幹蝕刻裝置及方法
2023-09-25 18:24:10
專利名稱：幹蝕刻裝置及方法
技術領域：
本發明涉及幹蝕刻裝置及方法，尤其涉及包括具有凸型形狀的表面的電極結構體的幹蝕刻裝置及使用該裝置的幹蝕刻方法。
背景技術：
近年來，在製作音叉型晶體振子和厚度滑動型晶體振子等的超小
型晶體振子、電極、光應用元件、表面彈性波元件(SAW器件)、微傳感器以及微致動器等時，開始要求水晶、石英、玻璃等的高精度加工4支術，而面臨用溼法進行的加工才支術的極限。
因此，考慮使用幹蝕刻加工，但象水晶、石英、玻璃等那樣的熱膨脹係數大的材料存在容易因幹蝕刻時的溫度而伴隨熱變形的問題。根據情況不同，有時還會因熱變形、熱沖擊而在蝕刻中使被加工物開裂。
但是，現狀是迄今還沒有能夠消除在幹蝕刻熱膨脹係數大的被加工物時因蝕刻中受到的熱變形、熱衝擊造成的被加工物的開裂的技術。
例如，雖然已知有利用光刻技術和化學蝕刻技術製造晶體振子的方法(例如，參照專利文獻1)，但不是必定能夠解決上述問題的方法。
專利文獻1:日本特開平5-315881號公報(權利要求書)
發明內容(發明要解決的問題)
本發明的目的在於解決現有技術的問題點，提供消除了在幹蝕刻熱膨脹係數大的被加工物時因蝕刻中受到的熱變形、熱沖擊造成的被加工物的開裂的幹蝕刻裝置及方法。(用來解決問題的手段)
本發明的幹蝕刻裝置的特徵在於，包括具有凸型形狀的表面的電極結構體。通過使用這樣的電極結構體，可以消除蝕刻中受到的熱變形、熱衝擊造成的被加工物的開裂。
該凸型形狀的特徵在於，它是與電極結構體的橫截面為同心圓的
凸型形狀，該凸型形狀的高度為0.2~1.0mm。如果該凸型形狀部從底面算起的高度不到0.2mm,則在蝕刻中被加工物的中心區域和周邊區域之間出現溫度差，面內的溫度分布不均勻，成為被加工物的熱變形、開裂的原因。而如果凸型形狀部從底面算起的高度超過1.0mm，則在把被加工物夾持在電極結構體上時會開裂。
另外，本發明的幹蝕刻裝置是這樣的裝置，即，在真空室內的上部設置等離子體產生部，在真空室內的下部設置村底電極部，在由介電體材料構成的等離子體產生部側壁的外側設置與第一高頻電源連接
的等離子體產生用高頻天線線圈，在村底電極部上設置從第二高頻電
源施加高頻偏置功率的電極結構體，與該電極結構體對置地在等離子
體產生部內設置對置電極，該對置電極優選是隔著絕緣體密封固定在等離子體產生部側壁的上部凸緣上而電位呈浮遊狀態地構成的浮遊電
極，並在高頻天線線圈的外側設置磁場線圈，其特徵在於電極結構體具有凸型形狀的表面。該凸型形狀是與電極結構體的橫截面為同心圓的凸型形狀，該凸型形狀的高度為0.2 ~ l.Omm。如果在該範圍以外，則產生上述那樣的問題。
還有，本發明的幹蝕刻裝置是這樣地構成的裝置，即，在真空室內的上部設置等離子體產生部，在真空室內的下部設置村底電極部，在由介電體材料構成的等離子體產生部側壁的外側設置與第一高頻電源連接的等離子體產生用高頻天線線圈，在襯底電極部上設置從第二高頻電源施加高頻偏置功率的電極結構體，與該電極結構體對置地在等離子體產生部內設置對置電極，該對置電極優選是隔著絕緣體密封
固定在等離子體產生部側壁的上部凸緣上而電位呈浮遊狀態地構成的浮遊電極，在高頻天線線圈的外側設置磁場線圏，並在天線線圏和笫一高頻電源之間的供電線路的途中作為分支器件而設置可變電容器來
連接對置電極，其特徵在於電極結構體具有凸型形狀的表面。該凸 型形狀的特徵在於，它是與電極結構體的橫截面為同心圓的凸型形狀， 該凸型形狀的高度為0.2~1.0mm。如果在該範圍以外，則產生上述那 樣的問題。
