(57)【要約】【課題】低コストで、大口径のシリコン基板内での均一な寸法の穴加工が可能であり、かつ、アスペクト比の大きい穴加工が可能なシリコン基板への垂直穴加工方法を提供する【解決手段】アルカリ性溶液による異方性エッチングを利用したシリコン基板への垂直穴加工において、結晶面方位が｛２１１｝であるシリコン基板を用い、穴の開口部が正方形もしくは長方形であり、穴の側壁の結晶面方位が｛１１１｝および｛１１０｝から成ることを特徴とするシリコン基板への垂直穴加工方法であり、異方性エッチングの前に、穴の開口部の一部を予め穴加工し、該加工部分のシリコンを除去しておくことを特徴とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ性溶液による異方性エッチングを利用したシリコン基板への垂直穴加工において、結晶面方位が｛２１１｝であるシリコン基板を用い、穴の開口部が正方形もしくは長方形であり、穴の側壁の結晶面方位が｛１１１｝および｛１１０｝から成ることを特徴とするシリコン基板への垂直穴加工方法。
【請求項２】
前記アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に、開口部の一部を予め穴加工し、該予め穴加工した部分のシリコンを除去しておくことを特徴とする請求項１に記載のシリコン基板への垂直穴加工方法。
【請求項３】
前記アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工するパタ−ンの形状が、結晶面方位｛２１１｝面上において正方形、長方形、三角形、Ｌ字形のいずれか、もしくはその組合せであり、予め穴加工するパタ−ンの１辺が前記開口部の側壁の結晶面方位が｛１１１｝となる２辺の各辺で少なくとも一部を共通していることを特徴とする請求項２に記載のシリコン基板への垂直穴加工方法。
【請求項４】
前記アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工しておくのに、ドライエッチング加工もしくはレ−ザビ−ム加工もしくは放電加工を用いることを特徴とする請求項２もしくは３に記載のシリコン基板への垂直穴加工方法。
【請求項５】
前記アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工しておくのに、異方性エッチングに用いるアルカリ性溶液中でレ−ザ光を開口部に垂直照射することを特徴とする請求項２もしくは３に記載のシリコン基板への垂直穴加工方法。
【請求項６】
前記アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に、開口部の少なくとも一部に予めレ−ザ光を垂直に照射し、照射部分のシリコンの結晶構造を変質させておくことを特徴とする請求項１に記載のシリコン基板への垂直穴加工方法。
【請求項７】
前記異方性エッチングに用いるアルカリ性溶液がイソプロピルアルコ−ルとアルカリ水溶液の混合液であることを特徴とする請求項１ないし６に記載のシリコン基板への垂直穴加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板への垂直穴加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基板は半導体や光通信の素材としてはもとより、優れた加工性、強度、物性を有するため、シリコン基板に微細加工を行い、圧力センサ−、加速度センサ−等のマイクロマシン、インクジェットプリンタ−のノズル、Ｘ線露光用マスクや電子線投影露光用マスク、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）の部材等の様々な分野で用いられている。シリコン基板は、単結晶のシリコンインゴットを所定の結晶面方位に切断し、研削やポリッシング等の工程を経て製造される。上記の様々な分野の製品を製造するには、シリコン結晶に微細加工技術や成膜技術等の加工技術を用いるが、各種の加工技術の中でも、シリコン基板に垂直穴加工する技術が基本的に共通する技術として重要性が高い。
【０００３】
