局所加工方法ならびに局所加工装置
【課題】 反応性プラズマエッチング加工など加工時に発生する熱量が大きな局所加工において、被加工物の温度プロファイルが変化し、それに依って単位加工形状が変化する場合においても、高精度かつ低コストで加工を行えるようにする。
【解決手段】 上述の課題を解決するために、
温度測定器（１１１）によって被加工物（１０３）の表面の複数の点の温度を測定することで被加工物の温度プロファイルを計測する工程と、その温度プロファイルと局所加工ツール（１０１）の単位加工形状とに基づき被加工物に対する局所加工ツールの滞留時間分布を算出する工程と、この滞留時間分布に基づき局所加工ツールを制御して被加工物を加工する工程と、を有する局所加工方法を提供する。
【解決手段】 上述の課題を解決するために、
温度測定器（１１１）によって被加工物（１０３）の表面の複数の点の温度を測定することで被加工物の温度プロファイルを計測する工程と、その温度プロファイルと局所加工ツール（１０１）の単位加工形状とに基づき被加工物に対する局所加工ツールの滞留時間分布を算出する工程と、この滞留時間分布に基づき局所加工ツールを制御して被加工物を加工する工程と、を有する局所加工方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハーや、レンズ、ミラー等の高精度素子を製造するための、局所加工方法および局所加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハーや、レンズおよびミラー等の高精度素子を所望の形状に加工する技術として、滞留時間制御加工方法という方法がある。これは、被加工物の表面積に対して十分小さい領域を局所的に加工する局所加工ツールを、被加工物の表面に対して任意の滞留時間分布で走査させ、被加工物表面の所望の位置を所望の量だけ加工する方法である。
【０００３】
このように局所的に被加工物を加工するための加工ツールとしては、小径の研磨工具や細く絞ったイオンビームなどが古くから知られている。さらに、この滞留時間制御加工方法において、局所加工ツールとして反応性プラズマによるエッチング作用を利用した加工方法（以下、反応性プラズマエッチング加工方法とする）も知られている。 その例として、局所加工ツールとしてマイクロ波放電プラズマを用いたプラズマジェット（Ｐｌａｓｍａ Ｊｅｔ）という方法（非特許文献１）や、局所加工ツールとしてＩＣＰ放電プラズマを用いたＲＡＰＰ（特許文献１）と呼ばれる方法等がある。
【０００４】
このような化学反応を利用した局所加工方法は、従来の機械加工に匹敵する加工能率と加工形状制御性とを有しながら、接触式の局所加工方法とは異なり、加工面にダメージを与えない加工として知られている。このような従来の反応性プラズマエッチング加工方法の一例を以下に説明する。
【０００５】
まず、予めのダミーの被加工物を加工および計測して、ワークの温度に対する被加工量を表す加工レートと単位時間あたりのスポット加工形状（以下、単位加工形状とする）を取得する。次に、得られた加工レートと単位加工形状と、被加工物の目標形状と加工前形状との差（以下、目標除去形状とする）とから、加工プログラムが作成される。
【０００６】
この加工プログラムとは、被加工物を所望の形状に仕上げるために、局所加工ツールを被加工物表面のどの位置にどれだけの時間で滞留させるかを表す情報（以下滞留時間分布とする）である。
【０００７】
被加工物に対して局所加工ツールの滞留時間が長いほど被加工物は多く加工され、短いほど少なく加工される。
【０００８】
作成された滞留時間分布に従って、反応性プラズマを利用した局所加工を例にとると、まず反応性プラズマ源により発生させた反応性プラズマを被加工物に照射して加工を行う。また加工中にはプラズマを維持するために、反応性プラズマ源には常に数Ｗ〜約１ｋＷの高周波の電磁波が印加されており、そのエネルギーの一部は熱エネルギーとなって被加工物に照射される。このため、加工部およびその周辺の被加工物の温度は、加工時間の経過に従って上昇する。また一方、反応性プラズマによる加工レートは、被加工物の温度上昇に従って増加する。
【０００９】
これは、化学反応の速度が熱により増加することによる。これらのことから、加工中の被加工物の温度は加工時間の経過につれて上昇することになる。すなわち、滞留時間分布を作成するために利用した単位加工形状は、加工中に刻々と変化することになり、そのことによる形状誤差が加工結果に反映されてしまう。特に、被加工物が肉厚で、さらに熱伝導率の低い、例えば光学素子材料のようなガラス材料の場合には、基板冷却もしくは加熱等の被加工物の温度制御は困難である。
【００１０】
図５はシリコンからなる基板の加工レートを示す図であり、横軸は基板の表面温度、縦軸は単位時間あたりの加工量（加工レート）を示している。
【００１１】
温度に対する被加工物の加工量である加工レートは温度上昇につれて上昇するものの、ある程度温度を挙げると図５に描かれたグラフのようにその温度より高い温度では加工レートが飽和する傾向がある。したがって、被加工物を例えばシリコン基板とするならば４００℃以上に加熱することによって、加工レートを被加工物温度に依らず一定に近づけて加工することで、加工中の加工レートの変化を緩和する方法が知られている。（非特許文献２参照） またその他、加工−計測を複数回繰り返すことにより誤差形状を収斂させていく方法や、予めの加工実験を複数回行う事により、経験的に加工レート変化を取得し、その情報を用いて加工プログラムを修正する方法も一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特表２００４−５１８５２６
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｇ．Ｂｏｅｈｍ，Ｗ．Ｆｒａｎｋ，Ａ．Ｓｃｈｉｎｄｌｅｒ，Ａ．Ｎｉｃｋｅｌ，Ｈ．Ｔｈｏｍａｓ，Ｆ．Ｂｉｇｌ，Ｍ．Ｗｅｉｓｅｒ，“Ｐｌａｓｍａ Ｊｅｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ−ａ Ｔｏｏｌ Ｆｏｒ ｔｈｅ Ｆｉｇｕｒｉｎｇ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ａｓｐｈｅｒｅｒｓ，”，Ｐｒｏｃ．９＾＜ｔｈ＞ ＩＣＰＥ９５，３５（２００４）
【非特許文献２】Ｔｈ．Ａｒｎｏｌｄ，Ｇ．Ｂｏｅｌｍ，Ａ．Ｓｈｉｎｄｌｅｒ，”Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ｒａｔｅ ｐｌａｓｍａ ｊｅｔ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ，”ＪＶＳＴ Ａ１９，２５８６（２００１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前述のとおり、加工中には多量の熱エネルギーが被加工物に照射される局所加工ツールを用いて加工すると、加工部の温度は加工時間の経過に従い上昇する。このため、局所加工ツールの単位加工形状は常に変化し、加工精度が低減してしまう。特に被加工物が肉厚で熱伝導率の低い材料である場合には、被加工物の温度制御は困難であり、加工部の温度上昇も著しい。つまり加工部を含む被加工物表面の温度分布（温度プロファイル）は常に変化する。
【００１５】
この問題を回避するために、被加工物を４００℃以上に加熱するなどして加工レートを一定に近づける方法があるが、高い品質が必要とされる多くの半導体材料や光学素子材料は、そのような高温に耐え得ない場合が多い。
【００１６】
また肉厚で大型の素子は素子全体もしくは素子の一部を、加熱することは、コストや技術的難易度の面から見ても不利である。さらに別の方法として、予め同形状のサンプルを数回加工することにより、経験的に温度による加工レート変化パターンを取得し、その情報を用いて滞留時間分布を修正する方法もある。しかし、この方法は加工雰囲気やワークチャック状態の僅かな変化による温度再現性のばらつきによって、大きな加工誤差を生じ得る。
【００１７】
