JP2006515432A - 金属酸化物を有する自己整列構造の方法及びマスクレスの製造 - Google Patents

Abstract

本発明は、追加のリソグラフィック処理ステップを必要とせずに、酸化アルミニウム構造を有するマイクロデバイスを製造する方法を説明している。それ故に、追加のマスクは必要ない。ある環境下において、酸化アルミニウムの壁は、エッチング処理において、下にある金属構造の傾斜した壁のすぐ上に現れることが明らかである。これら金属構造の壁が傾斜しているという事実は、ここで不可欠である。本発明による方法を用いて、金属構造の傾斜した壁の上に正確に調整される酸化アルミニウム構造が製造される。これら調整された酸化アルミニウム構造は例えば、微細流体流路、マイクロウェッティングディスプレイ、電気泳動ディスプレイ又はＦＥＤ(field emitting display)における壁として使用される。

Description

本発明は基板上に例えば半導体デバイスのようなマイクロデバイスを製造する方法に関する。

半導体製造において、酸化アルミニウム（アルミナ）のウェットエッチング(wet etching)は、燐酸(H₃PO₄)のようなウェットエッチング化学薬品又はKOH、NaOH又はCa(OH)₂のようなホットな強塩基(hot strong base)を用いて行われる。サンプル上にある構造を製造するために、選択的に形成されるフォトレジスト層は、酸化アルミニウムをエッチングする前に、前記サンプル上の特定エリアをマスキングするのに用いられ、これは例えば米国特許番号US3,935,083に見られる。

この選択的に形成されるフォトレジスト層はリソグラフィック処理を用いて製造され、この処理でフォトレジストは硬化する。その後、硬化していないフォトレジストはストリッピング処理で除去される。このリソグラフィック処理中、前記サンプル上においてマスクが整列されなければならない。このマスクの不正確な整列が誤った位置に造形を製造してしまう。

本発明の目的は、現在知られている方法よりも少ないリソグラフィック処理ステップを用いて、デバイスの酸化アルミニウム層に構造を製造することである。これにより、本発明は、基板上にデバイスを製造する方法に関し、
・基板上に厚さｘの金属層を堆積させるステップと、
・レジスト層を堆積させるステップと、
・リソグラフィック技術を用いて、レジスト層をパターニングし、負の(negative)傾斜を備えるレジストパターンにするステップと、
・ガルヴァーニ処理(galvanic process)を用いて金属を堆積させるステップと、
・前記レジストパターンを除去するステップと、
・前記金属及び金属層をスパッタエッチング(sputter etching)して、前記金属層を除去し、傾斜した側壁を備える金属構造を提供するステップと、
・金属酸化物、特に酸化アルミニウムの第１の層を堆積させるステップと、
・金属構造の上にある酸化アルミニウムが既定の厚さ残るまで、酸化アルミニウムの第１の層をエッチングすることにより、前記金属構造の傾斜した側壁の上に自己整列される構造を形成するステップと、
を有する。

本発明による方法を用いる場合、金属酸化物、特に酸化アルミニウム構造は、追加のリソグラフィック処理ステップを必要とすることなく、容易に製造されることができる。その上、金属酸化物構造、特に酸化アルミニウム構造は、金属構造の側壁の上に完璧に整列される（すなわち自己整列）。

実施例において、本発明は上述した方法に関し、金属酸化物、例えば酸化アルミニウムの第１の層を堆積させることは、
・金属酸化物、特に酸化アルミニウムの第１の層の上に不透過フィルムを堆積させるステップと、
・この不透過フィルムの上に金属酸化物、例えば酸化アルミニウムの第２の層を堆積させるステップと、
・全ての不透過フィルムが除去されるまで、金属酸化物、例えば酸化アルミニウムを研磨するステップと、
が直に続くことを特徴とする。

これら３つのステップを挿入することにより、金属酸化物、例えば酸化アルミニウム層の表面が平坦化される。既に上述した後続するステップは、金属酸化物、例えば酸化アルミニウムの表面が、下に金属構造を備えたエリアと備えていないエリアとが同じ高さ（レベル）になるデバイスとなる。これは、他のリソグラフィック処理が続く場合に有用である。

