JP2014055576A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、基材上にシリコン酸化膜層を介して形成された薄膜部位と、その薄膜部位上に薄膜部位に対向して配置された可動部位と、を備えた半導体基板及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and in particular, a thin film portion formed on a substrate via a silicon oxide film layer, a movable portion disposed on the thin film portion so as to face the thin film portion, And a method of manufacturing the same.
マイクロ流体を輸液や搬送する装置としてマイクロポンプがある。マイクロポンプは、薄膜(メンブレン)上に備え付けられた圧電素子等で構成されるアクチュエーターを駆動させることで加圧室の体積を変動させて、吸入口から吸引した流体を吐出口へと導く。マイクロポンプは、流体が逆流しないように、加圧室前後に非対称構造のバルブやバルブシート等の薄膜部位を備えている。 There is a micropump as a device that infuses or conveys a microfluid. The micro pump changes the volume of the pressurizing chamber by driving an actuator composed of a piezoelectric element or the like provided on a thin film (membrane), and guides the fluid sucked from the suction port to the discharge port. The micropump includes thin film portions such as asymmetrical valves and valve seats before and after the pressurizing chamber so that the fluid does not flow backward.
マイクロポンプのメンブレンやバルブ、バルブシート等の薄膜部位の厚み寸法を高精度に形成するために、SOI(Silicon on Insulator)ウエハに対して単結晶シリコンの結晶異方性エッチング処理を施して薄膜部位を形成する方法が既に知られている(例えば特許文献1を参照。)。 In order to accurately form the thickness of thin film parts such as micropump membranes, valves, valve seats, etc., thin film parts are obtained by subjecting SOI (Silicon on Insulator) wafers to crystal anisotropic etching of single crystal silicon. Is already known (see, for example, Patent Document 1).
図13は、マイクロポンプの構成を説明するための概略的な断面図である。なお、図中の縦横縮尺比や膜厚比は不問とする。以下で説明する図面でも同様である。 FIG. 13 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the micropump. In addition, the vertical / horizontal scale ratio and the film thickness ratio in the figure are not questioned. The same applies to the drawings described below.
マイクロポンプはバルブウエハ1、バルブウエハ3、メンブレンウエハ5を備えている。ウエハ1とウエハ3はシリコン酸化膜からなる犠牲層7を介して接合されている。ウエハ3とウエハ5はシリコン酸化膜からなる犠牲層9を介して接合されている。
The micropump includes a
ウエハ1,3,5は、支持層11、BOX層13、活性層15が積層されたSOIウエハが両面加工されたものである。支持層11及び活性層15は単結晶シリコンで形成されている。BOX層13はシリコン酸化膜で形成されている。
バルブウエハ1,3は、支持層11が加工されて形成された吸入口17及び吐出口19と、活性層15が加工されて形成されたバルブシート21及びバルブフラップ23とを備えている。バルブウエハ3は、支持層11が裏面側から研削又は研磨によって調厚されており、バルブウエハ1と比較して支持層11の厚みが小さい。
The valve wafers 1 and 3 include a
メンブレンウエハ5は、メンブレン25と液室27とを備えている。メンブレン25は、支持層11が除去された領域の活性層15で形成されている。液室27は、メンブレン25の形成位置の活性層15の表面に形成された凹部で形成されている。
The
バルブウエハ1,3は、互いの活性層15が対向するようにして接合されている。メンブレンウエハ5とバルブウエハ3は、液室27と吸入口17及び吐出口19が対向するようにして配置されている。
The valve wafers 1 and 3 are bonded so that the
メンブレンウエハ5のメンブレン25上に圧電素子等(図示しない。)が配置される。マイクロポンプでは、圧電素子等の動作によってメンブレン25がアクチュエーターとして駆動され、液室27内に発生する圧力でバルブウエハ1,3の積層構造内に非対称に配置されたバルブフラップ23が交互に受動的に開閉される。これにより、吸入口17から吐出口19の順方向にのみ液の流れが発生する。
A piezoelectric element or the like (not shown) is disposed on the
図14、図15及び図16は、図13に示されたマイクロポンプの製造工程の一例を説明するための概略的な断面図である。以下に説明する各工程のかっこ数字は図14、図15及び図16中のかっこ数字に対応している。 14, FIG. 15 and FIG. 16 are schematic cross-sectional views for explaining an example of a manufacturing process of the micropump shown in FIG. The parentheses for each step described below correspond to the parentheses in FIGS. 14, 15 and 16.
(1)支持層11、BOX層13、活性層15を有するSOIウエハを準備する。支持層11及び活性層15は単結晶シリコンである。BOX層13はシリコン酸化膜である。支持層11表面及び活性層15表面は(100)面である。支持層11表面及び活性層15表面にシリコン酸化膜からなるエッチングマスク29を形成する。エッチングマスク29は例えば熱酸化膜である。写真製版技術及びエッチング技術により、活性層15上のエッチングマスク29をパターン加工する。
(1) An SOI wafer having a
(2)エッチングマスク31を全面に成膜する。エッチングマスク31はエッチングマスク29を保護する。エッチングマスク31は、例えばシリコン窒化膜である。
(2) An
(3)写真製版技術及びエッチング技術により、支持層11上のエッチングマスク29,31をパターン加工する。
(3) The
(4)アルカリ性溶液を用いた単結晶シリコンの結晶異方性エッチングを行なう。上記工程(3)でエッチングマスク29,31が開口された箇所の支持層11が結晶異方性エッチングされる。エッチングマスク29,31の開口から約54.7°の角度でエッチングが進行し、支持層11の(111)面が露出する。結晶異方性エッチングはBOX層13に達するまで行なわれる。これにより、吸入口17及び吐出口19が形成される。
(4) Crystal anisotropic etching of single crystal silicon using an alkaline solution is performed. The
(5)熱リン酸等を用いてエッチングマスク31が全面除去される。活性層15上のエッチングマスク29と活性層15の表面の一部が露出される。
(5) The
(6)再度結晶異方性エッチングを行なう。活性層15上のエッチングマスク29の開口から約54.7°の角度でエッチングが進行する。結晶異方性エッチングはBOX層13に達するまで行なわれる。これにより、バルブシート21とバルブフラップ23が形成される。
(6) Perform crystal anisotropic etching again. Etching proceeds at an angle of about 54.7 ° from the opening of the
(7)例えばフッ酸等を用いてウエットエッチングを行なう。エッチングマスク29及び、結晶異方性エッチングにて露出した部分のBOX層13が除去される。これにより、バルブウエハ1,3が形成される。
(7) Wet etching is performed using, for example, hydrofluoric acid. The
(8)バルブウエハ1,3の表面に犠牲層7を成膜する。犠牲層7は例えば熱酸化膜を用いる。
(8) A
(9)2枚のバルブウエハ1,3を用意し、一方のウエハを上下反転させてバルブウエハ1,3の接合を行なう。このとき、犠牲層7同士が接合界面33で接合される。
(9) Two
(10)接合されたバルブウエハ1,3に対して、バルブウエハ3の支持層11側から研削と研磨を行ない、バルブウエハ3を調厚する。
(10) Grinding and polishing the bonded valve wafers 1 and 3 from the
(11)研磨されたバルブウエハ3の研磨面にメンブレンウエハ5を接合する。メンブレンウエハ5の表面にはシリコン酸化膜からなる犠牲層9が形成されている。メンブレンウエハ5が接合された時点でメンブレン25及び液室27が形成される。
(11) The
(12)図13を参照して説明する。犠牲層7のエッチングを行なう。このとき犠牲層9もエッチングされる。接合界面33に存在する犠牲層7を消失させることで、バルブシート21とバルブフラップ23とを剥離する。犠牲層エッチングは、例えばフッ酸等を用いた気相エッチングで行なわれる。その後、圧電素子等(図示しない)をメンブレン25上に貼付してマイクロポンプが完成する。なお、図13では、バルブシート1の犠牲層7とバルブシート3の犠牲層7は一体化して図示されている。
