干蚀刻装置及方法

专利名称：干蚀刻装置及方法
技术领域：
本发明涉及干蚀刻装置及方法，尤其涉及包括具有凸型形状的表面的电极结构体的干蚀刻装置及使用该装置的干蚀刻方法。
背景技术：
近年来，在制作音叉型晶体振子和厚度滑动型晶体振子等的超小
型晶体振子、电极、光应用元件、表面弹性波元件(SAW器件)、微传感器以及微致动器等时，开始要求水晶、石英、玻璃等的高精度加工4支术，而面临用湿法进行的加工才支术的极限。
因此，考虑使用干蚀刻加工，但象水晶、石英、玻璃等那样的热膨胀系数大的材料存在容易因干蚀刻时的温度而伴随热变形的问题。根据情况不同，有时还会因热变形、热沖击而在蚀刻中使被加工物开裂。
但是，现状是迄今还没有能够消除在干蚀刻热膨胀系数大的被加工物时因蚀刻中受到的热变形、热冲击造成的被加工物的开裂的技术。
例如，虽然已知有利用光刻技术和化学蚀刻技术制造晶体振子的方法(例如，参照专利文献1)，但不是必定能够解决上述问题的方法。
专利文献1:日本特开平5-315881号公报(权利要求书)
发明内容(发明要解决的问题)
本发明的目的在于解决现有技术的问题点，提供消除了在干蚀刻热膨胀系数大的被加工物时因蚀刻中受到的热变形、热沖击造成的被加工物的开裂的干蚀刻装置及方法。(用来解决问题的手段)
本发明的干蚀刻装置的特征在于，包括具有凸型形状的表面的电极结构体。通过使用这样的电极结构体，可以消除蚀刻中受到的热变形、热冲击造成的被加工物的开裂。
该凸型形状的特征在于，它是与电极结构体的横截面为同心圆的
凸型形状，该凸型形状的高度为0.2~1.0mm。如果该凸型形状部从底面算起的高度不到0.2mm,则在蚀刻中被加工物的中心区域和周边区域之间出现温度差，面内的温度分布不均勻，成为被加工物的热变形、开裂的原因。而如果凸型形状部从底面算起的高度超过1.0mm，则在把被加工物夹持在电极结构体上时会开裂。
另外，本发明的干蚀刻装置是这样的装置，即，在真空室内的上部设置等离子体产生部，在真空室内的下部设置村底电极部，在由介电体材料构成的等离子体产生部侧壁的外侧设置与第一高频电源连接
的等离子体产生用高频天线线圈，在村底电极部上设置从第二高频电
源施加高频偏置功率的电极结构体，与该电极结构体对置地在等离子
体产生部内设置对置电极，该对置电极优选是隔着绝缘体密封固定在等离子体产生部侧壁的上部凸缘上而电位呈浮游状态地构成的浮游电
极，并在高频天线线圈的外侧设置磁场线圈，其特征在于电极结构体具有凸型形状的表面。该凸型形状是与电极结构体的橫截面为同心圆的凸型形状，该凸型形状的高度为0.2 ~ l.Omm。如果在该范围以外，则产生上述那样的问题。
还有，本发明的干蚀刻装置是这样地构成的装置，即，在真空室内的上部设置等离子体产生部，在真空室内的下部设置村底电极部，在由介电体材料构成的等离子体产生部侧壁的外侧设置与第一高频电源连接的等离子体产生用高频天线线圈，在衬底电极部上设置从第二高频电源施加高频偏置功率的电极结构体，与该电极结构体对置地在等离子体产生部内设置对置电极，该对置电极优选是隔着绝缘体密封
固定在等离子体产生部侧壁的上部凸缘上而电位呈浮游状态地构成的浮游电极，在高频天线线圈的外侧设置磁场线圏，并在天线线圏和笫一高频电源之间的供电线路的途中作为分支器件而设置可变电容器来
连接对置电极，其特征在于电极结构体具有凸型形状的表面。该凸 型形状的特征在于，它是与电极结构体的横截面为同心圆的凸型形状， 该凸型形状的高度为0.2~1.0mm。如果在该范围以外，则产生上述那 样的问题。
本发明的干蚀刻方法的特征在于使用上述的干蚀刻装置，干蚀 刻由具有30xlO力。C以上的热膨胀系数的材料构成的被加工物。这样 得到的加工物没有观察到蚀刻中受到的热变形、热冲击造成的开裂。 该被加工物是由石英、水晶或玻璃等构成的被加工物。 (发明的效果)
