JP2011526841A - 改善された均一性を有する微小ポストおよびそれを製作する方法 - Google Patents
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Abstract
微小ポストを含む装置が提供される。この装置は、平面を有する基板と、平面上に配置される複数の微小ポストとを含み、各微小ポストは、平面上の基底部分、および対応する基底部分の上部表面上に配置されるポスト部分を含み、基底部分の側面は、傾斜角をもって平面と交わる。
Description
本発明は、一般には、装置およびその装置を製作する方法に関し、より具体的には、微小ポストおよびそれら微小ポスト（ｍｉｃｒｏ−ｐｏｓｔ）を製作する方法に関する。
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）とも呼ばれるマイクロマシンは、集積回路産業が微小機械を構築するために開発されたツールおよび技法を使用する新興の技術である。一般に１００ナノメートルから１００マイクロメートルの間の大きさとみなされるこれらの機械は、典型的には、標準のシリコンウエハ上に構築される。この技術の利点は、ウエハの表面にわたって同時に多くの機械を構築することができ、これらのデバイスを製作するのに使用するプロセスは、集積回路を製作するのに使用するものと同じ種類のリソグラフィプロセスを使用するという点である。これらの微小機械は、至る所に存在するようになり、様々な商業および防衛の用途に早急に利用されつつある。
あらゆる種類の製作努力と同様に、特に、これらのデバイスが製作されるサイズでは、全体的な製品品質、均一性、および歩留りが、重要な産業目標である。
本明細書で提供される１つの実施形態は、装置に関する。この実施形態において、装置は、平面を有する基板と、平面上に配置される複数の微小ポストとを含み、各微小ポストは、平面上の基底部分、および対応する基底部分の上部表面上に配置されるポスト部分を含み、基底部分の側面は、傾斜角をもって平面と交わる。
別の実施形態は、装置を製作する方法に関する。この実施形態は、基板の表面上のトレンチ内に微小ポストのポスト部分を形成するためにドライエッチングを行うステップと、上部平面に傾斜して交わる側面を有する基底部分上にポスト部分が配置され、基底部分が基板の平面上に配置されるように、前述の基板から層を除去するためにウェットエッチングを行うステップとを含む。
添付の図を併せて読むと、以下の詳細な説明より、様々な実施形態を理解することができる。様々な特徴部は、縮尺どおりに描かれていない場合があり、説明を明らかにするために、サイズを適宜拡大または縮小する場合がある。ここで、添付の図面と併せて解釈される以下の説明を述べる。
本明細書で述べる実施形態によって、半導体ウエハなどのほぼ平面の基板にわたってほぼ均一の高さを有する微小ポストに関する利点がわかる。基底部分の側面は、傾斜角をもって表面と交わり、縮小した横方向外形を有する。本明細書で使用されるように、微小ポストは、約１００マイクロメートル未満の高さを有するポストであり、矩形、多角形、または円柱などのいくつかの幾何形状を有することができる。これらの微小ポストは、基板にわたる均一の高さがデバイス歩留りおよび品質の全体的改善をもたらす点で、以前の構造の改良型である。さらに、縮小した基底幅は、要素密度の改善をもたらす。さらに、赤外線検出器に関連する適用例などの別の適用例において、微小ポストの高さは、調整時の融通性をもたらすために、すなわち、赤外線検出器用に所望の波長を達成するための空洞の適当なサイズ調整を可能にするために制御することができる。本明細書でさらに述べる方法の実施形態は、改善された装置を達成する方法を提供する。
