JP3109703B2

JP3109703B2 - メンブレン構造体及びその製造方法及びそれを用いたマイクロデバイス

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Publication number: JP3109703B2
Application number: JP05321822A
Authority: JP
Inventors: 美樹田村; 博嗣高木; 和夫井阪
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1993-12-21
Publication date: 2000-11-20
Anticipated expiration: 2015-11-20
Also published as: JPH07176770A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコンメンブレン構
造体、及びその製造方法、及び該製造方法により作製し
たメンブレン構造体を有するマイクロデバイスに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコンの選択エッチングにより
メンブレン構造体を作成する技術が提案され、圧力セン
サ、圧電抵抗素子等の作成に利用されている。

【０００３】以下に、従来のメンブレン構造体の作製方
法を簡単に説明する。

【０００４】図７（ａ）は、不純物濃度によるエッチン
グ速度の差を利用した例である。まず、（１００）シリ
コン基板６０１の片面にイオン注入法により所定の厚さ
の高濃度ボロンドープ層（ｐ⁺層）６０２を形成し、他
方の表面には、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等から
成るマスク６０３を形成する。

【０００５】次に、水酸化カリウム溶液、エチレンジア
ミンピロカテコール（ＥＤＰ）溶液等のエッチング溶液
中でシリコンのエッチングを行なう。これらの溶液は、
エッチング速度に不純物濃度依存性をもち、ｐ⁺層では
ｎ層およびｐ層に対して、エッチング速度は数十分の一
に低下する。従って、高濃度ボロンドープ層６０２に達
すると、エッチングは実質上停止し、シリコンの薄いメ
ンブレン構造体が形成される。

【０００６】また、図７（ｂ）は、ｐ／ｎ接合面におけ
るエッチストップを利用した例である。（１００）ｐ型
シリコン基板６０４の片面に、イオン注入法、エピタキ
シャル成長法等により、所定の厚さのｎ層６０５を形成
する。非エッチング部には、シリコン窒化膜、シリコン
酸化膜等から成るマスク６０３を形成する。基板裏面
（ｎ層側）がエッチング溶液にさらされないように、基
板をシールし、水酸化カリウム、ＥＤＰ溶液等のエッチ
ング溶液中でシリコンのエッチングを行なう。この時、
ｎ層側に正の電位を、エッチング溶液中に設けた電極に
負の電位を印加しながらエッチングを行なう。ｐ層がエ
ッチング除去され、ｎ層６０５に到達するとアノード電
流が流れ、ｎ層表面にシリコン酸化膜が形成される。酸
化膜の形成によりエッチングは停止し、シリコンの薄い
メンブレン構造体が形成される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の製造方法では、以下の様な問題があった。

【０００８】高濃度不純物ドープ層を形成する方法で
は、不純物濃度が厚み方向に濃度分布をもつために、得
られたメンブレンの厚みにバラツキがあり、厚み精度が
良くない。

【０００９】また、ｐ／ｎ接合を用いる方法では、エッ
チング溶液の温度やかくはん状態の微妙な変化やばらつ
きおよび、シリコンの溶解に伴うエッチング溶液の組成
変化により、不働態化電位（シリコン表面に酸化膜が形
成される電位）の変化やばらつきが生じるために、電位
制御が困難であり、製造歩留りが良くない。

【００１０】また、シリコンｎ層に対して電圧を印加し
なければならないので、電極形成および除去プロセス等
の余分なプロセス工程が増えそれによってコストの上昇
や歩留りの低下をもたらす。

【００１１】［発明の目的］本発明は、上記問題点を解
決すべく成されたものであり、本発明の目的は、厚み精
度の優れたメンブレン構造体を歩留り良く製造すること
のできる製造方法を提供することにある。

