JPH04506727A - 基材に少なくとも一つのキャビティを得るためのエッチング方法及びそのような方法により得られた基材 - 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】 基材に少なくとも一つのキャビティを得るためのエツチング方法及びそのような 方法により得られた基材本発明は、基材に少なくとも一つのキャビティを得るた めのエツチング方法とこの方法により得られる基材とに関し、そのような方法は 小さなプレートを微小な物理的領域で微小加工するのに特に適合している。エツ チングされるエレメントは、しばしば、例えばシリコンウェーハのような半導体 のプレートである。

時には、そのようなウェーハに深さの異なる実質的に底の平らなキャビティを設 けることが必要である。そのようなキャビティを連続的に得ることは明らかに可 能ではあるけれども、そのような解決は得られるべきキャビティがあるほど多く のマスキング操作と多くのエツチング操作とを必要とするので、有利でないとい うことが容易に分るであろう。

特開昭５８−９８９２７号公報は、深さを異にするキャビティを同時に得るのを 可能にするエツチング方法を記載する。この方法は、異方性エツチング工程とこ れに続く等方性エツチング工程を含む。第一の工程の間は、傾斜した側面を有す るキャビティが形成され、エツチングはこれらの側面が一緒になるやいなや停止 する。このように、そのようなキャビティの最大限の深さはキャビティの表面寸 法の関数であると理解される。第二の工程（等方性エツチング）は、全てのキャ ビティの深さを同じ量まで増加させる効果がある。

この方法にはいくつかの不都合がある。まず第一に、エツチング速度は全てのキ ャビティについて同じであり、そして第一の工程の間の最大の深さはキャビティ の表面に直接比例するので、表面積が同じで深さの異なる二つのキャビティを形 成することが不可能であり、また表面の小さな深いキャビティを表面の大きな浅 いキャビティと同時に形成することも不可能である。

更に、この方法は、全部のキャビティで平らな表面を得るのを可能にせず、その 逆にそれらのうちのいくらかはＶ字形の底を有する。

次に、この方法は、全てのキャビティの深さを正確に制御することを可能にしな い。実際上、上述の公報の図１に示されているように、それぞれの最大深さの違 いよりも差異の少ない深さを有する異なる表面積の二つのキャビティを形成した い場合には、最大表面を有するキャビティのエツチングをその最大深さに達する 前に停止することが必要である。このように、エツチングを停止することが必要 な時機は、エツチング速度を大まかに見積ることができるだけであるので特別に 正確に決定することができない。

本発明が目的とするのは、知られているエツチング方法の不都合を克服すること である。このような目的は、請求の範囲に記載される方法によって達成される。

この方法は本質的に、各帯域に深さがそのような部分の幅に依存するＶ字形の溝 の組を形成するためエツチングすべき帯域を部分的に覆うマスクを通′して異方 性エツチングを果す第一の工程にある。各帯域におけるエツチングの深さはこの ようにして完全に定められる。好ましいやり方では、エツチングパターンは長方 形の一般形状を呈する。これらの長方形は、有利には互いに平行である。

同じように異方性の、第二のエツチング工程は、各キャビティの深さを均一に増 加させる。二つのキャビティ間の深さの違いは、こうして完全に定められたまま である。このような二回目のエツチング工程は、各キャビティに実質的に平らな 底を得るのを可能にする。

これは、ある帯域において膜の厚さ又はキャビティの深さを制御するように有利 に用いることができる。それは実際において、第一の工程の間にそのような帯域 と、対照帯域と称される別の帯域とを、第二の工程の間に対照帯域におけるキャ ビティの深さが正確で且つ光学的に測定できる値に達するならば膜について所望 される厚さ又はキャビティについて所望される深さが得られるような深さをエツ チングするのに十分である。この対照の深さは、例えば、ウェーハ又は基材の厚 さでよい。