根据本发明，通过使在干蚀刻装置内设置的电极结构体的表面形 状为凸型形状，具有消除在干蚀刻热膨胀系数大的被加工物时因蚀刻 中受到的热变形、热沖击造成的被加工物的开裂的效果。


图l是本发明的干蚀刻装置中使用的电极结构体的侧视图。 图2是示意地示出根据本发明的一个实施方式的干蚀刻装置的结 构的剖视图。
图3是示意地示出根据本发明的另一个实施方式的干蚀刻装置的 结构的剖视图。
图4是用本发明的千蚀刻装置加工的衬底的断面SEM照片，(a) 是村底的中心部分，(b )是衬底的端部部分。
图5是用现有的干蚀刻装置加工的衬底的断面SEM照片，(a) 是衬底的中心部分，(b)是衬底的端部部分。
具体实施例方式
为了在公知的工艺条件下干蚀刻由热膨胀系数为30xlO力。C以上
的材料构成的被加工物而使用本发明的干蚀刻装置。该装置具有相对 于等离子体源等的热源呈凸型形状的表面。该凸型形状的表面是指具有曲面的表面，该曲面具有预定曲率。本发明的干蚀刻装置具有该凸
型形状的高度(即从曲率中心算起的高度)为0.2~1.0mm的电极结 构体。
由于该电极结构体被设置成与由于等离子体热等的热导致作为 ^j"底的^皮加工物翘曲的方向相适应，在蚀刻中不对,皮加工物施加大的 应力，能够解决蚀刻中的被加工物的变形和开裂的问题，且能够提高 被加工物面内的温度分布的均匀性和蚀刻形状的均匀性，并实现高精 度的大面积、蚀刻。
本发明的干蚀刻装置中设置的电极结构体，如图1中示意地示出 其断面那样，是具有相对于被加工物呈凸型形状的表面的电极结构体 1。该电极结构体1在其表面上具有相对于等离子体热源为同心圆的凸 型形状部la。优选地，被加工物被载置成其中心与该凸型形状部的中 心吻合。该凸型形状部构成为，其顶部的高度(即，其中心点的高度)， 如上所述，从其底面算起为0.2~1.0mm，而且优选地，在凸型形状部 的底面的外周部外侧设置用于利用机械夹等的夹持单元把被加工物固 定到电极结构体上的压边余量(该压边余量取决于被加工物的大小， 例如，对于10cm大小的蜂皮加工物优选为5mm左右)。
如果不是上述那样的具有凸型形状的表面的电极结构体，而采用 表面为平坦形状的现有的电极结构体，则利用等离子体热等的热源会 产生蚀刻中的被加工物的变形、开裂，被加工物面内的温度分布不均 匀，且蚀刻形状不均匀，不能进行高精度的蚀刻。
作为利用根据本发明的千蚀刻装置蚀刻加工的被加工物，只要是 由热膨胀系数为30xlO力。C以上的材料构成的即可。例如，可举出石 英、水晶(天然以及合成)、玻璃以及蓝宝石等。作为玻璃，是具有 上述热膨胀系数的玻璃，例如，可举出各种钠玻璃、硼硅酸玻璃、钾 玻璃、钠钾玻璃、锂硅酸玻璃、光学玻璃等。
上述^皮加工物的厚度优选为600jam以下。如果超过600pm，则 蚀刻中开裂的可能性高，至于厚度的下限，只要是市场上销售的范围 的厚度就能够充分地实现所期望的目的。本发明的干蚀刻装置优选是如下构成的装置，即，如上所述，在 真空室内的上部设置等离子体产生部，在真空室内的下部设置衬底电 极部，在由介电体材料构成的等离子体产生部侧壁的外侧设置与第一 高频电源连接的等离子体产生用高频天线线圈，在村底电极部上设置 从第二高频电源施加高频偏置功率的衬底电极结构体，与该衬底电极 结构体对置地在等离子体产生部内设置对置电极，该对置电极优选是 隔着绝缘体密封固定在等离子体产生部侧壁的上部凸缘上而电位呈浮 游状态的浮游电极，并在上述高频天线线圏的外侧设置磁场线圏，其