(12) This will be described with reference to FIG. The
上記工程(4),(6)で説明したように、BOX層13は支持層11又は活性層15の結晶異方性エッチングの際にエッチングストップ層として用いられる。すなわち、支持層11及び活性層15のシリコンエッチング量は高精度で管理されたSOIウエハの支持層11及び活性層15の厚みで決まる。したがって、バルブシート21やバルブフラップ23の仕上がり厚み寸法は、エッチング速度ばらつきやウエハの厚みばらつきの影響を受けにくい。
As described in the above steps (4) and (6), the
図13において、バルブシート21とバルブフラップ23がスティクションによって固着するのを防止するために、バルブシート21の上面の面積を小さくすることが好ましい。
しかし、バルブシート21の上面の面積を小さくしすぎると、バルブシート21直下のBOX層13が消失する虞があった。
In FIG. 13, it is preferable to reduce the area of the upper surface of the
However, if the area of the upper surface of the
図17は、従来技術の不具合を説明するための、バルブシートの周辺構造を拡大して示す概略的な工程断面図である。図17中のかっこ数字は上記工程及び図15及び図16のかっこ数字に対応している。図13も参照して説明する。 FIG. 17 is a schematic process cross-sectional view showing an enlarged peripheral structure of the valve seat for explaining the problems of the conventional technology. The numbers in parentheses in FIG. 17 correspond to the above steps and the numbers in FIGS. 15 and 16. This will be described with reference to FIG.
上記工程(1)〜(5)で説明したように、結晶異方性エッチングによってSOIウエハの支持層11に吸入口17が形成される。この結晶異方性エッチングにおいて、吸入口17の底部に支持層11が残存しないようにオーバーエッチングが施される。したがって、シリコン酸化膜からなるBOX層13の支持層11側の一部分もエッチングされる(図17(5)を参照。)。
As described in the above steps (1) to (5), the
次に、上記工程(6)で説明したように、活性層15に対して結晶異方性エッチングが施され、バルブシート21が形成される。この結晶異方性エッチングにおいて、吸入口17の底部と重なる位置に活性層15が残存しないようにオーバーエッチングが施される。したがって、BOX層13の活性層15側の一部分もエッチングされる(図17(6)を参照。)。アルカリ性溶液によるシリコン酸化膜のエッチングは等方性を有するので、バルブシート21直下のBOX層13の一部分もエッチングされる。
Next, as described in step (6) above, crystal anisotropic etching is performed on the
次に、上記工程(7)で説明したように、フッ酸等を用いたウエットエッチングによってシリコン酸化膜からなるBOX層13及びエッチングマスク29が除去される。なお、ここでのシリコン酸化膜エッチングは例えばフッ酸等を用いた気相エッチングであってもよい。これらのシリコン酸化膜エッチングは等方性を有するので、バルブシート21直下のBOX層13の一部分もエッチングされる(図17(7)を参照。)。
Next, as described in the step (7), the
次に、上記工程(8),(9)で説明したように、シリコン酸化膜からなる犠牲層7が形成され、加工済みの2つのSOIウエハからなるバルブシート1,3が接合界面33で接合される(図17(9)を参照。)。その後、上記工程(10),(11)で説明したように、バルブウエハ3が調厚され、バルブウエハ3にメンブレンウエハ5が接合される。
Next, as described in the above steps (8) and (9), the
次に、上記工程(12)で説明したように、フッ酸等を用いた気相エッチングによって接合界面33の犠牲層7が除去される。なお、ここでのシリコン酸化膜エッチングは例えばフッ酸等を用いたウエットエッチングであってもよい。これらのシリコン酸化膜エッチングは等方性を有するので、バルブシート21直下のBOX層13の一部分もエッチングされる(図17(12)を参照。)。
Next, as described in the above step (12), the
SOIウエハのBOX層13を活用することでバルブシート21やバルブフラップ23の厚み管理が容易になるが、バルブシート21において、図13に示したように活性層15と支持層11がBOX層13を介して?がる構造となる。
By utilizing the
しかし、上記工程(6)の活性層15の単結晶シリコン異方性エッチング時、上記工程(7)のエッチングマスク29及びBOX層13の除去時、上記工程(12)の犠牲層エッチング工程時には、BOX層13の界面が露出している。したがって、バルブシート21直下のBOX層13において、バルブシート21下面の断面寸法よりも内側にエッチングが進行することになる。
However, during the single-crystal silicon anisotropic etching of the
さらには、SOIウエハ自体の作成工程での活性層15の貼り合せ時のマイクロボイドや、BOX層13自体の膜質、犠牲層7自体の膜質、バルブウエハ1,3の接合時の接合品質によっては、上記工程(12)での犠牲層エッチング処理時の接合界面33のエッチング速度よりもBOX層13のエッチング速度の方が早くなることがある。
Furthermore, depending on the microvoids at the time of bonding the
このようなことから、図17(12)に示したように、犠牲層7のエッチング後にバルブシート21直下のBOX層13が部分的又は完全に消失することがあった。バルブシート21直下のBOX層13が部分的に消失すると、バルブフラップ23が閉じていても消失部分から液体が逆流してリークが発生する。また、バルブシート21直下のBOX層13が完全に消失すると、バルブシート21が浮き上がり、バルブストッパーとして機能しなくなる。このように、バルブシート21直下のBOX層13が部分的又は完全に消失に起因して、ポンプ機能が損なわれることがあった。
For this reason, as shown in FIG. 17 (12), the
このような不具合は抑制するために、バルブシート21の下面の幅寸法を大きくし、バルブシート21直下のBOX層13の幅寸法を大きくすることが考えられる。ここで、バルブシート21の下面の幅寸法は上面の幅寸法と一定の関係を有する。
In order to suppress such a problem, it is conceivable to increase the width dimension of the lower surface of the
図17(6)を参照してバルブシート21の上面幅寸法と下面幅寸法の関係を説明する。バルブシート21の上面及び下面((100)面)と側面((111)面)がなす角度θは約54.7°である。バルブシート21の厚みが寸法dであるとき、バルブシート21の断面において、上面寸法W1と下面幅寸法W2は次の式で表わされる。
W1=W2−(d/tanθ)×2
The relationship between the upper surface width dimension and the lower surface width dimension of the
W1 = W2- (d / tan θ) × 2
したがって、バルブシート21の下面の幅寸法を大きくするには、バルブシート21の上面の幅寸法を大きくしなければならない。
しかし、上述のように、バルブシート21の上面の幅寸法を大きくすると、バルブシート21とバルブフラップ23がスティクションによって固着するという問題があった。
Therefore, in order to increase the width dimension of the lower surface of the
However, as described above, when the width dimension of the upper surface of the
バルブシート21直下のBOX層13が消失する時期は、上記工程(12)の犠牲層7のエッチング時に限られない。バルブシート21直下のBOX層13が部分的又は完全な消失は、上記工程(7)のシリコン酸化膜エッチング時や、上記工程(6)の結晶異方性エッチング時にも起こりうる。
The time when the
また、上述のような不具合の発生は、マイクロポンプのバルブシートの形成時に限られるものではない。上述のような不具合は、基材上にシリコン酸化膜層を介して形成された薄膜部位と、該薄膜部位上に該薄膜部位に対向して配置された可動部位と、を備えた半導体装置を製造する際に、基材上にシリコン酸化膜層を介して形成された単結晶シリコン層に対してアルカリ性溶液を用いた結晶異方性エッチングを行なって薄膜部位を形成する場合に発生しうる。 Further, the occurrence of the above-described problems is not limited to the formation of the valve seat of the micropump. A problem as described above is that a semiconductor device including a thin film portion formed on a base material via a silicon oxide film layer, and a movable portion disposed on the thin film portion so as to face the thin film portion. This may occur when a thin film portion is formed by performing crystal anisotropic etching using an alkaline solution on a single crystal silicon layer formed on a substrate via a silicon oxide film layer during manufacturing.
