JPH10199856A

JPH10199856A - 単結晶部品の製造方法

Info

Publication number: JPH10199856A
Application number: JP9000758A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Minami; 良博南; Hideto Furuyama; 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-01-07
Filing date: 1997-01-07
Publication date: 1998-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】多少のプロセス上の不純物汚染があっても、
加工精度の低下を招くことなく単結晶部品の製造を可能
とする。【解決手段】ｎ型高抵抗単結晶Ｓｉ基板１の表面部に
矩形状の開口を有するＶ溝３を設けてなる単結晶部品の
製造方法において、Ｓｉ基板１の表面に燐をイオン注入
してｎ型不純物層８を形成した後、Ｓｉ基板１上に熱酸
化膜からなり矩形状の開口を有するマスク２材を形成
し、次いでＫＯＨを用いた異方性エッチングにより基板
１を選択エッチングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶基板の表面
部に溝を形成した単結晶部品の製造方法に係わり、特に
マイクロマシニング技術等に用いる深い溝を有する単結
晶部品の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｓｉ等の単結晶基板は、原子配列の異方
性によるエッチング速度の結晶方位依存性があり、適切
なエッチング種を選択することにより、結晶構造を反映
した幾何学的形状をエッチングで形成できる。これが所
謂、異方性エッチングであり、各種の半導体プロセス
や、微小機械機構を基板上に作成するマイクロマシニン
グ技術等で活用されている。

【０００３】近年、この異方性エッチングが高精度の機
械加工を必要とする光実装部品の加工手法として注目を
集めている。光実装部品への異方性エッチングの適用例
としては、光ファイバを保持させるためのＶ溝を高抵抗
のＳｉ基板に加工する例があり、機械的な切削加工によ
るものと比較して、加工精度，量産性の点で優れる特徴
がある。

【０００４】その理由として、半導体プロセスを適用し
ているためサブミクロン単位の制御が可能なこと、ＩＣ
チップと同様にＳｉウェハに多数の加工物を組み込み、
数十枚のＳｉウェハを同時処理（加工）できるため一度
に大量数加工できること、等がある。また、半導体プロ
セスを用いているため基板に配線電極等を形成すること
が容易であり、機械加工と電極配線加工を同時、又は一
連の工程の中で実施できる利点がある。なお、高抵抗の
Ｓｉ基板を用いる理由は、信号の伝送損失をできる限り
小さくするためである。

【０００５】しかしながら、これらの技術には半導体プ
ロセスを用いているための問題もある。即ち、ある種の
異方性エッチングは、Ｓｉ基板の不純物の型によりエッ
チング速度が大きく変化するという特徴を持つ。上述し
たように、高抵抗のＳｉ基板を用いた場合、プロセス途
中の汚染により容易に不純物型が変わり、エッチング形
状が制御できなくなってしまう。これは、基板として不
純物濃度の低い高抵抗基板を用いた場合に顕著に現れ
る。以下、図面を参照しながらこれを説明していく。

【０００６】図７は、従来の異方性エッチング法による
加工例を示す工程断面図である。ここでは、マイクロマ
シンニング等で用いられる代表的な例として、単結晶基
板がＳｉの場合を示している。図７において、１はｎ型
高抵抗Ｓｉ単結晶基板、２はエッチング用マスク材、３
はエッチング加工部である。Ｓｉの異方性エッチングの
例としては、マスク材２にＳｉＯ₂ ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等の膜
を用い、エッチング液にＫＯＨ水溶液やヒドラジン等の
エッチング速度の結晶方位依存性の高いエッチング液が
用いられる。図７では、Ｓｉ基板１の表面が（１００）
面で、エッチング加工部３がＳｉ基板表面で〈１１
０〉，〈１-1０〉方向となるような矩形開口を有する場
合の断面を示している。

