面２ａと底面２ｃとの間で反射させつつ外周面２ｂまで伝搬させ、外周面２ｂを介して基板２内から外部へと出射される前記伝搬光により前記エッチングガスを解離して外周面２ｂに形成された凹凸をエッチングするとともに、前記凹凸における少なくとも角部に前記伝搬光に基づいた近接場光を発生させ、該近接場光により前記エッチングガスを解離して前記凹凸をエッチングする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研削された外周面を有する基板について、その上面と外周面とを均一に気相化学エッチングする上で好適な基板の気相化学エッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体や光学素子等の基板の表面を研磨するための方法として、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＣＭＰでは、円板状の定盤上に表面に研磨布が貼り付けられた研磨体を配置し、次に被研磨体を回転させ、研磨対象となる基板を回転させながら研磨体に押し付ける。そして、この研磨体上で、研磨対象としての基板を回転させる等の相対運動を行わせることにより、基板の表面の機械的研磨が行われる。このとき、研磨体と基板との間には研磨剤を供給することにより、当該研磨剤による化学的作用を発揮させることで、基板の表面の化学的研磨が実現される。この研磨剤は、一般に、酸化セリウムを主成分とするものが用いられている。ＣＭＰを利用することにより、例えば、１０ｎｍ程度の径からなる凸部であれば大概除去することが可能となる。
【０００３】
ところで特許文献１の開示技術によれば、研磨剤としていわゆるレアメタルとして知られる酸化セリウムを用いる必要がある。酸化セリウムは、その産出国が限られている等の理由により非常に高価なものであり、製造コストを低減させる観点からは、ナノスケール以上のサイズの凸部をＣＭＰによることなく平坦化できるような方法の提案が望まれていた。また、この特許文献１の開示技術によれば、１０ｎｍ以下の数ｎｍのオーダの凸部、或いは１ｎｍ以下のオーダの凸部については好適に研磨することができないという問題点があった。特にかかる数ナノオーダでの研磨は、例えば、ハードディスクや光ディスク等のような、ナノオーダの凹凸が僅かに存在した場合に品質を大幅に低下させてしまう製品に応用する場合において特に強い要望があるため、これに応えることができる研磨方法が特に近年において望まれていた。
【０００４】
このため、近接場光を利用したエッチング方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この近接場光を利用したエッチング方法では、エッチングガス雰囲気中においてエッチングガス分子の吸収端波長より長波長の光を基板に照射することにより、その基板の表面に形成されたナノスケールの凸部に近接場光を発生させ、その近接場光に基づき非断熱過程を経てエッチングガス分子を解離させることによって、そのナノスケールの凸部を選択的にエッチングすることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１２９１５５号公報
【特許文献２】特開２００９−９４３４５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】大津元一、小林潔"ナノフォトニクスの基礎"オーム社、Ｐ１４１、Ｐ２０６〜Ｐ２０８（２００６年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した特許文献２に開示の技術によれば、近接場光はあくまで外部から照射する光に基づいて発生させることを前提としたものである。このため、例えば円盤状の光ディスクに対して引用文献２に開示の手法によりエッチングを行う場合には、光が照射される光ディスクの上面に形成された微小な凹凸を除去することができる反面、研削された側端面、更には側端面と上面、並びに側端面と底面との角を面取りすることにより形成されるチャンファー部等には、外部から光が到達しない場合もある。その結果、側端面やチャンファー部に形成された凹凸には近接場光を発生させることができず、ガス分子を解離させることによるエッチングを実現することができない。即ち、光ディスクや基板等のような立体形状の上面のみならず、外周面を始めとした各面に対しても同時に光を照射させることができないため、近接場光を発生させることができない結果、全ての面について同時に均一なエッチングを行うことができないという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、光ディスクや基板等のような立体形状の上面と外周面とを均一にエッチングすることが可能な基板のエッチング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】
請求項１に係る基板の気相化学エッチング方法は、基板をエッチングガス雰囲気中に配置し、上記エッチングガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を上記基板内に入射させ、上記入射された上記光を上記基板上面と基板底面との間で反射させ、上記反射される光が上記基板内から外部へと出射されることによる伝搬光に基づいて上記エッチングガスを解離させてその出射面に形成された凹凸をエッチングし、及び／又は当該伝搬光に基づいて上記凹凸における少なくとも角部に近接場光を発生させ、この発生させた近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る基板の気相化学エッチング方法は、請求項１記載の発明において、側端面を有する基板をエッチングガス雰囲気中に配置し、上記基板内に入射された上記光を上記基板上面と基板底面との間で反射させつつ上記側端面まで導き、上記側端面を介して外部へと出射されることによる伝搬光に基づいて、その側端面に形成された凹凸をエッチングし、及び／又は当該伝搬光に基づいて上記凹凸における少なくとも角部に近接場光を発生させ、この発生させた近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