JP2006501072A - 単結晶基板から微細構造物を形成する方法 - Google Patents

Abstract

基板から微細構造物を形成する方法が提供される。その方法は、（１００）配向を有する単結晶基板を設ける段階、及びイオン注入を所望貫通深さまで行うように基板の第１部分をイオン衝撃に曝す段階を含む。基板の第２部分が、所望貫通深さと少なくとも同じ大きさの深さまで腐食される。次いで、基板が熱処理されて、基板の表面に微細構造物を形成し且つ微細構造物と基板との間の少なくとも部分的分離を行う。

Description

本発明は、一般的に基板から微細構造物を形成する方法に関し、特にイオン注入（ion implantation）を用いて基板から微細構造物を形成する方法に関する。

半導体素子は、機能が指数関数的に成長する間にサイズは収縮し続けている。小形半導体素子の一部類は、小形電子産業において常に成長するとの評価を得つつある小形電子機械体系（ＭＥＭＳ：microelectromechanical systems）である。ＭＥＭＳは、１又はそれを超える微細構造物、即ち、サブミクロン（sub-μｍ）から数ミリメートル程度のサイズの構造を含む半導体素子体系である。ＭＥＭＳ機器は、限定はしないが、微細ヒンジ、微細歯車、微細加速度計、微細ビーム、微細弁、検査質量、スイッチング・セル、微細センサを含む。このような機器は、ほんの少数科学技術を挙げれば、光学系統、インクジェット・プリンタ、電気通信系統、医療機器、コンピュータ・ディスク機器、流体計測機器における用途に見出される。

ＭＥＭＳ体系は、通常は、非常に小さい顕微鏡的尺度で実施される多数の複雑で、しばしば費用のかかる処理及び製造工程を含む表面微細機械加工技術を用いて、製造される。表面微細機械加工技術は、微細構造物の結晶構造とは異なる結晶構造を有する材料を覆う微細構造物の形成にしばしば関与している。このような処理は、本質的に応力を掛けられると共にＭＥＭＳ機器において望ましくなく曲げ又は撓まされる微細構造物を生じることがある。更に通常の表面微細機械加工技術は、長い処理時間中に横腐食の使用を要求し、これは低生産高及び高生産費を生じることになる。

このような腐食は、選択的な腐食液の必要性を要求し、フッ化水素酸等の危険な化学物質への露出を要求する。更に、表面微細機械加工技術は、スティクション、即ち微細構造物が最終水洗及び乾燥工程中に基板に取り付くようにさせる閉込液体によって誘導される現象、を受けやすい材料からつくられた微細構造物を生じる。

本発明の一目的は、基板から微細構造物を形成する改良方法を提供することにある。この目的は、請求項１の方法によって達成される。本発明の有益な実施例は、従属請求項において特徴付けられる。

本発明の典型的実施例に基づいて、基板から微細構造物を形成する方法が提供される。この方法は、（１００）配向を有する単結晶基板を設ける段階、及びイオン注入を所望貫通深さまで行うように基板の第１部分をイオン衝撃に曝す段階を含む。基板の第２部分は、所望貫通深さと少なくとも同じ大きさの深さまで腐食される。基板は熱処理されて、基板の表面に微細構造物を形成し且つ微細構造物と基板との間に少なくとも部分的分離を行う。

本発明の別の実施例においては、基板の表面から単結晶構造物を微細機械加工する方法が提供される。本方法は、（１００）配向を有する単結晶基板を設ける段階、及び基板の第１部分を露出するように基板上に第１パターン化硬質マスクを形成する段階を含む。基板の第１部分が所望の貫通深さまでイオン注入を行うようにイオン衝撃に曝され、そして、第１パターン化硬質マスクが除去される。基板の第２部分を露出するように、第２パターン化硬質マスクが基板上に形成される。基板の第２部分は、所望の貫通深さと少なくとも同じ大きさの深さまで腐食される。基板は熱処理されて、基板の第１表面に微細構造物を形成し且つ微細構造物と基板との間に少なくとも部分的分離を行う。

本発明は、添付図面に例として示されているが、限定するものではなく、添付図面においては同様な参照番号は類似の要素を表す。当業者は、図面の要素が単純化と簡明化のために図示され、必ずしも縮尺通りには描かれていないことを理解するであろう。例えば、図面中のいくつかの要素は、本発明の実施例の理解を深めるために他の要素に関して誇張されることもある。

下記の記載は、典型的実施例のみであり、本発明の範囲、適応性又は形態をいかなる点においても限定するように意図されてはいない。むしろ、下記の記載は、本発明の典型的実施例を実施するための便宜的な説明を与える。記載された実施例の様々な変更は、添付特許請求の範囲に記載された範囲から逸出せずに、記載された要素の機能及び構成においてなされてもよい。

