(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹所を形成したシリコン基板を電解液に浸漬し、このシリコン基板の前記凹所に対応する裏面に光を照射しつつ、陽極とした前記シリコン基板と陰極電極との間に電流を流して、シリコン基板の前記凹所位置を選択的にエッチングして貫通孔を形成する光励起電解研磨法による貫通孔形成方法において、
シリコン基板に前記凹所を形成するに際して、四角形開口を持つマスクを上面に設けたシリコン基板の前記四角形開口部分に異方性エッチングを施して四角錐状凹所を形成した後、この四角錐状凹所に等方性エッチングを施して当該四角錐状凹所の稜線部分に丸みを持たせることを特徴とする光励起電解研磨法による貫通孔形成方法。
【請求項２】
表面に凹所を形成したシリコン基板を電解液に浸漬し、このシリコン基板の前記凹所に対応する裏面に光を照射しつつ、陽極とした前記シリコン基板と陰極電極との間に電流を流して、シリコン基板の前記凹所位置を選択的にエッチングして貫通孔を形成する光励起電解研磨法による貫通孔形成方法において、
シリコン基板に前記凹所を形成するに際して、四角形開口を持つマスクを上面に設けたシリコン基板の前記四角形開口部分に単に等方性のエッチング液によるエッチングを施して、稜線を持たずかつ前記四角形開口より広い凹所を形成することを特徴とする光励起電解研磨法による貫通孔形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明に属する技術分野】
この発明は、光励起電解研磨法によってシリコン基板に例えば貫通電極のための貫通孔を形成する貫通孔形成方法に関し、特に、内壁面にサイドブランチ等の生じない品質のよい貫通孔を形成することを可能にする光励起電解研磨法による貫通孔形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基板に高アスペクト比の貫通孔を形成する技術として光励起電解研磨法が知られている（J.Electrochem.Soc.,Vol.137,No.2,pp653-659参照）。この光励起電解研磨法による貫通孔形成方法を、図６に模式的示した光励起電解研磨装置１を参照して説明すると、表面２ａに予め凹所を形成したｎ型のシリコン基板２をＨＦ溶液からなる電解液３に浸漬し、このシリコン基板２の前記凹所に対応する裏面２ｂに光（光源を４で示す）を照射しつつ、陽極とした前記シリコン基板２と陰極電極５との間に電流（直流電源を６で示す）を流して、シリコン基板２の前記凹所位置を選択的にエッチングすることで、この凹所位置に貫通孔を形成するものである。７は赤外線吸収フィルタ、８は電解槽である。
【０００３】
従来は、シリコン基板２の表面２ａに予め形成する凹所として、図７、図８（イ）、（ロ）、（ハ）に示すように、先端（頂点）に向かう、シャープな角のついた４つの稜線９ａを持つ四角錐状の凹所９を形成していた。なお、この四角錐状凹所９は、シリコン基板２の上面のマスク１１に形成した四角形開口１１ａ部分に、ＫＯＨ等のエッチング液で異方性エッチングを施して形成する。なお、図示例では、酸化膜（シリコン酸化膜）１１ｂと窒化膜（シリコン窒化膜）とからなる２層のマスク１１が、シリコン基板２にＫＯＨによるエッチングで四角錐状凹所９を形成する際のマスクとして機能し、かつ光励起電解研磨装置１で貫通孔を形成する際のマスクとして機能する。また、マスク１１の四角形開口１１ａは、窒化膜１１ｂの上面にフォトレジストによるマスクパターンを形成し、エッチングして形成する。
【０００４】
光励起電解研磨法によりシリコン基板２の前記四角錐状凹所９部分に貫通孔を形成する原理を簡単に説明すると、図７に示すように、ｎ型のシリコン基板２の裏面に光４ａを照射すると、その光照射による励起でシリコン基板２の裏面で少数キャリア（正孔）が生成され、その少数キャリアが表面側の四角錐状凹所９の先端に集中することにより、四角錐状凹所９の先端のみが電気化学的にエッチングされ、そのエッチングが進行して貫通孔が形成される。
