JPH07506227A - エッチング可能な基板における完全な外部コーナー作成のためのミクロ機械加工方法 - 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】 エツチング可能な基板における完全な外部コーナー作成のためのミクロ機械用］ 一方法 光明皇−背−肌 産一業」−グと利、用−ｊｌ野 本発明は、エツチング可能な基板材料に於ける３次元構造形成の分野に関する。

特に、ミクロ機械加工によって形成される構造の交差によってできる完全な外部 コーナーの形成に関する。

従沫技−術 エツチング可能な基板材料に於いて、精密な３次元構造を形成する能力は、特に シリコンに於いては、多くをｔ１＋結晶シリコン基板の、いわゆる異方性エツチ ングの実施能力に依存している。異方性エツチングは、Ｋ　ＯＨと水との混合溶 液や、エチレンジアミンとピロカテコールと水との混合溶液のような腐食液を使 用することによって、シリコン結晶のある面を他の方向よりずっと速くエツチン グする特性を持っている。これらの腐食液は、全て（１１１１シリコン面を他の 低指数の（１００１面や（１１０）面よりずっと緩慢にエツチングする。

もっとも一般的なシリコンウェーハの表面配向としては、（１００）面と（１１ １）面の２つがある。　（１１１１面のエツチング速度がとても緩慢であるため 、デバイスの製造に於いては（１００）シリコンが好ましい配向である。

（１００）シリコンに於いては＜１１０＞方向に沿って各々のウェーハ上にフラ ットが設けられている。この配向に於いては、　＋１１１１面は、ウェーハフラ ットに対し平行もしくは垂直な方向に於いて、（１００）面と、第１Ａ図に示さ れるように５４．７４°の角度で交差する。

もしエツチングマスクの開口部が長方形を形成するように開いていたなら、異方 性腐食液によるエツチングによって（１１１１面が露出され、第１Δ図、第１８ 図にゝ（〕・面図として示すようにＶ型の溝が形成される。

もしエツチングマスクが長方形よりも複雑な形をしていたなら、１分な時間がた っと、第２Ａ図、第２Ｂ図に示すように、全ての凸状の突出部は「もっとも遠い （ｆａｒｔｈｅｓｔ）ｊ　ｔｉｌｌ）面までエッチバックする。

例えば第２Ｂ図に示される点へに、凸型のコーナーを作成したいとき、ちょうど Ｌ型のエツチングマスクを用い、基板をＫ　ＯＨと水に浸すと、コーナーは第３ Ａ図に示されるようにエッチバックされ、突き出たマスク構造は崩れてしまう。

そこで、エッチバックされない凸型のコーナーが必要とされるなら、いわゆるコ ーナー補償と呼ばれる技術を用いることができる。前記コーナー補償技術では、 所望の３次元構造を外部コーナーに残すように、適度な分量だけエッチバックす るような付加的なマスク構造がコーナーに付は足される。あるこのようなコーナ ー補償パターンでは、第３Ｂ図に示されるように、外部コーナーに、四角い突出 部か付加される。エツチングが下方に進行するとき、この付加的な構造は、要求 されているコーナー構造を残すのに適した速度でエッチハックする。このタイプ のコーナー補償は従来から知られている。

しかしながら、このようなコーナー補償では、完璧な交差は、適切なコーナー補 償が得られるような特定の深さにｈりいてしか生成されない。言い換えると、深 さはこの付加的なマスク構造と正確に合致しなければならず、完璧な交差（深さ ）が形成されている時間は非常に短く制御困難である。さらに、時には第３Ｃ図 に示されるように、溝Ａを非常に浅くし、ずっと深い溝Ｂと交差するような要求 があるかもしれない。例えば、溝Ａは１０ミクロンの幅で、７ミクロンの深さ、 溝Ｂは１００ミクロンの深さで、１４０ミクロンの幅という具合である。このよ うな場合には、コーナー補償技術ではコーナーに非常に大きなコーナー補償構造 を付加しなければならないが、通常そのための余地はない。従って、コーナー補 償はある状況では使用することかできない。

第４Ａ図に示されるように、ウェーハの表側と裏側から同時にエツチングするこ とによって、ウェーハに貫通孔を形成したいというときには、別の関連した問題 がある。２つの満１と２とが貫通すると、直後に、　（１１１１面が互いに交差 する点から、急速にエッチバックか始まる。十分長い間装置すると、第４Ｂ図に 示されるように、側壁は、他の＋１１１１面の組にぶつかるまでエッチバックし 、大きなキャビティをシリコンに形成するようになり、きちんと決まった直径の 孔が必要とされるとき、望ましくない。