中电极结构体具有与其横截面为同心圆的凸型形状的表面，且该凸 型形状的高度为0.2~1.0mm。通过使用包括这样地构成的电极结构体 的干蚀刻装置，可以实现具有上述的优点的蚀刻。
以下，作为上述的本发明的蚀刻装置，以NLD蚀刻装置为例， 参照图2和3进行说明。虽然对NLD蚀刻装置以及使用该装置的蚀刻 方法进行说明，但当然，即使是未设置磁场线圏的蚀刻装置、溅射装 置等，只要包括上述那样的表面为凸型形状的电极结构体就可以。
图2示意性地示出磁中性线放电蚀刻装置的大致构成。该蚀刻装 置具有真空室21,其上部是利用介电体圆筒状壁形成的等离子体产生 部22，下部是衬底电极部23。通过在等离子体产生部22的壁(介电 体侧壁)的外侧设置的三个磁场线圏24、 25和26在等离子体产生部 22内形成环状磁中性线27。在磁场线圏24、 25和26与介电体侧壁的 外侧之间配置等离子体产生用高频天线线圏28。该高频天线线圏28 与高频电源29连接，构成为沿着由磁场线圈形成的磁中性线27施加 交替电场而在该磁中性线中产生放电等离子体。
与磁中性线27所产生的面平行，在下部的衬底电极部23内隔着 绝缘体部件31设置电极结构体30。该电极结构体30在其表面上具有 凸型形状部30a，通过隔直电容器32与施加高频偏置功率的高频电源 33连接，借助于隔直电容器32而在电位上成为浮游电极，成为负的 偏置电位。另外，等离子体产生部22的顶板34被密封固定在介电体 侧壁的上部凸缘上，形成对置电极。在顶板34上，在等离子体产生部22侧的面上设置喷射板(shower pate)，该喷射板具有向真空室21 内导入蚀刻气体的气体导入口。该气体导入口虽未在图中示出，通过 气体供给管路和控制蚀刻气体的流量的气体流量控制装置与蚀刻气体 供给源连接。在衬底电极部23上设置有排气口 35。
图3示出本发明的另一NLD蚀刻装置。对与图2相同的构成要 素赋予相同的附图标记，图3示出的蚀刻装置，与图2的情况同样地， 具有真空室21，其上部是由介电体圆筒状壁形成的等离子体产生部 22，下部是衬底电极部23。通过在等离子体产生部22的侧壁(介电 体侧壁)的外侧设置的磁场线圏(图中示出了磁场线圏24、 25和26)， 在等离子体产生部22内形成环状磁中性线27。在磁场线圈24、 25和 26与介电体侧壁的外侧之间配置等离子体产生用高频天线线圏28。该 高频天线线圏28与第一高频电源29连接，构成为沿着由磁场线圏形 成的磁中性线27施加交替电场而在该磁中性线中产生放电等离子体。
与磁中性线27所产生的面平行，在下部的衬底电极部23内隔着
绝缘体部件31设置上述的表面上具有凸型形状部30a的电极结构体
30。该电极结构体30通过隔直电容器32与施加高频偏置功率的第二
高频电源33连接，借助于隔直电容器32而在电位上成为浮游电极，
成为负的偏置电位。另外，等离子体产生部22的顶板34被密封固定
在介电体侧壁的上部凸缘上，形成对置电极。在顶板34上，在等离子
体产生部22侧的面上设置喷射板，该喷射板具有向真空室21内导入
蚀刻气体的气体导入口。该气体导入口虽未在图中示出，通过气体供 给管路和控制蚀刻气体的流量的气体流量控制装置与蚀刻气体供给源
连接。在衬底电极部23上设置有排气口 35。
图3所示的蚀刻装置是双频放电方式。在该蚀刻装置中构成为， 如上所述，在与电极结构体30对置的位置上设置的接地电极借助于介 电体而成为电位上呈浮游状态的对置电极，能够对该对置电极(顶板 34)施加弱的高频偏置功率。构成为，在从等离子体产生用高频电源 29到产生感应放电的高频天线线圏28的供电线路途中的任意位置设 置支路，通过在该支路上设置的可变电容器36把感应放电用高频功率的一部分分支施加到对置电极上，在对置电极上产生自偏置。
