JPH09506470A - キャビティ構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 選択的にエッチング可能な基板（１）の表面層に密封キャビティ構造を生成する方法であって、ａ）基板（１）上にエッチング可能な材料のマスキング層（２）を付着させる段階と、ｂ）エッチングにより、マスキング層（２）内に基板表面まで少なくとも一個の穴（３）をあける段階と、ｃ）マスキング層の下に広がる一個以上のキャビティ（４）を形成するよう、マスキング層（２）内の前記穴（３）を通して、マスキング層（２）の下で基板（１）を選択的にエッチングする段階と、ｄ）マスキング層（２）内の前記穴（３）を密封する段階とを含む方法。

Description

【発明の詳細な説明】 キャビティ構造の製造方法 本発明は、超小型機械的製造方法による、キャピラリ液体流システム、圧力セ ンサ等としての使用に適したキャビティ構造の製造方法に関する。 超小型機械的製造技術の一つの様式は、半導体技術で知られる超小型電子的方 法に基づく。 超小型電子的方法により、小型化した分析システムを製造することは、以前か ら知られていた。たとえばCH-A-679952は、二枚のガラスまたはシリコン板の一 方または両方にフォトリソグラフィ手段で溝を作成し、次に二枚の板の間にキャ ピラリシステムを画定するように板を互いに取り付けることによる、特にＦＩＡ （フローインジェクション分析）のための分析チップの製造を開示する。板の厚 さにより、システムにさらに機能を統合する超小型電子的方法を使用できる可能 性が低くなる。 US-A-4,996,082は、特に圧力センサとして使用する半導体基板にキャビティを 生成する方法を開示する。簡単に言えば、プロセスは、所望のキャビティの高さ に等しい深さまで、通常は結晶質シリコンの半導体基板に酸化層を付着させ、酸 化層の上 に多結晶質シリコンの層を付着させ、次に酸化層でコーティングしていない側の 部分から多結晶質シリコン層の下にエッチングしてキャビティを作成する。次に 、基板を酸化雰囲気に曝すことによってエッチングチャネルの開口部を密封する ことができ、その結果、溝を密封するのに十分なだけ溝内に二酸化シリコンが成 長する。サイドエッジから基板表面の下にエッチングする必要があるので、この プロセスは時間がかかり、複雑である。 本発明は、エッチング可能な基板の表面下に様々なタイプのキャビティを生成 する、単純化され改良された方法を提供する。 特に、本発明は、 ａ）基板上にエッチング可能な材料の保護層、またはマスキング層を付着させ 、 ｂ）エッチングによって、マスキング層中に基板表面まで少なくとも一個の穴 をあけ、 ｃ）マスキング層の下に広がる一個以上のキャビティを形成するよう、マスキ ング層の前記穴を通して、マスキング層の下で基板を選択的にエッチングし、 ｄ）マスキング層中の前記穴を密封することによって、 選択的にエッチング可能な基板の表面層に密封されたキャビティ構造を生成す る方法を提供する。 基板材料はガラス、石英またはシリコンが好ましく、マスキング層は多結晶シ リコン（ポリシリコン）または窒化シリコンが好ましい。 一つの実施例では、マスキング層はポリシリコンで、マスキング層の開口部の 密封は、ポリシリコンを酸化して二酸化シリコンにし、ポリシリコン層を伸張さ せることによって実行する。酸化後の完成製品全体が完全に石英であるよう、基 板は石英であることが好ましい。 別の実施例では、基板表面および穴の壁面に材料層を付着させることによって 密封を実行する。付着する材料は、金属、半導体、または絶縁体である。付着は 、たとえばスパッタリング、気化またはＣＶＤ（化学蒸着）方法によって実施す る。基板がガラスまたは石英で、付着材料が二酸化シリコン（石英）の場合は、 完全に石英で構成された製品が得られる。 さらに別の実施例では、開口部の密封は、ポリシリコンのマスキング層の酸化 を追加の材料層の付着と組み合わせて実行する。 マスキング層の穴の形状は、所望のキャビティの形状に応じて変えることがで きる。例として、正方形および長方形の穴について述べる。互いに隣接して配置 された複数の穴をマスキング層中にエッチングすることによって、基板中に連続 的なキャビティを生成することができる。 以下で、添付した図面を参照して、本発明についてさらに詳細に述べる。 第１図から第５図は、本発明による方法の一つの実施例で、異なるサブステッ プを概略的に図示する。 以下で言及する化学エッチング方法は、それ自体、とりわけ集積回路(IC)の製 造で周知であり、したがって本明細書ではこれ以上詳細には述べない。しかし、 超小型機械加工では、二つの基本的なエッチング現象を利用するということがで きる。つまり(i)基板およびエッチング剤に応じて、エッチングが結晶の方向に 依存することもあり、依存しないこともあり、(ii)エッチングは特定の材料に関 して選択的に行われる。 