JP4184885B2 - シリコン基板への垂直穴加工方法 - Google Patents

シリコン基板への垂直穴加工方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板への垂直穴加工方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
シリコン基板は半導体や光通信の素材としてはもとより、優れた加工性、強度、物性を有するため、シリコン基板に微細加工を行い、圧力センサ−、加速度センサ−等のマイクロマシン、インクジェットプリンタ−のノズル、X線露光用マスクや電子線投影露光用マスク、DMD(Digital Micromirror Device)の部材等の様々な分野で用いられている。シリコン基板は、単結晶のシリコンインゴットを所定の結晶面方位に切断し、研削やポリッシング等の工程を経て製造される。上記の様々な分野の製品を製造するには、シリコン結晶に微細加工技術や成膜技術等の加工技術を用いるが、各種の加工技術の中でも、シリコン基板に垂直穴加工する技術が基本的に共通する技術として重要性が高い。
【0003】
従来、シリコン基板への穴加工方法としては、以下のような技術が知られている。その方法の一つは、シリコン基板上にフォトレジスト、シリコン酸化膜等からなるシリコンエッチング時のマスク層を形成した後、プラズマドライエッチング加工によって垂直な穴を形成する方法である。また、別な方法として、シリコン基板の表面の結晶面方位が{100}あるいは{110}の基板上に、フォトレジスト、シリコン酸化膜等からなるマスク層を形成した後、エッチング速度が面方位に依存するアルカリ性のエッチング液を用いてウエットエッチング加工し、穴を形成する方法がある。さらに、ドライエッチングとウエットエッチングを組合せた方法もある。上記の方法を用いた例として、特許文献1や特許文献2が例示される。
【0004】
【特許文献1】
特開平9−11479号公報
【特許文献2】
特開平10−10706号公報
【0005】
しかし、上記の従来技術には、次のような問題があった。プラズマドライエッチングによる方法は、数100μmの厚さを有するシリコン層の加工面全域をドライエッチングのみで穴加工するには時間がかかりコスト高になるという問題と、穴加工部分の開口率によって、エッチング速度とその基板面内分布が変化するため、大口径のシリコン基板内で均一な寸法の穴加工を行なうことが困難であるという問題があった。さらに、穴加工した側壁の平坦性や垂直性が低いことも問題であった。また、結晶面方位が{100}あるいは{110}のシリコン基板にアルカリ性エッチング液を用いる方法は、側壁の平坦性は高いものの、穴の深さ方向にエッチング加工されるのと同時に、開口が広がる横方向にもエッチングが進行し、穴が深くなるほど穴の先端は狭くなるので、予め開口部を大きくする必要があり、アスペクト比(開口寸法に対する深さ寸法の比)の大きい穴加工が不可能であるという問題があつた。そのため、シリコンを垂直に穴加工する微細加工技術が求められていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明はこのような問題点を解消するためになされたものである。その目的は、低コストで、大口径のシリコン基板内での均一な寸法の穴加工が可能であり、かつ、アスペクト比の大きい穴加工が可能なシリコン基板への垂直穴加工方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項1の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、アルカリ性溶液による異方性エッチングを利用したシリコン基板への垂直穴加工において、結晶面方位が{211}であるシリコン基板を用い、前記アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め正方形もしくは長方形の開口を有し、側壁の結晶面方位が{111}および{110}から成る穴を形成することを特徴とするものである
【0009】
請求項の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工するパタ−ンの形状が、結晶面方位{211}面上において正方形、長方形、三角形、L字形のいずれか、もしくはその組合せであり、予め穴加工するパタ−ンの1辺が前記開口部の側壁の結晶面方位が{111}となる2辺の各辺で少なくとも一部を共通していることを特徴とするものである。
【0010】
請求項の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工しておくのに、ドライエッチング加工もしくはレ−ザビ−ム加工を用いることを特徴とするものである。
【0011】
請求項の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工しておくのに、異方性エッチングに用いるアルカリ性溶液中でレ−ザ光を開口部に垂直照射することを特徴とするものである。