図１−図７は、イオン注入を用いて解放（released）微細構造物を基板から形成するように、本発明の一典型的実施例に基づく方法を示す。図１において、方法は、（１００）配向を有する単結晶半導体基板１０を設けることによって開始する。この文脈において、用語「単結晶」は、半導体産業内において一般に用いられている意味を有し、且つ単結晶である材料又は珪素若しくはゲルマニウム、珪素とゲルマニウムとの混合物等の実質的に単結晶である材料を言う。基板１０は、ｎ型又はｐ型のいずれでもよい。第１硬質マスク２０は、半導体産業においては公知の標準技術を用いて、基板を覆って付着される。第１硬質マスク２０は、二酸化珪素フィルム、窒化珪素フィルム、金属フィルム、又はイオン注入に対して実質的に不浸透性であるその他の材料を含んでいてもよい。本発明の好適実施例においては、第１硬質マスク２０は二酸化珪素を含む。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、第１硬質マスク２０は、基板２０の第１部分１５を露出するように標準の半導体写真平版（photolithography）技術を用いて、パターン化される。

図３において、基板１０は、所定の放射線量及びエネルギでＨ＋イオン（プロトン）のイオン衝撃に曝されて、図４に示すように、所望の貫通深さ３０までの注入を達成する。貫通深さ３０は、イオン注入によってつくられつつある微細構造物の厚みを決定するか、代替として、イオン注入によってつくられつつある微細構造物の一部分の厚みを決定してもよい。本発明の一典型的実施例においては、Ｈ＋イオンの注入は、約１×１０^１６ｃｍ^−２から約７×１０^１６ｃｍ^−２までの範囲の放射線量及び約４０ｋｅＶから約８０ｋｅＶまでの範囲のエネルギによって実施される。本発明の好適実施例においては、約４×１０^１６ｃｍ^−２の放射線量及び約８０ｋｅＶのエネルギによって行われる。図４に示すように、次いで、第１硬質マスク２０は除去される。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第２硬質マスク４０は、基板１０を覆って付着され、イオン注入を受けた基板１０の第２部分４５を露出するように、標準の半導体写真平版技術を用いてパターン化される。本発明の一典型的実施例においては、第２硬質マスク４０は、イオン注入に露出された基板１０の第１部分１５の縁周りに基板１０を露出するように、パターン化されてもよい。代替として、第２硬質マスク４０はパターン化されてイオン衝撃（ion bombardment）に曝された基板１０の第１部分１５付近で基板１０の領域を露出して、続く腐食が側縁において基板１０の残部からイオン衝撃に曝された基板１０の第１部分１５を分離するように働く。このようにして、第２硬質マスク４０は、解放微細構造物が続いてつくられるように、適切にパターン化されてもよい。

図６において、基板１０は次いで所望の貫通深さ３０と少なくとも同じ大きさの基板深さまで腐食（etch）を受ける。腐食は、フッ化水素酸若しくはその他同類の流体等の湿式腐食、プラズマ等の乾式腐食、又は基板１０を腐食させるのに適した半導体産業において公知の任意の他の腐食でもよい。第２硬質マスク４０は基板１０から除去される。

図７において、基板１０は、次いで熱処理されて形成された微細構造物５０が貫通深さ３０において基板１０から分離又は剥離するようにされる。本発明の一典型的実施例においては、基板は窒素ガス内で約４００−６００℃、約１５分から１時間の焼鈍を受ける。理解されるように、水素イオンが基板から拡散及び飛散する温度及び時間以下に焼鈍温度及び時間を維持することが好ましい。本発明の好適実施例においては、基板１０は、窒素ガス内で約５００℃、約３０分の焼鈍を受ける。本発明の選択的実施例においては、基板１０は、周囲環境内で約２００−３００℃、約３０分間の低温焼鈍を先ず受け、続いて窒素ガス内で約５００℃、約３０分間焼鈍を受ける。

任意の格別な理論に限定されずに、水素イオンが上に与えられた範囲内で放射線量及びエネルギにおいて、（１００）格子を有する単結晶基板に埋め込まれたとき、水素イオンは、基板表面に平行な貫通深さにおける平面の周りに分布される泡を形成し始めると信じられる。熱処理のさいに、貫通深さにおける平面より上の基板層と基板残部との間に比較的欠陥のない剥離を含めて、泡が合体する。このような方法は、基板１０の単結晶格子と同様な単結晶格子を有する微細構造物５０をつくる。