る基板の気相化学エッチング方法は、請求項１又は２記載の発明において、上記光をプリズムを介して上記基板上面に対して斜めに入射させることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る基板の気相化学エッチング方法は、請求項１〜３のうち何れか１項記載の発明において、光の回折限界以下のピッチで形成された上記凹凸を上記近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上述した構成からなる本発明によれば、光ディスクや基板等のような立体形状の上面のみならず、外周面、底面を始めとした各面に対しても同時に近接場光を発生させることができ、全ての面について同時に均一なエッチングを行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用したエッチング処理を行うための気相化学エッチング装置を示す図である。
【図２】本発明によるエッチング対象としての基板の拡大図である。
【図３】エッチングガスのガス分子の原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係について説明するための図である。
【図４】断熱過程及び非断熱過程のメカニズムについて説明するための図である。
【図５】外周面から外部へ出射された伝搬光に基づいて近接場光を発生させる場合について説明するための図である。
【図６】近接場光による気相化学エッチングのメカニズムについて説明するための図である。
【図７】基板の表面にガス分子が吸着したときのガス分子のポテンシャルエネルギーを説明するための図である。
【図８】断熱過程と非断熱過程の双方が同時に生じている場合について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した基板の気相化学エッチング方法を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
本発明に係る気相化学エッチング方法では、次に説明するような気相化学エッチング装置１を利用して後述のエッチング処理を行う。
【００１７】
気相化学エッチング装置１は、図１に示すように、第１実施形態において、チャンバ１１と、チャンバ１１内に配設されたステージ１３と、チャンバ１１に接続されたガス供給管２３と、チャンバ１１外に配設された光源１４とを備えている。
【００１８】
ステージ１３は、その上面に基板２が載置されるものである。なお、基板２の上面には、後述するプリズム３が載置される。ステージ１３は、基板２の位置、向きを調整するための位置調整機構や、基板２を加熱するための加熱機構等が設けられていてもよく、これらを制御することにより、基板の表面をエッチング処理するときの反応速度をコントロールすることが可能となる。
【００１９】
ガス供給管２３からは、基板２の表面をエッチング処理するためのエッチングガスが供給される。エッチングガスとしては、例えば、Ｃｌ2（塩素）、ＢＣｌ3（三塩化ホウ素）、ＣＣｌ4（四塩化炭素）等の塩素系ガス、ＳｉＨ4（モノシラン）、Ｓｉ2Ｈ6（ジシラン）等のシラン系ガスが挙げられる。ガス供給管２３からは、上述のエッチングガスと混合してＮ2、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性ガスが供給されていてもよい。
【００２０】
光源１４は、図示しない駆動電源による制御に基づき、所定の波長を有する光を射出するものである。光源１４は、射出された光がチャンバ１１の外面に設けられた窓１５を透過してステージ１３上の基板２に照射されるようにその位置が調整されている。光源１４は、例えば、レーザーダイオード等から構成される。光源１４は、基板２に照射される光の照射範囲を制御するため、偏光レンズ、集束レンズ等を有する光学系を備えていてもよい。光源１４から射出される光の波長は後述する。
【００２１】
また、気相化学エッチング装置１は、チャンバ１１内の気体を吸引するポンプ１６と、チャンバ１１内の圧力を検出する圧力センサ１７と、圧力センサ１７により検出されたチャンバ内圧に基づいて開閉するバタフライバルブ１８とを備えており、これらにより、チャンバ１１内の内圧の自動制御が実現可能とされている。
【００２２】
本発明を適用した気相化学エッチング方法による平坦化の対象となる基板２は、例えば、ガラス、アルミニウム、シリコンや、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ：polymenthyl methacrylate）のようなプラスチック等から構成される。図２は、この基板２の拡大図を示している。基板２は、例えば、磁気ディスク用基板、光ディスク用基板等の記録媒体用基板として用いられるものであってもよく、上面２ａ、外周面２ｂ、底面２ｃによって囲まれる立体形状で構成されている。このうち、少なくとも外周面２ｂは通常研削される。また、この基板２の上面２ａ上にはプリズム３が載置されるが、その形状は特に限定されるものではないが、少なくとも基板２の上面２ａに対して斜めから光を入射することができる形状とされている必要がある。
【００２３】
次に、本発明を適用した気相化学エッチング方法について説明する。先ずエッチング処理すべき基板２をステージ１３に載置し、さらにその基板２の上面２ａにプリズム３を載置する。次にチャンバ１１内を密閉状態に保持し、所定圧力、所定温度に制御する。続いて、ガス供給管２３からエッチングガスを供給する。なお、このプリズム３の代替として、例えば半球レンズを載置するようにしてもよい。いずれの場合においても、基板２に対して光を斜め方向から入射可能な程度に光路を偏光できる形状で構成されていれば、いかなるものに代替可能である。
【００２４】
このエッチング工程では、エッチングガス雰囲気中において次に説明するような条件を満足する波長の伝搬光を光源１４からプリズム３を介して基板２に照射する。図２に示すように、プリズム３を介して基板２の上面２ａから斜め方向に入射された光は、上面２ａと底面２ｃとの間で反射させつつ外周面２ｂまで導く。そして、この外周面２ｂを介して基板２内から外部へと出射される伝搬光に基づいてエッチングガスを解離させて当該外周面２ｂ表面に形成された凹凸をエッチングする。また、これとともに、当該伝搬光に基づいて凹凸における少なくとも角部に近接場光を発生させ、この発生させた近接場光に基づいてエッチングガスを解離させてエッチングする。