本發明的幹蝕刻方法的特徵在於使用上述的幹蝕刻裝置，幹蝕 刻由具有30xlO力。C以上的熱膨脹係數的材料構成的被加工物。這樣 得到的加工物沒有觀察到蝕刻中受到的熱變形、熱衝擊造成的開裂。 該被加工物是由石英、水晶或玻璃等構成的被加工物。 (發明的效果)
根據本發明，通過使在幹蝕刻裝置內設置的電極結構體的表面形 狀為凸型形狀，具有消除在幹蝕刻熱膨脹係數大的被加工物時因蝕刻 中受到的熱變形、熱沖擊造成的被加工物的開裂的效果。
圖l是本發明的幹蝕刻裝置中使用的電極結構體的側視圖。 圖2是示意地示出根據本發明的一個實施方式的幹蝕刻裝置的結 構的剖視圖。
圖3是示意地示出根據本發明的另一個實施方式的幹蝕刻裝置的 結構的剖視圖。
圖4是用本發明的千蝕刻裝置加工的襯底的斷面SEM照片，(a) 是村底的中心部分，(b )是襯底的端部部分。
圖5是用現有的幹蝕刻裝置加工的襯底的斷面SEM照片，(a) 是襯底的中心部分，(b)是襯底的端部部分。
具體實施例方式
為了在公知的工藝條件下幹蝕刻由熱膨脹係數為30xlO力。C以上
的材料構成的被加工物而使用本發明的幹蝕刻裝置。該裝置具有相對 於等離子體源等的熱源呈凸型形狀的表面。該凸型形狀的表面是指具有曲面的表面，該曲面具有預定曲率。本發明的幹蝕刻裝置具有該凸
型形狀的高度(即從曲率中心算起的高度)為0.2~1.0mm的電極結 構體。
由於該電極結構體被設置成與由於等離子體熱等的熱導致作為 ^j"底的^皮加工物翹曲的方向相適應，在蝕刻中不對,皮加工物施加大的 應力，能夠解決蝕刻中的被加工物的變形和開裂的問題，且能夠提高 被加工物面內的溫度分布的均勻性和蝕刻形狀的均勻性，並實現高精 度的大面積、蝕刻。
本發明的幹蝕刻裝置中設置的電極結構體，如圖1中示意地示出 其斷面那樣，是具有相對於被加工物呈凸型形狀的表面的電極結構體 1。該電極結構體1在其表面上具有相對於等離子體熱源為同心圓的凸 型形狀部la。優選地，被加工物被載置成其中心與該凸型形狀部的中 心吻合。該凸型形狀部構成為，其頂部的高度(即，其中心點的高度)， 如上所述，從其底面算起為0.2~1.0mm，而且優選地，在凸型形狀部 的底面的外周部外側設置用於利用機械夾等的夾持單元把被加工物固 定到電極結構體上的壓邊餘量(該壓邊餘量取決於被加工物的大小， 例如，對於10cm大小的蜂皮加工物優選為5mm左右)。
如果不是上述那樣的具有凸型形狀的表面的電極結構體，而採用 表面為平坦形狀的現有的電極結構體，則利用等離子體熱等的熱源會 產生蝕刻中的被加工物的變形、開裂，被加工物面內的溫度分布不均 勻，且蝕刻形狀不均勻，不能進行高精度的蝕刻。
作為利用根據本發明的千蝕刻裝置蝕刻加工的被加工物，只要是 由熱膨脹係數為30xlO力。C以上的材料構成的即可。例如，可舉出石 英、水晶(天然以及合成)、玻璃以及藍寶石等。作為玻璃，是具有 上述熱膨脹係數的玻璃，例如，可舉出各種鈉玻璃、硼矽酸玻璃、鉀 玻璃、鈉鉀玻璃、鋰矽酸玻璃、光學玻璃等。
上述^皮加工物的厚度優選為600jam以下。如果超過600pm，則 蝕刻中開裂的可能性高，至於厚度的下限，只要是市場上銷售的範圍 的厚度就能夠充分地實現所期望的目的。本發明的幹蝕刻裝置優選是如下構成的裝置，即，如上所述，在 真空室內的上部設置等離子體產生部，在真空室內的下部設置襯底電 極部，在由介電體材料構成的等離子體產生部側壁的外側設置與第一 高頻電源連接的等離子體產生用高頻天線線圈，在村底電極部上設置 從第二高頻電源施加高頻偏置功率的襯底電極結構體，與該襯底電極 結構體對置地在等離子體產生部內設置對置電極，該對置電極優選是 隔著絕緣體密封固定在等離子體產生部側壁的上部凸緣上而電位呈浮 遊狀態的浮遊電極，並在上述高頻天線線圏的外側設置磁場線圏，其
