JPH03253025A - 加工基板及びシリコン異方性エッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は例えばＸ線マスクや微小なメカニカル部品等の
高速加工や形状加工に使用できる加工基板及びシリコン
異方性エツチング方法に関する。

〔従来技術〕

従来のシリコン異方性エツチングは一般に下記の工程か
らなっている。すなわち、 ■　シリコン単結晶基板に熱酸化あるいはＣＶＤ等の方
法で、酸化膜筐たは窒化膜を付着形成する。

■　単結晶基板の表面上にホトレジストを塗布し、予め
別に作製しであるホトマスクを用いて所望の・ぞタンを
露光・現像してレジストにパタンを形成する。

■　レジストパタンをマスクとして、緩衝フッ酸による
化学エツチングまたはドライエツチング等の方法により
、酸化膜等にエツチング用のパタンを形成する。

Ｇ　レジストパタンを除去する。

■　アルカリ液に浸漬して、異方性エツチングを行う。

この工程から判るように、従来の異方性エツチングでは
エツチング用のノ′？メンを形成するためのホトプロセ
ス（工程■、■、■）を必要とし、その結果加工工程が
長く、さらにホトマスクを使用するためエツチング用パ
タンの設計変更に時間がかかる、という問題があった。

一方、シリコンをエツチングする際にレーザを使用する
方法として、レーザアシストエツチングが知られている
。この方法の特徴は以下の点にある。

■　酸化膜等の耐エツチング膜を付けたシリコン基板の
加工に釦いては、レーザの当たらない部分は加工せずレ
ーザの当たった部分だけを除去加工するため、エツチン
グ液の温度は室温になっている。このときのレーザはエ
ツチングを促進するための補助手段であって、レーザで
基板を直接加工することはない。

■　加工中は、材料に対して常にレーザ照射を行い、加
工の終了とともにレーザ照射も停止する。

■　この加工による形状は（１１））結晶面に依存した
異方性エツチング特有の形状になるとは限らない。

したがって、本発明とは明らかにその効果や目的が異な
る。

筐た、従来のシリコン異方性エツチングによる加工形状
は、エツチングノセタンに関係なく基板の結晶面によっ
て決まり、第７図（瓢）に示すような（１００）シリコ
ン単結晶基板釦よび第７図（ｂ）に示すような（１１０
）シリコン単結晶基板では、それぞれ第７図（ａ）　＞
よび第７図（ｂ）に示す形状に限定される、という問題
があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明はレーザ加工と異方性エツチングを組み合わせる
ことにより、従来のエツチング工程を短縮し、かつ加工
速度の向上を図ることにより生産性の改善を図るシリコ
ン異方性エツチング方法を提供することを目的とすると
ともに、従来のエツチング方法では形成できなかった新
しい形状を可能にする加工基板を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段と作用〕

本発明は上記目的を達成するために、（１００）シリコ
ン単結晶基板において、加工断面の一つの側壁が二つの
傾斜した（１１１）面から構成されたことを特徴とする
もの、及びＣｌｌ０）シリコン単結晶基板に訟いて、加
工形状が基板表面に対して垂直に立つ四つのＣＩＩＪ）
面から構成されたことを特徴とするもので、７０℃以上
のアルカリ流液中に、酸化膜もしくは窒化膜を形成した
シリコン単結晶基板を浸漬し、その基板表面に加工した
いｚ４タン形状もしくは領域を塗り潰すようにレーザビ
ームを走査して、酸化膜もしくは窒化膜の一部を除去し
、富山したシリコン単結晶基板面にその１−ル−ザを照
射することによりシリコン単結晶基板を加工し、所望の
加工深さに達したところでレーザ照射を停止してアルカ
リ液でエツチングすることを特徴とするものである。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例で使ったレーザ加工を用いたシ
リコン異方性エツチングの装置構成で。

１はＹＡＧレーザ、２はＸ−Ｙ走査ミラー　３はハーフ
ミラ−４はｆθレンズ、５は表面に酸化膜又は窒化膜を
形成したシリコン単結晶基板、６はエツチング室、７は
石英、８は循環ポンプ、９は液タンク、１０は加熱ヒー
タ、１１はＴＶモニタである。加工方法は、液タンク９
の中のＫＯＨ液を加熱ヒータ１０で７０℃以上に加熱し
て、循環ポンプ８でエツチング室６に送り、ＫＯＨ液が
流れているエツチング室６の中にシリコン単結晶基板５
を固定し、ＹＡＧレーザ１から出てきたビームをハーフ
ミラ−３で直角に折り曲げ、石英７の窓を通してｆθレ
ンズ４でシリコン単結晶基板５の表面上に焦点を合わせ
たビームを計算機制御のＸ−Ｙ走査ミラー２で走査する
。所定の位置に目的のパタンが形成されたかどうかはＴ
Ｖモニタ１１で確認する。