従来、シリコン基板への穴加工方法としては、以下のような技術が知られている。その方法の一つは、シリコン基板上にフォトレジスト、シリコン酸化膜等からなるシリコンエッチング時のマスク層を形成した後、プラズマドライエッチング加工によって垂直な穴を形成する方法である。また、別な方法として、シリコン基板の表面の結晶面方位が｛１００｝あるいは｛１１０｝の基板上に、フォトレジスト、シリコン酸化膜等からなるマスク層を形成した後、エッチング速度が面方位に依存するアルカリ性のエッチング液を用いてウエットエッチング加工し、穴を形成する方法がある。さらに、ドライエッチングとウエットエッチングを組合せた方法もある。上記の方法を用いた例として、特許文献１や特許文献２が例示される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１１４７９号公報
【特許文献２】
特開平１０−１０７０６号公報
【０００５】
しかし、上記の従来技術には、次のような問題があった。プラズマドライエッチングによる方法は、数１００μｍの厚さを有するシリコン層の加工面全域をドライエッチングのみで穴加工するには時間がかかりコスト高になるという問題と、穴加工部分の開口率によって、エッチング速度とその基板面内分布が変化するため、大口径のシリコン基板内で均一な寸法の穴加工を行なうことが困難であるという問題があった。さらに、穴加工した側壁の平坦性や垂直性が低いことも問題であった。また、結晶面方位が｛１００｝あるいは｛１１０｝のシリコン基板にアルカリ性エッチング液を用いる方法は、側壁の平坦性は高いものの、穴の深さ方向にエッチング加工されるのと同時に、開口が広がる横方向にもエッチングが進行し、穴が深くなるほど穴の先端は狭くなるので、予め開口部を大きくする必要があり、アスペクト比（開口寸法に対する深さ寸法の比）の大きい穴加工が不可能であるという問題があつた。そのため、シリコンを垂直に穴加工する微細加工技術が求められていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明はこのような問題点を解消するためになされたものである。その目的は、低コストで、大口径のシリコン基板内での均一な寸法の穴加工が可能であり、かつ、アスペクト比の大きい穴加工が可能なシリコン基板への垂直穴加工方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、アルカリ性溶液による異方性エッチングを利用したシリコン基板への垂直穴加工において、結晶面方位が｛２１１｝であるシリコン基板を用い、穴の開口部が正方形もしくは長方形であり、穴の側壁の結晶面方位が｛１１１｝および｛１１０｝から成ることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に、開口部の一部を予め穴加工し、該予め穴加工した部分のシリコンを除去しておくことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工するパタ−ンの形状が、結晶面方位｛２１１｝面上において正方形、長方形、三角形、Ｌ字形のいずれか、もしくはその組合せであり、予め穴加工するパタ−ンの１辺が前記開口部の側壁の結晶面方位が｛１１１｝となる２辺の各辺で少なくとも一部を共通していることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工しておくのに、ドライエッチング加工もしくはレ−ザビ−ム加工を用いることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に予め穴加工しておくのに、異方性エッチングに用いるアルカリ性溶液中でレ−ザ光を開口部に垂直照射することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項６の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に、開口部の少なくとも一部に予めレ−ザ光を垂直に照射し、照射部分のシリコンの結晶構造を変質させておくことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項７の発明に係わるシリコン基板への垂直穴加工方