そこで本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みて考案されたものである。すなわち、加工中に発生する熱等で被加工物の加工部の温度プロファイルが常に変化していても、高精度かつ効率の良い加工を可能とする。さらにその結果として、製品の品質向上と生産コストを縮小させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の課題を解決する本発明は、
被加工物に対して局所加工ツールを走査させることで、前記被加工物を加工する局所加工方法において、
温度測定器によって前記被加工物の表面の複数の点の温度を測定することで前記被加工物の温度プロファイルを計測する工程と、前記温度プロファイルと前記局所加工ツールの温度依存性のある単位加工形状とに基づき被加工物に対する前記局所加工ツールの滞留時間分布を導出する工程と、前記滞留時間分布に基づき局所加工ツールを制御して前記被加工物を加工する工程と、を有する局所加工方法、である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の局所加工方法によれば、加工中の被加工物の温度プロファイルが変化することで加工部の単位加工形状が刻々と変化する場合においても、滞留時間分布を随時適正に補正することが可能なので、加工精度の低減を防止することができる。
【００２０】
また本発明の物品の生産方法によって、単純な構成によって高速で温度プロファイルを計測する事が可能となり、加工コストを低減しつつ、加工精度の高い物品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の局所加工装置を説明する図である。
【図２】本発明の局所加工装置に配設された温度測定器の測定領域を説明する図である。
【図３】（ａ）はダミーの被加工物を加工して得られたスポット加工結果、（ｂ）はダミーの被加工物の加工中の温度プロファイル情報を示す図である。
【図４】反応性プラズマ加工シミュレーションの結果を示す図である。
【図５】シリコンからなる基板の加工レートを示す図である
【図６】本発明の加工方法に関する手順を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の具体的構成を詳述する前に、まず反応性プラズマを用いた局所加工方法を例にとり、加工シミュレーションの結果を、図を用いて説明する。
【００２３】
図４に反応性プラズマ加工シミュレーションの結果を示す。被加工物はφ５０ｍｍの石英の円盤状の部材であり、発生させるプラズマはＡｒおよびＳＦ６ガスに対し、マイクロ波を１５０Ｗ投入した反応性プラズマである。図４（ａ）はプラズマを被加工物中心に静止させ、８秒間照射した直後の温度プロファイルである。図４（ｂ）は被加工物の水平方向中心線に対し、反応性プラズマを照射しながら図の紙面左から右へ１０ｍｍ／ｓｅｃでライン走査し、被加工物の左端から出発して被加工物中心に到達した瞬間の温度プロファイルを示している。図４（ｃ）は、被加工物全体に対し、反応性プラズマを図の下から上へ送りピッチ２ｍｍ、走査速度１０ｍｍ／ｓｅｃでラスター走査し、反応性プラズマが被加工物中心に到達した瞬間の温度プロファイルを示している。
【００２４】
これらのシミュレーション結果のように、図４（ａ）によると反応性プラズマを静止している場合には、温度プロファイルは中心対称であるのに対し、図４（ｂ）のように走査している場合には走査の軌跡に対して尾を引くように伸びたプロファイルとなっている。また、図４（ｂ）によると反応性プラズマの照射位置は被加工物中心に有るにも関わらず、温度プロファイルのピーク位置は、走査方向と逆方向に遅れた場所に位置していることもわかる。さらに、図４（ｃ）に描かれているように、ラスター走査の場合には反応性プラズマの送り方向（紙面上方向）に対して、高低の温度差が生じており、走査経路により温度プロファイルが変化する事を示している。
【００２５】
上記のシミュレーション結果によると、反応性プラズマなどの局所加工ツールを用いた場合、局所加工ツールを被加工物上に走査する際の温度プロファイルは、加工条件、時間、位置により顕著に変化するものである。したがって加工部の単位加工形状も、加工中に常に変化する事がわかる。
【００２６】
従来のように、加工中の温度プロファイルの変化を加味せずに加工した場合の、加工シミュレーションの結果を図４（ｄ）に示す。このシミュレーションにおいては、単位加工形状を一定のアスペクト比を保つ形状として与え、被加工物の昇温による加工レートの変化は単位加工形状の体積が変化すると仮定して、ある滞留時間分布で加工した場合の加工形状をとした。次に、加工中の温度プロファイルの変化を加味して加工した場合の、加工シミュレーションの結果（ｅ）に示す（その加工方法については下段にて詳述する）。
【００２７】
ここでは、加工中に変化する温度プロファイルから、加工中の単位加工形状の変化を算出しながら、図４（ｄ）の場合と同じ滞留時間分布で加工した場合の加工形状をとした。さらに、図４（ｄ）と図４（ｅ）の差分形状を（ｆ）とした。すなわち（ｆ）は、（ｅ）という形状を狙って、温度プロファイルの変化を加味せずに加工した場合に発生する形状の誤差を示している。
【００２８】
この結果のように、従来のように温度プロファイルの変化を加味せずに加工すると、目標形状に対する誤差形状は、ＰＶ（ｐｅａｋ ｔｏ Ｖａｌｌｅｙ）で１７％以上という大きな値となってしまう。これは例えば、加工前の素子形状が目標の素子形状に対して１０μｍＰＶであり、目標精度が目標形状に対して１０ｎｍＰＶであった場合、１０μｍＰＶ×０．１７＾４＝８．４ｎｍＰＶといったように、最低でも４回の加工を繰り返さなければ目標精度を達成出来ない事を表している。
【００２９】
このように、加工−計測を繰り返す方法は、いうまでもなく余分な時間と労力を必要とし、その結果として生産コストを増大させてしまうことがわかる。
【００３０】
以下、上述のシミュレーション結果を踏まえ、本発明について図を用いて説明する。
本発明は加工中に被加工物の加工部における複数の点温度を計測して、計測した温度から被加工物の加工部の温度プロファイルを計測し、この温度プロファイルと局所加工ツールの温度依存性のある単位加工形状に基づき滞留時間分布を導出する点に特徴がある。以下順を追って説明する。
【００３１】
より具体的には、図６のフローチャートに示された順に加工を行う。
【００３２】
（ＳＴＥＰ０）準備
予め、サンプルとなるダミーの被加工物に対して局所加工ツールを静止させて、予備的なスポット加工実験を行い単位加工形状、加工時の温度分布（温度プロファイル）を取得する。この単位加工形状には被加工物の温度の因子を含むデータとなっている。局所加工ツールの単位加工形状は、局所加工ツールの加工能力による因子と、被加工物の温度による因子とを含むが、それぞれの決定方法については、実施例以下で詳述する。そして、代表的な単位加工形状および目標除去形状とから、局所加工ツールの仮の滞留時間分布を作成する。仮の滞留時間分布は加工の際の初期値として利用するため、その際、加工中の被加工物温度は一様かつ一定としても良いし、計算あるいは経験的に任意の分布を与えても良い。
【００３３】
（ＳＴＥＰ１）温度プロファイルの計測
次に、作成した滞留時間分布に従い、反応性プラズマを被加工物上に走査させて加工を行う。加工中には、被加工物表面の加工箇所近傍における温度プロファイルを常時または必要な頻度で断続的に計測する。この温度プロファイル計測は、複数の放射温度計を用いて多点の温度を計測し、そのデータの数値補間する事によって可能である。
【００３４】
または、一つの放射温度計の姿勢を可動に、あるいはその光学系を被加工物の表面内に走査して、高速に輪番で計測しても良いし、サーモビューア等の被加工物の多点を含む表面を広域に温度分布を計測できる機器を使用して、温度プロファイルを計測しても良い。
【００３５】
（ＳＴＥＰ２）滞留時間分布の算出
以上のようにして得られた温度プロファイルの情報と、局所加工ツールの単位加工形状と、に基づき被加工物の加工時現在の単位加工形状を算出する。この現在の単位加工形状から局所加工ツールの滞留時間分布を算出する。
【００３６】
（ＳＴＥＰ３）滞留時間分布に基づき加工
次に、被加工物の温度プロファイルを加味して得られた滞留時間分布に基づき局所加工ツールを制御して、被加工物を加工する。
滞留時間分布は随時補正しながら加工してもよい。この滞留時間分布の補正方法としては、例えば以下のように行われる。
