JP2006086492A - 半導体基板の特定の結晶学的に等価な面を形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の反射面として用いられる、優れた表面平滑度を有する半導体基板の４５度面を形成するための方法を提供する。
【解決手段】半導体基板の｛１１０｝面又は｛１００｝面と結晶学的に等価な面を形成する方法が以下のステップを含んでいる。まず、｛１００｝面又は｛１１０｝面と結晶学的に等価な上面を有する半導体基板を用意する。次に、エッチング窓を有するエッチングマスクを、｛１００｝面又は｛１１０｝面と結晶学的に等価な面に形成する。エッチング窓は、半導体基板の＜１００＞方向又は＜１１０＞方向と結晶学的に等価な方向に対してある傾斜角度をなす向きの側壁を有する。傾斜角度は、０度より大きくて９０度より小さく、且つ４５度に等しくない。その後、エッチング窓を用いて選択的な異方性エッチング処理を行い、半導体基板に｛１１０｝面又は｛１００｝面と結晶学的に等価な面を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は特定方位の面を形成する方法に関するものであり、特に、半導体基板の｛１１０｝面又は｛１００｝面と結晶学的に等価な面を形成する方法に関する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照すると、光ピックアップに用いられる単一のレーザモジュールのパッケージ構造が概略的に示されている。このレーザモジュールは、レーザダイオード１０２と２つの受光器１０３とが基板１００上に配置された構成となっている。レーザダイオード１０２から発されたレーザ光１０４は、レーザモジュールの上方に配置されたレンズ（図示せず）を介して読み取ろうとするディスクに送られる。その後、ディスクで反射された光は、受光器１０３によって受光され、続く手順でさらに処理される。レンズはレーザ光の進路に位置していないため、従来、レーザ光を上方に導くためのマイクロプリズムがレーザ光の進路に取り付けられる。あるいは、より有利な方法として、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように、基板１００の４５度面１０１を利用して、マイクロプリズムを要さずに同様の目的を達成している。図示されるように、レーザダイオード１０２から発されたレーザ光１０４は、面１０１に入射し、面１０１で反射されてレンズを通過する。この方法によると、マイクロプリズムが不要となり、レーザモジュールの製造コストを削減できるとともに、製造工程を間単にすることができる。

レーザ光をレンズの方に適切に反射するには、面１０１は正確に４５度の反射面でなければならない。基板１００に４５度面１０１を形成するための工程を示した図２（ａ）から図２（ｃ）を参照いただきたい。図２（ａ）は、上面が｛１００｝面と結晶学的に等価な面である円柱状の結晶棒２００の概略側面図である。円柱状の結晶棒２００は、｛１００｝面と結晶学的に等価な面である上面に対して平行な破線面に沿って切断され、｛１００｝面と結晶学的に等価な面及び＜１００＞方向と結晶学的に等価な方位を各々有する複数のシリコンウェーハ２０１が得られる。その後、図２（ｂ）に示されるように、少なくとも一つのエッチング窓２９９を有するエッチングマスク２９０（一部を図示）がシリコンウェーハ２０１の｛１００｝面と結晶学的に等価な面に形成される。エッチング窓２９９の側壁２９８は、シリコンウェーハ２０１の＜１００＞方向と結晶学的に等価な方向に対して４５度の傾斜角度をなす向きになっている。次に、エッチングマスク２９０を設けた状態でＫＯＨ−イソプロパノールエッチング液を用いて異方性エッチング処理を行うことにより、図２（ｃ）の断面図に示されるように、４５度面１０１すなわち｛１１０｝面と結晶学的に等価な面がシリコンウェーハ２０１のエッチング窓部分に形成される。

しかしながら、実際には、結果として生じる面１０１の平均表面粗度は所望されるほど低くはなく、通常２００ｎｍ程度となることが分かっている。面１０１が滑らかでないのは、｛１１０｝面と結晶学的に等価な面と共に｛１１１｝面と結晶学的に等価な微小な面が多く存在するためであり、これについては、Ｓｅｎｓｏｒｓ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ 第４８巻 ２２９−２３８頁（１９９５） Ｉｒｅｎａ Ｂａｒｙｃｋａ及びＩｒｅｎａ Ｚｕｂｅｌの“Ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｅｔｃｈｉｎｇ ｉｎ ＫＯＨ−ｉｓｏｐｒｏｐａｎｏｌ ｅｔｃｈａｎｔ”で論じられている。理由は、｛１１１｝面と結晶学的に等価な面は｛１１０｝面と結晶学的に等価な面よりも安定しており、よって、エッチング処理中に誘発されやすいためである。

