JP2005504647A - 光学的に透明な壁部を備えた中空室の作成方法 - Google Patents

Abstract

マイクロシステム技術の標準方法を使用して簡単にかつコストをかけずに、デバイス（１０）中に光学的に透明な壁部を備えた中空室（７）を作成する方法が提案される。このために、まず、光学的に透明なジャケット層により全面的に取り囲まれているシリコン領域を作成する。次いで、少なくとも１つの開口部（６）をジャケット層中に作成する。この開口部（６）を介して、ジャケット層により取り囲まれたシリコンを溶かし出して、ジャケット層の内部に中空室（７）が生じる。この場合、ジャケット層はエッチストップとして機能する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロシステム技術を用いてデバイス中に光学的に透明な壁部を備えた中空室の作成方法に関する。
【０００２】
この種の中空室を備えたデバイスは、例えば気体又は液体に関する光学的調査のために使用される。光学的に透明な壁部を備えた中空室中では化学反応を実施することもでき、この化学反応は光の作用により、例えばレザー光線によって開始される。光学的に透明な通路を備えたデバイスは、光学的レベル制御のためにも使用される。
【０００３】
実際に、光学的に透明な壁部を備えた中空室及び特に通路を有するデバイスの製造のために、１つ又は複数のガラスウェハをデバイスの基板と結合することは公知である。この方法は全体的に極めて費用がかかる。このデバイスを気体又は液体に関する光学的調査のために使用すべき場合には、ガラス繊維をデバイス中に組み込んで、このガラス繊維を介して光を中空室内へ入力結合させることができる。この場合に、実際に公知の方法を用いたデバイスの製造は、なおいっそう費用がかかりかつ複雑になる。
【０００４】
本発明の利点
本発明を用いて、マイクロシステム技術の標準方法を使用して簡単にかつコストをかけずに、デバイス中に光学的に透明な壁部を備えた中空室を作成する方法が提案される。この場合に、本発明による方法は、他の機能的素子をこのデバイス内へ組み込むことも可能にする。
【０００５】
これは、本発明の場合に、シリコン領域を作成し、この領域を全面的に少なくとも１種の光学的に透明なジャケット層で取り囲み、このジャケット層中に少なくとも１つの開口部を作成し、このジャケット層により取り囲まれたシリコンを、ジャケット層中の開口部を介して溶かし出し、その際このジャケット層はエッチストップ層として作用することにより達成される。
【０００６】
本発明の場合に、壁部を同時にエッチストップ層として作用させる場合に、つまりシリコンの溶かし出しのために、シリコンに関するエッチング率が高くかつ同時にジャケット層の材料に対するエッチング選択性が高い物質を使用する場合に、光学的に透明な壁部を備えた中空室をマイクロシステム技術で極めて簡単に製造できることが認識された。本発明による方法にとって重要なのは、光学的に透明なジャケット層で全面的に取り囲まれているシリコン領域の作成だけでなく、ジャケット材料とエッチング剤の適当な組み合わせでもある。このジャケット層は、シリコンの溶かし出しのために、デバイスの機能に基づいて、中空室もしくは通路に対するアクセス開口部が設けられる箇所で開口させることができる。本発明による方法の範囲内で使用する技術は、透明な壁部を備えた中空室の作成の他に、他の機能的素子、例えば多孔性のシリコンを備えた発光する領域、フォトダイオード、マイクロメカニカル素子、例えばポンプ及び弁、相応する制御回路もしくは評価回路などの実現でもある。
【０００７】
既に述べたように、光学的に透明であり、かつ取り囲まれたシリコンが溶け出る際にエッチストップとして作用する限り、ジャケット層は多様な材料から作成できる。ジャケット層についての材料として、特に酸化ケイ素及び窒化ケイ素が適している、それというのも、この材料はシリコンのエッチングのために、最もよく使用される常用のエッチング剤に関してこの両方の基準を満たし、かつ更にデバイスの基板に対して電気的絶縁体を形成するためである。しかしながら、このジャケット層は、完全に又は部分的にホウリンケイ酸塩ガラス（Borphosphorsilikatglas）から形成することもできる。前記の全ての材料から、マイクロシステム技術において通常の方法で構造化することができる十分な厚さを有する層を簡単に作成できるため、簡単にジャケット層中に開口部を作成することもできる。
【０００８】
