(57)【要約】【課題】可動部とその可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法において、可動部と規制部の再接合による歩留まり低下を抑える。【解決手段】ウェハ１１，２１からなる可動構造体において、別部材３１との接合面の上方から見て、規制部１３，２３は露出しておらず、可動部１２，２２の一部分が露出している（図２（８））。規制部１３，２３の表面が改質されないようにウェハ２１及び別部材３１の接合面を表面改質して表面改質部分２７を形成する（図２（９））。ウェハ２１と別部材３１とを表面活性化接合させる（図２（１０））。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部と前記可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法において、
前記接合工程は、前記規制部の表面が改質されないように前記可動構造体及び前記別部材の接合面を表面改質した後に、前記可動構造体と前記別部材とを直接接合させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記接合工程において、前記表面改質をする方法として、指向性を有するエネルギーによって前記表面改質を行なうイオンガン方式又はＦＡＢ方式が用いられる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記接合工程において、前記表面改質として前記接合面に金属薄膜が形成され、前記表面活性化接合として原子拡散接合法が用いられる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記接合工程において、前記表面改質をする方法として、プラズマ照射によって前記表面改質を行なうプラズマ活性化接合法が用いられる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記可動構造体は、前記可動部が形成された基材と前記規制部が形成された基材とを犠牲層を介して貼り合わせるとともに前記可動部と前記規制部とを前記犠牲層を介して配置した後、前記可動部と前記規制部との間の犠牲層が除去されたものである請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記犠牲層はシリコン酸化膜又は樹脂である請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記可動構造体において、前記可動部はバルブを構成し、かつ前記規制部はシール部を構成し、
前記別部材はダイヤフラムを含むものであり、
前記可動構造体と前記別部材が接合されることによってマイクロポンプが形成される請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、可動部とその可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスにおいては半導体製造プロセスを用いて３次元構造を形成することでさまざまな特性を得ることができる。ＭＥＭＳデバイスの製造工程においては、ウェハ同士の接合工程や、部分的に膜を除去して構造体の一部分を可動状態にする犠牲層エッチング工程といったＭＥＭＳ特有の工程が適用されることもある。
【０００３】
例えば、マイクロ流体デバイスの中では、バルブ付きポンプは気泡耐性や流量特性が特によいため、さまざまな開発が行なわれている。バルブ付きのマイクロポンプの製造工程において、シリコンウェハ上にバルブ構造を形成したバルブ形成ウェハを２枚貼り合せ、その積層ウェハに密閉構造を形成するためのウェハをさらに１枚貼り合せる工程や、接合面のバルブ部分を犠牲層エッチングにより可動状態にするといった複雑な工程が必要とされる（例えば特許文献１を参照。）。
【０００４】
特許文献１には、バルブ付ポンプを形成する目的で、バルブ部分となる片持ち梁及びシール部となる開口パターンをウェハに形成し、同じ構造の２枚のウェハを向かい合わせて貼り合せした後、バルブ部分の界面にあるシリコン酸化膜層を除去してバルブを可動構造にすることが開示されている。
【０００５】
図６は、従来のマイクロポンプの製造工程の一例を説明するための概略的な断面図である。以下に説明する各工程のかっこ数字は図６中のかっこ数字に対応している。
【０００６】
（１）シリコンウェハ１１に、片持ち梁からなるバルブ１２、周囲に溝が設けられて形成された凸条のシール部１３、シール部１３の内側に配置された貫通孔からなる吸入口１４、及び、バルブ１２の下方に配置された吐出口１５を形成する。その後、シリコンウェハ１１の全面にシリコン酸化膜１６を形成する。