光通信に用いられる光源の波長は通常、可視線から赤外線の範囲にあり、光記憶装置に用いられるレーザ波長も同様にかなり限定されているため、反射面の表面粗度は優れた結像特性を確保する上で重要である。例えば、平均表面粗度は入射光の波長の１０分の１未満である必要があり、さもないと、入射光の著しい分散損失が生じる恐れがある。一方、記憶密度が高まるにつれて、光記憶装置の光源の動作波長が制限される。従って、２００ｎｍの平均表面粗度はそのような用途に適しておらず、よって、表面品質を向上させる必要がある。上述したように、｛１１１｝面と結晶学的に等価な面は｛１１０｝面と結晶学的に等価な面よりも安定している。つまり、エッチング窓２９９の側壁２９８とシリコンウェーハ２０１の＜１００＞方向と結晶学的に等価な方向との傾斜角度を５４．７４度にして、図２（ｂ）に示されるシリコンウェーハ２０１の異方性エッチング処理を行うと、図２（ｄ）に示されるように、十分な滑らかさを有する５４．７４度の｛１１１｝面と結晶学的に等価な面１９９が形成される。従って、別の従来技術は、安定していて滑らかな｛１１１｝面と結晶学的に等価な面を利用して、望ましい４５度の｛１１１｝面と結晶学的に等価な面を得ているが、以下、これについて説明を述べる。

図３（ａ）から図３（ｃ）を参照いただきたい。｛１００｝面と結晶学的に等価な上面を有する円柱状の結晶棒３００は、上面に対して９．７４度傾いた破線面に沿って切断され、シリコンウェーハ３０１が形成される。その後、図３（ｂ）に示されるように、少なくとも一つのエッチング窓３９９を有するエッチングマスク３９０（一部を図示）がシリコンウェーハ３０１の表面に形成される。エッチング窓３９９の側壁３９８は、シリコンウェーハ３０１の＜１００＞方向と結晶学的に等価な方向に対して略０度の向きになっている。次に、図３（ｃ）に示されるように、ＫＯＨ−イソプロパノールエッチング液を用いて異方性エッチング処理を行うことにより、４５度の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面４０１がシリコンウェーハ３０１に形成される。このようにして形成された４５度面４０１の平均表面平滑度は十分に改善されている。しかしながら、この工程の適用には制限がある。このシリコンウェーハは結晶棒を傾斜した角度で特別に切断することにより得られるため、シリコンウェーハを特別に注文する必要がある。さらに、図３（ｃ）に示されるように、４５度面４０１に加えて、シリコンウェーハ３０１自体の特定の結晶学的に等価な方位により、面４０１の反対側に６４．４度の面３８０が形成される。

本発明は、光源の反射面として用いられる、優れた表面平滑度を有する半導体基板の４５度面を形成するための方法を提供する。

また、本発明は、各エッチング窓に、対向する４５度面を同時に形成するための方法を提供する。

本発明の第１の側面によると、半導体基板の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を形成する方法が提供される。まず、｛１００｝面と結晶学的に等価な面を有する半導体基板を用意する。次に、エッチング窓を有するエッチングマスクを、｛１００｝面と結晶学的に等価な面に形成する。エッチング窓は、半導体基板の＜１００＞方向と結晶学的に等価な方向に対してある傾斜角度をなす向きの側壁を有する。傾斜角度は、０度より大きくて９０度より小さく、且つ４５度に等しくない角度である。その後、エッチング窓を用いて選択的な異方性エッチング処理を行い、半導体基板に｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を形成する。

