JP2015185816A

JP2015185816A - 光路変換部品の製造方法及び光路変換部品

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Publication number: JP2015185816A
Application number: JP2014063876A
Authority: JP
Inventors: 慶子住友; Keiko Sumitomo; 利浩亀井; Toshihiro Kamei; 佐千子伊藤; Sachiko Ito; 久幸加藤; Hisayuki Kato
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2015-10-22

Abstract

【課題】シリコン基板として広く採用されている、(１００)面をウエハ面としたものを使用しながらも、深い反射面を備える光路変換部品を実現するとともに、平滑でしかもアンダーカットの少ない半導体光路変換部品の製造を可能にする。【解決手段】(１００)面をウエハ面としたシリコン基板に対し、反射面が＜１００＞軸と平行となるようエッチングマスクのパターンを形成する工程と、前記シリコン基板を、界面活性剤、ポリエチレングリコール及びアルコールの少なくとも１つ以上を添加した、第４級水酸化アンモニウム水溶液に浸漬し、前記水溶液の温度を、エッチング期間の間６５℃以上で７５℃以下の温度範囲に制御して異方性エッチングすることにより、ウエハ面に対し４５?の傾斜をもつ(１１０)面の反射面を形成するエッチング工程により、光路変換部品を製造する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ(ＬＤ)、光学フィルター、受光素子などの機能を集積化させた光集積回路や装置に関し、具体的には、レーザ励起蛍光検出器、光ピックアップ装置、光配線モジュール、光ファイバーアレイなどマイクロミラーを有する光路変換部品の製造方法，及びこの製造方法により製造された光路変換部品に関する。

本技術分野の背景技術として、特許文献１および特許文献２には、シリコン結晶面(１００)面に対して(１１１)面の方向に９.７°傾斜した角度でスライスした基板を、水酸化カリウム等のアルカリ水溶液で異方性エッチングすることにより、シリコン結晶面(１１１)面の４５°のマイクロミラーを得ることが記載されている。また、特許文献３には、オフアングルを持たないシリコン基板に対し、水酸化カリウムにイソプロピルアルコールを加えた溶液で異方性エッチングを行うことが記載されている。

さらに、非特許文献１には、シリコン結晶面によるエッチング速度比やエッチング面の平滑度は、エッチング溶液の組成や、その濃度によりコントロールすることが記載されている。広く採用されているエッチング溶液の組成としては、水酸化カリウムや水酸化テトラメチルアンモニウム(ＴＭＡＨ)にイソプロピルアルコールを添加したもの、ＴＭＡＨに非イオン界面活性剤を添加したもの、エチレンジアミンピロカテコール等が挙げられている。

特開２００４−２４７４３０号公報特開２００９−２２９８０９号公報特許第３４３０８２７号公報

Japanese Journal of Applied Physics, vol. 49, pp. 096503, 2010.

特に、ヘテロ集積化蛍光検出デバイス等の光路変換部品として、シリコンミラーを採用する場合、検出限界を下げるためにも、散乱光を抑え、しかも、光源となる半導体レーザなどからの光信号を光量の損失を最小限に、有効に利用することが求められる。こうした特性を実現するためには、シリコンミラーを、異方性エッチング等で形成する際、垂直方向の広がり(深さ)を備えるとともに、散乱の小さい平滑なミラー面を形成する技術が要求される。

シリコン基板に対し４５°の傾斜を有するマイクロミラーを形成する手法として、産業的に多く用いられているのが、特許文献２等に示されているような、＜１１０＞方向を回転軸として、(１００)面が基板表面に対して、９.７°傾斜されたカットオフ基板を用いてアルカリ水溶液による異方性エッチングをし、エッチングレートの遅い(１１１)結晶面からなる４５°のミラーを作製する手法である。

(１００)面に対し、(１１１)面の化学的安定性が非常に高いため、アンダーカットも少なく、光デバイスのミラーとして利用可能な数１００μｍの深さのミラーを形成できる。しかしながら、基板表面およびエッチング底面は、化学的に安定した(１００)面ではなく、その面に対して９．７°傾いたオフアングル面となることから、基板表面に対し底面が正確に平行とならない場合も生じる。そうした場合、基板表面に対し、上方に導かれる出射光の光軸が基板垂直方向からずれることになる。また、例えば、オリエンテーションフラット(以下、オリフラともいう。)に対し、(１００)面を９.７°傾けたＳｉウエハを形成することは、高い切断精度が要求され、コストアップを招く。

