JP2004245746A - 三次元配線及び静電容量型圧力センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、不純物拡散工程を不要として生産性の向上を図ることが可能で一層の微細化に対応できる三次元配線と、均一な特性の静電容量型圧力センサを歩留まり良く製造する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】絶縁性基板の表裏面に形成された導電性パターンが貫通穴を通して連結された三次元配線の製造方法であって、絶縁性基板に非貫通穴を形成する工程と、絶縁性基板と導電性基板とを接合する工程と、導電性基板をエッチングして所定の形状にパターニングする工程と、非貫通穴の内部の導電性基板が露出するまで絶縁性基板をエッチングする工程と、貫通穴の側面及び底面に導電性膜を形成する工程と、からなることを特徴とする。また、導電性基板の代わりに、ＳＯＩ等の積層基板を用いても良い。さらに静電容量型圧力センサの製造方法は、以上の三次元配線工程を用いることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元配線及び静電容量型圧力センサの製造方法に係り、特に、絶縁性基板の裏面に接合され、パターニングされた導電性基板と表面側に形成された配線とをスルーホールを通して連結した三次元配線の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシン技術は、例えば半導体デバイスの製造技術である成膜、フォトリソグラフィ、エッチング、接合などを組み合わせ、種々のデバイス、部品等の作製に応用する技術であり、加速度センサや静電容量型圧力センサはこの技術を用いて作製することができる（特開２０００−２３０８７７、特許第２６５１４９２号等）。
これらのセンサや素子においては、三次元的な電気配線が必要になることがしばしばあり、例えば絶縁性基板の表裏両面に配線を形成し、これらの配線を電気的に結合させるために絶縁性基板にスルーホールを形成して、このスルーホールを通して表と裏の配線を電気的に結合させることになる。特に、マイクロマシン技術を用いる場合、絶縁性基板としてはパイレックス（登録商標）ガラスなどのガラスを用い、配線材料として単結晶シリコン基板を用いる組み合わせが、接合強度及び加工性の観点から好適に用いられている。
【０００３】
マイクロマシン技術を用いた従来の三次元配線の形成方法を図５を参照して説明する。図５は、ガラス基板の下面に部分的に島状のシリコン基板の配線を形成し、この島状シリコン基板にスルーホール１１’を通して電気的に結合した配線をガラス基板の上面に形成する方法を示す模式的断面図である。
図５の三次元配線では、まず、ガラス基板１の所定の位置にスルーホール１１’を形成する（図５Ａ）。一方、裏面の配線となるシリコン基板２は、酸化して表面全体に酸化膜２１を形成した後、配線パターンに対応してフォトリソグラフィ技術によりシリコン基板２上の酸化膜２１をパターニングして窓２６を開ける（図５Ｂ）。次に、不純物拡散技術によってボロンなどの不純物を酸化膜の窓２６より拡散して不純物拡散層２７をシリコン基板２表面の一部に形成する（図５Ｃ）。続いて、裏面の酸化膜２１を配線パターンに対応して部分的に除去し、表面側は全て除去する（図５Ｄ）。この状態のシリコン基板２をスルーホール１１’が形成されたガラス基板１と例えば陽極接合法により接合する（図５Ｅ）。
【０００４】
次に、この基板をシリコンのエッチング液であるＥＰＷ（エチレンジアミンピロカテコール水溶液）に浸してシリコン基板２をエッチングする。ＥＰＷ液のエッチング速度は、ノンドープ又は低不純物濃度単結晶シリコンに対しては１μｍ／ｍｉｎ前後であるのに対し、１０^２０ｃｍ^３以上の濃度にボロン拡散した単結晶シリコンに対してはエッチング速度が極端に低くなるために、不純物拡散層２７は長時間浸しても殆どエッチングされない。従って、表面が露出したノンドープ又は低不純物濃度シリコンのみがエッチングされることになり、島状のシリコンがスルーホール１１’の直下に形成された形状となる（図５Ｆ）。この後、酸化膜２１をフッ酸等の薬液で除去した後に、スルーホール１１’部分に金属膜１２をスパッタや蒸着によって形成することにより、三次元配線が完成する（図５Ｇ）。