【００１２】また、本発明の他の目的は、本発明のメン
ブレン構造体の製造方法により作製したマイクロデバイ
スを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、片側に凹部を
有する第１の基体と、前記凹部に対応する位置に貫通孔
を有する第２の基体と、前記第１の基体の凹部を有する
側と前記第２の基体との間に設けたエピタキシャルシリ
コン膜とによって形成されるメンブレン部を備えたメン
ブレン構造体の製造方法において、前記貫通孔を形成し
たい位置を多孔質化した後に、全面に前記エピタキシャ
ルシリコン膜を成長させた前記第２の基体を、前記第１
の基体の前記凹部を有する側に接合して、前記多孔質化
した部分を除去することにより、前記メンブレン部を形
成することを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明によれば、多孔質シリコン部と非多孔質
シリコン部とでは、エッチング速度に１０の５乗もの違
いがあることを利用して、エッチング溶液に浸漬するの
みで、膜厚精度のきわめて高いメンブレン構造体を歩留
り良く製造することができる。

【００１５】また、本発明によれば、第１基板をシリコ
ン以外の材質とすることができるため、膜厚精度のきわ
めて高いメンブレン部を、シリコン以外の材質の上に形
成することも可能である。

【００１６】［実施態様例］以下、図１を用いて本発明
のメンブレン構造体の製造方法を説明する。

【００１７】図１（ａ）に示すように、第１基板１０１
の両面にマスク材１０２を成膜、パターニングしてエッ
チングのための開口部１０３を形成する。

【００１８】次に、この基板をエッチングして凹部を形
成し（図１（ｂ））、マスク材１０２を除去して、図１
（ｃ）の状態を得る。第１基板としては、シリコン、ガ
ラス、金属、セラミックス等が用いられる。第１基板が
シリコンの場合、エッチング液には、フッ硝酸溶液、水
酸化カリウム溶液、水酸化ナトリウム溶液、エチレンジ
アミンピロカテコール溶液、テトラメチルアンモニウム
ハイドロオキサイド溶液等が使用できる。また、この時
マスク材１０２には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜
等が使用できる。第１基板がガラスの場合、エッチング
液にはフッ酸溶液、マスク材には耐フッ酸性のレジスト
膜、シリコン窒化膜等が使用できる。また、金属、セラ
ミックスの場合は材料に応じてエッチング液及びマスク
材を選択する。

【００１９】一方、図１（ｄ）に示すように、第２基板
であるシリコン基板１０４の両面にマスク材１０５を成
膜、パターニングして、陽極化成のための開口部１０６
を形成する。シリコン基板１０４は、ｐ型もしくは低抵
抗のｎ型基板を使用する。マスク材には、フッ酸に対し
て耐性の強いポリイミド膜、高抵抗のシリコン薄膜等が
用いられる。

【００２０】次に、この基板を、フッ酸系溶液中におい
て陽極化成を行ない、図１（ｅ）に示すように多孔質シ
リコン部１０７を形成する。

【００２１】図３に、陽極化成の装置の概略図を示す。
図中２０１は第２基板、２０２はマスク材、２０３は電
極、２０４はフッ酸系溶液である。電極２０３として
は、フッ酸溶液に対して侵食されないような材料、例え
ば、金、白金、等が用いられる。フッ酸系溶液２０４と
しては、一般に、濃フッ酸（４９％ＨＦ）が用いられ
る。また、陽極化成中に基板の表面から発生する気泡を
効率よく取り除く目的から、界面活性剤としてアルコー
ルを添加してもよい。陽極化成を行なう電流値は、最大
数百ｍＡ／ｃｍ²であり、最小値はゼロでなければよ
い。この値は、多孔質化したシリコンの表面に良質のエ
ピタキシャル成長ができる範囲内で決定される。好まし
い範囲は、１〜２００ｍＡ、より好ましくは５〜１００
ｍＡである。

【００２２】次に、マスク材１０５を除去した後、図１
（ｆ）に示すように、シリコン基板１０４の片面にシリ
コン層１０８をエピタキシャル成長させる。エピタキシ
ャル成長は、一般的な熱ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、プラ
ズマＣＶＤ法、分子線エピタキシャル法、スパッタリン
グ法等で行われる。成長させる膜厚は、メンブレン部の
厚みの設計値とする。

