JPH08181103A

JPH08181103A - 半導体基板の電解エッチング方法

Info

Publication number: JPH08181103A
Application number: JP32423394A
Authority: JP
Inventors: Makoto Uchiyama; 誠内山; Hidetomo Nojiri; 秀智野尻; Yasukazu Iwasaki; 靖和岩崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1996-07-12
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: JP3186482B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】複数の基板を安定に制御性良く効率的に処理で
きる半導体基板の電解エッチング方法を提供する。【構成】電解層４中は攪拌翼５を挿入した攪拌流動部と
円筒隔壁１で境した電解モニタチャネル２とから構成さ
れ、後者の外周壁面にルギン管１６を設けた半導体基板
７と、内周壁面に対電極６が壁面と同一傾斜で互に平行
に設けてある。基板７の電解エッチング面は流路側に向
けてある。可変モータ１１で回転制御される攪拌翼５に
よってエッチング溶液１７は隔壁１と整流壁１８、整流
底１２で構成される流路をψ方向に下方から上方に流動
する。ルギン管１６によりモニタされる基板７の電解エ
ッチング面と比較電極１４間の電位が所望値になるよう
に、ポテンショスタットにより半導体基板７と対電極６
との間に電圧を印加しつつ基板の電解エッチングを行な
う。槽４，１９内のエッチング溶液は温度調節器１０、
センサ２１、ヒータ２７により温度調節される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、板状半導体基板を湿式
電解エッチングする方法に係り、特に、複数の基板を安
定に制御性良く効率的に処理することのできる半導体基
板の電解エッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板の電解エッチングの従来の方
法としては、例えば図11に示すような装置を用いた方法
がある(Journal of Electrochemical Society,Vol.177,
p.959(1970)記載)。ここで、電解槽４、比較電極槽19に
はエッチング液17が満たされており、電解槽４中には半
導体基板と対電極６とが、また、比較電極槽19中には比
較電極19が設けられてあり、電解槽４と比較電極槽19と
は塩橋15とルギン管16によって結合されており、両槽間
のイオン伝導が可能になっている。また、半導体基板７
と対電極６及び比較電極14には外部リード線が接続され
ており、外部リード線９の他端は槽外に設けたポテンシ
ョスタット８に接続されている。なお、半導体基板７
は、その裏面に蒸着等によって形成した金属電極13を介
して外部リード線９に接続されている。また、電解槽４
中のエッチング液17は、必要に応じてプレート型ヒータ
27によって加熱し、さらに、マグネットスターラー26に
よって機械的に撹拌する。

【０００３】しかしながら、このような電解エッチング
方法においては、縦置きの半導体基板７に対する水平方
向の撹拌では、エッチングすべき半導体基板面に作用す
るエッチング液の流動を均一に再現性良く効率的に制御
することができないため、電解エッチングを制御性良く
高効率にコントロールすることができないという問題点
がある上、複数枚基板の同時処理の際に各基板に対して
作用する流動を同一に保つことが極めて困難であるとい
う問題点があった。

【０００４】この状況は基板面積が大きくなればなるほ
ど顕著となり、例えばシリコン半導体製の加速度センサ
の製造の際に、２インチ径のシリコン半導体基板を用い
た場合に処理後の歩留まりが約90％以上であるのに対
し、３インチ径の基板を用いた場合には約50％、５イン
チ径(エッチング実効面積４インチ径で、５×７mmの素
子が約400個)の基板を用いた場合には約10％(約15％で
２インチでの歩留まり90％に相当)と低下し、基板の大
型化を図った利点が発揮されないばかりでなく、装置
費、運転費を増加させてしかも実収量が低下する結果に
なる場合がある。つまり、図11に示したような装置で
は、一枚処理の装置においても流動制御性に問題があっ
て改良が必要であり、このことは基板面積が大きくなる
ほど顕著となる。従って、複数基板を安定にしかも制御
性良く同時処理をする装置として適した装置ではない。
また、エッチングすべき半導体基板面におけるエッチン
グ溶液の流動を自然対流によって形成することも可能で
はある。しかし、上記のマグネットスターラーによる機
械的撹拌よりも流動が不均一で再現性に乏しく、流動制
御の汎用性がなく、したがって、電解エッチングを行う
半導体基板の大型化は勿論のこと、複数枚の半導体基板
の同時処理化は極めて困難である。

【０００５】基板の大型化、複数化を図らない限り、一
般に処理能率が低いことは言うまでもない。例えば、シ
リコン半導体製の加速度センサなどを製造する際に、シ
リコン基板の厚さ方向に貫通させるような電解エッチン
グが必要となり、例えば厚さ600μmの標準的シリコン基
板(５インチ径)を塩基性エッチング溶液としては最も高
速度のエッチング速度を有するものの一つである約100
％抱水ヒドラジン(エッチングの操作温度は95℃、安全
性を考慮するとほぼ上限の温度)を用いて、貫通させる
ような電解エッチングを行なう場合、約180分を要する
ことになる(例えば、TRANSDUCER 87,pp.112‐115 記
載、p 型シリコンの電解エッチング速度は最大で約2.2
μm/分)。従って、月産数十枚で製造するとした場合、
一枚ごとの処理でこれをこなすには、エッチング工程に
おける基板の着脱、洗浄、溶液準備等の付随する前後処
理を除いた正味のエッチングだけで、合計数十〜数百時
間という長い処理時間が必要となる。さらに、その前後
の処理時間工数を処理枚数にほぼ比例してかけなければ
ならない。従って、基板の大型化、複数化を図らない限
り、大量処理は実現できない。

【０００６】さらに、約100％抱水ヒドラジンは高温で
は不安定で引火の危険性(引火点74.4℃(例えば、日本カ
ーバイト工業株式会社化学品事業部資料“ヒドラジン水
溶液の安全性について”1990 2.26 記載))があるため、
その操作温度を下げることが望ましいが、本発明者等の
実測では、５インチシリコン基板のエッチング所要時間
が、95℃操作で約３時間が80℃操作で約５時間、70℃操
作では約7.5時間となり、処理能率が極めて悪くなる。
従って、高効率の低温操作実現のためにも、基板の大型
化、複数化を図ることが不可欠である。