上記実施例においては、硬質マスク４０は熱処理以前に取り除かれるけれども、基板１０は、硬質マスク４０が除去される以前に熱処理されてもよいことは、解るであろう。図１−７に示すように、解放微細構造物５０は、上述した方法において使用された硬質マスクのパターン化に基づいてつくられてもよい。このような解放微細構造物は、被微細構造ヒンジ、弁、歯車、ビーム、検査質量等の微細機器に用いられてもよい。

図８−図１３は、イオン注入を用いて、開放（freed）微細構造物を基板から形成するために、本発明の別の典型的実施例に基づく方法を示す。この方法は、図１を参照して上述した基板１０のような単結晶半導体基板を設けることによって開始する。第１硬質マスク６０は、半導体産業において公知の標準技術を用いて、基板１０を覆って付着される。第１硬質マスク６０は、図１を参照して上述した硬質マスク２０が構成される任意の材料を含んでいてもよい。図９Ａ及び図９Ｂにおいて、第１硬質マスク６０は、標準半導体写真平版技術を用いてパターン化されて、以下に詳述するように、開放微細構造物を続いて形成するのに適した基板１０の第１部分６５を露出する。

図１０を参照すると、基板１０は、次に所定の放射線量及びエネルギにおいてＨ＋イオンのイオン衝撃に曝されて、図１１に示すように、所望の貫通深さ７０まで注入を行う。貫通深さは、基板１０から解放される微細構造物の厚み、又は代替として熱処理により基板１０から分離される微細構造物の表面を決定してもよい。Ｈ＋イオンの注入は、図３及び図４を参照して上述した放射線量及びエネルギにおいて実行されてもよい。図１１に示すように、第１硬質マスク６０は次いで除去される。

図１２Ａ及び図１２Ｂにおいて、第２硬質マスク８０は基板１０を覆って付着され、標準の半導体写真平版技術を用いてパターン化されて、イオン注入を受けた基板１０の第２部分７５を露出する。本発明の一典型的実施例においては、第２硬質マスク８０はパターン化されて、イオン注入に露出された基板１０の第１部分６５の縁周りに基板１０を露出する。代替として、第２硬質マスク８０はパターン化されてイオン衝撃を受ける基板１０の第１部分６５付近の基板１０領域を露出して、続く腐食がイオン衝撃を受けた基板１０の第１部分６５を側縁において基板１０の残部から分離する働きをする。このようにして、第２硬質マスク８０は適切にパターン化されて、開放微細構造物が、次に詳述するように、続いてつくられる。基板１０は、所望の貫通深さ７０と少なくとも同じ大きさの基板深さまで腐食を受ける。

図１３において、基板１０は次に熱処理されて、貫通深さ７０において基板１０から分離又は剥離するように開放微細構造物を誘導する。図７を参照して上述した熱処理は、開放微細構造物９０をつくるように用いられてもよい。再び、基板１０から形成された微細構造物９０は、基板１０の格子と同じ単結晶格子を有する。上記実施例においては、第２硬質マスク８０は熱処理以前に除去されるけれども、基板１０は、硬質マスク８０が除去される以前に熱処理されてもよいことは、解るであろう。

本発明の更に別の典型的実施例においては、上述した方法が開放閉込微細構造物を形成するように使用されてもよい。このような微細構造物は、例えば、微細弁等の様々な機器をつくるように用いられてもよい。本発明のこの典型的実施例においては、図８から図１２Ｂまでを参照して上述した手順が完成されてもよい。図１２Ａ及び図１２Ｂを参照して述べたように、基板１０の腐食に続いて、フォトレジスト１００が基板に貼られ、半導体産業においては公知の標準の半導体写真平版技術を用いてパターン化されて、必要でない硬質マスクを露出する。露出された不要な硬質マスクは、図１４に示すように、基板１０から除去される。図１５において、フォトレジストが次に基板１０から除去される。

代替実施例（図示せず）においては、腐食以後に第２硬質マスク８０が基板１０から除去され、中間層が基板１０を覆って形成されてもよい。イオン衝撃に曝されなかった基板１０の領域は、次にマスクされ、又、イオン衝撃に曝された基板１０の領域を覆う中間層が除去される。マスクが除去されて、第２硬質マスク８０が示されている箇所に中間層が形成されることを除いて、図１５に示す構造と類似の構造を形成する。中間層は、第２硬質マスク８０が形成される任意の材料、又は開放閉込（feed, entrapped）微細構造物を形成するのに適した任意の他の材料を含んでいてもよい。

