JP3732206B2 - エッチング可能な基板における完全な外部コーナー作成のためのミクロ機械加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、エッチング可能な基板材料に於ける３次元構造形成の分野に関する。特に、ミクロ機械加工によって形成される構造の交差によってできる完全な外部コーナーの形成に関する。

エッチング可能な基板材料に於いて、精密な３次元構造を形成する能力は、特にシリコンに於いては、多くを単結晶シリコン基板の、いわゆる異方性エッチングの実施能力に依存している。異方性エッチングは、ＫＯＨと水との混合溶液や、エチレンジアミンとピロカテコールと水との混合溶液のような腐食液を使用することによって、シリコン結晶のある面を他の方向よりずっと速くエッチングする特性を持っている。これらの腐食液は、全て｛１１１｝シリコン面を他の低指数の｛１００｝面や｛１１０｝面よりずっと緩慢にエッチングする。

もっとも一般的なシリコンウェーハの表面配向としては、（１００）面と（１１１）面の２つがある。｛１１１｝面のエッチング速度がとても緩慢であるため、デバイスの製造に於いては（１００）シリコンが好ましい配向である。
（１００）シリコンに於いては〈１１０〉方向に沿って各々のウェーハ上にフラットが設けられている。この配向に於いては、｛１１１｝面は、ウェーハフラットに対し平行もしくは垂直な方向に於いて、（１００）面と、図１Ａに示されるように５４．７４°の角度で交差する。

もしエッチングマスクの開口部が長方形を形成するように開いていたなら、異方性腐食液によるエッチングによって｛１１１｝面が露出され、図１Ａ、図１Ｂに平面図として示すようにＶ型の溝が形成される。

もしエッチングマスクが長方形よりも複雑な形をしていたなら、十分な時間がたつと、図２Ａ、図２Ｂに示すように、全ての凸状の突出部は「もっとも遠い（ｆａｒｔｈｅｓｔ）」｛１１１｝面までエッチバックする。

例えば図２Ｂに示される点Ａに、凸型のコーナーを作成したいとき、ちょうどＬ型のエッチングマスクを用い、基板をＫＯＨと水に浸すと、コーナーは図３Ａに示されるようにエッチバックされ、突き出たマスク構造は崩れてしまう。そこで、エッチバックされない凸型のコーナーが必要とされるなら、いわゆるコーナー補償と呼ばれる技術を用いることができる。前記コーナー補償技術では、所望の３次元構造を外部コーナーに残すように、適度な分量だけエッチバックするような付加的なマスク構造がコーナーに付け足される。あるこのようなコーナー補償パターンでは、図３Ｂに示されるように、外部コーナーに、四角い突出部が付加される。エッチングが下方に進行するとき、この付加的な構造は、要求されているコーナー構造を残すのに適した速度でエッチバックする。このタイプのコーナー補償は従来から知られている。

しかしながら、このようなコーナー補償では、完璧な交差は、適切なコーナー補償が得られるような特定の深さに於いてしか生成されない。言い換えると、深さはこの付加的なマスク構造と正確に合致しなければならず、完璧な交差（深さ）が形成されている時間は非常に短く制御困難である。さらに、時には図３Ｃに示されるように、溝Ａを非常に浅くし、ずっと深い溝Ｂと交差するような要求があるかもしれない。例えば、溝Ａは１０ミクロンの幅で、７ミクロンの深さ、溝Ｂは１００ミクロンの深さで、１４０ミクロンの幅という具合である。このような場合には、コーナー補償技術ではコーナーに非常に大きなコーナー補償構造を付加しなければならないが、通常そのための余地はない。従って、コーナー補償はある状況では使用することができない。

図４Ａに示されるように、ウェーハの表側と裏側から同時にエッチングすることによって、ウェーハに貫通孔を形成したいというときには、別の関連した問題がある。２つの溝１と２とが貫通すると、直後に、｛１１１｝面が互いに交差する点から、急速にエッチバックが始まる。十分長い間放置すると、図４Ｂに示されるように、側壁は、他の｛１１１｝面の組にぶつかるまでエッチバックし、大きなキャビティをシリコンに形成するようになり、きちんと決まった直径の孔が必要とされるとき、望ましくない。

