JP2007187911A - 微小光デバイスの作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単結晶シリコン層のドライエッチングにおけるサイドエッチングを抑制してエッチング側壁面の面位置精度の向上を図れるようにする。
【解決手段】ＳＯＩ基板１０の単結晶シリコン層１３上にマスク層４１を形成し、ミラー面２６ａを単結晶シリコン層１３の（１００）面に一致させてミラー２６及びミラー以外の構造物の側壁面及びそれら側壁面のうち、選択された側壁面と対向する側壁面を有する犠牲構造物４３の側壁面を規定するパターンをマスク層４１にパターニングしてマスク４２，４２′を形成し、マスク４２，４２′によりマスクされていない単結晶シリコン層１３を絶縁層１２が露出するまでガス反応性のドライエッチングによって除去し、単結晶シリコンに対する異方性ウェットエッチングにより側壁面のうちの（１００）面に一致する面を平滑化すると同時に犠牲構造物４３をエッチング除去し、ミラー面２６ａに高反射率の金属を被覆形成する。
【選択図】図２

Description

この発明は単結晶シリコン基板上にミラー及びその他の構造物を備え、例えばミラーを利用して光路の切り替えや光量調節を行うことができる微小光デバイスの作製方法に関する。

図３及び４はこの種の微小光デバイスの一構成例として特許文献１に記載されている光スイッチの構成を示したものであり、図３は平面図であり、図４Ａ〜Ｃはその断面構造を示す。
この例では光スイッチは図４に示したように単結晶シリコン基板１１の上にシリコン酸化膜よりなる絶縁層１２を介して単結晶シリコン層１３が形成されてなるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１０を使用して形成されている。
単結晶シリコン基板１１上には単結晶シリコン層１３及び絶縁層１２を除去することによって４本のファイバ溝２１が十字状をなすように形成されており、これらファイバ溝２１によって単結晶シリコン層１３は４分割され、その４分割された領域のうちの一つが駆動体形成部２２とされている。なお、図３は各ファイバ溝２１に光ファイバ１〜４が挿入され、位置決め配置された状態を示している。

駆動体形成部２２にはこれを２分するように、４本のファイバ溝２１が交差する中心部２１ｃと連通してロッド溝２３が形成され、さらにそのロッド溝２３の他端と連通して凹部２４が形成されている。ロッド溝２３には可動ロッド２５が位置し、この可動ロッド２５の中心部２１ｃ側の一端にミラー２６が設けられている。可動ロッド２５の他端側は凹部２４内に延長されており、凹部２４内において可動ロッド２５の２箇所の各両側にヒンジ２７ａ〜２７ｄが連結されている。可動ロッド２５はこれらヒンジ２７ａ〜２７ｄによってその延長方向に移動自在に凹部２４を囲むアンカー部２８に支持されている。

凹部２４内においてヒンジ２７ａ，２７ｂと２７ｃ，２７ｄとに挟まれた領域に櫛歯型静電アクチュエータが設けられ、その可動櫛歯電極３１が可動ロッド２５の両側にそれぞれ連結されている。可動櫛歯電極３１は可動ロッド２５の延長方向、両側にそれぞれ櫛歯を有するものとされ、可動櫛歯電極３１に対し、ヒンジ２７ｃ，２７ｄ側とヒンジ２７ａ，２７ｂ側とに第１固定櫛歯電極３２及び第２固定櫛歯電極３３がそれぞれ設けられている。
上記のような構成において、可動ロッド２５、ミラー２６、ヒンジ２７ａ〜２７ｄ及び可動櫛歯電極３１は可動部をなし、それらの下部に位置する絶縁層１２は除去されて単結晶シリコン基板１１に対し、浮いた状態となっている。一方、第１、第２固定櫛歯電極３２，３３及びアンカー部２８は固定部であって、絶縁層１２を介して単結晶シリコン基板１１上に固定されている。