【００３７】
ＳＴＥＰ０で準備した仮の滞留時間分布がＧ（ｘ，ｙ）であり、その滞留時間分布を求めるのに用いた代表の単位加工形状がＦ（ｘｐ，ｙｐ）とする。ここで、（ｘ，ｙ） は被加工物表面内の座標系であり、（ｘｐ，ｙｐ）は反応性プラズマ照射位置の中心を基準とした、被加工物表面内の座標系である。ある小区間領域（ｘｊ，ｙｊ）〜（ｘｋ，ｙｋ）に反応性プラズマを仮の滞留時間分布Ｇ（ｘ，ｙ）に従って照射した場合に加工されるべき形状は、ΣΣＦ（ｘｐ，ｙｐ）×Ｇ（ｘ，ｙ）（ｘ＝ｘｉ〜ｘｊ，ｙ＝ｙｉ〜ｙｊ）である。しかし、時刻ｔにその領域において単位加工形状がＦ’（ｘｐ，ｙｐ，ｔ）に変わっていた場合には、
【００３８】
【数１】
【００３９】
となるように、反応性プラズマの照射位置（ｘ’−ｕ，ｙ’−ｗ）および照射時刻ｔ０〜ｔ１を補正制御してやれば良い。ここで、（ｕ，ｗ）は反応性プラズマの位置を補正した移動量であり、温度依存性のある単位加工形状の変動にともない現れるこの補正値に基づき局所加工ツールの照射位置が補正される。ｔ０およびｔ１は、小区間領域（ｘｊ，ｙｊ）〜（ｘｋ，ｙｋ）の加工を狙って反応性プラズマの照射を開始した時刻、および照射を終了して次の領域に移動する時刻である。
【００４０】
略同一の複数の被加工物を続けて加工する際などには、テーブル化して記憶されたデータから導出した滞留時間分布を用いて加工しても良い。
【００４１】
一方、前述したように加工中に計測される温度プロファイル情報を用いて局所加工ツールの走査をリアルタイムで制御する方法の他にも、加工終了後の被加工物形状を温度プロファイル情報により推定し、その被加工物形状情報により加工に続いて再加工することで、目標の加工精度を得る方法もある。より具体的には、例えば以下のように行われる。
【００４２】
予め、スポット加工実験により、上述のＳＴＥＰ０で説明した準備を行い、温度プロファイル、単位除去形状を取得する。
【００４３】
滞留時間分布の設定は、目標除去形状を深さ方向に分割し、加工回数を複数回として設定する。
【００４４】
次に、作成した滞留時間分布に従い、反応性プラズマなどを利用した局所加工ツールを被加工物上に走査させて加工を行う。加工中には、局所加工ツールの走査を、温度プロファイル情報を用いてリアルタイムで制御しても良いし、そうしなくとも良い。但し、加工中の温度プロファイル情報は随時記憶しておく。
【００４５】
設定された滞留時間分布に従って、第一の加工終了後に、加工中に記録された被加工物の温度プロファイル情報と、予めスポット加工実験によって得られている温度プロファイルと単位加工形状との関係とから、加工後の被加工物形状を算出する。その結果に基づいて、再度滞留時間を決定し、第二の加工として再び加工を行う。これらの行程を、加工後に算出される被加工物形状が目標形状に収斂するまで繰り返す。このような方法により、計測や被加工物の出し入れを省略し、加工を繰り返し行う事ができる。
【実施例１】
【００４６】
図１は、本実施例による反応性プラズマエッチング加工装置の概略を説明するものである。１０１は局所加工ツールである反応性プラズマ源であり、加工環境を一定に保つためのチャンバー１０２内に配置されている。被加工物１０３は石英材料からなり、ワークテーブル１０４に載せられている。配管１０５より導入されたＡｒおよび配管１０６により導入されたＳＦ６ガスは、同軸ケーブル１０７を介して導入される１０〜１５０Ｗのマイクロ波によって反応性プラズマ１０８となる。また、チャンバー１０２には、加工中の雰囲気を所望に保つためのＯ２を導入するための配管１０９，１１０が備えられている。配管１１０の開口は５個の放射温度計１１１の近傍に設置され、放射温度計の腐食防止のガスパージ機能として利用される。５個の放射温度計１１１は、波長が約５μｍの赤外線を利用した温度計であり、その光学レンズ材料は、フッ素により腐食され難いフッ化カリウムからなる。したがって、反応性プラズマ源の金属部分の一部もしくは全体に、赤外線反射防止処理を施しておくとよい。
【００４７】
反応性プラズマエッチング加工装置は制御手段である演算手段を有するコンピュータもしくはコントローラに接続され、局所加工ツールである反応性プラズマ源の制御、移動ステージの位置制御、放射温度計１１１から得た温度情報の取得などを行い、温度プロファイルなど得られたデータの蓄積も不図示の記憶部で行う。演算手段であるＣＰＵでは、滞留時間分布の算出や、各種の演算を行う。
【００４８】
図２は、本発明の局所加工装置に配設された温度測定器が計測する温度の測定領域を模式的に描いた図である。
【００４９】
反応性プラズマ源１０１と５個の放射温度計１１１とは、被加工物１０３に対して共に移動させるため、移動ステージ１１２に搭載されている。また５個の放射温度計は、温度の測定領域が図２に描かれているように配設されている。
【００５０】
本実施例における反応性プラズマ加工方法においては、まず、ダミーの被加工物に対して反応性プラズマ源の位置を固定し、プラズマの照射時間を数通り変えてスポット加工を行う。なお、加工中は５個の放射温度計１１１を用いて加工部の温度プロファイルを常時測定し、その結果を図示しない記憶部に記憶させる。図３（ａ）、図３（ｂ）はスポット加工結果を示している。図３（ａ）は横軸を反応性プラズマ源から照射されるプラズマの照射中心軸に対して交差する方向の、プラズマの照射中心軸からのダミーの被加工物上の距離を示しており、縦軸はダミーの被加工物に掘り込まれた加工孔の深さを示している。
【００５１】
図３（ａ）は局所加工ツールである反応性プラズマエッチング加工装置におけるプラズマ照射時間と形成された加工孔との関係を示したデータである。このデータからある位置（例えばｘ＝０）の位置における加工孔形成の時間経過が分かるので、ある時刻における加工孔の深さに対する時間微分を計算することでその時刻における加工レートを算出することができる。
【００５２】
一方、図３（ｂ）は、プラズマ照射時間と被加工物の温度分布（温度プロファイル）の関係を示したデータである。
【００５３】
横軸を反応性プラズマ源から照射されるプラズマの照射中心軸に対して交差する方向の、プラズマの照射中心軸からのダミーの被加工物上の距離を示しており、縦軸はダミーの被加工物のある位置における温度を示している。
【００５４】
本発明のように、被加工物の温度が位置ごとに異なる場合、単位加工形状Ｆは局所加工ツールの加工能力のみによらず、温度による因子をさらに有する。
【００５５】
局所加工ツールの中心軸からの位置を（ｘｐ，ｙｐ）、被加工物の温度をＴとすると数式で表現すると、局所加工ツールの温度依存性のある単位加工形状Ｆは、
Ｆ（ｘｐ，ｙｐ）＝α（ｘｐ，ｙｐ）・β（Ｔ） ・・・（式２）
と表現できる。
【００５６】
α（ｘｐ，ｙｐ）で表現される関数は単位加工形状のうち、局所加工ツール自体が持つプラズマ放射角、出力など加工能力に相当し、β（Ｔ）で表現される関数は単位加工形状のうち、被加工物の温度によって変化する因子に相当する。
【００５７】
さて、図３（ａ）に示されたプラズマ照射時間と形成された加工孔との関係は、ある位置における被加工物の温度による因子を含んだ単位加工形状Ｆに対応したデータを示している。したがって、図３（ａ）に示されるスポット加工実験のデータから経過時間で規格化することで単位加工形状Ｆ（ｘｐ，ｙｐ） を得ることができる。
【００５８】
一方、図３（ｂ）に示したプラズマの照射時間と被加工物の温度分布（温度プロファイル）のデータからある位置（例えばｘ＝０の位置）におけるある時刻（例えば２ｓｅｃ）に注目すると、被加工物のある位置ある時刻における温度が分かる。
【００５９】
その時刻に対応する加工孔の深さの時間微分を、図３（ａ）に示されたプラズマ照射時間と形成された加工孔との関係から算出すると、ある温度におけるその局所加工ツールにおける特定の位置（ｘｐ，ｙｐ）における加工レートを算出することができる。
【００６０】
より詳細には数式（２）の両辺の自然対数をとりＬｎＦ＝Ｌｎα＋Ｌｎβとして、横軸を温度縦軸を加工レートとするグラフをプロットしてβに対応する関数を求めると良い。局所加工ツールが化学反応による除去加工であるプラズマジェット加工ツールの場合は、関数βがいわゆるアレーニウス則によるものと仮定するとβ〜ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）となるため、アレーニウスプロットにより関数βが求められる（Ｅは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度）。