【０００７】
（２）シリコンウェハ１１と同一構造のシリコンウェハ１２を準備する。シリコンウェハ２１には、バルブ２２、シール部２３、吸入口２４、吐出口２５及びシリコン酸化膜２６が形成されている。ウェハ１１に対してウェハ２１を表裏逆転させて位置合せした後、直接接合（拡散接合とも呼ばれる）によって工程によりウェハ１１とウェハ２１を接合する。接合面でのシリコン酸化膜１６，２６は一体的に図示されている。
【０００８】
（３）接合後にウェハ２１の面を研磨加工し、所定の厚さまで薄化及び研磨面を鏡面加工する。
【０００９】
（４）湿式エッチングによってウェハ１１，２１の表面のシリコン酸化膜１６，２６を除去する。この際に、バルブ１２とシール部２３との間及びバルブ２２とシール部１３との間のシリコン酸化膜１６，２６が除去されるまでエッチングを継続する。これらの部分のシリコン酸化膜１６，２６が除去されることで、バルブ１２，２２は可動状態となり、バルブ構造として機能することとなる。
【００１０】
（５）ダイヤフラム３２及びチャンバ３３が形成されたシリコンウェハ３１をウェハ２１に直接接合によって接合する。これにより、ポンプ構造の完成となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図７に示されるように、バルブ２２とシール部１３の間隔はシリコン酸化膜１６，２６の２層分の厚みと同じである。図６を参照して説明した上記工程（４）のように湿式エッチングでシリコン酸化膜１６，２６を除去した場合には、乾燥時の表面張力や静電引力などによってバルブ２２とシール部１３が接触するスティクションが発生する虞がある。スティクションが発生したまま図６を参照して説明した上記工程（５）の直接接合工程を行なうと、バルブ２２とシール部１３は、再接合され、バルブ構造として機能しなくなるという問題があった。このような不具合はバルブ１２とシール部２３についても同様に起こりうる。このような不具合は歩留まりの低下を招く。
【００１２】
そこで、図６の工程（４）及び（５）に替えて、図８の工程（４’）及び（５’）に示されるように工程を変更し再接合を回避するということが考えられる。図８に示された工程では、工程（４’）に示されるように、ウェハ１１，２１が接合され、ウェハ２１に対する研磨が終わった状態で、表面にシリコン酸化膜３４が形成されたウェハ３１を直接接合によってウェハ２１に接合する。工程（５’）に示されるように、ポンプ構造が出来上がった段階で最終的にバルブ構造部のシリコン酸化膜１６，２６に対してエッチング処理を行なう。なお、このときシリコン酸化膜３４の一部分も除去される。
【００１３】
図８の（４’）に示されたバルブ構造においてチャンバ３３は閉鎖空間となっているため、工程（５’）で湿式のエッチングを行なうと、チャンバ３３内のエッチャントの置換が難しいという問題があった。したがって、一般的には置換性のよい気相によるエッチングを行なう必要がある。しかし、エッチングを気相で行えるような特殊な装置を別途保有しなければならないという問題があった。
【００１４】
上記のような問題は、マイクロポンプの製造方法に限らず、可動部（例えばバルブ）と、可動部の可動範囲を規制する規制部（例えばシール部）とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法において起こりうる。
【００１５】
本発明は、可動部とその可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法において、可動部と規制部の再接合による歩留まり低下を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、可動部と前記可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法であって、上記接合工程は、上記規制部の表面が改質されないように上記可動構造体の上記接合面を表面改質した後に、上記可動構造体と上記別部材とを直接接合させることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の半導体装置の製造方法は、規制部の表面が改質されないように可動構造体の別部材との接合面を表面改質した後に、可動構造体と別部材とを直接接合させるので、常温又は低温で可動構造体と別部材とを接合できる。したがって、本発明の半導体装置の製造方法は、可動構造体と別部材とを接合する接合工程において可動部と規制部の再結合を防止でき、可動部と規制部の再接合による歩留まり低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】半導体装置の製造方法の一実施例を説明するための概略的な断面図である。