これら単結晶シリコン層１３によって形成された可動部及び固定部、言い換えればミラー２６とミラー２６以外の構造物の各側壁面はすべて単結晶シリコン基板１１の板面と垂直とされており、さらにミラー２６の側壁面のうち、ミラー面２６ａをなす両側面は単結晶シリコン層１３の（１００）面と一致されている。なお、単結晶シリコン層１３の上面１３ａは（１００）面とされている。
この光スイッチの初期状態（第１安定状態）においてはミラー２６は図３に示したように中心部２１ｃに挿入されており、この時、例えば光ファイバ１から出射された光はミラー２６によって反射されて光ファイバ３に入射され、同様に光ファイバ２から出射された光はミラー２６によって反射されて光ファイバ４に入射される。

可動ロッド２５、ヒンジ２７ａ〜２７ｄを介して可動櫛歯電極３１と電気的に接続されているアンカー部２８及び第２固定櫛歯電極３３をアースした状態で第１固定櫛歯電極３２に電圧を印加すれば、第１固定櫛歯電極３２と可動櫛歯電極３１との間に静電吸引力が働き、その力が第１安定状態の保持力よりも大きい場合、ヒンジ２７ａ〜２７ｄは第２安定状態へと反転し、電圧の印加を絶ってもその状態で自己保持される。この時、ミラー２６は図５に示したように中心部２１ｃから退避した状態となり、光ファイバ１，２からの各出射光は光ファイバ４，３にそれぞれ入射される。

一方、アンカー部２８及び第１固定櫛歯電極３２をアースした状態で第２固定櫛歯電極３３に電圧を印加すれば、第２固定櫛歯電極３３と可動櫛歯電極３１との間に静電吸引力が働き、その力が第２安定状態の保持力よりも大きい場合、ヒンジ２７ａ〜２７ｄは再び第１安定状態へと戻り、このようにして光路切り替えが行われるものとなっている。なお、第１又は第２固定櫛歯電極３２又は３３と可動櫛歯電極３１との間にそれぞれ電圧を印加するには、例えば第１、第２固定櫛歯電極３２，３３にそれぞれボンディングワイヤを接続しておき、これらボンディングワイヤとアンカー部２８との間に電圧を印加するようにすればよい。

図６は上述した光スイッチの、特許文献１に記載されている作製方法（作製工程）を示したものであり、図６は各工程における図３のＡＡ断面を示している。
図６Ａに示したようにＳＯＩ基板１０の単結晶シリコン層１３上にマスク層４１を形成する。マスク層４１はシリコン酸化膜とされる。
単結晶シリコン層１３によって形成する可動部及び固定部の形状を、つまり側壁面を規定するパターンをフォトリソグラフィによりマスク層４１にパターニングして図６Ｂに示すようにマスク４２を形成する。この際、ミラー２６のミラー面２６ａが単結晶シリコン層１３の（１００）面となるようにパターニングする。

次に、例えばＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）を用いたガス反応性のドライエッチングにより、マスク４２によってマスクされていない単結晶シリコン層１３を図６Ｃに示したように絶縁層１２が露出するまで、単結晶シリコン基板１１の板面に対し、ほぼ垂直にエッチングする。
このエッチングによって形成された側壁面を含む単結晶シリコン層１３の表面を洗浄した後、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液に浸し、単結晶シリコンに対する異方性ウェットエッチングにより単結晶シリコン層１３の側壁面をわずかにエッチングする。

その後、フッ化水素酸（ＨＦ）溶液に浸し、絶縁層１２を選択的にエッチングする。この時のエッチング時間は可動ロッド２５やミラー２６、ヒンジ２７ａ〜２７ｄ、可動櫛歯電極３１などの可動部の下に位置する絶縁層１２は完全に除去され、固定部の下には絶縁層１２がその周縁のわずかな部分が除去されるのみで残る時間とする。なお、この際、マスク４２も同時にエッチング除去され、図６Ｄに示した状態となる。
最後に、ミラー面２６ａとする面に高反射率を有する金属を例えばスパッタにより被覆形成することにより光スイッチが完成する。

上記のような作製方法では、単結晶シリコン層１３に対し、ドライエッチングを行った状態ではそのエッチング側壁面はシリコン結晶方位によらない無秩序な方向を向いた（高次の面によって構成された）凸部の集合とみなせる荒れた面となっているものの、続く水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液を用いた異方性ウェットエッチングによりエッチングレートの速い高次の面が素早くエッチングされ、かつミラー面２６ａは（１００）面に一致されているため、ミラー面２６ａを凹凸が１０ｎｍオーダ以下の極めて平滑な面とすることができるものとなっている。
特開２００５−１０７１８０号公報