【００６１】
以上のことから算出されたＦ（ｘｐ，ｙｐ）およびβ（Ｔ）のデータにより、関数αを求めることができる。
【００６２】
したがって、単位加工形状Ｆを、局所加工ツールが持つ加工能力を示すα（ｘｐ，ｙｐ）と被加工物の温度による因子β（Ｔ）とを独立に定めることができる。
【００６３】
局所加工ツールの仕様が既知で、予めα（ｘｐ，ｙｐ）にかかるデータを決めることができる場合は、そのデータを用いて関数α（ｘｐ，ｙｐ）の決定に用いても良い。
【００６４】
温度測定器による被加工物の多点計測により得られた加工中の被加工物上の温度プロファイルＴ（ｘｐ，ｙｐ）の情報は、単位加工形状Ｆの温度の因子に対応する関数βに用いるデータとして使用される。関数β（Ｔ）はＴ（ｘｐ，ｙｐ）を用いて被加工物上の位置の関数β（Ｔ（ｘｐ、ｙｐ））と置き換えることができる。したがって単位加工形状Ｆ（ｘｐ、ｙｐ）は、被加工物上の局所加工ツールを原点とする位置のみの関数として表現できる。
【００６５】
以上のことから、スポット加工結果およびダミーの被加工物の加工中の温度プロファイル情報（図３（ｂ））とから、温度プロファイルＴ（ｘｐ，ｙｐ）を変数とする関数Ｑによって単位加工形状Ｆ（ｘｐ，ｙｐ）との関係式
Ｆ（ｘｐ，ｙｐ）＝Ｑ（Ｔ（ｘｐ，ｙｐ）） ・・・（式３）
が導かれる。
【００６６】
またこのときの温度プロファイルＴ（ｘｐ，ｙｐ）は、５点の放射温度計データをスプライン補間する事で得られる。
【００６７】
なお上述の非特許文献２で挙げたように、基板を加熱して一定の温度以上に保ち、被加工物の加工レートを飽和させた上で加工を行う加工方法は、このβ（Ｔ）を定数として扱うことに相当する。例えば局所加工ツールに反応性プラズマエッチング装置を用いる場合などは、基板温度を一定にはならないため、本実施例の加工方法が有効であることがわかる。
【００６８】
次に、上記のＳＴＥＰ０の項目でも説明したように本番の被加工物の目標除去形状と、代表的な単位加工形状とから、仮の滞留時間分布を決定する。この代表的な単位加工形状の決定には、４秒間ダミーの被加工物をスポット加工して得た加工形状を用いた。
【００６９】
次に、作成された仮の滞留時間分布に従って反応性プラズマ源１０１をステージ１１２により駆動させて加工を開始する。加工中の加工部温度プロファイルは、反応性プラズマ源中心軸の位置と中心から東西南北の４か所の位置とで測定する合計５つの放射温度計１１１によって測定し、その結果は図示しない制御手段内に設けられている記憶部に取り込まれている。この記憶部に記憶された温度プロファイルと局所加工ツールの上記の単位加工形状により、滞留時間分布を随時補正しながら加工を行う。
【００７０】
以上の説明では、単位加工形状を算出するものとして諸工程の説明を行ったが、もちろんデータをテーブル化して、該データをテーブルから引き出して加工に用いても良い。
【００７１】
本実施例では、温度測定器によって前記被加工物の表面の複数の点の温度を測定することで被加工物の温度プロファイルを計測し、温度プロファイルと局所加工ツールの単位加工形状とに基づき被加工物に対する前記局所加工ツールの滞留時間分布を導出する点に特徴がある。
【００７２】
以上のような装置および方法により、加工中に放射される熱により単位加工形状が変動する加工プロセスにおいても、高精度かつ低コストのプロセスが実現される。
【実施例２】
【００７３】
実施例１で説明した図１の加工装置を用いて行った、本発明による他の実施例を以下に示す。共通する加工装置の構成および加工方法についての説明は簡素化する。
【００７４】
まず、予め実施例１と同様の方法により、前述の温度プロファイルＴ（ｘｐ，ｙｐ）と単位加工形状Ｆ（ｘｐ，ｙｐ）との関係式（式３）を取得する。
【００７５】
次に、本番の被加工物の目標除去形状と、代表的な単位加工形状とから、仮の滞留時間分布を決定する。この代表的な単位加工形状の決定には、４秒間ダミーの被加工物をスポット加工して得られた加工形状を用いた。
【００７６】
次に、作成された仮の滞留時間分布に従って反応性プラズマ源１０１をステージ１１２により駆動させて加工を行った。加工中の加工部温度プロファイルは、５個の放射温度計１１１によって常時測定し、その結果は図示しない記憶演算装置に記憶させた。ここでは、加工中に滞留時間分布を補正せずに加工を終えた。
【００７７】
次に、記憶させた温度プロファイル情報と、温度プロファイルと単位加工形状との関係式（式２）、および加工に用いた滞留時間分布によって、加工後の被加工物形状を算出した。
【００７８】
次に、算出された被加工物形状と、代表的な単位加工形状とから、再度滞留時間分布を決定した。この代表的な単位加工形状の決定には、同じく４秒間ダミーの被加工物をスポット加工した際の加工形状を用いた。
【００７９】
次に、再度作成された滞留時間分布に従って反応性プラズマ源１０１をステージ１１２により駆動させ、再び加工を行った。このとき、加工中の温度プロファイルは、５個の放射温度計１１１によって常時測定し、その結果は図示しない記憶演算装置に再び記憶させた。またここでも、加工中に滞留時間分布を補正せずに加工を行った。
【００８０】
次に、再び記憶させた温度プロファイル情報と、温度プロファイルと単位加工形状との関係式（式２）および加工に用いた滞留時間分布によって、加工後の被加工物形状を算出した。その結果、算出された被加工物形状が目標精度内に収まっていたので、被加工物１０３をチャンバー１０２から取り出し、形状を測定した。その結果、被加工物の形状精度は目標値以下に仕上がっていることが確認された。
【００８１】
以上のような方法により、加工、と再加工の２回の加工で目標精度を達成することができる。そのため目標精度を達成するために加工−計測を例えば３回、４回と多数回にわたって繰り返す必要が無くなり、生産コストが削減される。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本願発明は、光学素子を高い加工精度で加工する際に好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０１ 反応性ガスプラズマ源
１０２ チャンバー
１０３ 被加工物
１０４ ワークテーブル
１０５、１０６、１０９、１１０ 配管
１０７ 同軸ケーブル
１０８ 反応性ガスプラズマ
１１１ ５個の放射温度計
１１２ ステージ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハーや、レンズ、ミラー等の高精度素子を製造するための、局所加工方法および局所加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハーや、レンズおよびミラー等の高精度素子を所望の形状に加工する技術として、滞留時間制御加工方法という方法がある。これは、被加工物の表面積に対して十分小さい領域を局所的に加工する局所加工ツールを、被加工物の表面に対して任意の滞留時間分布で走査させ、被加工物表面の所望の位置を所望の量だけ加工する方法である。
【０００３】
このように局所的に被加工物を加工するための加工ツールとしては、小径の研磨工具や細く絞ったイオンビームなどが古くから知られている。さらに、この滞留時間制御加工方法において、局所加工ツールとして反応性プラズマによるエッチング作用を利用した加工方法（以下、反応性プラズマエッチング加工方法とする）も知られている。 その例として、局所加工ツールとしてマイクロ波放電プラズマを用いたプラズマジェット（Ｐｌａｓｍａ Ｊｅｔ）という方法（非特許文献１）や、局所加工ツールとしてＩＣＰ放電プラズマを用いたＲＡＰＰ（特許文献１）と呼ばれる方法等がある。
【０００４】
このような化学反応を利用した局所加工方法は、従来の機械加工に匹敵する加工能率と加工形状制御性とを有しながら、接触式の局所加工方法とは異なり、加工面にダメージを与えない加工として知られている。このような従来の反応性プラズマエッチング加工方法の一例を以下に説明する。
【０００５】