他の実施例において、前記方法は、酸化アルミニウムの第１の層を堆積させる前に、酸化物層が金属構造の部分間にある間隙を埋めるように酸化物層が堆積することを特徴とする。このようにして、電極の接合部における壁が避けられ、結果として閉塞のない、連続した流路が作成される。

実施例において、前記方法は、前記デバイスが反射型のエレクトロウェッティング(electrowetting)又は電気泳動ディスプレイであることを特徴とする。

さらに他の実施例において、前記方法は前記デバイスがＦＥＤ(Field Emitting Device)であることを特徴とする。

本発明は、微細流体(microfluidic)デバイス、マイクロウェッティングディスプレイ、電気泳動ディスプレイ及び上述した個々の方法により製造されるＦＥＤにも関連する。

以下に、本発明は幾つかの図を参照して説明され、これは単に説明を目的としていて、これら図に規定されるような保護範囲に制限されない。

本発明は、傾斜した銅構造の上にある酸化アルミニウムを別々にエッチング及び研磨動作する実験的観測に基づいている。この効果は以下の処理ステップ、
１．傾斜した側壁を持つ銅構造が形成されるステップ（厚さ４μｍ、幅５から１０μｍ）、
２．これら銅構造は厚さ１０μｍの酸化アルミニウムにより被覆されるステップ、
３．その後、この酸化物を化学的／機械的に研磨され、平坦な基板にするステップ、
４．前記銅の上にある酸化物の残りの厚さが１から２μｍとなるまで、前記酸化物がエッチングされるステップ、
の後に見られる。

ステップ４の後、エッチングされない部分（ピラー）の出現が、銅構造の側壁が傾斜した位置において正確に観測される。ピラーの出現を説明する前に、堆積した酸化アルミニウムに関する重要なことを最初に以下に論じる。

前記酸化物は、化学量論的な(stoichometric)Al₂O₃ターゲットからスパッタリングすることにより堆積する（このスパッタリング条件は表１にリストにされる）。

薄いフィルムの成長及び構造は多数のパラメタに依存している。最も重要なことは、堆積技術、堆積速度、幾何学的形状、汚染、解離、粒子エネルギー、基板前処理及び基板温度である。明らかに、ゆっくりとしたエッチングの観測される効果は、幾何学的形状によるものである。傾斜した壁があることで、スパッタリング中に幾何学的形状の効果を生じさせる。これら傾斜した壁により、入ってくるスパッタリングされた原子に対する入射角に違いがある。通常の入射角から外れることは、核発生及び後続する成長に影響する、基板における指向移動性の効果を導入する。これは、フィルム構造（非結晶又は液晶）、フィルム組成(Al₂O_3-x)、フィルム多孔性又はフィルムの応力に効果を次々と有する。これら因子全ては形成されるフィルムのエッチング速度を生じさせる。スパッタリングパラメタ及び薄いフィルムの成長の影響を詳細に説明した処理は、R.W. Berry、P.M. Hall及びM.T. Harris著、”Thin Film Technology” Princeton, NY, 1968と、R. Niedermayer及びH. Mayer著、”Basic Problems in Thin Film Physics” Gottingen, 1966に見ることができる。

本発明による方法において、傾斜した壁上に形成される酸化アルミニウムは、基板及び銅構造の平坦部上にある酸化物よりもゆっくりとエッチングする。上述したことから、可能な説明の１つは、化学量論的組成比(stoichometry)における違いである。実験的に、ストイキオメトリックAl₂O₃は、低いエッチング速度である一方、表１に挙げられる処理パラメタの下で基板上で成長する酸化アルミニウムは、H₃PO₄(100nm/分)において高いエッチング速度である。実験的に見られる効果に対する可能な説明は通常、スパッタリングされたフィルムが０＜ｘ＜１であるAl₂O₃から成る一方、傾斜した壁上に形成される酸化物はAl₂O₃に似ていることである。