ジャケット層により取り囲まれるシリコンは、湿式化学エッチングによるか又は気相エッチングによって溶かし出すことができる。気相中において、有利に二フッ化キセノンＸｅＦ_２でエッチングする、それというのも、極めて大きなエッチング率及び材料層の極めて大きなアンダーエッチングを実現できるためである。
【０００９】
図面
既に前記したように、本発明の教示を有利に実施しかつ改良することができる多様な方法が存在する。これについては、一方では請求項１を引用する形式の請求項、及び他方で図面を用いた本発明の複数の実施例の次の記載が指摘される。
【００１０】
図１ａ〜１ｅは、光学的に透明な壁部を備えた通路を作成するための、本発明による方法の第１の実施態様の個々の段階のデバイスを示す。
【００１１】
図２ａ及び２ｂは、図１ａ〜１ｄに示した方法の経過の実施態様を示す。
【００１２】
図３ａ〜３ｄは、光学的に透明な壁部を備えた通路を作成するための、本発明による方法の第２の実施態様の個々の段階のデバイスを示す。
【００１３】
図４は、本発明により作成された通路構造体を備えたデバイスを上から見た図を示す。
【００１４】
図５は、壁部内にキャパシタプレートが組み込まれている、本発明により作成された通路を備えたデバイスの適用についての実施態様を図式的に示す。
【００１５】
図６ａ及び６ｂは、ガラス繊維と連結されている、本発明により作成された通路を備えたデバイスの上から見た図及び断面図を示す。
【００１６】
実施例の記載
既に述べたように、図１ａ〜１ｅには、光学的に透明な壁部を備えた中空室を作成するための本発明による方法の１実施態様の個々の段階のデバイス１０が図示されている。このデバイス１０はシリコン基板１上に実現されている。ここに示された実施例の場合には、デバイス１０は、マイクロシステム技術において作成可能な他の基板上に実現することもできる。
【００１７】
図１ａに示した、ＳＯＩ−ウェハに相当する層構造は、基板１を形成するシリコンウェハから出発して実現することもできる。このために、基板１上に酸化ケイ素層２を作成し、これはシリコンウェハ１の酸化によるか又はシリコンウェハ１表面上へ酸化ケイ素の堆積により達成することができる。この酸化ケイ素層は光学的に透明である。その後、この酸化ケイ素層２上に多結晶のシリコンエピタキシー層３を堆積させる。
【００１８】
このシリコン−エピタキシー層３を、作成すべき中空室の形状寸法を備えたシリコン領域４が生じるように構造化する。本発明による方法の一実施態様において、エピタキシー層３を、このためにシリコン領域４を除いて完全に除去する。この状態が図１ｂに示されている。エピタキシー層３の構造化のために、標準のエッチング技術、特に異方性プラズマエッチングを使用し、この場合に、酸化ケイ素層２はエッチストップとして機能する。
【００１９】
図１ｂ中に図示された構造を表面酸化させるか又は酸化ケイ素層を堆積させ、つまり構造化されたエピタキシー層３上もしくは酸化ケイ素層２の露出した領域及びシリコン領域４上に、つながった第２の酸化ケイ素層５を作成するため、シリコン領域４は全面的に酸化ケイ素層２又は５で取り囲まれ、この酸化ケイ素層がシリコン領域４に対して光学的に透明なジャケット層を形成する。この状態が図１ｃに示されている。
【００２０】
引き続き、開口部６をジャケット層中に作成し、この開口部を介してジャケット層により取り囲まれたシリコンを溶かし出すため、光学的に透明なジャケット層により取り囲まれた中空室７が生じる。この溶かし出しは、二フッ化キセノンＸｅＦ_２を有する気相中で行うのが有利である、それというのも酸化ケイ素はこのエッチング剤に対してエッチストップ層として機能し、かつこのエッチング剤は極めて大きなエッチング率及び極めて大きなアンダーエッチングを実現できるためである。図１ｄ中には、ジャケット層中の開口部６を介してシリコン領域４を溶かしだした後のデバイス１０が図示されている。
【００２１】
例えば、ガス又は液体に関する光学的調査のために、中空室７の下側も露出させることも多い。このために、例えばＫＯＨ−エッチング又は異方性プラズマエッチングのような標準エッチング技術が使用される。この場合でも、中空室７のジャケット層をエッチストップ層として利用する。図１ｅに図示された実施態様の場合には、中空室７の下側がＫＯＨ−エッチングにより除去され、シリコンウェハ１の背面から出発して中空室７の範囲内への凹設部８が作成される。
【００２２】