【０００７】まず、図７（ａ）はプロセス前のｎ型高抵
抗Ｓｉ基板１を示す。次に、図７（ｂ）は熱酸化によっ
て表面にエッチング用マスク材２を形成したところであ
る。このとき、Ｓｉ基板１がｐ型不純物（ボロン，アル
ミニウム等）の汚染を受けると、基板表面にｐ型不純物
層４が形成されてしまう。これは、Ｓｉ基板１が高抵抗
であればあるほど、微量のｐ型不純物でも起き易い。図
７（ｃ）は異方性エッチングのために、エッチング用マ
スク材２に開口部を設けたところである。このとき、エ
ッチング加工部３に上述のｐ型不純物層４が現れると、
ｐ型不純物層４は異方性エッチングのエッチング速度が
ｎ型の場合に比べて著しく遅いため、図７（ｄ）の破線
で示した正常エッチング断面５にはならず、実線で示し
た異常エッチング断面６となってしまう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、異方
性エッチングを用いて単結晶部品を形成する場合、プロ
セス上の僅かの汚染が加工形状に悪影響を与えるという
問題があった。本発明は、上記事情を考慮して成された
もので、その目的とするところは、多少のプロセス上の
不純物汚染があっても、加工精度の低下を招くことなく
良好な加工形状を得ることができ、製造歩留まりの向上
をはかり得る単結晶部品の製造方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（構成）上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。即ち、本発明（請求項１）は、
単結晶基板上に開口を有するマスクを形成した後、該マ
スクを用いて異方性エッチングにより基板を選択エッチ
ングし、該基板の表面部に溝を設ける単結晶部品の製造
方法において、前記基板を選択エッチングする前に、該
基板の表面部に不純物を添加して不純物層を形成してお
くことを特徴とする。

【００１０】また、本発明（請求項２）は、単結晶基板
の表面部に溝を設けてなる単結晶部品の製造方法におい
て、前記基板の表面部に不純物層を形成する工程と、前
記基板上に開口を有するマスクを形成する工程と、前記
マスクを用い前記基板に対して異方性エッチングを行
い、該基板を選択的に除去して溝を形成する工程とを含
むことを特徴とする。

【００１１】また、本発明（請求項３）は、単結晶基板
の表面部に溝を設けてなる単結晶部品の製造方法におい
て、前記基板上に開口を有するマスクを形成する工程
と、前記マスクの開口に露出する前記基板の表面部に不
純物を選択的に添加して不純物層を形成する工程と、前
記マスクを用い前記基板に対して異方性エッチングを行
い、該基板を選択的に除去して溝を形成する工程とを含
むことを特徴とする。

【００１２】ここで、本発明の望ましい実態態様として
は次のものがあげられる。 (1) 基板は面方位が（１００）のｎ型高抵抗Ｓｉ基板で
あり、不純物層も該基板と同一導電型のｎ型であり、溝
のエッチング側壁は（１１１）面であること。 (2) 不純物を形成する工程として、基板の表面部にｎ型
不純物をイオン注入すること。 (3) マスクは酸化Ｓｉ又は窒化Ｓｉからなり、基板上に
矩形状の開口を有するように形成されること。 (4) 異方性エッチングで基板に溝を形成する工程とし
て、ＫＯＨ水溶液を用いること。 (5) 溝の開口は矩形状であり、断面はＶ字型であるこ
と。（作用）本発明によれば、仮に基板表面が汚染によりｐ
型化していたとしても、基板の異方性エッチング前に基
板表面に強制的にｎ型不純物を導入して不純物層を形成
するため、異方性エッチングの加工精度を低下させる不
純物層の発生を起こさない。即ち、プロセス中の何らか
の原因で発生する異常エッチングを起こす不純物層（ｐ
型）を反対の型（ｎ型）の不純物で補償する。これによ
り、プロセス中の汚染によって発生する異常エッチング
の発生を抑制することが可能であり、工程歩留まりを改
善することができる。

【００１３】また、エッチャントによっては、ｎ型不純
物が異常エッチングを起こす原因となる場合も考えら
れ、この場合は基板の異方性エッチング前にｐ型不純物
を導入すれば、同様に異常エッチングの発生を抑制する
ことが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。（第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に
係わる単結晶部品の製造工程を示す断面図である。な
お、この単結晶部品は、光デバイスと共に光ファイバや
ガイドピンを高精度に位置決めして実装するためのもの
である。

【００１５】まず、図１（ａ）に示すように、表面が
（１００）のｎ型高抵抗Ｓｉ単結晶基板を用意する。こ
の基板１は、例えばｎ型不純物密度が約１×１０¹²ｃｍ
^-3、比抵抗が約１０００Ω・ｃｍの高抵抗基板である。
このような高抵抗基板を用いる理由は、信号の伝送損失
をできるだけ小さくするためである。

【００１６】次いで、図１（ｂ）に示すように、基板１
の表面にｎ型の不純物７（例えば燐，砒素）を、ドーズ
量１×１０¹⁰ｃｍ^-2でイオン注入する。なお、注入深さ
は１μｍもあれば十分である。

