JPH04338643A - シリコンウェハーの加工方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体圧力センサー等の
製造のシリコンウェハーの微細加工に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウェハーを用いて、フォトリソ
グラフィや薄膜形成技術或はエッチング技術などの半導
体製造方法を応用し、ミクロな精密機械部品或はマイク
ロセンサー等を製造するマイクロマシニングが最近注目
を浴びている。

【０００３】その理由として、その原料となるシリコン
ウェハーは機械的強度が高く、半導体製造プロセスを応
用する事により、ミクロンオーダーの精度の機械部品を
大量に製造できるからである。

【０００４】マイクロマシニングを応用した半導体圧力
センサーのシリコンプロセスはフォトリソ技術と異方性
エッチングによるウェハーの切削から成っている。エッ
チングについては、乾式異方性エッチング及び湿式異方
性エッチングがある。特に、湿式異方性エッチングでは
数百ミクロンの深い溝やダイヤフラムを形成できるため
、半導体圧力センサーやシリコンを用いたインクジェッ
トプリンター用記録ヘッドを湿式異方性エッチングによ
り製造されている。

【０００５】しかしながら、従来のシリコンウェハーの
湿式異方性エッチングにより加工出来る形状には制約が
あり、必ず結晶方位を調べ、Ｓｉ＜１１０＞方向に沿っ
て直線でのみマスクパターンを形成していた。そして、
異方性エッチングにより、エッチング速度の極端に遅い
Ｓｉ（１１１）面を出現させアンダーカットが少なく、
しかもエッチング面の凹凸の少ないエッチング形状を形
成していた。

【０００６】しかし、このＳｉ（１００）面方位のウェ
ハーを用いて方位Ｓｉ＜１１０＞方向によって正方形の
マスクパターンを形成し湿式異方性エッチングを行うと
、シリコンパターンの角の部分１０がアンダーカットに
より削られていく現象があり、湿式異方性エッチングに
よって角を形成するためにこのアンダーカットを考慮し
た補正マスクパターンの開発が必要であった。

【０００７】またもし、Ｓｉ＜１１０＞方向以外の方向
に直線でパターンを形成したり、あるいは曲線を用いて
マスクパターンの形成を行い、Ｓｉの異方性エッチング
を行うと、アンダーカットが激しくなり、所定エッチン
グ形状が得られないばかりか、エッチング形状の変形や
、ひどいときにはアンダーカットによるエッチングパタ
ーンの消失することさえある。

【０００８】また、形成されたエッチングパターンの壁
部形状も図２に示すように凹凸が激しく、インクジェッ
トヘッドとして使用するにはインクの流れを阻害したり
、気泡が排出されず問題があった。

【０００９】そこで、アンダーカットを抑制するために
荷性アルカリ水溶液にイソプロピルアルコール等のアル
コール類を添加したエッチング液も開発されているが、
アルコールが揮発しやすいためエッチング液の特性が不
安定で液管理が困難であり、またＳｉのエッチング面の
凹凸が激しくなる。

【００１０】さらに、揮発アルコールは引火性が強いた
め、エッチングの作業には火災や爆発などの危険性がつ
きまとうため、大量生産には向いていない。従って、現
在ではあまり使用されていないのが現状である。

【００１１】このように、圧力センサーやインクジェッ
トプリンター用記録ヘッドをシリコンウェハーを用いて
作製するためには、まずＳｉの結晶方向を考慮したフォ
トマスクパターンの設計が必要であり、そのためにかな
りの設計上の制約を受けていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、Ｓ
ｉの結晶方向を考慮したフォトマスクパターンの設計が
必要であり、そのために設計においてかなりの制約を受
けていた。

【００１３】本発明の目的は、シリコンウェハーの異方
性エッチングにおいてアンダーカットによる形状の変形
を抑制し加工寸法精度の高いパターン形状と、滑らかな
エッチング壁面の得られるシリコンの加工方法を実現す
る事である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、電子回路を
そこに形成しないシリコンウェハーの加工に使用する湿
式異方性エッチング液には、荷性アルカリをふくむ水溶
液にアルキルベンゼンスルホン酸系界面活性剤を添加す
ることにより達成される。

【００１５】また、電子回路をそこに形成するシリコン
ウェハーの加工に使用する湿式異方性エッチング液には
、エチレンジアミンーピロカテコール等を含む水溶液に
アルキルベンゼンスルホン酸系界面活性剤を添加するこ
とにより達成される。