【図２】図１の続きの工程を説明するための概略的な断面図である。
【図３】表面改質装置の概略構成図である。
【図４】図４は、表面改質を説明するための模式図である。
【図５】マイクロバルブの動作を説明するための概略的な断面図である。
【図６】従来のマイクロポンプの製造工程の一例を説明するための概略的な断面図である。
【図７】マイクロポンプにおけるバルブとシール部の間隔を説明するための概略的な断面図である。
【図８】従来のマイクロポンプの製造工程の他の例を説明するための概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１及び図２は、半導体装置の製造方法の一実施例を説明するための概略的な断面図である。以下に説明する各工程のかっこ数字は図１及び図２中のかっこ数字に対応している。
【００２０】
（１）単結晶シリコンウェハ１１の表面に、シリコンに対するエッチング選択性の高い２層のマスク材４１，４２を形成する。マスク材４１，４２は半導体プロセスを用いてそれぞれパターニングされている。ウェハ１１の厚みは例えば４００〜６２５μｍ（マイクロメートル）である。マスク材４１は例えば膜厚が０.１〜１.０μｍのシリコン酸化膜である。マスク材４２は例えば膜厚が０.１〜０.３μｍのシリコン窒化膜である。ただし、マスク材４１，４２の材料は、シリコンとのエッチング選択比が見込め、エッチングマスクとして耐えうるものであれば、どのような材料であってもよい。
【００２１】
（２）アルカリ性溶液を用いた単結晶シリコンの結晶異方性エッチングが行なわれる。この結晶異方性エッチングには一般的なアルカリ性薬液（例えばＫＯＨ、ＴＭＡＨ等）が用いられる。マスク材４１，４２が開口された箇所のウェハ１１が結晶異方性エッチングされる。これにより、吸入口１４及び吐出口１５が形成される。このときのエッチング深さは、次の工程で形成されるバルブ１２の厚み寸法にシール部１３周囲の溝深さ寸法を加えた寸法を残すよう制御される。ここでの吸入口１４及び吐出口１５の深さは例えば３００〜６０５μｍである。
【００２２】
（３）例えば熱リン酸等を用いてマスク材４２を選択的に除去する。ウェハ１１に対してマスク材４１を用いて結晶異方性エッチングを行なう。これによりバルブ１２（可動部）及びシール部１３（規制部）が形成される。また、このエッチングにおいて、吸入口１４及び吐出口１５に対して追加エッチングが施され、吸入口１４及び吐出口１５はウェハ１１の表面から裏面へそれぞれ連通する。バルブ１２の厚みは例えば１０〜５０μｍである。シール部１３の周囲の溝深さは例えば１０〜５０μｍである。
【００２３】
（４）例えばフッ酸等を用いてマスク材４１を選択的に除去する。ウェハ１１に対して洗浄工程を行なう。
【００２４】
（５）ウェハ１１の全面に熱酸化によってシリコン酸化膜１６（犠牲層）を形成する。シリコン酸化膜１６の膜厚は例えば０.１〜１.０μｍである。この実施例においては、ウェハ１１の全面にシリコン酸化膜１６を形成しているが、シリコン酸化膜１６は後述するウェハ２１との接合面に少なくとも形成されていればよい。例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などによって接合面側にのみシリコン酸化膜１６を形成してもよい。シリコン酸化膜１６は、バルブ１２及びシール部１３においては後工程で除去される犠牲層としての役割をもつ。
【００２５】
（６）上記工程（１）〜（５）と同じ工程で形成されたシリコンウェハ２１を準備する。シリコンウェハ２１には、バルブ２２、シール部２３、吸入口２４、吐出口２５及びシリコン酸化膜２６（犠牲層）が形成されている。ウェハ１１に対してウェハ２１を表裏逆転させて位置合せした後、直接接合によって工程によってウェハ１１とウェハ２１を接合する。接合面でのシリコン酸化膜１６，２６は一体的に図示されている。なお、ウェハ１１，２１のうち一方のウェハ、例えばウェハ２１についてシリコン酸化膜２６は形成されていなくてもよい。
【００２６】
（７）ウェハ２１のウェハ１１とは反対側の面を研磨加工し、ウェハ２１を所定の厚さまで薄化及び研磨面を鏡面加工する。研磨後のウェハ２１の厚みは例えば５０〜２００μｍである。
【００２７】
