JP2011124506A - 電子素子デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板表面からのエッチングと同等の高い開口率の電子素子デバイスを製造する方法であって、高価な製造装置や追加の工程を要することなくしかもスティッキングを生じることもない方法を提供する。
【解決手段】基板１の第一の主面に電子素子２を搭載するとともに、電子素子２が覆われるように部分的にマスク材で保護する工程と、基板１の第二の主面全体を露出させた状態で基板１の第一の主面と第二の主面とを同時に結晶異方性エッチングし、第一の主面からエッチングされた領域と第二の主面からエッチングされた領域とが重なることにより貫通孔が形成された後、エッチングを終了する工程とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子素子デバイスの製造方法に関し、特に熱型の赤外線センサの製造方法に好適に利用されうる。

赤外線センサ、圧力センサ、加速度センサ、ジャイロスコープなどのある種の電子部品は、シリコン基板などの基板にキャビティを形成し、そのキャビティ内に電子素子を支持脚で保持した構造を有する。微細な構造であるから、通常キャビティは機械加工困難であって、フォトリソグラフィーとエッチングを含むＭＥＭＳ技術にて形成される。キャビティは、素子の確実な熱絶縁、物理的あるいは機械的な変化量の確保などのため、必要とされる。
エッチング技術には、溶液中の化学反応を利用したウエット式と反応性イオンエッチングなどのドライ式とがある。ドライ式は、コストが高いなどの欠点を有する。ウエット式はこれと対照をなすうえ、被エッチング材がシリコン基板である場合、キャビティを形成する工程でウェットエッチングとドライエッチングの両方ともを選択できるものについては、結晶異方性エッチングによりエッチング方向を制御できるという利点を有することから、ドライ式よりも多用されている。

ところで、結晶異方性エッチングを素子が搭載されていない基板裏面から行うと、エッチングの性質上、キャビティは、エッチングが進行するにつれて狭まる形状をなすために、図５（ａ）に示すように裏面の開口部の面積（図中の両端矢印範囲）が大きくなる。従って、特に複数の素子からなるアレイセンサの場合、小型化できなかった。そこで、図５（ｂ）に示すように基板表面からエッチングする方法、図５（ｃ）又は（ｄ）に示すように基板裏面の全体からエッチングする方法、図５（ｅ）に示すように両面からエッチングする方法（特許文献１）が知られている。

特開２００４−１１９６７４、段落００２７

富士通マイクロエレクトロニクス、"Ｔｅｃｈ−Ｏｎ！"、[online]、［平成２１年９月１６日検索］、インターネット<http://techon.nikkeibp.co.jp/article/WORD/20090421/169073>

しかし、基板表面からエッチングするとキャビティ内にエッチング液やリンス液などの液体が溜まりやすい。そして、その残液の乾燥に伴う表面張力によって、本来は微小な間隔が維持されるべき要素同士がくっつき合うスティッキングという不可逆的現象が生じ、製品歩留まりを低下させることがある。従って、これを防止するため、通常はイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）蒸気などを利用して乾燥させたり、凍結乾燥させたり（非特許文献１）する必要があり、コストが高くなる。

一方、基板裏面からエッチングする場合、アレイセンサにおいては図５（ｃ）に示すようにヒートシンクＨを金属膜などで別途形成したり、高濃度の不純物注入あるいは電気化学的エッチングにより図５（ｄ）に示すようにシリコンの一部を残してヒートシンクＨを形成する必要があり、コストが高くなる。
また、両面からエッチングする場合、電子素子を保護するために電子素子が覆われるように部分的にエッチングマスクを成膜したうえ、裏面にも所定のパターンでエッチングマスクを成膜しなければならず、裏面にエッチングマスク成膜及びエッチングパターンの形成という追加の工程を要する。
それ故、この発明の課題は、基板表面からのエッチングと同等の高い開口率の電子素子デバイスを製造する方法であって、高価な製造装置や追加の工程を要することなくしかもスティッキングを生じることもない方法を提供することにある。