本発明の特徴及び利点は、限定するものでない実例として、また添付の図面を参 照して示される、以下の説明でもって一層よく明らかにされよう。

・第１ａ〜１ｅ図は、本発明による方法で深さの異なる二つのキャビティを得る のを説明する。

・第２図は、本発明による方法の応用を示す。

・第３ａ〜３ｄ図は、キャビティの深さ又は膜の厚さを本発明に従う方法により どのように制御することができるかを示す。

・第４ａ及び４層図は、それぞれ、上方から及び断面で見た、本発明の方法の第 一の工程で使用することができる異なる形状のバンド又は長方形と、エツチング されるべきウェーハ又は基材の結晶学的方位に関してバンドの不整合の場合に帰 着するＶ字形の溝を示す。

・第４Ｃ図は、第４ａ図の一部分の拡大図である。

本発明は特に、半導体基材をエツチングするための微細技術に応用される。本発 明の方法は本質的に、第１ａ〜ｌｅ図を参照して説明される二つのエツチング工 程を含む。

方位＜ｉ　ｏ　ｏ＞の単結晶Ｓｉの基材２を、厚さ１−の５ｉＯ３（又は５ｉ３ Ｎ４）の層４から形成されたマスクで覆う。エツチングされるべき帯域Ｚ１及び Ｚ２においては、この層は、第１ａ図の断面図に見ることのできる平行なバンド ６（帯域Ｚ１）及び８（帯域Ｚ２）を形成するエツチングパターンを各帯域に開 けるために除去される。これらのバンドは、図の断面に垂直な方向に形成される べきキャビティの寸法と等しい長さを有することができる。それらはまた、明ら かにもっと短くてもよい（第４ａ図参照）。例えば、これらの帯域の幅は約０． １〜５Ｍ、バンド６．８の幅は約５〜５０−１そしてＳｉｎ、のバンド（スペー サ）の幅は約１０〜２０ｐｍでよい。帯域当りのバンド６．８の数は、一般には およそ５〜１００程度である。

マスクを形成することは本発明の技術分野ではよく知られているので、これを詳 細に説明する必要はない。ＳｉＯ２の層と感光性樹脂の層とを全面に形成してか ら、形成すべきバンド６及び８の上に位置する樹脂の部分をキシレンのような現 像液に溶解させて除去することができるように感光性樹脂層を選択的に光にさら すということを思い出すことで、単に十分である。その後、Ｓ　ｉ　Ｏ２層の保 護されていない部分をＨＦ／ＮＨ，Ｆの溶液で化学エツチングすることにより除 去しくＳｉの基材２はこの化学薬剤により攻撃されない）、そして次に樹脂マス クを、例えばＨＮＯ３の溶液を用いて除去する（第１ａ図）。

次いで、ＫＯＨの溶液を用いての化学的攻撃による基材２の異方性エツチングに 移る。２−プロパツールを含有する及び含有しないＫＯＨの水溶液が首尾よく使 用されている。そのほかの溶液を使用してもよく、特にＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ 　ｏｆ　ｔｈｅ　１１１ｉＥＥ、　ｖｏ　１．７０．　Ｎ（１５（１９８２年５ 月）ｐ、　４２０−４５７に見られるに、　Ｂ。

Ｐｅｔｅｒｓｅｎの論文″５ｉｌｉｃｏｎ　ａｓ　ａ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　 Ｍａｔｅｒｉａｌ”　（特に第４２４頁の表２）を参照することができる。

こうして、帯域Ｚ１及びＺ２におけるそれぞれの幅Ｘ、及びｘ２がこのような帯 域のバンドの幅に依存するそれぞれ溝１０及び１２の形をしたくぼみを得る（第 １ｂ図）。エツチングはこれらの溝の側面が一緒になると自然に停止するので、 エツチングの最大の深さは、バンドの幅によって厳密に定められる（マスクがエ ツチング溶液により有意に影響を受けない限り）。オーバーエツチングの危険は なく、それゆえに、最大の深さに達するのを確実にするため十分に長くエツチン グを続けさせることが不都合なしにできる。

第二のエツチング工程は、帯域Ｚ１と２２の全体に適用される。従って、これら の帯域を覆うＳｉｎ、の層４を初めに除去することが必要である。このために、 感光性樹脂のマスクを層１４でもって施しく第１ｃ図）、そしてＳｉＯ□層の帯 域７１及びＺ２を覆っている部分１６．１８をＨＦ／ＮＨ。