光切１ｒ’ｌ迩 従って、本発明の目的のひとつはエツチング可能な基板に於いて、エッチバック しない外部コーナーを形成する方法を提供することである。

本発明のもう一つの目的はエツチング可能な基板に於いて、標準的なコーナー補 償が使えない状況でも外部コーナーを形成する方法を提供することである。

本発明に従った方法によって、完全な凸型コーナーを持った３次元構造をエツチ ングにより基板に形成することができる。前記構造は、二つの構造の側壁の交差 が外部コーナーを形成するように、二つの構造に分割される。第１の構造をエツ チングにより形成し、続いてエツチングにより形成された第１の構造の表面にエ ツチングマスクを形成する。そしてエツチングにより第２の構造を形成するよう に、マスクに領域（ウィンドウ）を開ける。そして第２の構造をエツチングによ り作成する。このようにして、所望の構造が形成される。

本発明の第１の面として、第２の構造を形成するのための領域か、基板主面に於 いて、マスクされ保護された第１の構造の一方の端部を取り囲み、取り囲まれた 第１の構造の端部の下のシリコンは、第１の構造の側壁を画定している（１１１ ＞面に到達するまで、エツチングによってアンダーカットされる。第１のエツチ ングされた構造とエツチングされた第２の構造の溝との交差によって形成された 外部コーナーはエッチバックしない。なぜならコーナーは、第２の構造を画定し ている主面上のエツチングマスクによって保護されているからである。

本発明の第２の面として、第１の構造がエツチングされた後の２回目のりソゲラ フイエ程の実施を省略するため、第２の構造は窒化物のマスクによって最初に画 定される。

その後、ウェーハ（基板）の残りの部分が酸化され、それから第１の構造のパタ ーンが描かれる。ウェーハの表面はこの時点ではまだ平坦であるため、マスクの 光学的リソグラフィ工程は容易である。第１の構造がエツチングされた後、ウェ ーハは酸化される。窒化物マスクは、第２の構造を画定しているマスク領域が酸 化されるのを防ぐ。そうして、窒化物マスクを取り除くため、ウェーハの表面全 体をプラズマエツチングすると、不均一な表面に於けるリソグラフィを実施する ことなく、元のシリコン面が露出される。

（リソグラフィの間、第１の構造の内部の酸化皮膜を完全に保護しなければなら ないため、不均一な表面でのりソグラフィは、明らかにずっと困難である。）ウ ェーッ１は第２の構造がエツチングにより形成されるまで、再度エツチングされ る。

本発明のさらなる面として、第１の構造を形成するため、最初にウェーハの上面 からエツチングし、続いて上面にエツチングマスクを形成する。そして、第２の 構造を画定する領域を、マスクされたウェーハの底面に開ける。そうすることに よって、シャープに画定されたふたつＱ構造の交差が得られ、エツチングマスク を取り除いた後には、きちんと決まった孔を得ることができる。