以下のように、本発明による方法は幾つかの実施例により説明される。

図１において、本発明の方法による金属基板を製造する幾つかのステップ中のデバイスの断面を示す。最初に、図１ａを参照すると、ｘｎｍの厚さを持つ薄い金属層２（すなわち“めっきベース”）が絶縁基板１上に堆積（スパッタリング）する。故に、ｘは約２００から３００ｎｍである。次に、図１ｂを参照すると、従来のリソグラフィック技法を用いて、前記薄い金属層２の上にレジストパターン３が形成される。レジストパターン３の傾斜３３はここで負であることが不可欠である。その後、図１ｃを参照すると、金属パターン４’がガルバーニ処理を用いて製造される。このガルバーニ処理は、前記金属パターン４’の厚さが前記レジスト３の厚さに達する前に止められる。次に、図１ｄを参照すると、レジスト３が除去され、その後、薄い金属層２及び金属パターン４’からなる少なくともｘｎｍがスパッタエッチングにより除去される。これを行うことにより、基板１上のめっきベース２が除去され、厚さＤの金属構造４が作成される。前記薄い金属層２が依然として金属構造４の下に存在していることに注意されたい。好ましくは、この薄い金属層２及び金属構造４は、例えば銅のような同じ金属からなる。レジスト３の負の傾斜の結果として、傾斜した側壁４４を備える金属構造４が作成される。

図２は金属構造４及び基板１の上に酸化アルミニウム１３を堆積させた後のデバイスを示す。以下において、図１におけるような薄い金属層２はもはや示されない。次のステップにおいて、前記デバイスは例えばAl₂O₃のようなウェットエッチング槽(wet etchant bath)を用いてエッチングされる。この結果が図３に示される。残っている酸化アルミニウム層１４において、金属構造４の傾斜した側壁４４の真上に壁１５が形成される。これは上述したように、ゆっくりとしたエッチング速度によるものである。壁１５の頂部と、金属構造４の平坦部を覆っている酸化物の上面との間の高さの差はｈと呼ばれる。この高さｈを得るために、ｄ≧ｈである少なくとも厚さｄが堆積しなければならない。

本発明の他の実施例において、前記方法は酸化アルミニウムを堆積させるステップのすぐ後に、さらに３つのステップを有する。この実施例において、酸化アルミニウム１６は金属構造４の上に堆積する。この実施例において、酸化アルミニウム１６の厚さは、金属構造４の厚さＤよりも大きい、すなわちｄ’＞０においてＤ＋ｄ’である。図４は酸化アルミニウム１６を堆積させた後のデバイスの断面図を示す。図２の酸化アルミニウム層１３の厚さｄに比べ、図４の酸化アルミニウム層１６の厚さ（Ｄ＋ｄ’）は大きく、例えば８μｍである。次いで、次のステップにおいて、例えばモリブデンのような薄い不透過フィルム１７が酸化アルミニウム１６の上に堆積する。次に、薄いアルミニウム層１８がこの不透過フィルム１７の上に堆積する。その結果が図５に示される。

不透過フィルム１７は、全ての不透過フィルム１７が除去されるまで酸化アルミニウム１６を研磨するための光学用ツールとして機能する。これが図６に見られるような平坦な酸化アルミニウム１９にする。酸化アルミニウム１６を研磨した後、前記デバイスは、ウェットエッチング槽を用いてエッチングされる。この結果の断面図が図７に示される。図７は、金属構造４の傾斜する側壁４４の真上に酸化アルミニウムの壁２１を有する酸化アルミニウム層２０を示す。