在图3所示的蚀刻装置中，也可以设置利用驱动装置改变、设定 可变电容器36的电容的机构，以能够用可变电容器36把向对置电极 34施加的电压设定在预定的范围内。
如上所述，构成为通过组装有电容值控制装置的可变电容器36 对用作对置电极的顶板34分支施加高频功率。即，设置有能够用来改 变从高频电源29经支路向顶板(对置电极)34施加的电压的可变电 容器36。另外，也可以设置使向感应放电用高频天线线圈28施加的 电压值成为预定的值(例如1800V)的机构。
如上所述地构成的蚀刻装置具有简单的结构且价格低廉，也没有 施加的高频电场相互干涉的问题，能够形成高效率的等离子体。另外， 由于能够向作为对置电极的顶板施加所期望的高频电压，即使在把与 天线线圏28连接的高频电源29的供电线路分支，把高频功率分支， 并通过可变电容器36把高频功率的一部分分支施加到在天线线圏的 内侧设置的法拉第屏蔽(或静电场屏蔽)用浮游电极上这样的方式的 情况下，也可以与上述那样把顶板作为浮游电极的方式的情况同样地 构成，可以进行同样的蚀刻。该法拉第屏蔽用浮游电极等可以设置在 高频天线线圏的内侧。
上述法拉第屏蔽是已知的法拉第屏蔽，例如，是平行地设置有多 个狭缝、且在该狭缝的长度方向的中间与狭缝垂直地设置有天线线圏 的金属板。在狭缝的长度方向的两端设置有使长方形金属板的电位相 同的金属缘。天线线圏的静电场被金属板屏蔽，但感应磁场未被屏蔽。 该感应磁场进入等离子体中而形成感应电场。狭缝的宽度可以根据目 的适当设计，可以用0.5 10mm左右的宽度，但通常用1 ~ 2mm的狭 缝就足够了。狭缝的宽度太宽则会引起静电场的击穿，是不优选的。 狭缝的厚度为~ 2mm左右。
下面，用实施例更具体地说明本发明。 (实施例1)
用包括图1所示的凸型形状的电极结构体的图2所示的NLD蚀刻装置，进行了由以下工序构成的蚀刻工艺。
作为衬底的被加工物是具有热膨胀系数71xlO力。C的水晶，其厚 度为50(Him。利用机械夹把衬底夹持固定到表面为凸型形状的电极结 构体(其凸型形状的高度为0.5mm)上，使得各自的中心吻合，然后， 在电极结构体和衬底之间填充He气直到达到所期望的压力(400Pa )。
在等离子体产生用高频电源29( 13.56MHz)的功率为1800W(天 线功率)、衬底偏置高频电源33 (12.56MHz)的功率为400W (偏置 功率)的条件下，导入蚀刻气体(C4Fs气)，在0.67Pa的压力下，使 衬底设定温度为20。C，放电预定的时间，以进行衬底的蚀刻。
用如上所述地与衬底背面接触的He气的流量简易地监测蚀刻中 的衬底的变形、开裂。在本实施例中，在上述蚀刻中没有观测到衬底 的变形和开裂。
另外，对于所得到的衬底的蚀刻结果，图4 (a)和(b)中示出 衬底的断面SEM照片。图4 (a)示出了衬底的中心部分处的蚀刻形 状，图4 (b)示出了衬底的端部部分处的蚀刻形状。从图4可以明显 看出，如果釆用具有凸型形状的表面的电极结构体，则可以实现衬底 面内无起伏不均的蚀刻。
而且，蚀刻中的衬底面内的温度分布是均匀的。 (比较例1)
重复进行实施例l所述的蚀刻工艺。但是，作为干蚀刻装置使用 了现有的包括表面平坦的电极结构体的装置。 在上述蚀刻中产生了热变形，衬底变形了。
另外，对于所得到的衬底的蚀刻结果，图5 (a)和(b)中示出 村底的断面SEM照片。图5 U)示出了衬底的中心部分处的蚀刻形 状，图5 (b)示出了衬底的端部部分处的蚀刻形状。从图5可以明显 看出，如果采用表面为平坦形状的电极结构体，则衬底中心部分和端 部部分处蚀刻形状不同，面内产生了起伏不均。
而且，蚀刻中的衬底面内的温度分布为，衬底中心部分比端部部 分的温度高很多，面内温度分布不均匀。(比较例2 )