【００２３】次に、図１（ｇ）に示すように、第１基板
の凹部と第２基板のエピタキシャルシリコン層１０８を
対峙させ、第１基板１０１と第２基板１０４を接合す
る。第１基板１０１がシリコンの場合は、基板同士を直
接、もしくは、間にシリコン酸化膜を介して重ね、６０
０〜１１００℃の温度に加熱することにより直接接合で
きる。また、接着剤等を介して接合してもよい。

【００２４】次に、図２（ｈ）に示すように、第２基板
１０４を機械的に研磨して、所望の厚さとなるようにす
る。第２基板の厚みが設計値と等しい場合には、特に研
磨の必要はない。

【００２５】次に、図２（ｉ）に示すように、多孔質シ
リコン部１０７をエッチング除去することにより、メン
ブレン構造体を形成することができる。多孔質シリコン
部１０７のエッチング液としては、フッ酸、あるいは、
フッ酸にアルコール、過酸化水素水のうち少なくとも１
種類を添加した混合液を用いるとよい。かかるエッチン
グ液は、非多孔質シリコンをエッチングせずに、効率良
く、均一に、多孔質シリコンを選択的にエッチングする
ことができる。

【００２６】特に、アルコールを添加することによっ
て、エッチングによる反応生成気体の気泡を、瞬時にエ
ッチング表面から、攪拌することなく、除去でき、均一
にかつ効率よく多孔質シリコンをエッチングすることが
できる。

【００２７】また、特に、過酸化水素水を添加すること
によって、シリコンの酸化を増速し、反応速度を無添加
にくらべて増速することが可能となり、更に過酸化水素
水の比率を変えることにより、その反応速度を制御する
ことができる。

【００２８】フッ酸濃度は、エッチング液に対して、好
ましくは１〜９５％、より好ましくは５〜９０％、さら
に好ましくは５〜８０％の範囲で設定される。

【００２９】過酸化水素水濃度は、エッチング液に対し
て、好ましくは１〜９５％、より好ましくは５〜９０
％、さらに好ましくは１０〜８０％で、且つ上記過酸化
水素水の効果を奏する範囲で設定される。

【００３０】アルコール濃度は、エッチング液に対し
て、好ましくは８０％以下、より好ましくは６０％以
下、さらに好ましくは４０％以下で、且つ上記アルコー
ルの効果を奏する範囲で設定される。

【００３１】温度は、好ましくは０〜１００℃、より好
ましくは５〜８０℃、さらに好ましくは５〜６０℃の範
囲で設定される。

【００３２】本発明に用いられるアルコールはエチルア
ルコールのほか、イソプロピルアルコールなど製造工程
等に実用上差し支えなく、さらに上記アルコール添加効
果を望むことのできるアルコールを用いることができ
る。

【００３３】図１においては、第１基板と第２基板とを
接合した後に、多孔質シリコン部をエッチング除去して
いるが、第１基板の耐フッ酸性が悪い場合などには、多
孔質シリコン部をエッチング除去した後に第１基板と第
２基板とを接合してもよい。

【００３４】また、図１においては、第２基板を部分的
に多孔質化しているが、第２基板全面を多孔質化しても
よい。

【００３５】また、図２（ｊ）に示すように、第２基板
１０４に第３基板１０９を接合して、メンブレン部の上
下に空洞部を形成してもよい。第３基板１０９として
は、シリコン、ガラス、金属、セラミックス、等が使用
できる。

【００３６】以上、本発明によれば、多孔質シリコン部
と非多孔質シリコン部とでは、エッチング速度に１０の
５乗もの違いがあるため、エッチング溶液に浸漬するの
みで、膜厚精度のきわめて高いメンブレン構造体を歩留
り良く製造することができる。