【００２５】
光源１４から出射される伝搬光の波長は、エッチングガスのガス分子の吸収端波長より長波長とする。これは、基板２の表面から離れた気相中でのエッチングガスのガス分子が解離してしまうのを防止しつつ、光源１４から射出された伝搬光を基板まで到達させるためである。
【００２６】
図３は、エッチングガスのガス分子の原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係について示している。
【００２７】
エッチングガスにより基板２の表面をエッチングする上では、エッチングガスのガス分子を構成する複数の原子を解離させてラジカルを生成する必要がある。このガス分子を構成する複数の原子を十分に引き離すためのエネルギーが解離エネルギーＥｂに相当する。
【００２８】
ここで、光の照射によりガス分子を解離させるうえでは、断熱過程、非断熱過程の何れかを経ることになる。
【００２９】
断熱過程とは、ガス分子の電子の基底準位と励起準位とのエネルギー差Ｅａ以上の光エネルギーをもつ伝搬光を照射することにより、ガス分子の電子を基底準位から励起準位に直接励起させる過程をいう。電子が励起準位に励起されたガス分子は、図に示すような方向Ｐに解離させることが可能となる。
【００３０】
非断熱過程（フォノン援用過程）とは、近接場光によりガス分子を振動準位へ励起させて、これにより、ガス分子を解離させる過程をいう。このとき、非断熱過程は、ガス分子が複数の振動準位を介して励起準位にまで多段階的に励起される過程Ｓ１と、解離エネルギーＥｂ以上のエネルギー準位の振動準位まで直接又は多段階的に励起される過程Ｓ２との何れかに分類される。解離エネルギーＥｂ以上のエネルギー準位又は励起準位まで励起されたガス分子は、解離させることが可能となる。
【００３１】
断熱過程と非断熱過程とは、図４に示すような、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルにより説明することができる。
【００３２】
一般に、伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは、伝搬光の照射により空間的に一様な電場が発生するものと考えることができる。このとき、ガス分子中の複数の電子は、図４（ａ）に示すように、伝搬光の照射により同振幅、同位相で振動することになる。また、ガス分子中の原子核は電子と比べて重いため、この電子の振動には追従することがない。この結果、伝搬光の照射により、電子のみが振動して原子核が振動しないことになる。このような、ガス分子の励起過程に分子振動が関わらないものが断熱過程に相当する（非特許文献１参照。）。
【００３３】
一方、近接場光はその空間的な電場勾配が物体表面から離れるにつれて急峻に低下するため、分子レベルでは、空間的に不均一な電場が発生するものと考えることができる。このとき、ガス分子中の複数の電子は、図４（ｂ）に示すように、近接場光の照射により異なる振動をすることになる。また、この複数の電子の振動により、原子核も振動することになる。この結果、ガス分子を振動準位に励起させることが可能となる。これが非断熱過程に相当する。このような、ガス分子の励起過程に分子振動に関わるものが非断熱過程に相当する。
【００３４】
本発明では、図５に示すように外周面２ｂから外部へ伝搬光が出射されるが、この伝搬光が外周面２ｂに形成された凸部４を通過する過程で当該凸部４の少なくとも角部において近接場光が発生する。ここで伝搬光を凸部４に照射することにより、近接場光が発生する角部とは、図６（ａ）に示すように凸部４の先端に相当する先鋭化部分４３である。この先鋭化部分４３において近接場光が選択的に発生すると、当該発生した近接場光によりエッチングガス分子５１が解離されてラジカル５２が生成される。このラジカル５２は、近接場光が発生した先鋭化部分４３近傍のみにおいて選択的に生成される。そして、この生成されたラジカル５２は、これに最も近接する先鋭化部分４３と選択的に反応することになる。その結果、図６（ｂ）に示すように、先鋭化部分４３がラジカル５２の活性によりエッチングされることになる。そして先鋭化部分４３がエッチングされると、この凸部４２において更に先鋭化部分４３'が形成されるが、これに対しても近接場光が選択的に発生し、エッチングガス分子５１を解離させてラジカル５２を先鋭化部分４３'近傍において選択的に形成されることができる。その結果、この先鋭化部分４３'は、ラジカル５２と反応することによりエッチングされることになる。
【００３５】
また、近接場光が発生する角部は、かかる先鋭化部分のみならず、凹部５、凸部４を構成するいかなる角部分をも含む。凹部５もここでいう角部に含まれ、図６（ｂ）に示すように近接場光が発生し、この発生した近接場光に基づいて発生させたラジカル５２により当該凹部５が平滑化されることになる。
【００３６】
上述したように、基板２の外周面２ｂの局所領域における近接場光の発生と、エッチングガス分子５１の解離によるラジカル活性、先鋭化部分４３の反応が繰り返し実行されることにより、最終的には図６（ｃ）に示すように、角部をエッチングすることにより表面を平滑化させ、表面粗さを低減させることが可能となる。
【００３７】
なお、上述した近接場光によるエッチングは、外周面２ｂのみならず、上面２ａ又は底面２ｃにおいても同様に実現可能である。例えば、基板２内に入射した光は、上面２ａと底面２ｃとを互いに反射しながら外周面２ｂへと導かれる過程で、図５に示すように上面２ａからも少なからず光が出射する場合がある。この上面２ａから外部へと出射した伝搬光が、上面２ａに形成された凸部４を通過する過程で当該凸部４の少なくとも角部において近接場光が発生する。この発生した近接場光により、エッチングガス分子がラジカルに解離し、上述と同様のメカニズムで上面２ａの平坦化を図ることが可能となる。同様に下面２ｃについても平坦化を図ることが可能となる。
【００３８】
