JP2004524539A - シリコン基板に光透過性領域を形成する方法 - Google Patents

Abstract

任意の厚さの光透過性領域およびシリコン基板内の空隙の上に光透過性領域を実現できる、シリコン基板（１）に光透過性領域（５，６）を形成する簡単かつ廉価な可能性が提案される。このためにまずシリコン基板（１）の少なくとも１個の決められた領域（５，６）を多孔質にエッチングする。その後シリコン基板（１）の決められた多孔質領域（５，６）を酸化する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明はシリコン基板に光透過性領域を形成する方法およびこの方法により形成することができるシリコン基板に形成される構造体に関する。
【０００２】
酸化珪素が石英ガラスとほぼ同じ光特性を有し、すなわち可視スペクトル領域で透明であることは知られている。シリコン基板に結合する光透過性領域を製造するために、実際に酸化珪素層をシリコン基板に堆積し、引き続きこれをパターン化する。
【０００３】
しかし公知方法は多くの点で問題がある。例えば公知方法を使用してかなり少ない層厚を有する光透過性領域のみを形成する。更にシリコン基板内の空隙上のこの光透過性領域の製造は容易に可能でなく、公知方法の枠内で形成される光透過性領域は一般に、例えば医学または分析化学できわめて少ない液体量の光学的検査に必要であるような、空隙または液体通路の光透過性被膜として使用することができない。
【０００４】
発明の利点
本発明により、任意の厚さの光透過性領域およびシリコン基板の空隙上に光透過性領域を実現できる、シリコン基板に光透過性領域を製造する簡単で廉価な可能性が提案される。
【０００５】
このために、本発明により、シリコン基板の少なくとも１個の決められた領域を多孔質にエッチングする。その後シリコン基板の決められた多孔質領域を酸化する。
【０００６】
酸化珪素がシリコン基板の光透過性領域の実現に良好に適しているという事実から出発して、本発明により、シリコンの酸化のために十分に大きい腐食面が生じる場合に、酸化珪素が基板表面に堆積するのでなく、シリコン基板自体に形成されることが認識される。従って本発明により、透過性領域が生じる所にシリコン基板を多孔質にエッチングすることが提案される。引き続く酸化工程の枠内で多孔質領域のシリコンを光透過性酸化珪素に変換する。
【０００７】
シリコン基板は任意の深さまで問題なく多孔質にエッチングできるので、このやり方でシリコン基板に任意の深さでおよびシリコン基板の全部の厚さにわたり延びる光透過性領域を簡単に形成することができる。更にシリコン基板の多孔質領域を簡単にアンダーエッチングすることができ、本発明の方法はシリコン基板の空隙に光透過性領域を実現する可能性を開示する。
【０００８】
基本的に本発明の方法を実現するおよび特に適当なエッチング法を選択する種々の可能性が存在する。
【０００９】
シリコン基板の決められた領域を電気化学的エッチング法により多孔質にエッチングする可能性が存在する。これに関して電気化学的アノード化が特に有利であると示された。この場合にシリコン基板のアノード側に、すなわちシリコン基板のアノードと接触する面に電流を流して材料の除去を行う。
【００１０】
特にアノード化の際に、特にエッチング溶液としてフッ化水素酸含有媒体を使用する場合に、特に良好な結果が達成される。この場合に、例えばフッ化水素酸−エタノール−溶液またはフッ化水素酸水溶液を使用することができ、これらは付加的に湿潤剤を有することができる。
【００１１】
本発明の方法の枠内でエッチング工程の時間により、決められた多孔質領域の深部が簡単に与えられるが、エッチング工程で得られる気孔率は、シリコン基板のドーピング、エッチング溶液の濃度およびエッチング工程中にシリコン基板に印加される電流の強さのような種々のパラメーターに依存する。気孔率はこれらのパラメーターの１個以上により意図的に調節できる。
【００１２】
酸化工程の枠内で多孔質シリコン基板は体積を増加し、これがシリコン基板内にゆがみを生じ、結果としてシリコン基板から製造された部品の構造および／または機能に欠陥を生じることがある。他方で酸化後に残留する残留気孔率または多孔質領域の不完全な酸化は透過性領域の機械的特性および光特性に不利に作用する。従ってエッチング工程および酸化条件、特に酸化の時間を互いに調和すべきである。これに関連して、決められた領域内に生じる気孔率が、完全に酸化が完結する際に体積の増加により、シリコン基板にゆがみを生じることなく、孔が完全に閉鎖されるほど大きい場合が特に有利である。これに関して約５４％のシリコン基板の気孔率が適当であると示された。