図１は、製作の初期段階における本発明の開示の例示的な装置１００を示す。この実施形態は、内部または外部供給源から手に入れることができる基板１１０を含む。基板１１０の限定されない例は、シリコン、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、リン化インジウム、またはこれらの材料の組合せなどの材料を含む半導体基板を含むことができる。さらに、いくつかの実施形態において、基板１１０は、微小ポストを形成することができる、基板１１０を覆う材料層（図示せず）を含むことができる。そのような実施形態において、エッチング停止層が存在してもよい。この材料は、存在するときは、基板１１０に関して上記したものと同じ材料を含んでもよく、または、異なる材料を含んでもよい。１つの有利な実施形態において、基板１１０はシリコンである。以下に述べるように、基板１１０または材料層がシリコンであるそれらの実施形態において、露出面（すなわちエッチングが最初にぶつかる結晶面）は、＜１００＞の結晶方位、＜１１０＞の結晶方位、または＜１１１＞の結晶方位を有することができる。従来のプロセスは、基板１１０を形成するために使用することができる。
基板１１０の厚さは、対象とする適用例に依存する。たとえば、装置１００をＭＥＭＳデバイスの傾動ミラーとすることができるそれらの適用例において、基板１１０の厚さは、少なくとも２０ミクロン以上とすることができる。あるいは、装置１００を赤外線検出器とすることができるそれらの適用例において、基板１１０は、２ミクロン以上の厚さを有することができる。これらの値は、例示のためだけに与えられ、別の厚さも使用することができ、その厚さは対象とする装置の適用例に依存することを理解されたい。
本明細書で提供する高さ均一性の改善およびより高次の要素緻密化の利点を与えて、従来の装置および製作プロセスに関する問題を回避しながら、より厚い基板を使用することができる。従来のプロセスにおいて、製作者は、基板から基底部分のない独立したポストを形成するのにドライエッチングを使用するか、または、被切断支持構造を形成するのにウェットエッチングを使用するかのいずれかであり、両者は関連する問題を有していた。従来のプロセスにおいて、ドライエッチングが使用されたとき、ウエハにわたるポスト高さの著しい不均一性がしばしば発生した。ドライエッチングされたポストは、ウエハにわたる１０％から１５％の高さ変動が一般的であるドライエッチングに関連して典型的に高さ不均一性問題を有する。さらに、絶縁されたポストが所望されるとき、ポスト間で除去されるべき材料の量は、ウエハ表面の９９％を占める可能性があり、エッチング化学物質の化学的負荷は、エッチングの性質を完全に変化させる可能性がある。
他方、異方性ウェットエッチングは、均一性を高くすることができ、１％未満のポスト高さ変動が一般的であるとしても、ウェットエッチングは、ポストではなく、基板ウエハ上の容認できないほど大量の表面領域を使い果たす可能性がある切断されたピラミッド形状の構造をもたらす。したがって、従来のプロセスは、製作において基本的に２つの選択肢のうちの１つを用いるしかなく、すなわち、基板にわたる著しい量の高さ不均一性を容認しながら、材料層から独立したポストを形成するのにドライエッチングプロセスを使用するか、または容認できないほど大量の表面領域を使い果たす切断された基底を形成するのにウェットエッチングを使用するかのいずれかである。本発明の開示の実施形態は、これらの問題の両方に対処する。
本明細書で述べるプロセス、したがって、結果として得られる装置の実施形態は、従来のプロセスと比較するとき、高さ均一性の改善およびより高次の要素緻密化を伴う微小ポストをもたらすより厚い基板１１０を使用することができる利点を提供する。たとえば、結果として得られる微小ポストの高さは、市販のウェットエッチングツールを使用するとき、基板１１０にわたって、互いに５％以内にすることができ、好ましくは、その高さは、１％以下の範囲内にすることができる。これは、全体の歩留りおよび装置品質の改善の利点を提供する。
さらに、本発明の開示により保護される実施形態は、より高次の要素緻密化を可能にする極めて小さい基底を有する微小ポストも提供する。たとえば、本明細書で開示するある実施形態において、微小ポスト高さと基底幅との比は、２：１以上とすることができ、別の実施形態は、５：２以上の高さと基底幅との比を有する微小ポストを含む。