【００１６】

【作用】本発明に使用するアルキルベンゼンスルホン酸
系界面活性剤は、強アルカリ水溶液中でも分解あるいは
凝集しにくい性質を有している。

【００１７】従って、Ｓｉの異方性エッチング液は、全
て強アルカリ水溶液であるために、異方性エッチング液
にアルキルベンゼンスルホン酸系界面活性剤を添加して
も分解及び凝集する事なしに溶解させる事が可能になる
。

【００１８】つぎに、この界面活性剤のアンダーカット
抑制機構について説明する。

【００１９】図２はこの界面活性剤のアンダーカット抑
制機構を説明するための図である。通常、Ｓｉ＜１１０
＞方向以外の方向に直線でパターンを形成し異方性エッ
チングを行うと図２の様にシリコンエッチングパターン
壁部２は凹凸になり。また、異方性エッチングが進むに
つれてアンダーカットされていく。

【００２０】界面活性剤は通常、凹凸のある部分に選択
的に吸着する傾向があり、図２のシリコンエッチングパ
ターン壁部２の凹凸に選択的に吸着する。そのため、シ
リコンエッチングパターン壁部２に接近できる水酸イオ
ンが極端に減少し、そのために局所的にシリコンのエッ
チングの速度が極端に遅くなる。その結果、アンダーカ
ット抑制が可能となる。

【００２１】また、図３は図２のシリコンエッチングパ
ターン壁部２を斜め上方からみた図であるが、このシリ
コンエッチングパターン壁部２の凹部に特に多く界面活
性剤３が吸着するために、凹部は比較的エッチングされ
ず、一方の凸部はエッチングされてゆくために、やがて
、シリコンエッチングパターン壁部２が滑らかになる（
図４参照）。

【００２２】このように、異方性エッチング液へのアル
キルベンゼンスルホン酸系界面活性剤の添加によるアン
ダーカットの抑制とシリコンエッチングパターン壁部形
状の改善効果は界面活性剤の選択吸着機構により説明さ
れている。

【００２３】

【実施例】以下、実施例として本発明の詳細を説明する
。Ｓｉ（１００）面方位のシリコンウェハー上にそれぞ
れの辺がＳｉ＜１１０＞方向に沿った正方形のマスクパ
ターン１を形成し湿式異方性エッチングを行うと、図１
に示すようにシリコンパターンの角の部分１０がアンダ
ーカットにより削られていく現象がある。このシリコン
パターン角部１０のアンダーカットは最もエッチング速
度の速い面により支配されるために、このパターンを用
いて、異方性エッチング液のアンダーカット特性を解析
する事が出来る。

【００２４】そこで、図５に示すような、後退寸法ａを
定義する。その後退寸法ａとエッチング深さＨとの間に
は、正比例の関係があり、 Ｈ＝Ｕａ　　　　　　（Ｕは比例定数）という式が成り
立つ。ここで、Ｕはアンダーカット定数と呼び、異方性
エッチング液のアンダーカット特性を示す重要な定数で
ある。この定数が大きいエッチング液は、アンダーカッ
トの大きな、エッチング形状の変形の大きいエッチング
液であるといえる。

【００２５】従って、このアンダーカット定数の出来る
限り小さなエッチング液の開発が必要になる。

【００２６】そのために、３ｍｍ角の正方形のパターン
を多量にもつフォトマスクを用いて、各種異方性エッチ
ング液のアンダーカット定数を測定する事にする。

【００２７】使用したシリコンウェハーは厚さ５００ミ
クロンで片面を研磨した直径３インチ（１００）面方位
であり、抵抗率は１０オーム以上、オリフラ面は（１１
０）面のウェハーを使用した。

【００２８】このウェハー上に酸化シリコン膜を１ミク
ロン形成するために熱酸化を行った。

【００２９】その後、フォトリソグラフィによりレジス
トマスクパターンを形成し、ふっ酸系酸化シリコンエッ
チング液により酸化シリコン膜のマスクパターンを形成
した後、レジストを剥離液により剥離した。

【００３０】こうして、シリコンウェハー上に、それぞ
れの辺がＳｉ＜１１０＞方向に沿った、一辺が３ｍｍの
正方形の酸化シリコンのマスクパターンが形成された。

【００３１】（実施例１）今回使用した異方性エッチン
グ液の組成、アンダーカット定数、及びシリコンエッチ
ングパターン壁面外観評価を表１に示した。尚、エッチ
ング液の温度は摂氏７５度一定にてＳｉのエッチングを
行ない、それぞれの評価はＳｉのエッチング深さ１００
ミクロン一定にして行った。また、実施例に使用したア
ルキルベンゼンスルホン酸系界面活性剤はワールドメタ
ル社製ＡＰ−５５５である。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１において、試料１から試料３は８．５
重量％ＫＯＨ水溶液、１４重量％ＫＯＨ水溶液及び３０
重量％ＫＯＨ水溶液にＡＰ−５５５をそれぞれ５００ｐ
ｐｍ添加したエッチング液を用いてエッチングしたとき
のアンダーカット定数とアンダーカット部外観及びエッ
チング面外観について示している。尚、８．５重量％Ｋ
ＯＨ水溶液、１４重量％ＫＯＨ水溶液及び３０重量％Ｋ
ＯＨ水溶液にＡＰ−５５５をいれない場合について比較
例１から比較例３までに示した。