中電極結構體具有與其橫截面為同心圓的凸型形狀的表面，且該凸 型形狀的高度為0.2~1.0mm。通過使用包括這樣地構成的電極結構體 的幹蝕刻裝置，可以實現具有上述的優點的蝕刻。
以下，作為上述的本發明的蝕刻裝置，以NLD蝕刻裝置為例， 參照圖2和3進行說明。雖然對NLD蝕刻裝置以及使用該裝置的蝕刻 方法進行說明，但當然，即使是未設置磁場線圏的蝕刻裝置、濺射裝 置等，只要包括上述那樣的表面為凸型形狀的電極結構體就可以。
圖2示意性地示出磁中性線放電蝕刻裝置的大致構成。該蝕刻裝 置具有真空室21,其上部是利用介電體圓筒狀壁形成的等離子體產生 部22，下部是襯底電極部23。通過在等離子體產生部22的壁(介電 體側壁)的外側設置的三個磁場線圏24、 25和26在等離子體產生部 22內形成環狀磁中性線27。在磁場線圏24、 25和26與介電體側壁的 外側之間配置等離子體產生用高頻天線線圏28。該高頻天線線圏28 與高頻電源29連接，構成為沿著由磁場線圈形成的磁中性線27施加 交替電場而在該磁中性線中產生放電等離子體。
與磁中性線27所產生的面平行，在下部的襯底電極部23內隔著 絕緣體部件31設置電極結構體30。該電極結構體30在其表面上具有 凸型形狀部30a，通過隔直電容器32與施加高頻偏置功率的高頻電源 33連接，藉助於隔直電容器32而在電位上成為浮遊電極，成為負的 偏置電位。另外，等離子體產生部22的頂板34被密封固定在介電體 側壁的上部凸緣上，形成對置電極。在頂板34上，在等離子體產生部22側的面上設置噴射板(shower pate)，該噴射板具有向真空室21 內導入蝕刻氣體的氣體導入口。該氣體導入口雖未在圖中示出，通過 氣體供給管路和控制蝕刻氣體的流量的氣體流量控制裝置與蝕刻氣體 供給源連接。在襯底電極部23上設置有排氣口 35。
圖3示出本發明的另一NLD蝕刻裝置。對與圖2相同的構成要 素賦予相同的附圖標記，圖3示出的蝕刻裝置，與圖2的情況同樣地， 具有真空室21，其上部是由介電體圓筒狀壁形成的等離子體產生部 22，下部是襯底電極部23。通過在等離子體產生部22的側壁(介電 體側壁)的外側設置的磁場線圏(圖中示出了磁場線圏24、 25和26)， 在等離子體產生部22內形成環狀磁中性線27。在磁場線圈24、 25和 26與介電體側壁的外側之間配置等離子體產生用高頻天線線圏28。該 高頻天線線圏28與第一高頻電源29連接，構成為沿著由磁場線圏形 成的磁中性線27施加交替電場而在該磁中性線中產生放電等離子體。
與磁中性線27所產生的面平行，在下部的襯底電極部23內隔著
絕緣體部件31設置上述的表面上具有凸型形狀部30a的電極結構體
30。該電極結構體30通過隔直電容器32與施加高頻偏置功率的第二
高頻電源33連接，藉助於隔直電容器32而在電位上成為浮遊電極，
成為負的偏置電位。另外，等離子體產生部22的頂板34被密封固定
在介電體側壁的上部凸緣上，形成對置電極。在頂板34上，在等離子
體產生部22側的面上設置噴射板，該噴射板具有向真空室21內導入
蝕刻氣體的氣體導入口。該氣體導入口雖未在圖中示出，通過氣體供 給管路和控制蝕刻氣體的流量的氣體流量控制裝置與蝕刻氣體供給源
連接。在襯底電極部23上設置有排氣口 35。
圖3所示的蝕刻裝置是雙頻放電方式。在該蝕刻裝置中構成為， 如上所述，在與電極結構體30對置的位置上設置的接地電極藉助於介 電體而成為電位上呈浮遊狀態的對置電極，能夠對該對置電極(頂板 34)施加弱的高頻偏置功率。構成為，在從等離子體產生用高頻電源 29到產生感應放電的高頻天線線圏28的供電線路途中的任意位置設 置支路，通過在該支路上設置的可變電容器36把感應放電用高頻功率的一部分分支施加到對置電極上，在對置電極上產生自偏置。