【０００７】流動制御の困難性に関しては、電気化学的
精密計測に用いられる微小寸法の試料に対して行う回転
リングディスクやチャネルフロー測定装置(例えば、新
編電気化学測定法電気化学協会編研友社 (1988))など
の極めて小型のビーカー試験以下の装置ではいざ知ら
ず、中、大型の一般の流動槽内での流動の制御の困難性
(例えば、化学工学便覧、1305頁〜、「撹拌および混
合」の章、(丸善) 昭和53年参照)に起因しており、現時
点での工学的知見によれば、図11に示される構成によっ
て形成される流動では、制御性良くコントロールできな
いと考えられる。さらに、図11の装置に対向する複数枚
の平行平板を挿入して、それらの平板により形成される
各領域部の流動状態を水平方向の撹拌によって同一にす
ることの困難性はさらに高いと考えられる。これらの困
難性は、基板面内及び基板間のエッチングの不均一性
(エッチングムラ)を生じさせ、製造歩留まりを著しく低
下させて、効率の良い製造を不可能にすることになる。
また、このような一枚処理の装置を処理枚数に応じて多
数並列に設置することが極めて効率が悪いものであるこ
とは言うまでもない。

【０００８】また、エッチング反応の発生に伴って、半
導体基板の被エッチング部分から激しく発泡が生じる。
系の違いによって種々の異なる種類の気体が発生する
が、この発泡現象は、電解系、非電解系を問わず、酸
系、塩基系を問わず、また、処理基板の種類を問わず、
殆どのエッチング反応においてみられるものである。適
切な流動状態にしないと、この気泡群の処理基板表面か
らの速やかな離脱が行なわれないことがあり、処理部分
の加工精度、加工面の平坦性を低下させることになる。
エッチング処理をする部分が微細である場合や、エッチ
ングすべき深さが幅の寸法に対して大きい場合に特に問
題となる。発泡現象を考慮して改良した装置として P2
‐281823 のようなものもあるが、多数枚の処理、大型
基板の処理用とするには、装置断面が大きくなり、か
つ、中心部と外辺部との流速の偏差が大きくなるなどか
ら不向きである。

【０００９】特に、アンモニア水系の場合のようにエッ
チング液の流動がそのエッチング性に顕著に影響を与え
る系については、電解エッチングを安定した大量生産に
結びつけるためには、液流動の制御が不可欠である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】半導体基板の湿式電解
エッチングについて、従来技術は以上述べてきたような
種々の問題点を有していた。

【００１１】本発明の目的は、上記従来技術の有してい
た課題を解決して、１枚ないし複数の基板を安定に制御
性良く効率的に処理することのできる半導体基板の電解
エッチング方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体基板
(ウエハ)と、該半導体基板に対向して設けた対電極とを
有し、上記半導体基板と上記対電極との間に電圧を印加
しながら上記半導体基板のエッチングを行う湿式電解エ
ッチング方法において、上記半導体基板をその一部とし
て構成した壁面と上記対電極をその一部として構成した
壁面とをほぼ平行に保持し、上記半導体基板をその一部
として構成した上記壁面と上記対電極をその一部として
構成した上記壁面とで流動領域(チャネル部)を形成し、
該流動領域におけるエッチング液の流動が、上記半導体
基板をその一部として構成した上記壁面あるいは上記対
電極をその一部として構成した上記壁面とほぼ平行な一
方向の流動からなることを特徴とする半導体基板の電解
エッチング方法とすることによって達成することができ
る。

【００１３】また、上記の半導体基板の電解エッチング
方法において、同一槽内に設けられてエッチング液の流
動を生じさせる流動発生部と、上記半導体基板と平行に
対向した平板とで構成した部分とを、隔壁を介して連結
した構成とした装置を用いること、同一流路内に、エッ
チング液の流動を生じさせる流動発生部と、半導体基板
とほぼ平行に対向した平板とで構成した部分とを連結し
た構成とすること、上記流動発生部の強度を制御するこ
とによって、上記半導体基板とほぼ平行に対向した平板
とで構成した部分の上記流動領域部(チャネル部)におけ
るエッチング液の流動状態を制御すること、複数の同一
形状のチャネル部を設けて、複数の半導体基板の同時処
理を可能にすること、少なくとも１枚の半導体基板電位
をモニタし、その結果に基いて他の半導体基板と対電極
との間に印加する電圧を制御することにより、複数の半
導体基板を一括して処理すること、上記半導体基板とほ
ぼ平行に保たれた対電極とからなるチャネル部が鉛直か
ら傾いていること、上記半導体基板とほぼ平行に保たれ
た対電極とからなるチャネル部での主なる流動が上記基
板面と平行な上方流れであること、流路底部が電解槽の
ほぼ中心に頂点を有する二つの下に曲率を有する曲面状
(逆アップル形状)からなっていることによってさらに優
れた効果を挙げることができる。

【００１４】

【作用】本発明の半導体基板の電解エッチング方法の作
用については、下記の実施例において説明する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の半導体基板の電解エッチング
方法について実施例によって具体的に説明する。

【００１６】

【実施例１】本発明方法の一実施例について、図１、図
２(図１のａ‐ａ'断面)によって説明する。まず、構成
について説明すると、電解槽４中に、撹拌翼５を挿入し
た撹拌流動部と、円筒隔壁１を境として電解モニタチャ
ネル２とが構成されており、電解モニタチャネル２の外
周壁面にルギン管16を設定した一枚の半導体基板７、内
周壁面に対電極６が壁面と同一の傾きで互いに平行に設
けてある。エッチングすべき半導体基板７の電解エッチ
ング面は流路側に向けてある。６、７はその取付け態様
においては治具等が壁面より若干突起する場合もある
が、本発明の効果を阻害するものではない。すなわち、
本発明は、前述したような電気化学計測に用いられる突
起をなくして行われる回転ディスク電極、チャネルフロ
ー電極等の精密な電気化学的メカニズムを検討するため
の装置でなく、大量に安価にかつ製造歩留まりを高位に
保ちつつ半導体基板等に対して電気化学的エッチングを
可能とする工夫である。エッチング溶液の撹拌流動は、
可変モータ11によって撹拌速度を制御する撹拌翼５によ
って発生させ、該エッチング溶液17は、隔壁１、整流壁
18、整流底12によって構成される流路を図中Ψで示した
方向に流動する。従って、撹拌翼５(例えば、プロペラ
状)を所望の回転方向にモータ11で回転させることによ
って、エッチング液17が下方から上方に流動を起すこと
になり、該溶液は半導体基板７と対電極６との間隙を上
方流れで通過する。また、溶液の流動を回転流から上下
方向の整流にするためにはバッフル(整流板：回転流を
推進流に変えるもの)の設置が有効であり、流路に適宜
設けることによって均一な上方流れを実現することがで
きる。例えば、円筒隔壁１の内部にバッフルを構成して
も良い。