（８）湿式エッチングによってウェハ１１，２１の表面のシリコン酸化膜１６，２６を除去する。この際に、バルブ１２とシール部２３との間及びバルブ２２とシール部１３との間のシリコン酸化膜１６，２６が除去されるまでエッチングを継続する。これらの部分のシリコン酸化膜１６，２６が除去されることで、バルブ１２，２２は可動状態となり、バルブ構造として機能することとなる。バルブ１２，２２の可動範囲はシール部２３，１３によって規制される
【００２８】
（９）ウェハ２１に対して、後述するウェハ３１との接合面を表面改質して表面改質部分２７を形成する。
【００２９】
図３は、表面改質装置の概略構成図である。図４は、表面改質を説明するための模式図である。この実施例では表面改質方法としてイオンガン方式での説明を行なうが、指向性を持つエネルギー源により表面改質を行なうことができれば他手法でもよい。
【００３０】
図３に示されるように、チャンバ５１内を高真空に保った後に、ステージ５２にウェハ１１，２１が積層されたウェハを配置し、ステージ５３にウェハ３１を配置する。ウェハ１１，２１が積層されたウェハは、ウェハ１１がステージ５２側になるようにしてステージ５２に配置される。ウェハ３１は後述するダイヤフラム３２及びチャンバ３３が形成されているものである。
【００３１】
イオンビーム源５４から発生したイオンビーム５５をウェハ２１及びウェハ３１に照射することでウェハ２１及びウェハ３１の表面を改質させる。これにより、ウェハ２１，３１同士を接触させるだけで高温処理することなく直接接合（表面活性化接合）を行なうことができる。
【００３２】
この実施例のように、ウェハ２１の表面に構造体が形成されている場合、イオンビーム５５のように指向性を持って照射されるエネルギーでは、図５に示されるように、バルブ２２の裏面のように遮光される箇所は表面改質されず、イオンビーム５５の照射される表層部のみが改質されて表面改質部分２７が形成される。
【００３３】
ウェハ１１，２１が積層されたウェハにおいて、ウェハ３１との接合面の上方から見て、シール部１３は露出しておらず、また、バルブ２２においてシール部１３と接触する部分も露出していない。したがって、シール部１３及びこれと接触するバルブ２１部分の表面は改質されない。このように、指向性を持つエネルギー源により表面改質を行なうことにより、接合領域を選択的に決定することができる。
【００３４】
（１０）ダイヤフラム３２及びチャンバ３３が形成されたシリコンウェハ３１をウェハ２１に接合する。ダイヤフラム３２の厚みは例えば２０〜１００μｍである。チャンバ３３の深さは例えば５〜５０μｍである。上記工程（９）でそれぞれの接合面が表面改質されたウェハ２１，３１は常温で互いに接合する。したがって、バルブ２２とシール部１３の再接合、及びバルブ１２とシール部２３の再結合は起こらない。これにより、バルブ構造部の再接合による歩留まり低下を抑えることができる。なお、図２（１０）において、表面改質部分２７及びシリコンウェハ３１の表面改質部分について図示は省略されている。
【００３５】
図５は、マイクロバルブの動作を説明するための概略的な断面図である。図５と図２（１０）を参照してマイクロバルブの動作を説明する。
【００３６】
図２（１０）は平時の状態を示している。図５（Ａ）はポンプ内への流体の引き込み動作時の構造を示している。ダイヤフラム３２を上方向に引き上げることでチャンバ３３の容積が増大する。チャンバ３３内の圧力が負圧となるため、バルブ２２がチャンバ３３内外の圧力差により上方向に変形し、吸入口１４及び吐出口２５を介してチャンバ３３内に流体が引き込まれる。このとき、バルブ１２は上方向にシール部２３があるために変形することができない。したがって、チャンバ３３への流体の引き込みはバルブ２２及びシール部１３を対としたバルブ構造側からのみとなる。
【００３７】
図５（Ｂ）はポンプ内の流体を押し出す動作時の構造を示している。ダイヤフラム３２を下方向に押し込むことにより、チャンバ３３内の流体を押し出すこととなる。チャンバ３３内の圧力が陽圧となるため、バルブ１２が下方向に変形し、吸入口２４及び吐出口１５を介してチャンバ３３内から流体が吐出される。このとき、バルブ２２はシール部１３により押し止められるので、チャンバ３３からの流体の吐出はバルブ１２及びシール部２３を対としたバルブ構造側からのみとなる。
【００３８】
このように吸い上げと吐出が一方向のみに行われるために効率的な送液が可能となっている。
なお、ダイヤフラム３２を変形させる方法としては、例えば圧電素子、静電駆動、空圧制御などが用いられる。
【００３９】
以上、本発明の実施例を説明したが、上記実施例での数値、材料、配置、個数等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【００４０】