ジャケット層中の開口部６の作成のために一般にリソグラフィー層を使用し、第２の光学的に透明なエッチストップ層の表面を全面的に塗布する。この塗布は図１に示されたトポグラフィーの場合には問題である。図２ａ及び２ｂは、図１ｃで図示された状態の２つの実施態様であり、基板１は第１の酸化ケイ素層２、構造化されたシリコンエピタキシー層３もしくはシリコン領域４及び構造化されたエピタキシー層３上の第２の光学的に透明なエッチストップ層を有し、この場合、引き続く塗布は平坦化されたトポグラフィーに基づき問題ない。
【００２３】
図２ａに図示されたデバイス２０の場合には、第２の光学的に透明な層２１として厚い酸化ケイ素層又は窒化ケイ素層を構造化されたエピタキシー層３上に堆積させ、エッジ部の丸まりが生じる。付加的に、この場合になお平坦化プロセスを実施することもできる。酸化ケイ素又は窒化ケイ素の代わりに、ホウリンケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）を堆積させることもでき、このガラスは同様に光学的に透明な層を形成する。引き続く熱処理の際に、ＢＰＳＧは液状化し、同様にトポグラフィーの平坦化が生じる。
【００２４】
図２ｂに図示されたデバイス２２の場合に、シリコンエピタキシー層３の構造化の際に単にトレンチ２３が作成されるだけであり、このトレンチにより、作成すべき中空室の形状寸法を有するシリコン領域４が規定される。つまりこのエピタキシー層３はシリコン領域４の外側でも完全には除去されない。こうして作成された構造を引き続き表面酸化する場合に、特にトレンチ２３の側壁上にも酸化ケイ素層が成長するため、トレンチ２３は埋まる。それにより、表面のトポグラフィーは全体的に平滑となる。別の場合に、第２の光学的に透明な層２１は、酸化ケイ素、窒化ケイ素又はＢＰＳＧの体積によっても作成され、その際とレンチ２３は同様に埋められる。
【００２５】
図３ａ〜３ｄ中には、光学的に透明な壁部を備えた中空室を作成するための、本発明による方法の別の実施態様の個々の段階のデバイス３０が示されている。このデバイス３０もシリコン基板３１上に実現されている。基板３１中に、標準半導体技術を用いて、例えばドーピング、エピタキシー及びドーピングにより、埋設されたドーピング領域３２を、図３ａに図示されているように作成する。
【００２６】
ｐ型にドープされた基板の場合には、ドーピング領域は例えばｐ^＋型ドーピングを示す。ｎ型にドープされた基板中のｎ^＋ドーピングも可能である。このドーピングの選択にとって重要なのは、ドーピング領域３２が引き続く陽極処理の際に、ドーピング領域３２を取り囲む基板３１よりも明らかに急速に多孔性にエッチングされることである。この陽極処理により、埋設された多孔性の領域３２が基板３１中に、図３ｂに図示されているように作成される。
【００２７】
領域３２内の多孔性シリコンを、次の酸化工程においてその表面積が大きいために極めて迅速に酸化する。付加的に、基板３１の表面上に酸化ケイ素３３が形成されるため、シリコン領域３４が生じ、この領域はジャケット層として酸化ケイ素により全面的に取り囲まれている。材料変形を回避するために、多孔性シリコンの多孔度は、孔が酸化の間の材料の成長によって充填されるように選択しなければならない。埋設された領域３２中の酸化ケイ素も、酸化ケイ素層３３も光学的に透明である。図３ｃは酸化工程後のデバイス３０である。
【００２８】
図１ａ〜１ｅとの関連で記載した方法の実施態様の場合と同様に、この場合もジャケット層を開放し、シリコン領域３４の範囲内の酸化ケイ素層３３中に開口部３５を作成する。この開口部３５を介して、ジャケット層により取り囲まれたシリコンは溶かし出される。図３ｄはこうして得られた中空室３６を備えた仕上がったデバイス３０を表す。
【００２９】
図４中には、本発明により作成された通路構造体４１を備えたデバイス４０が図示されていて、この構造体は３つの開口部４２を有するこの開口部４２を介してシリコンは通路領域から溶かし出される。この開口部４２は、図示されたデバイス４０の適用の際にも供給口もしくは排出口としても利用することができるように配置されている。
【００３０】
デバイス中に光学的に透明な壁部を備えた通路を作成する本発明による方法の有利な実施態様の範囲内で、キャパシタプレートが通路壁部の領域内に実現され、それによりこの通路はキャパシタプレートの間に存在する。このために、通路壁部に例えば相応するドーピング層又はメタライジング層を設けることができる。このキャパシタの容量は通路中にどのような媒体が存在するかに依存する。この種の装置は、例えばレベル表示器としても使用できる。比較的小さな通路区間だけがキャパシタプレートを備えているゲートの実現も同じ原理に基づく。この場合、キャパシタプレートを備えた通路区間に媒体が到達する際に、この装置の容量が変化する。
