JP6085757B2

JP6085757B2 - 微小構造体の作製方法

Info

Publication number: JP6085757B2
Application number: JP2013050595A
Authority: JP
Inventors: 健魯; 嵐張; 高木　秀樹; 秀樹高木
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: JP2014176904A

Description

本発明は、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハ上にリリースＭＥＭＳ構造体を作製する方法に関する。

ＭＥＭＳデバイスは通常、自立構造または可動部を有しており、これら自立構造または可動部はウエットまたはドライエッチングによって基板からリリース（ｒｅｌｅａｓｅ）される必要がある。この目的のために、ＳＯＩウエハが使用されてきた。ＳＯＩウエハは、基板の前面からのＭＥＭＳデバイスの容易な製作を可能にし、Ｓｉ基板を除去するためのＤＲＩＥドライエッチングと、ＳｉＯ_２ＢＯＸ（ＢｕｒｒｉｅｄＯｘｉｄｅ：埋め込み酸化物）層を除去するためのＢＨＦウエットエッチングとによってウエハの背面から最終的に構造をリリースする。この背面リリース（ｂａｃｋｓｉｄｅｒｅｌｅａｓｅ）プロセスを図１に示す。図１（ａ）はＳＯＩウエハを、（ｂ）（ｃ）プロセスの実行とＭＥＭＳ構成要素の作製、（ｄ）はウエハの背面から構造をリリースする様子を示している。しかしながら、このプロセスは、数百μｍもの厚いシリコン基板を除去するための、高コストなＤＲＩＥでの長時間のプロセスが必要である。加えて、このプロセスは、背面のリリースパターンと、前面のデバイスパターンとのアライメントを必要とする。これは、複雑な両面アライメント器具を要求する。

上記の背景に基づき、ウエハの前面からのデバイスリリースは、ほとんどのＭＥＭＳ製造工程における主流となっている。図２はＳＯＩウエハの前面からのデバイスリリースの例を示している。図２（ａ）はＳＯＩウエハを、（ｂ）はプロセスの実行とＭＥＭＳ構成要素の作製、（ｃ）は保護膜（ＣＹＴＯＰ）１２の設置およびリリースホール１３の作製、（ｄ）はウエハの前面から構造をリリースする様子を示している。図２において、リリースホールは、全てのほかのプロセスを終了した後に、ＤＲＩＥドライエッチングによってデバイスの形状とともに製作され、次に、構造をリリースするために活性シリコン層の下のＳｉＯ_２ＢＯＸ層を除去するためにＢＨＦまたはＨＦエッチングが使用されることができる。このプロセスにおいて、リリース構造が基板に凝着するのを防ぐため、ＢＨＦウエットエッチングの代わりに蒸気ＨＦドライエッチングがしばしば使用される（特許文献１）。しかしながら、蒸気ＨＦの粒子サイズはきわめて小さく（＜１μｍ）フォトレジストまたは他の保護膜の内部に容易に侵入するため、このステップにおいて、ＭＥＭＳデバイスとＣＭＯＳコンポーネントは蒸気ＨＦによって損傷を受ける高リスクを有する。よって、蒸気ＨＦドライエッチング中に他のコンポーネントを保護することは困難な問題である。

１）リリースＭＥＭＳ構造を作製するための、ウエハ接合による空洞ウエハの方法
密閉空洞プロセスを使用したリリースＭＥＭＳ構造の製造は１９９１年から１９９４年の間に発表された（非特許文献１）。図３はこのプロセスの模式図である。この方法では、最初に一方のウエハ（ウエハＡ）１５内に溝部が作製され（図３（ｄ））、次に他のウェハ（ウェハＢ）１６が接合され、密閉空洞１４が作られる(図３（ｅ）)。接合されたウエハにおいて、デバイスを作製するために、ウエハＡは基板ウエハとして使用され、ウエハＢは活性層として使用される。接合後、研削および研磨プロセスを使用してウエハＢの厚さを数１００μｍから数十μｍまで減少させる(図３（ｆ）)。空洞を有する接合ウエハは、その後ＣＭＯＳおよびリリースＭＥＭＳ構造の作製のために使用されることができる。デバイス作製の最終ステップにおいて、ＤＲＩＥドライエッチングを使用してＭＥＭＳがリリースされる。