法は、異方性エッチングに用いるアルカリ性溶液がイソプロピルアルコ−ルとアルカリ水溶液の混合液であることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、表面の結晶面方位が｛２１１｝であるシリコン基板を用い、穴の側壁面が｛１１１｝および｛１１０｝となるような正方形もしくは長方形の開口のマスクパタ−ンを形成し、｛１１１｝、｛１１０｝面のエッチング速度が遅くなる条件下でアルカリ性溶液によるエッチングを行なうことによって、側壁の４面が｛１１１｝と｛１１０｝からなる正方形もしくは長方形の垂直穴が形成される加工方法である。以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は本発明のシリコン基板への垂直穴加工を説明する平面模式図である。表面の結晶面方位が｛２１１｝であるシリコン基板１に、穴の側壁面が｛１１１｝および｛１１０｝となるような正方形もしくは長方形の開口のマスクパタ−ン２を形成する。図１では、マスクパタ−ン２の対向する２つの｛１１１｝面側の辺に接して、予め穴加工する部分として長方形部分３を設け、ドライエッチング等の方法で予め穴加工し、２つの長方形部分のシリコン層をエッチングして取り除く。
【００１６】
次に、長方形部分３のシリコンを除去した後、イソプロピルアルコ−ル（ＩＰＡ）とアルカリ水溶液の混合液から成るアルカリ性溶液を用いて、２つの長方形部分３の間のシリコン層をウエットエツチングする。ＩＰＡは｛１１０｝面のエッチング速度を低下させる効果を有し、本発明者はＩＰＡを３０％含むアルカリ水溶液がエッチングの制御が容易で、｛２１１｝面のウエットエッチングに好適であることを見出したものである。
【００１７】
図２は表面の結晶面方位｛２１１｝のシリコン基板に、アルカリ性溶液を用いてウエットエッチングした時に、底面に斜めに現われる面方位を示す状態を説明する断面図である。面方位｛１１１｝は｛２１１｝面に対して角度１９°で現われ、面方位｛１１０｝は角度５５°で現われる。開口部の〈１１０〉方向の２辺では、｛１１１｝面でアルカリ性溶液によるウエットエッチングは停止する。開口部の〈１１１〉方向の２辺では、基板に対して垂直に｛１１０｝面が現われる。したがって、図１に示すように、開口部の側壁が｛１１１｝面となる２辺に接したシリコン層部分を予めドライエッチング等の手段で除去するか、少なくともその一部のシリコン層を除去しておけば、その部分からウエットエッチングが進行し、シリコン層が除去され、マスクパタ−ン２に相当する垂直穴が形成される。
【００１８】
したがって、予め穴加工する部分のパタ−ンの形状として、正方形、長方形、三角形、Ｌ字形のいずれか、もしくはその組合せを用いることができる。例えば、マスクパタ−ン開口部２を用いた場合でも、図３（ａ）あるいは図３（ｂ）に示すようなパタ−ン形状の予め穴加工する部分４、５も用いることができる。予め穴加工する部分の寸法は、そのパタ−ン形状の最も小さいの辺の値がシリコン層厚さに対して、アスペクト比で１０以下であれば十分に垂直穴加工が可能である。
【００１９】
穴の側壁が｛１１１｝面となる辺の少なくとも一部を予め穴加工する方法としては、プラズマドライエッチング加工、レ−ザビ−ム加工、機械加工、放電加工が用いられるが、シリコン基板に衝撃を与えず微細加工性に優れている点から、プラズマドライエッチング加工またはレ−ザビ−ム加工または放電加工がより好ましい。
【００２０】
また、予め穴加工する他の方法として、ウエットエッチング中にレ−ザ光を垂直照射してエッチングを促進することによって、底面に斜めに｛１１１｝および｛１１０｝面が形成されることによる垂直方向のエッチングの停止を防止し、アスペクト比の大きい垂直穴加工を行なうことも可能である。レ−ザ光としては、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレ−ザを用い、パワ−密度０．５〜２ＭＷ／ｃｍ２　でパルスエネルギ−０．１〜０．４Ｊが例示できる。
【００２１】