【００３７】また、本発明によれば、膜厚精度のきわめ
て高いメンブレン部を、シリコン以外の材質の上に形成
することも可能である。

【００３８】

【実施例】以下、実施例をあげ、本発明をより詳細に説
明する。

【００３９】（実施例１）厚み５００μｍ、（１００）
方位のｎ型シリコン単結晶基板（第１基板）を、９０℃
に加熱した３０重量％水酸化カリウム溶液中でエッチン
グし、厚み２５０μｍの凹部を形成した。この時、マス
クとしては、ＬＰＣＶＤ法により成膜した厚み１５００
Åのシリコン窒化膜を用いた。

【００４０】一方、厚み２００μｍ、低抵抗ｐ型シリコ
ン単結晶基板（第２基板）の両面に、高抵抗のエピタキ
シャルシリコン層を減圧ＣＶＤ法により５０００Å形成
した。成長条件は、使用ガス：ＳｉＨ₄／Ｈ₂ 温度：８５０℃ 圧力：１×１０^-2Ｔｏｒｒ成長速度：３．３ｎｍ／ｓｅｃとした。

【００４１】その後、エピタキシャルシリコン層上に、
リソグラフィー技術によりレジストをパターニングし、
エピタキシャルシリコン層が露出している領域を、反応
性イオンエッチング法によりエッチングして、陽極化成
用のマスクを形成した。また、この時マスクは、表面裏
面とも同位置に形成した。

【００４２】次に、この基板を４９％フッ酸溶液中にお
いて、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ²の条件で陽極化成を
行ない、多孔質シリコン部を形成した。

【００４３】次に、陽極化成用のマスクを除去した後、
基板表面にＣＶＤ法により、単結晶シリコン層を５．０
μｍエピタキシャル成長させた。堆積条件は、以下の通
りである。

【００４４】使用ガス：ＳｉＨ₄／Ｈ₂ 温度：７５０℃ 圧力：８０Ｔｏｒｒ成長速度：０．１２μｍ／ｍｉｎ．次に、これら２枚のシリコン基板を、凹部とエピタキシ
ャルシリコン層を対峙させて重ね合わせ、窒素雰囲気中
で１０００℃に加熱し、両者を接合した。

【００４５】次に、第２基板側の厚みが１０μｍとなる
ように、基板の表面を機械的に研磨した後、この貼合せ
基体をエッチング溶液中に侵し、多孔質シリコン部のみ
を選択的に除去した。この時、エッチング溶液の組成
は、４９％フッ酸：３０％過酸化水素水：エタノール＝
５：２５：６とした。

【００４６】本実施例においては、単結晶シリコン部は
殆どエッチングされず、多孔質シリコン部のみが選択的
にエッチングされたために、厚み精度の極めて良いメン
ブレン構造体を作製することができた。

【００４７】（実施例２）次に、本発明のメンブレン構
造体の製造方法により作製した圧力センサの実施例につ
いて説明する。

【００４８】図４（ａ）は本実施例の圧力センサの平面
図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ′線における断
面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ′線における
断面図である。図中３０１は第１基板、３０２はシリコ
ンである第２基板、３０３はエピタキシャルシリコンの
メンブレン部であり、メンブレン部３０３の表面、及び
第１基板３０１の凹部には、それぞれ対向するように電
極３０４及び３０５が形成されており、メンブレン部３
０３に加えられた圧力を、電極３０４及び３０５間の容
量変化により検出する。３０６はリード電極、３０７は
リード電極引出部である。

【００４９】以下に、本実施例の圧力センサの製造方法
を簡単に説明する。

【００５０】厚み２００μｍ、（１００）方位の高抵抗
ｎ型シリコン単結晶基板（第１基板３０１）を９０℃に
加熱した３０重量％水酸化カリウム溶液中でエッチング
し、厚み５０μｍの凹部を形成した。この時、マスクと
しては、ＬＰＣＶＤ法により成膜した厚み１５００Åの
シリコン窒化膜を用いた。

【００５１】次に、電極形成用のパターニングを行な
い、電極形成部のシリコン窒化膜を除去した後、リン
（Ｐ）を注入、拡散して、電極３０５及びリード電極３
０６を形成した。