【００１７】また、平行に対向させた半導体基板７と対
電極６の対は、上方が外側に開くように若干傾斜させ、
しかも、半導体基板７を対電極６よりもより外縁に設置
した方が、電解エッチングで発生する気泡の処理基板表
面からの離脱を速やかにすることに効果のある場合の多
いことが確認されている。例えば、上記の抱水ヒドラジ
ンの系で、鉛直から約10°傾斜させただけで、離泡状態
が鉛直の場合よりも大幅に改善される。

【００１８】モニタチャネル２における電気化学的コン
トロールは、ルギン管16によってモニタされる半導体基
板７の被電解エッチング面と比較電極14との間の電位が
所望の値になるように、ポテンショスタット８を用い
て、半導体基板７の被電解エッチング面と対電極６との
間の電位を制御して電解エッチングを行なう。

【００１９】槽４、19内のエッチング溶液17は、必要に
応じて、温度コントローラ10、温度センサ21及びヒータ
27によってそれぞれ所望の温度に保つ。

【００２０】なお、上記構成の装置は、上記例で示した
作用電極、比較電極及び対電極から構成されるいわゆる
３極法ばかりでなく、比較電極を用いない２極法、さら
には、半導体の作用電極の一伝導型領域(例えば、ｎ型)
を残し例えばｐ型のみを選択的にエッチングする場合に
両伝導型それぞれにバイアス制御を行なう３極法、２極
法及び４極法にも適応可能であることは言うまでもな
い。

【００２１】次に、本発明方法の作用について、以下に
説明する。安定した電解処理を実現するためには、電気
化学的制御と溶液流動の制御とが必要である(例えば、
電気化学便覧(第４版)第５章(1985年)記載)。図１及び
２に示した装置では、同一形状の平行に対向した処理基
板７と対電極６とからなるチャネル２を円筒隔壁１と撹
拌翼５とからなる撹拌流動部の外部に配置してあるた
め、コンパクトな構造の電解エッチング装置となるばか
りでなく、チャネル内でエッチング溶液を上方流れで制
御性良く流動させることができる。従って、基板被処理
面に対して上方への一方向流れが形成され、しかも、上
方流れの線速度を撹拌翼の回転数によって容易に制御す
ることができる。これによって、制御因子としての物性
値に変化があっても(すなわち、扱う系を変えた場合あ
るいは処理条件を変えた場合でも)、設定装置寸法ある
いは形状によって多少の制約はあるものの、容易に、汎
用的にしかもフレキシブルに対応できることになる。一
方向の流路Ψを形成するための要件としてもう一つ重要
であるのは、隔壁の上端から液面までの距離、いわゆる
“堰高”をほぼチャネル相当直径にとることである。ま
た、そのこによって本装置は二重槽構造の溢流タイプ型
とは根本的に異なることになる。

【００２２】図12は、図１の装置をアンモニア水系に適
用したときの、撹拌速度とチャネル中心における鉛直方
向の溶液線速度との関係を示した図である(ここで、２
の断面の相当直径87.5mm(但し電極間距離α＝40mm、チ
ャネル幅β＝150mm)、三枚プロペラ型撹拌翼の翼径80m
m、翼傾斜角度８°、撹拌流動発生部断面直径150mm)。
また、図13は、図１の装置を用いてアンモニア水系の電
解エッチングを行なった時の、チャネル中心における線
速度とパッシベーションポテンシャル(エッチングの止
まる電位)、オープンサーキットポテンシャル(自然電
位)との関係を示した図である。これは、実効で直径100
mmのシリコン半導体ウエハに対して行なったものであ
り、本例のような、線速度がパッシベーションポテンシ
ャル、オープンサーキットポテンシャルに対して顕著に
影響を与える系においては、上記構成の装置によっての
み、その流動条件を制御可能な因子としてとらえ得るこ
とを示したものである。例えば、チャネル中心部の線速
度約８cm/secに保つことが安定的に可能であれば、Ｎ型
基板上のＰ型領域を選択的にエッチングするためには、
例えば−0.8V の電位に保てばよい。本例で言えば、安
全を見込んで、約500〜800rpmで操作すれば、安定した
エッチングが実現できることになる。しかし、その流動
制御が経時的に変動したり、基板面内で分布を持って、
例えば約11cm/sec以上の線速度になったりすると、Ｐ型
にもパッシベーション膜が生成し、エッチングが停止し
てしまう。このときに生成するパッシベーション膜は、
一旦生成すると、たとえ逆バイアスをかけて再溶解を試
みても溶解不可能であり、そのエッチングは失敗に終わ
るか、もしくは、極めて歩留まりの悪い結果となる。こ
のように、アンモニア水系の例で示したように、その流
動速度がエッチング特性を変化させる系においては、本
発明の方法によって、所望の選択電解エッチング条件を
容易に決定することができ、さらに、その線速度を一定
にする操作が可能となり、Ｐ、Ｎ型の選択エッチングを
行なうことができる。

【００２３】チャネル内の流動分布に関しては、チャネ
ル寸法が、電極間距離α＝40mm、チャネル幅β＝150mm
(相当直径が87.5mm)の場合を考えてみることにする。90
℃ヒドラジン一水和物100％溶液系で中心部での流速が
８cm/secの場合のレイノルズ数 Re が約20000(乱流で速
度均一化が層流域よりも均一化されている)となること
から、円管の場合で半径 r 方向の線流速 u の分布は、
半径を r_max、中心部の最大線流速を u_maxとすると、Pr
andtl の1/7乗法則((P)式)で近似される(例えば、化学
工学便覧(改訂五版)117〜118頁(丸善))。