図２は、リソグラフィ用マスク２０５の堆積およびパターニング後の装置１００を示す。リソグラフィ用マスク２０５は、有機フォトレジストなどの従来の材料、または酸化シリコンなどのハードマスク材料を含むことができる。リソグラフィ用マスク２０５は、エッチング２１５をそれを通して行うことができる開口部２１０を画定するために、パターニングすることができる。１つの有利な実施形態において、エッチング２１５は、所望の時間の間に容易に行うことができる、従来のプラズマ・エッチング、スパッタ・エッチング、イオン・ミリング・エッチング、反応性イオン・エッチング、深堀反応性イオン・エッチング、または集束イオンビーム・ミリング・プロセスなどのドライエッチングである。エッチング時間は、使用されるエッチング・プロセス、エッチングされる材料、およびエッチング２１５の基板１１０内への目標深さに依存し、当業者によって容易に決定することができる。エッチング２１５がプラズマ・プロセスを使用するそれらの例において、エッチング化学物質およびプラズマ条件は、ツール、基板１１０の組成、および目標深さに依存する。
たとえば、１つの実施形態において、基板１１０は、シリコンを含むことができる。そのような例において、プラズマ・エッチングは、ＣＣｌ４、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８などのいずれかの既知の塩化炭素もしくはフッ化炭素ガス、またはＳＦ６などのフッ化硫黄ガスを含むことができる。マスク２０５によって画定されるとき、エッチング２１５は、基板１１０内にトレンチ２２０を形成し、次にポスト２２５を画定する。トレンチの深さは、適用例によって変化する。たとえば、トレンチ２２０の深さは、約２ミクロンから約１００ミクロン以上の範囲とすることができる。図２は、製作されたポストの断面を示すが、ポスト上部表面の形状は、極めて任意的なものとすることができ、円柱形状には限定されず、たとえば、ポストは、正多角形である断面を有することができることに留意されたい。
図３Ａは、トレンチ２２０および微小ポスト２２５の形成、ならびにリソグラフィ用マスク２０５の除去後の図２の装置１００を示す。その後、エッチングマスク層３０５が、全体的に図示されているように、基板１１０上、トレンチ２２０の壁上、およびポスト２２５の上部上に形成される。エッチングマスク層３０５は、いくつかの方法で形成することができる。たとえば、エッチングマスク層３０５は、共形層などの薄い（たとえば約０．１ミクロンの）酸化シリコン層を成長させるために、基板１１０に湿式酸化プロセスを受けさせることによって形成することができる。あるいは、シリコンナイトライドなどの材料から構成することができるエッチングマスク層３０５を堆積させるために、従来の堆積プロセスを使用することができる。
図３Ｂは、エッチングマスク３１０を形成するための、エッチングマスク層３０５の従来のパターニング後の図３Ａの装置１００を示す。エッチングマスク３１０は、被覆表面を次のエッチング・プロセスから保護する。ある実施形態において、エッチングマスク３１０は、示されるように、基板１１０の表面上のエッチングマスク３１０の突出部分を残すように、パターニングすることができる。たとえば、突出する量は、使用されるリソグラフィツールの種類によって、約０．２５ミクロンから約３．０ミクロンの範囲とすることができる。しかし、別の実施形態においては、エッチングマスク３１０は、突出が存在せず、またマスク３１０がトレンチ２２０の端部で終わるように、パターニングすることができる。
図４Ａは、基板１１０の露出面４１０がウェットエッチング４１５を受ける、図３Ｂの装置１００を示す。１つの有利な実施形態において、基板１１０は、シリコンであり、ウェットエッチング４１５は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）のいずれかを含む異方性エッチングである。これらの化学物質のいずれかは、シリコンまたはシリコンゲルマニウムの様々な露出結晶面をエッチングするのに使用することができる。したがって、水を伴うこれらのエッチング成分の重量パーセント、およびエッチングが行われる温度は変化する。１つの例において、シリコンは、＜１００＞の結晶方位を有する露出面４１０を含むことができる。そのような場合に、ウェットエッチング４１５は、水溶液の約２０重量％から約４５重量％を含むＫＯＨを用いて行われ、そのエッチングは、約３０℃から約８０℃を範囲とする温度で行うことができる。