この方法は酸化膜形成やフォトリソグラフィ、エッチング及び不純物拡散など、半導体製造技術をそのまま使用することができ、ウェハサイズでの基板加工が可能であることから、大量生産による製造コストの低減、品質の均一性などの点において優れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した製造方法は、高温で長時間の不純物拡散工程が必要になるため、製造コスト上昇の大きな原因となっている。しかし、この不純物拡散工程を省くと、その後工程でＥＰＷによるシリコン基板２を島状にエッチングする際、図６に示すように、スルーホール１１’の内部のシリコンもエッチングされてしまい、場合によっては、島状シリコンを貫通してしまう事態となる。これらは配線抵抗の増大や断線を引き起こし、製品製造が不可能になる。一方、シリコン基板２のエッチングを行う際にガラス基板１の上面側をレジストや保護シートのようなものでスルーホール内部のシリコン表面を保護することも考えられるが、１００℃以上の高温の強アルカリ液に耐性を有する保護シート等はなく、従って、マイクロマシン技術を用いる場合には、不純物拡散工程は不可欠であった。
【０００６】
また、ＥＰＷは有毒性の薬液を含むために特殊設備が必要といういう問題があることから、シリコンのエッチング液としては水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液を用いるのが好ましいが、これらはノンドープ又は低不純物濃度シリコンと高不純物濃度シリコンに対するエッチング速度の差が小さく、不純物拡散層２７がエッチストップ層の役割を果たせなくなり、図５に示した製造方法が用いられなくなる。
【０００７】
なお、マイクロマシン技術を用いずに、三次元配線を形成する方法としては例えば、図７に示す方法がある。ここでは、ダイサ等を用いて、シリコン基板２を機械的に切断し（図７Ａ）、ガラス基板１の下部に接合するための複数のシリコン片２８を作製する（図７Ｂ）。所定の位置にスルーホール１１’を形成したガラス基板１と複数のシリコン片２８とを接合し（図７Ｃ）、続いてガラス基板１のスルーホール１１’部に金属膜１２を形成して完成する。しかし、この方法は、複雑な形状や微小な形状のシリコン片に切断するのは難しく、また、個々のシリコン片２８の一つ一つを配列し、しかも精度良く位置あわせを行うのは極めて生産性の低い作業であり、歩留まりも低いという問題がある。結果として製造コストは増大し、また微細化は困難である。
【０００８】
かかる状況において、本発明は、不純物拡散工程を不要として生産性の向上を図ることが可能で、より一層の微細化に対応できる三次元配線の製造方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、品質の良い静電容量型圧力センサを歩留まり良く生産可能な製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明が提案する三次元配線の製造方法は、絶縁性基板に予め非貫通穴を形成しておき、導電性基板と接合・パターニングが終了した後に、絶縁性基板をそのエッチング液に浸漬して、非貫通穴を貫通穴とし、最後に貫通穴内部に導電性膜を形成することを特徴とするものである。
即ち、絶縁性基板の表裏面に形成された導電性パターンが貫通穴を通して連結された三次元配線の製造方法であって、絶縁性基板に所定の深さの非貫通穴を形成する工程と、該絶縁性基板と導電性基板とを接合する工程と、該導電性基板をエッチングして所定の形状にパターニングする工程と、前記導電性基板が露出するまで前記絶縁性基板をエッチングし前記非貫通穴を貫通させる工程と、該貫通穴の側面及び底面に導電性膜を形成する工程と、からなることを特徴とする。