なお、本発明は、上述した非断熱過程に加えて、以下に説明する断熱過程に基づいて、ガス分子をラジカルに解離させるようにしてもよい。光源１４からは、上述の通り、ガス分子の吸収端波長より長波長の光を照射しているので、気相中ではガス分子が解離しない。しかしながら、基板２における上面２ａ、外周面２ｂ、底面２ｃの何れか１以上にガス分子が吸着した場合、図７に示すように、基板２とガス分子との相互作用によりガス分子にエネルギーが与えられ、ガス分子の励起準位が方向Ｑに示すように小さくなり、基底準位から励起準位までのエネルギー差が小さくなる。このため、基板２の表面においては、ガス分子の吸収端波長より長波長の伝搬光を照射していても、基板２の表面に吸着しているガス分子を断熱過程を経て解離させることが可能となる。
【００３９】
このとき、基板２の露出部４の表面に吸着しているガス分子を断熱過程を経て解離させるうえでは、エッチングガスのガス分子の解離エネルギーをＥｂとしたときに、０．５×Ｅｂ以上の光エネルギーを有する波長の光を照射することが好ましい。これにより、基板２における上面２ａ、外周面２ｂ、底面２ｃに吸着しているガス分子を断熱過程を経て解離させることが可能となる。ただし、この場合、基板２の表面において断熱過程を経て解離されるガス分子は確率的に僅かなものであるので、エッチング速度を増大させるうえでは、照射する伝搬光の光強度を増大させておく。また、基板２の表面に吸着しているガス分子を断熱過程を経て解離させるうえでは、エッチングガスの吸収端波長をλ1としたときに、（λ1＋λ1／１０）以下の波長の光を照射するようにすれば、エッチング速度を更に増大させることが可能となる。
【００４０】
このような現象を実現するための波長の一例を挙げると、例えば、エッチングガスのガス分子としてＣｌ2を用いる場合、Ｃｌ2のガス分子の吸収端波長が４００ｎｍであることから、これより長波長である４０３ｎｍ、４０８ｎｍ等の波長の伝搬光を照射すればよい。このような波長は、ＩｎＧａＮレーザ等から射出される。
【００４１】
以上、本発明によれば、光ディスクや基板等のような立体形状の上面２ａのみならず、外周面２ｂ、底面２ｃを始めとした各面に対しても同時に近接場光を発生させることができ、全ての面について同時に均一なエッチングを行うことが可能となる。
【００４２】
なお、本発明は、上面２ａ、外周面２ｂ、底面２ｃの全ての面についてエッチングを行う場合に限定されるものではなく、外周面２ｂから出射した伝搬光に基づいて当該外周面２ｂのみをエッチングする形態としてもよいことは勿論である。また外周面２ｂ以外でも、上面２ａ又は底面２ｃから出射した伝搬光に基づいて当該上面２ａ又は底面２ｃのみをエッチングする形態としてもよいことは勿論である。
【００４３】
また、上述した実施の形態においては、断熱過程と非断熱過程がともに生じている場合について説明をしたが、これに限定されるものではなく、いずれか一方の過程が生じていればよいことは勿論である。
【００４４】
但し、上述した断熱過程と非断熱過程の双方が同時に生じていることがより望ましい。その理由として、図８(a)に示すように、断熱過程により、当初の基板２の表面２ｄから全体的に深さ方向へ削り取ることができ、また図８(b)に示すように、非断熱過程により、その削り取られた表面２ｅに発生した微小な凹凸に近接場光を発生させてこれをエッチングすることが可能となる。その結果、深さ方向の研磨と、表面凹凸の除去の双方を同時に実現することが可能となる。
【００４５】
更に本発明では、研削された側端面のみならず、側端面と上面、並びに側端面と底面との角を面取りすることにより得られるチャンファー部の凹凸も同様にエッチングすることができることは勿論である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 気相化学エッチング装置
２ 基板
２ａ 上面
２ｂ 外周面
２ｃ 底面
３ プリズム
４ 凸部
１１ チャンバ
１３ ステージ
１４ 光源
１５ 窓
１６ ポンプ
１７ 圧力センサ
１８ バタフライバルブ
２３ ガス供給管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研削された外周面を有する基板について、その上面と外周面とを均一に気相化学エッチングする上で好適な基板の気相化学エッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体や光学素子等の基板の表面を研磨するための方法として、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。ＣＭＰでは、円板状の定盤上に表面に研磨布が貼り付けられた研磨体を配置し、次に被研磨体を回転させ、研磨対象となる基板を回転させながら研磨体に押し付ける。そして、この研磨体上で、研磨対象としての基板を回転させる等の相対運動を行わせることにより、基板の表面の機械的研磨が行われる。このとき、研磨体と基板との間には研磨剤を供給することにより、当該研磨剤による化学的作用を発揮させることで、基板の表面の化学的研磨が実現される。この研磨剤は、一般に、酸化セリウムを主成分とするものが用いられている。ＣＭＰを利用することにより、例えば、１０ｎｍ程度の径からなる凸部であれば大概除去することが可能となる。
【０００３】
ところで特許文献１の開示技術によれば、研磨剤としていわゆるレアメタルとして知られる酸化セリウムを用いる必要がある。酸化セリウムは、その産出国が限られている等の理由により非常に高価なものであり、製造コストを低減させる観点からは、ナノスケール以上のサイズの凸部をＣＭＰによることなく平坦化できるような方法の提案が望まれていた。また、この特許文献１の開示技術によれば、１０ｎｍ以下の数ｎｍのオーダの凸部、或いは１ｎｍ以下のオーダの凸部については好適に研磨することができないという問題点があった。特にかかる数ナノオーダでの研磨は、例えば、ハードディスクや光ディスク等のような、ナノオーダの凹凸が僅かに存在した場合に品質を大幅に低下させてしまう製品に応用する場合において特に強い要望があるため、これに応えることができる研磨方法が特に近年において望まれていた。
【０００４】
