JPH0594979A

JPH0594979A - シリコンウエハーの加工方法

Info

Publication number: JPH0594979A
Application number: JP25545391A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yotsuya; 真一四谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1991-10-02
Filing date: 1991-10-02
Publication date: 1993-04-16

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明はシリコンの異方性エッチング加工に
おいて、アンダーカットを抑制し、シリコンパターン形
状の変形の少ない異方性エッチング加工方法を実現す
る。【構成】本発明は、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、フッ素系界
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
小さくする事を特徴とする。

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
液にフッ素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
にフッ素系界面活性剤を添加することにより達成され
る。

【００１６】

【作用】本発明に使用するフッ素系界面活性剤は、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
にフッ素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フッ
素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、ａ＝ＵＨ（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、実施例に使用したフ
ッ素系界面活性剤は３Ｍ社製ＦＣ−１７０Ｃ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ＦＣ−１７０Ｃをそれぞれ５０ｐ
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ＦＣ−１７０Ｃ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０．５
であり、ＦＣ−１７０Ｃ無添加の場合の比較例１のそれ
の値２．０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、ＦＣ−１７０Ｃ
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ＦＣ−１
７０Ｃ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ＦＣ
−１７０Ｃを１ｐｐｍ，５ｐｐｍ，１０ｐｐｍ，３０ｐ
ｐｍ，５０ｐｐｍ，９０ｐｐｍ，１００ｐｐｍ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、ＦＣ−１７０Ｃ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、
５ｐｐｍ以上ＦＣ−１７０Ｃ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、
９０ｐｐｍまでのＦＣ−１７０Ｃ添加では鏡面を示して
いたのに対し、１００ｐｐｍの添加時のそれは無光沢と
なり、表面粗さがＲｍａｘで１ミクロンを越えてしまう
ので、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
液におけるフッ素系界面活性剤添加量は５ｐｐｍから１
００ｐｐｍ未満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、フッ素系界面活性剤の添加量
は５ｐｐｍ以上から、１００ｐｐｍ未満である事が望ま
しい。その理由として５ｐｐｍ以下ではアンダーカット
抑制効果が十分得られずエッチング壁面もぎざぎざにな
り滑らかなエッチング壁面が得られず、また１００ｐｐ
ｍ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
フッ素系界面活性剤の添加について述べてきたが、Ｎａ
ＯＨ、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９の様になる。図９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ＦＣ−１７０Ｃを５
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
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８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８では示されていな
いが電極を形成し、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、細密な印字品質を長期に渡って維持する
事ができた。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で示したフッ素系界面
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２０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ＦＣ−１７０Ｃ無添加のエッチング液の、試料
５にＦＣ−１７０Ｃを１０ｐｐｍ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０．３８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、ＦＣ−１
７０Ｃを１０ｐｐｍ添加すると、アンダーカット定数は
０．２８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のフォトマスクをもちいて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８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
を吐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細かな図形を描
くこともできた。

【００６３】従って、荷性アルカリを含む水溶液にＦＣ
−１７０Ｃ等のフッ素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フッ素系界面活性剤添加の実
施例について述べる。

【００６５】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Ｆ
Ｃ−１７０Ｃ無添加のエッチング液の、比較例６にＦＣ
−１７０Ｃを５０ｐｐｍ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。

【００６６】

【表４】

【００６７】比較例６では、アンダ−カット定数は０．
３５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、ＦＣ−１７０Ｃを５０ｐｐｍ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ＦＣ−１７０Ｃ等のフッ素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、
フッ素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をする図である。

【図２】本発明の異方性エッチング液によるアンダー
カット抑制機構を説明する図である。

【図３】本発明の異方性エッチング液によるシリコン
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】本発明の異方性エッチング液によるシリコン
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】本発明による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】本発明による異方性エッチング液により試作
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。

【図９】従来技術による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。

【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１１Ｓｉ（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

【特許請求の範囲】

【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フッ素
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。
【請求項２】フッ素系界面活性剤の添加量の濃度範囲
が少なくとも５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ未満である事を
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。
【請求項３】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。
【請求項４】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。