このプロセスはＯＫＭＥＴＩＣによって商品化されている。しかしながら、以下のような問題点がある。
（１）空洞を有する２枚のウエハの接合：ウエハＡ（図３(ｄ)）を作製後、ウエハＡの表面粗さは、損傷と汚染によって悪化する。よって接合欠陥なしに接合プロセスを行うことが困難である。
（２）ウエハ研削および研磨：空洞部のシリコンのゆがみによって、活性シリコンの厚さ均一性が保証されない。その上、空洞部にかかる高い応力によって、研削および研磨中に、シリコンはしばしば破壊される（特許文献２）。
（３）空洞内部の密閉された空気が上部のシリコンを破壊することがあるため、真空プロセス内で空洞ウエハを扱うことが困難である。

２）真空密閉空洞を有する微細構造の作製方法が開示されている（特許文献３、特許文献４）。
真空チャンバー内でカプセル化により形成された空洞は、キャッピング層によってシールされる。真空チャンバーをベントして大気圧にする前に、引張応力を有する堅い保護層をキャッピング層上に堆積させる。キャッピング層はアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが望ましく、保護層は適切な高ヤング率を有するδ-ＴｉＮであることが望ましい。この方法は複雑な膜堆積とエッチングプロセスを必要とする。

米国特許第５４２３９４４号明細書米国特許第６５５１８５１号明細書米国特許出願公開第２００３／０２１７９１５号明細書米国特許第６９０２６５６号明細書

M.A.Huff, A.D.Nikolich, M.A.Schmidt, "Design of Sealed Cavity Microstructures Formed by Silicon Wafer Bonding", J.Microelectromech.Syst., vol.2, pp.74-81, 1993. T.Suni, K.Henttinen, J.Dekker, H.Luoto, M.Kulawski, J.Makinen, R.Mutikainen, "Silicon-on-Insulator Wafers with Buried Cavities", Journal of the Electrochemical Society, vol.153, pp.G299-G303, 2006. W.I.Jang, C.A.Choi, M.Lae.Lee, C.H.Jun, Y.T.Kim, "Fabrication of MEMS Devices by Using Anhydrous HF Gas-phase Etching with Alcoholic Vapor", J. Micromechan. Microeng., vol.12, pp.297-306, 2002

本発明は、気体ＨＦドライエッチングを用いた空洞ファーストプロセスにより、ＳＯＩウエハ内にリリースＭＥＭＳ構造を作製する方法を提供する。

本発明では、最初にＤＲＩＥドライエッチングによって活性シリコン層にリリーススルーホールを作製し、次に蒸気ＨＦドライエッチングを使用してこれらのリリーススルーホールの下のＳｉＯ_２ＢＯＸ層を除去することにより空洞が形成され、最後にこれらのリリーススルーホールは酸化ＳｉＯ_２層またはフッ素樹脂によって、空洞に入ることなく、またウエハの平坦性に影響を与えることなく、覆われ、充填される。その後、他のＣＭＯＳまたはＭＥＭＳプロセスが、通常通りＳＯＩウエハの表面上で実施されることができる。最終ステップにおいて、ＤＲＩＥを使用して、活性シリコン層のドライエッチングによって構造をリリースする。リリースホールに充填されたフッ素樹脂は、数分で酸素プラズマによって完全に除去されることができる。