従って、本発明の目的のひとつはエッチング可能な基板に於いて、エッチバックしない外部コーナーを形成する方法を提供することである。

本発明のもう一つの目的はエッチング可能な基板に於いて、標準的なコーナー補償が使えない状況でも外部コーナーを形成する方法を提供することである。

本発明に従った方法によって、完全な凸型コーナーを持った３次元構造をエッチングにより基板に形成することができる。前記構造は、二つの構造の側壁の交差が外部コーナーを形成するように、二つの構造に分割される。第１の構造をエッチングにより形成し、続いてエッチングにより形成された第１の構造の表面にエッチングマスクを形成する。そしてエッチングにより第２の構造を形成するように、マスクに領域（ウィンドウ）を開ける。そして第２の構造をエッチングにより作成する。このようにして、所望の構造が形成される。

本発明の第１の面として、第２の構造を形成するのための領域が、基板主面に於いて、マスクされ保護された第１の構造の一方の端部を取り囲み、取り囲まれた第１の構造の端部の下のシリコンは、第１の構造の側壁を画定している｛１１１｝面に到達するまで、エッチングによってアンダーカットされる。第１のエッチングされた構造とエッチングされた第２の構造の溝との交差によって形成された外部コーナーはエッチバックしない。なぜならコーナーは、第２の構造を画定している主面上のエッチングマスクによって保護されているからである。

本発明の第２の面として、第１の構造がエッチングされた後の２回目のリソグラフィ工程の実施を省略するため、第２の構造は窒化物のマスクによって最初に画定される。その後、ウェーハ（基板）の残りの部分が酸化され、それから第１の構造のパターンが描かれる。ウェーハの表面はこの時点ではまだ平坦であるため、マスクの光学的リソグラフィ工程は容易である。第１の構造がエッチングされた後、ウェーハは酸化される。窒化物マスクは、第２の構造を画定しているマスク領域が酸化されるのを防ぐ。そうして、窒化物マスクを取り除くため、ウェーハの表面全体をプラズマエッチングすると、不均一な表面に於けるリソグラフィを実施することなく、元のシリコン面が露出される。（リソグラフィの間、第１の構造の内部の酸化皮膜を完全に保護しなければならないため、不均一な表面でのリソグラフィは、明らかにずっと困難である。）ウェーハは第２の構造がエッチングにより形成されるまで、再度エッチングされる。

本発明のさらなる面として、第１の構造を形成するため、最初にウェーハの上面からエッチングし、続いて上面にエッチングマスクを形成する。そして、第２の構造を画定する領域を、マスクされたウェーハの底面に開ける。そうすることによって、シャープに画定されたふたつの構造の交差が得られ、エッチングマスクを取り除いた後には、きちんと決まった孔を得ることができる。

本発明の上記の、もしくはその他の目的、構造、有利な点は、付随する図面と共に、以下に記述する好適実施例によって明確にされる。

図５Ａはエッチングされたウェーハの部分斜視図である。３つの水平方向のＶ型の溝５０２、５０３、５０４と、垂直方向の溝５０５があり、水平方向の溝５０２、５０３、５０４と垂直方向の溝５０５との間にシャープな交差５０６を得ることを目的としている。（ここで、水平方向、垂直方向は任意に指定できる。）
本発明に従って、水平方向の溝５０２’、５０３’、５０４’が最初に（１００）ウェーハにエッチングされる。それぞれの溝５０２’、５０３’、５０４’の端部は、図５Ｂ中に示されるように、垂直方向の溝５０５が形成される領域中に突き出ている。各々の溝５０２’、５０３’、５０４’の側壁は｛１１１｝面によって形成される。そして、ウェーハはエッチングにより形成された水平方向の溝をマスクするため酸化される。その後、酸化された溝５０２’、５０３’、５０４’の前記端部５０２’Ｅ、５０３’Ｅ、５０４’Ｅを取り囲む、垂直方向の溝５０５を画定するウィンドウパターン５０５ａがマスク中に開けられ、垂直方向の溝５０５がエッチングにより形成される。水平方向の溝の端部５０２’Ｅ、５０３’Ｅ、５０４’Ｅの下のシリコンは、水平方向の溝５０２’、５０３’、５０４’の側壁を画定している｛１１１｝面に到達するまで、エッチングによりアンダーカットされる。水平方向の溝５０２’、５０３’、５０４’と垂直方向の溝５０５のエッチングとの交差により形成された外部コーナーはエッチバックしない。というのは、これらのコーナーは、水平方向の溝５０２’、５０３’、５０４’の側壁の酸化物マスクによって保護されているからである。それによって、水平方向の溝５０２、５０３、５０４と垂直方向の溝５０５との間にシャープな交差が得られる。