【００３４】試料１では、アンダーカット定数が１．０
であり、ＡＰ−５５５無添加の場合の比較例１のそれの
値１．７よりも小さくなっている。また、アンダーカッ
ト部分の外観では試料１は滑らであり、比較例１はぎざ
ぎざであった。さらにエッチング面外観では、試料１は
鏡面であり、比較例１では半光沢面を示した。このよう
に、８．５重量％ＫＯＨ水溶液では、ＡＰ−５５５を添
加する事により、エッチングの諸特性は改善された。

【００３５】また、１４重量％ＫＯＨ水溶液及び、３０
重量％ＫＯＨについても同様の結果が得られた。

【００３６】次に１４重量％ＫＯＨ水溶液へのＡＰ−５
５５の最適添加量の範囲について調べた。その結果を表
２に示す。

【００３７】

【表２】

【００３８】表２では、１４重量％ＫＯＨ水溶液にＡＰ
−５５５を１０ｐｐｍ，５０ｐｐｍ，１００ｐｐｍ，５
００ｐｐｍ，１０００ｐｐｍ，５０００ｐｐｍ，８００
０ｐｐｍと添加しそれぞれのエッチング液でエッチング
したときのアンダーカット定数、アンダーカット部分外
観及びエッチング面外観について示している。

【００３９】表２より解る事は、ＡＰ−５５５の添加量
が増すに従って、アンダーカット定数が低下している事
である。また、アンダーカット部分外観に関しては、５
０ｐｐｍ以上ＡＰ−５５５を添加する事により滑らかに
なる事が解る。しかし、エッチング面外観を見ると、５
０００ｐｐｍまでのＡＰ−５５５添加では鏡面を示して
いたのに対し、８０００ｐｐｍの添加時のそれは無光沢
となり、半導体センサーまたは、シリコンインクジエッ
トプリンター用記録ヘッドへの実用に適さない。

【００４０】 これらの結果から、１４重量％ＫＯＨ水溶液におけるア
ルキルベンゼンスルホン酸系界面活性剤添加量は５０ｐ
ｐｍから５０００ｐｐｍまでの範囲である事が望ましい
事が解った。

【００４１】同様の実験を８．５重量％ＫＯＨ，２０重
量％ＫＯＨ及び、３０重量％ＫＯＨについて行ったが結
果は同様の傾向を示した。

【００４２】このように、アルキルベンゼンスルホン酸
界面活性剤の添加量は５０ｐｐｍ以上から、５０００ｐ
ｐｍ以下である事が望ましい。その理由として５０ｐｐ
ｍ以下ではアンダーカット抑制効果が十分得られず、ま
た５０００ｐｐｍ以上の添加では界面活性剤の濃度が高
すぎて、エッチングむらやエッチング面あれ等を生じや
すくなるからである。

【００４３】以上、実施例１として、ＫＯＨ水溶液への
アルキルベンゼンスルホン酸系界面活性剤の添加につい
て述べてきたが、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ等の荷性アルカリ
水溶液であれば、全て同様の傾向を示し、ＫＯＨ水溶液
のみに限定されるものではない。

【００４４】ここで、実際に実施例で使用した異方性エ
ッチング液を使ってインクジェットプリンター用記録ヘ
ッドをシリコンウェハーで試作する事にした。

【００４５】図６はインクジェットプリンター用記録ヘ
ッドのテスト用フォトマスクの概略図である。このマス
クを使用し、酸化シリコン膜に覆われたシリコンウェハ
ーにパタ−ニングし、酸化シリコン膜のマスクパタ−ン
を形成する。

【００４６】このシリコンウェハーを異方性エッチング
することにより、インクジェットプリンター用記録ヘッ
ドを作るのである。

【００４７】ここで、２種類の異方性エッチング液を用
いて、エッチングした結果について述べる。

【００４８】まず、比較例２で示した１４重量％ＫＯＨ
水溶液を摂氏７５度に加熱し、図６のパターンをパター
ニングしたシリコンウェハーを１００ミクロンエッチン
グした。