本発明の作製方法によると、シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハ上にＣＭＯＳ回路を有するＭＥＭＳデバイスのフレキシブルな作製と容易なパッケージングを可能にし、ウエットケミカルエッチングまたは時間を浪費するＤＲＩＥによるウエハの背面からのデバイスのリリースを不要とし、ＨＦによる金属またはＳｉＯ_２の損傷のリスクを低減する。ウエハの直接接合とウエハ研削を用いた埋め込み空洞（非特許文献１、非特許文献２）と比較すると、本発明の方法は、より良い厚み均一性とより少ないＭＥＭＳ構造内の残留ストレスとともに、プロセスが容易であり、高い生産性を実現する。

従来の背面リリースプロセスを示す模式図である。従来のウエハの前面からのリリースプロセスを示す模式図である。従来の密閉空洞プロセスを使用したリリースプロセスを示す模式図である。本発明のリリースプロセスを示す模式図である。本発明のリリースプロセスを示す模式図であり、リリースホールをフッ素樹脂で充填した場合と、熱酸化ＳｉＯ_２層によって充填した場合とを比較した模式図である。異なるピッチサイズを有するリリースホールを示すＳＥＭとＩＲ画像である。異なる直径を有するリリースホールをフッ素樹脂で充填したことを示すＳＥＭ画像である。本発明の空洞の断面ＳＥＭ画像である。本発明のプロセスによって作製したＭＥＭＳ振動センサのＳＥＭ画像である。

図４は本発明の方法のフローチャートを示す。図４（ａ）はＳＯＩウエハである。標準的なプロセスによってＣＭＯＳ回路１７を作製したのち（図４（ａ）と図４（ｂ）の間）、ＤＲＩＥによって活性シリコン層内にリリースホール１３が生成され、次に気体ＨＦドライエッチングによりＳｉＯ_２ＢＯＸ層２に空洞１４が形成される（図４（ｂ））。次に、ウエハのパッシベーションのために、１００ｎｍ厚のＳｉＯ_２２を堆積する（図４（ｃ））。１μｍ厚のフッ素樹脂１８が塗布することにより、リリースホールが充填される（図４（ｄ））。フッ素樹脂は他の耐薬品性物質であっても良い。樹脂の粘度を調整することと、毛細管力と空洞内の密閉された気体とを釣り合わせるアニールプロセスによって、フッ素樹脂はスルーホールの底まで到達しない、したがって空洞内に侵入しないことがわれわれの結果から証明されている。このときの樹脂の粘度は１０^２〜１０^５ｍＰａ・ｓ、樹脂の塗布プロセスは５００ｒｐｍ／３０ｓｅｃ、樹脂のアニールは、室温で３０分、次に８０℃で４５分、次に２２０℃で４５分行った。この場合、ウエハのゆがみは１ｍｍの大きさの空洞の場合数ｎｍに抑えることが出来る。加えて、圧力下で気体はフッ素樹脂を通り抜けることができるため、リリースホールの充填後に真空プロセスを実行することができる。その後、気体ＨＦドライエッチングにより容易に損傷を受けるＭＥＭＳ構成部材の作製および、ＭＥＭＳとＣＭＯＳ回路を相互接続するプロセスなどが実行される(図４（ｄ）と図４（ｅ）の間)。気体ＨＦドライエッチングにより容易に損傷を受けるコンポーネントおよびプロセスを図４（ｄ）と図４（ｅ）の間にフレキシブルに配置することができる。最終的に、ＭＥＭＳ構造はＳｉ−ＤＲＩＥおよびＳｉＯ_２−ＲＩＥによってリリースされる（図４（ｅ））。最後に、Ｏ_２プラズマアッシングにより、フォトレジストとフッ素樹脂が除去される（図４（ｆ））。空洞ラストプロセス（非特許文献３）と比較すると、本発明の方法は、空洞の形成後にこれらのプロセスを行うことによって、ＭＥＭＳ構成部材へのＨＦ損傷を防ぐ。