本発明は、基材上にシリコン酸化膜層を介して形成された単結晶シリコン層が結晶異方性エッチングによってパターン加工された薄膜部位と、薄膜部位上に配置された可動部位とを備えた半導体装置及びその製造方法において、薄膜部位と可動部位とのスティクションを防止しつつ、薄膜部位直下のシリコン酸化膜層の消失を防止することを目的とする。 The present invention includes a thin film portion in which a single crystal silicon layer formed on a substrate via a silicon oxide film layer is patterned by crystal anisotropic etching, and a movable portion disposed on the thin film portion. An object of the semiconductor device and the manufacturing method thereof is to prevent the disappearance of the silicon oxide film layer immediately below the thin film portion while preventing stiction between the thin film portion and the movable portion.
本発明にかかる半導体装置は、基材上にシリコン酸化膜層を介して形成された薄膜部位と、上記薄膜部位上に上記薄膜部位に対向して配置された可動部位と、を備え、上記可動部位は、上記薄膜部位に接触可能に配置され、上記薄膜部位によって可動範囲が規制されるものであり、上記薄膜部位は、単結晶シリコンからなり、アルカリ性溶液を用いた結晶異方性エッチングによってパターン加工されたものであり、上面に(100)面を有し、側面に(111)面を有し、かつ上記上面に上記結晶異方性エッチングによって形成された1つ又は複数のV型溝を有しており、上記(100)面に対して垂直方向の上記薄膜部位の断面において、上記(100)面と上記(111)面がなす角度θ、上記薄膜部位の厚み寸法d、上記上面の幅寸法W1、下面の幅寸法W2としたとき、
W1<W2−(d/tanθ)×2
の関係を満たすものである。
A semiconductor device according to the present invention includes a thin film portion formed on a substrate via a silicon oxide film layer, and a movable portion disposed on the thin film portion so as to face the thin film portion, and the movable device described above. The part is disposed so as to be in contact with the thin film part, and the movable range is regulated by the thin film part. The thin film part is made of single crystal silicon, and is patterned by crystal anisotropic etching using an alkaline solution. One or a plurality of V-shaped grooves which are processed, have a (100) plane on the top surface, a (111) plane on the side surface, and are formed by the crystal anisotropic etching on the top surface. And the angle θ formed by the (100) plane and the (111) plane, the thickness dimension d of the thin film portion, and the top surface of the thin film portion in a cross section perpendicular to the (100) plane.
W1 <W2- (d / tan θ) × 2
It satisfies the relationship.
本発明にかかる半導体装置の製造方法は、基材上にシリコン酸化膜層を介して形成された単結晶シリコン層の(100)面上にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、アルカリ性溶液を用いた結晶異方性エッチングによって上記エッチングマスクをマスクにして上記単結晶シリコン層をパターン加工して薄膜部位を形成するシリコンエッチング工程と、上記エッチングマスクを除去するマスク除去工程と、上記薄膜部位上に上記薄膜部位に対向して可動部位を配置する可動部位配置工程と、を含み、
上記マスク形成工程で、厚み寸法dの上記単結晶シリコン層に対して、薄膜部位形成予定領域で開口幅寸法Sが
S<(d/tanθ)×2
(θは上記単結晶シリコン層の(100)面と(111)面がなす角度)
の関係を満たす1つ又は複数の開口をもつように上記エッチングマスクを形成し、
上記シリコンエッチング工程で、上面に(100)面を有し、側面に(111)面を有し、かつ上記上面に上記結晶異方性エッチングによって形成された1つ又は複数のV型溝を有する上記薄膜部位を形成する。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention uses a mask forming step of forming an etching mask on a (100) plane of a single crystal silicon layer formed on a substrate via a silicon oxide film layer, and an alkaline solution. A silicon etching step for patterning the single crystal silicon layer using the etching mask as a mask by crystal anisotropic etching to form a thin film portion; a mask removing step for removing the etching mask; and a thin film portion on the thin film portion. A movable part placement step of placing the movable part opposite to the thin film part,
In the mask formation step, the opening width dimension S is S <(d / tan θ) × 2 in the thin film portion formation scheduled region with respect to the single crystal silicon layer having the thickness dimension d.
(Θ is an angle formed by the (100) plane and the (111) plane of the single crystal silicon layer)
Forming the etching mask so as to have one or more openings satisfying the relationship:
In the silicon etching step, the upper surface has a (100) surface, the side surface has a (111) surface, and the upper surface has one or more V-shaped grooves formed by the crystal anisotropic etching. The thin film portion is formed.
本発明の半導体装置において、薄膜部位の上面に結晶異方性エッチングによって形成されたV型溝が形成されている。
本発明の半導体装置の製造方法において、上記開口をもつエッチングマスクを用いて結晶異方性エッチングが行なわれることにより、薄膜部位の上面に結晶異方性エッチングによって形成されたV型溝が形成される。
上記V型溝を有する薄膜部位は、上記V型溝が形成されていない場合に比べて、上面の幅寸法W1と下面の幅寸法W2の比(W1/W2)が小さい。
すなわち、本発明の半導体装置及び製造方法は、薄膜部位の上面の幅寸法を従来技術と同じ寸法に設定したとき、従来技術と比較して薄膜部位の下面の幅寸法を大きくでき、薄膜部位直下のシリコン酸化膜層のエッチング許容量を大きくすることができる。
したがって、本発明の半導体装置及び製造方法は、薄膜部位と可動部位とのスティクションを防止しつつ、薄膜部位直下のシリコン酸化膜層の消失を防止できる。
In the semiconductor device of the present invention, a V-shaped groove formed by crystal anisotropic etching is formed on the upper surface of the thin film portion.