特許文献３には、オフアングルを持たないシリコン基板に対し異方性エッチングを行うことが記載されているが、その図１から明らかなように、凹部が、＜１００＞方向に対し垂直方向に形成されているため、(１００)面と(１１０)面のエッチングレート比を幾何学的に有効に活用することができず、基板面に対し正確に４５°の角度をなす(１１０)面を露呈させることが困難である。

半導体デバイス製造で最もよく用いられている安価で化学的に安定なシリコン(１００)基板に４５°マイクロミラーを形成する手法として、非特許文献１に示されているように、界面活性剤やアルコールといった添加剤を加えたアルカリ水溶液の異方性エッチングが用いられる。この方法は、界面活性剤などによりＳｉ(１１０)面のエッチング速度を抑制することにより、基板面である(１００)結晶面と４５°の角度を有する(１１０)結晶面を側壁に露呈した反射面を形成するものである。この場合、(１００)と(１１０)のエッチングレート比が１〜７程度であり、マスク下方にエッチングが及ぶアンダーカットが大きくなるといった問題や、(１１０)面の表面が荒れるといった問題がある。

エッチング溶液の組成とは別に、エッチング面の平滑度に影響を与える要因に、反応容器中に存在する気泡があげられる。アルカリ水溶液によるＳｉのエッチングは、反応生成物として水素が発生する。また、シリコンとアルカリの反応は遅く、アルカリ水溶液の温度を高めるほど反応が促進されることから、最も加工効率の高い沸点近傍、すなわち、８０〜９０℃に加熱して行うのが一般的である。このため、溶液中に水蒸気等の気泡が発生し、エッチング面に付着し、表面の荒れの原因になる。さらに、添加剤を用いた異方性エッチングでは、エッチングが進行するにつれ(深さ数百μｍ以上)、マスク素材であるシリコン酸化膜やシリコン窒化膜のアンダーカットが大きくなってしまう。一般に、アンダーカットの幅は、(１００)面と(１１０)面のエッチングレートの比で決定される。(１００)面と(１１０)面とでは、エッチングレートの温度依存性が互いに異なることから、エッチングレートの比も温度依存性を示す。

さらに、エッチング面に付着した気泡がその場に停滞し、初期のマスクパターンを反映したエッチングができないといった形状の悪化を招く。水素の気泡発生を抑える手段として、酸素ガスとアルカリ水溶液の混合流によるエッチングや、水素と反応するケトンあるいはアルデヒドを添加したエッチング液を利用する方法が提案されている。しかし、これらの方法ではエッチング面の荒れを防ぐ効果は示しているが、特に、深いマイクロミラーを形成する際には、気泡の影響によるエッチングパターンの形状破壊を防止することができない。

そこで、本発明の目的は、シリコン基板として広く採用されている、(１００)面を基板面としたものを使用しながらも、深い反射面を実現するとともに、平滑でしかもアンダーカットの少ない半導体ミラーの製造を可能とすることにある。

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。

本発明の方法は、光路変換部品を製造する方法であって、(１００)面をウエハ面としたシリコン基板に対し、反射面が＜１００＞軸と平行となるようエッチングマスクのパターンを形成する工程と、前記シリコン基板を、界面活性剤、ポリエチレングリコール及びアルコールの少なくとも１つ以上を添加した、第４級水酸化アンモニウム水溶液に浸漬し、前記水溶液の温度を、エッチング期間の間６５℃以上で７５℃以下の温度範囲に制御して異方性エッチングすることにより、前記ウエハ面に対し４５°の傾斜をもつ(１１０)面の反射面を形成するエッチング工程を、少なくとも具備することを特徴とする。前記エッチング工程の終了後、エッチングにより形成された前記反射面に、金属又は誘電体多層膜からなる反射膜を形成する工程を付加してもよい。

本発明の光路変換部品は、シリコン基板上に載置されたレーザ発光素子に対し、反射面を備えた光路変換部品であって、前記反射面が、前記シリコン基板のウエハ面の(１００)面に対し４５°傾斜した(１１０)面であり、２００μｍ以上の深さを有することを特徴とする。

本発明によれば、水酸化テトラメチルアンモニウム(ＴＭＡＨ)水溶液の温度を、エッチング期間の間、沸点を下回る、６５℃〜７５℃の温度範囲に制御するエッチング工程により、シリコン基板として広く採用されている、(１００)面をウエハ面としたものを使用しながらも、エッチング期間の選定により、基板に対し４５°傾斜した所望の深さを有し、反射率の高いマイクロミラーを低コストで製造することが可能になる。