リリースホールをフッ素樹脂で充填する代わりに、リリースホールの半径と同じ厚さの熱酸化ＳｉＯ_２層によって充填することができる。この場合、ウエハは、リリースホールをフッ素樹脂で充填すると比べて、大きなゆがみを示すことがある（１ｍｍの空洞に対して１．２５μｍ）。リリースホールを充填したあとのプロセスにおいて１．２５μｍのゆがみが許容範囲である場合に使用することができる。

図５に、リリースホールをフッ素樹脂で充填した場合と、熱酸化ＳｉＯ_２層によって充填した場合とを比較した模式図を示す。図５（ａ）はＳＯＩウエハである。気体ＨＦドライエッチングにより容易に損傷を受けないコンポーネントおよびプロセスを行った（図５（ｂ））のち、ウエハのパッシベーションのためにＳｉＯ_２２を堆積し（図５（ｃ））、ＤＲＩＥによって活性シリコン層内にリリースホール１３を形成し（図５（ｄ））、気体ＨＦドライエッチングによりＳｉＯ_２ＢＯＸ層２に空洞１４を形成する（図５（ｅ））。次に、図５（ｆ）ではリリースホールを熱酸化ＳｉＯ_２層２１によって充填している。気体ＨＦドライエッチングにより容易に損傷を受けるコンポーネントおよびプロセスを行ったのち、ＭＥＭＳ構造をＳｉ−ＤＲＩＥおよびＳｉＯ_２−ＲＩＥによってリリースする（図５（ｈ））。一方、図５（ｉ）では、リリースホールをフッ素樹脂１８によって充填している。リリースホールを熱酸化ＳｉＯ_２層によって充填した場合を、フッ素樹脂で充填した場合と比較すると、プロセスが容易であるという利点がある。しかし、フッ素樹脂で充填した場合と比較して、空洞の高さが小さくなる、リリースホールのサイズが限定される（典型的に、１μｍ以下）、ウエハのゆがみが大きくなる、熱プロセスの損傷を受ける、という欠点がある。これに対して、リリースホールをフッ素樹脂で充填した場合、熱酸化ＳｉＯ_２層によって充填した場合と比較すると、ウエハのゆがみが小さく、真空プロセスを実行することができ、空洞の高さは大きく（ＳｉＯ_２ＢＯＸ層の高さに等しい）、高温プロセスを必要としない、といった利点がある。

図６のＳＥＭとＩＲ画像により、直径２μｍ、ピッチ５、１０、１５μｍのリリースホールが、１０μｍ厚の活性シリコン層の下の２μｍ厚のＳｉＯ_２ＢＯＸ層をエッチングするのに効果的であることが明らかになった。このサイズのリリースホールでは、リリース構造を形成したことによる質量のロスは数％以下になるという結果になる。その上、均一に分散されたリリースホールを通り、反応生成物Ｈ_２Ｏが素早く排出されるおかげで、空洞内に凝着は観察されなかった。

空洞形成後のウエハの平坦性はＣＭＯＳプロセスにとって必要不可欠である。表１は、表面形状測定装置によって測定されたＳｉのひずみを示している。直径が１μｍまたは２μｍ、ピッチサイズが１５μｍのときにひずみは無視してよく、ＣＭＯＳプロセスと適合する。活性シリコン層内の残留応力はＳｉＯ_２パッシベーション層の残留応力よりずっと小さいため、パッシベーションプロセスを最適化することによりひずみはさらに減少するものと予想される。

図７は直径１μｍおよび２μｍのリリースホールが１μｍ厚のフッ素樹脂によく充填されることができることを示すＳＥＭ画像である。直径３μｍのリリースホールを充填するには、より厚いフッ素樹脂が必要であった。よってウエハは空洞およびフッ素樹脂にいかなる損傷もなく真空下で加工されることができる。さらに、図７（ｄ）のＳＥＭ画像は、ウエハの表面とリリースホール中のフッ素樹脂はＯ_２プラズマによって完全に除去されることができることを立証した。図８は空洞の断面ＳＥＭ画像であり、活性シリコン層と基板シリコンの間の均一なギャップと、いかなるポリマー残渣もないことが確認できる。