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, by performing crystal anisotropic etching using the etching mask having the opening, a V-shaped groove formed by crystal anisotropic etching is formed on the upper surface of the thin film portion. The
The thin film portion having the V-shaped groove has a smaller ratio (W1 / W2) of the upper surface width dimension W1 to the lower surface width dimension W2 than in the case where the V-shaped groove is not formed.
That is, in the semiconductor device and the manufacturing method of the present invention, when the width dimension of the upper surface of the thin film portion is set to be the same as that of the conventional technique, the width dimension of the lower surface of the thin film portion can be increased as compared with the conventional technique. The etching tolerance of the silicon oxide film layer can be increased.
Therefore, the semiconductor device and the manufacturing method of the present invention can prevent the disappearance of the silicon oxide film layer immediately below the thin film portion while preventing stiction between the thin film portion and the movable portion.
図1は、半導体装置の一実施例を説明するための概略的な断面図である。図2は同実施例を説明するための概略的な平面図である。図1の断面は図2のA−A’位置に対応している。図2ではバルブフラップの図示は省略されている。この実施例は本発明の半導体装置をマイクロポンプに適用したものである。図1及び図2はマイクロポンプのマイクロバルブ部分の拡大図である。図3は同実施例の全体を示した概略的な断面図である。図1から図3において図13と同じ部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining an embodiment of a semiconductor device. FIG. 2 is a schematic plan view for explaining the embodiment. The cross section in FIG. 1 corresponds to the A-A ′ position in FIG. 2. In FIG. 2, the valve flap is not shown. In this embodiment, the semiconductor device of the present invention is applied to a micropump. 1 and 2 are enlarged views of a microvalve portion of the micropump. FIG. 3 is a schematic sectional view showing the whole of the embodiment. 1 to 3, the same parts as those in FIG. 13 are denoted by the same reference numerals, and description of those parts is omitted.
マイクロポンプはバルブウエハ1、バルブウエハ3、メンブレンウエハ5を備えている。この実施例のマイクロポンプは、図13に示された従来技術のマイクロポンプと比較してバルブシート21の形状が異なっている。
The micropump includes a
バルブウエハ1及びバルブウエハ3で形成されるマイクロバルブは、支持層11(基材)上にBOX層13(シリコン酸化膜層)を介して形成されたバルブシート21(薄膜部位)と、バルブシート21上にバルブシート21上に対向して配置されたバルブフラップ23(可動部位)とを備えている。
The microvalve formed by the
バルブフラップ23は、バルブシート21に接触可能に配置され、また、バルブフラップ23は、バルブシート21によって可動範囲が規制される。
The
バルブシート21は、単結晶シリコンからなり、アルカリ性溶液を用いた結晶異方性エッチングによってパターン加工されたものである。また、バルブシート21は、上面21a及び下面21bに(100)面を有し、側面21cに(111)面を有している。さらに、バルブシート21は、上面21aに上記結晶異方性エッチングによって形成された2つのV型溝21d,21dを有している。
The
V型溝21dは、溝幅方向で側面21cに隣接して配置されている。V型溝21dと側面21cとの境界は上面21aよりも下面21b側に位置している。V型溝21dの壁面は(111)面である。2つのV型溝21d,21dの深さは、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。
The V-shaped
バルブシート21の(100)面に対して垂直方向のバルブシート21の断面(図1を参照。)において、バルブシート21の(100)面と(111)面がなす角度θ、バルブシート21の厚み寸法d、上面21aの幅寸法W1、下面21bの幅寸法W2としたとき、
W1<W2−(d/tanθ)×2
の関係を満たしている。
In the cross section of the
W1 <W2- (d / tan θ) × 2
Meet the relationship.
V型溝21dを有するバルブシート21は、V型溝21dが形成されていない場合(図17(6)を参照。)に比べて、上面21aの(100)面の幅寸法W1と下面21bの幅寸法W2の比(W1/W2)が小さい。すなわち、バルブシート21の上面21aの幅寸法を従来技術と同じ寸法に設定したとき、下面21bの幅寸法を従来技術と比較して大きくでき、バルブシート21直下のシリコン酸化膜層のエッチング許容量を大きくすることができる。したがって、この実施例は、バルブシート21とバルブフラップ23とのスティクションを防止しつつ、バルブシート21直下のBOX層13の消失を防止できる。
In the
図4、図5及び図6は、半導体装置の製造方法の一実施例を説明するための概略的な断面図である。図4、図5及び図6は、図1に示されたマイクロポンプのマイクロバルブ部分に対応している。以下に説明する各工程のかっこ数字は図4、図5及び図6中のかっこ数字に対応している。マイクロポンプ全体の製造工程は、エッチングマスクのパターン加工を除いて、図14、図15及び図16と同様である。図14、図15及び図16も参照して、この実施例を説明する。 4, 5, and 6 are schematic cross-sectional views for explaining an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device. 4, 5 and 6 correspond to the microvalve portion of the micropump shown in FIG. The parentheses for each step described below correspond to the parentheses in FIGS. 4, 5, and 6. The entire manufacturing process of the micro pump is the same as that of FIGS. 14, 15 and 16 except for the patterning of the etching mask. This embodiment will be described with reference to FIGS. 14, 15 and 16 as well.
(1)支持層11、BOX層13、活性層15を有するSOIウエハを準備する。支持層11及び活性層15は単結晶シリコンである。BOX層はシリコン酸化膜である。例えば、活性層15の厚みdは20.0μmである。支持層11表面及び活性層15表面は(100)面である。
(1) An SOI wafer having a
支持層11表面及び活性層15表面にシリコン酸化膜からなるエッチングマスクを形成する。エッチングマスクの膜種は結晶異方性エッチングの際にシリコンとの選択比が見込めエッチングマスクとして耐えうるものであればよく、例えば熱酸化膜を用いる。
An etching mask made of a silicon oxide film is formed on the surface of the
写真製版技術及びエッチング技術により、活性層15上のエッチングマスクをパターン加工してエッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bを形成する。エッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bは薄膜部位形成予定領域に配置されている。エッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bの配置によって、エッチングマスクの開口29cが形成されている。支持層11上のエッチングマスク29は、この時点ではパターン加工されない。
The etching mask on the
図7は、活性層15上に形成されたエッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bを示す平面図である。
FIG. 7 is a plan view showing an
エッチングマスク29a、犠牲パターン部分29b及び開口29cは、それぞれ環状に形成されている。エッチングマスク29aの内側と外側にそれぞれ犠牲パターン部分29bが配置されている。エッチングマスク29aと犠牲パターン部分29bは間隔をもって配置されており、エッチングマスク29aと犠牲パターン部分29bとの間に開口29cが形成されている。
The
例えば、エッチングマスク29aの幅寸法X1は5.0μm、犠牲パターン部分29bの幅寸法X2は1.0μm、開口29cの幅寸法Sは20.0μmである。また、エッチングマスク29,29a及び犠牲パターン部分29bの厚み寸法は、例えば0.3μmである。
For example, the width dimension X1 of the
エッチングマスク29aの幅寸法X1は、後述する工程(6)での結晶異方性エッチング処理にエッチングマスク29aが消失しない値に設定されている。
犠牲パターン部分29bの幅寸法X2は、後述する工程(6)での結晶異方性エッチング処理中に犠牲パターン部分29bが消失する値に設定されている。なお、エッチングマスク29aに対して内側の犠牲パターン部分29bの幅寸法X2と外側の犠牲パターン部分29bの幅寸法X2は、同じ値であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。
The width dimension X1 of the
The width dimension X2 of the
エッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bの厚み寸法は、後述する工程(6)での結晶異方性エッチング処理中にエッチングマスク29aが消失しない値に設定されている。
The thickness dimensions of the
開口29cの幅寸法Sは、
S<(d/tanθ)×2
(dは活性層15の厚み寸法、θは活性層15の(100)面と(111)面がなす角度)
の関係を満たす値に設定されている。
The width dimension S of the
S <(d / tan θ) × 2
(D is the thickness dimension of the
It is set to a value that satisfies the relationship.