【００１７】次いで、図１（ｃ）に示すように、高温酸
化により基板１の表面に酸化膜からなるマスク材２を形
成する。このときの熱処理により、基板表面に注入され
た不純物が活性化されて基板表面にｎ型不純物層８が形
成され、プロセス上の汚染によるｐ型不純物があったと
しても表面がｐ型化するのを防ぐことができる。

【００１８】次いで、図１（ｄ）に示すように、フォト
リソグラフィ技術を用いて、マスク材２に矩形状の開口
を形成する。この開口が、後述するエッチング加工部
（Ｖ溝）３に相当する。

【００１９】次いで、ＫＯＨ水溶液を用いた異方性エッ
チングにより、図１（ｅ）に示すように、基板１を選択
エッチングする。ここで、ＫＯＨ水溶液はエッチング速
度の結晶方位依存性の高いエッチャントであり、この溶
液を用いることにより、溝側壁が（１１１）面となるＶ
溝３を形成することができる。このとき、基板表面の汚
染に起因する異常エッチングが起こることもなく、溝側
壁が（１１１）面となる正常なエッチング断面５が得ら
れた。

【００２０】かくして製造された単結晶部品は、例えば
図２に示すように、光ファイバと光デバイス１１との光
結合に用いられる。図２において、（ａ）は平面図であ
り、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａ′断面図、（ｃ）は
（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ′断面図である。

【００２１】同図に示すように、基板１上の平坦部に光
デバイス１１が設けられ、基板１表面の溝３内に光ファ
イバ１２が設置され、Ｖ溝３内への光ファイバ１２の設
置により光ファイバ１２が自動的に位置決めされ、光フ
ァイバ１２と光デバイス１１とが良好に光結合するよう
になっている。

【００２２】なお本実施形態において、表面に形成した
ｎ型不純物層８は表面のｐ型化を防ぐためのものである
ため、その厚みは非常に薄く、また不純物量も僅かで済
むため、光デバイスの特性や信号の伝送特性に悪影響を
与えることはない。

【００２３】ここで、熱酸化工程においてｐ型不純物が
拡散する場合、極端に多量の汚染でない限りは現在の一
般的なプロセスレベルから表面濃度は高々１×１０¹³ｃ
ｍ^-3、また拡散深さは１μｍのオーダと考えられるた
め、必要なドーズ量としては１×１０¹³×１×１０^-4＝１×１０⁹ ｃｍ^-2 となる。マージンとして１０倍の量をとると、１×１０
¹⁰ｃｍ^-2のｎ型不純物をドーズすれば、まずｐ型化する
ことはない。また、上記のドーズ量は通常のイオン注入
装置における照射量の最小値に近いものであり、長時間
の照射が必要というようなことはない。

【００２４】このように本実施形態によれば、ｎ型高抵
抗Ｓｉ単結晶基板１の表面部にイオン注入によりｎ型不
純物７を導入することにより、後続する基板１の異方性
エッチングの際に異常エッチングが生じるのを未然に防
止することができる。このため、設計通りの良好な形状
のＶ溝３を再現性良く形成することができ、製造歩留ま
りの向上をはかることができる。また、従来のプロセス
に短時間のイオン注入プロセスを付加するのみで実施す
ることができ、その実用性が極めて高い。（第２の実施形態）図３は、本発明の第３の実施形態を
示す工程断面図である。なお、図１と同一部分には同一
符号を付して、その詳しい説明は省略する。

【００２５】本実施形態が先に説明した第１の実施形態
と異なる点は、ｎ型不純物層８の形成方法にある。即
ち、第１の実施形態では、ｎ型不純物層８を形成する手
段としてイオン注入技術を用いたが、本実施形態では不
純物の封管拡散技術や高温のオキシ塩化リン等のガス中
に晒すことによりｎ型不純物層８を形成する場合を示し
ている。その他については、図１と同様である。

【００２６】具体的には、図３（ａ）に示すように、第
１の実施形態と同様な基板１を用意し、図３（ｂ）に示
すように、封管拡散技術により基板表面にｎ型不純物を
導入してｎ型不純物層８を形成する。ここで、封管拡散
技術とは、石英管内に半導体基板と不純物を封じ込め、
熱処理することにより基板内に不純物を拡散させる方法
である。