このため、近接場光を利用したエッチング方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この近接場光を利用したエッチング方法では、エッチングガス雰囲気中においてエッチングガス分子の吸収端波長より長波長の光を基板に照射することにより、その基板の表面に形成されたナノスケールの凸部に近接場光を発生させ、その近接場光に基づき非断熱過程を経てエッチングガス分子を解離させることによって、そのナノスケールの凸部を選択的にエッチングすることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１２９１５５号公報
【特許文献２】特開２００９−９４３４５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】大津元一、小林潔"ナノフォトニクスの基礎"オーム社、Ｐ１４１、Ｐ２０６〜Ｐ２０８（２００６年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した特許文献２に開示の技術によれば、近接場光はあくまで外部から照射する光に基づいて発生させることを前提としたものである。このため、例えば円盤状の光ディスクに対して引用文献２に開示の手法によりエッチングを行う場合には、光が照射される光ディスクの上面に形成された微小な凹凸を除去することができる反面、研削された側端面、更には側端面と上面、並びに側端面と底面との角を面取りすることにより形成されるチャンファー部等には、外部から光が到達しない場合もある。その結果、側端面やチャンファー部に形成された凹凸には近接場光を発生させることができず、ガス分子を解離させることによるエッチングを実現することができない。即ち、光ディスクや基板等のような立体形状の上面のみならず、外周面を始めとした各面に対しても同時に光を照射させることができないため、近接場光を発生させることができない結果、全ての面について同時に均一なエッチングを行うことができないという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、光ディスクや基板等のような立体形状の上面と外周面とを均一にエッチングすることが可能な基板のエッチング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】
請求項１に係る基板の気相化学エッチング方法は、基板をエッチングガス雰囲気中に配置し、上記エッチングガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を上記基板内に入射させ、上記入射された上記光を上記基板上面と基板底面との間で反射させ、上記反射される光が上記基板内から外部へと出射されることによる伝搬光に基づいて上記エッチングガスを解離させてその出射面に形成された凹凸をエッチングし、及び／又は当該伝搬光に基づいて上記凹凸における少なくとも角部に近接場光を発生させ、この発生させた近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る基板の気相化学エッチング方法は、請求項１記載の発明において、側端面を有する基板をエッチングガス雰囲気中に配置し、上記基板内に入射された上記光を上記基板上面と基板底面との間で反射させつつ上記側端面まで導き、上記側端面を介して外部へと出射されることによる伝搬光に基づいて、その側端面に形成された凹凸をエッチングし、及び／又は当該伝搬光に基づいて上記凹凸における少なくとも角部に近接場光を発生させ、この発生させた近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る基板の気相化学エッチング方法は、請求項１又は２記載の発明において、上記光をプリズムを介して上記基板上面に対して斜めに入射させることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る基板の気相化学エッチング方法は、請求項１〜３のうち何れか１項記載の発明において、光の回折限界以下のピッチで形成された上記凹凸を上記近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上述した構成からなる本発明によれば、光ディスクや基板等のような立体形状の上面のみならず、外周面、底面を始めとした各面に対しても同時に近接場光を発生させることができ、全ての面について同時に均一なエッチングを行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用したエッチング処理を行うための気相化学エッチング装置を示す図である。
【図２】本発明によるエッチング対象としての基板の拡大図である。
【図３】エッチングガスのガス分子の原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係について説明するための図である。
【図４】断熱過程及び非断熱過程のメカニズムについて説明するための図である。
【図５】外周面から外部へ出射された伝搬光に基づいて近接場光を発生させる場合について説明するための図である。
【図６】近接場光による気相化学エッチングのメカニズムについて説明するための図である。
【図７】基板の表面にガス分子が吸着したときのガス分子のポテンシャルエネルギーを説明するための図である。
【図８】断熱過程と非断熱過程の双方が同時に生じている場合について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した基板の気相化学エッチング方法を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
本発明に係る気相化学エッチング方法では、次に説明するような気相化学エッチング装置１を利用して後述のエッチング処理を行う。
【００１７】
気相化学エッチング装置１は、図１に示すように、第１実施形態において、チャンバ１１と、チャンバ１１内に配設されたステージ１３と、チャンバ１１に接続されたガス供給管２３と、チャンバ１１外に配設された光源１４とを備えている。
【００１８】