(2)エッチングマスク31を全面に成膜する。エッチングマスク31はエッチングマスク29,29a及び犠牲パターン部分29bを保護する。エッチングマスク31の膜種は結晶異方性エッチングの際に選択比が高く、ほとんどエッチングされない膜が望まれる。例えば、LP−CVD(Low Pressure - Chemical Vapor Deposition)法によるシリコン窒化膜を用いる。
(2) An
(3)写真製版技術及びエッチング技術により、支持層11上のエッチングマスク29,31をパターン加工する。吸入口17及び吐出口29の形成予定位置に対応する開口が形成される。
(3) The etching masks 29 and 31 on the
(4)アルカリ性溶液を用いた単結晶シリコンの結晶異方性エッチングが行なわれる。この結晶異方性エッチングには一般的なアルカリ性薬液(例えばKOH、TMAH等)が用いられる。上記工程(3)でエッチングマスク29,31が開口された箇所の支持層11が結晶異方性エッチングされる。このとき、単結晶シリコンのエッチング速度よりも遅いエッチング速度で、シリコン酸化膜もエッチングされる。このシリコン酸化膜エッチングは等方性を有する。
(4) Crystal anisotropic etching of single crystal silicon using an alkaline solution is performed. A general alkaline chemical solution (for example, KOH, TMAH, etc.) is used for this crystal anisotropic etching. The
エッチングマスク29,31の開口から約54.7°の角度でエッチングが進行し、支持層11の(111)面が露出する。結晶異方性エッチングはBOX層13に達するまで行なわれる。これにより、吸入口17及び吐出口19が形成される。
Etching proceeds at an angle of about 54.7 ° from the openings of the etching masks 29 and 31, and the (111) plane of the
この結晶異方性エッチングにおいて、吸入口17及び吐出口19の底部に支持層11が残存しないようにオーバーエッチングが施される。したがって、シリコン酸化膜からなるBOX層13の支持層11側の一部分もエッチングされる。
In this crystal anisotropic etching, overetching is performed so that the
(5)熱リン酸等を用いてエッチングマスク31が全面除去される。活性層15上のエッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bと活性層15の表面の一部が露出される。
(5) The
(6)再度結晶異方性エッチングを行なう。活性層15上のエッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bの開口から約54.7°の角度でエッチングが進行し、活性層15の(111)面が露出する。結晶異方性エッチングはBOX層13に達するまで行なわれる。これにより、バルブシート21とバルブフラップ23が形成される。
(6) Perform crystal anisotropic etching again. Etching proceeds at an angle of about 54.7 ° from the openings of the
この結晶異方性エッチングにおいて、吸入口17の底部と重なる位置に活性層15が残存しないようにオーバーエッチングが施される。したがって、BOX層13の活性層15側の一部分もエッチングされる。
In this crystal anisotropic etching, overetching is performed so that the
アルカリ性溶液によるシリコン酸化膜のエッチングは等方性を有するので、バルブシート21直下のBOX層13の一部分もエッチングされる。また、活性層15上のエッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bや支持層11上のエッチングマスク29、吸入口17及び吐出口19の底部のBOX層13の支持層11側の一部分もエッチングされる。
Since the etching of the silicon oxide film with the alkaline solution is isotropic, a part of the
この結晶異方性エッチング処理において、バルブシート21の形成位置では開口29cの幅寸法Sは、「S<(d/tanθ)×2」に設定されているので、バルブシート21の上面21aにV型溝21dが形成される。
In this crystal anisotropic etching process, the width dimension S of the
エッチングマスク29aの幅寸法X1は結晶異方性エッチング処理中にエッチングマスク29aが消失しない値に設定されているので、バルブシート21の上面21aは(100)面で形成される。
Since the width dimension X1 of the
犠牲パターン部分29bの幅寸法X2は結晶異方性エッチング処理中に犠牲パターン部分29bが消失する値に設定されているので、犠牲パターン部分29bは結晶異方性エッチング処理中に消失する。犠牲パターン部分29bが消失した部分からも活性層15のエッチングが進行する。これにより、V型溝21dは、溝幅方向で側面21cに隣接して形成される。さらに、V型溝21dと側面21cとの境界は上面21aよりも下面21b側に形成される。バルブシート21の側面21c及びV型溝21dの壁面は(111)面で形成される。
Since the width dimension X2 of the
なお、開口29cの幅寸法Sは、結晶異方性エッチング処理中におけるエッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bの水平方向エッチング量、及び犠牲パターン部分29bの消失時期も考慮して、V型溝21dが下面21bに到達しない値に設定される。
The width dimension S of the
(7)例えばフッ酸等を用いてウエットエッチングを行なう。エッチングマスク29及び、結晶異方性エッチングにて露出した部分のBOX層13が除去される。これにより、バルブウエハ1,3が形成される。このシリコン酸化膜エッチングは等方性を有するので、バルブシート21直下のBOX層13の一部分もエッチングされるが、バルブシート21直下に十分な幅寸法のBOX層13を残すことができる。なお、ここでのシリコン酸化膜エッチングは例えばフッ酸等を用いた気相エッチングであってもよい。
(7) Wet etching is performed using, for example, hydrofluoric acid. The
(8)バルブウエハ1,3の表面に犠牲層7を成膜する。犠牲層7は例えば熱酸化膜を用いる。
(8) A
(9)2枚のバルブウエハ1,3を用意し、一方のウエハを上下反転させてバルブウエハ1,3の接合を行なう。このとき、犠牲層7同士が接合界面33で接合される。
(9) Two
(10)接合されたバルブウエハ1,3に対して、バルブウエハ3の支持層11側から研削と研磨を行ない、バルブウエハ3を調厚する。この時点では犠牲層7によりバルブシート21とバルブフラップ23は接合界面33で接合されており、研削、研磨時の応力による破損が防止される。
(10) Grinding and polishing the bonded
(11)研磨されたバルブウエハ3の研磨面にメンブレンウエハ5を接合する。メンブレンウエハ5の表面にはシリコン酸化膜からなる犠牲層9が形成されている。メンブレンウエハ5が接合された時点でメンブレン25及び液室27が形成される。支持層11表面及び活性層15表面は(100)面である。
(11) The
(12)図3も参照して説明する。上記工程(11)の時点ではバルブシート21とバルブフラップ23が犠牲層7によって接合されており、バルブとして可動しないので、犠牲層7のエッチングを行なう。このとき、犠牲層9もエッチングされる。接合界面33に存在する犠牲層7を消失させることで、バルブシート21とバルブフラップ23とを剥離する。犠牲層エッチングは、例えばフッ酸等を用いた気相エッチングで行なわれる。なお、犠牲層エッチングは例えばフッ酸等を用いたウエットエッチングであってもよい。
(12) This will be described with reference to FIG. At the time of the above step (11), the
その後、圧電素子等(図示しない)をメンブレン25上に貼付してマイクロポンプが完成する。なお、図3では、バルブシート1の犠牲層7とバルブシート3の犠牲層7は一体化して図示されている。
Thereafter, a piezoelectric element or the like (not shown) is pasted on the
図8は、半導体装置の他の実施例を説明するための概略的な断面図であり、マイクロポンプのマイクロバルブ部分の拡大図である。この実施例のマイクロバルブ全体の構成は、バルブシートの形状を除いて、図3と同じである。図8において図1と同じ部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining another embodiment of the semiconductor device, and is an enlarged view of a microvalve portion of the micropump. The overall configuration of the microvalve in this embodiment is the same as that shown in FIG. 3 except for the shape of the valve seat. In FIG. 8, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description of those parts is omitted.