別の実施形態において、シリコンは、＜１１０＞の結晶方位を有する露出面４１０を含むことができる。そのような実施形態において、ウェットエッチング４１５は、水溶液の約３０重量％から約４５重量％を含むＫＯＨを用いて行うことができ、そのエッチングは、約２０℃から約１２０℃を範囲とする温度で行うことができる。さらに別の実施形態において、ウェットエッチング４１５は、水溶液の約２０重量％から約２５重量％を含む水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）を含むことができ、そのエッチングは、約６０℃から約９０℃を範囲とする温度で行われる。
上述のように、基板１１０は、結晶性半導体材料などのいくつかの半導体材料のうちの１つとすることができ、またシリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、リン化インジウムその他などの別の半導体材料を含むことができる。そのような例において本明細書に記載の本発明の開示を与えられれば、異方性エッチングをもたらす適当なエッチング化学物質の選び方を当業者は理解するであろう。たとえば、基板１１０が、結晶性ガリウムヒ素基板であれば、エッチング化学物質は、メタノール中の臭化物または水酸化アンモニウムの水溶液を含むことができる。
基板１１０の結晶性構造のために、エッチング４１５は、側面よりも早く露出面４１０をエッチングする。したがって、図４Ａに図示されるように、エッチング４１５は、エッチングマスク３１０を切削し、傾斜面４１８を形成し始める。エッチングマスク３１０は、エッチング４１５に対して抵抗性があり、したがって、ポスト２２５の表面を保護する。図４Ｂは、エッチング４１５の継続進行、エッチングマスク３１０のさらなる切削、および基板１１５からの基板１１０の除去を示す。
図４Ｃに示されるように、エッチング４１５の最後に、基底４２０が形成される。図示されるように、この実施形態において、基底部分４２０の側面４２０ａは、傾斜角をもって平面１１０ａと交わる。その結果、プロセスのこの時点で、エッチングマスク３１０は、フッ化水素酸エッチングなどの従来のエッチング・プロセスを使用して除去することができる。
図４Ｄは、エッチングマスク３１０の除去後の図４Ｃの装置１００の実施形態を示す。この実施形態において、装置１００は、微小ポスト４２５を含む。１つの微小ポスト４２５が示されているが、本明細書で述べる実施形態は、基板１１０上に複数のそのような微小ポストを形成するために使用することができることを理解されたい。たとえば、１つの適用例において、２０個以上の微小ポスト４２５が存在することができる。微小ポスト４２５は、基板１１０の平面１１０ａ上に配置される。表面は、小さい表面の不規則性または表面の粗さがサブミクロン・スケールで存在したとしても、平面とすることができるが、表面１１０ａ全体は、ほぼ平面であることに留意されたい。微小ポスト４２５は、上述のような、エッチング４１５によって形成された基底部分４２０、および基底部分４２０の上部表面４３５上に配置されるポスト部分４３０を含む。
複数の微小ポスト４２５が存在する１つの態様において、基底部分４２０の各々の横幅は、ポスト部分４３０の各々の直径の少なくとも２倍の大きさである。さらに別の実施形態において、基底部分４２０のうちの１つの上部表面４３５は、基底部分４２０で覆われた平面１１０ａの面積の半分未満の面積を有する。別の実施形態において、各ポスト部分４３０の高さと各基底部分４２０の幅４４０との比は、少なくとも約２：１である。微小ポスト４２５は、その長さに沿った直径がプロセスの変化によって変化する可能性があるとしても、ポスト部分を有するものとみなすことができることに留意されたい。たとえば、１つの実施形態において、ポスト部分４３０は、その長さに沿って３０％未満だけ変化する直径を有することができる。
別の実施形態において、装置１００は、複数の、少なくとも２０個の近接する微小ポスト４２５を含み、異なる微小ポスト４２０の高さ４４５は、それら複数のポストにわたって５％未満だけ異なり、さらに別の実施形態においては、異なる微小ポスト４２０の高さ４４５は、それら複数のポストにわたって１％未満だけ異なる。
