JP2011114282A - Soi substrate and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、SOI基板およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an SOI substrate and a manufacturing method thereof.
近年、ハンドル層としてのSi,絶縁層としてのSiO2,デバイス層としてのSiがこの順に積層されたSOI(Silicon on Insulator)基板の用途が、LSIやCPU等の半導体分野に加えてMEMS分野にも広がっている(例えば特許文献1参照)。 In recent years, applications of SOI (Silicon on Insulator) substrates in which Si as a handle layer, SiO 2 as an insulating layer, and Si as a device layer are stacked in this order have been applied to the MEMS field in addition to semiconductor fields such as LSI and CPU. (See, for example, Patent Document 1).
一般的にMEMS分野においては、貼り合わせ法、すなわち、ハンドル層101となるSi基板に絶縁層102となるSiO2層を形成した後、デバイス層103となる別のSi基板とSiO2層とを高温(約1000℃)で接合することにより製造されるSOI基板が用いられる。図3は、このようなSOI基板を用いて可動部を有するMEMSデバイスを作製する場合の製造方法を示す断面図である。具体的には、A部において、デバイス層103直下の絶縁層102を除去することにより、A部におけるデバイス層103が可動部となるようなMEMSデバイスである。
In general, in the MEMS field, after a SiO 2 layer to be an
まず、図3(a)に示すように、A部の周囲のデバイス層に貫通孔200を形成する。次に、図3(b)〜(e)に示すように、貫通孔200を通じて絶縁層102にHF(フッ酸)溶液またはHF蒸気を接触させてエッチングすることで、A部におけるデバイス層103直下の絶縁層102を全て除去してエッチングを終了することでMEMSデバイスを製造できる。
First, as shown in FIG. 3A, the
なお、一般に、ハンドル層101−絶縁層102間の密着強度と、絶縁層102−デバイス層103間の密着強度とはほぼ等しいため、絶縁層102のエッチングは等方的に進行する。すなわち、エッチングは絶縁層102の厚み方向および平面方向(図の左右方向)に等方的に進む。
In general, since the adhesion strength between the
しかしながら、このような従来のSOI基板を用いた場合には、この絶縁層102の除去速度(エッチングレート)が低いため、長時間の処理が必要となり、MEMSデバイスの生産性が低くなるという問題点があった。このような問題点は、可動部の面積が大きくなるとさらに顕著となる。
However, when such a conventional SOI substrate is used, since the removal rate (etching rate) of the
本発明は、以上のような従来の技術における問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、MEMS分野に用いるのに適したSOI基板およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been devised to solve the above-described problems in the prior art, and an object thereof is to provide an SOI substrate suitable for use in the MEMS field and a method for manufacturing the same. .
本発明のSOI基板は、Si基板と、前記Si基板の一主面上に配置されたSiO2層と、前記SiO2層上に配置され、前記Si基板と前記SiO2層との密着強度に比べ、前記SiO2層との密着強度が小さく、かつ、前記Si基板に比べて厚みの小さいSi層と、を含むものである。 SOI substrate of the present invention, a Si substrate, and the Si SiO 2 layer disposed on one main surface of the substrate, the disposed on the SiO 2 layer, the adhesion strength between the said Si substrate SiO 2 layer In comparison, it includes a Si layer having a low adhesion strength with the SiO 2 layer and a thickness smaller than that of the Si substrate.
また、本発明のSOI基板の製造方法は、Si単結晶基板を熱酸化させることで、前記Si単結晶基板の一主面上にSiO2層を形成するとともに、前記Si単結晶基板のうち前記SiO2層を除く領域をSi基板とする第1工程と、前記SiO2層とSi層とを対向配置して、前記熱酸化時の熱処理温度に比べ低い温度で加熱することで、前記SiO2層と前記Si層とを貼りあわせる第2工程と、を有するものである。 The method for manufacturing an SOI substrate of the present invention includes forming a SiO 2 layer on one principal surface of the Si single crystal substrate by thermally oxidizing the Si single crystal substrate, a first step of a region excluding the SiO 2 layer and the Si substrate, the a SiO 2 layer and the Si layer disposed face to face, by heating at a temperature lower than the heat treatment temperature for the thermal oxidation, the SiO 2 A second step of bonding the layer and the Si layer together.
本発明のSOI基板によれば、Si基板とSiO2層との密着強度に比べ、SiO2層とSi層との密着強度が小さいことから、SiO2層とSi層との界面においてエッチングレートが高くなり、所望の部位において生産性よくSi層をSiO2層から分離することができ、分離した界面からもエッチングを進めることができる。このため、所望の領域のSiO2層のみを他の部位に比べてエッチングレートを高めて処理することができるので、MEMS分野に用いるのに適したものとなる。 According to the SOI substrate of the present invention, since the adhesion strength between the SiO 2 layer and the Si layer is smaller than the adhesion strength between the Si substrate and the SiO 2 layer, the etching rate is low at the interface between the SiO 2 layer and the Si layer. Therefore, the Si layer can be separated from the SiO 2 layer at a desired site with high productivity, and etching can proceed from the separated interface. For this reason, since only the SiO 2 layer in a desired region can be processed at a higher etching rate than other portions, it is suitable for use in the MEMS field.