Ｆの溶液での化学的攻撃により除去する。次いで、樹脂マスク自体を除去する（ ｉｌｄ図）。この樹脂のマスクは帯域Ｚ１及びＺ２に関して正確に配置される必 要はない、ということは強調されるべきである。それは、これらの帯域の部分１ ６及び１８の覆いを取ることで十分である。

次いで、ＫＯＨの溶液で基材の異方性エツチングを行う第二の工程に進むことが できる。この工程の間におけるエツチングの深さｙは、両方のキャビティで同じ であって、エツチング時間に直接依存する（第１ｅ図）。

第１ｅ図で、各キャビティの底は完全に平らである。しかしながらこれは、模式 的な表現である。実際は、エツチング速度は垂直方向よりも横方向の方が大きい ので、溝は一緒になる点に至るまで少しずつ拡張される。言い換えれば、二つの 溝の間に位置するバンドは、少しずつそれらの幅と高さが減少していくのが分る 。この後、第１ｄ図に見ることのできる帯域Ｚ２と２２の自由な表面は、エツチ ング深さｙが増加するにつれていよいよ平坦になる。とは言え一般には、最初の ５ｉｎ２のマスクのパターンを思い出させるキャビティの底の起伏を、時には裸 眼でさえも、見分けることが可能なままである。例として、およそ１−の幅の起 伏を認めることが可能であった。

本発明による方法は、知られている方法よりもキャビティの形をより良く制御す るのを可能にする。実際上、表面の横方向のオーバーエツチングはそのような表 面の大きさと形とに依存することが知られている。このように、横方向のオーバ ーエツチングは、帯域の全体が全部の処理の間エツチングにさらされる公知の方 法の場合には重要である。逆に、本発明による方法では、第一のエツチング工程 は帯域よりもはるかに小さいエツチングパターンに適用される。従って、エツチ ングされるべき帯域の形がどんなでも、横方向のオーバーエツチングは第一のエ ツチング工程の間は制限される。これは、寸法をうまく制御したいキャビティ又 は穴を形成するために都合よく利用することができる。

第１ａ〜１ｅ図を参照して説明された方法は、深さの異なる少なくとも二つのキ ャビティを同時に得るのを可能にし、そしてそのために、Ｘｌ−Ｘ２に等しいそ のような深さの差は非常に精確に定められる。はぼ同じ結果を第二のエツチング 工程の間にエツチング帯域Ｚ２でのみ得ることができるであろう、ということに 注目しよう。このためには、第一のエツチング工程の間に深さがＸＩ　Ｘ２であ る溝をＺｌに形成し、そして第二のエツチング工程の間に二つの帯域Ｚ１及びＺ ２をｘ２＋ｙの深さにエツチングすることで十分である。

別々にエツチングされた帯域は、第１ａ〜１６図に示されたように互いに離れて いても、あるいは接触していてもよい、ということに更に注目すべきである。後 者の場合には、深さを異にする部分のある単一のキャビティが得られる。

第２図は、本発明の方法の応用を説明する。厚さが２００−である方位Ｈ００＞ の単結晶Ｓｉの基材２０を、直径８閣及び厚さ１００１ｍの膜２２を製作するた め化学的攻撃により加工する。それぞれの面におのおのが電気導体２６．２７を 構成する導電性素子を備えた圧電ディスク２４を、この膜の面のうちの一方へ接 着させる。こうして、膜に歪（膜の水平面に対し垂直な軸に沿っての変動）を引 き起こすことができる。この種の膜は、薬物の溶液を注入するため医療分野で意 図されるマイクロポンプにおいて特に使用され、その原理は、５ｅｎｓｏｒｓ　 ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、　ｖｏｌ、１５（１９８ｇ）ｐ、１５３−１６７ に見られるＨ、ｖａｎ　Ｌｉｎｔｅｌらの論文”Ａ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉ ｃ　Ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ　Ｂａ５ｅｄ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ　 ｏｆ　５ｉｌｉｃｏｎ”に記載される。