【００１０】
または、絶縁性基板に所定の深さの非貫通穴を形成する工程と、第１導電層、絶縁層及び第２導電層とからなる積層基板の前記第１導電層又は前記第１導電層及び前記絶縁層をエッチングして所定の形状にパターニングする工程と、前記絶縁性基板と前記第１導電層とを接合する工程と、前記第２導電層を除去する工程と、前記第１導電層が露出するまで前記絶縁性基板をエッチングし前記非貫通穴を貫通させる工程と、該貫通穴の側面及び底面に導電性膜を形成する工程と、からなることを特徴とする。
【００１１】
このようにして、シリコン基板等の導電性基板を島状に分離するための深いエッチングを行う際に、絶縁性基板に貫通穴が形成されている従来法とは異なり、三次元配線が形成される部分の導電性基板表面は、絶縁性基板によって保護されているためにエッチングされることはない。従って、従来のような不純物拡散工程も不要となり、生産工程が短縮され製品コストの低減を図ることができるのみならず、拡散炉等の設備コストを削減することができる。更にまた、シリコンのエッチング液として、有毒なＥＰＷの代わりに例えばＴＭＡＨやＫＯＨ水溶液を用いることが可能となって取扱が簡便になるのみならず、特別な設備を用意する必要がなくなり、設備コストの大幅な削減を図ることができる。
【００１２】
本発明の静電容量型圧力センサの製造方法は、前記絶縁性基板への容量電極の形成及び取り出し端子との連結並びに前記ダイヤフラム電極とその取り出し端子との連結に上記三次元配線の製造方法を用いて行うことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
本発明の第１の実施形態を図１に示す。図１は三次元配線の製造方法の一例を示す模式的断面図である。
まず、ガラス等の絶縁性基板１の所定の位置に非貫通穴１１を形成する（図１Ａ）。一方、シリコン等の導電性基板２は、下面に配線パターンに対応して部分的に酸化膜２１を形成する（図１Ｂ）。以上の絶縁性基板１と導電性基板２とをを例えば陽極接合法で接合した後（図１Ｃ）、絶縁性基板や酸化膜に対して導電性基板のエッチング速度比の大きなエッチング液中に浸漬する。例えば、絶縁性基板にガラスを用い、導電性基板にシリコンを用いる場合は、エッチング溶液として例えばＴＭＡＨ又はＫＯＨ溶液が好適に用いられる。この場合、酸化膜２１や絶縁性基板１はほとんどエッチングされず、露出したシリコン部分のみがエッチングされ、エッチング量がシリコン基板１の厚さ程度に達するとシリコン基板は酸化膜２のパターンに対応して島状に分断される（図１Ｄ）。
その後、絶縁性基板のエッチング液（例えばフッ酸系溶液）に浸漬し、穴１１が貫通し内部の導電性基板（シリコン）表面が露出するまで放置する（図１Ｅ）。洗浄後、貫通穴１１’部分に導電性膜１２を形成して三次元配線が完成する（図１Ｆ）。
【００１４】
以上のようにして、従来は例えば不純物拡散層等の導電性基板を保護する層を形成する必要があり、これらが生産性を著しく低下させるとともに、コスト上昇の原因となっていたが、本実施形態の製造方法により、これらの保護層を別途形成する必要はなくなり、その結果として、生産性が大きく向上した。
【００１５】
本発明の第２の実施形態を図２に示す。図２は三次元配線の他の製造方法例を示す模式的断面図である。
本実施形態では、導電性基板の代わりにＳＯＩ基板のように第１導電層２３、絶縁層２４及び第２導電層２５とからなる積層基板２を用いる（図２Ａ）。この第１導電層２３の表面に酸化膜等２１で所定のパターンのマスクを形成する（図２Ｂ）。第１導電層２３、続いて絶縁層２４をエッチングした後、マスクを除去し、第１導電層２３と非貫通穴１１を形成した絶縁性基板１とを接合する（図２Ｃ）。この後、第２導電層をエッチングにより完全に除去し（図２Ｄ）、続いて絶縁性基板のエッチング液に浸漬して非貫通穴１１を貫通させ、第１導電層を露出させる（図２Ｅ）。洗浄後、貫通穴１１’部分に導電性膜１２を形成して三次元配線が完成する（図２Ｆ）。