提案した本発明の空洞ファーストプロセスを使用することにより、図９に示すように、円の扇形のプルーフマスを有するＭＥＭＳ振動センサがうまく作製された。プルーフマスの下にはｓｔｉｃｔｉｏｎは観られなかった。加えて、図９の挿入図は、プルーフマスの背面には汚染物質がなかったことを示している。

１Ｓｉ層
２ＳｉＯ_２層
３Ｂ^＋拡散層
４ＰＺＴ層
５上部電極
６下部電極
７Ａｕ／Ｃｒ層
８Ｓｉ（ｎ）層
９酸化物層
１０Ｐ＋
１１Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ
１２保護膜（ＣＹＴＯＰ）
１３リリースホール
１４空洞
１５ウエハＡ
１６ウエハＢ
１７デバイス
１８フッ素樹脂
１９フォトレジスト
２０リリース構造
２１熱酸化ＳｉＯ_２

Claims

リリースＭＥＭＳ構造を作製する方法であって、
シリコン−オン−インシュレータ（ＳＯＩ）基板に、
ＤＲＩＥによって、活性シリコン層にリリースホールを形成するステップと、
気体ＨＦドライエッチングによって前記リリースホールの下部のＳｉＯ₂ＢＯＸ層に空洞を形成するステップと、
前記ＳＯＩ基板に気体ＨＦドライエッチングによって損傷を受けるコンポーネントを作製するステップと、
Ｓｉ−ＤＲＩＥによって前記ＳＯＩ基板のＭＥＭＳ構造をリリースするステップと
を備えたことを特徴とする方法。
請求項１のリリースＭＥＭＳ構造を作製する方法において、
気体ＨＦドライエッチングによって前記リリースホールの下部の前記ＳｉＯ₂ＢＯＸ層に前記空洞を形成するステップの前に、
前記ＳＯＩ基板に、気体ＨＦドライエッチングによって損傷を受けないコンポーネントを作製するステップ
をさらに備えたことを特徴とする方法。
請求項１または２のリリースＭＥＭＳ構造を作製する方法において、
気体ＨＦドライエッチングによって前記リリースホールの下部の前記ＳｉＯ₂ＢＯＸ層に前記空洞を形成するステップ後に、
前記ＳＯＩ基板に、ＳｉＯ₂を堆積するステップ
をさらに備えたことを特徴とする方法。
請求項１乃至３のいずれかのリリースＭＥＭＳ構造を作製する方法において、
前記リリースホールの直径が、１μｍから２μｍの間にあり、前記リリースホールのピッチサイズが１５μｍであることを特徴とする方法。
請求項３のリリースＭＥＭＳ構造を作製する方法において、
前記堆積するステップと前記気体ＨＦドライエッチングによって損傷を受けるコンポーネントを作製するステップとの間に、前記リリースホールを前記リリースホールの半径と同じ厚さの熱酸化ＳｉＯ₂層によって充填するステップをさらに備えたことを特徴とする方法。
請求項３のリリースＭＥＭＳ構造を作製する方法において、
前記堆積するステップと前記気体ＨＦドライエッチングによって損傷を受けるコンポーネントを作製するステップとの間に、前記リリースホールを耐薬品性物質によって充填するステップと、
前記ＭＥＭＳ構造をリリースするステップのあとに、Ｏ₂プラズマによって前記耐薬品性物質を除去するステップと
をさらに備え、前記耐薬品性物質の粘度を調節し、毛細管力によって前記耐薬品性物質が前記リリースホールに侵入する圧力と、前記空洞内の密閉された気体の圧力を、アニールすることにより釣り合わせることによって、前記耐薬品性物質が前記リリースホール内にとどまり、前記空洞内には入らないことを特徴とする方法。
請求項６のリリースＭＥＭＳ構造を作製する方法において、前記耐薬品性物質はフッ素樹脂であることを特徴とする方法。