【００１３】
シリコン基板内の位置的に限定された光透過性領域の前段階として位置的に限定された多孔質領域を製造するために、シリコン基板の少なくとも１つの表面に設置され、少なくともこの平面のエッチングすべき領域を限定するエッチングマスクの使用が有利であることが示された。特に電気化学的エッチング工程で気孔率を生じる場合に、エッチングマスクとして金属マスクの使用が特に有利であることが示された。すなわちこの場合に電流が基板表面に垂直に流れ、金属マスクのアンダーエッチングが生じない。電流のラインがなお良好に生じるために、場合により付加的にシリコン基板の他の面に金属マスクを設置することができる。しかしエッチングマスクとして窒化珪素マスクまたは場合により付加的な窒化珪素マスクと組み合わせたｎ^＋ドーピングも該当する。
【００１４】
すでに記載したように、本発明の方法を使用して形成される光透過性領域は有利なやり方でシリコン基板内の空隙および通路の被膜として利用することができる。本発明の方法の有利な構成において、決められた多孔質領域の下方に、シリコン基板が完全に除去される条件下に空隙エッチング工程としてエッチング工程を継続し、特にエッチング工程を低い濃度のエッチング溶液および／またはシリコン基板に高く印加される電流の強さを用いて継続することにより、この種の空隙を製造する。エッチング溶液が孔の側壁で腐食するのでなく、主に孔底部でのみ腐食するので、すでに多孔質のエッチングされたシリコン基板は空隙エッチング工程の進行中に引き続き分解しない。エッチング溶液は孔をとおりそれぞれの孔底部に到達し、ここから多孔質領域のアンダーエッチングが開始する。その場合に空隙の大きさは空隙エッチング工程の時間により簡単に決定することができる。引き続く酸化により多孔質領域のシリコンが光透過性酸化珪素に変換する。
【００１５】
本発明の方法の他の構成において、シリコン基板に２つの向かい合う光透過性領域に囲まれた空隙を形成することが最終的に可能である。このためにエッチング工程を、空隙の形成後、シリコン基板が多孔質にエッチングされる条件下に、一般にシリコン基板が完全にエッチングされるまで長く、簡単に再び継続する。
【００１６】
すでに説明したように、本発明の思想を有利なやり方で形成する種々の可能性が存在し、このために一方では請求項１の後に続く請求項および請求項１４および１５が示され、他方では図面による本発明の実施例の引き続く説明が示される。
【００１７】
図１ａおよび１ｂは本発明の方法の２つの異なる段階のシリコン基板を示す。
【００１８】
図２〜４および図５ａおよび５ｂは本発明の方法により製造されるシリコン基板に形成される種々の構造体を示す。
【００１９】
実施例の説明
図１ａにはシリコン基板の主要表面２に、シリコン基板のエッチングの際に一般的に使用されるエッチングマスク３が備えられているシリコン基板１が示されている。エッチングマスク３の材料はエッチング工程の種類に依存して選択する。電気化学的エッチング工程に関して金属マスクの使用が特に有利であると示された。この場合に電流ラインは基板表面に垂直に流れ、エッチングマスクのアンダーエッチングが生じることがない。しかしｎ^＋ドーピング、窒化珪素マスクの使用またはｎ^＋ドーピングと窒化珪素マスクの組み合わせも該当する。
【００２０】
シリコン基板２にエッチングマスク３を設置後、ここに示される実施例においてはシリコン基板１をフッ化水素酸含有媒体中の電気化学的エッチング工程にさらす。この種のエッチング工程の場合に、シリコン基板をフッ化水素酸浴中のアノードとカソードの間に配置し、その際シリコン基板をフッ化水素酸浴に接触する。電流を流した場合にシリコン基板、この場合に基板表面２のアノード側で材料の除去が行われ、この種のエッチング工程はアノード化と呼ばれる。ここに示されるシリコン基板１のドーピングおよびアノード化条件、すなわちエッチング溶液の濃度および電流の強さにより、基板表面２の保護されない領域を多孔質にエッチングする。その際生じるシリコン基板の気孔率を、引き続く酸化工程に合わせて、酸化と同時に生じる体積の増加が多孔質領域５および６の孔を充填するが、シリコン基板１のゆがみを生じないように選択する。多孔質領域５および６の深さはアノード化の継続時間により決定する。
【００２１】