【００２４】 u/u_max＝ (１− r/r_max)^1/7 （Ｐ）この関係を図１４に示す。この場合、ウエハの前部の有
効線流速分布は約８〜７cm/secとなり、実効流速分布は
中心部の20％以内と考えられる。式(p)は円管近似であ
るため割り引いて考えなければならないが、本例の場合
その間隔が極めて小さい平行平板間の流動矩形路でない
ことを考えると、アナロジー的には十分適用可能と考え
られる。このように、本実施例で用いた装置で、大口径
ウエハでも半径方向に分布の少ない一方向流れを実現す
ることができる。例えば、半導体加速度センサの形成に
おいて、厚さ450μm、実効で直径100mmのシリコン半導
体ウエハに対して、厚さ10μmのＮ型の片持ち梁(図15)
を数百個形成した場合ついての例を示す。製品の梁厚仕
様を10±0.4μm(今まで最も優れた例では、３インチウ
エハに圧力センサを形成し、±４％以上のダイヤフラム
分布を得ている(IEE Trans. Electron Devices Vol.36
pp.663‐669 (1989)))とした場合の歩留まり90％以上で
形成可能な結果となっている。

【００２５】また、さらに、処理基板の寸法の変化に対
応した適切な装置設計が容易になるという効果もある。
例えば、図12のデータを採集した寸法の図１の装置によ
る流動データは実効直径約150mm(チャネル幅β＝150mm)
の基板までそのまま有用である(但し、その流面におけ
る流速分布が大となることが許容される系において)。

【００２６】さらに、例えばチャネル幅をさらに大きく
した場合の線速度対撹拌速度のデータは容易に予測可能
で、所望の線速度に対して撹拌器の性能条件範囲を設定
することができる。

【００２７】ここに述べた撹拌翼以外でも、ある型の撹
拌翼を用いた場合は、撹拌翼径、各系、各設定条件下に
おいて、撹拌翼回転数に応じて吐出流量が決まることに
なる。従って、図２で示した以外の小径の基板を用いた
小型実験装置による実験によって系特有の定数及びエッ
チング特性を測定しておけば、より大きな径の基板処理
用の製造装置が容易に設計できることになる。つまり、
小型基板を対象とした装置で基礎データを採集する。す
なわち、撹拌翼径とほぼ同一で少し大きめの内径で定型
の撹拌翼を挿入設定した円筒隔壁と、処理基板の寸法に
よってあまり影響されないエッチング因子、例えば処理
基板と対電極の最適間隔値、処理基板形状、寸法に対応
した最適形状、寸法等から設定される寸法、形状の処理
チャネルとを、その底面同士をその各々の連結部断面積
が円筒隔壁の横断面積よりも著しく小さくならないよう
に連結した小型実験装置を用いて、撹拌翼回転数とそれ
に対応したチャネル内の流動特性値、例えば線速度を測
定しておく。さらに、同装置を用いて流動特性等の因子
とエッチング特性との相関の基礎データを測定し、所望
のエッチングが実現される流動条件を決定し、その条件
を大型装置で実現するように設計すれば良い。

【００２８】図12の測定に用いた装置を例に実例を示す
と、装置サイズの流動に与える影響については、例えば (ピッチ)＝(翼長)、 0.2＜(翼長)/(槽径)＜0.33、 (翼径)＝(翼の取付け高さ) の三枚プロペラ型撹拌翼を用いた邪魔板付き撹拌槽の吐
出流量 q は下式の形の定量化式で得られることが知ら
れている。

【００２９】q ＝ A・n・d³(d/D)^B (1) (例えば、化学工学便覧(改訂五版)893‐895頁、特に表2
0.2 (丸善)(昭和63年)記載。ここで、A、B は系特有の
定数、n は撹拌翼回転数、d は撹拌翼径、D は槽径)。
このように、撹拌翼径、槽径を設定すれば、各系におい
て、撹拌翼回転数に応じて吐出流量が決まる。また、こ
の式から、翼径、槽径比(d/D)を一定、撹拌回転数を一
定にすれば、吐出流量は撹拌翼径の約３乗に比例するこ
とになる。

【００３０】例えば、５インチ半導体基板対応の d_a ＝
８cmの小型装置 a(図12のデータを採取した装置)を用
いて採取したデータを使って８インチ半導体基板対応の
装置a と相似形の装置 b を設計するためには、以下の
ようにすればよい。すなわち、いま、仮に、アンモニア
水系70℃、1.2w％で、装置 a によって線速度12cm/sec
(回転数 950rpm)が所望のエッチング操作であることが
判明しており、装置ｂでもその操作点を実現したい場
合には、装置ｂの翼径 d_bを10cmと想定し、（d_b/d_a）³ ≒２であることから、図12から装置 b の撹拌回転数として 950/2 ≒ 480rpm を目安とすればよく、撹拌翼径が10cmとなるように装置
a と三次元的に拡大した相似形装置に撹拌回転数制御
範囲が低速域となる撹拌器を設置すれば、８インチ基板
のエッチングが可能となる。

【００３１】さらに、多数枚装置の設計もほぼどうよう
にすることができる。つまり、一チャネルで最適流動条
件を得れば、増やしたいチャネル数に応じた吐出流量の
流動を円筒流路内で生じるように円筒流路径、撹拌翼径
を大きくすればよい。つまり、流路径と翼径比、翼形状
を同一にしたままであれば、上記(1)式を適用すること
ができ、チャネルを m 個有する装置においての吐出流
量をｑ_m、翼径をｄ_m、１チャネルの場合のそれぞれを
ｑ₁、ｄ₁とすれば、ｑ_m＝Ａ・ｎ_m・(ｄ_m)³(一定値)^B (1') ｑ₁＝Ａ・ｎ₁・(ｄ₁)³(一定値)^B (1'') となり、いま、ｎ_m＝ｎ₁と仮定すればｑ_m/ｑ₁＝ｍ＝(ｄ_m/ｄ₁)³ (2) から、ｄ_m＝ｄ₁/３(log ｍ)となり、大きくすべ
き翼径ｄ_mは容易に求まり、装置の設計ができることに
なる。この求めたｄ_mが実際上大きすぎるようであれ
ば、回転数ｎにより調整できることは言うまでもない。