【００３１】
キャパシタプレートを備えた通路は、誘電体の吸引のためにも使用することができる。この構造は図５に図式的に示されている。ここでは５１及び５２により通路壁中に組み込まれたキャパシタプレートが表されている。電圧の印加により、誘電体、例えば水はキャパシタプレート５１及び５２の間で一定の高さにまで吸引される、それというのも、キャパシタプレート５１及び５２の間で電場のエネルギー密度が高まるためである。この種の装置は、例えば計量供給装置としても使用できる。
【００３２】
場合により、通路中の媒体を加熱するために、このような通路の範囲内で、例えば白金からなる加熱構造体を作成することができる。この種の構造体は、媒体の温度測定のためにも使用できる。
【００３３】
本発明による方法の他の有利な実施態様の場合には、中空室もしくは通路内へ入力結合させるために、中空室もしくは通路の他に、標準エッチング技術を用いてガラス繊維用の切欠を作成することができる。例えば、ＫＯＨを用いた異方性エッチングによりいわゆるＶ字穴が作成され、この穴は極めて正確に位置決め可能でかつ寸法決定可能である。この構造内でガラス繊維は極めて正確に調整することができ、これは、光学的調査、例えば透過型分光器のために重要であるばかりか、例えば光化学反応を開始させるレザー光の入力結合のためにも重要である。図６ａ及び６ｂには、デバイス６０の上から見た図（図６ａ）及び断面図（図６ｂ）が図示されていて、これは特に透過調査のために適している。この通路６１はほぼＵ字型のガイドを有している。通路６１の一方の末端には、供給口６２が存在し、この供給口を介して通路に媒体を供給することができ、この媒体は次いで排出口６３を介して通路から再び搬出することができる。通路６１のＵ字型の脚部は、光学区域６４である。デバイス６０中でこの光学区域６４の延長上にＶ字穴６５が作成されていて、光学区域６４内へ光を入力結合するために、この穴内へそれぞれガラス繊維６６が配置されている。
【００３４】
最後に、なお本発明により作成されたデバイスのフリースペース中に他の機能性素子、例えば多孔性ケイ素を有する発光領域、フォトダイオード、マイクロメカニカルポンプ及びバルブ及び相応する制御回路及び評価回路を実現することができ
要約すると、本発明による方法を用いて、壁部が完全に又は少なくとも部分的に光学的に透明である中空室及び特に通路を備えたデバイスを製造できることが確認できる。このために、基板上にシリコン領域を作成し、このシリコン領域の全面は光学的に透明でかつエッチストップとして作用する材料、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素又はＢＰＳＧで取り囲まれる。このシリコン領域は、この場合に、製造すべき中空室の形に一致する。中空室の開口部の位置で、ジャケット層は開放される。湿式化学的エッチングによるか又はガスを用いたエッチングによりシリコンは溶かし出される。有利に、この場合に二フッ化キセノンＸｅＦ_２でエッチングされる。このガスは、酸化ケイ素及び窒化ケイ素に対してシリコンを高いエッチング率及び高いエッチング選択性でエッチングする。更に、このために数ミリメートルまでの極めて大きなアンダーエッチングが実現されるため、中空室及び特に通路の開口部から出発して取り囲まれたシリコンを溶かし出すために、このガスは特に良好に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】１ａ〜１ｅは、光学的に透明な壁部を備えた通路を作成するための、本発明による方法の第１の実施態様の個々の段階のデバイスを示す図
【図２】２ａ及び２ｂは、図１ａ〜１ｄに示した方法の経過の実施態様を示す図
【図３】３ａ〜３ｄは、光学的に透明な壁部を備えた通路を作成するための、本発明による方法の第２の実施態様の個々の段階のデバイスを示す図
【図４】本発明により作成された通路構造体を備えたデバイスを上から見た図
【図５】壁部内にキャパシタプレートが組み込まれている、本発明により作成された通路を備えたデバイスの適用についての実施態様を図式的に示す図
【図６】６ａ及び６ｂは、ガラス繊維と連結されている、本発明により作成された通路を備えたデバイスの上から見た図及び断面図

Claims (15)

1. マイクロシステム技術を使用して、デバイス（１０；３０）中に光学的に透明な壁部を備えた中空室（７；３６）を作成する方法において、少なくとも１種の光学的に透明なジャケット層により全面的に取り囲まれているシリコン領域（４；３４）を作成し、少なくとも１つの開口部（６；３５）を前記のジャケット層中に作成し、このジャケット層により取り囲まれたシリコンを、ジャケット層中の開口部を介して溶かし出し、その際、このジャケット層がエッチストップ層として機能することを特徴とする、光学的に透明な壁部を備えた中空室を作成する方法。