本発明の上記の、もしくはその他の目的、構造、有利な点は、付随する図面と共 に、以下に記述する好適実施例によって明確にされる。

図面の簡単な説明 第１Ａ図は異方性エツチングによって（１００）ウェーハに形成された溝の断面 図であり、　（１１１）面と（１００）而との交差角度を示している。

第１Ｂ図は第１図の平面図であり、ウェーハの表面に形成されたエツチングマス ク内の長方形のウィンドウを介してエツチングされた溝を示している。

第２Ａ図と第２Ｂ図は、マスク上に開けられた、長方形より複雑な形のウィンド ウと、その結果得られた溝を示す上面図である。

−に於けるエツチングバックを示している。

第３Ｂ図は第２Ｂ図と似ており、コーナー補償のたに付加されたマスクの突出部 を示している。

第４Ａ図は従来技術に於ける、ウェーハの裏側と表側からの同時エツチングを示 すウェーハの断面図である。

第４１３図は第４Ａ図と似ており、　１１１１１而の交差する点からの急速なエ ツチングバックを示している。

第５Ａ図はエツチングにより形成されたウェーハの部分斜視図で、本発明に従っ て形成された完璧な外部コーナーを示している。

第５１３図は、第１の溝がエツチングにより形成された後の、第２の溝を形成す るためのウィンドウの形状を示すつ工−ハの」二面図である。

第６図は、窒化物によって画定された第２の溝のパターンと、酸化物によって画 定された第１の宿のパターンを示すウェーハの」二面図である。

第７Ａ図は、本発明の別の実施例を示すウェーハの上面図である。

第７Ｂ図は、裏側からのエツチング開始直後の、第７図に於けるラインＢ−Ｂに 沿った断面図である。

第７Ｃ図は、底面から始まったエツチングが完了した後の、第７図に於けるライ ンＢ−Ｈに沿った断面図である。

第８Ａ図は本発明に従って形成された加速度計構造の上面図である。

第８Ｂ図は第８Ａ図のラインＣ−Ｃに沿った断面図である。

＆朋！号を利メＵ先明 第５Ａ図はエツチングされたウェーハの部分斜視図である。３つの水平方向のＶ 型の溝５０２．５０３．５０４と、Ｉ＋６方向の溝５０５があり、水平方向の溝 ５０２．５０３．５０４と垂直方向の溝５０５との間にシャープな交差５０６を ｉｌ）ることを目的としている。　（ここで、水平方向、垂直方向は任意に指定 できる。） 本発明に従って、水平方向の満５０２゛、５０３′、５０４°か最初に（１００ ）ウェーハにエツチングされる。

それぞれの溝５０２゛、５０３°、５０４’　の端部は、第５Ｂ図中に示される ように、垂直方向の溝５０５が形成される領域中に突き出ている。各々の溝５０ ２゛、５０３゛、５０４′の側壁は＜１１１＞面によって形成される。そして、 ウェーハはエツチングにより形成された水平方向の溝をマスクするため酸化され る。その後、酸化された溝５０２”、５０３’、５０４°の前記端部５０２’　 Ｅ、５０３′　Ｅ、５０４°　Ｅを取り囲む、垂直方向の溝５０５を画定するウ ィンドウパターン５０５ａがマスク中に開けられ、垂直方向の満５０５がエツチ ングにより形成される。水平方向の溝の端部５０２°　Ｅ、５０３’　Ｅ、５０ ４°　Ｅの下のシリコンは、水平方向の満５０２゛、５０３゛、５０４゛の側壁 を画定している（１１１）面に到達するまで、エツチングによりアンダーカット される。水平方向の溝５０２°、５０３’、５０４°と垂直方向の溝５０５のエ ツチングとの交差により形成された外部コーナーはエッチバックしない。という のは、これらのコーナーは、水平方向の１古５０２゛、５０３゛、５０４゛の側 壁の酸化物マスクによって保護されているからである。それによって、水平方向 の満５０２．５０３．５０４と垂直方向の溝５０５との間にシャープな交差が得 られる。

エツチングにより形成された溝５０２°、５０３°、５０４°を酸化した後、垂 直方向の溝５０５のためのウィンドウパターン５０５ａを決定するためには、通 常２回目のりソグラフィが必要である。これは、水平方向の溝の内側の酸化膜が リソグラフィの間完璧に保護されなければならないため、困難である。

本方法を簡単にするため、窒化物マスク方法が用いられる。本発明に従った方法 を実行するひとつの方法は、第６図に示されるように、垂直方向の溝のパターン ６０５ａを、最初に、シリコン窒化物で画定することである。その後、ウェーハ ６０１の残りの部分が酸化物６０１ａを形成するように酸化され、それから第６ 図に示されるように、水平方向の溝のパターン６０２　ａ、６０３　ａ、６０４ 　ａが酸化物６０１ａ上に画定される。ウェーハはこの時点では、まだ平坦であ るため、光学的リソグラフィは比較的容易である。そして、ウェーハ６０１は、 水平方向の溝５０２°、５０３゛、５０４°をエツチングにより形成するため腐 食液に浸される。その後、ウェーハは再度酸化される。窒化物マスクが垂直方向 の溝の領域６０５ａが酸化されるのを防ぐので、窒化物を取り除くため、例えば ＳＦ＠ガス中でウェーハ表面全体をプラズマエツチングした後には、元のシリコ ン面が露出される。ウェーハは、例えばＫ　ＯＩ−１と水の中で、垂直方向の溝 が所望の深さになるまで、再度エツチングされる。