図５Ａおよび５Ｂは、図４Ｄの微小ポストを使用することができる異なる装置５００および５１０を示す。図５Ａの装置５００は、赤外線検出器の構成の全体概略図を示す。この実施形態で図示されるように、装置５００は、ウエハなどの基板５２０にわたって配置される複数の微小ポスト５１５を含む。微小ポスト５１５は、空洞５３０を形成する異なる膜５２５を支持する。上述の利点を考慮すると、微小ポスト５１５は、均一の高さおよび縮小した基底設置面積を有し、それは、製品歩留り、製品品質、および要素緻密化の全体的改善を可能にする。
図５Ｂの装置５１０は、ＭＥＭＳデバイスの構成の全体概略図を示す。この実施形態で図示されるように、装置５１０は、ウエハなどの基板５４０にわたって配置される複数の微小ポスト５３５を含む。微小ポスト５３５は、異なる傾動ミラー５４５を支持する。上述の利点を考慮すると、微小ポスト５３５は、高さ均一性および縮小した基底設置面積の改善を伴う改善された高さを有するように製作することができ、それは、デバイス操作性、製品歩留り、製品品質、および要素緻密化の全体的改善を可能にする。
本発明を詳細に説明してきたが、それらは、本発明の技術思想および範囲から逸脱することなく、本明細書において様々な交換、置換、および変更を行うことができることを当業者は理解されたい。
Claims (10)
- 平面を有する基板と、
前記平面上に配置される複数の微小ポストとを含み、各微小ポストは、前記平面上の基底部分と、対応する前記基底部分の上部表面上に配置されるポスト部分とを含み、
前記基底部分の側面は傾斜角をもって前記平面と交わる、装置。 - 前記平面上で、前記基底部分の横幅は、前記ポスト部分の直径の少なくとも２倍の大きさである、請求項１に記載の装置。
- 前記基底部分のうちの１つの前記上部表面は、前記基底部分のうちの前記１つによって覆われた前記平面の面積の半分未満の面積を有する、請求項１に記載の装置。
- 前記複数の微小ポストは少なくとも２０個の近接する微小ポストを含み、前記微小ポストの異なるものの高さは、前記複数の微小ポストにわたって５％未満だけ異なる、請求項１に記載の装置。
- 基板の表面上のトレンチ内に微小ポストのポスト部分を形成するためにドライエッチングを行うステップと、
上部平面に傾斜して交わる側面を有する基底部分上に前記ポスト部分が配置され、前記基底部分が前記基板の平面上に配置されるように、前記基板から層を除去するためにウェットエッチングを行うステップとを含む、方法。 - 前記ドライエッチングを行うステップは、前記基板内に前記基板内の深さ方向にトレンチを形成するステップを含み、
前記基板、ならびに前記ポストおよび前記トレンチの表面上にマスク層を形成するステップと、
前記トレンチに近接する前記基板上、ならびに前記トレンチおよび前記ポストの表面上に前記マスクの一部分が残るように、前記基板から前記マスクを除去するステップと、
前記トレンチの深さ方向に前記マスクの下に配置される前記基板を除去することを含む、前記基板を除去するために異方性エッチングを使用するステップとを含む、請求項５に記載の方法。 - 前記ドライエッチングを行うステップは、プラズマ・エッチングを使用するステップを含み、前記トレンチが少なくとも１ミクロンの深さに形成される、請求項５に記載の方法。
- ウェットエッチングを行うステップは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）の水溶液または水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）の水溶液の異方性エッチングを使用するステップを含む、請求項５に記載の方法。
- 前記ＫＯＨは前記水溶液の約２０重量％から約４５重量％を含み、前記エッチングが約３０℃から約８０℃を範囲とする温度で行われる、請求項８に記載の方法。
- 各微小ポストの高さと各基底部分の幅との比は少なくとも２：１である、請求項５に記載の方法。
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