エッチングにより形成された溝５０２’、５０３’、５０４’を酸化した後、垂直方向の溝５０５のためのウィンドウパターン５０５ａを決定するためには、通常２回目のリソグラフィが必要である。これは、水平方向の溝の内側の酸化膜がリソグラフィの間完璧に保護されなければならないため、困難である。

本方法を簡単にするため、窒化物マスク方法が用いられる。本発明に従った方法を実行するひとつの方法は、図６に示されるように、垂直方向の溝のパターン６０５ａを、最初に、シリコン窒化物で画定することである。その後、ウェーハ６０１の残りの部分が酸化物６０１ａを形成するように酸化され、それから図６に示されるように、水平方向の溝のパターン６０２ａ、６０３ａ、６０４ａが酸化物６０１ａ上に画定される。ウェーハはこの時点では、まだ平坦であるため、光学的リソグラフィは比較的容易である。そして、ウェーハ６０１は、水平方向の溝５０２’、５０３’、５０４’をエッチングにより形成するため腐食液に浸される。その後、ウェーハは再度酸化される。窒化物マスクが垂直方向の溝の領域６０５ａが酸化されるのを防ぐので、窒化物を取り除くため、例えばＳＦ_６ガス中でウェーハ表面全体をプラズマエッチングした後には、元のシリコン面が露出される。ウェーハは、例えばＫＯＨと水の中で、垂直方向の溝が所望の深さになるまで、再度エッチングされる。

図５Ａに示される構造は、例えば、流量制限器を作成するのに用いてもよい。そこでは、微小粒子を捕獲するために用いられる多くの極めて小さい溝が、ずっと大きく深いフローチャンネルに接続している。既に指摘したように、標準的なコーナー補償技術のための十分なスペースはない。 本発明の他の実施例を示している図７Ａ、図７Ｂの説明をする。図７Ａはシリコンウェーハに特定の大きさの複数の孔が形成されたシリコンメッシュの上面図である。この構造は、水滴の噴霧器や別の流体粒子フィルタとして使用されてもよい。本発明に従って、（１００）ウェーハに、光学的な方法によって、その表面に図７Ａに示されるような複数の四角形の配列７０２ａがあるようなパターンが描かれる。それから、ウェーハは、図７Ａ、図７Ｂに示されるように、各々の四角形７０２ａに対し、各々が逆ピラミッドの形をした孔７０２がエッチングにより形成されるまで、上面７０３からエッチングされる。前記ピラミッド構造７０２の側壁は、｛１１１｝面によって形成される。その後、酸化物がエッチングにより形成された孔の表面を覆うように、ウェーハ全体を酸化する。それから、ウェーハの底面に、光学的リソグラフィによって、エッチングにより形成された孔７０２ａの配列全体と同じくらいに大きな四角形のウィンドウ７０４のパターンが描かれる。ウェーハは、図７Ｂに示されるように、再度裏側からエッチングされる。図７Ｂに於いて、太線は、例えば熱的に生成されたシリコン酸化物のような、エッチングマスクによって覆われたシリコン面を表す。エッチングは、図７Ｃに示されるように、あらかじめ決められた深さに到達したとき終了し、エッチングマスクが取り除かれた後には、きちんと決められた孔が残される。

この方法は、加速度計構造の製造に役立つように用いることもできる。前記加速度計構造に於いては、典型的には、図８Ａ、図８Ｂに示されるように、シリコンのブロックが、狭い、または細い梁によって支持される他は、周囲を取り囲むシリコン基板から分離されている。ウェーハの上面図、図８Ａに於いて、シリコンのブロック８０１は支持梁８０２、８０３によって支持されている。図８Ｂは図８ＡのラインＣ−Ｃに沿った断面図である。ここで、上部のエッチングは最初に適当なコーナー補償を用いて行うことができる。エッチングによって形成された構造の表面を保護した後、下部のエッチングもまた、コーナー補償を用いて実施される。下部のエッチングは上部の支持梁８０２、８０３の厚さが適当な厚さになったときに終了する。

本発明は好適実施例によって説明されてきた。しかしながら、これらの実施例は単なる例示であり、本発明の請求範囲を限定するものではない。この分野の当業者にとっては、以下に明示される本発明の請求範囲、もしくは主旨からはずれることなく、数々の他の実施例に思い至ることは明白である。