ステージ１３は、その上面に基板２が載置されるものである。なお、基板２の上面には、後述するプリズム３が載置される。ステージ１３は、基板２の位置、向きを調整するための位置調整機構や、基板２を加熱するための加熱機構等が設けられていてもよく、これらを制御することにより、基板の表面をエッチング処理するときの反応速度をコントロールすることが可能となる。
【００１９】
ガス供給管２３からは、基板２の表面をエッチング処理するためのエッチングガスが供給される。エッチングガスとしては、例えば、Ｃｌ2（塩素）、ＢＣｌ3（三塩化ホウ素）、ＣＣｌ4（四塩化炭素）等の塩素系ガス、ＳｉＨ4（モノシラン）、Ｓｉ2Ｈ6（ジシラン）等のシラン系ガスが挙げられる。ガス供給管２３からは、上述のエッチングガスと混合してＮ2、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性ガスが供給されていてもよい。
【００２０】
光源１４は、図示しない駆動電源による制御に基づき、所定の波長を有する光を射出するものである。光源１４は、射出された光がチャンバ１１の外面に設けられた窓１５を透過してステージ１３上の基板２に照射されるようにその位置が調整されている。光源１４は、例えば、レーザーダイオード等から構成される。光源１４は、基板２に照射される光の照射範囲を制御するため、偏光レンズ、集束レンズ等を有する光学系を備えていてもよい。光源１４から射出される光の波長は後述する。
【００２１】
また、気相化学エッチング装置１は、チャンバ１１内の気体を吸引するポンプ１６と、チャンバ１１内の圧力を検出する圧力センサ１７と、圧力センサ１７により検出されたチャンバ内圧に基づいて開閉するバタフライバルブ１８とを備えており、これらにより、チャンバ１１内の内圧の自動制御が実現可能とされている。
【００２２】
本発明を適用した気相化学エッチング方法による平坦化の対象となる基板２は、例えば、ガラス、アルミニウム、シリコンや、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ：polymenthyl methacrylate）のようなプラスチック等から構成される。図２は、この基板２の拡大図を示している。基板２は、例えば、磁気ディスク用基板、光ディスク用基板等の記録媒体用基板として用いられるものであってもよく、上面２ａ、外周面２ｂ、底面２ｃによって囲まれる立体形状で構成されている。このうち、少なくとも外周面２ｂは通常研削される。また、この基板２の上面２ａ上にはプリズム３が載置されるが、その形状は特に限定されるものではないが、少なくとも基板２の上面２ａに対して斜めから光を入射することができる形状とされている必要がある。
【００２３】
次に、本発明を適用した気相化学エッチング方法について説明する。先ずエッチング処理すべき基板２をステージ１３に載置し、さらにその基板２の上面２ａにプリズム３を載置する。次にチャンバ１１内を密閉状態に保持し、所定圧力、所定温度に制御する。続いて、ガス供給管２３からエッチングガスを供給する。なお、このプリズム３の代替として、例えば半球レンズを載置するようにしてもよい。いずれの場合においても、基板２に対して光を斜め方向から入射可能な程度に光路を偏光できる形状で構成されていれば、いかなるものに代替可能である。
【００２４】
このエッチング工程では、エッチングガス雰囲気中において次に説明するような条件を満足する波長の伝搬光を光源１４からプリズム３を介して基板２に照射する。図２に示すように、プリズム３を介して基板２の上面２ａから斜め方向に入射された光は、上面２ａと底面２ｃとの間で反射させつつ外周面２ｂまで導く。そして、この外周面２ｂを介して基板２内から外部へと出射される伝搬光に基づいてエッチングガスを解離させて当該外周面２ｂ表面に形成された凹凸をエッチングする。また、これとともに、当該伝搬光に基づいて凹凸における少なくとも角部に近接場光を発生させ、この発生させた近接場光に基づいてエッチングガスを解離させてエッチングする。
【００２５】
光源１４から出射される伝搬光の波長は、エッチングガスのガス分子の吸収端波長より長波長とする。これは、基板２の表面から離れた気相中でのエッチングガスのガス分子が解離してしまうのを防止しつつ、光源１４から射出された伝搬光を基板まで到達させるためである。
【００２６】
図３は、エッチングガスのガス分子の原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係について示している。
【００２７】
エッチングガスにより基板２の表面をエッチングする上では、エッチングガスのガス分子を構成する複数の原子を解離させてラジカルを生成する必要がある。このガス分子を構成する複数の原子を十分に引き離すためのエネルギーが解離エネルギーＥｂに相当する。
【００２８】
ここで、光の照射によりガス分子を解離させるうえでは、断熱過程、非断熱過程の何れかを経ることになる。
【００２９】
断熱過程とは、ガス分子の電子の基底準位と励起準位とのエネルギー差Ｅａ以上の光エネルギーをもつ伝搬光を照射することにより、ガス分子の電子を基底準位から励起準位に直接励起させる過程をいう。電子が励起準位に励起されたガス分子は、図に示すような方向Ｐに解離させることが可能となる。
【００３０】
非断熱過程（フォノン援用過程）とは、近接場光によりガス分子を振動準位へ励起させて、これにより、ガス分子を解離させる過程をいう。このとき、非断熱過程は、ガス分子が複数の振動準位を介して励起準位にまで多段階的に励起される過程Ｓ１と、解離エネルギーＥｂ以上のエネルギー準位の振動準位まで直接又は多段階的に励起される過程Ｓ２との何れかに分類される。解離エネルギーＥｂ以上のエネルギー準位又は励起準位まで励起されたガス分子は、解離させることが可能となる。
【００３１】
断熱過程と非断熱過程とは、図４に示すような、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルにより説明することができる。
【００３２】