なお、シリコン基板２がＨＦ溶液中で電気化学的にエッチングされるのは、次の（１）、（２）、（３）の反応で生じる最終生成物Ｈ２ＳｉＦ６が水に可溶であることによる。
Ｓｉ＋２Ｆ−＋２ｈ＋→ＳｉＦ２ （１）
ＳｉＦ２＋２ＨＦ→ＳｉＦ４＋Ｈ２ （２）
ＳｉＦ４＋２ＨＦ→Ｈ２ＳｉＦ６ （３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように貫通孔をあける箇所に単なる四角錐状凹所９を形成する従来方法では、穿孔しようとする貫通孔の間隔の増大や貫通孔の分布密度の低下に伴って、図９に示すように、孔１０の内壁面にサイドブランチ２０や荒れが生じるという問題があった。すなわち、穿孔しようとする貫通孔の間隔が増大したり貫通孔の分布密度が低下すると、四角錐状凹所９に多量に集まる正孔（ホール）が、四角錐状凹所９の面に沿って均等に先端に向かうのでなく、シャープな角の稜線９ａに集中しこの稜線９ａに沿って四角錐状凹所９の先端に向かう移動が生じ易くなり、このため、稜線９ａ部分でエッチングが進行してサイドブランチ２０や荒れが発生したり、また、正孔の稜線9ａに沿う方向の移動の延長として、孔１０の内壁面にもサイドブランチ２０や荒れが発生して、品質のよい貫通孔が得られない場合があった。なお、サイドブランチ２０の発生した貫通孔に金属を充填して貫通電極を形成した場合、設計通りの性能の貫通電極が得られない。
【０００６】
本発明は上記従来の欠点を解消するためになされたもので、シリコン基板に貫通孔を形成する際に、孔内壁にサイドブランチ等が発生せず品質の良好な貫通孔をあけることが可能な光励起電解研磨法による貫通孔形成方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１の発明の光励起電解研磨法による貫通孔形成方法は、表面に凹所を形成したシリコン基板を電解液に浸漬し、このシリコン基板の前記凹所に対応する裏面に光を照射しつつ、陽極とした前記シリコン基板と陰極電極との間に電流を流して、シリコン基板の前記凹所位置を選択的にエッチングして貫通孔を形成する光励起電解研磨法による貫通孔形成方法において、
前記凹所を形成するに際して、四角形開口を持つマスクを上面に設けたシリコン基板の前記四角形開口部分に異方性エッチングを施して四角錐状凹所を形成した後、この四角錐状凹所に等方性エッチングを施して当該四角錐状凹所の稜線部分に丸みを持たせることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の貫通孔形成方法は、シリコン基板に前記凹所を形成するに際して、四角形開口を持つマスクを上面に設けたシリコン基板の前記四角形開口部分に単に等方性のエッチング液によるエッチングを施して、稜線を持たずかつ前記四角形開口より広い凹所を形成することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図６を参照して説明する。本発明の光励起電解研磨法による貫通孔形成方法は、基本的には図６で説明した方法で行なう。すなわち、表面２ａに凹所を形成したｎ型のシリコン基板２を電解液３に浸漬し、このシリコン基板２の前記凹所に対応する裏面２ｂに光（光源を４で示す）を照射しつつ、陽極とした前記シリコン基板２と陰極電極５との間に電流（直流電源を６で示す）を流して、シリコン基板２の前記凹所位置を選択的にエッチングすることで、この凹所位置に貫通孔を形成する。７は赤外線吸収フィルタ、８は電解槽である。また、凹所の形状を除けば、図７で説明した原理と基本的に同じである。
前記電解液３としては、例えば２．５ｗｔ％程度のＨＦ溶液を用いるとよい。
前記光源４としては、タングステンランプと水銀ランプとを組み合わせたものを用いることができる。
前記赤外線吸収フィルタ７は、シリコン基板２が加熱されないように、赤外成分をカットするために設けたもので、２００〜１０００ｎｍの波長帯の光を透過させる。