本加工法はレーデ加工と化学エツチングとの複合加工で
、加工工程はその内容から三つの段階に分けることがで
きる。

第−段階はレーザ加工で酸化膜を除去して、エツチング
パタンを形成することである。一般に酸化膜はＹＡＧレ
ーザの波長（λ＝　１．０６　ｔＲｒｌ）を直接吸収し
ないが、シリコン単結晶基板５の表面はレーザのエネル
ギを吸収して除去されるため同時に表面に付いていた酸
化膜も一緒に除去されシリコンがＫＯＨ液と接触するよ
うになる。この場合、シリコンもＹＡＧレーザの吸収が
よくないため、この実施例ではＱスイッチをかけたｚ４
ルスビームヲ用いた。

第２図に酸化膜を除去するためのレーザ照射条件を示す
。それぞれの平均レーザパワーに対して、斜線領域は容
易に酸化膜を除去してノ臂タン形成が容易にでき、斜線
と点の間の領域はビームを繰り返し走査することでパタ
ンを形成できる。この結果から、酸化膜の除去に少なく
ても／々ルスノセワーの尖頭値で２０　ｋＷ　（平均パ
ワーで４０Ｗに対応）以上が実用的には必要で、平均パ
ワーを増大するとパルスパワーの尖頭値も太きくなる、
ことが判る。レーザ照射条件において、パルス周波数と
ビーム走査速度の組合せ範囲が広くなると、実際の加工
では、例えばパルス周波数を犬きくするとパルス間隔が
狭くなるので微細なパタンの形成に有効で、ビーム走査
速度を大きくすると広い面積の加工に有利、といった利
点が生じる。

第二段階はレーザ加工とエツチングとの複合加工による
シリコン単結晶基板５の高速加工である。

したがって、ここではシリコンの高速加工に釦いてレー
ザ加工とエツチングとの複合効果が最も発揮できる条件
を把握することが重要である。

第３図は加工速度の・ぞルス・ぞワー依存性を示したグ
ラフである。パルス尖頭値の増大とともに加工速度も大
きくなり、パルス尖頭値が８０　ｋＷの場合の加工速度
は１６μＯとなり、レーザ加工を伴わないエツチングだ
けの加工速度と比較して、約８倍向上している。

第４図に加工速度のＫＯＨ温度依存性を示した。

液温か６０℃以下と低くてエツチング速度そのものがあ
壕り大きくない場合加工速度も小さいが、液温が７０℃
以上になると加工速度も急激に上昇し、９０℃での加工
速度は約２１　梠ンｉｎとエツチングだけの場合の約１
０倍と大きな改善効果が得られている。このように加工
速度が６０℃以下で小さく、７０℃以上から急に犬きく
なる傾向はＫＯＨ液による加工速度の温度依存性と同じ
である。

これらの結果から、本加工法ではエツチングが十分に起
きる状況下（液温７０℃以上）でレーザ加工を併用する
ことにより、複合加工の効果が発揮されることが判る。

第三段階はレーザ照射を停止し、異方性エツチングだけ
による加工形状の成形である。第二段階の加工面はレー
ザ加工の特徴が強く現れて、加工面の凹凸は大きく、形
状品質も悪い。しかし、レーザ照射を停止してエツチン
グだけの加工になると、加工面の突起部が選択的に加工
されて荒さは小さくなっていく。そしてこの平坦化とと
もに、加工面は（１１１）で囲筐れた異方性エツチング
特有の形状に変化していく。

ところが、第二段階の加工でレーザ加工を主体にした高
速で深い加工を行ってから、第三段階のエツチングによ
る加工形状の成形を行うと、結晶の面方位に依存して従
来の異方性エツチングでは形成不可能な形状が得られる
。

この理由を第５図に示す断面形状の変化で説明する。従
来の異方性エツチングは酸化膜の一部を除去してアルカ
リ液でエツチングする場合、エツチング液と接触してい
るシリコン面から基板の内部方向に対して、第５図（、
）に示した二つの（１１１）面しか見えない。このため
、エツチングが進行してこれら二つの（１１１）に当た
ると、そこでエツチングは停止し、最終的にはＶ字形の
形状になる。

一方、レーザ加工を併用すると、例えＣ１１ｌ　）面が
現れてもレーザ加工によって除去され、加工形状はレー
ザ加工によって決まる。しかし、ある程度レーザ加工し
てからレーザを停止してエツチングだけにすると、この
時のエツチング液との接触面からシリコン内部（エツチ
ング液と反対側）方向に片側で二つの（ＪＪＪ）面が見
え、エツチングの進行とともにこれらのＣ１１ｌ　）面
が現れ、最終的には第５図（ｂ）の形状が得られる。こ
のときの断面形状ｐよび基板中で二つの（１１１）面が
交差する位置は、レーザの加工深さに依存し、レーザ加
工の深さが第５図（ａ）に示した二つの（１１１）に達
しない場合１２は従来と同じ形状１２′が得られ、これ
より深いとその深さに依存してレーザ加工深さ１３．１
４に対応する異方性エツチングの加工形状は１３’、１
４’のような第５図（ｂ）の形状ができる。