【００２７】これ以降は第１の実施形態と同様であり、
図３（ｃ）に示すように熱酸化膜からなるマスク材２を
形成した後、図３（ｄ）に示すように矩形状の開口を形
成し、さらに図３（ｅ）に示すようにマスク材２を用い
てＫＯＨ水溶液による異方性エッチングを行って基板１
を選択エッチングする。これにより、第１の実施形態と
同様に溝側壁が（１１１）面となる正常なエッチング断
面５を有するＶ溝３が得られた。（第３の実施形態）図４は、本発明の第３の実施形態を
示す工程断面図である。なお、図１と同一部分には同一
符号を付して、その詳しい説明は省略する。

【００２８】本実施形態が先の第１の実施形態と異なる
点は、ｎ型不純物層８の形成方法にある。即ち、第１の
実施形態では、ｎ型不純物層８を形成する手段としてイ
オン注入技術を用いたが、本実施形態では固相拡散技術
を用いてｎ型不純物層８を形成する場合を示している。
その他については、図１と同様である。

【００２９】具体的には、図４（ａ）に示すように、第
１の実施形態と同様な基板１を用意し、図４（ｂ）に示
すように、基板１の表面にＣＶＤ法などによりｎ型不純
物ソース層９（ＰＳＧ膜）を形成する。その後、熱処理
を加えるとソース層９中のｎ型不純物が基板１中に拡散
し、図４（ｃ）に示すように、ｎ型不純物層８が形成さ
れる。

【００３０】これ以降は実質的に第１の実施形態と同様
であり、ソース層９を除去した後、図４（ｄ）に示すよ
うに熱酸化膜からなるマスク材２を形成し、図４（ｅ）
に示すように矩形状の開口を形成し、さらに図４（ｆ）
に示すようにマスク材２を用いてＫＯＨ水溶液による異
方性エッチングを行って基板１を選択エッチングする。
これにより、第１の実施形態と同様に溝側壁が（１１
１）面となる正常なエッチング断面５を有するＶ溝３が
得られた。（第４の実施形態）図５は、本発明の第４の実施形態を
示す工程断面図である。なお、図１と同一部分には同一
符号を付して、その詳しい説明は省略する。

【００３１】本実施形態が先の第１の実施形態と異なる
点は、イオン注入工程とマスク形成工程の順序を逆にし
たことにある。本実施形態では、図５（ａ）に示すよう
に、第１の実施形態と同様な基板１を用意し、図５
（ｂ）に示すように、熱酸化膜からなるマスク材２を形
成する。次いで、図５（ｃ）に示すように、フォトリソ
グラフィ技術を用いて、マスク材２に異方性エッチング
のための開口を形成する。

【００３２】次いで、図５（ｄ）に示すように、ｎ型不
純物７をインプラント技術によりイオン注入する。これ
をアニールすれば、図５（ｅ）に示すように、開口部に
ｎ型不純物層８が選択的に形成される。

【００３３】次いで、図５（ｆ）に示すようにマスク材
２を用いてＫＯＨ水溶液による異方性エッチングを行っ
て基板１を選択エッチングすることにより、第１の実施
形態と同様に溝側壁が（１１１）面となる正常なエッチ
ング断面５を有するＶ溝３が得られた。

【００３４】なお本実施形態では、図５（ｄ）におい
て、エッチング用マスク材２はインプラント不純物７が
基板１の表面に到達するのを防ぐマスク材としても機能
するため、図５（ｅ）においてエッチング用マスク材２
の直下にはｎ型不純物層８は形成されない。従って、Ｋ
ＯＨ水溶液を用いた異方性エッチングによりｎ型不純物
層８はエッチングにより消失することになり、信号の伝
送特性に与える影響を更に小さくできる。（第５の実施形態）図６は、本発明の第５の実施形態を
示す工程断面図である。なお、図１と同一部分には同一
符号を付して、その詳しい説明は省略する。

【００３５】本実施形態が先に説明した第４の実施形態
と異なる点は、ｎ型不純物層８の形成方法にある。即
ち、第４の実施形態では、ｎ型不純物層８を形成する手
段としてイオン注入技術を用いたが、本実施形態では不
純物の封管拡散技術や高温のオキシ塩化リン等のガス中
に晒すことによりｎ型不純物層８を形成する場合を示し
ている。その他については、図５と同様である。