半導体基板は、ダイアモンド構造の結晶構造を有することが好ましい。

半導体基板は、シリコン基板であることが好ましい。

一実施形態においては、選択的な異方性エッチング処理は、エッチング液で行われるウェットエッチング処理である。

一実施形態においては、エッチング液は水酸化カリウム、水及びイソプロパノールの混合液である。

一実施形態においては、選択的な異方性エッチング処理は、エッチング液の温度を６０度から９５度にして、攪拌しながら行われる。

傾斜角度は、２２度以上４５度未満であることが好ましい。

傾斜角度は、４５度より大きく６８度以下であることが好ましい。

本発明の第２の側面によると、半導体基板の｛１００｝面と結晶学的に等価な面を形成する方法が提供される。まず、｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を有する半導体基板を用意する。次に、エッチング窓を有するエッチングマスクを、｛１１０｝面と結晶学的に等価な面に形成する。エッチング窓は、半導体基板の＜１１０＞方向と結晶学的に等価な方向に対してある傾斜角度をなす向きの側壁を有する。傾斜角度は、０度より大きくて９０度より小さく、且つ４５度に等しくない角度である。その後、エッチング窓を用いて選択的な異方性エッチング処理を行い、半導体基板に｛１００｝面と結晶学的に等価な面を形成する。

本発明の第３の側面によると、半導体発光装置の反射面を形成する方法が提供される。まず、第１の特定の結晶面を有する半導体基板を用意する。次に、エッチング窓を有するエッチングマスクを、第１の特定の結晶面に形成する。エッチング窓は、第１の特定の結晶面に対応する結晶方位に対してある傾斜角度をなす向きの側壁を有する。傾斜角度は、０度より大きくて９０度より小さく、且つ４５度に等しくない角度である。その後、エッチング窓を用いて半導体基板に選択的な異方性エッチング処理を行い、第２の特定の結晶面として知られる反射面を形成する。第１及び第２の特定の結晶面は略４５度の鋭角をなす。

一実施形態においては、第１及び第２の特定の結晶面は、ダイアモンド構造の｛１００｝面及び｛１１０｝面と結晶学的に等価な面である。

本発明の上述の内容は、以下の詳細な説明及び添付図面を検討頂ければ、当業者にはより容易に理解されるであろう。

半導体基板に一又は複数の安定した滑らかな４５度面をエッチングにより形成するため、本発明によると、半導体基板上に形成されるエッチング窓の半導体基板の結晶方位に対する傾斜角度が選択される。以下、例を挙げて説明する。

図４（ａ）を参照すると、ダイアモンド構造の結晶構造を有するシリコンから成る半導体基板５００が示されている。半導体基板５００は、｛１００｝面と結晶学的に等価な上面及び＜１００＞方向と結晶学的に等価な方位を有し、結晶棒（図示せず）を該結晶棒の｛１００｝面と結晶学的に等価な上面に対して平行な面に沿って切断することにより得られる。半導体基板５００の｛１００｝面と結晶学的に等価な面に、一つのエッチング窓５４０を有するエッチングマスク５３０が形成される。エッチング窓５４０は、パターンを形成し、エッチングマスク５３０をドライエッチング処理によりエッチングすることによって得られる。エッチング窓５４０の側壁５４１は、半導体基板５００の＜１００＞方向と結晶学的に等価な方向に対して傾斜角度αの向きになっている。

上述したように、｛１１０｝面と結晶学的に等価な面と共に｛１１１｝面と結晶学的に等価な微小な面が多数存在すると、反射面の表面平滑度の低下をまねくため、４５度の傾斜角度は正確な４５度面を形成するのに適さない。一方、本発明の発明者が研究したところによると、傾斜角度αを０度より大きくて４５度より小さい、又は４５度より大きくて９０度より小さい角度にすると、滑らかな４５度面が得られる。

図４（ａ）に示される実施形態においては、傾斜角度αは０度より大きく４５度より小さくなるように選択され、例えば２２度とする。２２度の傾斜角度を有するエッチング窓５４０をエッチングマスク５３０に形成した後、６０度から９５度の温度のエッチング液で選択的な異方性エッチング処理を行う。その結果、図４（ａ）のそれぞれＤ−Ｄ’断面図及びＥ−Ｅ’断面図である図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示されるように、四方の４５度面５５０が半導体基板５００のエッチング窓部分に形成される。選択的な異方性エッチング処理に用いられるエッチング液は、水酸化カリウム、水及びイソプロパノールの混合液等である。当該混合液における各成分の比率は、所望のエッチング速度によって決まる。選択的な異方性エッチング処理中においては、４５度反射面に容易に付着して表面平滑度に悪影響を与える気泡を除去するため、エッチング液を継続的に攪拌する必要がある。