ところで、上述したような作製方法においては、単結晶シリコン層１３に対する垂直深掘りのガス反応性ドライエッチングにおいて、サイドエッチングの発生は避けられず、サイドエッチングによって側壁面の位置が所望の位置から後退する（ずれる）といった状況が発生するものとなっており、特にミラー面等、高精度の面位置を必要とする側壁面におけるこのような面位置の後退は性能を大きく損なうものとなっていた。
この発明の目的はこの問題に鑑み、高精度の面位置が要求される側壁面の面位置精度を従来に比し、向上させることができる微小光デバイスの作製方法を提供することにある。

請求項１の発明によれば、単結晶シリコン基板上にミラーとミラー以外の構造物とを備え、それらミラー及び構造物の側壁面はすべて単結晶シリコン基板の板面と垂直とされている微小光デバイスの作製方法は、単結晶シリコン基板上に絶縁層を介して単結晶シリコン層が形成されてなるＳＯＩ基板の単結晶シリコン層上にマスク層を形成し、ミラーの側壁面のうち、ミラー面をなす面を単結晶シリコン層の（１００）面もしくは（１１１）面に一致させて、ミラー及び構造物の側壁面及びそれら側壁面のうち、選択された側壁面と平行対向する側壁面を有する犠牲構造物の側壁面を規定するパターンをフォトリソグラフィによりマスク層にパターニングしてマスクを形成し、そのマスクによりマスクされていない単結晶シリコン層を絶縁層が露出するまでガス反応性のドライエッチングによって除去し、単結晶シリコンに対する異方性ウェットエッチングにより、上記ドライエッチングによって形成された側壁面のうちの（１００）面もしくは（１１１）面に一致する面を平滑化すると同時に、上記犠牲構造物をエッチング除去し、ミラー面とする面に高反射率を有する金属を被覆形成することを特徴とする。

請求項２の発明では請求項１の発明において、上記選択された側壁面と犠牲構造物の側壁面との対向間隔を、ミラー及び構造物の平行対向する特定の側壁面間の対向間隔と一致させる。

この発明によれば、犠牲構造物を設けることによって単結晶シリコン層に対する垂直深掘りのドライエッチングにおけるサイドエッチングの進行を抑制することができ、ドライエッチング側壁面の面位置精度を向上させることができる。従って、例えばミラー面のような高い面位置精度を必要とする側壁面に平行対向させて犠牲構造物を設けるようにすれば、ミラー面を面位置精度良く形成することができる。

以下、光スイッチを例に、この発明による微小光デバイスの作製方法について説明する。
図１は光スイッチの構成を示したものであり、この例では図３，４に示した光スイッチと同様の構成を有する光スイッチを作製するものとする。なお、図３と対応する部分には同一符号を付してある。
図２は作製方法を工程順に示したものであり、この図２は各工程における図１のＤＤ断面の中央部分を示している。以下、各工程（１）〜（６）について順に説明する。

（１）単結晶シリコン基板１１の上にシリコン酸化膜よりなる絶縁層１２を介して単結晶シリコン層１３が形成されてなるＳＯＩ基板１０を用意する。単結晶シリコン層１３はこの例では上面１３ａが（１００）面とされている。
（２）単結晶シリコン層１３上にシリコン酸化膜よりなるマスク層４１を形成する。
（３）単結晶シリコン層１３によって形成する可動部（可動ロッド２５、ミラー２６、ヒンジ２７ａ〜２７ｄ、可動櫛歯電極３１）及び固定部（第１、第２固定櫛歯電極３２，３３、アンカー部２８、ファイバ溝２１を規定する部分）に対応する形状をなし、それら可動部及び固定部の側壁面を規定するパターンをフォトリソグラフィによりマスク層４１にパターニングしてマスク４２を形成する。この際、ミラー２６のミラー面２６ａが単結晶シリコン層１３の（１００）面となるようにパターニングする。さらに、この例ではミラー面２６ａとなるミラー２６の両側の側壁面とそれぞれ近接して平行対向する側壁面を有する一対の薄板状の犠牲構造物を単結晶シリコン層１３によって形成すべく、それら犠牲構造物に対応する形状をなし、それら犠牲構造物の側壁面を規定するパターンを同時にパターニングしてマスク４２′を形成する。なお、図１には一対の犠牲構造物４３の形成位置を破線で示している。