第２図に見られるように、電気導体２６により形成される余分の厚さを考慮に入 れるため、膜の帯域Ｚ３に局所的なオーバーエツチングを施す。圧電ディスクを 完全に覆って電気導体２６を接着することによりそのようなオーバーエツチング を避けることが可能であろうけれども、その場合には、圧電ディスクと膜との間 に第一の接着剤層、電気導体及び第二の接着剤層があって、利用中における異な る膜の間の動作特性を消散させることになろう。

基材２０の上面２８（圧電ディスクが接着される面）のエツチングは、本発明に よる二つの工程でもって果される。この特別の場合においては下面もエツチング される、ということに注目すべきである。

第一の工程では、帯域Ｚ３のみにエツチングを施し、このエツチングは、−組の Ｖ字形の溝を作り出すため一組の平行なバンドを開けるマスクを通して果される 。第二の工程では、得ようとする膜２２の表面の全体を開けるマスクを通してエ ツチングを果す。上記のＶ字形の溝の深さは、膜に関して帯域Ｚ３のキャビティ の深さを定める。

本発明の方法は、エツチングの深さを制御して、そうしてキャビティの深さが正 確に所望の深さになること及び／又は膜の厚さが正確に所望の厚さになることを 保証するために使用することもできる。

厚さｅの基材の帯域Ｚ４に深さｙ、のキャビティを形成したいと想定しよう。こ のためには、本発明の方法に従って帯域Ｚｃに対照キャビティを作る。

このように、対照帯域Ｚｃに一組の平行バンド３０を被覆されないままにしてお くマスクを形成する（第３ａ図）。このようなマスクは、例えば、単結晶Ｓｉの 基材３４の場合には５ｉ０２の層３２でもって形成される。これらのバンドの幅 は、異方性エツチングにより帯域ＺＣに形成される■溝３６の深さがｅ−ｙ４に 等しくなる（第３ｂ図）ように選ばれる。

次に、帯域Ｚ４及びＺｃＯ上の保護層３２を除去しく第３Ｃ図）、そしてこれら の帯域の異方性エツチングを続行する。

帯域Ｚ４では、対照帯域Ｚｃに穴が形成されるのとほぼ同じ時点で深さｙ、に到 達する（第３ｄ図）。従ってこの時点は、対照帯域Ｚｃを目視で観察することに より容易に検出できる。

同じ方法を、所定の厚さＥの膜を得るために使用してもよい。事実上は、第一の エツチング工程の間に対照帯域に実質上Ｅに等しい十分な深さく正確な値はエツ チング基材の性質を含めたいくつかのパラメーターに依存する）の溝を形成する ことで十分である。こうして、第二のエツチング工程の間に、膜の厚さが所望の 値Ｅと等しくなると対照帯域Ｚｃに穴が形成される。この方法により所望の膜を 得るためには基材の厚さｅを知る必要はない、ということに注目すべきである。

穴の形成を検出する代りに、例えば穴が形成される直前に、対照帯＃ＺＣにおけ る膜の色の変化及び／又はこの帯域における膜の透明度の変化を検出することも できよう。

対照帯域Ｚｃに単一の溝をエツチングし、この帯域の寸法を溝の深さが膜の厚さ に一致するように選ぶ方法が知られている。この既に知られた方法に従う主要な エツチングの終りの、基材の対照溝がエツチングされる面と反対側の面から果さ れる光学的な検出は、本発明の方法におけるような穴の形成の代りに単一のスロ ットを検出しなくてはならないので、はるかに困難である。

第３ａ〜３ｄ図を参照して説明した方法では、帯域Ｚ４は第二のエツチング工程 の間だけエツチングされる。とは言うものの、この帯域にＶ溝を形成するため第 一のエツチング工程の間にこの帯域をエツチングしても差支えない。単に帯域Ｚ ４及びＺｃでエツチングすべきバンドの幅を、対照帯域Ｚｃにおける溝の深さと 帯域Ｚ４における溝の深さとの差が第二のエツチング工程の後に帯域Ｚ４に得た い残留厚さと等しくなるように選ぶことで、十分である。第一のエツチング工程 の間に対照帯域だけがエツチングされる第３ｂ図では、溝の深さはこのように第 ３ｄ図の帯域Ｚ４の残留厚さと等しい（実際問題としてはほぼ等しい）。

ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉ ｎｅｅｒｉｎｇ、ｖｏｌ、ＢＭＥ−２０，Ｎ（１２（１９７３年３月）ｐ、　１ ０１−１０７で刊行されたＳａｍａｕｎらの論文″Ａｎ　ＩＣＰｉｅｚｏｒｅｓ ｉｓｔｉｖｅ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　５ｅｎｓｏｒ　Ｆｏｒ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａ ｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ’（特に第６図）にも、ウェーハの片側を膜を形成 するためにエツチングし、そしてその他方の側をその膜を取囲むフレームを形成 するため同時にエツチングする方法が見いだされ、このフレームの各側面はＶ溝 であって、その深さは膜の所望される厚さに等しい。膜の厚さがＶ溝の深さに達 すると、フレームの内側のウェーハの部分がなくなり、目でたやすく見ることの できる大きな寸法の穴が残る。

この既に知られた方法にあっては、エツチングを停止しなくてはならない時に近 いことを観測するのを可能にするしるしがない。

更に、エツチングの終りに穴が現れて目に見えるためには、フレームの各側面を かなりの長さくミリメートルのオーダー）の単一の溝で形成することが必要であ る。

これまでは、■溝の幅は保護マスクにより覆われないで残されたバンドの幅、す なわちフレームの側面の幅と等しい、と考えられてきた。これは、バンドの方向 が〈１００〉方位のＳｉプレートの平面を定める二つの結晶軸に関して厳密に４ ５°配向している（第４ａ図のＡ−Ａ線）場合に正にその通りである。これに反 して、バンドがそのような軸に関して完全に４５°ではない場合には、溝はバン ドよりも幅広くなり、それゆえに予見したものよりも深くなる。この論文に記載 された方法は、この場合には形成すべき膜の厚さの好適な制御を可能にしない。

それとは逆に、本発明の方法は、不十分な整合の成り行きを避けることができる ようにする。不十分な整合の影響は、第４ａ及び４ｂ図にはっきりと見られ、こ れらの図は、種々の形と方位のバンドを備えたマスク４０で覆われた基材３８を 、それぞれ上から及びＩＶ−ｒＶ線に沿った断面で見て示す。

バンド４２はＡ−Ａ線と完全に平行である。従って、異方性エツチングにより形 成されたＶ溝４４の幅は、正確にこのバンドの幅である。

これに反して、バンド４６はＡ−Ａ線と完全に平行ではない。この場合、■溝４ ８は、層４０の下を縁５０．５２に至るまでエツチングするためバンド４４より も幅が広い。また、そのことから、溝の深さも所望のものより深くなる。

溝の拡張はバンドの長さに依存する、ということに注目すべきである。溝が拡張 してその結果として深くなるというこの現象は、バンド４６の代りにつながって いない一連のバンド５４を用いて軽減することができる。溝４４と比べて溝の拡 張がバンド４８を用いる場合よりも少ないＶ溝５６が得られる。

この拡張を、バンド６０の末端部分５８の幅を小さくすることにより更に軽減し てもよい。谷溝６２の幅は、こうしてセグメントの中央部分６４の幅によって決 まる。

減少する。

この場合、溝４４と比べて溝６２０幅の増加はほとんど無視できるものになる。

当然の結果として、同じことが深さの増加に関して生じる。

要　約　書 基材（２）に底の平らなキャビティを、次の二つのエツチング工程、すなわちバ ンド（６，８）を露出されたままにするマスク（４）を通して行う基材（２）の 第一の異方性エツチングと、エツチングされるべき帯域（Ｚｌ、Ｚ２）の全部を 露出されたままにするマスクを通して行う第二の異方性エツチングを含む方法に より形成する。第一のエツチングは深さくＸ＋、Ｘ２）がバンドの幅に依存する Ｖ字形の溝（１０゜１２）を与え、その一方、第二のエツチングは溝の間に位置 するバンドを除去する際にキャビティの深さを同じ量ｙだけ増加させる。利点は 、深さの異なる平らなキャビティを同時に得ることができることである。