図５（ａ）を参照して、半導体基板の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を形成する別の実施形態を説明する。本実施形態において、半導体基板５００を形成するステップ及び選択的な異方性エッチング処理を行うステップが含まれるが、これらのステップは図４（ａ）に示したものと同様であり、ここでは重ねて説明を行わない。本実施形態においては、エッチングマスク５３０のエッチング窓５４２は、シリコンウェーハの＜１００＞方向と結晶学的に等価な方向と側壁５４３との傾斜角度αが４５度より大きく９０度より小さい角度、例えば６８度、になるように形成される。選択的な異方性エッチング処理が行われると、図５（ａ）のそれぞれＦ−Ｆ’断面図及びＧ−Ｇ’断面図である図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示されるように、四方の４５度面５５２が半導体基板５００のエッチング窓部分に形成される。

図６（ａ）を参照すると、複数のエッチング窓５４８及び５４９が半導体基板５００上のエッチングマスク５３０に形成されている。選択的な異方性エッチング処理が行われると、図６（ａ）のＨ−Ｈ’断面図である図６（ｂ）に示されるように、２組の四方４５度面５５４及び５５５が半導体基板５００のエッチング窓部分に形成される。このような方法によると、レーザモジュールの反射面加工における複雑さが大いに緩和されるとともにコストが大幅に削減される。

上記の各実施形態において、本発明に用いられるエッチングマスク５３０は二酸化珪素（ＳｉＯ_２）又は窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）から成り、これらは、選択的な異方性エッチング処理を行った後に、フッ化水素酸を用いて除去することができる。本発明によると、｛１００｝面と結晶学的に等価な面と｛１１０｝面と結晶学的に等価な面とがなす鋭角が、軽微なずれはあるが、略４５度になるように、傾斜角度αが調整される。本発明の発明者の研究によると、傾斜角度αが４５度から外れるほど、結果として生じる４５度面の平均表面平滑度は高くなる。一方、傾斜角度αが４５度に近くなるほど、正確な４５度面からの角度のずれが小さくなる。この選択は製造者に委ねられ、実際の必要条件によって決められる。例えば、許容し得るずれを±１度として、４５度の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を得ることが求められるとき、傾斜角度αは２２−４５度又は４５−６８度の範囲に調整される必要がある。

ここまでは半導体基板の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を形成するための方法に言及することによって本発明を説明してきたが、本発明はその他の結晶学的に等価な面を形成するための別の方法にも適用することができる。例えば、本発明によると、｛１１０｝面と結晶学的に等価な上面及び＜１１０＞方向と結晶学的に等価な方位を有する半導体基板を用いて、４５度の｛１００｝面と結晶学的に等価な面を形成することができる。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されるように、０度より大きくて９０度より小さい、且つ４５度に等しくない傾斜各度範囲αがここでも同様に目的達成のために適用される。さらに、本発明は、マイクロメカトロニクスシステム（ＭＥＭＳ）及び光通信においても同様に利用することができる。

以上、現在において最も実用的で好ましいと考えられる実施形態について本発明を説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、付記される請求項の最広義な解釈による趣旨及び範囲内における種々の変更及び同様の配置をも含むものであり、そのような変更及び同様の構造全てを包含する。