【００３６】具体的には、図６（ａ）〜（ｃ）に示すよ
うに第４の実施形態と同様に、単結晶ｎ型高抵抗基板１
上に熱酸化膜からなるマスク材２を形成し、このマスク
材２に異方性エッチングのための開口を形成する。

【００３７】次いで、図６（ｄ）に示すように、マスク
材２の開口部分に露出した基板１の表面に選択的に、封
管拡散技術によりｎ型不純物を導入してｎ型不純物層８
を形成する。これ以降は第１の実施形態と同様にＫＯＨ
水溶液による異方性エッチングを施すことにより、溝側
壁が（１１１）面となる正常なエッチング断面５を有す
るＶ溝が得られた。

【００３８】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。実施形態では単結晶基板としてＳ
ｉを用いたが、これに限らず各種の半導体基板を用いる
ことができる。また、エッチング用のマスクは酸化膜に
限らず、窒化膜を用いることもでき、要は基板と十分な
選択比の得られるものであればよい。また、溝形成のた
めのエッチャントとしては、ＫＯＨ水溶液以外にヒドラ
ジンを用いることもできる。さらに、エッチング速度の
結晶方位依存性の高いものであれば、必ずしもウェット
エッチングに限らずドライエッチングを適用することも
可能である。また、溝の形状はＶ字型に限らず、仕様に
応じて適宜変更可能である。その他、本発明の要旨を逸
脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、プ
ロセス中の何らかの原因で発生する異常エッチングを起
こす不純物層を反対の導電型の不純物で補償することに
より、プロセス中の汚染によって発生する異常エッチン
グの発生を抑制することが可能となり、工程歩留まりを
大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係わる単結晶部品の製造工程
を示す断面図。

【図２】第１の実施形態で製造した単結晶部品の使用例
を示す平面図と断面図。

【図３】第２の実施形態に係わる単結晶部品の製造工程
を示す断面図。

【図４】第３の実施形態に係わる単結晶部品の製造工程
を示す断面図。

【図５】第４の実施形態に係わる単結晶部品の製造工程
を示す断面図。

【図６】第の５実施形態に係わる単結晶部品の製造工程
を示す断面図。

【図７】従来技術の問題点を説明するための単結晶部品
の製造工程を示す断面図。

【符号の説明】

１…ｎ型高抵抗Ｓｉ基板２…異方性エッチング用マスク材３…エッチング加工部（Ｖ溝）４…プロセス汚染によるｐ型不純物層５…正常なエッチング断面６…異常なエッチング断面７…不純物インプラント８…ｎ型不純物層９…ｎ型不純物ソース層（ＰＳＧ膜）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶基板上に開口を有するマスクを形成
した後、該マスクを用いて異方性エッチングにより基板
を選択エッチングし、該基板の表面部に溝を設ける単結
晶部品の製造方法において、前記基板を選択エッチングする前に、該基板の表面部に
不純物を添加して不純物層を形成しておくことを特徴と
する単結晶部品の製造方法。
【請求項２】単結晶基板の表面部に溝を設けてなる単結
晶部品の製造方法において、前記基板の表面部に不純物層を形成する工程と、前記基
板上に開口を有するマスクを形成する工程と、前記マス
クを用い前記基板に対して異方性エッチングを行い、該
基板を選択的に除去して溝を形成する工程とを含むこと
を特徴とする単結晶部品の製造方法。
【請求項３】単結晶基板の表面部に溝を設けてなる単結
晶部品の製造方法において、前記基板上に開口を有するマスクを形成する工程と、前
記マスクの開口に露出する前記基板の表面部に不純物を
選択的に添加して不純物層を形成する工程と、前記マス
クを用い前記基板に対して異方性エッチングを行い、該
基板を選択的に除去して溝を形成する工程とを含むこと
を特徴とする単結晶部品の製造方法。
【請求項４】前記基板は面方位が（１００）のｎ型高抵
抗Ｓｉ基板であり、前記溝のエッチング側壁は（１１
１）面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
に記載の単結晶部品の製造方法。
【請求項５】前記不純物を形成する工程として、前記基
板の表面部に不純物をイオン注入することを特徴とする
請求項１〜３のいずれかに記載の単結晶部品の製造方
法。
【請求項６】前記マスクは酸化Ｓｉ又は窒化Ｓｉからな
り、前記基板上にストライプ状の開口を有するように形
成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
載の単結晶部品の製造方法。