ｌ＋ｎｓ＊ｓ＋１．、ｉｌゆ１ｃｍｋＮ＊　ＰＣＴ／ＥＰ　９１１００４２６Ｓ ＾　４５３３５

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．層（２，２０，３４，３８）に少なくとも一つのキャビティを得るための方 法であって、 ・当該基材をキャビティを形成すべきおのおのの帯域（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚｃ ）でこれらの帯域のおのおのを部分的に覆うマスクを通して、各帯域に当該層に 対し垂直な少なくとも一つの面に応じて、各帯域について幅が当該マスクのエッ チングパターンにより定められるＶ溝（１０，１２，３６）を一組形成するよう に、異方性エッチングする第一の工程、並びに、 ・上記基材を上記の帯域のおのおのを露出されたままにするマスクを通して、各 帯域に、実質的に平らな底を有し、おのおのの総深さが上記第一のエッチング工 程の間にそのような帯域に形成された溝の深さに依存するキャビティを形成する ように、異方性エッチングする第二の工程、を含むエッチング方法。
2. ２．第二のエッチング工程が、少なくとも一つの帯域（Ｚｃ）におけるキャビテ ィの深さが当該層の厚さ（ｅ）と等しくなるまで続けられることを特徴とする、 請求の範囲第１項記載のエッチング方法。
3. ３．第一の工程で使用される前記マスクのエッチングパターンが長方形の一般形 状（６，８，３０，５４）を有することを特徴とする、請求の範囲第１項又は第 ２項記載のエッチング。
4. ４．第一の工程で使用される前記マスクのエッチングパターンがそれらの中央部 分（６４）よりも幅の小さい末端部分（５８）を有することを特徴とする、請求 の範囲第１項又は第２項記載のエッチング方法。
5. ５．当該キャビティのうちの少なくとも一つについて、第二のエッチング工程の 間にエッチングされる帯域が第一のエッチング工程の間にエッチングされた帯域 （Ｚ３）を包含し且つそれよりもスパンが大きいことを特徴とする、請求の範囲 第１項から第４項までのいずれかに記載のエッチング方法。
6. ６．対照帯域と称される少なくとも一つの帯域を利用して、少なくとも一つのほ かの帯域におけるエッチングの進行又は結果と、第一のエッチング工程の間に少 なくとも一つの対照帯域で形成される溝と、そして第二のエッチング工程の間又 は後に少なくとも一つの対照帯域で層の厚さを光学的に検出することにより確認 されるエッチングの進行又は結果を管理することを特徴とする、請求の範囲第１ 項から第５項までのいずれかに記載のエッチング方法。
7. ７．第一のエッチング工程の間に各対照帯域に形成される溝の深さが、第二のエ ッチング工程の間又は後に少なくとも一つの対照帯域における層の厚さの光学的 検出がほかの少なくとも一つの帯域において形成された膜の厚さの観察を可能に するような深さであることを特徴とする、請求の範囲第６項記載のエッチング方 法。
8. ８．第一のエッチング工程の間に前記ほかの帯域のうちの少なくとも一つでも溝 が形成されることを特徴とする、請求の範囲第７項記載のエッチング方法。
9. ９．前記対照帯域で当該層を貫く穴の形成を検出することを特徴とする、請求の 範囲第６項から第８項までのいずれかに記載のエッチング方法。
10. １０．エッチングされるべき層が〈１００〉方位の単結晶Ｓｉであり、エッチン グマスクがＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４であることを特徴とする、請求の範囲第１項 から第９項までのいずれかに記載のエッチング方法。
11. １１．表面をエッチングすることにより得られた少なくとも一つのキャビティを 含んでいる層であって、当該キャビティが請求の範囲第１項から第１０項までの いずれかに記載のエッチング方法によって得られることを特徴とする層。
12. １２．請求の範囲第１１項記載の層を組み込んでなるデバイス。