【００１６】
導電性基板は機械的強度を確保するため、所定の厚さが要求される。従って、第１の実施形態の構成では導電性基板は厚くなるため微細な配線パターンを形成するのは困難であるが、本実施形態の積層基板を用いることにより、配線となる第１導電層を薄くすることができるため、より微細なパターンが可能となる。
なお、本実施例では、第１導電層２３のエッチングと絶縁層２４のエッチングを連続して行う構成としたが、絶縁層２４は貫通穴１１’を形成する際に除去できるため、必ずしもこの時点で除去する必要はない。
【００１７】
次に、本発明の第３の実施形態を図３に示す。本実施形態は、導電性基板としてＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の積層基板を用い、静電容量型真空センサの製造方法の一例を説明する。
まず、静電容量型圧力センサの構造と動作原理について図３Ｌを参照して説明する。図３Ｌのセンサは、圧力被測定室６が測定しようとする装置内の空間と連通するようにして装置に取り付けられる。
【００１８】
センサの真空室（基準圧力室）４は真空状態で密封された空間であり、非蒸発型ゲッタ５は真空室４内部に残留したガスを吸収してこの空間を常に低圧力に保つ働きをしている。ダイヤフラム７は、厚さ５〜数１０μｍ、大きさ数ｍｍ〜数１０ｍｍ角のシリコンでできているが、圧力被測定室６と真空室４との間に圧力差があるとダイヤフラム７はその圧力差に応じて変位することになる。したがってダイヤフラム７とそれに対向して配置されている容量電極３との間の静電容量を測定することにより圧力被測定室６の圧力を測定することができる。またこの静電容量に関する電気的信号は容量電極３に直結した端子１２ａとダイヤフラムに直結した端子１２ｂから取り出すことができる。
【００１９】
次に、この構造の静電容量型真空センサを製造する工程について説明する。例えば、厚さ２０μｍの単結晶の第１シリコン層２３と厚さ１μｍの酸化膜層２４、厚さ６００μｍの第２シリコン層２５が積層構造になって接合されたＳＯＩ基板２を用意する（図３Ａ）。まず、ＳＯＩ基板２上に酸化膜２１を形成して容量電極の形状にパターニングし（図３Ｂ）、この酸化膜２１をマスクとしてＴＭＡＨ又はＫＯＨにより第１シリコン層２３、続いてフッ酸系溶液を用いて酸化膜層２４をエッチングする（図３Ｃ）。一方、非貫通穴１１ａ，１１ｂ及びゲッタ収納溝１３を形成したガラス基板（例えばパイレックス（登録商標）ガラス等）１を用意し、これを上記ＳＯＩ基板の第１シリコン層２３に、例えば陽極接合法により接合する（図３Ｄ）。次にこの基板をＴＭＡＨ又はＫＯＨなどのエッチング液に浸漬して第２シリコン層２５を全て除去する（図３Ｅ）。以上により、非貫通穴１１直下に、容量電極３となる厚さ２０μｍの第１シリコン層２３と厚さ１μｍの酸化膜２が形成されたガラス基板１が完成する。
【００２０】
次に、ダイヤフラム電極を形成するためのＳＯＩ基板２’を用意する。このＳＯＩ基板は、例えば、厚さ３５μｍの第１シリコン層２３’、厚さ１μｍの酸化膜層２４’、及び厚さ６００μｍの第２シリコン層２５’からなる基板が用いられる。この基板に酸化膜２１を形成し、第１シリコン層２３’上の酸化膜をパタニングした後（図３Ｆ）、深さ２８μｍの真空室（基準圧力室）溝４を形成し、続いて、第２シリコン層２５’底面の酸化膜２１をパターニングして窓２６を開ける（図３Ｇ）。
【００２１】
続いて、ゲッタ収納溝１３内に非蒸発型ゲッタ５が収まるように、図３Ｅのガラス基板１と図３ＧのＳＯＩ基板２’を真空中で陽極接合する（図３Ｈ）。その後、ＴＭＡＨ又はＫＯＨ溶液に浸漬し、第２シリコン層２５’をエッチングし酸化膜層２４’を露出させ、圧力被測定室となる溝６を形成する（図３Ｉ）。ここで、フッ酸系溶液に浸すとガラス基板１は徐々にエッチングされ、非貫通溝１１は貫通し貫通穴（スルーホール）１１ａ’、１１ｂ’となり、それぞれの内部で厚さ２０μｍのシリコン層２３と厚さ３５μｍのシリコン層２３’の表面が露出する（図３Ｋ）。スルーホール１１ａ’、１１ｂ’の部分に金属膜１２ａ，１２ｂを形成することによって静電容量型真空センサは完成する。