【００３２】

【実施例２】本発明方法の他の実施例について、図３及
び図４によって説明する。なお、図４は図３の b‐b 断
面を示す。まず、用いた装置の構成について説明する
と、電解槽４中に電解モニタチャネル２が構成されてお
り、該電解モニタチャネル２の外周壁面にルギン管16を
設置した１枚の半導体基板７、対壁面に対電極６が壁面
と同一傾きで互いに平行に構成されている。当然のこと
ながら、半導体基板の被電解エッチング面は流路側に向
けられている。

【００３３】電解モニタチャネル２内のエッチング液の
流動は、所望の吐出流量で運転される循環ポンプ23によ
って惹起される。エッチング溶液は、循環管24と電解モ
ニタチャネル２とから構成される流路を図中Ψで示した
一方向に流動し、半導体基板７と対電極６との間隙を上
方流れで通過する。なお、上方への流動は層流域内で行
なうことが望ましいことが多い。また、バッフル(整流
板)22は、流動を上下方向に整流するのに有効であり、
これを流路に適宜設けることは均一な上方流れの実現に
寄与することになる。

【００３４】また、エッチング溶液タンク28は、溶液の
温度がチャネル２におけるエッチングに所望の温度にな
るように、温度コントローラ10、ヒータ20、温度センサ
21によって溶液温度を制御する役割と、エッチング時に
発泡するガスと溶液中の溶存酸素を置換し電気化学的に
安定化させるために溶液中に混入させる窒素ガスの余剰
分とを徒に循環させないようにするためのガスのトラッ
プ用の役割とを果たすものである。

【００３５】ここで、平行に対向した半導体基板７と対
電極６との対は、上方が外側に開くように若干傾斜させ
て設置した方が、電解エッチングにおいて発生する気泡
の処理基板表面からの離脱を速やかにすることに効果の
ある場合が多いことが確認されている。上記した抱水ヒ
ドラジンの系では、鉛直から約10°傾斜させただけで、
鉛直に設置したときに比べて、離泡状態を大幅に改善す
ることができる。

【００３６】また、同一チャネルに複数の半導体基板７
と対電極６との対を縦方向に設けることによって、装置
をよりコンパクト化することができる。

【００３７】なお、モニタチャネル２における電気化学
的コントロールは、図１の場合とほぼ同様である。つま
り、ルギン管16によってモニタされる半導体基板７の被
電解エッチング面の電位と比較電極14との間の電位が所
望の値になるように、ポテンショスタット８を用いて、
半導体基板７の被電解エッチング面と対電極６の間の電
位をコントロールして電解エッチングを行なう。なお、
28を大きくすることでエッチング溶液量を大量にするこ
とが可能であり、１回の液チャージで大量の処理が可能
となるばかりでなく、１回のエッチングでの液の疲労が
少なく、経時的に安定した処理が可能となる。装置を図
１、２、３、４で示した構成とすることにより、制御性
良く安定したエッチングが可能になるばかりでなく、処
理基板の大型化にも速やかに的確に対応することが可能
となる。

【００３８】

【実施例３】本発明方法のさらに他の実施例について、
図５及び図６によって説明する。図６は図５のＡ‐Ａ'
断面である。まず、構成について説明すると、電解槽４
中に円筒隔壁１が構成されており、ルギン管16を設けた
１つのモニタチャネル２及び７で全８個の電解チャネル
３が同心円上に当間隔に設けられている、半導体基板８
枚を処理する装置の例である。各チャネルは同一寸法、
同一位置に構成されており、チャネル外周壁面に半導体
基板７、内周壁面に対電極６が壁面と同一の傾きで互い
に平行に構成されている。ここで、当然のことながら、
半導体基板７の被電解エッチング面は流路側に向けられ
ている。なお、電解チャネル数は、ほぼシンメトリーに
構成されていれば２個以上任意に設定することができ
る。

【００３９】撹拌流動は、可変モータ11によって撹拌速
度をコントロールされる撹拌翼５によって惹き起され
る。エッチング溶液17は、整流壁18及び整流底12によっ
て構成される流路を図中のΨで示した一方向に流動す
る。従って、撹拌翼５は、例えばプロペラ状のもので、
所望の回転方向にモータ11で回転させることにより下方
から上方に液の流動を起すことになり、エッチング溶液
17は半導体基板７と対電極６との間隙を上方流れで通過
する。なお、上方への流動は層流域内で行なうことが望
ましく、チャネル内の水平の合計断面積とこれを除いた
電解槽の水平の断面積とがほぼ等しいことが流動制御上
有利である。また、バッフル(整流板)は流動を上下方向
に整流することに有効であり、流路内に適宜設けること
が均一な上方流れの実現に寄与することになる。例え
ば、円筒隔壁１の内部にバッフルを構成してもよい。

【００４０】なお、本例では、いわゆる逆アップル形状
のボトム、流線形状の円筒隔壁面、電解槽４の内壁面を
示したが、これに限らず所望の形状にすれば良く、最も
シンプルな形状である鉛直円筒状の外壁面、内壁面をそ
れぞれ用いても効果があることは言うまでもない。た
だ、平行に対向した半導体基板７と対電極６の対は上方
が外側に開くように若干傾斜させ、しかも半導体基板７
を対電極よりもより外縁に設置した方が電解エッチング
で発生する気泡の処理基板表面からの離脱を速やかにす
ることが確かめられている。上述の抱水ヒドラジンの系
では、鉛直から約10°傾斜させただけで、鉛直に設置し
たときよりも離泡状態が大幅に改善される。

【００４１】また、同一チャネルに複数の半導体基板７
と対電極６との対を縦方向に設けることによって、装置
をよりコンパクト化することができる。また、上記例に
おいては、各電解チャネル３が整流底12、整流壁18で相
互に隔絶された例を示したが、隔壁を設けることなく、
円筒隔壁１の外壁面、電解槽４の内壁面の形成する間隙
部にそれぞれ半導体基板７と対電極６の対を設置しても
良い。その場合、各対の間の中間に法線方向に整流板を
設けると、安定した上昇流れを形成させ易い。