【００５２】一方、厚み２００μｍ、低抵抗ｐ型シリコ
ン単結晶基板（第２基板３０２）の両面に高抵抗のエピ
タキシャルシリコン層を減圧ＣＶＤ法により５０００Å
形成した。

【００５３】その後、リソグラフィー法及び反応性イオ
ンエッチング法により、エピタキシャルシリコン層を部
分的に除去して、陽極化成用のマスクを形成した。この
時、マスクは、表面、裏面とも同位置に形成した。

【００５４】次に、この基板を４９％フッ酸溶液中で、
電流密度３０ｍＡ／ｃｍ²の条件で、陽極化成を行な
い、多孔質シリコン部を形成した。

【００５５】その後、陽極化成用のマスクを除去し、基
板表面に実施例１と同様の条件で、エピタキシャルシリ
コン層を５．０μｍ形成した。

【００５６】次に、エピタキシャルシリコン層上に絶縁
層として厚み１０００Åのシリコン熱酸化膜を形成した
後、スパッタリング法により金を成膜し、所定の形状に
エッチングして電極３０４を形成した。

【００５７】次に、第１基板３０１と第２基板３０２と
を凹部とエピタキシャルシリコン層を対峙させて重ね合
わせ、窒素雰囲気中で１０００℃に加熱し、両者を接合
した。

【００５８】次に、この貼合せ基体を４９％フッ酸：３
０％過酸化水素水：エタノール＝５：２５：３混合液中
に浸し、多孔質シリコン部のみを選択的に除去し、本実
施例の圧力センサを作製した。

【００５９】なお、本実施例において、電極３０４は金
属電極、電極３０５及びリード電極３０６は不純物拡散
電極としたが、特にこれに限定されるものではなく、電
極３０４，３０５及びリード電極３０６はいずれの方法
で形成してもよい。

【００６０】（実施例３）次に、本発明のメンブレン構
造体の製造方法により作製した光学素子の実施例につい
て説明する。

【００６１】図５は、本実施例の光学素子の斜視図であ
り、図中４０１は第１基板、４０２はシリコンである第
２基板、４０３は、エピタキシャルシリコンのメンブレ
ン部、４０４は電極である。数１０μｍの間隔におかれ
たシリコンのメンブレン部４０３と、電極４０４との間
に数１０Ｖの電圧を印加すると静電力によりシリコンの
メンブレン部４０３にたわみが生じる。印加する電圧を
制御することにより、焦点距離可変の光学素子等を作る
ことができる。

【００６２】これは例えば、メンブレン部に光反射膜を
形成して光反射鏡とし、これをたわませることにより、
その焦点距離を可変とする光学系とすることができる。

【００６３】本実施例の光学素子の基本構成は、実施例
２と同様であり、実施例２と同様の方法により作製する
ことができる。

【００６４】（実施例４）次に、本発明のメンブレン構
造体の製造方法により作製したマイクロポンプの実施例
について説明する。

【００６５】図６（ａ）は、本実施例のマイクロポンプ
の平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ′線にお
ける断面図である。図中、５０１は第１基板、５０２は
シリコンである第２基板、５０３は、エピタキシャルシ
リコンのメンブレン部、５０４は第３基板、５０５及び
５０６は電極、５０７はリード電極、５０８はリード電
極引出部、５０９は流体注入口、５１０は流体吐出口、
５１１は流体である。

【００６６】流体５１１は、流体注入口５０９より注入
され、第２基板５０２及び第３基板５０４の間に充てん
される。メンブレン部５０３に形成された電極５０５と
対向する電極５０６との間の電圧を制御し、メンブレン
部５０３を上下に振動させることにより、流体５１１を
流体吐出口５１０より吐出させることができる。

