JPH0997754A - 単結晶積層構造体の位置合わせ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の課題は、マイクロマシンに関する複雑
な三次元微小構造体を形成するためにウェハサイズで高
精度に位置合わせするための方法を提供することであ
る。 【解決手段】本発明では単結晶シリコンウエハをシリコ
ン異方性エッチングによって、位置合わせ用の突起また
は溝を形成し、その突起と溝を組み合わせて位置合わせ
を行うか、もしくはシリコン異方性エッチングによって
形成した直線上に形成した結晶面を高精度に加工された
治具に合わせて位置合わせ行うことにより、複数のシリ
コンウエハを容易に、しかも高精度に位置合わせするこ
とができる。 【効果】本発明によれば、複数の単結晶シリコンウエハ
の位置合わせにシリコンの異方性エッチングによって得
られる結晶面を適用することにより、複数のシリコンウ
エハを短時間で高精度の位置合わせが可能である。しか
も、従来法のように光学系等の設備を必要としないため
生産性に優れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマイクロマシンに関
する複雑な三次元微細構造体の製造方法に係り、特に複
数のシリコン構造体をウェハサイズで高精度に位置合わ
せするための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコンウエハ同士の接合には直
接接合方式が用いられている。直接接合方式は高精度に
鏡面加工されたシリコンウエハを低温で水素結合を利用
して直接貼り合わせ、高温で熱処理することで高接合強
度を得る方式であり、近年、ＳＯＩウエハの製造に用い
られている。上記の方式で用いられている位置合わせ方
法は、例えば、特開昭61-182239号公報に記載されてい
る。上記技術ではシリコンウエハ上に合わせマ−クを形
成し、半導体ウエハを透過する波長の光を用いて位置合
わせを行っている。また、シリコンウエハとパイレック
スガラスウエハとの接合に用いられている陽極接合方式
はシリコンウエハとパイレックスガラスを貼り合わせ、
４００℃程度に加熱した状態で高電圧を印加することに
より接合を行う方式であり、薄膜のパイレックスガラス
を用いることにより、シリコンウエハ同士の接合を行う
ことができる。上記の方式で用いられている位置合わせ
方法は、例えば、特開平5-81167号公報に記載されてい
る。上記技術では低融点ガラス薄膜をシリコンウエハの
接合面に介在させてシリコンウエハ同士の接合を行う場
合の位置合わせ方法として赤外線テレビカメラを使用
し、シリコンウエハを透過した赤外線で観察して位置合
わせを行っている。

【０００３】また、多層の構造体を形成するために、一
回で位置合わせを行う方法して、図13に示す方法があ
る。同図は治具12にピン11を立て、それを基準にしてシ
リコンウエハを多層に重ね合わせ、位置合わせを行いな
がら接合を行う方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の光学的
に位置を合わせる方法は赤外線を用いているため複雑な
光学系が必要であり、一回の位置合わせ接合において２
枚のシリコンウエハまたはシリコンウエハとガラスウエ
ハしか処理することができないため、多層接合を行う場
合には位置合わせに時間がかかり、かつ複雑な装置が必
要である。また、ピンを基準に多層に位置合わせを行う
方法は各ウエハにそれぞれピンを入れる孔を加工する必
要があり、位置合わせ精度も孔とピンを合わせなければ
ならないため、数百μｍの合わせ精度しか得られない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、積層に用いる各シリコンウエハにアルカリ水溶
液による異方性エッチングを用いて位置合わせ用の結晶
面を形成し、該結晶面を用いて位置合わせを行い、その
後、接合することにより達成される。

【０００６】単結晶シリコンは、アルカリ水溶液に溶け
る速度が結晶方位によって大きく異なり、例えば７０℃
の４０ｗｔ％ＫＯＨ水溶液を用いた場合、｛１１０｝面
が１８０μｍ溶ける間に｛１１１｝面は１μｍしか溶け
ない。この性質を利用すると、溶かしたくない結晶面上
に半導体の加工技術で保護膜を形成しアルカリ水溶液に
浸すことで、保護された結晶面と溶ける速度の遅い｛１
１１｝面で構成された構造体が高精度に加工できる。

【０００７】以上のように、高精度に加工された結晶面
を積層接合させるためのウエハにそれぞれ形成し、一度
に各ウエハを重ね合わせるだけで位置合わせを行いなが
ら接合することが可能である。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施例を各図を
参照して説明する。図１は本発明の一実施例を表す３枚
のシリコンウエハの位置合わせ方法を示す断面図であ
る。（１００）シリコンウエハ（オリフラ方位［０１
１］）１ａ、１ｂ，１ｃには位置合わせ用の突起２また
は位置合わせ用の溝３および微細パタ−ン４ａ、４ｂ，
４ｃ，４ｄがそれぞれ形成されている。なお、突起また
は溝の加工はシリコンウエハのオリフラに対してパタ−
ンを平行または垂直になるように行った。上記の各シリ
コンウエハにそれぞれ形成した位置合わせ用の突起部ま
たは溝部はともにその斜面を｛１１１｝面で構成され、
54.7゜と同一角度である。