【００４２】モニタチャネル２における電気化学的コン
トロールは、図１の場合とほぼ同様である。すなわち、
ルギン管16によってモニタされる半導体基板７の被電解
エッチング面の電位と比較電極14との間の電位が所望の
値になるように、ポテンショスタット８を用いて、半導
体基板７の被電解エッチング面と対電極６との間の電位
をコントロールして電解エッチングを行なう。モニタチ
ャネル２においてなされる半導体基板の被電解エッチン
グ面と対電極との間の電位のコントロールが、ポテンシ
ョスタット８によって、残りの全チャネルに対してもな
されつつエッチングが行なわれることになる。つまり、
同一構造、寸法の基板に対して行なう同一溶液を用いた
エッチング操作においては、電位制御と流動性御とによ
って、そのエッチングが決定される。本例によれば、各
チャネルにおける流動が同一となっているため、モニタ
チャネルにおいてなされる電位コントロールと同一の電
位コントロールを他の基板にも施せば、２におけるエッ
チングと同様のエッチングが全数の基板について行なわ
れることになる。ルギン管の設置には多くの技術的困難
を伴う。まず、ルギン管の設計、製作そのものに多くの
ノーハウを要する。

【００４３】一応の設計指針(例えば、新編電気化学測
定法電気化学協会編研友社 58〜59頁(1988))はあるも
のの、微細な絶縁物からなる細管(多くは、ガラス)を加
工しなければならず、設計図通りに作製することが困難
でしかも同一寸法、形状のものを再現して作製すること
は専門の職人にとっても至難の技であるのが実態である
また、それらを基板面から一定の距離の位置、またその
先端面の角度と基板面とのなす角度を同一に設置するこ
ともほとんど困難であり、しかも、各ルギン管の寸法、
形状を考慮に入れてそれらを設置することは不可能と断
言することができる。従って、複数のチャネルにルギン
管を設置することはコスト等を上昇させるだけでなく、
制御性を落すことになり兼ねない。つまり、１個のでき
の良いルギン管を注意深く設置する方が明らかに有利で
ある。

【００４４】なお、槽４、19内のエッチング溶液17は、
必要に応じて、温度コントローラ10、温度センサ21及び
ヒータ27によってそれぞれ所望の温度に保つ。

【００４５】

【実施例４】本発明のさらに他の実施例について、図７
及び図８によって説明する。図８は図７のＣ‐Ｃ'断面
を示す。まず、装置の構成について説明すると、電解槽
４中に整流壁18が構成されており、ルギン管を設けた一
つのモニタチャネル２及び七個の電解チャネル３を同心
円上に当間隔に設けてある。これは、半導体基板８枚を
処理する場合の装置の例である。各チャネルは同一寸
法、同一位置に構成されており、チャネル外周壁面に半
導体基板７、内周壁面に対電極６が壁面と同一の傾きで
互いに平行に構成されている。当然のことながら、半導
体基板７の被電解エッチング面は流路側にむけておく。
なお、電解チャネル数はシンメトリーに構成されていれ
ば、２個以上任意に設定することができる。

【００４６】各チャネル内のエッチング溶液の流動は、
所望の吐出流量で運転される循環ポンプ23によって惹起
されるが、エッチング溶液は循環管24、各電解チャネル
によって構成される流路を図中矢印で示した一方向に流
動する。従って、エッチング溶液は半導体基板７と対電
極６との間隙を上方流れで通過する。なお、上方への流
動は、層流域内で行うことが望ましいことが多い。ま
た、バッフル(整流板)の設置は流動を上下方向に整流す
るのに有効であり、流路内に適宜設けることで、均一な
上方流れの実現に寄与する。

【００４７】エッチング溶液タンク28は、溶液の温度が
各チャネル２でのエッチングに所望の温度になるように
温度コントローラ10、ヒータ20、温度センサ21によって
溶液温度を制御する役割と、エッチング時に発泡するガ
スと、溶液中の溶存酸素を置換して電気化学的に安定化
させるために溶液中に混入させる窒素ガスの余剰分とを
徒に循環させないように、ガスをトラップするために設
置する。

【００４８】平行に対向した半導体基板７と対電極６の
対は、上方が外側に開くように若干傾斜させて設置した
方が電解エッチングで発生する気泡の処理基板表面から
の離脱を速やかにすることに効果のある場合が多いこと
が確認されている。上述の抱水ヒドラジンの系では、例
えば鉛直から約10°傾斜させただけで、鉛直に設置した
場合よりも離泡状態が大幅に改善される。

【００４９】また、同一チャネルに複数の半導体基板７
と対電極６との対を縦方向に設けることによって、装置
をよりコンパクト化することができる。

【００５０】また、各電解チャネル３は隔壁25及び整流
壁18によって相互に隔絶されているが、隔壁を設けるこ
となく、整流壁18の外壁面、電解槽４の内壁面が形成す
る間隙部にそれぞれ半導体基板７と対電極６の対を設置
してもよい。その場合、各対の中間に法線方向に整流板
を設けると、安定した上昇流れを形成しやすい。

【００５１】チャネル２における電気化学的コントロー
ルは、図１の場合とほぼ同様である。すなわち、ルギン
管16によってモニタされる半導体基板７の被電解エッチ
ング面の電位と比較電極14との間の電位が所望の値にな
るように、ポテンショスタット８を用いて、半導体基板
７の被電解エッチング面と対電極６の間の電位をコント
ロールして電解エッチングを行う。他の電解チャネル３
の電解エッチングは、図５、６の場合と同様に、モニタ
チャネル２においてなされる半導体基板の被電解エッチ
ング面と対電極の間の電位のコントロールがポテンショ
スタット８によってなされ、全ての基板に対して同一の
エッチングが行われることになる。