【００４９】その結果を光学顕微鏡で観察し、模式図で
示すと図７の様になる。図７では、インク吐出用ノズル
になるべき部分８１はインク圧力室となるべき部分８２
との間にある絞り壁８５のアンダーカットにより短くな
ってしまった。また、絞り壁８５も、そのアンダーカッ
ト壁部がギザギザである。また、インク供給ノズルも絞
り壁８５及びインクだめ８４の角８６のアンダーカット
により短くなってしまった。このように、インク吐出ノ
ズル及びインク供給ノズルが余りに短くなってしまった
ためインクジェットプリンター用記録ヘッドを作ること
が困難になった。　　以上、比較例２で示したエッチン
グ液ではインクジェットプリンター用記録ヘッドを製造
することは出来ない事がわかった。

【００５０】次に、試料２で示したＡＰ−５５５を５０
０ｐｐｍ添加した１４重量％ＫＯＨ水溶液を摂氏７５度
に加熱し、図６のパターンをパターニングしたシリコン
ウェハーを１００ミクロンエッチングした。

【００５１】その結果を光学顕微鏡で観察し、模式図で
示すと図８の様になる。図８では、インク吐出用ノズル
になるべき部分８１はインク圧力室となるべき部分８２
との間にある絞り壁８５のアンダーカットにより短くな
ることもなくノズル部が形成されている。また、絞り壁
８５もそのアンダーカット壁部がなめらかである。さら
に、インク供給ノズル８３も絞り壁８５及びインクだめ
８４の角のアンダーカット８６により短くなる事もなか
った。このシリコンウェハーをもちいてインクジェット
プリンター用記録ヘッドを作ることにした。

【００５２】試作したインクジェットプリンター用記録
ヘッドの断面図を図９に示す。図８に示されたシリコン
ウェハーはホウケイ酸ガラス９２を陽極接合により接合
される。さらに、そのガラス９２の上に圧電素子をエポ
キシ系接着剤を使用して接着し、図９では示されていな
いが電極を配線する。そして、吐出ノズル８１の途中で
ダイシングにより切断する。最後に、インク供給用パイ
プ９４を接続して完成である。

【００５３】以上のような方法によりインクジェットプ
リンター用記録ヘッドを製造した。その結果、インクの
吐出に成功し印字することができた。さらに、気泡がイ
ンク圧力室８２に発生しても絞り壁８５に引っかからず
速やかに吐出ノズル８１から排出されるため、インク圧
力室８２に加えれた圧力が気泡の圧縮に使われてインク
が吐出しなくなる現象も起こらなかった。

【００５４】このように、試料２で示したアルキルベン
ゼンスルホン酸系界面活性剤を添加したエッチング液で
はインクジェットプリンター用記録ヘッドを容易に製造
することが出来た。

【００５５】（実施例２）次に、イソプロピルアルコー
ル１５重量％と水酸化カリウム１８重量％と水で構成さ
れた異方性エッチング液について調べてみた。表３は比
較例５にＡＰ−５５５無添加のエッチング液の、試料５
にＡＰ−５５５を５００ｐｐｍ添加したエッチング液の
アンダーカット定数、アンダーカット部分外観及びエッ
チング面外観について示している。

【００５６】

【表３】

【００５７】比較例５は、イソプロピルアルコールの添
加された水酸化カリウム水溶液はイソプロピルアルコー
ルの揮発のためエッチング液の濃度が変化しやすく不安
定である。しかし、アンダーカット定数は０．３５と比
較例１に比べて小さいが、エッチング面外観は荒れてい
て無光沢である。しかるに実施例５のように、ＡＰ−５
５５を５００ｐｐｍ添加すると、アンダーカット定数は
０．３０に減少し、エッチング面外観は鏡面になった。

【００５８】このように、実施例では水酸化カリウムを
含む水溶液を例にして説明したが、それ以外に、水酸化
ナトリウム及び水酸化リチウム等の荷性アルカリ水溶液
でも同じ傾向を示した。

【００５９】この２種類のエッチング液を用いて、再び
図６のインクジェットプリンター用記録ヘッドを試作し
た。

【００６０】比較例５で示したエッチング液を用いたエ
ッチングするとインク圧力室８２及びインクだめ８４と
なるべきエッチング面がざらざらした無光沢面になって
いた。

【００６１】ところが試料５で示したエッチング液を用
いたエッチングするとインク圧力室８２及びインクだめ
８４となるべきエッチング面もきれいな鏡面になってい
る。そして、実施例１と同様の製造方法により図９に示
されるインクジェットプリンター用記録ヘッドを製造し
た。