第６図に（１１０）シリコン単結晶基板を用いて、第７
図（ｂ）の線Ａ−Ｂで切った場合の断面について得られ
る異方性エツチングの加工形状を示した。従来法または
レーザでの加工が浅いと表面に対して垂直な二つのＣ１
１ｌ）面と３８度で傾斜した（　Ｊ　１１　）”面とで
囲まれた形状になるが、レーデによる加工を（Ｊ　Ｉ　
Ｊ　）”面より深くすると、この（Ｉ　Ｊ　１　）”面
は基板の内部へ移動し、二つの（１１１）面と（１１Ｊ
　）”面とで囲１れた形状になる。そして、レーザ加工
で基板を貫通してし１うと、基板表面に対して垂直な四
つの（１１７）面だけに囲筐れた新しい形状が形成でき
る。

すなわち、異方性エツチングが始する時の初期形状の違
いが、異方性エツチング後の形状差になって現れるとい
える。したがって、予め研削や超音波加工等の手段を用
いて異方性エツチングの前に、あるいはエツチングと一
緒に用い、途中でこれらの加工を停止して異方性エツチ
ング前の初期形状を変えてかけば、第５図と同じ形状を
得ることができる。

以上述べたように、本加工法ではレーザ加工とエツチン
グを併用し、レーザ加工でエツチング用ノ臂タンを形成
してから、その１筐レーザ加工とエツチングにようシリ
コンの高速加工を行い、最後にエツチングだけで異方性
エツチング特有の加工形状に仕上げる工程を連続操作と
して行うため、■エツチング用バタン形成のためのホト
プロセスを使わないので製作工程が短縮でき、さらにホ
トマスクも用いないのでエツチングパタンの設計変更が
容易、■シリコン単結晶基板の加工速度が太きく加工能
率が高い、■従来の異方性エツチングと同じ形状だけで
なく、従来の異方性エツチングではできなかった形状も
可能、といった長所がある。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、レーザ加工と異方性
エツチングを組み合わせることにより、エツチング工程
を短縮し、かつ加工速度の向上を図ることにより生産性
の改善を図るシリコン異方性エツチング方法を提供する
ことができると共に、従来のエツチング方法では形成で
きなかった新しい形状を可能にする加工基板を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に用いた加工装置の構成図、
第２図は酸化膜を除去するためのレーザ照射条件の一例
を示す特性図、第３図は加工速度のパルスパワー依存性
の一例を示す粋性図、第４図は加工速度のＫＯＨ温度依
存性の一例を示した特性図、第５図は（１００）基板の
加工断面形状の変化の一例を示す説明図、第６図は（１
１０）基板の加工断面形状の変化の一例を示す説明図、
第７図は従来の異方性エツチングによる（１００）と（
１１０）シリコン単結晶基板の加工形状を示す説明図で
ある。 １・・・ＹＡＧレーザ、２・・・Ｘ−Ｙ走査ミラー　３
・・・ハーフミラ−４・・・ｆθレンズ、５・・・シリ
コン単結晶基板、６・・・エツチング室、７・・・石英
、８・・・循環ポンプ、９・・・液タンク、１０・・・
加熱ヒータ、１１・−・ＴＶ全モニタ１２・・・レーザ
加工による浅い加工、ｌ　２’・・・１２の形状から異
方性エツチングで加工した形状、１３・・・レーザ加工
による深い加工。 １３′・・・１３の形状から異方性エツチングで加工し
た形状、１４・・・レーデ加工による貫通、１４′・・
・１４の形状から異方性エツチングで加工した形状。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）（１００）シリコン単結晶基板において、加工断
   面の一つの側壁が二つの傾斜した（１１１）面から構成
   されたことを特徴とする加工基板。
2. （２）（１１０）シリコン単結晶基板において、加工形
   状が基板表面に対して垂直に立つ四つの（１１１）面か
   ら構成されたことを特徴とする加工基板。
3. （３）７０℃以上のアルカリ流液中に、酸化膜もしくは
   窒化膜を形成したシリコン単結晶基板を浸漬し、その基
   板表面に加工したいパタン形状もしくは領域を塗り潰す
   ようにレーザビームを走査して、配化膜もしくは窒化膜
   の一部を除去し、露出したシリコン単結晶基板面にその
   ままレーザを照射することによりシリコン単結晶基板を
   加工し、所望の加工深さに達したところでレーザ照射を
   停止してアルカリ液でエッチングすることを特徴とする
   シリコン異方性エッチング方法。