在圖3所示的蝕刻裝置中，也可以設置利用驅動裝置改變、設定 可變電容器36的電容的機構，以能夠用可變電容器36把向對置電極 34施加的電壓設定在預定的範圍內。
如上所述，構成為通過組裝有電容值控制裝置的可變電容器36 對用作對置電極的頂板34分支施加高頻功率。即，設置有能夠用來改 變從高頻電源29經支路向頂板(對置電極)34施加的電壓的可變電 容器36。另外，也可以設置使向感應放電用高頻天線線圈28施加的 電壓值成為預定的值(例如1800V)的機構。
如上所述地構成的蝕刻裝置具有簡單的結構且價格低廉，也沒有 施加的高頻電場相互幹涉的問題，能夠形成高效率的等離子體。另外， 由於能夠向作為對置電極的頂板施加所期望的高頻電壓，即使在把與 天線線圏28連接的高頻電源29的供電線路分支，把高頻功率分支， 並通過可變電容器36把高頻功率的一部分分支施加到在天線線圏的 內側設置的法拉第屏蔽(或靜電場屏蔽)用浮遊電極上這樣的方式的 情況下，也可以與上述那樣把頂板作為浮遊電極的方式的情況同樣地 構成，可以進行同樣的蝕刻。該法拉第屏蔽用浮遊電極等可以設置在 高頻天線線圏的內側。
上述法拉第屏蔽是已知的法拉第屏蔽，例如，是平行地設置有多 個狹縫、且在該狹縫的長度方向的中間與狹縫垂直地設置有天線線圏 的金屬板。在狹縫的長度方向的兩端設置有使長方形金屬板的電位相 同的金屬緣。天線線圏的靜電場被金屬板屏蔽，但感應磁場未被屏蔽。 該感應磁場進入等離子體中而形成感應電場。狹縫的寬度可以根據目 的適當設計，可以用0.5 10mm左右的寬度，但通常用1 ~ 2mm的狹 縫就足夠了。狹縫的寬度太寬則會引起靜電場的擊穿，是不優選的。 狹縫的厚度為~ 2mm左右。
下面，用實施例更具體地說明本發明。 (實施例1)
用包括圖1所示的凸型形狀的電極結構體的圖2所示的NLD蝕刻裝置，進行了由以下工序構成的蝕刻工藝。
作為襯底的被加工物是具有熱膨脹係數71xlO力。C的水晶，其厚 度為50(Him。利用機械夾把襯底夾持固定到表面為凸型形狀的電極結 構體(其凸型形狀的高度為0.5mm)上，使得各自的中心吻合，然後， 在電極結構體和襯底之間填充He氣直到達到所期望的壓力(400Pa )。
在等離子體產生用高頻電源29( 13.56MHz)的功率為1800W(天 線功率)、襯底偏置高頻電源33 (12.56MHz)的功率為400W (偏置 功率)的條件下，導入蝕刻氣體(C4Fs氣)，在0.67Pa的壓力下，使 襯底設定溫度為20。C，放電預定的時間，以進行襯底的蝕刻。
用如上所述地與襯底背面接觸的He氣的流量簡易地監測蝕刻中 的襯底的變形、開裂。在本實施例中，在上述蝕刻中沒有觀測到襯底 的變形和開裂。
另外，對於所得到的襯底的蝕刻結果，圖4 (a)和(b)中示出 襯底的斷面SEM照片。圖4 (a)示出了襯底的中心部分處的蝕刻形 狀，圖4 (b)示出了襯底的端部部分處的蝕刻形狀。從圖4可以明顯 看出，如果釆用具有凸型形狀的表面的電極結構體，則可以實現襯底 面內無起伏不均的蝕刻。
而且，蝕刻中的襯底面內的溫度分布是均勻的。 (比較例1)
重複進行實施例l所述的蝕刻工藝。但是，作為幹蝕刻裝置使用 了現有的包括表面平坦的電極結構體的裝置。 在上述蝕刻中產生了熱變形，襯底變形了。
另外，對於所得到的襯底的蝕刻結果，圖5 (a)和(b)中示出 村底的斷面SEM照片。圖5 U)示出了襯底的中心部分處的蝕刻形 狀，圖5 (b)示出了襯底的端部部分處的蝕刻形狀。從圖5可以明顯 看出，如果採用表面為平坦形狀的電極結構體，則襯底中心部分和端 部部分處蝕刻形狀不同，面內產生了起伏不均。
而且，蝕刻中的襯底面內的溫度分布為，襯底中心部分比端部部 分的溫度高很多，面內溫度分布不均勻。(比較例2 )