図１ｂにはエッチングマスク３を除去後のおよび酸化後のシリコン基板１が示される。この場合に領域５および６の多孔質シリコンは完全に可視スペクトル範囲で光透過性である酸化珪素に変換する。多孔質シリコンはきわめて大きい表面積を有し、この場合に酸化がきわめて急速に行われる。その結果基板表面２は多孔質領域５および６の完全酸化にもかかわらずわずかにのみ酸化される。従って基板表面２の上の酸化珪素は簡単に除去することができる。引き続きシリコン基板１を、例えば他のドーピングを導入することにより、金属被覆により、不活性層を堆積することにより等で更に処理することができる。
【００２２】
図２には図１ａおよび１ｂに関して述べたように、本発明の方法を使用してシリコン基板内に２つの光透過性領域１５および１６が形成され、この領域がシリコン基板１１の全部の厚さにわたって延びている他のシリコン基板１１が示されている。このためにアノード化を、シリコン基板１１がエッチング攻撃にさらされる領域１５および１６で全部の厚さに多孔質にエッチングされるまで長く実施する。こうして形成された多孔質領域１５および１６を引き続き完全に酸化する。
【００２３】
図３にはシリコン基板２１内にそれぞれ１つの空隙２７および２８の上に２つの光透過性領域が形成されているシリコン基板２１が示されている。この構造は、同様に本発明の方法を使用して、領域２５および２６を多孔質エッチングした後にアノード化条件を変更して、多孔質領域２５および２６の下方のシリコンが完全にエッチング除去されることにより製造する。このためにフッ化水素酸溶液の濃度を低下しおよび／または電流の強さを増加する。空隙２７および２８の大きさを変更したアノード化条件でのエッチング攻撃の継続時間により調節する。引き続く酸化により空隙２７および２８もしくは通路およびこの上に存在する光透過性領域２５および２６を有するシリコン基板２１内の構造が形成され、この構造を使用して、例えば少ない容積の液体の光学的測定を行うことができる。
【００２４】
図４にはシリコン基板内にそれぞれ１つの空隙３７および３８の上に同様に２つの光透過性領域３５および３６が形成されているシリコン基板３１が示されている。シリコン基板３１内のこの構造の部分は図３に示された構造と同様に本発明の方法を使用して形成される。しかし図４の場合には空隙３７および３８をエッチングした後に、本来のエッチング条件下に、空隙３７および３８の下に存在する全部のシリコンが多孔質にエッチングされるまで長くエッチング工程を継続する。このために選択的に空隙３７および３８の下に存在するシリコンを、アノード化の際に印加される本来の電圧の向きを変えることにより多孔質にエッチングすることができる。シリコン基板が下側からエッチングされ、エッチング媒体および除去されるシリコンがすでに形成された多孔質層により空隙の他の面に浸入することがないので、この変形は特に有利であると示された。この場合に引き続く酸化により、シリコン基板３１内に２つの面で光透過性領域２５および２６により囲まれている空隙３７および３８もしくは通路を有する構造が形成され、この構造を使用して、例えば透過する光学的測定を実施することができる。
【００２５】
本発明の方法を使用して、例えば図５ａおよび５ｂの平面図および断面図に示される構造のような複雑な形状の構造をシリコン基板に形成することができる。その際これは、シリコン基板４２内の出入開口４９を有する卵形空隙４７から出発するメアンダー状通路４８である。空隙４７および通路４８はシリコン基板４１内に、互いに移行する光透過性領域４５および４６の下方に形成される。
【００２６】
前記の実施例において光透過性領域はシリコン基板内に常に共通するエッチング工程および引き続く酸化により形成される。もちろん本発明の方法は、種々の深さおよび種々の高さの光透過性領域をシリコン基板に形成するために、それぞれ異なるマスキングされたシリコン基板に相前後して何回も使用することができる。従って第１工程で基板表面の適当なマスキングにより所定の深さの第１光透過性領域を形成することができる。第２マスキングにより他の深さを有する他の光透過性領域または基板表面に予め製造した凹所から出発する透過性領域を形成することができる。このようにして本発明の方法を使用してシリコン基板内に透過性領域を有する複雑な深部形状を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１ａ】シリコン基板の主要表面２に、シリコン基板のエッチングの際に一般的に使用されるエッチングマスク３が備えられているシリコン基板１の断面図である。
【００２８】
【図１ｂ】エッチングマスク３を除去後のおよび酸化後のシリコン基板１の断面図である。
【００２９】