（ａ）は光ピックアップヘッドに用いられるレーザモジュールのパッケージ構造の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図。 （ａ）から（ｃ）は、先行技術によるシリコンウェーハにおける４５度の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を形成する工程を示した概略図、（ｄ）は、先行技術によるシリコンウェーハにおける、４５度の｛１１１｝面と結晶学的に等価な面の形成に応用される十分に滑らかな５４．７４度の｛１１１｝面と結晶学的に等価な面を示した概略図。 （ａ）から（ｃ）は、先行技術によるシリコンウェーハにおける４５度の｛１１１｝面と結晶学的に等価な面を形成する別の工程を示した概略図。 （ａ）は本発明の一実施形態による、エッチング処理を行うためにエッチング窓が形成されたシリコンウェーハの一部分を概略的に示す上方から見た斜視図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図であり、エッチング処理後に生じた４５度の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を概略的に示す図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ’断面図であり、エッチング処理後に生じた４５度の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を概略的に示す図。 （ａ）は本発明の別の実施形態による、エッチング処理を行うためにエッチング窓が形成されたシリコンウェーハの一部分を概略的に示す上方から見た斜視図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ’断面図であり、エッチング処理後に生じた４５度の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を概略的に示す図、（ｃ）は（ａ）のＧ−Ｇ’断面図であり、エッチング処理後に生じた４５度の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を概略的に示す図。 （ａ）は本発明のさらに別の実施形態による、エッチング処理を行うために２つのエッチング窓が形成されたシリコンウェーハの一部分を概略的に示す上方から見た斜視図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ’断面図であり、エッチング処理後に生じた４５度の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を概略的に示す図。 （ａ）は本発明の一実施形態による、４５度の｛１００｝面と結晶学的に等価な面を得るためにエッチング窓が形成されたシリコンウェーハの一部分を概略的に示す上方から見た斜視図、（ｂ）は本発明の別の実施形態による、４５度の｛１００｝面と結晶学的に等価な面を得るためにエッチング窓が形成されたシリコンウェーハを概略的に示す上方から見た斜視図。

符号の説明

５００ 半導体基板
５３０ エッチングマスク
５４０ エッチング窓
５４１ 側壁
５５０ ４５度面

Claims (10)

1. 半導体基板の｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を形成する方法であって、
   ｛１００｝面と結晶学的に等価な面を有する半導体基板を用意するステップと、
   前記半導体基板の＜１００＞方向と結晶学的に等価な方向に対して０度より大きくて９０度より小さく且つ４５度に等しくない傾斜角度をなすように向けられた側壁を有するエッチング窓を持つエッチングマスクを、前記｛１００｝面と結晶学的に等価な面に形成するステップと、
   前記エッチング窓を用いて選択的な異方性エッチング処理を行い、前記半導体基板に｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を形成するステップとを備えたことを特徴とする方法。
2. 前記半導体基板は、結晶構造がダイアモンド構造のシリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記選択的な異方性エッチング処理は、６０度から９５度の温度のエッチング液で攪拌しながら行われるウェットエッチング処理であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記傾斜角度は、２２度以上４５度未満であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記傾斜角度は、４５度より大きく６８度以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 半導体基板の｛１００｝面と結晶学的に等価な面を形成する方法であって、
   ｛１１０｝面と結晶学的に等価な面を有する半導体基板を用意するステップと、
   前記半導体基板の＜１１０＞方向と結晶学的に等価な方向に対して０度より大きくて９０度より小さく且つ４５度に等しくない傾斜角度をなすように向けられた側壁を有するエッチング窓を持つエッチングマスクを、前記｛１１０｝面と結晶学的に等価な面に形成するステップと、
   前記エッチング窓を用いて選択的な異方性エッチング処理を行い、前記半導体基板に｛１００｝面と結晶学的に等価な面を形成するステップとを備えたことを特徴とする方法。
7. 前記傾斜角度は２２度以上４５度未満である、又は前記傾斜角度は４５度より大きく６８度以下であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 半導体発光装置の反射面を形成する方法であって、
   第１の特定の結晶面を有する半導体基板を用意するステップと、
   前記第１の特定の結晶面に対応する結晶方位に対して０度より大きくて９０度より小さく且つ４５度に等しくない傾斜角度をなすように向けられた側壁を有するエッチング窓を持つエッチングマスクを、前記第１の特定の結晶面に形成するステップと、
   前記エッチング窓を用いて前記半導体基板に選択的な異方性エッチング処理を行い、第２の特定の結晶面である前記反射面を形成するステップとを備え、
   前記第１及び第２の特定の結晶面は略４５度の鋭角をなすことを特徴とする方法。
9. 前記第１及び第２の特定の結晶面は、ダイアモンド構造の｛１００｝面及び｛１１０｝面と結晶学的に等価な面であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記傾斜角度は２２度以上４５度未満である、又は前記傾斜角度は４５度より大きく６８度以下であることを特徴とする請求項８に記載の方法。

Images