【００６７】本実施例のマイクロポンプは、マイクロフ
ローセル等における流体の搬送や、インクジェットプリ
ンタのヘッド等に使用することができる。

【００６８】本実施例のマイクロポンプは、実施例１ま
たは実施例２と同様の作製方法によって、第１基板５０
１及び第２基板５０２の接合体から成るメンブレン構造
体を形成した後、エッチングにより流体注入口５０９を
形成した第３基板５０４を接合することにより作製する
ことができる。第３基板５０４としては、ガラス、シリ
コン等が使用できる。

【００６９】

【発明の効果】以上、本発明によれば、多孔質シリコン
と非多孔質シリコンとのエッチング選択性を利用するこ
とにより、膜厚精度のきわめて高いメンブレン構造体を
歩留り良く製造することができる効果が得られる。

【００７０】また、本発明のメンブレン構造体の製造方
法は、圧力センサ、光学素子、マイクロポンプ、等のマ
イクロデバイスに幅広く応用することができ、同様に歩
留まりを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のメンブレン構造体の製造方法を示す
図。

【図２】本発明のメンブレン構造体の製造方法を示す
図。

【図３】本発明で用いる陽極化成の装置の概略図。

【図４】本発明の実施例の圧力センサの構造を示す図で
あり、（ａ）は圧力センサの平面図、（ｂ）は図４
（ａ）のＡ−Ａ′線における断面図、（ｃ）は図４
（ａ）のＢ−Ｂ′線における断面図。

【図５】本発明の実施例である光学素子の斜視図。

【図６】本発明の実施例のマイクロポンプの構造を示す
図であり、（ａ）はマイクロポンプの平面図、（ｂ）は
図６（ａ）のＡ−Ａ′線における断面図。

【図７】従来のメンブレン構造体の製造方法を示す図。

【符号の説明】

１０１，３０１，４０１，５０１第１基板１０２，１０５，２０２マスク材１０３，１０６開口部１０４，２０１，３０２，４０２，５０２第２基板２０３電極２０４フッ酸系溶液１０７多孔質シリコン部１０８，３０３，４０３，５０３エピタキシャルシ
リコン層１０９，５０４第３基板３０４，３０５，４０４，５０５，５０６電極３０６，５０７リード電極３０７，５０８リード電極引出部５０９流体注入口５１０流体吐出口５１１流体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−178567（ＪＰ，Ａ) 特開平５−90243（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−125666（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−45533（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/84 G01L 1/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】片側に凹部を有する第１の基体と、前記
凹部に対応する位置に貫通孔を有する第２の基体と、前
記第１の基体の凹部を有する側と前記第２の基体との間
に設けたエピタキシャルシリコン膜とによって形成され
るメンブレン部を備えたメンブレン構造体の製造方法に
おいて、前記貫通孔を形成したい位置を多孔質化した後に、全面
に前記エピタキシャルシリコン膜を成長させた前記第２
の基体を、前記第１の基体の前記凹部を有する側に接合
して、前記多孔質化した部分を除去することにより、前
記メンブレン部を形成することを特徴とするメンブレン
構造体の製造方法。
【請求項２】前記第２の基体は、シリコンを材料とし
ており、少なくとも一部に表面から裏面に達するように前記多孔
質化して多孔質部を形成することを特徴とする請求項１
に記載のメンブレン構造体の製造方法。
【請求項３】前記第２の基体上に第３の基体を接合す
る工程を含む請求項２に記載のメンブレン構造体の製造
方法。
【請求項４】請求項１から３のいずれか１項に記載の
メンブレン構造体の製造方法によって製造されたメンブ
レン構造体を有するマイクロデバイス。
【請求項５】前記メンブレン部に加えられた圧力によ
り該メンブレン部に生じるひずみ量を測定する手段を有
する請求項４に記載のマイクロデバイス。
【請求項６】前記メンブレン部にたわみを生じさせる
手段と、該たわみにより焦点距離を可変する光学系と、
を有する請求項４に記載のマイクロデバイス。
【請求項７】前記メンブレン部にたわみを生じさせる
手段と、該たわみにより流体を吸引及び／又は吐出させ
る手段と、を有する請求項４に記載のマイクロデバイ
ス。