【図２】本発明の方法を使用してシリコン基板内に２つの光透過性領域１５および１６が形成され、この領域がシリコン基板１１の全部の厚さにわたって延びている他のシリコン基板１１の図である。
【００３０】
【図３】シリコン基板２１内にそれぞれ１つの空隙２７および２８の上に２つの光透過性領域が形成されているシリコン基板２１の図である。
【００３１】
【図４】シリコン基板内にそれぞれ１つの空隙３７および３８の上に同様に２つの光透過性領域３５および３６が形成されているシリコン基板３１の図である。
【００３２】
【図５ａ】本発明の方法により製造した構造体を示す平面図である。
【００３３】
【図５ｂ】図５ａの断面図である。

Claims (15)

1. シリコン基板（１）内に光透過性領域（５，６）を形成する方法において、シリコン基板（１）の少なくとも１個の決められた領域（５，６）を多孔質にエッチングし、シリコン基板（１）の決められた多孔質領域（５，６）を酸化することを特徴とするシリコン基板内に光透過性領域を形成する方法。
2. シリコン基板（１）の決められた領域（５，６）を電気化学的エッチング工程により、特に電気化学的アノード化により多孔質にエッチングする請求項１記載の方法。
3. エッチング溶液としてフッ化水素酸含有媒体を使用する請求項１または２記載の方法。
4. エッチング溶液としてフッ化水素酸水溶液またはフッ化水素酸混合物、有利にアルコールおよび／または湿潤剤を有するフッ化水素酸水溶液またはフッ化水素酸混合物を使用する請求項３記載の方法。
5. 決められた領域（５，６）内に、エッチング工程で生じる気孔率を、シリコン基板（１）のドーピングにより、エッチング溶液の濃度によりおよび／またはエッチング工程中にシリコン基板（１）に印加する電流の強さにより調節する請求項２から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 決められた領域（５，６）が完全に酸化する際の体積の増加により決められた領域（５，６）内の孔が完全に閉鎖され、シリコン基板（１）にゆがみを生じないほど大きい気孔率を決められた領域（５，６）内で生じる請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 決められた領域（５，６）内で約５４％のシリコン基板（１）の気孔率を生じる請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
8. 決められた多孔質領域（５，６）の深さをエッチング工程の継続時間により決定する請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. シリコン基板（１）の少なくとも１つの表面（２）にエッチングマスク（３）を形成し、エッチングマスクによりエッチングすべき領域（５，６）を決定する請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. エッチングマスク（３）として金属マスク、ｎ^＋ドーピング、ＳｉＮ層またはｎ^＋ドーピングとＳｉＮ層の組み合わせを使用する請求項９記載の方法。
11. シリコン基板（２１）が完全にエッチング除去される条件下に、空隙エッチング工程としてエッチング工程を継続することにより、特に低い濃度のエッチング溶液および／またはシリコン基板（２１）に印加される高い電流の強さを使用してエッチング工程を継続することにより、決められた多孔質領域（２５、２６）の下方に空隙（２７、２８）を形成する請求項５から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 空隙（２７，２８）の大きさを空隙エッチング工程の継続時間により決定する請求項１１記載の方法。
13. 空隙（３７，３８）の形成後、シリコン基板（３１）が多孔質にエッチングされる条件下にエッチング工程を継続することにより、シリコン基板（３１）内に２つの向かい合う多孔質領域（３５，３６）に囲まれた空隙（３７，３８）を形成する請求項１１または１２記載の方法。
14. 特に請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法により形成される、シリコン基板（２１，３１）内に形成され、少なくとも１個の光透過性領域（２５，２６，３５，３６）を有する構造体において、透過性領域（２５，２６，３５，３６）の下方に空隙（２７，２８，３７，３８）または通路が形成されていることを特徴とする構造体。
15. 空隙（３７，３８）または通路が２つの向かい合う面で透過性領域（３５，３６）に囲まれている請求項１４記載の構造体。