【0012】
請求項の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に、開口部の少なくとも一部に予めレ−ザ光を垂直に照射し、照射部分のシリコンの結晶構造を変質させておくことを特徴とするものである。
【0013】
請求項の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、異方性エッチングに用いるアルカリ性溶液がイソプロピルアルコ−ルとアルカリ水溶液の混合液であることを特徴とするものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明は、表面の結晶面方位が{211}であるシリコン基板を用い、穴の側壁面が{111}および{110}となるような正方形もしくは長方形の開口のマスクパタ−ンを形成し、{111}、{110}面のエッチング速度が遅くなる条件下でアルカリ性溶液によるエッチングを行なうことによって、側壁の4面が{111}と{110}からなる正方形もしくは長方形の垂直穴が形成される加工方法である。以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【0015】
図1は本発明のシリコン基板への垂直穴加工を説明する平面模式図である。表面の結晶面方位が{211}であるシリコン基板1に、穴の側壁面が{111}および{110}となるような正方形もしくは長方形の開口のマスクパタ−ン2を形成する。図1では、マスクパタ−ン2の対向する2つの{111}面側の辺に接して、予め穴加工する部分として長方形部分3を設け、ドライエッチング等の方法で予め穴加工し、2つの長方形部分のシリコン層をエッチングして取り除く。
【0016】
次に、長方形部分3のシリコンを除去した後、イソプロピルアルコ−ル(IPA)とアルカリ水溶液の混合液から成るアルカリ性溶液を用いて、2つの長方形部分3の間のシリコン層をウエットエツチングする。IPAは{110}面のエッチング速度を低下させる効果を有し、本発明者はIPAを30%含むアルカリ水溶液がエッチングの制御が容易で、{211}面のウエットエッチングに好適であることを見出したものである。
【0017】
図2は表面の結晶面方位{211}のシリコン基板に、アルカリ性溶液を用いてウエットエッチングした時に、底面に斜めに現われる面方位を示す状態を説明する断面図である。面方位{111}は{211}面に対して角度19°で現われ、面方位{110}は角度55°で現われる。開口部の〈110〉方向の2辺では、{111}面でアルカリ性溶液によるウエットエッチングは停止する。開口部の〈111〉方向の2辺では、基板に対して垂直に{110}面が現われる。したがって、図1に示すように、開口部の側壁が{111}面となる2辺に接したシリコン層部分を予めドライエッチング等の手段で除去するか、少なくともその一部のシリコン層を除去しておけば、その部分からウエットエッチングが進行し、シリコン層が除去され、マスクパタ−ン2に相当する垂直穴が形成される。
【0018】
したがって、予め穴加工する部分のパタ−ンの形状として、正方形、長方形、三角形、L字形のいずれか、もしくはその組合せを用いることができる。例えば、マスクパタ−ン開口部2を用いた場合でも、図3(a)あるいは図3(b)に示すようなパタ−ン形状の予め穴加工する部分4、5も用いることができる。予め穴加工する部分の寸法は、そのパタ−ン形状の最も小さいの辺の値がシリコン層厚さに対して、アスペクト比で10以下であれば十分に垂直穴加工が可能である。
【0019】
穴の側壁が{111}面となる辺の少なくとも一部を予め穴加工する方法としては、プラズマドライエッチング加工、レ−ザビ−ム加工、機械加工、放電加工が用いられるが、シリコン基板に衝撃を与えず微細加工性に優れている点から、プラズマドライエッチング加工またはレ−ザビ−ム加工または放電加工がより好ましい。
【0020】
また、予め穴加工する他の方法として、ウエットエッチング中にレ−ザ光を垂直照射してエッチングを促進することによって、底面に斜めに{111}および{110}面が形成されることによる垂直方向のエッチングの停止を防止し、アスペクト比の大きい垂直穴加工を行なうことも可能である。レ−ザ光としては、例えば、Nd:YAGレ−ザを用い、パワ−密度0.5〜2MW/cm2 でパルスエネルギ−0.1〜0.4Jが例示できる。
【0021】
また、アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に、開口部の少なくとも一部に予めレ−ザ光を垂直に照射し、照射部分のシリコンの単結晶構造を破壊し変質させておくことにより、照射部分をエッチング液に可溶とすることも可能である。レ−ザ光を予め照射する部分は、照射部分が前記開口部の結晶面方位が{111}となる辺と少なくとも一部を共通していればよいが、開口部全面に照射しておいてもよい。レ−ザ光としては、前述と同じく、Nd:YAGレ−ザを用い、パワ−密度0.5〜2MW/cm2 でパルスエネルギ−0.1〜0.4Jが例示できる。