また、アルカリ性溶液による異方性エッチングの前に、開口部の少なくとも一部に予めレ−ザ光を垂直に照射し、照射部分のシリコンの単結晶構造を破壊し変質させておくことにより、照射部分をエッチング液に可溶とすることも可能である。レ−ザ光を予め照射する部分は、照射部分が前記開口部の結晶面方位が｛１１１｝となる辺と少なくとも一部を共通していればよいが、開口部全面に照射しておいてもよい。レ−ザ光としては、前述と同じく、Ｎｄ：ＹＡＧレ−ザを用い、パワ−密度０．５〜２ＭＷ／ｃｍ２　でパルスエネルギ−０．１〜０．４Ｊが例示できる。
【００２２】
なお、本発明でシリコン基板の垂直穴加工とは、シリコン層部分に正方形もしくは長方形の垂直の貫通穴を設けることを意味するが、必ずしもそれに限定される訳ではなく、所望する用途により設計に基づいてシリコン層の途中段階の深さで止めた垂直穴も含めるものである。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。図４およびそれに続く図５は、本発明のシリコン基板への垂直穴加工方法を示す部分的な断面模式図である。図６およびそれに続く図７は、図４および図５の平面模式図である。
【００２４】
図４（ａ）、図６（ａ）に示すように、被加工物として、直径１５０ｍｍ、結晶面方位｛２１１｝で厚さ６２５μｍのシリコン層７、厚さ１μｍのシリコン酸化膜８、その上の２０μｍのシリコン層９より成るＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板６を用意した。
【００２５】
上記のＳＯＩ基板６の表面を、硫酸と過酸化水素の混合水溶液（９７％硫酸と３０％過酸化水素水を体積比４：１で混合）に１０分間浸漬、超純水で１０分間リンス、１％フッ化水素酸水溶液に１分間浸漬、超純水で１０分間リンス、８０℃に加熱した塩酸と過酸化水素の混合水溶液（３５％塩酸と３０％過酸化水素水と超純水を体積比で１：１：６で混合）に１０分間浸漬、超純水で１０分間リンス、１％フッ化水素酸水溶液に１分間浸漬、超純水で１０分間リンスという工程を通して、シリコン表面の汚染物（金属、有機物、微粒子）と自然酸化膜を除去した。
【００２６】
次に、ＬＰＣＶＤ装置を用いて、原料ガスとしてジクロルシラン（ＳｉＨ２　Ｃｌ２　）アンモニア（ＮＨ３　）をそれぞれ７５ｓｃｃｍと１５０ｓｃｃｍ、圧力１００Ｐａ，温度８００℃の条件で、ＳＯＩ基板６の両面に厚さ０．２μｍのシリコン窒化膜（Ｓｉ３　Ｎ４　）を形成した。
【００２７】
次に、ＬＰＣＶＤ装置を用いて、原料ガスとしてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）と酸素をそれぞれ７５ｓｃｃｍと１０ｓｃｃｍ、圧力４０Ｐａ，温度６５０℃の条件で、図４（ｂ）、図６（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板両面のシリコン窒化膜１０の上に、厚さ０．２μｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２　）１１を形成した。
【００２８】
次に、基板の被加工面となるシリコン層７の一面側のシリコン酸化膜１１上に、厚さ１μｍのフォトレジスト膜を形成した。具体的には、基板にポジ型フォトレジスト（クラリアント社製ＡＺ−５２０６Ｅ）をスピン塗布後、ホットプレ−トにて１２０℃、９０秒のプリベ−クを行った。
【００２９】
次に、開口部の辺の方向がシリコン基板の〈１１１〉、〈１１０〉方位と一致するように、シリコン基板のオリエンテ−ションフラットを基準に位置合わせを行なった後、フォトリソグラフィ法により、図４（ｃ）、図６（ｃ）に示すように、垂直穴加工する開口部レジストパタ−ン１２（開口部１ｍｍ×１ｍｍ）を基板上に多数個形成した。現像は所定の現像液（東京応化工業社製ＮＭＤ−３）で行ない、ホットプレ−トで１２０℃、９０秒のポストベ−クを行なった。
【００３０】
次に、緩衝フッ酸（ステラケミファ社製ＬＡＬ１０００）に２．５分間浸漬することによって、レジストパタ−ン１２の開口部の露出しているシリコン酸化膜１１をエッチング除去し、図４（ｄ），図６（ｄ）に示すように、シリコン窒化膜１０を露出させた。
【００３１】
次に、アセトンで１０分間、イソプロピルアルコ−ルで１０分間、超純水で１０分間超音波洗浄して、フォトレジストを除去した。
【００３２】