この実施例のバルブシート21は上面21aに1つのV型溝21dを有している。V型溝21dは側面21cとは間隔をもって配置されている。バルブシート21の上面21aは、幅寸法W11の部分と幅寸法W12の部分とに分割されている。幅寸法W11と幅寸法W12は、同じ値であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。
The
バルブシート21の(100)面と(111)面がなす角度θ、バルブシート21の厚み寸法d、上面21aの幅寸法W1=W11+W12、下面21bの幅寸法W2としたとき、
W1<W2−(d/tanθ)×2
の関係を満たしている。
When the angle θ formed by the (100) surface and the (111) surface of the
W1 <W2- (d / tan θ) × 2
Meet the relationship.
バルブシート21は上面21aにV型溝21dを有しているので、この実施例は、バルブシート21の上面21aの幅寸法W1を従来技術と同じ寸法に設定したとき、下面21bの幅寸法W2を従来技術(W1=W2−(d/tanθ)×2)と比較して大きくでき、薄膜部位直下のシリコン酸化膜層のエッチング許容量を大きくすることができる。したがって、この実施例は、バルブシート21とバルブフラップ23とのスティクションを防止しつつ、バルブシート21直下のBOX層13の消失を防止できる。
Since the
図9は、半導体装置の製造方法の他の実施例で用いられるエッチングマスクを説明するための概略的な断面図であり、図8に示されたバルブシートを形成するためのエッチングマスクを説明するための図である。図9は、図4(1)の工程に対応している。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining an etching mask used in another embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device, and illustrates the etching mask for forming the valve seat shown in FIG. FIG. FIG. 9 corresponds to the process of FIG.
この製造方法の実施例は、図4から図6を参照して説明した製造方法の実施例の工程(1)において、図4(1)に示されたエッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bに替えて、図9に示されたエッチングマスク29aを形成する。その他の工程は図4から図6を参照して説明した製造方法の実施例の上記工程(2)から上記工程(12)と同様である。
This embodiment of the manufacturing method is replaced with the
図9において、上方から見て環状のエッチングマスク29aに開口29cが形成されている。開口29cはエッチングマスク29aの長さ方向に沿って環状に形成されている。エッチングマスク29aは開口29cによって2つに分離されている。
In FIG. 9, an
エッチングマスク29aの幅寸法X11,X12は、上記工程(6)での結晶異方性エッチング処理にエッチングマスク29aが消失しない値に設定されている。エッチングマスク29aの厚み寸法は、上記工程(6)での結晶異方性エッチング処理中にエッチングマスク29aが消失しない値に設定されている。幅寸法X11,X12は、同じ値であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。
The width dimensions X11 and X12 of the
開口29cの幅寸法Sは、
S<(d/tanθ)×2
(dは活性層15の厚み寸法、θは活性層15の(100)面と(111)面がなす角度)
の関係を満たす値に設定されている。
The width dimension S of the
S <(d / tan θ) × 2
(D is the thickness dimension of the
It is set to a value that satisfies the relationship.
なお、開口29cの幅寸法Sは、上記工程(6)での結晶異方性エッチング処理中におけるエッチングマスク29aの水平方向エッチング量を考慮して、V型溝21dが下面21bに到達しない値に設定される。
The width dimension S of the
上記工程(1)で図9に示されたエッチングマスク29a及び開口29cを形成し、その後、上記工程(2)から上記工程(12)と同様の工程を行なうことにより、図8に示されたバルブシート21をもつマイクロポンプが形成される。
The
図10は、半導体装置のさらに他の実施例を説明するための概略的な断面図であり、マイクロポンプのマイクロバルブ部分の拡大図である。この実施例のマイクロバルブ全体の構成は、バルブシートの形状を除いて、図3と同じである。図10において図1と同じ部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining still another embodiment of the semiconductor device, and is an enlarged view of a microvalve portion of the micropump. The overall configuration of the microvalve in this embodiment is the same as that shown in FIG. 3 except for the shape of the valve seat. In FIG. 10, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description of those parts is omitted.
この実施例のバルブシート21は上面21aに2つのV型溝21d,21dを有している。2つのV型溝21d,21dは溝幅方向で隣接して配置されている。2つのV型溝21d,21dの境界は、上面21aよりも下面21b側に位置している。V型溝21dは側面21cとは間隔をもって配置されている。2つのV型溝21d,21dの深さは、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。
The
バルブシート21の(100)面と(111)面がなす角度θ、バルブシート21の厚み寸法d、上面21aの幅寸法W1=W11+W12、下面21bの幅寸法W2としたとき、
W1<W2−(d/tanθ)×2
の関係を満たしている。
When the angle θ formed by the (100) surface and the (111) surface of the
W1 <W2- (d / tan θ) × 2
Meet the relationship.
この実施例でも、上記実施例と同様に、バルブシート21は上面21aにV型溝21dを有しているので、この実施例は、バルブシート21とバルブフラップ23とのスティクションを防止しつつ、バルブシート21直下のBOX層13の消失を防止できる。
Also in this embodiment, since the
図11は、半導体装置の製造方法のさらに他の実施例で用いられるエッチングマスクを説明するための概略的な断面図であり、図10に示されたバルブシートを形成するためのエッチングマスクを説明するための図である。図11は、図4(1)の工程に対応している。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view for explaining an etching mask used in still another embodiment of the semiconductor device manufacturing method, and illustrates the etching mask for forming the valve seat shown in FIG. It is a figure for doing. FIG. 11 corresponds to the process of FIG.