結晶質材料で結晶の方向に依存するエッチング、つまり異方性エッチングの場 合、エッチングは原子面(111)まで有効で、これによって極めて滑らかな表面が 生じる。これに対して、い わゆる等方性エッチングの場合、エッチングは結晶方向に依存しない。 上述した選択性は、特定のエッチング剤に対する異なった材料間のエッチング 速度の差に基づく。したがって、シリコンおよび二酸化シリコンという二種類の 材料の場合、フッ化水素を使用したエッチングは、二酸化シリコンの方がシリコ ンより約1,000から約10,000倍（等方性で）速い。反対に、水酸化カリウムは二 酸化シリコンよりシリコンで約１００倍効率的な異方性エッチングを行い、フッ 化水素と硝酸の混合物は、シリコンを二酸化シリコンより約１０倍速く選択的に 等方エッチングする。 次に図を参照し、最初に第１図に関して、ここでは石英を例とした基板１から 開始する。基板上にここではポリシリコンを例としたマスキング層２を付着させ る。これに対して基板層は選択的にエッチング可能である。従来の方法でフォト レジストを塗布し、パターンを作成した後、第２図に図示するように、所望の構 成の穴３をマスキング層２に作成する。図示の場合では、フローチャネル（キャ ピラリ）を基板中に形成し、したがって穴３は長方形で、たとえば１μｍ×１０ ｍｍであると想定 する（長辺が図示の面に垂直）。 第３図を参照すると、次に穴３を通して基板１を選択的にエッチングするが、 ここでは濃縮フッ化水素でのウェットエッチングを例に取る。ここで、エッチン グは、マスキング層２の下、いわゆるアンダエッチに広がる。所望の深さ／幅の キャビティ（この場合はフローチャネル）が得られると、エッチングを停止する 。 次に、ポリシリコンのマスキング層２を酸化して石英にし、これによって、第 ４図に図示するように、穴３の壁面を含めて、マスキング層が広がる。穴３のサ イズに応じて、この酸化段階を、穴を密封するのに十分な程度にするよう任意選 択することができる。 しかし、図示の事例では、第４図に示すようにマスキング層２に小さい穴３’ が残る。したがって、第５図を参照すると、二酸化シリコン（石英）の層５を付 着させることにより、エッチングされたキャビティまたはフローチャネル４が完 全に密封される。したがって、本明細書で石英基板を用いて企図した事例では、 完成した構造全体は石英で構成される。 上記の例の基板１は、たとえばガラスでもよい。しかし、そ の場合は、ポリシリコンを酸化して石英にすることはできない。ガラスは必要な 酸化温度に耐えられないからである。別の代替材料はシリコン（たとえば単結晶 シリコン）である。さらに、マスキング層２としてポリシリコンの代わりに窒化 シリコンを付着させることができる。 第３図から第５図では、キャビティ（フローチャネル）４を、等方性エッチン グの結果として図示する。シリコン結晶の異方性エッチングの場合は、代わりに Ｖ字形の輪郭のキャビティが得られるが、アンダエッチは全くない。しかし、最 初に基板１の等方性エッチングを実行し、次に異方性エッチングによって結晶の 方向に従ってキャビティの壁面を滑らかにし、シリコン結晶の(111)面をエッチ ングで除去するような方法で、等方性および異方性エッチングを組み合わせると 有利である。 全体として、上述したプロセスで、全く望み通りの密封キャビティ構造を製造 できることが分かる。材料は、エッチング特性および完成製品に意図される用途 に従って選択する。したがって、エッチマスクに長方形の穴をあけることによっ て、上記のようにキャピラリを作成することができる。また、長方形の穴の代わ りに、一列になった例えば正方形の穴のような幾つか の穴を作成し、穴の間隔の半分より大きく基板をアンダエッチングすることによ って、エッチマスクの下の穴の列に沿って連続的なキャピラリを形成するように することができる。 このようなキャピラリは、特に化学分析システムで使用することができる。こ れらはたとえば、ＦＩＡ（フローインジェクション分析）用の液体フローシステ ムを形成する。あるいは、ガスクロマトグラフィなどのガスフローシステムを形 成することができる。キャピラリへの接続カップは、基板中にキャピラリに隣接 するキャビティを作成することによって、容易に提供することができる。これは 、マスキング層中の穴によって実行することができ、この穴は横方向の寸法がエ ッチングの深さよりはるかに大きい。化学分析システムでは、光検出の特定の用 途で溝の壁面が鏡の働きをするよう、上述したように（任意に等方性エッチング した後に）異方性エッチングすることによって滑らかなフローチャネルの壁面を 生成することが貴重なことがある。 マスキング層内で互いに隣接するよう配置された穴によって、所望の用途に適 したほぼあらゆる形状および範囲の連続的なキャビティをエッチングすることが 可能なことが分かる。 たとえば、半径約０．１ｍｍのような特定の半径の円内に互いに隣接する複数 の穴を作成し、次にマスキング層の下に連続的なキャビティをエッチングするよ うに基板をエッチングすることにより、本発明の方法に従って、たとえば膜を作 成することができる。