その課題を解決するために、この発明の電子素子デバイスの製造方法は、
基板の第一の主面に電子素子を搭載するとともに、電子素子が覆われるように部分的にマスク材で保護する工程と、
前記基板の第二の主面全体を露出させた状態で基板の第一の主面と第二の主面とを同時に結晶異方性エッチングし、第一の主面からエッチングされた領域と第二の主面からエッチングされた領域とが重なることにより貫通孔が形成された後、エッチングを終了する工程と
を備えることを特徴とする。

この方法によれば、第一の主面が部分的にマスク材で保護されているので、第一の主面からエッチングされる領域は、保護された部分を残して第二の主面に近づくにつれて狭まる形状をなす。一方、第二の主面は露出しているので、第二の主面全体が均等にエッチングされ、エッチング時間の経過とともに基板全体が薄くなり、第一の主面からエッチングされる領域と重なると同時にキャビティとなるべき貫通孔が形成される。貫通孔の内周面は結晶面の配向に従う一様な勾配の斜面をなし、しかも貫通しているので、液体が溜まりにくい。従って、スティッキングが生じない。貫通孔の深さはエッチング時間によって制御可能である。

前記電子素子デバイスとしては、単一の電子素子が搭載されているものに限らず、単一の基板に電子素子を前記基板の面方向に複数周期的に搭載した素子アレイであってもよい。
前記電子素子は、例えば赤外線センサにおける受光部などの受光素子である。

高価な装置や追加の工程を要することなくスティッキングを防止することができるので、開口率の高い電子素子デバイスを高い歩留まりで安価に製造することができる。

実施形態１に係る製造方法の各工程を基板の厚み方向断面で示した図である。 実施形態２に係る製造方法で製造されるアレイセンサを示し、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は各々その斜視図、平面図、及び厚み方向断面図である。 従来の両面エッチングによるアレイセンサ製造方法の各工程を示す断面図である。 実施形態２で製造されたアレイセンサと従来の両面エッチングによって製造されたアレイセンサとで各センサ画素のサイズを比較した図である。 従来の種々のエッチング方法を示す断面図である。

−実施形態１−
図１は第一の実施形態に係る製造方法の各工程を基板の厚み方向断面で示した図である。先ず、図１（ａ）に示すように、（１００）面方位の単結晶シリコン基板１の第一の主面にフォトリソ技術にて赤外線受光部２、サーモパイル３及び配線４を形成するとともにこれらを絶縁膜からなるエッチング保護マスク８で覆う。マスク８としては酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜が好ましい。サーモパイル３は、赤外線受光部２と配線４とを連結し、エッチング後に赤外線受光部２を機械的に支持する脚を兼ねている。第一の主面は、結晶異方性エッチングのエッチングレートを考慮して赤外線受光部２、サーモパイル３及び配線４の周辺以外の部分ではマスク８で覆われることなく露出している。赤外線受光部２と配線４との間の露出部分は、赤外線受光部２を囲む枠状、例えば方形枠状をなしている。基板１を適当な厚さにするために必要に応じて第二の主面を研磨する。

次に、全体をエッチング液に浸ける。エッチング液としては、公知のものであってよく、例えば水酸化カリウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、エチレンジアミンピロカテコール及び水和ヒドラジンの混合物が挙げられる。図１（ｂ）に示すように、エッチング初期は、第一の主面からはシリコン結晶の面方位に従って、第二の主面に近づくにつれてエッチングされる領域が狭まる。即ち，（１１１）面の方が（１００）面よりエッチング速度が遅いので、内周面がテーパをなす。一方、第二の主面は全体が均等にエッチングされ、基板１全体が薄くなる。

第一の主面からエッチングされる領域と第二の主面からエッチングされる領域とが重なると同時にキャビティとなるべき貫通孔５が形成される（図１（ｃ））。この段階では貫通孔５は、基板１の厚み方向断面視で逆台形をなしている。通常は、貫通時期を正確に制御することが困難であることから、エッチング時間を若干長く設定する。この場合、結晶面によるエッチングレートの違い、即ち図１（ｅ）に示すｐ方向とｑ方向とではｑ方向の方が速くエッチングされることから、図１（ｄ）に示すように貫通孔５は第二の主面の直前で僅かに広がる形状をなす。