【００２２】
なお、本実施形態のセンサにおいて、ダイヤフラム７の厚さは７μｍ、ダイヤフラム７と容量電極３の間の距離は８μｍとなる。ダイヤフラムの大きさ、厚さは測定する圧力領域に応じて適宜選択されるが、以上述べたように、本実施形態の製造方法を用いることにより、より微細なパターニングが可能となり、種々の特性のセンサを安定して、再現性よく生産することができる。
【００２３】
また、本実施形態では、ダイヤフラムの形成用基板としてＳＯＩ基板を用いたが、単なる単結晶シリコン基板、その他の導電性基板を用いてもよく、同様に作製することができる。このセンサの一例を図４Ａに示す。さらに、本発明においては、例えば、図４Ａのセンサの導電性基板底面に、通気口９を有し導電性基板２よりも大きな第２の絶縁性基板８を接合させ（図４Ｂ）、第２の絶縁性基板８の底面で導電性基板よりも外側の部分にＯ−リングを当てて真空装置等に取り付ける構成とするのが好ましい。これにより、センサ取り付け時のダイヤフラムの受ける歪みが抑制され、より高精度の圧力測定が可能となる。図３Ｌに示した構造のセンサについても第２の絶縁基板を接合する構成が好ましいのは同様である。
【００２４】
以上の実施形態において、シリコンのエッチング液として、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ溶液の他に、ＥＰＷ等を用いることも可能である。なお、絶縁性基板と導電性基板との接合法としては、陽極接合が好適に用いられる。
なお、本発明の三次元配線の製造方法は、静電容量型圧力センサの他、加速度センサ、ダイヤフラム構造を有する種々のセンサ、素子等に好適に適用されるものである。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、従来技術のように不純物拡散工程などの高温・長時間プロセスが不要となる上に、有毒物質を含むＥＰＷエッチング液を使用する必要も無いために製造プロセスの飛躍的な簡略化が可能となり、製品コストの低減や製造上の安全性、環境問題などの点において大きな効果がある。また、シリコン基板を機械的に切断し、これを配列してガラス基板に接合するなど、マイクロマシン技術からかけ離れて手作業的な方法を用いる必要もない。つまり一括して高精度なフォトリソグラフイ技術、基板アライメント技術を用いることが可能であるために、製品の品質や量産性においても半導体製品と同程度の高い水準を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の三次元配線の製造方法の一例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の三次元配線の製造方法の他の例を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の静電容量型圧力センサの製造方法の一例を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の静電容量型圧力センサの製造方法が好適に適用されるセンサを示す模式的断面図である。
【図５】従来の三次元配線の製造方法の一例を示す模式的断面図である。
【図６】図５に示した三次元配線製造方法の不具合を示す模式図である。
【図７】従来の三次元配線の製造方法の他の例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１ 絶縁性基板（ガラス基板）、
２ 導電性基板（シリコン基板、ＳＯＩ基板）、
３ 容量電極、
４ 真空室（真空室溝）、
５ 非蒸発型ゲッタ、