次に、エッチマスクの自由部分によって膜を形成すること ができる。このような膜は、たとえば歪みゲージまたは容量性トランスデューサ と組み合わせて、圧力センサとして使用することができる。このような膜のもう 一つの用途は、気体または液体フローシステムの弁として使用することである。 さらに別の用途は、たとえば流量測定などのサーミスタの熱の絶縁に使用するこ とである。 本発明に従って生成したキャビティ構造には、様々な所望のコンポーネントを 容易に組み込むことができる。たとえば、既に用意されたキャビティに穴をあけ 、その後、金属層を付着させて穴を密封し、次に表面上で電極が規定されてキャ ビティと接触するように金属層をパターン化してエッチングすることにより、密 封したキャビティ構造に電極を組み込むことができる。このようなキャビティは 、たとえば導電率の測定または電流測定に使用することができる。あるいは、基 板上で形成すべきキ ャビティの上方に電極をパターン化してからキャビティを生成し、次に電極の側 のエッチマスク中に穴を作成し、電極の下でアンダエッチを実行する。次に、全 体に、より厚い層を付着させて穴を密封する。次に、電極がキャビティと接触す るように、電極の下の基板層を、キャビティ内から開口部を通してエッチングす る。 基板が半導体材料でエッチマスクが絶縁体の場合は、増幅器、ＡＤ変換器など の様々な電子コンポーネントを、同様の方法で、本発明の方法により形成した密 封キャビティ構造を有する基板上に組み込むことができる。たとえば、基板がシ リコンで、エッチマスクが二酸化シリコンまたは窒化シリコンでもよい。 また、生成されたキャビティ構造と協働するよう、基板内に光学コンポーネン トを組み込むことができる。これは、たとえば基板のバルク内にドーピングされ た（イオン交換）導波管として、あるいはガラス、窒化シリコンまたはポリマー の導波管として、光学導波管の組込みに適用される。この場合、基板はガラスか らなることが適切である。 以下の製作例では、第１図から第５図で概略した製造方法によるフローチャネ ルの製造を、さらに詳細に述べる。 例 石英基板上のキャピラリの生成 石英の平面の基板上に、LPCVD（低圧化学蒸着）によって厚さ１μｍのポリシ リコン層を付着させる。フォトレジストを塗布し、約４μｍの間隔で一列に幾つ かの穴（あるいは穴の列と同じ長さの長方形の穴一個）をパターン化した後、Ｒ ＩＥ（反応性イオンエッチング）によってポリシリコン層に穴をエッチングする 。フォトレジストを溶解させて除去し、複数の穴（あるいは長方形の穴）を通し て濃縮フッ化水素で石英基板を選択的に５分間（等方性）アンダエッチングする と、穴の列（又は一個の穴）に沿って深さ約５μｍ、幅約１０μｍの連続的なキ ャビティができる。９５０℃の水蒸気中で３０時間ポリシリコン層を熱酸化する ことにより、シリコンはすべて二酸化シリコンに変化する。その後、１．５μｍ のTEOS（酸化テトラエチルオルトシリケート）を付着させて穴を塞ぎ、基板上に 蓋を形成する。次に燐が４％で０．５μｍのＬＴＯ（低温酸化物）層を付着させ る。燐ガラス流を１０００℃に加熱することにより、ガラス中の歪みが消えるの とほぼ同時に、ほぼ滑らかな表面が得られる。 本発明は、言うまでもなく、上述し図で特に示した実施例に制限されるもので はなく、以下の請求の範囲内で多くの修正および変更をすることができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年２月７日 【補正内容】 請求の範囲 １．選択的にエッチング可能な基板の表面層に密封キャビティ構造を生成する方 法であって、 ａ）前記基板（１）上にエッチング可能な材料のマスキング層（２）を付着さ せる段階と、 ｂ）エッチングにより、前記マスキング層（２）内に前記基板表面まで少なく とも一個の穴（３）をあける段階と、 ｃ）前記マスキング層の下に広がる一個以上のキャビティ（４）を形成するよ う、前記マスキング層（２）内の前記穴（３）を通して、該マスキング層（２） の下で前記基板（１）を選択的にエッチングする段階と、 ｄ）前記マスキング層（２）内の前記穴（３）を密封する段階とを含み、 前記基板（１）が二酸化シリコンであり、前記マスキング層（２）がポリシリ コンで、前記密封する段階ｄ）が、ポリシリコンを酸化して二酸化シリコンにし て、これにより前記マスキング層を伸張させ、前記基板の表面および穴の壁面に 二酸化シリコンの層（５）を任意に付着させ、完全に二酸化シリコンの 構造を得る段階を含むことを特徴とする方法。 ２．前記マスキング層（２）の伸張が、その中の前記穴（３）を密封するのに十 分であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．