【００６２】完成後、ただちにインクを注入してインク
を戸出しようとすると気泡がインク圧力室８２に引っか
かり、インク圧力室に加えられた圧力は、この気泡を圧
縮するために使われるためインクが吐出しなくなった。 一方、試料５のエッチング液を用いて試作したインクジ
ェットプリンター用記録ヘッドは、インクが勢いよく吐
出し、非常に細かいインクドットにより図形を描くこと
もできた。

【００６３】従って、荷性アルカリを含む水溶液にＡＰ
−５５５等のアルキルベンゼンスルホン酸系界面活性剤
を添加する事によりアンダーカットを抑制し、異方性エ
ッチングによるシリコンパターン形状の変形を小さくす
る事が出来、さらに、エッチング面外観についても、鏡
面が得られるようになった。

【００６４】（実施例３）さらに、エチレンジアミン・
ピロカテコール水溶液へのアルキルベンゼンスルホン酸
系界面活性剤添加の実施例について述べる。

【００６５】

【表４】

【００６６】表４はエチレンジアミン２８ｍｏｌ％、ピ
ロカテコール４ｍｏｌ％の水溶液において、試料６にＡ
Ｐ−５５５無添加のエッチング液の、比較例６にＡＰ−
５５５を１０００ｐｐｍ添加したエッチング液のアンダ
ーカット定数、アンダーカット部分外観及びエッチング
面外観について示している。

【００６７】比較例５では、アンダ−カット定数は０．
６０であり、エッチング面外観は荒れていて、無光沢で
あった。ところが、ＡＰ−５５５を１０００ｐｐｍ添加
した実施例４では、アンダーカット定数は０．２５に減
少し、また、エッチング面の外観は鏡面を呈した。

【００６８】このように、エチレンジアミン−ピロカテ
コール水溶液においても、荷性アルカリを含む水溶液と
同様ＡＰ−５５５等のアルキルベンゼンスルホン酸系界
面活性剤を添加する事によりアンダーカットを抑制し、
異方性エッチングによるシリコンパターン形状の変形を
小さくする事が出来、さらに、エッチング面外観につい
ても、鏡面が得られるようになった。

【００６９】

【発明の効果】本発明によると、荷性アルカリを含む水
溶液及びエチレンジアミン・ピロカテコール水溶液に、
アルキルベンゼンスルホン酸系界面活性剤を添加する事
によりアンダーカットを抑制し、異方性エッチングによ
るシリコンパターン形状の変形を小さくする事が出来、
さらに、エッチング面外観についても、鏡面が得られる
ようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】アンダーカットの説明する図である。

【図２】アンダーカット抑制機構を説明する図である。

【図３】シリコンパターン壁部への界面活性剤の選択吸
着を説明するための図である。

【図４】シリコンパターン壁部の平滑化作用を説明する
ための図である。

【図５】後退寸法ａ及びアンダーカット定数Ｕを定義す
るための説明するための図である。

【図６】テスト用のインクジェットプリンター用記録ヘ
ッドのフォトマスクの概略図である。

【図７】比較例２の異方性エッチング液により試作した
インクジェットプリンター用記録ヘッドの概略図である
。

【図８】試料２の異方性エッチング液により試作したイ
ンクジェットプリンター用記録ヘッドの概略図である。

【図９】今回試作したテスト用インクジェットプリンタ
ー用記録ヘッドの断面図である。

【符号の説明】

１　　　　　　マスクパターン ２　　　　　　シリコンパターン壁部 ３　　　　　　界面活性剤 １０　　　　　　シリコンパターン角部１１　　　　　
　Ｓｉ（１１１）面 ８１　　　　　　インク吐出ノズル ８２　　　　　　インク圧力室 ８３　　　　　　インク供給ノズル ８４　　　　　　インクだめ ８５　　　　　　絞り壁 ８６　　　　　　インクだめ角部 ９１　　　　　　圧電素子 ９２　　　　　　ホウケイ酸ガラス ９３　　　　　　シリコンウェハー ９４　　　　　　インク供給パイプ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　シリコンウェハーのフォトリソグラフ
   ィ及びエッチング工程においてエッチング液としてアル
   キルベンゼンスルホン酸系界面活性剤を添加したアルカ
   リ溶液を用いた事を特徴とするシリコンウェハーの加工
   方法。
2. 【請求項２】　　アルカリ溶液が、荷性アルカリ水溶液
   或いはエチレンジアミンーピロカテコールを含む水溶液
   である事を特徴とする請求項１記載のシリコンウェハー
   の加工方法。
3. 【請求項３】　　シリコンウェハーのエッチングが異方
   性エッチングである事を特徴とする請求項１記載のシリ
   コンウェハーの加工方法。