図１６において、第２材料層１１０が第２硬質マスク８０（又は上述したように、中間層）に接着される。第２材料層は、珪素若しくはゲルマニウム、又は珪素とゲルマニウムとの混合物から形成されたウエーハ、その他のエピタキシャル材料層、又は基板１０に接着するのに適した任意の他の材料層を含んでいてもよい。本発明の好ましい実施例においては、第２材料層１１０は第２硬質マスク８０に融解接着される。好適実施例においては、第２材料層１１０は、約６００℃から１２００℃までの範囲にある温度で、約１−５時間の熱処理によって第２硬質マスク８０に融解接着される。更に好適な実施例においては、約１×１０^−３ミリバールの真空をつくり、窒素ガス中で約１０００ニュートンの力を約３０秒間加え、窒素ガス中で約８００℃の温度、約３時間、焼鈍することによって、第２材料層１１０が第２硬質マスク８０に融解接着される。

上述したような高温接着工程が第２材料層１１０を第２硬質マスク８０に接着するために用いられるならば、高温接着は、図１７に示すように、貫通深さ７０において基板１０から分離又は剥離する開放閉込微細構造物１２０を生じる。代替として、第２材料層１１０を基板１０に接着した後に、基板１０は熱処理されて、開放閉込微細構造物１２０を誘導して、貫通深さ７０において基板１０から分離又は剥離させてもよい。図７を参照して上述した熱処理は、開放閉込微細構造物１２０をつくるように用いられてもよい。

再び、基板１０から形成された開放閉込微細構造物１２０は、基板１０の格子と同じ単結晶格子を有している。従って、一例として、基板１０は、比較的欠陥のない単結晶珪素から形成され、第２材料層１１０は比較的欠陥のない単結晶珪素から形成され、また、開放閉込微細構造物１２０は同様に比較的欠陥のない単結晶珪素から形成される。

上述した記載において、本発明は特定の実施例を参照して述べられた。しかし、当業者であれば種々の修正及び変更が特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸出せずになされうることは、解るであろう。従って、明細書及び図面は、限定的意味と言うよりはむしろ事例として認識されるべきであり、全てのこのような修正は本発明の範囲内に含まれるように意図されている。

本発明の１実施例による解放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の１実施例による解放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の１実施例による解放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の１実施例による解放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の１実施例による解放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の１実施例による解放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の１実施例による解放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の別の実施例による開放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の別の実施例による開放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の別の実施例による開放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の別の実施例による開放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の別の実施例による開放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の別の実施例による開放微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の１実施例による開放閉込微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の１実施例による開放閉込微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の１実施例による開放閉込微細構造物の形成の図解的断面図。 本発明の１実施例による開放閉込微細構造物の形成の図解的断面図である。

Claims (11)

1. 基板から微細構造物を形成する方法であって、（１００）配向を有する単結晶基板を設ける段階、イオン注入を所望貫通深さまで行うように前記基板の第１部分をイオン衝撃に曝す段階、前記基板の第２部分を前記所望貫通深さと少なくとも同じ程度の深さまで腐食させる段階、及び前記基板を熱処理して前記基板の第１表面に微細構造物を形成し且つ該微細構造物と前記基板との間に少なくとも部分的分離を生じさせる段階を含む方法。
2. 前記基板の前記第２部分は前記基板の前記第１部分の少なくとも一部を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記曝す段階の前に前記基板に第１パターン化硬質マスクを形成する段階を更に含む請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記曝す段階の後に前記第１パターン化硬質マスクを除去する段階を更に含む請求項３に記載の方法。
5. 前記腐食させる段階の前に前記基板に第２パターン化硬質マスクを形成する段階を更に含む請求項４に記載の方法。
6. 前記腐食させる段階の後に前記第２パターン化硬質マスクを除去する段階を更に含む請求項５に記載の方法。
7. 前記基板は、単結晶珪素及び単結晶ゲルマニウムのうち少なくとも１つを含む請求項１に記載の方法。
8. 前記第１パターン化硬質マスク及び／又は前記第２パターン化硬質マスクは、二酸化珪素、窒化珪素、及び金属のうちの１つを含む請求項３又は５に記載の方法。
9. 前記基板の前記第１部分から前記第２パターン化硬質マスクを除去する段階を更に含む請求項５に記載の方法。
10. 前記熱処理する段階の前に材料層を前記第２パターン化硬質マスクに接着する段階を更に含む請求項９に記載の方法。
11. 前記腐食させる段階の後で且つ前記熱処理する段階の前に、前記第２パターン化硬質マスクを除去する段階、前記基板の前記第１部分を除いて該基板を覆う第１材料層を形成する段階、及び第２材料層を前記第１材料層に接着する段階を更に含む、請求項５に記載の方法。

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