本発明の実施例において、金属構造４は少なくとも２つの電極を有する。図８は、２つの分離する電極１２０、１２１の上面図を示す。分離する電極にバイアスを別々にかけなければならない場合、これら電極間に僅かな間隙１３０が必要とされる（図８参照）。好ましくは、この間隙１３０の幅ｇは、電極１２０、１２１の幅ｗ及び厚さＤよりもかなり小さい（図７及び図８参照）。実施例において、自己整列構造１５、２１は微細流体デバイスにおける微細流体流路の側壁を形成する。電極１２０、１２１は、個々の電極１２０、１２１の上に製造される微細流体流路において流体を制御するのに用いられる。この場合、酸化アルミニウム壁１５、２１は微細流体流路の側壁として機能する。しかしながら、上述した方法における如何なる追加の処理ステップも用いないと、１つ（又は２つ）のエッチングしていない酸化アルミニウム壁が間隙１３０に生じ、電極１２０及び１２１の上に製造される２つの流路を分離してしまう。本発明の実施例において、この問題は、平坦化効果を持つ、例えばSiONのような追加の酸化物１２２を加えることにより解決される。図９ａ、９ｂ及び９ｃは、製造工程の３つの段における図８のＩＸ−ＩＸ線での２つの電極１２０、１２１間の間隙１３０の断面図を示す。図９ｂは間隙１３０を塞ぎ、電極１２０、１２１を覆う前記追加の酸化物１２２を示す。図９ｃは酸化アルミニウム層１２４をスパッタリングした後のデバイスを示す。図１０ａ、１０ｂ及び１０ｃは製造工程の３つの段における図８のＸ−Ｘ線での電極１２０、１２１の一方の断面図を示す。図１０ｂに見られるように、酸化物層１２２は、電極１２０の側壁となるように傾斜している（傾斜壁１２５参照）。この傾斜した酸化物は、追加の酸化物１２２を持たない電極１２０、１２１の傾斜した側壁と同じ効果を壁形成処理に持つ。これは、（図示しないが、図３の壁１５に似ている）酸化アルミニウム壁が、酸化アルミニウム層１２４の一部をエッチングした後、傾斜した壁１２５の上に発生する。電極１２０、１２１の間の距離ｇが電極の幅ｗよりもかなり小さいので、間隙１３０の側壁において被覆酸化物１２２からなる側壁も傾斜し、流路の軸方向における酸化アルミニウム壁の適切な接続がもたらされる。

２つ以上の電極からなる接合に対しても同じ方法が利用されることができる。前記金属間の間隙１３０が電極１２０、１２１の幅ｗよりもかなり小さい限り、酸化物１２２は間隙１３０を塞ぐ。

図１１は、上述したステップを用いて作成された４つの電極２０１、２０２、２０３、２０４の接合を示す。図１２は本発明に従って、酸化アルミニウムの一部をエッチングした後の電極２０１、２０２、２０３、２０４の上にある酸化アルミニウム層における結果として生じる壁２１０を示す。これら壁２１０は２つの（微細流体）流路２１１及び２１２の交差点を形成する。

上述した微細流体流路は、例えば微細流体デバイスにおいて、小規模に液体を選択、修正及び分析するのに用いられる。上記デバイスの実施例は、いわゆる“ラボオンチップ(Lab-on-a-chip)”システムであり、A. Manz、N. Graber及びH.M. Widmer著、“Miniaturized total chemical analysis systems: A novel concept for chemical sensing”Sensors and Actuators B1, pg. 244-248 (1990)を参照し、これはＰＯＣＤ(Point of care diagnostics)に用いられる。これらアプリケーションにおいて、液体を移動させるための電気手段（例えばエレクトロウェッティング、電気浸透）がしばしば予想される。本発明の場合、電極１２０、１２１及び流路は単独のマスキングステップを用いて製造されることができる。前記流路が前記エッチング処理で形成された後、ガラス又はポリマープレートがサンプルの上に置かれ、密閉された流路を作成する。前記ガラス又はポリマープレートを酸化インジウム錫（ＩＴＯ）で均一に覆うことも可能であるため、これが基準電位（例えば接地電位）を規定するのに使用することができる。このアプリケーションにとって、電極間の小さな間隙を絶縁体で塞ぐ処理が不可欠である。これが達成される場合、連続する流路がセグメント化された電極の側面に規定され、適切なセグメントに正確なバイアスを印加することにより流体が移動可能である。

本発明のさらに他の実施例において、金属構造は、反射型のエレクトロウェッティング又は電気泳動ディスプレイに使用するための複数の分離した電極１２０、１２１を有する。エッチングした後、分離した電極は、スイッチング可能な媒体を閉じ込めることができるAl₂O₃のピクセル壁により包囲されている。この原理の恩恵を受ける上記ディスプレイの実施例は、前記スイッチング媒体がオイル／水のスタックである反射型のエレクトロウェッティングディスプレイである。他のディスプレイの原理、例えば電気泳動ディスプレイもまた本発明の恩恵を受けてよい。