【００１０】
請求項１の貫通孔形成方法では、シリコン基板２の表面２ａに、貫通孔形成に必要な初期状態としての凹所を形成するに際して、まず、図１（イ）、（ロ）、（ハ）に示すように、四角形開口１１ａを持つマスク１１を上面に設けたシリコン基板２の前記四角形開口１１ａ部分に、ＫＯＨ等で異方性エッチングを施して四角錐状の凹所９を形成する。なお、図示例では、酸化膜（シリコン酸化膜）１１ｂと窒化膜（シリコン窒化膜）とからなる２層のマスク１１が、シリコン基板２にＫＯＨによるエッチングで四角錐状凹所９を形成する際のマスクとして機能し、かつ光励起電解研磨装置１で貫通孔を形成する際のマスクとして機能する。また、マスク１１の四角形開口１１ａは、窒化膜１１ｂの上面にフォトレジストによるマスクパターンを形成し、エッチングして形成する。
この段階では従来方法の図８と同じである。
しかし、請求項１の貫通孔形成方法では、さらに、この四角錐状凹所９にＨＦ（フッ酸）、ＨＮＯ３（硝酸）、酢酸混合液などのエッチング液で等方性エッチングを施して、当該四角錐状凹所９の稜線部分９ａに、図２（イ）、（ロ）、（ハ）に示すように丸みを持たせる。丸みを持たせた稜線部分を９’ａで示し、その丸み稜線四角錐状凹所を９’で示す。
【００１１】
上記の丸み稜線四角錐状凹所９’を持つシリコン基板２を図６の光励起電解研磨装置１により光励起電解研磨すると、図４に示すように、サイドブランチ等の生じない良質の貫通孔１０Ａを形成することができる。すなわち、図７で説明した通り、ｎ型のシリコン基板２の裏面に光４ａを照射すると、その光照射による励起でシリコン基板２の裏面で少数キャリア（正孔）が生成され、その正孔は丸み稜線四角錐状凹所9’の先端に向かうが、稜線9’ａが角のある稜線でなく丸みの付いたものなので、貫通孔の間隔が増大したり貫通孔の分布密度が低下しても、凹所９’に集まる多量の正孔が稜線9’ａ部分に集中することなく、凹所９’の面に沿って均等に移動して先端に集中する。したがって、従来のように稜線部分でエッチングが進行してサイドブランチや荒れが発生したり、また、正孔の稜線に沿う方向の移動の延長として、孔１０の内壁面にもサイドブランチや荒れが発生するという問題は発生せず、図３（ロ）のようにサイドブランチの生じない孔１０が形成され、この孔が裏面まで達して図４のようにサイドブランチ等のない良質の貫通孔１０Ａが形成される。
また、無用な部分をエッチングすることがないので、正孔の移動が孔の形成に有効に利用され、効率よく孔の形成が行なわれ、孔形成の速度も向上する。
【００１２】
上記のシリコン基板２の貫通孔１０Ａに溶融金属を充填する等して貫通電極とすると、サイドブランチに対応する突起部等のない良好な貫通電極を得ることができる。
【００１３】
図５に請求項２の発明の貫通孔形成方法の一実施形態を示す。この貫通孔形成方法では、シリコン基板２に、貫通孔形成に必要な初期状態としての凹所を形成するに際して、四角形開口１１ａを持つマスク１１を上面に設けたシリコン基板２の前記四角形開口１１ａ部分に、例えばＨＦ（フッ酸）、ＨＮＯ３（硝酸）、酢酸混合液などのエッチング液で等方性エッチングを施すと、四角錐状凹所とはならず、図示のように、マスク１１の下方にもエッチング（サイドエッチング）が及ぶとともに、稜線の生じない、四角形開口１１ａより広い凹所２９が形成される。
【００１４】
このような稜線のない底広凹所２９を形成したシリコン基板２を図６の光励起電解研磨装置１でエッチングすると、元々稜線がないので稜線に正孔が集中する問題は発生しない。この場合、凹所２９内での正孔集中の程度は緩やかなので、底面の中央付近のやや広い範囲でエッチングが始まるが、２点鎖線で示すように、やがてエッチングの範囲が徐々に狭まりかつ深まっていき、サイドブランチや荒れ等が発生しない孔１０が形成され、良質の貫通孔が形成される。
【００１５】