第５Ａ図に示される構造は、例えば、流量制限器を作成するのに用いてもよい。

そこでは、微小粒子を捕獲するために用いられる多くの極めて小さい溝が、ずっ と大きく深いフローチャンネルに接続している。既に指摘したように、標準的な コーナー補償技術のための十分なスペースはない。

本発明の他の実施例を示している第７ａ図、第７ｂ図の説明をする。第７ａ図は シリコンウェーハに特定の大きさの複数の孔が形成されたシリコンメツシュの上 面図である。

この構造は、水滴の噴霧器や別の流体粒子フィルタとして使用されてもよい。本 発明に従って、　（１００）ウェーハに、光学的な方法によって、その表面に第 ７Ａ図に示されるような複数の四角形の配列７０２ａがあるようなパターンが描 かれる。それから、ウェーハは、第７Ａ図、第７Ｂ図に示されるように、各々の 四角形７０２ａに対し、各々か逆ピラミッドの形をした孔７０２がエツチングに より形成されるまで、上面７０３からエツチングされる。前記ピラミッド構造７ ０２の側壁は、＜１１１＞面によって形成される。その後、酸化物がエツチング により形成された孔の表面を覆うように、ウェーハ全体を酸化する。それがら、 ウェーハの底面に、光学的リングラフィによって、エツチングにより形成された 孔７０２ａの配列全体と同じくらいに大きな四角形のウィンドウ７０４のパター ンが描かれる。

ウェーハは、第７Ｂ図に示されるように、再度裏側からエツチングされる。第７ Ｂ図に於いて、太線は、例えば熱的に生成されたシリコン酸化物のような、エツ チングマスクによって覆われたシリコン面を表す。エツチングは、第７Ｃ図に示 されるように、あらかじめ決められた深さに到達したとき終了し、エツチングマ スクが取り除かれた後には、きちんと決められた孔が残される。

この方法は、加速度計構造の製造に役立つように用いることもできる。前記加速 度計構造に於いては、典型的には、第８Ａ図、第８Ｂ図に示されるように、シリ コンのプロ・ツクか、狭い、または細い梁によって支持される他は、周囲を取り 囲むシリコン基板から分離されている。ウェー７１の上面図、第８Ａ図に於いて 、シリコンのブロック８０１は支持梁８０２．８０３によって支持されている。

第８Ｂ図は第８Ａ図のラインＣ−Ｃに沿った断面図である。ここで、上部のエツ チングは最初に適当なコーナー補償を用いて行うことができる。エツチングによ って形成された構造の表面を保護した後、下部のエツチングもまた、コーナー補 償を用いて実施される。下部のエツチングは上部の支持梁８０２．８０３の厚さ が適当な厚さになったときに終了する。

本発明は好適実施例によって説明されてきた。しかしながら、これらの実施例は 単なる例示であり、本発明の請求範囲を限定するものではない。この分野の当業 者にとっては、以下に明示される本発明の請求範囲、もしくは主旨からはずれる ことなく、数々の他の実施例に思い至ることは明白である。

例えば、第５Ａ図と第５Ｂ図に示されるような本発明の好適実施例と、第７Δ図 と第７Ｂ図に示されるような実施例の、どちらにおいても、各々のエツチングの 間で、前にエツチングによって形成された表面が適切なエツチングマスクによっ て保護されさえすれば、多重エツチングすることも可能である。また、前記適切 なエツチングマスクは、熱的に生成された二酸化シリコン、化学的に真空めっき されたシリコン窒化物、蒸発やスパッタリングにより形成されるクロムやクロム −金の層のような金属層、高濃度でドープされたボロン層のような拡散によって 形成されるエツチングストッパーでもよい。硝酸とフッ化水素酸の混合液や、６ フツ化硫黄のプラズマのような等方性の腐食液をエツチングのひとつに用いるこ とも可能である。ある特定のシリコンの方向に整列する必要が無い、等方的にエ ツチングされ形成される溝を最初にエツチングし、続いて、異方性エツチングを 行うことができる。本発明の請求範囲は以下に述べる請求範囲によってのみ、限 定される。