【０００９】上記突起部または溝部は以下のプロセスに
よって形成する。酸化シリコン付きシリコンウエハを洗
浄後、スピンナ−によりレジストをシリコン表面に薄く
塗布する。その後、ベ−ク炉にて乾燥させ、突起または
溝の形状を加工するためのパタ−ニングを露光装置を用
いて行い、現像、乾燥プロセスを経て、レジストパタ−
ンを酸化シリコンに転写する。この時、酸化シリコンの
エッチャントはフッ酸：フッ化アンモニウム水溶液を
１：６の割合で混合した液を用いた。その後、水酸化カ
リウム水溶液に浸すことで、酸化シリコンに保護された
結晶面と溶ける速度の遅い｛１１１｝面で構成された突
起または溝が加工される。

【００１０】また、上記突起部または溝部形状は断面形
状が台形でも三角形でも突起部が溝に挿入することが可
能であれば、位置合わせ精度には影響しない。それは突
起部および溝の斜面が同じ角度によって形成されている
ためである。上記のように形成した各シリコンウエハの
突起と溝を重ね合わせるだけで図２に示すように高精度
の位置合わせを容易に行うことができ、微細パタ−ン４
ａと４ｂを、また、微細パタ−ン４ｃと４ｄを高精度に
位置決めすることが可能である。本発明のシリコンウエ
ハに形成した突起または溝を用いて、位置合わせを行う
場合の精度に関する詳細な説明を図３を参照して行う。
図３（ａ）は２枚のシリコンウエハを重ね合わせた時、
下方のシリコンウエハ１ｂの溝の左側斜面に上方のシリ
コンウエハ１ａの突起部斜面が接触した場合を示す。こ
の時の中心からの位置ずれ量はＸ１となる。また、図３
（ｂ）は２枚のシリコンウエハを重ね合わせた時、下方
のシリコンウエハ１ｂの溝の右側斜面に上方のシリコン
ウエハ１ａの突起部斜面が接触した場合を示す。この時
の中心からの位置ずれ量はＸ２となる。すなわち、本発
明における全体の位置ずれ量はＸ１またはＸ２のいずれ
かのずれ量となるが、本実施例におけるずれ量は±１０
μｍ程度である。

【００１１】図４にシリコンウエハに形成する位置合わ
せ用の突起または溝の一加工例を示す。一枚のシリコン
ウエハ１に形成する位置合わせ用の突起２または溝３は
一箇所でも位置合わせが可能であるが、図４に示すよう
にシリコンウエハ１を正面から見て、水平方向と垂直方
向の２方向に位置合わせ用の突起またはＶ溝を形成する
方式を用いることにより、より高精度の位置合わせが可
能である。上記の方法を適用して、微細パタ−ン４が形
成された４枚のシリコンウエハ１を重ね合わせた外観図
を図５に示す。同図に示す位置合わせ用の突起部は幅６
５μｍ，高さ１４８μｍで、溝は幅２１０μｍに加工し
たものを用いた。位置合わせ用の重ね合わせ部５が良好
に重なり、短時間でシリコンウエハ同士の位置合わせを
行うことができた。なお、この時の位置合わせ精度は±
１０μｍ以内であった。

【００１２】また、本発明では目的の微細パタ−ンを形
成すると同時に位置合わせ用の突起または溝を加工する
ことができるため、生産性にも優れており、位置合わせ
用の光学系も必要としない。