除了作為襯底使用熱膨脹係數20xlO力。C的玻璃以外，重複進行 實施例l所述的蝕刻工藝。在蝕刻中產生了襯底的熱變形，並且觀測 到了襯底的開裂。 (實施例2)
作為蝕刻氣體取代QF8氣而使用CF4氣，重複進行實施例1所 述的蝕刻工藝，以實施蝕刻。蝕刻結果與實施例1的情況相同。 (實施例3)
除了作為村底使用熱膨脹係數132 x 10力。C的水晶以外，重複進行 實施例1所述的蝕刻工藝。蝕刻結果與實施例1的情況相同。
(產業上的可利用性) 根據本發明，通過使在幹蝕刻裝置內設置的電極結構體的表面形 狀為凸型形狀，消除了在幹蝕刻熱膨脹係數大的被加工物時因蝕刻中 受到的熱變形、熱沖擊造成的被加工物的開裂。因此，本發明可以適 用於對水晶、石英、玻璃等那樣的熱膨脹係數大的被加工物進行幹蝕
刻而製作例如音叉型晶體振子和厚度滑動型晶體振子等的超小型晶體 振子、電極、光應用元件、表面彈性波元件(SAW器件)、微傳感器 以及微致動器等的技術領域中。
權利要求
1. 一種幹蝕刻裝置，其特徵在於包括具有凸型形狀的表面的電極結構體。
2. 如權利要求l所述的幹蝕刻裝置，其特徵在於 上述凸型形狀是與電極結構體的橫截面為同心圓的凸型形狀， 該凸型形狀的高度為0.2~ l.Omm。
3. —種幹蝕刻裝置，其特徵在於通過在真空室內的上部設置等離子體產生部，在真空室內的下部 設置襯底電極部，在由介電體材料構成的等離子體產生部側壁的外側 設置與第一高頻電源連接的等離子體產生用高頻天線線圏，在上迷襯 底電極部上設置從第二高頻電源施加高頻偏置功率的電極結構體，與 該電極結構體對置地在上述等離子體產生部內設置對置電極，並在上 述高頻天線線圏的外側設置磁場線圏而形成，上述電極結構體具有凸型形狀的表面。
4. 如權利要求3所述的幹蝕刻裝置，其特徵在於 上述凸型形狀是與電極結構體的橫截面為同心圓的凸型形狀， 該凸型形狀的高度為0.2mm~1.0min。
5. —種幹蝕刻裝置，其特徵在於通過在真空室內的上部設置等離子體產生部，在真空室內的下部 設置襯底電極部，在由介電體材料構成的等離子體產生部側壁的外側 設置與第一高頻電源連接的等離子體產生用高頻天線線圏，在上述襯 底電極部上設置從第二高頻電源施加高頻偏置功率的電極結構體，與 該電極結構體對置地在上述等離子體產生部內設置對置電極，在上述 高頻天線線圈的外側設置磁場線圈，並在上述天線線圈與第一高頻電 源之間的供電線路的途中設置可變電容器作為分支器件來與對置電極 連接地形成，上述電極結構體具有凸型形狀的表面。
6. 如權利要求5所述的幹蝕刻裝置，其特徵在於上述凸型形狀是與電極結構體的橫截面為同心圓的凸型形狀，該凸型形狀的高度為0.2mm ~ l.Omm。
7. —種幹蝕刻方法，其特徵在於 使用如權利要求1~6中任一項所述的千蝕刻裝置， 幹蝕刻由具有30xlO力。C以上的熱膨脹係數的材料構成的被加工
8. 如權利要求7所述的幹蝕刻方法，其特徵在於 上述被加工物是由石英、水晶或玻璃構成的被加工物。
全文摘要
本發明提供一種幹蝕刻裝置及方法，在幹蝕刻熱膨脹係數大的被加工物時，可消除因蝕刻中受到的熱變形、熱衝擊造成的被加工物的開裂。該幹蝕刻裝置設置了具有凸型形狀的表面的電極結構體，該凸型形狀是與電極結構體的橫截面為同心圓的凸型形狀，該凸型形狀的高度為0.2mm～1.0mm。使用該幹蝕刻裝置，蝕刻由熱膨脹係數為30×10-7/℃以上的材料構成的被加工物。
文檔編號H03H3/08GK101512735SQ200780033218
公開日2009年8月19日 申請日期2007年9月5日 優先權日2006年9月8日
發明者森川泰宏, 鄒紅罡 申請人:株式會社愛發科