【0022】
なお、本発明でシリコン基板の垂直穴加工とは、シリコン層部分に正方形もしくは長方形の垂直の貫通穴を設けることを意味するが、必ずしもそれに限定される訳ではなく、所望する用途により設計に基づいてシリコン層の途中段階の深さで止めた垂直穴も含めるものである。
【0023】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図4およびそれに続く図5は、本発明のシリコン基板への垂直穴加工方法を示す部分的な断面模式図である。図6およびそれに続く図7は、図4および図5の平面模式図である。
【0024】
図4(a)、図6(a)に示すように、被加工物として、直径150mm、結晶面方位{211}で厚さ625μmのシリコン層7、厚さ1μmのシリコン酸化膜8、その上の20μmのシリコン層9より成るSOI(Silicon On Insulator)基板6を用意した。
【0025】
上記のSOI基板6の表面を、硫酸と過酸化水素の混合水溶液(97%硫酸と30%過酸化水素水を体積比4:1で混合)に10分間浸漬、超純水で10分間リンス、1%フッ化水素酸水溶液に1分間浸漬、超純水で10分間リンス、80℃に加熱した塩酸と過酸化水素の混合水溶液(35%塩酸と30%過酸化水素水と超純水を体積比で1:1:6で混合)に10分間浸漬、超純水で10分間リンス、1%フッ化水素酸水溶液に1分間浸漬、超純水で10分間リンスという工程を通して、シリコン表面の汚染物(金属、有機物、微粒子)と自然酸化膜を除去した。
【0026】
次に、LPCVD装置を用いて、原料ガスとしてジクロルシラン(SiH2 Cl2 )アンモニア(NH3 )をそれぞれ75sccmと150sccm、圧力100Pa,温度800℃の条件で、SOI基板6の両面に厚さ0.2μmのシリコン窒化膜(Si3 4 )を形成した。
【0027】
次に、LPCVD装置を用いて、原料ガスとしてテトラエトキシシラン(TEOS)と酸素をそれぞれ75sccmと10sccm、圧力40Pa,温度650℃の条件で、図4(b)、図6(b)に示すように、SOI基板両面のシリコン窒化膜10の上に、厚さ0.2μmのシリコン酸化膜(SiO2 )11を形成した。
【0028】
次に、基板の被加工面となるシリコン層7の一面側のシリコン酸化膜11上に、厚さ1μmのフォトレジスト膜を形成した。具体的には、基板にポジ型フォトレジスト(クラリアント社製AZ−5206E)をスピン塗布後、ホットプレ−トにて120℃、90秒のプリベ−クを行った。
【0029】
次に、開口部の辺の方向がシリコン基板の〈111〉、〈110〉方位と一致するように、シリコン基板のオリエンテ−ションフラットを基準に位置合わせを行なった後、フォトリソグラフィ法により、図4(c)、図6(c)に示すように、垂直穴加工する開口部レジストパタ−ン12(開口部1mm×1mm)を基板上に多数個形成した。現像は所定の現像液(東京応化工業社製NMD−3)で行ない、ホットプレ−トで120℃、90秒のポストベ−クを行なった。
【0030】
次に、緩衝フッ酸(ステラケミファ社製LAL1000)に2.5分間浸漬することによって、レジストパタ−ン12の開口部の露出しているシリコン酸化膜11をエッチング除去し、図4(d),図6(d)に示すように、シリコン窒化膜10を露出させた。
【0031】
次に、アセトンで10分間、イソプロピルアルコ−ルで10分間、超純水で10分間超音波洗浄して、フォトレジストを除去した。
【0032】
次に、加熱燐酸水溶液に浸漬し、図4(e)、図6(e)に示すように、シリコン酸化膜の開口部のシリコン窒化膜をエツチング除去した。エッチング液である加熱燐酸水溶液は、温度を154℃の一定に制御し、常に沸騰している状態を保ち、超純水を少量滴下して燐酸濃度を85%の一定に保った。シリコン窒化膜に開口部を形成した後、水洗、乾燥した。
【0033】
次に、シリコン層の異方性エッチングの前に、予め開口部の一部を穴加工し、その穴加工部分のシリコンを除去しておくために、再びポジ型フォトレジスト(クラリアント社製AZ−5206E)を塗布し、フォトリソグラフィによりレジストパタ−ンを形成した。本実施例では、図5(f)、図7(f)に示すように、開口部の側壁が{111}面となる2辺に接して長方形(1mm×70μm)の予め穴加工するレジストパタ−ン15を形成した。
【0034】
次に、ICPプラズマドライエッチング装置を用いて、フォトレジストから露出したシリコン層7をドライエッチングした。具体的には、圧力を3.5Paに調整したチャンバ−のICPコイルに13.56MHzの高周波を500W印加してプラズマを生成し、プロセスガスとして六フッ化硫黄(SF6 )100sccmとパ−フルオロシクロブタン(C4 8 )100sccmを10秒毎に切り替えて供給してエッチングすることによって、シリコン層7に垂直な穴加工を行ない、図5(g)、図7(g)に示すように、SOI基板のシリコン酸化膜8に達する625μmの深さまで予め穴加工した部分16を形成した。