【００５２】

【実施例５】本発明方法のさらに他の実施例について、
図９、10によって説明する。なお、図10は図９のＥ‐
Ｅ'断面を示す。

【００５３】まず、装置の構成について説明すると、電
解槽４中に隔壁25が構成されており、ルギン管16を設け
た一つのモニタチャネル２及び三個の電解チャネル３が
平行に当間隔に設けられている。これは、半導体基板４
枚を処理する装置の例である。各チャネルは同一寸法、
同一位置に構成されており、チャネル外周壁面に半導体
基板７、内周壁面に対電極６が壁面と同一の傾きで互い
に平行に構成されている。当然のことながら、半導体基
板７の被電解エッチング面は流路側にむけておく。な
お、電解チャネル数はシンメトリーに構成されていれ
ば、２個以上任意に設定することができる。

【００５４】各チャネル内のエッチング溶液の流動は、
所望の吐出流量で運転される循環ポンプ23によって惹起
されるが、エッチング溶液は循環管24、各電解チャネル
によって構成される流路を図中矢印で示した一方向に流
動する。従って、エッチング溶液は半導体基板７と対電
極６との間隙を上方流れで通過する。なお、上方への流
動は、層流域内で行うことが望ましいことが多い。ま
た、バッフル(整流板)の設置は流動を上下方向に整流す
るのに有効であり、流路内に適宜設けることで、均一な
上方流れの実現に寄与する。

【００５５】エッチング溶液タンク28は、溶液の温度が
各チャネル２でのエッチングに所望の温度になるように
温度コントローラ10、ヒータ20、温度センサ21によって
溶液温度を制御する役割と、エッチング時に発泡するガ
スと、溶液中の溶存酸素を置換して電気化学的に安定化
させるために溶液中に混入させる窒素ガスの余剰分とを
徒に循環させないように、ガスをトラップするために設
置する。

【００５６】平行に対向した半導体基板７と対電極６の
対は、上方が外側に開くように若干傾斜させて設置した
方が電解エッチングで発生する気泡の処理基板表面から
の離脱を速やかにすることに効果のある場合が多いこと
が確認されている。上述の抱水ヒドラジンの系では、例
えば鉛直から約10°傾斜させただけで、鉛直に設置した
場合よりも離泡状態が大幅に改善される。

【００５７】また、同一チャネルに複数の半導体基板７
と対電極６との対を縦方向に設けることによって、装置
をよりコンパクト化することができる。

【００５８】また、各電解チャネル３は隔壁25及び整流
壁18によって相互に隔絶されているが、隔壁を設けるこ
となく、整流壁18の外壁面、電解槽４の内壁面が形成す
る間隙部にそれぞれ半導体基板７と対電極６の対を設置
してもよい。その場合、各対の中間に法線方向に整流板
を設けると、安定した上昇流れを形成しやすい。

【００５９】チャネル２における電気化学的コントロー
ルは、図１の場合とほぼ同様である。すなわち、ルギン
管16によってモニタされる半導体基板７の被電解エッチ
ング面の電位と比較電極14との間の電位が所望の値にな
るように、ポテンショスタット８を用いて、半導体基板
７の被電解エッチング面と対電極６の間の電位をコント
ロールして電解エッチングを行う。他の電解チャネル３
の電解エッチングは、図５、６の場合と同様に、モニタ
チャネル２においてなされる半導体基板の被電解エッチ
ング面と対電極の間の電位のコントロールがポテンショ
スタット８によってなされ、全ての基板に対して同一の
エッチングが行われることになる。

【００６０】ここで、実施例３〜５の作用について説明
する。装置を図５〜10のような構成とすることによっ
て、エッチング液の流動状態を制御可能とするばかりで
なく、流動状態が相互にほぼ同一であり、かつ、その領
域部近傍内での流動状態の分布が小さくなる。そのこと
により、電解エッチングを安定化したり、最適化したり
することができる。さらに、また処理基板の大型化、多
数枚処理化に対応した装置の大型化へも正確にかつ速や
かに応ずることができる。勿論、大型基板に対しても安
定したエッチングを可能にし、さらに、複数の基板をス
ループット良く高歩留まりで処理することが可能とな
る。さらに、その一組以上の基板と対電極の電気化学的
コントロールの結果をモニタとして、他の組の電位を同
時にコントロールしつつ複数の基板を再現性良くかつ基
板内の処理むらも少なく、安定に電解エッチングするこ
とが可能となり、生産性を大幅に向上させることができ
る。

【００６１】一組以上のモニタチャネルを有する場合
は、例えば、全部で８チャネルの装置で、二つまたは一
つ置きに全部で二チャネルもしくは四チャネルをモニタ
チャネルとしてもよい。但し、その際、一つのモニタチ
ャンバの電位で近接する三乃至一つのチャネルを同一に
制御しても良いし、二乃至四チャネルの電位の平均で他
チャネルの制御を行っても良い。系の特性もしくは装置
各部の形状、加工の精密度などにより発現する流動特性
等の装置各々の個性に合わせればよい。勿論、モニタチ
ャネルの数が少なければ少ないほど装置費用は少なくて
済む。

【００６２】

【発明の効果】以上述べてきたように、半導体の電解エ
ッチング方法を本発明構成の方法とすることによって、
従来技術の有していた課題を解決して、複数の基板を安
定に制御性良く効率的に処理することのできる半導体基
板の電解エッチング方法を提供することができた。これ
によって、加速度センサ、圧力センサ等のマイクロセン
サ、マイクロエレクトロニクスデバイス、マイクロメカ
ニカル構造体等を安価に大量に製造できるという効果が
得られる。

【００６３】実施例１、３は装置をコンパクトにでき、
製造現場のスペースをセーブすることができる。特に、
近年著しく高価になりつつある半導体用スーパークリー
ンルーム空間をセーブして使用できることは、製造上極
めて有利なことである。

【００６４】また、実施例２、４、５は溶液量を容易に
多くすることができることによって、処理前後の溶液濃
度の変化を小さくすることが可能であるため、多数枚の
処理を安定して行うことができる。

【００６５】また、実施例３、４は、各チャネルが同心
円上にシンメトリーに構成されているため、各チャネル
での操作状態を同一に保ちやすく、多数のウエハを同時
処理する操作に向いている。