【００１３】図６は本発明の他の実施例を表す２枚のシ
リコンウエハの位置合わせ方法を示す断面図である。
（１００）シリコンウエハ（オリフラ方位［０１１］）
１ａ、１ｂ，には微細パタ−ン４および位置合わせ用の
くし歯６がシリコンの結晶面によって形成されている。
位置合わせ用治具７はシリコンウエハを載せる水平面お
よび位置合わせ用の垂直面が高精度に加工されている。
上記の実施例における位置合わせ方法はくし歯６の｛１
１０｝面が理想的には（１００）面に対して90゜（垂
直）になるように加工されたシリコンウエハのくし歯６
を位置合わせ用治具の垂直面に合わせながら、２枚のシ
リコンウエハを重ね合わせることにより行うことができ
る。より詳細な説明を図７を用いて説明する。図７はシ
リコンウエハ１に形成されたくし歯６の一断面を示す。
（ａ）は理想的に（１００）面に対して｛１１０｝面が
９０゜（垂直）に加工された断面を示す。しかし、実際
には上記のような垂直面でエッチングを止めることは困
難である。実際には同図（ｂ），（ｃ）に示すように
｛１１０｝面は異方性エッチング時間に比例して内側に
後退してゆき、｛１１０｝垂直面は小さくなり、先端部
13が形成される。しかし、該先端部13の周辺には｛１１
１｝面が現われるため、該先端部は｛１１０｝面のよう
に急激にエッチングされることはない。したがって、本
発明を適用する場合はくし歯６の｛１１０｝面がエッチ
ングによって、垂直から内側に後退した時点でエッチン
グを終了すれば良い。なお、くし歯６を正面から見ると
｛１１１｝面の直線状に形成されている。また、上記く
し歯６はくし歯形状にかぎらず直線形状に形成しても良
い。すなわち、本発明では単結晶ウエハの外周部の少な
くとも一部に異方性エッチングによって直線部が形成さ
れていれば、他の複数の単結晶ウエハの直線部を位置合
わせ治具の平坦面に接触させることで高精度に位置合わ
せを行うことができる。

【００１４】この方法と同様の方法としてシリコンウエ
ハのオリフラを位置合わせに用いる方法が考えられる
が、オリフラの一般的な加工精度は±０．５゜であり、
高精度な位置合わせができない。したがって、本発明で
示したように｛１１０｝面によって形成される面が９０
゜（垂直）になるようにエッチング加工を施したシリコ
ンウエハを適用することにより、高精度な位置合わせが
可能となる。図８にシリコンウエハに形成したくし歯に
よる位置合わせ例を示す。一枚のシリコンウエハに形成
する位置合わせ用のくし歯６は一箇所でも位置合わせが
可能であるが、同図に示すようにシリコンウエハを正面
から見て、水平方向と垂直方向の２方向に位置合わせ用
のくし歯６を形成した方式を用いることにより、より高
精度の位置合わせが可能である。なお、くし歯６は、例
えば、シリコンウエハに結晶欠陥が存在し、一箇所また
は二箇所の結晶面が得られない場合でも、他の結晶面に
よって高精度位置合わせが可能である。上記の方法を適
用して、微細パタ−ン４が形成された４枚のシリコンウ
エハ１を重ね合わせた外観図を図９に示す。図９に示す
位置合わせ用のくし歯６の間隔は２ｍｍである。位置合
わせ用治具７はシリコンウエハを載せる水平面および位
置合わせ用の垂直な結晶面が、表面粗さ０．２μｍ以
下，平行度および垂直度が５μｍ以下の精度に加工され
ている。上記、位置合わせ用治具の垂直面にくし歯６を
合わせて、シリコンウエハを重ね合わせたところ、該シ
リコンウエハを容易に位置合わせすることが可能で、短
時間でシリコンウエハ同士の位置合わせを容易に行うこ
とができた。なお、この時の位置合わせ精度は±５μｍ
以内であった。なお、上記の方式における位置合わせを
機械的に行えば精度の向上が可能である。

【００１５】図１０ないし図１１は本発明の更に他の実
施例を表す２枚の単結晶シリコンウエハの位置合わせ方
法を示す断面図である。（１００）シリコンウエハ（オ
リフラ方位［０１１］）１ａ、１ｂ，には微細パタ−ン
４および位置合わせ用の斜面９が異方性エッチングによ
って形成されている。なお、該斜面はシリコンの｛１１
１｝結晶面によって形成されており、その角度は｛１０
０｝面に対して54.7°である。上記、２枚のシリコンウ
エハは該シリコンウエハに形成された斜面に合わせて加
工されたクリップ８によって位置合わせおよび固定され
ている。より詳細な説明を図１２を参照して説明する。
図１２は上記の方式を適用したシリコンウエハの正面図
を示す。シリコンウエハ内に形成された斜面９は２枚の
シリコンウエハが互いに逆方向となるように重ね合わ
せ、その後、クリップ８を該斜面に合うように、矢印１
０に示す方向に挿入する。クリップはシリコンの異方性
エッチングによって、斜面が｛１１１｝結晶面によって
構成されることが好ましい。なお、クリップ８はシリコ
ン以外の材質、例えば、金属またはセラミックスを用い
た場合でも２枚のシリコンウエハを精度良く位置合わせ
できる。また、クリップは一箇所でも位置合わせが可能
であるが、同図に示すようにシリコンウエハを正面から
見て、水平方向と垂直方向の２方向で位置合わせを行う
方式を用いることにより、より高精度の位置合わせが可
能である。