図１は、マイクロミラーを有する光路変換部品の一例を示す図で、上段は上から見た平面図で、下段は上段の点線における断面図である。図２は、実施例によるマクロミラー製造工程を示す図である。図３は、実施例におけるＳｉウエハとパターンを模式的に示す平面図である。図４は、実施例により形成された２例のマクロミラーを示す図である。図５は、実施例により形成された反射面の傾斜角度を示す図である。図６は、形成した反射膜を示す図である。図７は、水酸化テトラメチルアンモニウム(ＴＭＡＨ)水溶液温度が、(ａ)８０℃のとき(比較例１)のとき、(ｂ)７０℃のとき(実施例)、(ｃ)６０℃のとき(比較例２)、のＳＥＭ観測結果を示す図である。

本発明の実施形態について以下説明する。

本発明の光路変換部品は、基板面がオフアングルを持たない(１００)面のシリコン基板からなる。本発明の光路変換部品の反射面は、基板面であるシリコン(１００)面に対し、４５度の傾斜をもつシリコン(１１０)面である。

本発明において、反射膜とは、光の反射率を向上させるために反射面に成膜した膜をいい、金属膜や誘電体多層膜を用いる。本発明において、反射面には、反射膜を備えても備えなくてもよい。

本発明において使用するエッチング溶液として、水酸化テトラメチルアンモニウム(ＴＭＡＨ)水溶液に代表される第４級水酸化アンモニウム水溶液を用いる。ＴＭＡＨなどの第４級水酸化アンモニウムが５％以上２５％以下の水溶液が望ましい。

本発明において使用するエッチング溶液は、第４級水酸化アンモニウム水溶液に、添加剤として、非イオン界面活性剤(NCW-1002、Triton X-100、NC-200)等の界面活性剤や、ポリエチレングリコールやアルコール(イソプロピルアルコール等)を使用することが好ましい。添加剤はシリコン面に吸着することでエッチングを抑制する作用効果を有する。シリコンの(１１０)面と(１００)面を比較した場合、界面活性剤等の添加剤の濃度が１０ｐｐｍ以上であれば、(１１０)面に、より密に界面活性剤等が吸着した状態になるため、(１１０)面のエッチングレートが(１００)面のエッチングレートより遅くなる。１０ｐｐｍ未満であると、(１１０)面のエッチングレートが(１００)面に対し充分に遅くならない。界面活性剤等の添加剤の添加量は、機能の面では濃度の上限はないが、添加剤の濃度が濃くなると、局所的に相分離が起きてしまうので１００００ｐｐｍ程度以下の濃度が好ましい。よって、添加剤の濃度は、１０以上１００００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

以下、本発明を実施するための態様を図面を参照しながら説明する。

図１は、マイクロミラーを有する光路変換部品の一例を示すもので、ＬＤ(半導体レーザ発振素子)１から水平に照射されたレーザ光を、垂直方向に反射させるよう、金でコーティングされた反射面２は、４５°の傾斜面を有している。この例では、ＬＤの接合装置の空間的な制約により、ＬＤ１の出射面と反射面２の下端とが１００マイクロメートルはなれて形成されている。放射されたレーザ光のうちピーク強度の１０％以上の光は垂直方向(図１断面図の紙面に平行面)に対して±３０°の広がりを持つため、このような光を１００％垂直方向に反射させるためには、反射面の深さとして、４００マイクロメートル程度の深さが要求される。

ＬＤ１と反射面２との配置や、得るべき反射率にも依存するが、例えば、ヘテロ集積化蛍光検出デバイスの検出限界を下げるためには、反射面２の深さを２００μｍ以上とすることが求められている。そこで、本実施例では図２に示す工程で、反射面２を作製する。

＜工程１＞
(１００)面を持つＳｉウエハ表面に、強アルカリ水溶液にエッチング耐性を有する酸化シリコンの膜を熱酸化により厚さ０.８〜１.６μｍで成膜する。

＜工程２＞
フォトリソグラフィー法を用いて、シリコン酸化膜表面に、ミラー部の反射面が(１１０)面でかつ＜１００＞方位に平行になるように、開口部を有するパターンを形成する。開口部の各辺の長さは、目的とするエッチングの深さに依存して形成することが好ましい。例えば、２００μｍ以上エッチングする場合には、４００μｍ以上必要となる。この実施例では、開口部のサイズとして、１６００×１６００μｍ、１８００×１８００μｍ、２０００×２０００μｍ、２２００×２２００μｍ、２３００×２３００μｍ、２４００×２４００μｍの正方形、２１００×１３００μｍ、２３００×１６００μｍの長方形の計８種類を作製した。