まず、予めのダミーの被加工物を加工および計測して、ワークの温度に対する被加工量を表す加工レートと単位時間あたりのスポット加工形状（以下、単位加工形状とする）を取得する。次に、得られた加工レートと単位加工形状と、被加工物の目標形状と加工前形状との差（以下、目標除去形状とする）とから、加工プログラムが作成される。
【０００６】
この加工プログラムとは、被加工物を所望の形状に仕上げるために、局所加工ツールを被加工物表面のどの位置にどれだけの時間で滞留させるかを表す情報（以下滞留時間分布とする）である。
【０００７】
被加工物に対して局所加工ツールの滞留時間が長いほど被加工物は多く加工され、短いほど少なく加工される。
【０００８】
作成された滞留時間分布に従って、反応性プラズマを利用した局所加工を例にとると、まず反応性プラズマ源により発生させた反応性プラズマを被加工物に照射して加工を行う。また加工中にはプラズマを維持するために、反応性プラズマ源には常に数Ｗ〜約１ｋＷの高周波の電磁波が印加されており、そのエネルギーの一部は熱エネルギーとなって被加工物に照射される。このため、加工部およびその周辺の被加工物の温度は、加工時間の経過に従って上昇する。また一方、反応性プラズマによる加工レートは、被加工物の温度上昇に従って増加する。
【０００９】
これは、化学反応の速度が熱により増加することによる。これらのことから、加工中の被加工物の温度は加工時間の経過につれて上昇することになる。すなわち、滞留時間分布を作成するために利用した単位加工形状は、加工中に刻々と変化することになり、そのことによる形状誤差が加工結果に反映されてしまう。特に、被加工物が肉厚で、さらに熱伝導率の低い、例えば光学素子材料のようなガラス材料の場合には、基板冷却もしくは加熱等の被加工物の温度制御は困難である。
【００１０】
図５はシリコンからなる基板の加工レートを示す図であり、横軸は基板の表面温度、縦軸は単位時間あたりの加工量（加工レート）を示している。
【００１１】
温度に対する被加工物の加工量である加工レートは温度上昇につれて上昇するものの、ある程度温度を挙げると図５に描かれたグラフのようにその温度より高い温度では加工レートが飽和する傾向がある。したがって、被加工物を例えばシリコン基板とするならば４００℃以上に加熱することによって、加工レートを被加工物温度に依らず一定に近づけて加工することで、加工中の加工レートの変化を緩和する方法が知られている。（非特許文献２参照） またその他、加工−計測を複数回繰り返すことにより誤差形状を収斂させていく方法や、予めの加工実験を複数回行う事により、経験的に加工レート変化を取得し、その情報を用いて加工プログラムを修正する方法も一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特表２００４−５１８５２６
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｇ．Ｂｏｅｈｍ，Ｗ．Ｆｒａｎｋ，Ａ．Ｓｃｈｉｎｄｌｅｒ，Ａ．Ｎｉｃｋｅｌ，Ｈ．Ｔｈｏｍａｓ，Ｆ．Ｂｉｇｌ，Ｍ．Ｗｅｉｓｅｒ，“Ｐｌａｓｍａ Ｊｅｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ−ａ Ｔｏｏｌ Ｆｏｒ ｔｈｅ Ｆｉｇｕｒｉｎｇ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ａｓｐｈｅｒｅｒｓ，”，Ｐｒｏｃ．９＾＜ｔｈ＞ ＩＣＰＥ９５，３５（２００４）
【非特許文献２】Ｔｈ．Ａｒｎｏｌｄ，Ｇ．Ｂｏｅｌｍ，Ａ．Ｓｈｉｎｄｌｅｒ，”Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ｒａｔｅ ｐｌａｓｍａ ｊｅｔ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ，”ＪＶＳＴ Ａ１９，２５８６（２００１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
前述のとおり、加工中には多量の熱エネルギーが被加工物に照射される局所加工ツールを用いて加工すると、加工部の温度は加工時間の経過に従い上昇する。このため、局所加工ツールの単位加工形状は常に変化し、加工精度が低減してしまう。特に被加工物が肉厚で熱伝導率の低い材料である場合には、被加工物の温度制御は困難であり、加工部の温度上昇も著しい。つまり加工部を含む被加工物表面の温度分布（温度プロファイル）は常に変化する。
【００１５】
この問題を回避するために、被加工物を４００℃以上に加熱するなどして加工レートを一定に近づける方法があるが、高い品質が必要とされる多くの半導体材料や光学素子材料は、そのような高温に耐え得ない場合が多い。
【００１６】
また肉厚で大型の素子は素子全体もしくは素子の一部を、加熱することは、コストや技術的難易度の面から見ても不利である。さらに別の方法として、予め同形状のサンプルを数回加工することにより、経験的に温度による加工レート変化パターンを取得し、その情報を用いて滞留時間分布を修正する方法もある。しかし、この方法は加工雰囲気やワークチャック状態の僅かな変化による温度再現性のばらつきによって、大きな加工誤差を生じ得る。
【００１７】
そこで本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みて考案されたものである。すなわち、加工中に発生する熱等で被加工物の加工部の温度プロファイルが常に変化していても、高精度かつ効率の良い加工を可能とする。さらにその結果として、製品の品質向上と生産コストを縮小させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の課題を解決する本発明は、
被加工物に対して局所加工ツールを走査させることで、前記被加工物を加工する局所加工方法において、
温度測定器によって前記被加工物の表面の複数の点の温度を測定することで前記被加工物の温度プロファイルを計測する工程と、前記温度プロファイルと前記局所加工ツールの温度依存性のある単位加工形状とに基づき被加工物に対する前記局所加工ツールの滞留時間分布を導出する工程と、前記滞留時間分布に基づき局所加工ツールを制御して前記被加工物を加工する工程と、を有する局所加工方法、である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の局所加工方法によれば、加工中の被加工物の温度プロファイルが変化することで加工部の単位加工形状が刻々と変化する場合においても、滞留時間分布を随時適正に補正することが可能なので、加工精度の低減を防止することができる。
【００２０】
また本発明の物品の生産方法によって、単純な構成によって高速で温度プロファイルを計測する事が可能となり、加工コストを低減しつつ、加工精度の高い物品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の局所加工装置を説明する図である。
【図２】本発明の局所加工装置に配設された温度測定器の測定領域を説明する図である。
【図３】（ａ）はダミーの被加工物を加工して得られたスポット加工結果、（ｂ）はダミーの被加工物の加工中の温度プロファイル情報を示す図である。
【図４】反応性プラズマ加工シミュレーションの結果を示す図である。
【図５】シリコンからなる基板の加工レートを示す図である
【図６】本発明の加工方法に関する手順を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の具体的構成を詳述する前に、まず反応性プラズマを用いた局所加工方法を例にとり、加工シミュレーションの結果を、図を用いて説明する。
【００２３】
図４に反応性プラズマ加工シミュレーションの結果を示す。被加工物はφ５０ｍｍの石英の円盤状の部材であり、発生させるプラズマはＡｒおよびＳＦ６ガスに対し、マイクロ波を１５０Ｗ投入した反応性プラズマである。図４（ａ）はプラズマを被加工物中心に静止させ、８秒間照射した直後の温度プロファイルである。図４（ｂ）は被加工物の水平方向中心線に対し、反応性プラズマを照射しながら図の紙面左から右へ１０ｍｍ／ｓｅｃでライン走査し、被加工物の左端から出発して被加工物中心に到達した瞬間の温度プロファイルを示している。図４（ｃ）は、被加工物全体に対し、反応性プラズマを図の下から上へ送りピッチ２ｍｍ、走査速度１０ｍｍ／ｓｅｃでラスター走査し、反応性プラズマが被加工物中心に到達した瞬間の温度プロファイルを示している。