前記マスキング層（２）内に互いに隣接して配置される複数の穴（３）を作 成し、次に前記穴（３）を通して前記基板（１）内に連続的なキャビティ（４） をエッチングすることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の方法 。 ４．前記マスキング層（２）内の一個以上の前記穴（３）が長方形であることを 特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の方法。 ５．前記キャビティ（３）がキャピラリチャネルを含むことを特徴とする請求の 範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載の方法。 ６．前記キャビティ構造（４）が化学分析システム用の液体または気体フロー構 造であることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の 方法。 ７．前記キャビティ構造（４）が膜構造を形成することを特徴とする請求の範囲 第１項から第６項のいずれか一項に記載の方 法。 ８．前記密封したキャビティ構造に電気的、電子的、および／または光学的コン ポーネントを組み込むことを特徴とする請求の範囲第１項から第７項のいずれか 一項に記載の方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．選択的にエッチング可能な基板の表面層に密封キャビティ構造を生成する方 法であって、 ａ）前記基板（１）上にエッチング可能な材料のマスキング層（２）を付着さ せる段階と、 ｂ）エッチングにより、前記マスキング層（２）内に前記基板表面まで少なく とも一個の穴（３）をあける段階と、 ｃ）前記マスキング層の下に広がる一個以上のキャビティ（４）を形成するよ う、前記マスキング層（２）内の前記穴（３）を通して、該マスキング層（２） の下で前記基板（１）を選択的にエッチングする段階と、 ｄ）前記マスキング層（２）内の前記穴（３）を密封する段階とを特徴とする 方法。 ２．前記基板（１）がガラス、石英またはシリコンであることを特徴とする請求 の範囲第１項に記載の方法。 ３．前記マスキング層（２）がポリシリコンまたは窒化シリコンであることを特 徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の方法。 ４．前記マスキング層（２）がポリシリコンであり、前記密封する段階ｄ）がポ リシリコンを酸化して二酸化シリコンにし、それによって前記マスキング層を伸 張させることを含むことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の方法。 ５．前記穴（３）の密封が、前記基板表面および穴の壁面に材料層（５）を付着 させることによって実行されることを特徴とする請求の範囲第１項から第４項の いずれか一項に記載の方法。 ６．前記付着した材料層が金属、半導体または絶縁体であることを特徴とする請 求の範囲第５項に記載の方法。 ７．前記基板がガラスまたは石英であり、前記付着層が二酸化シリコンであるこ とを特徴とする請求の範囲第６項に記載の方法。 ８．前記マスキング層（２）の伸張が、その中の前記穴（３）を密封するのに十 分であることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の方法。 ９．得られる製品が完全に石英であるように前記基板が石英であることを特徴と する請求の範囲第８項に記載の方法。 １０．前記基板（１）が結晶質材料であり、該基板内の前記キャビティ（４）が 、最初に前記基板の等方性エッチング、次に 前記基板の異方性エッチングを実施することにより形成されることを特徴とする 請求の範囲第１項から第９項のいずれか一項に記載の方法。 １１．前記マスキング層（２）内に互いに隣接して配置される複数の穴（３）を 作成し、次に前記穴（３）を通して前記基板（１）内に連続的なキャビティ（４ ）をエッチングすることを特徴とする請求の範囲第１項から第１０項のいずれか 一項に記載の方法。 １２．前記マスキング層（２）内の一個以上の前記穴（３）が長方形であること を特徴とする請求の範囲第１項から第１１項のいずれか一項に記載の方法。 １３．前記基板（１）が半導体材料であり、前記マスキング層（２）が絶縁体で あることを特徴とする請求の範囲第１項から第１２項のいずれか一項に記載の方 法。 １４．前記キャビティ（３）がキャピラリチャネルを含むことを特徴とする請求 の範囲第１項から第１３項のいずれか一項に記載の方法。 １５．前記キャビティ構造（４）が化学分析システム用の液体または気体フロー 構造であることを特徴とする請求の範囲第１ 項から第１４項のいずれか一項に記載の方法。 １６．前記キャビティ構造（４）が膜構造を形成することを特徴とする請求の範 囲第１項から第１５項のいずれか一項に記載の方法。 １７．前記密封したキャビティ構造に電気的、電子的、および／または光学的コ ンポーネントを組み込むことを特徴とする請求の範囲第１項から第１６項のいず れか一項に記載の方法。