除了作为衬底使用热膨胀系数20xlO力。C的玻璃以外，重复进行 实施例l所述的蚀刻工艺。在蚀刻中产生了衬底的热变形，并且观测 到了衬底的开裂。 (实施例2)
作为蚀刻气体取代QF8气而使用CF4气，重复进行实施例1所 述的蚀刻工艺，以实施蚀刻。蚀刻结果与实施例1的情况相同。 (实施例3)
除了作为村底使用热膨胀系数132 x 10力。C的水晶以外，重复进行 实施例1所述的蚀刻工艺。蚀刻结果与实施例1的情况相同。
(产业上的可利用性) 根据本发明，通过使在干蚀刻装置内设置的电极结构体的表面形 状为凸型形状，消除了在干蚀刻热膨胀系数大的被加工物时因蚀刻中 受到的热变形、热沖击造成的被加工物的开裂。因此，本发明可以适 用于对水晶、石英、玻璃等那样的热膨胀系数大的被加工物进行干蚀
刻而制作例如音叉型晶体振子和厚度滑动型晶体振子等的超小型晶体 振子、电极、光应用元件、表面弹性波元件(SAW器件)、微传感器 以及微致动器等的技术领域中。
权利要求
1. 一种干蚀刻装置，其特征在于包括具有凸型形状的表面的电极结构体。
2. 如权利要求l所述的干蚀刻装置，其特征在于 上述凸型形状是与电极结构体的横截面为同心圆的凸型形状， 该凸型形状的高度为0.2~ l.Omm。
3. —种干蚀刻装置，其特征在于通过在真空室内的上部设置等离子体产生部，在真空室内的下部 设置衬底电极部，在由介电体材料构成的等离子体产生部侧壁的外侧 设置与第一高频电源连接的等离子体产生用高频天线线圏，在上迷衬 底电极部上设置从第二高频电源施加高频偏置功率的电极结构体，与 该电极结构体对置地在上述等离子体产生部内设置对置电极，并在上 述高频天线线圏的外侧设置磁场线圏而形成，上述电极结构体具有凸型形状的表面。
4. 如权利要求3所述的干蚀刻装置，其特征在于 上述凸型形状是与电极结构体的横截面为同心圆的凸型形状， 该凸型形状的高度为0.2mm~1.0min。
5. —种干蚀刻装置，其特征在于通过在真空室内的上部设置等离子体产生部，在真空室内的下部 设置衬底电极部，在由介电体材料构成的等离子体产生部侧壁的外侧 设置与第一高频电源连接的等离子体产生用高频天线线圏，在上述衬 底电极部上设置从第二高频电源施加高频偏置功率的电极结构体，与 该电极结构体对置地在上述等离子体产生部内设置对置电极，在上述 高频天线线圈的外侧设置磁场线圈，并在上述天线线圈与第一高频电 源之间的供电线路的途中设置可变电容器作为分支器件来与对置电极 连接地形成，上述电极结构体具有凸型形状的表面。
6. 如权利要求5所述的干蚀刻装置，其特征在于上述凸型形状是与电极结构体的横截面为同心圆的凸型形状，该凸型形状的高度为0.2mm ~ l.Omm。
7. —种干蚀刻方法，其特征在于 使用如权利要求1~6中任一项所述的千蚀刻装置， 干蚀刻由具有30xlO力。C以上的热膨胀系数的材料构成的被加工
8. 如权利要求7所述的干蚀刻方法，其特征在于 上述被加工物是由石英、水晶或玻璃构成的被加工物。
全文摘要
本发明提供一种干蚀刻装置及方法，在干蚀刻热膨胀系数大的被加工物时，可消除因蚀刻中受到的热变形、热冲击造成的被加工物的开裂。该干蚀刻装置设置了具有凸型形状的表面的电极结构体，该凸型形状是与电极结构体的横截面为同心圆的凸型形状，该凸型形状的高度为0.2mm～1.0mm。使用该干蚀刻装置，蚀刻由热膨胀系数为30×10^-7/℃以上的材料构成的被加工物。
文档编号H03H3/08GK101512735SQ200780033218
公开日2009年8月19日 申请日期2007年9月5日 优先权日2006年9月8日
发明者森川泰宏, 邹红罡 申请人:株式会社爱发科