【００２４】
これらのシミュレーション結果のように、図４（ａ）によると反応性プラズマを静止している場合には、温度プロファイルは中心対称であるのに対し、図４（ｂ）のように走査している場合には走査の軌跡に対して尾を引くように伸びたプロファイルとなっている。また、図４（ｂ）によると反応性プラズマの照射位置は被加工物中心に有るにも関わらず、温度プロファイルのピーク位置は、走査方向と逆方向に遅れた場所に位置していることもわかる。さらに、図４（ｃ）に描かれているように、ラスター走査の場合には反応性プラズマの送り方向（紙面上方向）に対して、高低の温度差が生じており、走査経路により温度プロファイルが変化する事を示している。
【００２５】
上記のシミュレーション結果によると、反応性プラズマなどの局所加工ツールを用いた場合、局所加工ツールを被加工物上に走査する際の温度プロファイルは、加工条件、時間、位置により顕著に変化するものである。したがって加工部の単位加工形状も、加工中に常に変化する事がわかる。
【００２６】
従来のように、加工中の温度プロファイルの変化を加味せずに加工した場合の、加工シミュレーションの結果を図４（ｄ）に示す。このシミュレーションにおいては、単位加工形状を一定のアスペクト比を保つ形状として与え、被加工物の昇温による加工レートの変化は単位加工形状の体積が変化すると仮定して、ある滞留時間分布で加工した場合の加工形状をとした。次に、加工中の温度プロファイルの変化を加味して加工した場合の、加工シミュレーションの結果（ｅ）に示す（その加工方法については下段にて詳述する）。
【００２７】
ここでは、加工中に変化する温度プロファイルから、加工中の単位加工形状の変化を算出しながら、図４（ｄ）の場合と同じ滞留時間分布で加工した場合の加工形状をとした。さらに、図４（ｄ）と図４（ｅ）の差分形状を（ｆ）とした。すなわち（ｆ）は、（ｅ）という形状を狙って、温度プロファイルの変化を加味せずに加工した場合に発生する形状の誤差を示している。
【００２８】
この結果のように、従来のように温度プロファイルの変化を加味せずに加工すると、目標形状に対する誤差形状は、ＰＶ（ｐｅａｋ ｔｏ Ｖａｌｌｅｙ）で１７％以上という大きな値となってしまう。これは例えば、加工前の素子形状が目標の素子形状に対して１０μｍＰＶであり、目標精度が目標形状に対して１０ｎｍＰＶであった場合、１０μｍＰＶ×０．１７＾４＝８．４ｎｍＰＶといったように、最低でも４回の加工を繰り返さなければ目標精度を達成出来ない事を表している。
【００２９】
このように、加工−計測を繰り返す方法は、いうまでもなく余分な時間と労力を必要とし、その結果として生産コストを増大させてしまうことがわかる。
【００３０】
以下、上述のシミュレーション結果を踏まえ、本発明について図を用いて説明する。
本発明は加工中に被加工物の加工部における複数の点温度を計測して、計測した温度から被加工物の加工部の温度プロファイルを計測し、この温度プロファイルと局所加工ツールの温度依存性のある単位加工形状に基づき滞留時間分布を導出する点に特徴がある。以下順を追って説明する。
【００３１】
より具体的には、図６のフローチャートに示された順に加工を行う。
【００３２】
（ＳＴＥＰ０）準備
予め、サンプルとなるダミーの被加工物に対して局所加工ツールを静止させて、予備的なスポット加工実験を行い単位加工形状、加工時の温度分布（温度プロファイル）を取得する。この単位加工形状には被加工物の温度の因子を含むデータとなっている。局所加工ツールの単位加工形状は、局所加工ツールの加工能力による因子と、被加工物の温度による因子とを含むが、それぞれの決定方法については、実施例以下で詳述する。そして、代表的な単位加工形状および目標除去形状とから、局所加工ツールの仮の滞留時間分布を作成する。仮の滞留時間分布は加工の際の初期値として利用するため、その際、加工中の被加工物温度は一様かつ一定としても良いし、計算あるいは経験的に任意の分布を与えても良い。
【００３３】
（ＳＴＥＰ１）温度プロファイルの計測
次に、作成した滞留時間分布に従い、反応性プラズマを被加工物上に走査させて加工を行う。加工中には、被加工物表面の加工箇所近傍における温度プロファイルを常時または必要な頻度で断続的に計測する。この温度プロファイル計測は、複数の放射温度計を用いて多点の温度を計測し、そのデータの数値補間する事によって可能である。
【００３４】
または、一つの放射温度計の姿勢を可動に、あるいはその光学系を被加工物の表面内に走査して、高速に輪番で計測しても良いし、サーモビューア等の被加工物の多点を含む表面を広域に温度分布を計測できる機器を使用して、温度プロファイルを計測しても良い。
【００３５】
（ＳＴＥＰ２）滞留時間分布の算出
以上のようにして得られた温度プロファイルの情報と、局所加工ツールの単位加工形状と、に基づき被加工物の加工時現在の単位加工形状を算出する。この現在の単位加工形状から局所加工ツールの滞留時間分布を算出する。
【００３６】
（ＳＴＥＰ３）滞留時間分布に基づき加工
次に、被加工物の温度プロファイルを加味して得られた滞留時間分布に基づき局所加工ツールを制御して、被加工物を加工する。
滞留時間分布は随時補正しながら加工してもよい。この滞留時間分布の補正方法としては、例えば以下のように行われる。
【００３７】
ＳＴＥＰ０で準備した仮の滞留時間分布がＧ（ｘ，ｙ）であり、その滞留時間分布を求めるのに用いた代表の単位加工形状がＦ（ｘｐ，ｙｐ）とする。ここで、（ｘ，ｙ） は被加工物表面内の座標系であり、（ｘｐ，ｙｐ）は反応性プラズマ照射位置の中心を基準とした、被加工物表面内の座標系である。ある小区間領域（ｘｊ，ｙｊ）〜（ｘｋ，ｙｋ）に反応性プラズマを仮の滞留時間分布Ｇ（ｘ，ｙ）に従って照射した場合に加工されるべき形状は、ΣΣＦ（ｘｐ，ｙｐ）×Ｇ（ｘ，ｙ）（ｘ＝ｘｉ〜ｘｊ，ｙ＝ｙｉ〜ｙｊ）である。しかし、時刻ｔにその領域において単位加工形状がＦ’（ｘｐ，ｙｐ，ｔ）に変わっていた場合には、
【００３８】
【数１】
【００３９】
となるように、反応性プラズマの照射位置（ｘ’−ｕ，ｙ’−ｗ）および照射時刻ｔ０〜ｔ１を補正制御してやれば良い。ここで、（ｕ，ｗ）は反応性プラズマの位置を補正した移動量であり、温度依存性のある単位加工形状の変動にともない現れるこの補正値に基づき局所加工ツールの照射位置が補正される。ｔ０およびｔ１は、小区間領域（ｘｊ，ｙｊ）〜（ｘｋ，ｙｋ）の加工を狙って反応性プラズマの照射を開始した時刻、および照射を終了して次の領域に移動する時刻である。
【００４０】
略同一の複数の被加工物を続けて加工する際などには、テーブル化して記憶されたデータから導出した滞留時間分布を用いて加工しても良い。
【００４１】
一方、前述したように加工中に計測される温度プロファイル情報を用いて局所加工ツールの走査をリアルタイムで制御する方法の他にも、加工終了後の被加工物形状を温度プロファイル情報により推定し、その被加工物形状情報により加工に続いて再加工することで、目標の加工精度を得る方法もある。より具体的には、例えば以下のように行われる。
【００４２】
予め、スポット加工実験により、上述のＳＴＥＰ０で説明した準備を行い、温度プロファイル、単位除去形状を取得する。
【００４３】
滞留時間分布の設定は、目標除去形状を深さ方向に分割し、加工回数を複数回として設定する。
【００４４】
次に、作成した滞留時間分布に従い、反応性プラズマなどを利用した局所加工ツールを被加工物上に走査させて加工を行う。加工中には、局所加工ツールの走査を、温度プロファイル情報を用いてリアルタイムで制御しても良いし、そうしなくとも良い。但し、加工中の温度プロファイル情報は随時記憶しておく。
【００４５】
設定された滞留時間分布に従って、第一の加工終了後に、加工中に記録された被加工物の温度プロファイル情報と、予めスポット加工実験によって得られている温度プロファイルと単位加工形状との関係とから、加工後の被加工物形状を算出する。その結果に基づいて、再度滞留時間を決定し、第二の加工として再び加工を行う。これらの行程を、加工後に算出される被加工物形状が目標形状に収斂するまで繰り返す。このような方法により、計測や被加工物の出し入れを省略し、加工を繰り返し行う事ができる。
【実施例１】