2. 酸化ケイ素層、窒化ケイ素層又はホウリンケイ酸塩ガラス層をジャケット層として利用することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. シリコンを湿式化学的エッチングにより溶かし出すことを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. シリコンを、気相中での、有利に二フッ化キセノンＸｅＦ_２を用いるエッチングにより溶かし出すことを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
5. 第１の光学的に透明なエッチストップ層（２）をデバイス（１０）の基板（１）上に作成し、シリコン層（３）を前記のエッチストップ層（２）上に作成し、このシリコン層（３）を、作成すべき中空室の寸法形状を有するシリコン領域４が生じるように構造化し、この構造化されたシリコン層（３）上に第２の光学的に透明なエッチストップ層（５）を作成して、前記のシリコン領域（４）の全面が第１又は第２のエッチストップ層（２，５）により取り込まれることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. ＳＯＩ−ウェハの上側のシリコン層（３）を、作成すべき中空室の形状寸法を有するシリコン領域（４）が生じるように構造化し、この構造化されたシリコン層（３）上に第２の光学的に透明なエッチストップ層（５）を作成して、シリコン領域（４）の全面が第１又は第２のエッチストップ層（２，５）により取り囲まれることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
7. 第２のエッチストップ層が平坦化されることを特徴とする、請求項５又は６記載の方法。
8. ホウリンケイ酸塩ガラス層を第２のエッチストップ層として堆積させ、その後に熱処理を実施して、前記のホウリンケイ酸塩ガラス層を液状化させることを特徴とする、請求項５から７までのいずれか１項記載の方法。
9. デバイス（３０）をシリコン基板（３１）上に実現する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法において、シリコン基板（３１）中に埋設されたドーピング領域（３２）を作成し、陽極処理を実施し、前記処理の際に埋設されたドーピング領域（３２）から埋設された多孔性領域（３２）を作成し、酸化を実施し、前記の酸化の際に前記の埋設された領域（３２）中の多孔性シリコンを酸化させかつシリコン基板（３１）の表面上に酸化ケイ素層（３３）を形成させて、シリコン領域（３４）が酸化ケイ素−ジャケット層で全面的に取り囲まれることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
10. ジャケット層を、中空室の外側の壁部の露出の際にもエッチストップ層として用いることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 壁部中にキャパシタプレートを実現することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法によりデバイス中に光学的に透明な壁部を備えた通路を作成する方法。
12. キャパシタプレートを壁部のドーピング又はメタライジングにより実現することを特徴とする、請求項１１記載の方法。
13. 通路中にもたらされた媒体の加熱のために加熱構造体を作成することを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法によりデバイス中に光学的に透明な壁部を備えた通路を作成する方法。
14. デバイス（６０）中にガラス繊維（６６）用の切欠（６５）を作成し、この切欠を介して通路（６１）内へ光を入力結合することができることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法によりデバイス中に光学的に透明な壁部を備えた通路を作成する方法。
15. レベル表示器、ゲート又は誘電性の液体の計量供給装置の製造のための、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法の使用。