【0035】
次に、ICPプラズマエッチング装置を用いて、図5(h)、図7(h)に示すように、表面のフォトレジストを除去した。圧力、印加周波数は前述の条件と同じで、プロセスガスとして酸素を100sccm供給した。
【0036】
次に、開口部の予め穴加工した部分16の間にあるシリコンを、アルカリ性溶液でエッチングして、図5(i)、図7(i)に示すように、垂直穴18を形成した基板20を形成した。エッチング液にはIPAを30重量%添加した水酸化カリウム水溶液(20重量%)を用い、60℃でエッチングした。シリコン層のエッチングは、SOI基板のシリコン酸化膜8に達する625μmの深さまで行なった。
【0037】
こうして加工したSOI基板の穴加工した断面を走査型電子顕微鏡で測定した。その結果、設計値通りのほぼ1mm×1mmで深さ625μmの穴が垂直に形成されていることが確認された。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低コストで大口径のシリコン基板内での均一な寸法の穴加工が可能であり、かつ、アスペクト比の大きい穴加工が得られる。それゆえ、マイクロマシンや電子線投影露光用マスク等、シリコンに微細な垂直穴を設ける各種製品に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のシリコン基板への垂直穴加工を説明する平面模式図
【図2】 エッチング時に現われる面方位を示す状態を説明する断面図
【図3】 本発明で予め穴加工するのに用いられるパタ−ンの他の例
【図4】 本発明のシリコン基板への垂直穴加工方法を示す断面模式図
【図5】 図4に続く本発明のシリコン基板への垂直穴加工方法を示す断面模式図
【図6】 図4の平面模式図
【図7】 図5の平面模式図
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 マスクパタ−ン開口部
3、4、5予め穴加工する部分
6 SOI基板
7、9 シリコン層
8 シリコン酸化膜
10 シリコン窒化膜
11 シリコン酸化膜
12 開口部レジストパタ−ン
13 開口部を設けたシリコン酸化膜
14 開口部を設けたシリコン窒化膜
15 予め穴加工するレジストパタ−ン
16 予め穴加工された部分
17、19 エッチングされたシリコン層
18 垂直穴
20 垂直穴加工されたSOI基板

Claims (6)

  1. アルカリ性溶液による異方性エッチングを利用したシリコン基板への垂直穴加工において、結晶面方位が{211}であるシリコン基板を用い、前記アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め正方形もしくは長方形の開口を有し、側壁の結晶面方位が{111}および{110}から成る穴を形成することを特徴とするシリコン基板への垂直穴加工方法。
  2. 前記アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工するパタ−ンの形状が、結晶面方位{211}面上において正方形、長方形、三角形、L字形のいずれか、もしくはその組合せであり、予め穴加工するパタ−ンの1辺が前記開口部の側壁の結晶面方位が{111}となる2辺の各辺で少なくとも一部を共通していることを特徴とする請求項に記載のシリコン基板への垂直穴加工方法。
  3. 前記アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工しておくのに、ドライエッチング加工もしくはレ−ザビ−ム加工もしくは放電加工を用いることを特徴とする請求項1もしくは2に記載のシリコン基板への垂直穴加工方法。
  4. 前記アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工しておくのに、異方性エッチングに用いるアルカリ性溶液中でレ−ザ光を開口部に垂直照射することを特徴とする請求項1もしくは2に記載のシリコン基板への垂直穴加工方法。
  5. 前記アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に、開口部の少なくとも一部に予めレ−ザ光を垂直に照射し、照射部分のシリコンの結晶構造を変質させておくことを特徴とする請求項に記載のシリコン基板への垂直穴加工方法。
  6. 前記異方性エッチングに用いるアルカリ性溶液がイソプロピルアルコ−ルとアルカリ水溶液の混合液であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のシリコン基板への垂直穴加工方法。
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