例えば、上記実施例においてウェハ１１，２１，３１のうち少なくとも１つについてＳＯＩウェハが用いられてもよい。ＳＯＩウェハを用いたバルブ及びシート部の形成方法は例えば特許文献１に開示されている。
【００４１】
また、上記実施例では、ウェハ２１の表面改質をする方法としてイオンガン方式が用いられているが、本発明の半導体装置の製造方法において、可動構造体及び別部材の接合面を表面改質する方法は、規制部の表面が改質されないように当該接合面を表面改質できる方法であれば、どのような方法であってもよい。
【００４２】
例えば、指向性を有するエネルギーによって表面改質を行なう方法として、イオンガン方式に替えて、ＦＡＢ（Fast Atom Beam）方式が用いられてもよい。これにより、可動構造体と別部材とを常温で接合できる。
【００４３】
また、表面改質としての方法として、上記接合面に金属薄膜が形成され、表面活性化接合として原子拡散接合法が用いられてもよい。これにより、可動構造体と別部材とを常温で接合できる。
【００４４】
また、表面改質としての方法として、プラズマ照射によって表面改質を行なうプラズマ活性化接合法が用いられてもよい。これにより、可動構造体と別部材とを２００℃程度の低温で接合できる。
【００４５】
なお、本発明の半導体装置の製造方法において、可動構造体及び別部材の接合面の表面改質処理は、常温又は低温で可動構造体及び別部材を接合可能な程度に接合面を改質でき、かつ、規制部の表面が改質されない程度の処理条件で行なわれる。
本発明に適用可能な表面活性化法による常温接合方法は、例えば特許文献２に開示されている。
【００４６】
また、上記実施例では、表面改質処理が施されるウェハ１１，２１の積層構造体（可動構造体）は、バルブ１２（可動部）及びシール部１３（規制部）が形成されたウェハ１１（基材）とバルブ２２（可動部）及びシール部２３（規制部）が形成されたウェハ２１（基材）とをシリコン酸化膜１６，２６（犠牲層）を介して貼り合わされたものである。バルブ１２（可動部）とシール部２３（規制部）はシリコン酸化膜１６，２６（犠牲層）犠牲層を介して配置され、バルブ２２（可動部）とシール部１３（規制部）はシリコン酸化膜１６，２６（犠牲層）犠牲層を介して配置される。その後、可動部と規制部との間の犠牲層が除去されて、可動部が可動状態にされる。本発明の半導体装置の製造方法で用いられる可動構造体は、このようにして可動部が可動状態にされた可動構造体に限定されず、可動部と前記可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体であれば、どのような構造であってもよい。
【００４７】
また、上記実施例では、上記犠牲層としてシリコン酸化膜１６，２６が用いられているが、上記犠牲層は他の材料、例えばポリイミドや接着剤などの樹脂であってもよい。
【００４８】
上記実施例ではマイクロポンプの製造方法に本発明の半導体装置の製造方法が適用されているが、本発明はマイクロポンプの製造方法に限定されない。本発明の半導体装置の製造方法は、可動部と前記可動部の可動範囲を規制する規制部とを有する可動構造体に別部材を接合する接合工程を含む半導体装置の製造方法に適用できる。例えば、加速度センサやジャイロセンサ、シリコンマイク、圧力センサなどのＭＥＭＳデバイスの製造方法に半導体装置の製造方法を適用できる。
【００４９】
また、上記実施例では、ウェハ１１，２１の積層構造体（可動構造体）において、ウェハ３１（別部材）との接合面の上方から見てバルブ２２（可動部）の一部分が露出しているが、半導体装置の製造方法において、可動部は接合面に露出していなくてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１１，２１  シリコンウェハ（可動構造体）
１２，２１  バルブ（可動部）
１３，２３  シール部（規制部）
１６，２６  シリコン酸化膜（犠牲層）
２７  表面改質部分
３１  シリコンウェハ（別部材）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５１】
【特許文献１】特表２０００−５１０５４８号公報
【特許文献２】特開２００８−６２２６７号公報
【図１】
2014058010.tif 000003
【図２】
2014058010.tif 000004
【図３】
2014058010.tif 000005
【図４】
2014058010.tif 000006
【図５】
2014058010.tif 000007
【図６】
2014058010.tif 000008
【図７】
2014058010.tif 000009
【図８】
2014058010.tif 000010