６ 圧力被測定室（圧力被測定室溝）、
７ ダイヤフラム、
８ 第２の絶縁性基板、
９ 通気口、
１１ 非貫通穴、
１１’ 貫通穴（スルーホール）、
１２ 導電性膜（金属膜）、
１２ａ 容量電極の取り出し端子、
１２ｂ ダイヤフラム電極の取り出し端子、
１３ ゲッタ収納溝、
２１ 酸化膜、
２３ 第１導電層（第１シリコン層）、
２４ 酸化膜層、
２５ 第２導電層（第２シリコン層）、
２６ 窓、
２７ 不純物拡散層、
２８ シリコン片。

Claims (6)

1. 絶縁性基板の表裏面に形成された導電性パターンが貫通穴を通して連結された三次元配線の製造方法であって、絶縁性基板に所定の深さの非貫通穴を形成する工程と、該絶縁性基板と導電性基板とを接合する工程と、該導電性基板をエッチングして所定の形状にパターニングする工程と、前記導電性基板が露出するまで前記絶縁性基板をエッチングし前記非貫通穴を貫通させる工程と、該貫通穴の側面及び底面に導電性膜を形成する工程と、からなることを特徴とする三次元配線の製造方法。
2. 前記絶縁性基板はガラス基板であり、前記導電性基板はシリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の三次元配線の製造方法。
3. 絶縁性基板の表裏面に形成された導電性パターンが貫通穴を通して連結された三次元配線の製造方法であって、絶縁性基板に所定の深さの非貫通穴を形成する工程と、第１導電層、絶縁層及び第２導電層とからなる積層基板の前記第１導電層又は前記第１導電層及び前記絶縁層をエッチングして所定の形状にパターニングする工程と、前記絶縁性基板と前記第１導電層とを接合する工程と、前記第２導電層を除去する工程と、前記第１導電層が露出するまで前記絶縁性基板をエッチングし前記非貫通穴を貫通させる工程と、該貫通穴の側面及び底面に導電性膜を形成する工程と、からなることを特徴とする三次元配線の製造方法。
4. 前記絶縁性基板はガラス基板であり、前記積層基板はＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項３に記載の三次元配線の製造方法。
5. 一方の面に容量電極、他方の面にその取り出し端子が形成され、両者が第１の貫通穴を通して連結された絶縁性基板と、ダイヤフラム電極を挟むように一方の面に真空室溝、他方の面に圧力被測定室溝が形成された導電性基板とが、前記容量電極及び前記ダイヤフラム電極が対向するようにして接合され、前記ダイヤフラム電極の取り出し端子が前記絶縁性基板の前記他方の面に形成され、第２の貫通穴を通して連結された静電容量型圧力センサの製造方法であって、
   前記絶縁性基板への容量電極の形成及び取り出し端子との連結並びに前記ダイヤフラム電極とその取り出し端子との連結は、請求項１又は２に記載の三次元配線の製造方法により行うことを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。
6. 一方の面に容量電極、他方の面にその取り出し端子が形成され、両者が第１の貫通穴を通して連結された絶縁性基板と、第１導電層、絶縁層及び第２導電層とからなる積層基板の該第１導電層に真空室溝を形成し、該第２導電層に圧力被測定室溝を形成して前記真空室溝と前記被測定室溝の間に第１導電層からなるダイヤフラム電極を形成した積層基板とを、前記容量電極及び前記ダイヤフラム電極が対向するようにして接合され、前記ダイヤフラム電極の取り出し端子が前記絶縁性基板の前記他方の面に形成され、第２の貫通穴を通して連結された静電容量型圧力センサの製造方法であって、
   前記絶縁性基板への容量電極の形成及び取り出し端子との連結並びに前記ダイヤフラム電極とその取り出し端子との連結は、請求項３又は４に記載の三次元配線の製造方法により行うことを特徴とする静電容量型圧力センサの製造方法。

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