この製造方法の実施例は、図4から図6を参照して説明した製造方法の実施例の工程(1)において、図4(1)に示されたエッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bに替えて、図11に示されたエッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bを形成する。その他の工程は図4から図6を参照して説明した製造方法の実施例の上記工程(2)から上記工程(12)と同様である。
This embodiment of the manufacturing method is replaced with the
図11において、上方から見て環状のエッチングマスク29a,29a、犠牲パターン部分29b及び開口29c,29cが形成されている。内側から順に、エッチングマスク29a、開口29c、犠牲パターン部分29b、開口29c、エッチングマスク29aが配置されている。
In FIG. 11, when viewed from above,
エッチングマスク29a,29の幅寸法X11,X12は、上記工程(6)での結晶異方性エッチング処理にエッチングマスク29aが消失しない値に設定されている。幅寸法X11,X12は、同じ値であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。
The width dimensions X11 and X12 of the etching masks 29a and 29 are set to values at which the
犠牲パターン部分29bの幅寸法X2は、上記工程(6)での結晶異方性エッチング処理中に犠牲パターン部分29bが消失する値に設定されている。
エッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bの厚み寸法は、上記工程(6)での結晶異方性エッチング処理中にエッチングマスク29aが消失しない値に設定されている。
The width dimension X2 of the
The thickness dimensions of the
開口29c,29cの幅寸法Sは、
S<(d/tanθ)×2
(dは活性層15の厚み寸法、θは活性層15の(100)面と(111)面がなす角度)
の関係を満たす値に設定されている。一方の開口29cの幅寸法Sと他方の開口29cの幅寸法Sは、同じ値であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。
The width dimension S of the
S <(d / tan θ) × 2
(D is the thickness dimension of the
It is set to a value that satisfies the relationship. The width dimension S of one
上記工程(1)で図11に示されたエッチングマスク29a及び開口29cを形成し、その後、上記工程(2)から上記工程(12)と同様の工程を行なうことにより、図10に示されたバルブシート21をもつマイクロポンプが形成される。
The
図12は、半導体装置の製造方法のさらに他の実施例で用いられるエッチングマスクを説明するための概略的な平面図であり、バルブシートのさらに他の形状例を形成するためのエッチングマスクを説明するための図である。図12は、図4(1)の工程に対応している。 FIG. 12 is a schematic plan view for explaining an etching mask used in still another embodiment of the semiconductor device manufacturing method, and illustrates an etching mask for forming still another shape example of the valve seat. It is a figure for doing. FIG. 12 corresponds to the process of FIG.
上記で説明された実施例では犠牲パターン部分29bは帯状に形成されているが、犠牲パターン部分29bは分割されていてもよい。
例えば、図12に示されるように、図7に示された犠牲パターン部分29bに対して開口29dが形成されているようにしてもよい。
In the embodiment described above, the
For example, as shown in FIG. 12, an
開口29dの幅寸法S2は、
S2<(d/tanθ)×2
(dは活性層15の厚み寸法、θは活性層15の(100)面と(111)面がなす角度)
の関係を満たす値に設定されている。
The width dimension S2 of the
S2 <(d / tan θ) × 2
(D is the thickness dimension of the
It is set to a value that satisfies the relationship.
上記工程(6)での結晶異方性エッチング処理において、開口29dからも活性層15のエッチングが進行するが、開口29dは上記幅寸法S2に設定されているので、開口29dに起因して形成されるV型溝21dはバルブシート21の下面21bに到達しない。
In the crystal anisotropic etching process in the step (6), the etching of the
なお、開口29dの幅寸法S2は、上記工程(6)での結晶異方性エッチング処理中におけるエッチングマスク29a及び犠牲パターン部分29bの水平方向エッチング量、及び犠牲パターン部分29bの消失時期も考慮して、V型溝21dが下面21bに到達しない値に設定される。
The width dimension S2 of the
以上、本発明の実施例を説明したが、上記実施例での数値、材料、配置、個数等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。 As mentioned above, although the Example of this invention was described, the numerical value, material, arrangement | positioning, number, etc. in the said Example are examples, This invention is not limited to these, It was described in the claim Various modifications are possible within the scope of the present invention.
上記実施例において、V型溝21dの本数は任意である。例えば、図1に示されたバルブシート21の構造において、一方の側面21cに隣接配置された1つのV型溝21dのみを備えているようにしてもよい。また、図1に示されたバルブシート21の構造において、図10に示されたV型溝21d構造を組み合わせ、側面21cに隣接配置されたV型溝21dに対して側面21cとは反対側でV型溝21dに隣接配置されたV型溝をさらに備えていてもよい。
In the above embodiment, the number of V-shaped
また、バルブシート21の下面は平坦でなくてもよい。例えば、バルブシート21の下面にシリコン酸化膜が埋め込まれた凹部や単結晶シリコンからなる凸部が形成されていてもよい。
Further, the lower surface of the
また、上記実施例は薄膜部位としてのバルブシート21と可動部位としてのバルブフラップ23を備えているが、本発明の半導体装置及び製造方法において、薄膜部位及び可動部位はバルブシート及びバルブフラップに限定されない。
Moreover, although the said Example is equipped with the
本発明の半導体装置及び製造方法は、基材上にシリコン酸化膜層を介して形成された薄膜部位と、上記薄膜部位上に上記薄膜部位に対向して配置された可動部位と、を備え、上記可動部位は、上記薄膜部位に接触可能に配置され、上記薄膜部位によって可動範囲が規制されるものであり、上記薄膜部位は、単結晶シリコンからなり、アルカリ性溶液を用いた結晶異方性エッチングによってパターン加工されたものであり、上面に(100)面を有し、側面に(111)面を有している半導体装置及びその製造方法に適用できる。例えば、このような構造を備えたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)及びその製造方法に本発明を適用できる。 A semiconductor device and a manufacturing method of the present invention include a thin film portion formed on a base material via a silicon oxide film layer, and a movable portion disposed on the thin film portion so as to face the thin film portion, The movable part is disposed so as to be in contact with the thin film part, and the movable range is regulated by the thin film part. The thin film part is made of single crystal silicon, and crystal anisotropic etching using an alkaline solution is performed. Is applied to a semiconductor device having a (100) plane on the top surface and a (111) plane on the side surface, and a method for manufacturing the same. For example, the present invention can be applied to MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) having such a structure and a manufacturing method thereof.
また、本発明の半導体装置及び製造方法において、可動部位の材料は、単結晶シリコン層(活性層15)に限定されず、どのような材料であってもよい。
また、本発明の半導体装置における薄膜部位及び、本発明の製造方法におけるエッチングマスクは、環状に形成されたものに限定されず、どのような平面形状であってもよい。
In the semiconductor device and the manufacturing method of the present invention, the material of the movable part is not limited to the single crystal silicon layer (active layer 15), and may be any material.
Moreover, the thin film part in the semiconductor device of this invention and the etching mask in the manufacturing method of this invention are not limited to what was formed in cyclic | annular form, What kind of planar shape may be sufficient.