（４）ＩＣＰを用いたガス反応性のドライエッチングにより、絶縁層１２が露出するまでマスク４２，４２′から露出している（マスク４２，４２′によってマスクされていない）単結晶シリコン層１３をほぼ垂直にエッチングする。
（５）単結晶シリコン層１３の表面（エッチング側壁面を含む）を洗浄後、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液に浸し、単結晶シリコン層１３を異方性ウェットエッチングする。このウェットエッチングにより、ドライエッチングによって形成された側壁面のうちのミラー面２６ａ等、（１００）面に一致する面を平滑化すると同時に、犠牲構造物４３をエッチング除去して消滅させる。

（６）フッ化水素酸（ＨＦ）溶液に浸し、絶縁層１２をエッチングする。エッチング時間は可動部の下に位置する絶縁層１２は完全に除去され、固定部の下には絶縁層１２が残る時間とする。この際、マスク４２も同時にエッチング除去される。なお、フッ化水素酸溶液に替えて、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）溶液（フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合液）を用いてもよい。
最後に、スパッタ等によりミラー面２６ａに高反射率を有する金属を被覆形成し、光スイッチが完成する。金属膜は例えばＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ多層膜とされる。

上述した作製方法は図６を用いて説明した従来の作製方法と工程的には同じであるが、高い面位置精度を必要とする側壁面に対して、その側壁面と平行対向する犠牲構造物４３を設けている点に大きな特徴がある。この例ではミラー面２６ａに対して犠牲構造物４３を設けており、以下、このような犠牲構造物４３を設ける作用効果について説明する。
ＩＣＰを用いたガス反応性ドライエッチング等による垂直深掘りに伴うサイドエッチングの進行は、一般にそのエッチング側壁面が面する空間（開放空間）の大きさに依存する。即ち、空間が大きく、対向する他方の側壁面までの間隔が大きいほど、サイドエッチングが進行し、側壁面の後退量が大きくなる。

従って、垂直深掘りのドライエッチングにおいて、面位置を高精度に制御したいミラー面２６ａ等、選択された特定の側壁面に平行対向させて犠牲構造物４３を設けておくことで、その特定の側壁面のサイドエッチングによる面位置後退を抑制することができる。
この場合、犠牲構造物４３と特定の側壁面との対向間隔は、例えば側壁面の対向間隔が微小で、特に高い面位置精度を必要とする構造物がある場合には、その対向間隔と一致させるのが好ましい。上述した光スイッチでは単結晶シリコン層１３によって形成する可動部と固定部（ミラーとミラー以外の構造物）のうち、静電アクチュエータを構成する可動櫛歯電極３１と第２固定櫛歯電極３３の噛み合っている櫛歯部分がこのような高い面位置精度を特に必要とする構造物に相当し、よってこの例では犠牲構造物４３の側壁面とミラー面２６ａとの対向間隔を、可動櫛歯電極３１と第２固定櫛歯電極３３の噛み合っている櫛歯の対向間隔と一致させている。

工程（３）のマスク形成や工程（４）のドライエッチングにおいては間隔が微小で高い面位置精度が要求される部分（櫛歯部分）を基準としてプロセスが制御されるため、犠牲構造物４３とミラー面２６ａの対向間隔を上記のように選定することにより、ミラー面２６ａの面位置を櫛歯部分と同等の精度をもって制御することができ、つまりミラー面２６ａの高い面位置精度を実現することができる。
犠牲構造物４３は工程（５）のウェットエッチングでエッチングされて消滅してしまうものであり、このためその幅（上面１３ａと平行方向の厚さ）は薄く選定される。数値例の一例を示せば、工程（４）のドライエッチング後の犠牲構造物４３の幅Ｗ_１（図２参照）は、
Ｗ_１＝０．５μｍ
とされる。これに対し、工程（３）における犠牲構造物４３用のマスク４２′の幅Ｗ_０は、
Ｗ_０＝１．０μｍ
とされ、またマスク４２′とミラー３６用のマスク４２との間隔（ギャップ）Ｇ_０は、
Ｇ_０＝３．０μｍ
とされる。なお、可動櫛歯電極３１と第２固定櫛歯電極３３の噛み合っている部分の櫛歯用マスク幅、マスク間間隔（ギャップ）及び櫛歯幅、櫛歯間間隔（ギャップ）は下記値とされる。