一般に、伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは、伝搬光の照射により空間的に一様な電場が発生するものと考えることができる。このとき、ガス分子中の複数の電子は、図４（ａ）に示すように、伝搬光の照射により同振幅、同位相で振動することになる。また、ガス分子中の原子核は電子と比べて重いため、この電子の振動には追従することがない。この結果、伝搬光の照射により、電子のみが振動して原子核が振動しないことになる。このような、ガス分子の励起過程に分子振動が関わらないものが断熱過程に相当する（非特許文献１参照。）。
【００３３】
一方、近接場光はその空間的な電場勾配が物体表面から離れるにつれて急峻に低下するため、分子レベルでは、空間的に不均一な電場が発生するものと考えることができる。このとき、ガス分子中の複数の電子は、図４（ｂ）に示すように、近接場光の照射により異なる振動をすることになる。また、この複数の電子の振動により、原子核も振動することになる。この結果、ガス分子を振動準位に励起させることが可能となる。これが非断熱過程に相当する。このような、ガス分子の励起過程に分子振動に関わるものが非断熱過程に相当する。
【００３４】
本発明では、図５に示すように外周面２ｂから外部へ伝搬光が出射されるが、この伝搬光が外周面２ｂに形成された凸部４を通過する過程で当該凸部４の少なくとも角部において近接場光が発生する。ここで伝搬光を凸部４に照射することにより、近接場光が発生する角部とは、図６（ａ）に示すように凸部４の先端に相当する先鋭化部分４３である。この先鋭化部分４３において近接場光が選択的に発生すると、当該発生した近接場光によりエッチングガス分子５１が解離されてラジカル５２が生成される。このラジカル５２は、近接場光が発生した先鋭化部分４３近傍のみにおいて選択的に生成される。そして、この生成されたラジカル５２は、これに最も近接する先鋭化部分４３と選択的に反応することになる。その結果、図６（ｂ）に示すように、先鋭化部分４３がラジカル５２の活性によりエッチングされることになる。そして先鋭化部分４３がエッチングされると、この凸部４２において更に先鋭化部分４３'が形成されるが、これに対しても近接場光が選択的に発生し、エッチングガス分子５１を解離させてラジカル５２を先鋭化部分４３'近傍において選択的に形成されることができる。その結果、この先鋭化部分４３'は、ラジカル５２と反応することによりエッチングされることになる。
【００３５】
また、近接場光が発生する角部は、かかる先鋭化部分のみならず、凹部５、凸部４を構成するいかなる角部分をも含む。凹部５もここでいう角部に含まれ、図６（ｂ）に示すように近接場光が発生し、この発生した近接場光に基づいて発生させたラジカル５２により当該凹部５が平滑化されることになる。
【００３６】
上述したように、基板２の外周面２ｂの局所領域における近接場光の発生と、エッチングガス分子５１の解離によるラジカル活性、先鋭化部分４３の反応が繰り返し実行されることにより、最終的には図６（ｃ）に示すように、角部をエッチングすることにより表面を平滑化させ、表面粗さを低減させることが可能となる。
【００３７】
なお、上述した近接場光によるエッチングは、外周面２ｂのみならず、上面２ａ又は底面２ｃにおいても同様に実現可能である。例えば、基板２内に入射した光は、上面２ａと底面２ｃとを互いに反射しながら外周面２ｂへと導かれる過程で、図５に示すように上面２ａからも少なからず光が出射する場合がある。この上面２ａから外部へと出射した伝搬光が、上面２ａに形成された凸部４を通過する過程で当該凸部４の少なくとも角部において近接場光が発生する。この発生した近接場光により、エッチングガス分子がラジカルに解離し、上述と同様のメカニズムで上面２ａの平坦化を図ることが可能となる。同様に下面２ｃについても平坦化を図ることが可能となる。
【００３８】
なお、本発明は、上述した非断熱過程に加えて、以下に説明する断熱過程に基づいて、ガス分子をラジカルに解離させるようにしてもよい。光源１４からは、上述の通り、ガス分子の吸収端波長より長波長の光を照射しているので、気相中ではガス分子が解離しない。しかしながら、基板２における上面２ａ、外周面２ｂ、底面２ｃの何れか１以上にガス分子が吸着した場合、図７に示すように、基板２とガス分子との相互作用によりガス分子にエネルギーが与えられ、ガス分子の励起準位が方向Ｑに示すように小さくなり、基底準位から励起準位までのエネルギー差が小さくなる。このため、基板２の表面においては、ガス分子の吸収端波長より長波長の伝搬光を照射していても、基板２の表面に吸着しているガス分子を断熱過程を経て解離させることが可能となる。
【００３９】
このとき、基板２の露出部４の表面に吸着しているガス分子を断熱過程を経て解離させるうえでは、エッチングガスのガス分子の解離エネルギーをＥｂとしたときに、０．５×Ｅｂ以上の光エネルギーを有する波長の光を照射することが好ましい。これにより、基板２における上面２ａ、外周面２ｂ、底面２ｃに吸着しているガス分子を断熱過程を経て解離させることが可能となる。ただし、この場合、基板２の表面において断熱過程を経て解離されるガス分子は確率的に僅かなものであるので、エッチング速度を増大させるうえでは、照射する伝搬光の光強度を増大させておく。また、基板２の表面に吸着しているガス分子を断熱過程を経て解離させるうえでは、エッチングガスの吸収端波長をλ1としたときに、（λ1＋λ1／１０）以下の波長の光を照射するようにすれば、エッチング速度を更に増大させることが可能となる。
【００４０】
このような現象を実現するための波長の一例を挙げると、例えば、エッチングガスのガス分子としてＣｌ2を用いる場合、Ｃｌ2のガス分子の吸収端波長が４００ｎｍであることから、これより長波長である４０３ｎｍ、４０８ｎｍ等の波長の伝搬光を照射すればよい。このような波長は、ＩｎＧａＮレーザ等から射出される。
【００４１】
以上、本発明によれば、光ディスクや基板等のような立体形状の上面２ａのみならず、外周面２ｂ、底面２ｃを始めとした各面に対しても同時に近接場光を発生させることができ、全ての面について同時に均一なエッチングを行うことが可能となる。
【００４２】
なお、本発明は、上面２ａ、外周面２ｂ、底面２ｃの全ての面についてエッチングを行う場合に限定されるものではなく、外周面２ｂから出射した伝搬光に基づいて当該外周面２ｂのみをエッチングする形態としてもよいことは勿論である。また外周面２ｂ以外でも、上面２ａ又は底面２ｃから出射した伝搬光に基づいて当該上面２ａ又は底面２ｃのみをエッチングする形態としてもよいことは勿論である。