例えば、図５Ａと図５Ｂに示されるような本発明の好適実施例と、図７Ａと図７Ｂに示されるような実施例の、どちらにおいても、各々のエッチングの間で、前にエッチングによって形成された表面が適切なエッチングマスクによって保護されさえすれば、多重エッチングすることも可能である。また、前記適切なエッチングマスクは、熱的に生成された二酸化シリコン、化学的に真空めっきされたシリコン窒化物、蒸発やスパッタリングにより形成されるクロムやクロム−金の層のような金属層、高濃度でドープされたボロン層のような拡散によって形成されるエッチングストッパーでもよい。硝酸とフッ化水素酸の混合液や、６フッ化硫黄のプラズマのような等方性の腐食液をエッチングのひとつに用いることも可能である。ある特定のシリコンの方向に整列する必要が無い、等方的にエッチングされ形成される溝を最初にエッチングし、続いて、異方性エッチングを行うことができる。本発明の請求範囲は以下に述べる請求範囲によってのみ、限定される。

Ａ及びＢよりなり、Ａは異方性エッチングによって（１００）ウェーハに形成された溝の断面図であり、｛１１１｝面と（１００）面との交差角度を示しており、Ｂは図１Ａの平面図であり、ウェーハの表面に形成されたエッチングマスク内の長方形のウィンドウを介してエッチングされた溝を示している。 Ａ及びＢよりなり、Ａはマスク上に開けられた、長方形より複雑な形のウィンドウと、その結果得られた溝を示す上面図であり、Ｂはマスク上に開けられた、長方形より複雑な形のウィンドウと、その結果得られた溝を示す上面図である。 Ａ乃至Ｃよりなり、Ａは図２Ｂと類似した図であり、外部（凸型の）コーナーに於けるエッチングバックを示しており、Ｂは図２Ｂと類似した図であり、コーナー補償のために付加されたマスクの突出部を示しており、Ｃは溝Ａを非常に浅くし、ずっと深い溝Ｂと交差するようにした構造を示している。 Ａ及びＢよりなり、Ａは従来技術に於ける、ウェーハの裏側と表側からの同時エッチングを示すウェーハの断面図であり、Ｂは図４Ａと類似した図であり、｛１１１｝面の交差する点からの急速なエッチングバックを示している。 Ａ及びＢよりなり、Ａはエッチングにより形成されたウェーハの部分斜視図で、本発明に従って形成された完璧な外部コーナーを示しており、Ｂは第１の溝がエッチングにより形成された後の、第２の溝を形成するためのウィンドウの形状を示すウェーハの上面図である。 窒化物によって画定された第２の溝のパターンと、酸化物によって画定された第１の溝のパターンを示すウェーハの上面図である。 Ａ乃至Ｃよりなり、Ａは本発明の別の実施例を示すウェーハの上面図であり、Ｂは裏側からのエッチング開始直後の、図７Ａに於けるラインＢ−Ｂに沿った断面図であり、Ｃは底面から始まったエッチングが完了した後の、図７Ａに於けるラインＢ−Ｂに沿った断面図である。 Ａ及びＢよりなり、Ａは本発明に従って形成された加速度計構造の上面図であり、Ｂは図８ＡのラインＣ−Ｃに沿った断面図である。

Claims (7)

1. エッチング可能なウェーハに、第１の方向に直線的に延在する第１の溝、及び前記第１の方向に直交する第２の方向に直線的に延在しかつ前記第１の溝と交差する第２の溝を形成し、前記第１の溝と前記第２の溝との交差によって外部コーナーを形成する方法であって、
   前記第２の溝を形成する領域の前記ウェーハの表面上にマスク層を形成する過程と、
   前記ウェーハの表面上の前記マスク層に覆われていない残りの部分を酸化する過程と、
   前記酸化する過程によって形成された酸化物を、前記第１の溝のパターン形状に除去する過程と、
   前記ウェーハを前記マスク層及び前記酸化物をマスクとしてエッチングすることにより、前記第１の溝を形成する過程と、
   前記エッチングにより形成された第１の溝の表面に酸化物を生成するため、前記ウェーハを酸化する過程と、
   前記マスク層を取り除く過程と、
   前記ウェーハを前記酸化物をマスクとしてエッチングすることにより、前記第２の溝を形成する過程とを有することを特徴とする方法。
2. 前記第２の溝が、前記第１の溝と前記第１の溝の一方の端部において交差することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の溝が平行な複数の溝であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第１と第２の溝がＶ型であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の方法。
5. 前記第１の溝が、前記第２の溝と比べより狭く、浅いことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の方法。
6. 前記第１の溝を形成する前記過程で行われるエッチングが、等方性エッチングであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記マスク層の除去に、プラズマエッチングを用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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