・工程（３） …マスク幅 ５．０μｍ，マスク間間隔 ３．０μｍ
・工程（４）ドライエッチング後 …櫛歯幅 ４．５μｍ，櫛歯間間隔 ３．５μｍ
・工程（５）ウェットエッチング後…櫛歯幅 ３．５μｍ，櫛歯間間隔 ４．５μｍ
上記のように、この例では間隔Ｇ_０は、可動櫛歯電極３１と第２固定櫛歯電極３３の噛み合っている部分のマスク間間隔と等しくされている。
上述した例ではエッチングレートが遅い面として（１００）面を利用し、ミラー２６のミラー面２６ａを単結晶シリコン層１３の（１００）面としたが、単結晶シリコン層１３の上面１３ａが（１１０）面のＳＯＩ基板１０を用い、ミラー面２６ａを（１１１）面としても異方性ウェットエッチングにより平滑なミラー面２６ａとすることができる。なお、（１００）面と（１１１）面とでは（１００）面の方がより好ましい。

以上、光スイッチを例として、この発明による微小光デバイスの作製方法を説明したが、単結晶シリコン基板上にミラーとミラー以外の構造物とを備え、それらミラー及び構造物の側壁面がすべて単結晶シリコン基板の板面と垂直とされている各種微小光デバイスの作製にこの発明を適用することができ、例えばミラーが固定のものや構造物に可動部を含まないものにもこの発明を適用することができる。
なお、上述した例ではミラー面に対して犠牲構造物を設けているが、これに限らず、犠牲構造物は面位置精度が要求される構造物の側壁面に平行対向されて設けられる。

この発明を適用して作製した光スイッチの構成を示す平面図。 この発明の一実施例を説明するための工程図。 微小光デバイスの一例として光スイッチの構成を示した平面図。 Ａは図３のＡＡ断面図、Ｂは図３のＢＢ断面図、Ｃは図３のＣＣ断面図。 図３に対し、櫛歯型静電アクチュエータが駆動されてミラーが中心部から退避した状態を示す平面図。 微小光デバイスの従来の作製方法を説明するための工程図。

Claims (2)

1. 単結晶シリコン基板上にミラーとミラー以外の構造物とを備え、それらミラー及び構造物の側壁面はすべて単結晶シリコン基板の板面と垂直とされている微小光デバイスの作製方法であって、
   単結晶シリコン基板上に絶縁層を介して単結晶シリコン層が形成されてなるＳＯＩ基板の単結晶シリコン層上にマスク層を形成し、
   上記ミラーの側壁面のうち、ミラー面をなす面を上記単結晶シリコン層の（１００）面もしくは（１１１）面に一致させて、上記ミラー及び構造物の側壁面及びそれら側壁面のうち、選択された側壁面と平行対向する側壁面を有する犠牲構造物の側壁面を規定するパターンをフォトリソグラフィにより上記マスク層にパターニングしてマスクを形成し、
   そのマスクによりマスクされていない上記単結晶シリコン層を上記絶縁層が露出するまでガス反応性のドライエッチングによって除去し、
   単結晶シリコンに対する異方性ウェットエッチングにより、上記ドライエッチングによって形成された側壁面のうちの（１００）面もしくは（１１１）面に一致する面を平滑化すると同時に、上記犠牲構造物をエッチング除去し、
   上記ミラー面とする面に高反射率を有する金属を被覆形成することを特徴とする微小光デバイスの作製方法。
2. 請求項１記載の微小光デバイスの作製方法において、
   上記選択された側壁面と上記犠牲構造物の側壁面との対向間隔を、上記ミラー及び構造物の平行対向する特定の側壁面間の対向間隔と一致させることを特徴とする微小光デバイスの作製方法。

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