エッチング後は洗浄、乾燥工程を経ることにより、赤外線センサ１０となる。貫通孔５の内周面は（１１１）結晶面が露出した一様な勾配の斜面をなし、しかも貫通しているので、エッチング液や洗浄液などの液体が溜まらない。従って、スティッキングがほとんど生じることなく、乾燥工程の制御が容易になる。また、第二の主面にエッチング用のパターンを形成しないので、製造工程が単純である。更に、図１（ｆ）に示すように、第二の主面に貫通孔５と同心の貫通孔６を有する板７を増設することにより、擬似的に貫通孔５の深さを増してセンサ１０の感度を向上させることもできる。貫通孔６は、後述のアレイセンサの場合はアレイ全体に跨る大きさのものでもよいし、センサ１０がマザーボードに実装される場合はマザーボードに設けたものでもよい。

−実施形態２−
図２は第二の実施形態に係る製造方法で製造されるアレイセンサを示し、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は各々その斜視図、平面図、及び厚み方向断面図である。この実施形態では、一つの基板１１から複数（図示は３つ）のセンサ画素２０が製造される。尚、図２（ａ）では支持脚の図示が省略されている。また、図示は一次元のアレイであるが、この実施形態は二次元のアレイにも同様に適用可能である。

実施形態１と同様に単結晶シリコン基板１１の第一の主面にフォトリソ技術にて複数の赤外線受光部１２、１つの赤外線受光部１２当たり４本のサーモパイル１３及び配線（図示省略）をエッチング保護マスク２８とともに形成する。実施形態１と同様に必要に応じて研磨の後、エッチングする。

一方、図３は従来の両面エッチングによるアレイセンサ製造方法の各工程を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、基板２１の第一の主面は赤外線受光部２２が覆われるようにマスク２８が形成され、第二の主面は隣り合うセンサ画素同士の境界部分のみにマスク２９が形成される。

エッチング液に浸けると、図３（ｂ）に示すように両面からエッチングが進行するが、終了時には図３（ｃ）に示すように貫通孔２５の内周面は第二の主面に近づくにつれて広がる形状をなす。
そこで、図２の手順で得られるアレイセンサと図３の手順で得られるアレイセンサを比較すると、同じサイズの赤外線受光部に対して図４（ａ）に示す前者の方が図４（ｂ）に示す後者よりも各センサ画素の画素サイズが小さくなるため、開口率の高いセンサを作製することができることが明らかである。

以上のように、赤外線センサを例にして説明したが、この発明は結晶異方性エッチングを利用して開口率の高い電子素子デバイスを製造する種々の場合に適用可能である。

１、１１、２１ 基板
２、１２、２２ 赤外線受光部
３、１３、２３ サーモパイル
５、１５、２５ 貫通孔
１０ 赤外線センサ
２０、３０ センサ画素

Claims (6)

1. 基板の第一の主面に電子素子を搭載するとともに、電子素子が覆われるように部分的にマスク材で保護する工程と、
   前記基板の第二の主面全体を露出させた状態で基板の第一の主面と第二の主面とを同時に結晶異方性エッチングし、第一の主面からエッチングされた領域と第二の主面からエッチングされた領域とが重なることにより貫通孔が形成された後、エッチングを終了する工程と
   を備えることを特徴とする電子素子デバイスの製造方法。
2. 前記電子素子を前記基板の面方向に複数周期的に搭載する請求項１に記載の製造方法。
3. 前記電子素子を前記貫通孔の内周面と間隔を開けて支持する脚を、前記エッチングの前に第一の主面上に形成する請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記電子素子が受光素子である請求項３に記載の製造方法。
5. 前記貫通孔が基板の厚み方向断面視で第二の主面に近づくにつれて狭まる形状をなしている請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
6. 前記貫通孔が基板の厚み方向断面視で第二の主面に近づくにつれて狭まり、第二の主面の直前で僅かに広がる形状をなしている請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。

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