ＦＩＧ、ＩＢ ＦＩＧ、　２Ａ　ＦＩＧ、　２Ｂ ＦＩＧ、　３Ｃ ＦＩＧ、　５Ａ　ＦＩＧ、　５Ｂ

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．エッチング可能な基板に、少なくともひとつの外部コーナーを持つような３ 次元構造を形成する方法であって、前記外部コーナーが、第１の構造と第２の構 造のふたつの構造の交差によって形成されるように、前記構造を第１の構造と第 ２の構造へ分離する過程と、前記第１の構造をエッチングにより形成する過程と 、表面と、エッチングにより形成された前記第１の構造の基板上にエッチングマ スクを形成する過程と、前記基板上のエッチングマスク内に、前記第２の構造を 画定するウィンドウを開ける過程と、 前記第２の構造をエッチングにより形成する過程とを有し、前記外部コーナーを 得ることを特徴とする方法。
2. ２．前記第２の構造のためのウィンドウが、前記基板主面に於いて、前記エッチ ングにより形成された第一の構造の一方の端部を取り囲むことを特徴とする請求 項１に記載の方法。
3. ３．前記第１の構造が平行な溝のセットであって、前記第２の構造が前記平行な 溝のセットと垂直な溝であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. ４．前記第１と第２の溝の断面がＶ型であることを特徴とする請求項３に記載の 方法。
5. ５．前記溝のセットが前記第２の構造と比べより狭く、浅いことを特徴とする請 求項４に記載の方法。
6. ６．前記第１の構造のエッチング工程が、等方性エッチングを含むことを特徴と する請求項１に記載の方法。
7. ７．エッチング可能な基板に、少なくともひとつの外部コーナーを持つような３ 次元構造を形成する方法であって、前記外部コーナーが、第１の構造と第２の構 造のふたつの構造の交差によって形成されるように、前記構造を第１の構造と第 ２の構造へ分離する過程と、前記第２の構造を前記ウェーハの表面上にマスク層 として画定する過程と、 前記ウェーハの残りの部分を酸化する過程と、前記酸化物上へ前記第１の構造の パターンを描く過程と、前足第１の構造をエッチングにより形成する過程と、前 記エッチングにより形成された第１の構造の表面に酸化物を生成するため前記ウ ェーハを酸化する過程と、前記マスク層を取り除く過程と、 前記第２の構造をエッチングにより形成する過程とを有し、前記外部コーナーを 得ることを特徴とする方法。
8. ８．前記マスク層によって画定された前記第２の構造が、前記基板主面に於いて 、前記エッチングにより形成された第一の構造の一方の端部を取り囲むことを特 徴とする請求項７に記載の方法。
9. ９．前記第１の構造が平行な溝のセットであって、前記第２の構造が前記平行な 溝のセットと垂直な溝であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. １０．前記第１と第２の溝がＶ型であることを特徴とする請求項９に記載の方法 。
11. １１．前記満のセットのそれぞれが、前記第２の構造と比べより狭く、浅いこと を特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. １２．前記第１の構造のエッチング工程が、等方性エッチングを含むことを特徴 とする請求項７に記載の方法。
13. １３．前記マスク層の除去に、プラズマエッチングを用いることを特徴とする請 求項７に記載の方法。
14. １４．エッチング可能な基板に貫通孔を形成する方法であって、 前記貫通孔が、表側の構造と、裏側の構造のふたつの構造の交差によって形成さ れるように、前記表側の構造と、前記裏側の構造を決定する過程と、 前記表側の構造を前記基板の上面からのエッチングにより形成する過程と、 前記エッチングにより形成された表側の構造の表面と、前記基板の底面にエッチ ングマスクを形成する過程と、前記底面のマスクにウィンドウを開ける過程と、 前記ウィンドウによって画定された前記裏側の構造をエッチングにより形成する 過程とを有し、前記貫通孔を前記ふたつの構造の交差によって形成することを特 徴とする方法。
15. １５．前記表側の構造が、基板の４つの（１１１）結晶面によって表面が構成さ れる逆ピラミッド型をした孔であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. １６．前記表側の構造が、側面が基板の４つの（１１１）結晶面によって構成さ れる先端がカットされた逆ピラミッド型の孔であることを特徴とする請求項１４ に記載の方法。
17. １７．前記表側の構造が、榎数の孔の配列であり、前記裏側の構造が先端のカッ トされた逆ピラミッド型の大きな孔であり、前記複数の孔の配列と交差している ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
18. １８．エッチング工程の少なくともひとつが異方性エッチングであることを特徴 とする請求項１４に記載の方法。