【００４６】
図１は、本実施例による反応性プラズマエッチング加工装置の概略を説明するものである。１０１は局所加工ツールである反応性プラズマ源であり、加工環境を一定に保つためのチャンバー１０２内に配置されている。被加工物１０３は石英材料からなり、ワークテーブル１０４に載せられている。配管１０５より導入されたＡｒおよび配管１０６により導入されたＳＦ６ガスは、同軸ケーブル１０７を介して導入される１０〜１５０Ｗのマイクロ波によって反応性プラズマ１０８となる。また、チャンバー１０２には、加工中の雰囲気を所望に保つためのＯ２を導入するための配管１０９，１１０が備えられている。配管１１０の開口は５個の放射温度計１１１の近傍に設置され、放射温度計の腐食防止のガスパージ機能として利用される。５個の放射温度計１１１は、波長が約５μｍの赤外線を利用した温度計であり、その光学レンズ材料は、フッ素により腐食され難いフッ化カリウムからなる。したがって、反応性プラズマ源の金属部分の一部もしくは全体に、赤外線反射防止処理を施しておくとよい。
【００４７】
反応性プラズマエッチング加工装置は制御手段である演算手段を有するコンピュータもしくはコントローラに接続され、局所加工ツールである反応性プラズマ源の制御、移動ステージの位置制御、放射温度計１１１から得た温度情報の取得などを行い、温度プロファイルなど得られたデータの蓄積も不図示の記憶部で行う。演算手段であるＣＰＵでは、滞留時間分布の算出や、各種の演算を行う。
【００４８】
図２は、本発明の局所加工装置に配設された温度測定器が計測する温度の測定領域を模式的に描いた図である。
【００４９】
反応性プラズマ源１０１と５個の放射温度計１１１とは、被加工物１０３に対して共に移動させるため、移動ステージ１１２に搭載されている。また５個の放射温度計は、温度の測定領域が図２に描かれているように配設されている。
【００５０】
本実施例における反応性プラズマ加工方法においては、まず、ダミーの被加工物に対して反応性プラズマ源の位置を固定し、プラズマの照射時間を数通り変えてスポット加工を行う。なお、加工中は５個の放射温度計１１１を用いて加工部の温度プロファイルを常時測定し、その結果を図示しない記憶部に記憶させる。図３（ａ）、図３（ｂ）はスポット加工結果を示している。図３（ａ）は横軸を反応性プラズマ源から照射されるプラズマの照射中心軸に対して交差する方向の、プラズマの照射中心軸からのダミーの被加工物上の距離を示しており、縦軸はダミーの被加工物に掘り込まれた加工孔の深さを示している。
【００５１】
図３（ａ）は局所加工ツールである反応性プラズマエッチング加工装置におけるプラズマ照射時間と形成された加工孔との関係を示したデータである。このデータからある位置（例えばｘ＝０）の位置における加工孔形成の時間経過が分かるので、ある時刻における加工孔の深さに対する時間微分を計算することでその時刻における加工レートを算出することができる。
【００５２】
一方、図３（ｂ）は、プラズマ照射時間と被加工物の温度分布（温度プロファイル）の関係を示したデータである。
【００５３】
横軸を反応性プラズマ源から照射されるプラズマの照射中心軸に対して交差する方向の、プラズマの照射中心軸からのダミーの被加工物上の距離を示しており、縦軸はダミーの被加工物のある位置における温度を示している。
【００５４】
本発明のように、被加工物の温度が位置ごとに異なる場合、単位加工形状Ｆは局所加工ツールの加工能力のみによらず、温度による因子をさらに有する。
【００５５】
局所加工ツールの中心軸からの位置を（ｘｐ，ｙｐ）、被加工物の温度をＴとすると数式で表現すると、局所加工ツールの温度依存性のある単位加工形状Ｆは、
Ｆ（ｘｐ，ｙｐ）＝α（ｘｐ，ｙｐ）・β（Ｔ） ・・・（式２）
と表現できる。
【００５６】
α（ｘｐ，ｙｐ）で表現される関数は単位加工形状のうち、局所加工ツール自体が持つプラズマ放射角、出力など加工能力に相当し、β（Ｔ）で表現される関数は単位加工形状のうち、被加工物の温度によって変化する因子に相当する。
【００５７】
さて、図３（ａ）に示されたプラズマ照射時間と形成された加工孔との関係は、ある位置における被加工物の温度による因子を含んだ単位加工形状Ｆに対応したデータを示している。したがって、図３（ａ）に示されるスポット加工実験のデータから経過時間で規格化することで単位加工形状Ｆ（ｘｐ，ｙｐ） を得ることができる。
【００５８】
一方、図３（ｂ）に示したプラズマの照射時間と被加工物の温度分布（温度プロファイル）のデータからある位置（例えばｘ＝０の位置）におけるある時刻（例えば２ｓｅｃ）に注目すると、被加工物のある位置ある時刻における温度が分かる。
【００５９】
その時刻に対応する加工孔の深さの時間微分を、図３（ａ）に示されたプラズマ照射時間と形成された加工孔との関係から算出すると、ある温度におけるその局所加工ツールにおける特定の位置（ｘｐ，ｙｐ）における加工レートを算出することができる。
【００６０】
より詳細には数式（２）の両辺の自然対数をとりＬｎＦ＝Ｌｎα＋Ｌｎβとして、横軸を温度縦軸を加工レートとするグラフをプロットしてβに対応する関数を求めると良い。局所加工ツールが化学反応による除去加工であるプラズマジェット加工ツールの場合は、関数βがいわゆるアレーニウス則によるものと仮定するとβ〜ｅｘｐ（−Ｅ／ＲＴ）となるため、アレーニウスプロットにより関数βが求められる（Ｅは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度）。
【００６１】
以上のことから算出されたＦ（ｘｐ，ｙｐ）およびβ（Ｔ）のデータにより、関数αを求めることができる。
【００６２】
したがって、単位加工形状Ｆを、局所加工ツールが持つ加工能力を示すα（ｘｐ，ｙｐ）と被加工物の温度による因子β（Ｔ）とを独立に定めることができる。
【００６３】
局所加工ツールの仕様が既知で、予めα（ｘｐ，ｙｐ）にかかるデータを決めることができる場合は、そのデータを用いて関数α（ｘｐ，ｙｐ）の決定に用いても良い。
【００６４】
温度測定器による被加工物の多点計測により得られた加工中の被加工物上の温度プロファイルＴ（ｘｐ，ｙｐ）の情報は、単位加工形状Ｆの温度の因子に対応する関数βに用いるデータとして使用される。関数β（Ｔ）はＴ（ｘｐ，ｙｐ）を用いて被加工物上の位置の関数β（Ｔ（ｘｐ、ｙｐ））と置き換えることができる。したがって単位加工形状Ｆ（ｘｐ、ｙｐ）は、被加工物上の局所加工ツールを原点とする位置のみの関数として表現できる。
【００６５】
以上のことから、スポット加工結果およびダミーの被加工物の加工中の温度プロファイル情報（図３（ｂ））とから、温度プロファイルＴ（ｘｐ，ｙｐ）を変数とする関数Ｑによって単位加工形状Ｆ（ｘｐ，ｙｐ）との関係式
Ｆ（ｘｐ，ｙｐ）＝Ｑ（Ｔ（ｘｐ，ｙｐ）） ・・・（式３）
が導かれる。
【００６６】
またこのときの温度プロファイルＴ（ｘｐ，ｙｐ）は、５点の放射温度計データをスプライン補間する事で得られる。
【００６７】
なお上述の非特許文献２で挙げたように、基板を加熱して一定の温度以上に保ち、被加工物の加工レートを飽和させた上で加工を行う加工方法は、このβ（Ｔ）を定数として扱うことに相当する。例えば局所加工ツールに反応性プラズマエッチング装置を用いる場合などは、基板温度を一定にはならないため、本実施例の加工方法が有効であることがわかる。
【００６８】
次に、上記のＳＴＥＰ０の項目でも説明したように本番の被加工物の目標除去形状と、代表的な単位加工形状とから、仮の滞留時間分布を決定する。この代表的な単位加工形状の決定には、４秒間ダミーの被加工物をスポット加工して得た加工形状を用いた。
【００６９】
次に、作成された仮の滞留時間分布に従って反応性プラズマ源１０１をステージ１１２により駆動させて加工を開始する。加工中の加工部温度プロファイルは、反応性プラズマ源中心軸の位置と中心から東西南北の４か所の位置とで測定する合計５つの放射温度計１１１によって測定し、その結果は図示しない制御手段内に設けられている記憶部に取り込まれている。この記憶部に記憶された温度プロファイルと局所加工ツールの上記の単位加工形状により、滞留時間分布を随時補正しながら加工を行う。
【００７０】
以上の説明では、単位加工形状を算出するものとして諸工程の説明を行ったが、もちろんデータをテーブル化して、該データをテーブルから引き出して加工に用いても良い。