また、本発明の半導体装置及び製造方法は、SOI基板が用いられることに限定されず、基材上にシリコン酸化膜層を介して形成された単結晶シリコンからなる薄膜部位を備えた半導体装置及び製造方法に適用可能である。本発明の半導体装置及び製造方法において、基材の材料は任意である。 In addition, the semiconductor device and the manufacturing method of the present invention are not limited to the use of an SOI substrate, and a semiconductor device including a thin film portion made of single crystal silicon formed on a base material via a silicon oxide film layer, and Applicable to manufacturing method. In the semiconductor device and the manufacturing method of the present invention, the material of the base material is arbitrary.
また、本発明の半導体装置の製造方法において、エッチングマスクの材料はシリコン酸化膜に限定されない。該エッチングマスクの材料は、単結晶シリコンの結晶異方性エッチングに対して、シリコン酸化膜よりもエッチングレートが高いものであってもよいし低いものであってもよい。また、エッチングマスクは複数の材料層が積層された積層膜であってもよい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the material of the etching mask is not limited to the silicon oxide film. The material of the etching mask may be higher or lower than the silicon oxide film with respect to crystal anisotropic etching of single crystal silicon. The etching mask may be a laminated film in which a plurality of material layers are laminated.
また、本発明の半導体装置の製造方法において、上記シリコンエッチング工程の後に上記シリコン酸化膜層に対する等方性エッチングを行なわなくてもよい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the silicon oxide film layer may not be isotropically etched after the silicon etching step.
また、本発明の半導体装置の製造方法において、上記可動部位配置工程は、上記薄膜部位の上にシリコン酸化膜からなる犠牲層を介して上記可動部位を配置した後、上記犠牲層を除去する工程を含まなくてもよい。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the movable part disposing step includes a step of removing the sacrificial layer after disposing the movable part on the thin film part via a sacrificial layer made of a silicon oxide film. May not be included.
7 犠牲層
13 BOX層(シリコン酸化膜層)
15 活性層(単結晶シリコン層)
21 バルブシート(薄膜部位)
21a バルブシートの上面
21b バルブシートの下面
21c バルブシートの側面
21d V型溝
23 バルブフラップ(可動部位)
29a エッチングマスク
29b エッチングマスクの犠牲パターン部分
29c,29d エッチングマスクの開口
7
15 Active layer (single crystal silicon layer)
21 Valve seat (thin film part)
21a Valve seat
Claims (10)
前記可動部位は、前記薄膜部位に接触可能に配置され、前記薄膜部位によって可動範囲が規制されるものであり、
前記薄膜部位は、単結晶シリコンからなり、アルカリ性溶液を用いた結晶異方性エッチングによってパターン加工されたものであり、上面に(100)面を有し、側面に(111)面を有し、かつ前記上面に前記結晶異方性エッチングによって形成された1つ又は複数のV型溝を有しており、
前記(100)面に対して垂直方向の前記薄膜部位の断面において、前記(100)面と前記(111)面がなす角度θ、前記薄膜部位の厚み寸法d、前記上面の幅寸法W1、下面の幅寸法W2としたとき、
W1<W2−(d/tanθ)×2
の関係を満たすことを特徴とする半導体装置。 A thin film portion formed on a base material via a silicon oxide film layer, and a movable portion disposed on the thin film portion so as to face the thin film portion,
The movable part is disposed so as to be in contact with the thin film part, and the movable range is regulated by the thin film part,
The thin film portion is made of single crystal silicon and patterned by crystal anisotropic etching using an alkaline solution, has a (100) plane on the top surface, a (111) plane on the side surface, And one or more V-shaped grooves formed by the crystal anisotropic etching on the upper surface,
In a cross section of the thin film portion in a direction perpendicular to the (100) plane, an angle θ formed by the (100) plane and the (111) surface, a thickness dimension d of the thin film portion, a width dimension W1 of the upper surface, a lower surface When the width dimension W2 is
W1 <W2- (d / tan θ) × 2
A semiconductor device characterized by satisfying the relationship:
前記V型溝と前記側面との境界は前記上面よりも前記下面側に位置している請求項1に記載の半導体装置。 The thin film portion has at least the V-shaped groove disposed adjacent to the side surface of the thin film portion in the groove width direction,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a boundary between the V-shaped groove and the side surface is located on the lower surface side with respect to the upper surface.
前記2つのV型溝の境界は前記上面よりも前記下面側に位置している請求項1又は2に記載の半導体装置。 The thin film portion has at least two V-shaped grooves arranged adjacent to each other in the groove width direction,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a boundary between the two V-shaped grooves is located on the lower surface side with respect to the upper surface.
環状に設けられた前記薄膜部位からなるバルブシートと、を有するマイクロポンプを備えている請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。 A valve comprising the movable part;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising a micropump having a valve seat made of the thin film portion provided in an annular shape.
アルカリ性溶液を用いた結晶異方性エッチングによって前記エッチングマスクをマスクにして前記単結晶シリコン層をパターン加工して薄膜部位を形成するシリコンエッチング工程と、
前記エッチングマスクを除去するマスク除去工程と、
前記薄膜部位上に前記薄膜部位に対向して可動部位を配置する可動部位配置工程と、を含み、
前記マスク形成工程で、厚み寸法dの前記単結晶シリコン層に対して、薄膜部位形成予定領域で開口幅寸法Sが
S<(d/tanθ)×2
(θは前記単結晶シリコン層の(100)面と(111)面がなす角度)
の関係を満たす1つ又は複数の開口をもつように前記エッチングマスクを形成し、
前記シリコンエッチング工程で、上面に(100)面を有し、側面に(111)面を有し、かつ前記上面に前記結晶異方性エッチングによって形成された1つ又は複数のV型溝を有する前記薄膜部位を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A mask forming step of forming an etching mask on the (100) surface of the single crystal silicon layer formed on the substrate via the silicon oxide film layer;
A silicon etching step of patterning the single crystal silicon layer using the etching mask as a mask by crystal anisotropic etching using an alkaline solution to form a thin film portion;
A mask removing step of removing the etching mask;
A movable part placement step of placing a movable part opposite to the thin film part on the thin film part, and
In the mask formation step, the opening width dimension S is S <(d / tan θ) × 2 in the thin film portion formation scheduled region with respect to the single crystal silicon layer having the thickness dimension d
(Θ is an angle formed by the (100) plane and the (111) plane of the single crystal silicon layer)
Forming the etching mask so as to have one or more openings satisfying the relationship:
In the silicon etching process, the upper surface has a (100) surface, a side surface has a (111) surface, and the upper surface has one or more V-shaped grooves formed by the crystal anisotropic etching. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the thin film portion is formed.
前記マスク除去工程で、等方性エッチングによって、前記薄膜部位直下に前記シリコン酸化膜層を残存させつつ前記エッチングマスクを除去する請求項5又は6に記載の半導体装置の製造方法。 Forming the etching mask made of a silicon oxide film in the mask forming step;
7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein, in the mask removing step, the etching mask is removed by isotropic etching while leaving the silicon oxide film layer immediately below the thin film portion.
環状に設けられた前記薄膜部位からなるバルブシートと、を有するマイクロポンプを形成する請求項5から9のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 A valve comprising the movable part;
10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein a micropump having a valve seat made of the thin film portion provided in an annular shape is formed.
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