【００１６】上記に記載したように、本発明の各種位置
合わせ方法を用いて位置合わせ後、直接接合方式または
薄膜のパイレックスガラスを挟んで陽極接合方式を用い
て接合すれば良い。

【００１７】また、異方性エッチングに用いるエッチャ
ントは水酸化カリウム水溶液が良いが、その他にテトラ
メチルアンモニウムハイドロオキサイド、エチレンジア
ミン、ヒドラジン等のエッチャントを単独または混合し
て用いても良い。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、複数の単結晶シリコン
ウエハの位置合わせにシリコンの異方性エッチングによ
って得られる結晶面を適用することにより、複数のシリ
コンウエハを短時間で高精度の位置合わせが可能であ
る。しかも、従来法のように光学系等の設備を必要とし
ないため生産性に優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る単結晶積層構造体の
位置合わせ方法を示す断面図である。

【図２】 図１に示す位置合わせ方法により積層した単
結晶積層構造体の断面図である。

【図３】 本発明の一実施例に係る位置合わせ部の詳細
図である。

【図４】 本発明の一実施例に係るシリコンウエハの加
工例を表す図である。

【図５】 本発明の一実施例に係るシリコンウエハの積
層構造体を表す図である。

【図６】 本発明の他の一実施例に係る位置合わせ方法
を表す図である。

【図７】 本発明の他の一実施例に係るシリコンウエハ
に形成したくし歯のエッチング後の断面形状を表す図で
ある。

【図８】 本発明の他の一実施例に係るシリコンウエハ
に形成したくし歯による位置合わせ方法を示す図であ
る。

【図９】 本発明の他の一実施例に係る位置合わせ方法
を示す図である。

【図１０】 本発明の更に他の一実施例に係る位置合わ
せ方法による位置合わせ部の断面図である。

【図１１】 本発明の更に他の一実施例に係る位置合わ
せ方法による位置合わせ部の断面図である。

【図１２】 本発明の更に他の一実施例に係る位置合わ
せ方法を表す図である。

【図１３】 従来技術の位置合わせ方法を表す図であ
る。

【符号の説明】

１…シリコンウエハ，２…突起，３…溝，４…微細パタ
−ン，６…くし歯，７…治具，８…クリップ，９…斜
面，11…ピン

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも２枚の単結晶ウエハを接合して
   構造体を形成する際の位置合わせ方法において、接合す
   る単結晶ウエハの外周部の少なくとも一部に異方性エッ
   チングによって直線部を形成し、この直線部を位置合わ
   せ部材の平坦面に接触させて前記単結晶ウエハの位置合
   わせする単結晶積層構造体の位置合わせ方法。
2. 【請求項２】少なくとも２枚の単結晶ウエハを接合して
   構造体を形成する際の位置合わせ方法において、第１の
   単結晶ウエハの接合面に異方性エッチングによって突起
   を形成し、この第１の単結晶ウエハに接合する第２の単
   結晶ウエハの接合面に異方性エッチングによって溝を形
   成し、前記第１の単結晶ウエハに形成した突起を前記第
   ２の単結晶ウエハに形成した溝にはめこむことで位置合
   わせする単結晶積層構造体の位置合わせ方法。
3. 【請求項３】少なくとも２枚の単結晶ウエハを接合して
   構造体を形成する際の位置合わせ方法において、第１の
   単結晶ウエハの接合面に外周部から中心部方向に異方性
   エッチングによって第１の溝を形成し、第２の単結晶ウ
   エハの接合面に外周部から中心部方向に異方性エッチン
   グによって第２の溝を形成し、前記第１の溝と前記第２
   の溝とにより１つの開口部ができるように前記第１の単
   結晶ウエハと前記第２の単結晶ウエハとを接合し、この
   開口部に異方性エッチングよって加工した単結晶治具を
   挿入することにより位置合わせする単結晶積層構造体の
   位置合わせ方法。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の単結
   晶積層構造体の位置合わせ方法において、接合する単結
   晶ウエハが｛１００｝面を表面とする単結晶シリコンウ
   エハであり、位置合わせに用いる結晶面のウエハ表面と
   の交線が〈１１０〉方位と平行であると同時に垂直であ
   る単結晶積層構造体の位置合わせ方法。
5. 【請求項５】請求項４記載の単結晶積層構造体の位置合
   わせ方法において、異方性エッチングに用いるエッチャ
   ントが水酸化カリウム水溶液、テトラメチルアンモニウ
   ムハイドロオキサイド、エチレンジアミン、ヒドラジン
   の少なくとも一つを含むことを特徴とする位置合わせ方
   法。