【００４３】
また、上述した実施の形態においては、断熱過程と非断熱過程がともに生じている場合について説明をしたが、これに限定されるものではなく、いずれか一方の過程が生じていればよいことは勿論である。
【００４４】
但し、上述した断熱過程と非断熱過程の双方が同時に生じていることがより望ましい。その理由として、図８(a)に示すように、断熱過程により、当初の基板２の表面２ｄから全体的に深さ方向へ削り取ることができ、また図８(b)に示すように、非断熱過程により、その削り取られた表面２ｅに発生した微小な凹凸に近接場光を発生させてこれをエッチングすることが可能となる。その結果、深さ方向の研磨と、表面凹凸の除去の双方を同時に実現することが可能となる。
【００４５】
更に本発明では、研削された側端面のみならず、側端面と上面、並びに側端面と底面との角を面取りすることにより得られるチャンファー部の凹凸も同様にエッチングすることができることは勿論である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 気相化学エッチング装置
２ 基板
２ａ 上面
２ｂ 外周面
２ｃ 底面
３ プリズム
４ 凸部
１１ チャンバ
１３ ステージ
１４ 光源
１５ 窓
１６ ポンプ
１７ 圧力センサ
１８ バタフライバルブ
２３ ガス供給管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板をエッチングガス雰囲気中に配置し、
上記エッチングガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を上記基板内に入射させ、
上記入射された上記光を上記基板上面と基板底面との間で反射させ、
上記反射される光が上記基板内から外部へと出射されることによる伝搬光に基づいて上記エッチングガスを解離させてその出射面に形成された凹凸をエッチングし、
及び／又は当該伝搬光に基づいて上記凹凸における少なくとも角部に近接場光を発生させ、この発生させた近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすること
を特徴とする基板の気相化学エッチング方法。
【請求項２】
側端面を有する基板をエッチングガス雰囲気中に配置し、
上記基板内に入射された上記光を上記基板上面と基板底面との間で反射させつつ上記側端面まで導き、
上記側端面を介して外部へと出射されることによる伝搬光に基づいて、その側端面に形成された凹凸をエッチングし、
及び／又は当該伝搬光に基づいて上記凹凸における少なくとも角部に近接場光を発生させ、この発生させた近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすること
を特徴とする請求項１記載の基板の気相化学エッチング方法。
【請求項３】
上記光をプリズムを介して上記基板上面に対して斜めに入射させること
を特徴とする請求項１又は２記載の基板の気相化学エッチング方法。
【請求項４】
光の回折限界以下のピッチで形成された上記凹凸を上記近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすること
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の基板の気相化学エッチング方法。
【請求項１】
基板をエッチングガス雰囲気中に配置し、
上記エッチングガスを構成するガス分子の吸収端波長以上の光を上記基板内に入射させ、
上記入射された上記光を上記基板上面と基板底面との間で反射させ、
上記反射される光が上記基板内から外部へと出射されることによる伝搬光に基づいて上記エッチングガスを解離させてその出射面に形成された凹凸をエッチングし、
及び／又は当該伝搬光に基づいて上記凹凸における少なくとも角部に近接場光を発生させ、この発生させた近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすること
を特徴とする基板の気相化学エッチング方法。
【請求項２】
側端面を有する基板をエッチングガス雰囲気中に配置し、
上記基板内に入射された上記光を上記基板上面と基板底面との間で反射させつつ上記側端面まで導き、
上記側端面を介して外部へと出射されることによる伝搬光に基づいて、その側端面に形成された凹凸をエッチングし、
及び／又は当該伝搬光に基づいて上記凹凸における少なくとも角部に近接場光を発生させ、この発生させた近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすること
を特徴とする請求項１記載の基板の気相化学エッチング方法。
【請求項３】
上記光をプリズムを介して上記基板上面に対して斜めに入射させること
を特徴とする請求項１又は２記載の基板の気相化学エッチング方法。
【請求項４】
光の回折限界以下のピッチで形成された上記凹凸を上記近接場光に基づいて上記エッチングガスを解離させてエッチングすること
を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の基板の気相化学エッチング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１６０４８８（Ｐ２０１２−１６０４８８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７１３９（Ｐ２０１１−１７１３９）
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（５１１０２６２２３）特定非営利活動法人ナノフォトニクス工学推進機構 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２８日（２０１１．１．２８）
【出願人】（５１１０２６２２３）特定非営利活動法人ナノフォトニクス工学推進機構 (4)
【Ｆターム（参考）】
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