本発明は、半導体デバイスのシリコン基板に貫通電極のための貫通孔をあける場合に限らず、電子デバイスあるいは光デバイス等におけるシリコン基板に光励起電解研磨法により、サイドブランチ等の生じない良質の貫通孔をあける必要のある種々の場合に適用できる。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１の光励起電解研磨法による貫通孔形成方法によれば、初期状態として必要な凹所を形成するに際して、シリコン基板に異方性エッチングによる四角錐状凹所を形成した後、この四角錐状凹所に等方性エッチングを施して当該四角錐状凹所の稜線部分に丸みを持たせるので、光励起電解研磨装置でエッチングする際に正孔が稜線に集中することなく、均等に凹所の各面に沿って移動して先端に集中し、これによりサイドブランチ等の生じない貫通孔が形成される。
また、無用なエッチングが行なわれないので、効率的な孔加工が行なわれ、加工速度も向上する。
【００１７】
請求項２の貫通孔形成方法によれば、初期状態として必要な凹所を形成するに際して、シリコン基板に単に等方性エッチングを施して、稜線を持たずかつ四角形開口より広い凹所を形成するので、光励起電解研磨装置でエッチングする際に稜線に正孔が集中する問題は発生せず、底面の中央付近のやや広い範囲でエッチングが始まり徐々に狭まりかつ深まって小さな孔となり、サイドブランチ等の生じない良質の貫通孔が形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の一実施形態の貫通孔形成方法における最初の工程を説明するもので、（イ）はシリコン基板に異方性エッチングで形成した四角錐状の凹所の平面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ断面図、（ハ）は（ロ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図２】上記貫通孔形成方法における図１に続く工程を説明するもので、（イ）はシリコン基板の前記四角錐状の凹所に異方性エッチングを施して稜線に丸みを付けた段階の凹所の平面図、（ロ）は（イ）のＣ−Ｃ断面図、（ハ）は（ロ）のＤ−Ｄ断面図である。
【図３】上記貫通孔形成方法における図２に続く工程を説明するもので、（イ）はシリコン基板の凹所に光励起電解研磨法により貫通孔を形成する途中段階の凹所の平面図、（ロ）は（イ）のＥ−Ｅ断面図である。
【図４】上記貫通孔形成方法における図３（ロ）の孔あけが進行して完了した段階を示す断面図である。
【図５】請求項２の発明の一実施形態を説明するもので、（イ）はシリコン基板に形成した等方性エッチングによる凹所近傍の平面図、（ロ）は（イ）のＧ−Ｇ断面図である。
【図６】光励起電解研磨法による貫通孔形成方法を実施する一般的な光励起電解研磨装置の構成を示す模式図である。
【図７】光励起電解研磨法により、シリコン基板に設けた四角錐状凹所部分に貫通孔が形成される原理を説明する図である。
【図８】従来の光励起電解研磨法による貫通孔形成方法を説明するもので、（イ）はシリコン基板に異方性エッチングで形成した四角錐状凹所部分の平面図、（ロ）は（イ）のＨ−Ｈ断面図、（ハ）は（ロ）のＩ−Ｉ断面図である。
【図９】従来の貫通孔形成方法における図８に続く工程を説明すると同時にその問題点を示す図であり、（イ）はシリコン基板の四角錐状凹所に光励起電解研磨法により貫通孔を形成する途中段階の凹所の平面図、（ロ）は（イ）のＪ−Ｊ断面図である。
【符号の説明】
１  光励起電解研磨装置
２  シリコン基板
３  電解液
４  光源
５  陰極電極
６  直流電源
７  赤外線吸収フィルタ
８  電解槽
９  四角錐状凹所
９’  丸み稜線四角錐状凹所
９ａ  稜線
９’ａ  丸みの付いた稜線
１０  孔
１０Ａ  貫通孔
１１  マスク
１１ａ  四角形開口
２９  凹所（無稜線底広凹所）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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