最後に、本発明はＦＥＤ(field emitting display)においてピクセルを規定するのに用いられる。

このようなデバイスに対し、非常に小さな平坦な表面を備える密接して置かれる電極構造１２０、１２１が製造される（図１３ａ参照）。これら電極構造１２０、１２１は酸化アルミニウム層により被覆される。次に、電極４上の酸化アルミニウム層は、エッチングしていないピラー３０３以外、完全に除去される（図１３ｂ参照）。次に、スパッタリング又は蒸着技法として、ピラー３０３の先端及び外側の側壁、並びに電極１２０、１２１の上にだけ置かれるように導電層が堆積する（図１３ｃ参照）。ピラー３０３上に置かれた導電層３０４はＦＥＤのゲート３０４として働く。これらＦＥＤのゲート３０４は、電極１２０、１２１の上にある導電層部分３０５から空間的に分離され、この導電層部分はＦＥＤのエミッタとして働く。この分離が例えばマスクの堆積を用いることにより達成されるが、他の方法も同様に可能である。

ＦＥＤにおいて、これら電極を電圧源に接続することを可能にするために、ＦＥＤのゲート３０４が接続される。可能な電極構造が図１３ｄに示され、この図はＦＥＤの電極３０４、３０５の上面図を示す。この形状は、導電層及びピラー３０３の外側の側壁を堆積させることにより製造されるが、ｘ方向にのみである（図１３ｃ及び１３ｄ参照）。構成されるデバイスの表面上にラインが現れ、ピクセル毎に１つ又は多数のラインでアドレッシングする受動マトリックスを可能にする。

図１３ｄに示される構造は、単なる実施例であり、多くの他の構成が同様に可能であることが明白であるべきである。結果として、放射型構造(emitting structure)（本来の電極１２０、１２１）及びピラー３０３の上にあるゲート３０４が作成される。平坦な電極１２０、１２１は場の増大を示さず、従ってさらに高い電圧を必要とする。電極１２０、１２１が非常に小さく作られた場合、前記場の増大が場合によっては維持される。その上、小さな構造に対し、この構造がピクセル毎に多数の放射型構造を用いることができ、これはディスプレイを横断するピクセルの改善された均一さとなる。

本発明が好ましい実施例と関連付けて記載される一方、上述した原理内における本発明の修正が当業者には明白であり、これにより本発明が好ましい実施例だけに限定されるのではなく、上記修正も含むことを意味していると理解される。

本発明の方法による金属構造を製造した後のデバイスの断面図。 本発明の方法による金属構造を製造した後のデバイスの断面図。 本発明の方法による金属構造を製造した後のデバイスの断面図。 本発明の方法による金属構造を製造した後のデバイスの断面図。 本発明の第１の実施例による金属構造の上にｄｎｍの酸化アルミニウムを堆積させた後のデバイスの断面図。 本発明の方法による酸化アルミニウムをエッチングした後のデバイスの断面図。 本発明の第２の実施例による金属構造の上に酸化アルミニウムを堆積させた後のデバイスの断面図。 本発明の第２の実施例による厚い酸化アルミニウム層の上に不透過層と薄い酸化アルミニウム層とを堆積させた後のデバイスの断面図。 前記不透過層の全てがちょうど無くなるまで前記デバイスを研磨した後のデバイスの断面図。 本発明の方法による酸化アルミニウムをエッチングした後のデバイスの断面図。 ２つの分離した電極の上面図。 本発明の実施例による、電極の上に追加の酸化物層と、厚い酸化アルミニウム層とを堆積させる間、デバイスの２つの電極間にある間隙の第１の方向からの３つの断面図。 本発明の実施例による、電極の上に追加の酸化物層と、厚い酸化アルミニウム層とを堆積させる間、デバイスの２つの電極間にある間隙の第１の方向からの３つの断面図。 本発明の実施例による、電極の上に追加の酸化物層と、厚い酸化アルミニウム層とを堆積させる間、デバイスの２つの電極間にある間隙の第１の方向からの３つの断面図。 本発明の実施例による、前記電極の上に追加の酸化物層と、厚い酸化アルミニウム層とを堆積させる間、デバイスの２つの電極間にある間隙の第２の方向からの３つの断面図。 本発明の実施例による、前記電極の上に追加の酸化物層と、厚い酸化アルミニウム層とを堆積させる間、デバイスの２つの電極間にある間隙の第２の方向からの３つの断面図。 本発明の実施例による、前記電極の上に追加の酸化物層と、厚い酸化アルミニウム層とを堆積させる間、デバイスの２つの電極間にある間隙の第２の方向からの３つの断面図。 ４つの電極との接合部を有する金属構造の上面図。 本発明による方法の実施例から生じる、図１１の接合部の上にある流路の上面図。 酸化アルミニウムをエッチングした後に堆積する追加の金属層を持ち、上の電極と下の電極とは電気的に接続されていない、本発明により製造されるデバイスの断面図及び上面図。 酸化アルミニウムをエッチングした後に堆積する追加の金属層を持ち、上の電極と下の電極とは電気的に接続されていない、本発明により製造されるデバイスの断面図及び上面図。 酸化アルミニウムをエッチングした後に堆積する追加の金属層を持ち、上の電極と下の電極とは電気的に接続されていない、本発明により製造されるデバイスの断面図及び上面図。 酸化アルミニウムをエッチングした後に堆積する追加の金属層を持ち、上の電極と下の電極とは電気的に接続されていない、本発明により製造されるデバイスの断面図及び上面図。