次に、加熱燐酸水溶液に浸漬し、図４（ｅ）、図６（ｅ）に示すように、シリコン酸化膜の開口部のシリコン窒化膜をエツチング除去した。エッチング液である加熱燐酸水溶液は、温度を１５４℃の一定に制御し、常に沸騰している状態を保ち、超純水を少量滴下して燐酸濃度を８５％の一定に保った。シリコン窒化膜に開口部を形成した後、水洗、乾燥した。
【００３３】
次に、シリコン層の異方性エッチングの前に、予め開口部の一部を穴加工し、その穴加工部分のシリコンを除去しておくために、再びポジ型フォトレジスト（クラリアント社製ＡＺ−５２０６Ｅ）を塗布し、フォトリソグラフィによりレジストパタ−ンを形成した。本実施例では、図５（ｆ）、図７（ｆ）に示すように、開口部の側壁が｛１１１｝面となる２辺に接して長方形（１ｍｍ×７０μｍ）の予め穴加工するレジストパタ−ン１５を形成した。
【００３４】
次に、ＩＣＰプラズマドライエッチング装置を用いて、フォトレジストから露出したシリコン層７をドライエッチングした。具体的には、圧力を３．５Ｐａに調整したチャンバ−のＩＣＰコイルに１３．５６ＭＨｚの高周波を５００Ｗ印加してプラズマを生成し、プロセスガスとして六フッ化硫黄（ＳＦ６　）１００ｓｃｃｍとパ−フルオロシクロブタン（Ｃ４　Ｆ８　）１００ｓｃｃｍを１０秒毎に切り替えて供給してエッチングすることによって、シリコン層７に垂直な穴加工を行ない、図５（ｇ）、図７（ｇ）に示すように、ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜８に達する６２５μｍの深さまで予め穴加工した部分１６を形成した。
【００３５】
次に、ＩＣＰプラズマエッチング装置を用いて、図５（ｈ）、図７（ｈ）に示すように、表面のフォトレジストを除去した。圧力、印加周波数は前述の条件と同じで、プロセスガスとして酸素を１００ｓｃｃｍ供給した。
【００３６】
次に、開口部の予め穴加工した部分１６の間にあるシリコンを、アルカリ性溶液でエッチングして、図５（ｉ）、図７（ｉ）に示すように、垂直穴１８を形成した基板２０を形成した。エッチング液にはＩＰＡを３０重量％添加した水酸化カリウム水溶液（２０重量％）を用い、６０℃でエッチングした。シリコン層のエッチングは、ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜８に達する６２５μｍの深さまで行なった。
【００３７】
こうして加工したＳＯＩ基板の穴加工した断面を走査型電子顕微鏡で測定した。その結果、設計値通りのほぼ１ｍｍ×１ｍｍで深さ６２５μｍの穴が垂直に形成されていることが確認された。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低コストで大口径のシリコン基板内での均一な寸法の穴加工が可能であり、かつ、アスペクト比の大きい穴加工が得られる。それゆえ、マイクロマシンや電子線投影露光用マスク等、シリコンに微細な垂直穴を設ける各種製品に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコン基板への垂直穴加工を説明する平面模式図
【図２】エッチング時に現われる面方位を示す状態を説明する断面図
【図３】本発明で予め穴加工するのに用いられるパタ−ンの他の例
【図４】本発明のシリコン基板への垂直穴加工方法を示す断面模式図
【図５】図４に続く本発明のシリコン基板への垂直穴加工方法を示す断面模式図
【図６】図４の平面模式図
【図７】図５の平面模式図
【符号の説明】
１　シリコン基板
２　マスクパタ−ン開口部
３、４、５予め穴加工する部分
６　ＳＯＩ基板
７、９　シリコン層
８　シリコン酸化膜
１０　シリコン窒化膜
１１　シリコン酸化膜
１２　開口部レジストパタ−ン
１３　開口部を設けたシリコン酸化膜
１４　開口部を設けたシリコン窒化膜
１５　予め穴加工するレジストパタ−ン
１６　予め穴加工された部分
１７、１９　エッチングされたシリコン層
１８　垂直穴
２０　垂直穴加工されたＳＯＩ基板
【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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