【００６６】実施例４は処理ウエハの多いわりにチャネ
ル断面積を小さくすることができる。

【００６７】また、流動は、上方流れのみを記述した
が、系によっては電極間に存在する気泡の分布がエッチ
ングを損なう場合もあり、それを防止する方法として、
上記したように、上方流れで気泡離脱を促進する方法よ
り、気泡の浮力と逆の下方流れを与え、気泡が電極に直
角に浮上するようにした方が良い場合もある。その場合
は対電極をメッシュ状にして、気泡が対電極面をなぞら
ないようにすることも有効である。つまり、流動の方向
は上下ともあり得ることになる。

【００６８】なお、本発明の方法は、弗酸系、弗酸‐硝
酸系の酸溶液系、弗化アンモニウムを始めとする塩溶液
系、さらには塩系のエッチング液によるのエッチング等
を代表とする半導体等の板状体の表面に対して施す湿式
の化学的除去加工処理方法、さらには、膜堆積処理方法
にも適用可能である。

【００６９】また、光エネルギーでアシストしたエッチ
ング等を組み合わせた処理方法にも適用可能であること
は言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の実施例１の実施に用いた装置の概
要構成を示す図。

【図２】図１のａ‐ａ'断面図。

【図３】本発明方法の実施例２の実施に用いた装置の概
要構成を示す図。

【図４】図３のｂ‐ｂ'断面図。

【図５】本発明方法の実施例３の実施に用いた装置の概
要構成を示す図。

【図６】図５のＡ‐Ａ'断面図。

【図７】本発明方法の実施例４の実施に用いた装置の概
要構成を示す図。

【図８】図７のＣ‐Ｃ'断面図。

【図９】本発明方法の実施例５の実施に用いた装置の概
要構成を示す図。

【図１０】図９のＥ‐Ｅ'断面図。

【図１１】従来技術の半導体基板の電解エッチングに用
いられた装置の一例の構成を示す図。

【図１２】図１の装置をアンモニア水系の電解エッチン
グに適用した場合の撹拌速度とチャネル中心における溶
液線速度との関係を示す図。

【図１３】図１の装置をアンモニア水系の電解エッチン
グに適用した場合の、チャネル中心における溶液の線速
度とパッシベーションポテンシャル、オープンサーキッ
トポテンシャルとの関係を示す図。

【図１４】円管電解チャネル内におけるエッチング溶液
の流速分布を示す図。

【図１５】加速度センサのエッチング加工例。

【符号の説明】

１…円筒隔壁、２…電解モニタチャネル、３…電解チャ
ネル、４…電解槽(管部)、５…撹拌翼、６…対電極、７
…半導体基板、８…ポテンショスタット、９…外部リー
ド線、10…温度コントローラ、11…可変モータ、12…整
流底、13…金属電極、14…比較電極、15…塩橋、16…ル
ギン管、17…エッチング溶液、18…整流壁、19…比較電
極槽、20…ヒータ、21…温度センサ、22…整流板、23…
循環ポンプ、24…循環管、25…隔壁、26…マグネットス
ターラ、27…プレート型ヒータ、28…エッチング溶液タ
ンク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と、該半導体基板に対向して設
けた対電極とを有し、上記半導体基板(ウエハ)と上記対
電極との間に電圧を印加しながら上記半導体基板のエッ
チングを行う湿式電解エッチング方法において、上記半
導体基板をその一部として構成した壁面と上記対電極を
その一部として構成した壁面とをほぼ平行に保持し、上
記半導体基板をその一部として構成した上記壁面と上記
対電極をその一部として構成した上記壁面とで流動領域
(チャネル部)を形成し、該流動領域におけるエッチング
液の流動が、上記半導体基板をその一部として構成した
上記壁面あるいは上記対電極をその一部として構成した
上記壁面とほぼ平行な流動からなることを特徴とする半
導体基板の電解エッチング方法。
【請求項２】請求項１記載の半導体基板の電解エッチン
グ方法において、同一槽内に設けられてエッチング液の
流動を生じさせる流動発生部と、上記半導体基板と平行
に対向した平板とで構成した部分とを、隔壁を介して連
結した構成としたことを特徴とする半導体基板の電解エ
ッチング方法。
【請求項３】請求項１記載の半導体基板の電解エッチン
グ方法において、同一流路内に、エッチング液の流動を
生じさせる流動発生部と、半導体基板とほぼ平行に対向
した平板とで構成した部分とを連結して構成したことを
特徴とする半導体基板の電解エッチング方法。
【請求項４】請求項２あるいは３記載の半導体基板の電
解エッチング方法において、上記流動発生部の強度を制
御することによって、上記半導体基板とほぼ平行に対向
した平板とで構成した部分の上記流動領域部(チャネル
部)におけるエッチング液の流動状態を制御することを
特徴とする半導体基板の電解エッチング方法。
【請求項５】請求項１記載の半導体基板の電解エッチン
グ方法において、複数の同一形状のチャネル部を設け
て、複数の半導体基板の同時処理を可能にしたことを特
徴とする半導体基板の電解エッチング方法。
【請求項６】請求項５記載の半導体基板の電解エッチン
グ方法において、少なくとも１枚の半導体基板電位をモ
ニタし、その結果に基いて他の半導体基板と対電極との
間に印加する電圧を制御することによって、複数の半導
体基板を一括して処理することを特徴とする半導体基板
の電解エッチング方法。
【請求項７】請求項１記載の半導体基板の電解エッチン
グ方法において、上記半導体基板とほぼ平行に保たれた
対電極とからなるチャネル部が鉛直から傾いていること
を特徴とする半導体基板の電解エッチング方法。
【請求項８】請求項１記載の半導体基板の電解エッチン
グ方法において、上記半導体基板とほぼ平行に保たれた
対電極とからなるチャンネル部での主なる流動が上記基
板面と平行な上方流れであることを特徴とする半導体基
板の電解エッチング方法。
【請求項９】請求項２記載の半導体基板の電解エッチン
グ方法において、流路底部が電解槽のほぼ中心に頂点を
有する二つの下に曲率を有する曲面状(逆アップル形状)
の面からなっていることを特徴とする半導体基板の電解
エッチング方法。