Claims (13)

1. 基板上にデバイスを製造する方法において、
   −前記基板上に厚さｘの金属層を堆積させるステップと、
   −レジスト層を堆積させるステップと、
   −リソグラフィック技術を用いて、前記レジスト層をパターニングし、負の傾斜を備えるレジストパターンにするステップと、
   −ガルヴァーニ処理を用いて金属を堆積させるステップと、
   −前記レジストパターンを除去するステップと、
   −前記金属及び前記金属層をスパッタエッチングして、前記金属層を除去し、傾斜した側壁を備える金属構造を提供するステップと、
   −金属酸化物、特に酸化アルミニウムの第１の層を堆積させるステップと、
   −前記金属構造の上にある金属酸化物が既定の厚さ残るまで、前記金属酸化物の前記第１の層をエッチングすることにより、前記金属構造の前記傾斜した側壁の上に自己整列される構造を形成するステップと、
   を有する方法。
2. 前記酸化アルミニウムの前記第１の層を堆積させることは、
   −前記酸化アルミニウムの前記第１の層の上に不透過フィルムを堆積させるステップと、
   −前記不透過フィルムの上に酸化アルミニウムの第２の層を堆積させるステップと、
   −全ての不透過フィルムが除去されるまで、前記酸化アルミニウムを研磨するステップと、
   が直に続くことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記酸化アルミニウムの前記第１の層を堆積させる前に、酸化物層が前記金属構造の部分間にある間隙を埋めるように前記酸化物層が堆積することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記酸化物層はSiONを有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記金属構造は、前記デバイスの電極を少なくとも２つ有し、前記少なくとも２つの電極が当該少なくとも２つの電極間にある間隙を規定していることを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の方法。
6. 前記自己整列構造は、微細流体デバイスにおける微細流体流路の側壁を形成することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法。
7. 前記金属構造は複数の分離した電極を有することを特徴とする請求項１、２又は５に記載の方法。
8. 前記デバイスは反射型のエレクトロウェッティング又は電気泳動ディスプレイであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記デバイスはＦＥＤであり、前記分離した電極の上にある前記酸化アルミニウムの全てが無くなるまで前記酸化アルミニウムの前記第１の層がエッチングされる方法であり、さらに、
   −電気的に分離されたゲート及びエミッタが作成されるように、前記自己整列構造の上及び外側の側壁、並びに前記分離した電極の上に導電層を堆積させるステップ、
   を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 請求項６に記載の方法を用いて製造される微細流体デバイス。
11. 請求項７に記載の方法を用いて製造されるエレクトロウェッティングディスプレイ。
12. 請求項７に記載の方法を用いて製造される電気泳動ディスプレイ。
13. 請求項９に記載の方法を用いて製造されるＦＥＤ。

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