＜工程３＞
工程２で作製したパターンの開口部分の酸化膜をＣＨＦ₃、ＳＦ₆またはＣＦ₄のいずれかのガスを用いて反応性イオンエッチングにより除去した後、マスクであるレジストを剥離する。
図３は、Ｓｉウエハ表面に、工程４のためのエッチングマスクパターンが設けられた様子を説明する図である。Ｓｉウエハは、(１００)面を基板面とするオフアングルを持たないシリコン基板であり、オリフラ面が(１１０)面である。Ｓｉウエハ表面には、エッチング対象となる開口部以外の部分に酸化シリコン膜(ＳｉＯ₂)マスクが設けられている。酸化シリコン膜(ＳｉＯ₂)はエッチングレジストとして機能する。開口部は、図３のように、Ｃａｖｉｔｙｐａｔｔｅｒｎとも呼ばれる。図３に示すように、開口部パターンは、エッチングにより反射面が形成される位置に対応する辺が＜１００＞軸と平行となるように、開口されている。即ち、(１００)面をウエハ面としたシリコン基板に対し、反射面が＜１００＞軸と平行となるようにエッチングレジスト膜パターンが形成されている。図３や後述する図５に示すように、エッチングにより形成された反射面は、(１１０)面である。
自然酸化膜を除去する目的で、アルカリ水溶液に漬ける直前に希釈フッ酸処理を行う。

＜工程４＞
５０ｐｐｍの非イオン界面活性剤(Triton X-100)を添加した２５％ＴＭＡＨ水溶液に、ウエハをオリフラが上になるように反応容器に垂直に浸漬し、７０〜７５℃(平均反応温度；７３℃)でエッチング反応を行う。このとき、反応溶液は攪拌している。
エッチングの結果のうち、２例を図４に示す。図４(ａ)は、開口部のサイズが１６００×１６００μｍのウエハに対し、２６時間のエッチングを行ったものをSEMで撮影したもので、得られたエッチング深さは３７２μｍである。
図４(ｂ)は、開口部のサイズが２１００×１３００μｍのウエハに対し、３２時間のエッチングを行ったものを撮影したもので、得られたエッチング深さは、４１７μｍを得た場合の比較結果を示す。
いずれも、良好な反射面が形成され、開口部のサイズが１６００×１６００μｍのウエハの場合、図５に示すよう、反射面は(１００)面に対し４５°であることを断面ＳＥＭ観察により確認している。

＜工程５＞
エッチングマスクとして利用した酸化シリコン膜は、バッファードフッ酸または希釈フッ酸により除去し、必要に応じて反射面に反射膜を成膜する。
図６(ａ)に示すように、スパッタリング法により、ウエハ表面にクロム２０ｎｍ、金１００〜１０００ｎｍを成膜し、フォトリソグラフィーにより反射膜のパターン形成を行い、金エッチャント、クロムエッチャントを用いたウエットエッチングにより、金の反射膜を作製した。
また、アルミの反射膜については、図６(ｂ)に示すように、スパッタリング法により、アルミを２００ｎｍ成膜し、フォトリソグラフィー、アルミ混酸エッチャントによるウエットエッチングで作製した。反射膜の作製は、アルカリ水溶液による異方性エッチングのあとにバックグラインディング加工により貫通化させた後に行ってよい。なお、反射膜は、金、アルミニウムに限らず、銀等の金属、誘電体多層膜により形成してもよい。また、入射光の波長によっては、反射膜を形成しなくてもシリコン(１１０)面が充分に反射機能を有する。

ここで、上記の工程１−３に従い、パターンを形成後、工程４で、５０ｐｐｍの非イオン界面活性剤(Triton-X100)を添加した２５％ＴＭＡＨ水溶液にウエハを浸漬し、このアルカリ水溶液の温度を７６〜８５℃(平均反応温度；８０℃)とした場合を比較例１、同様に、温度のみを６０〜６４℃(平均反応温度；６２℃)とした場合を比較例２としてエッチングを行った。平均反応温度が６２℃のとき(比較例２)、７０℃のとき(実施例)、８０℃のとき(比較例１)で、深さ３５０μｍ以上エッチングして作製したミラーのＳＥＭ観察を行った。その結果を図７に示す。なお、図７(ａ)では、平均反応温度が６２℃の場合を簡略して(ｃ)６０℃と表記している。後述する表１においても同様である。