【００７１】
本実施例では、温度測定器によって前記被加工物の表面の複数の点の温度を測定することで被加工物の温度プロファイルを計測し、温度プロファイルと局所加工ツールの単位加工形状とに基づき被加工物に対する前記局所加工ツールの滞留時間分布を導出する点に特徴がある。
【００７２】
以上のような装置および方法により、加工中に放射される熱により単位加工形状が変動する加工プロセスにおいても、高精度かつ低コストのプロセスが実現される。
【実施例２】
【００７３】
実施例１で説明した図１の加工装置を用いて行った、本発明による他の実施例を以下に示す。共通する加工装置の構成および加工方法についての説明は簡素化する。
【００７４】
まず、予め実施例１と同様の方法により、前述の温度プロファイルＴ（ｘｐ，ｙｐ）と単位加工形状Ｆ（ｘｐ，ｙｐ）との関係式（式３）を取得する。
【００７５】
次に、本番の被加工物の目標除去形状と、代表的な単位加工形状とから、仮の滞留時間分布を決定する。この代表的な単位加工形状の決定には、４秒間ダミーの被加工物をスポット加工して得られた加工形状を用いた。
【００７６】
次に、作成された仮の滞留時間分布に従って反応性プラズマ源１０１をステージ１１２により駆動させて加工を行った。加工中の加工部温度プロファイルは、５個の放射温度計１１１によって常時測定し、その結果は図示しない記憶演算装置に記憶させた。ここでは、加工中に滞留時間分布を補正せずに加工を終えた。
【００７７】
次に、記憶させた温度プロファイル情報と、温度プロファイルと単位加工形状との関係式（式２）、および加工に用いた滞留時間分布によって、加工後の被加工物形状を算出した。
【００７８】
次に、算出された被加工物形状と、代表的な単位加工形状とから、再度滞留時間分布を決定した。この代表的な単位加工形状の決定には、同じく４秒間ダミーの被加工物をスポット加工した際の加工形状を用いた。
【００７９】
次に、再度作成された滞留時間分布に従って反応性プラズマ源１０１をステージ１１２により駆動させ、再び加工を行った。このとき、加工中の温度プロファイルは、５個の放射温度計１１１によって常時測定し、その結果は図示しない記憶演算装置に再び記憶させた。またここでも、加工中に滞留時間分布を補正せずに加工を行った。
【００８０】
次に、再び記憶させた温度プロファイル情報と、温度プロファイルと単位加工形状との関係式（式２）および加工に用いた滞留時間分布によって、加工後の被加工物形状を算出した。その結果、算出された被加工物形状が目標精度内に収まっていたので、被加工物１０３をチャンバー１０２から取り出し、形状を測定した。その結果、被加工物の形状精度は目標値以下に仕上がっていることが確認された。
【００８１】
以上のような方法により、加工、と再加工の２回の加工で目標精度を達成することができる。そのため目標精度を達成するために加工−計測を例えば３回、４回と多数回にわたって繰り返す必要が無くなり、生産コストが削減される。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本願発明は、光学素子を高い加工精度で加工する際に好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０１ 反応性ガスプラズマ源
１０２ チャンバー
１０３ 被加工物
１０４ ワークテーブル
１０５、１０６、１０９、１１０ 配管
１０７ 同軸ケーブル
１０８ 反応性ガスプラズマ
１１１ ５個の放射温度計
１１２ ステージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物に対して局所加工ツールを走査させることで、前記被加工物を加工する局所加工方法において、
温度測定器によって前記被加工物の表面の複数の点の温度を測定することで前記被加工物の温度プロファイルを計測する工程と、前記温度プロファイルと前記局所加工ツールの温度依存性のある単位加工形状とに基づき被加工物に対する前記局所加工ツールの滞留時間分布を導出する工程と、前記滞留時間分布に基づき局所加工ツールを制御して前記被加工物を加工する工程と、を有する局所加工方法。
【請求項２】
被加工物を加工する局所加工装置であって、
前記被加工物の表面を加工する局所加工ツールと、
前記被加工物の表面の複数の点の温度を計測する温度測定器と、
計測された温度をもとに前記被加工物の表面の温度プロファイルを算出し、前記温度プロファイルと前記局所加工ツールの温度依存性のある単位加工形状とに基づき前記局所加工ツールの滞留時間分布を定める演算手段と、
前記滞留時間分布に基づき前記局所加工ツールを前記被加工物に対して相対的に移動させる移動手段と、
を備えることを特徴とする局所加工装置。
【請求項３】
前記温度測定器は、複数の放射温度計であることを特徴とする、請求項２に記載の局所加工装置。
【請求項４】
前記局所加工ツールは反応性プラズマ源であることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の局所加工装置。
【請求項５】
前記反応性プラズマ源は、赤外線を透過し高周波の電磁波を遮断する部材を具備している事を特徴とする、請求項４に記載の局所加工装置。
【請求項６】
前記反応性プラズマ源の金属部分の一部もしくは全体が、赤外線反射防止処理を施している事を特徴とする、請求項４または５のいずれかに記載の局所加工装置。
【請求項７】
前記温度測定器が、ガスパージによる腐食防止手段を具備することを特徴とする、請求項２乃至６に記載の局所加工装置。
【請求項８】
前記放射温度計の光学部品が、フッ化物材料からなる事を特徴とする、請求項３乃至７に記載の局所加工装置。
【請求項１】
被加工物に対して局所加工ツールを走査させることで、前記被加工物を加工する局所加工方法において、
温度測定器によって前記被加工物の表面の複数の点の温度を測定することで前記被加工物の温度プロファイルを計測する工程と、前記温度プロファイルと前記局所加工ツールの温度依存性のある単位加工形状とに基づき被加工物に対する前記局所加工ツールの滞留時間分布を導出する工程と、前記滞留時間分布に基づき局所加工ツールを制御して前記被加工物を加工する工程と、を有する局所加工方法。
【請求項２】
被加工物を加工する局所加工装置であって、
前記被加工物の表面を加工する局所加工ツールと、
前記被加工物の表面の複数の点の温度を計測する温度測定器と、
計測された温度をもとに前記被加工物の表面の温度プロファイルを算出し、前記温度プロファイルと前記局所加工ツールの温度依存性のある単位加工形状とに基づき前記局所加工ツールの滞留時間分布を定める演算手段と、
前記滞留時間分布に基づき前記局所加工ツールを前記被加工物に対して相対的に移動させる移動手段と、
を備えることを特徴とする局所加工装置。
【請求項３】
前記温度測定器は、複数の放射温度計であることを特徴とする、請求項２に記載の局所加工装置。
【請求項４】
前記局所加工ツールは反応性プラズマ源であることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の局所加工装置。
【請求項５】
前記反応性プラズマ源は、赤外線を透過し高周波の電磁波を遮断する部材を具備している事を特徴とする、請求項４に記載の局所加工装置。
【請求項６】
前記反応性プラズマ源の金属部分の一部もしくは全体が、赤外線反射防止処理を施している事を特徴とする、請求項４または５のいずれかに記載の局所加工装置。
【請求項７】
前記温度測定器が、ガスパージによる腐食防止手段を具備することを特徴とする、請求項２乃至６に記載の局所加工装置。
【請求項８】
前記放射温度計の光学部品が、フッ化物材料からなる事を特徴とする、請求項３乃至７に記載の局所加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２３４６６７（Ｐ２０１２−２３４６６７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０１３１９（Ｐ２０１１−１０１３１９）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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