図７から確認できるように、平均反応温度８０℃(比較例１)の場合、オリフラ側の角が丸くえぐれるようにエッチングされ。マスクパターンの形状が一部変形していることが分かる。また、反応容器内での気泡の発生量が多く、オリフラ側の角に気泡が停滞していることを観察した。パターンの形状を維持するため、反応温度は７５℃以下が好ましいことが明らかとなった。

また、比較例１(８０℃)，実施例(７０℃)、比較例２(６０℃)で、深さ３５０μｍ以上エッチングして作製したミラーについて、暗視野光学顕微鏡観察により、アンダーカットの幅を計測し、次の表１に示すように、深さに対するアンダーカットの割合を算出した。

表１は、水酸化テトラメチルアンモニウム(ＴＭＡＨ)水溶液温度と発生したアンダーカットの関係を示す表である。比較例２(６０℃)の場合、実施例(７０℃)、比較例１(８０℃)と比較して、アンダーカットの割合が大きいことがわかり、目的のパターンに対し、エッチング終了後のパターンがより大きくなっていることが観察された。また、比較例１(８０℃)の場合も、実施例(７０℃)と比較して、アンダーカットの割合が大きくなっていることがわかる。

従って、アンダーカットの幅を出来るだけ、小さくするには６５℃以上が好ましいことが明らかになった。一般に、(１００)面と(１１０)面ではエッチング速度の温度依存性が異なり、(１００)面のほうが温度に対して、(１１０)面よりエッチング速度が大きく変化する。このため、比較例２のように、温度を低下させると、(１００)面と(１１０)面のエッチングレートの比が小さくなり、アンダーカットが大きくなることが原因である。

次に、実施例について、ミラーのラフネス評価を行った。
実施例の工程４において、７０℃近傍でエッチングして得られたミラーの表面粗さを、光学的手法により１００×１００μｍの領域における表面の三次元形状を計測したところ、二乗平均平方根粗さ(ＲＭＳ)が３３.７ｎｍ、波面上の最大値と最小値の差から平坦性が１５０ｎｍであった。表面の粗さは、光の散乱による光の損失につながり、入射光の波長が短くなるほど損失が大きくなる。このような散乱光は検出器のノイズとなり、検出感度を悪化させるので問題であるが、今回作製したミラーは、４００ｎｍ以上の入射光に対して、表面粗さが１／１０以下となり、このような散乱光を充分に抑制できる。

なお、上記の実施例において、＜工程１＞のエッチングマスクとなる膜の形成、＜工程２＞のパターン形成、＜工程３＞のエッチングマスク膜のパターン化、自然酸化膜の除去、＜工程５＞の反射膜形成は、一例を示すものであり、様々な手法や成分を採用することができる。

以上説明したように、本発明によれば、所望の深さを有し、反射率の高いマイクロミラーを低コストで製造することが可能になるので、マイクロミラー形成方法、あるいは、光路変換部品として広く採用されることが期待できる。

１ＬＤ(半導体レーザ発振素子)
２反射面

Claims

光路変換部品を製造する方法であって、
(１００)面をウエハ面としたシリコン基板に対し、反射面が＜１００＞軸と平行となるようエッチングマスクのパターンを形成する工程と、
前記シリコン基板を、界面活性剤、ポリエチレングリコール及びアルコールの少なくとも１つ以上を添加した、第４級水酸化アンモニウム水溶液に浸漬し、前記水溶液の温度を、エッチング期間の間６５℃以上で７５℃以下の温度範囲に制御して異方性エッチングすることにより、前記ウエハ面に対し４５°の傾斜をもつ(１１０)面の反射面を形成するエッチング工程を、
少なくとも具備することを特徴とする光路変換部品の製造方法。
前記エッチング工程の終了後、エッチングにより形成された前記反射面に、金属又は誘電体多層膜からなる反射膜を形成する工程を具備することを特徴とする請求項１に記載された光路変換部品の製造方法。
シリコン基板上に載置されたレーザ発光素子に対し、反射面を備えた光路変換部品であって、
前記反射面が、前記シリコン基板のウエハ面の(１００)面に対し４５°傾斜した(１１０)面であり、２００μｍ以上の深さを有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載された方法により製造された光路変換部品。