本発明のSOI基板の製造方法によれば、Si基板とSiO2層との密着強度に比べ、SiO2層とSi層との密着強度を小さくすることができるので、MEMS分野に用いるのに適したものを製造することができる。 According to the method for manufacturing an SOI substrate of the present invention, since the adhesion strength between the SiO 2 layer and the Si layer can be reduced as compared with the adhesion strength between the Si substrate and the SiO 2 layer, it is suitable for use in the MEMS field. Can be manufactured.
以下、本発明のSOI基板について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、図面において同様の箇所には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, an SOI substrate of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same location in drawing, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は本発明のSOI基板の実施の形態の一例を示す断面図である。図1において、1はハンドル層となるSi基板、2は絶縁層となるSiO2層、3はデバイス層となるSi層である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of an SOI substrate of the present invention. In FIG. 1,
Si基板1は、SOI基板の支部部となるものであり、一般的に単結晶Siを研磨し形成される。
The
SiO2層2は、Si基板1上に形成され、単結晶Siを研磨した後に、その表面を熱酸化させて形成したり、イオン注入により形成したりする。このように、Si基板1と一体的に形成されることで、Si基板1とSiO2層2との密着強度は高くなる。
The SiO 2 layer 2 is formed on the
Si層3は、SiO2層2上に、Si基板1とSiO2層2との密着強度に比べ、SiO2層2とSi層3との密着強度が小さくなるように形成される。例えば、別の単結晶Si基板を貼り合わせるときに、熱処理温度や熱処理時間,貼り合わせ圧力等を調節すればよい。
The
Si層3を熱処理により貼り合わせるためには、加熱により、貼り合わせる面同士の表面にそれぞれ形成されたOH基から水分子を形成し、Siと酸素分子とを結合させることにより実現される。このため、貼り合わせ温度は、このような反応を進行させることができる温度であれば特に限定されない。例えば、SiO2層2を形成するための熱酸化温度を1000℃〜1300℃としたときに、貼り合わせ温度を700℃程度とすればよい。熱処理温度を上げ、熱処理時間を長く、貼り合わせ圧力を高く設定すれば、密着力は向上するので、所望の密着強度に合わせて、上述の反応が進行する範囲の貼り合せ温度と、処理時間,圧力を調整する。
Bonding the
このようにSi基板1,SiO2層2,Si層3を順次積層することで本実施形態のSOI基板が構成される。
Thus an SOI substrate of this embodiment is constructed by sequentially stacking the
なお、従来のSOI基板は、貼り合わせにより形成する場合には、SiO2層2を形成するための熱酸化温度と同程度の熱処理を行っており、Si基板1とSiO2層2との密着強度と、SiO2層2とSi層3との密着強度とは同等であった。他にも、Si基板に酸素を表面から離間した深さ位置に酸素濃度のピークを有するように打ち込み、熱処理を行なうことでSOI基板を作製する手法があるが、この方法でも、Si基板1とSiO2層2との密着強度と、SiO2層2とSi層3との密着強度とは同等であった。
Note that, when the conventional SOI substrate is formed by bonding, heat treatment at the same level as the thermal oxidation temperature for forming the SiO 2 layer 2 is performed, and the adhesion between the
上述のような本実施形態で説明したSOI基板をMEMS分野に適用する場合について、図2を用いて説明する。図2は、図1に示すSOI基板を用いて可動部を有するMEMSデバイスを作製する場合の製造方法を示す断面図である。具体的には、A部において、Si層3直下のSiO2層2を除去することにより、A部におけるSi層3が可動部となるようなMEMSデバイスである。
The case where the SOI substrate described in this embodiment as described above is applied to the MEMS field will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing method in the case where a MEMS device having a movable part is manufactured using the SOI substrate shown in FIG. Specifically, it is a MEMS device in which the
まず、図2(a)に示すように、A部の周囲のデバイス層(Si層3)に貫通孔20を形成する。貫通孔20は、KOH(水酸化カリウム),TMAH(4メチル水酸化アンモニウム)等のウエットエッチング、またはRIEによるドライエッチングにより形成される。
First, as shown in FIG. 2A, the
次に、図2(b)〜(d)に示すように、貫通孔20を通じてHF(フッ酸)溶液またはHF蒸気を導入し、SiO2層2をエッチングする。そして、図2(d)に示すように、A部におけるSi層3直下のSiO2層2を全て除去してエッチングを終了することでMEMSデバイスを製造できる。
Next, as shown in FIGS. 2B to 2D, an HF (hydrofluoric acid) solution or HF vapor is introduced through the
ここで、SiO2層2は厚み方向および平面方向(図の左右方向)にエッチングが進行するが、図1に示すSOI基板では、Si基板1とSiO2層2との密着強度よりも、SiO2層2とSi層3との密着強度を小さくしていることから、SiO2層2とSi層3との界面での左右方向におけるエッチングの進行が選択的に進む。その結果、A部直下のSiO2層2とSi層3とを迅速に分離することができ、それにより、A部直下において選択的にSiO2層2がエッチャントと接触する面積を広げることができる。なお、A部直下には周囲から(図の左右両方向から)エッチャントが浸入するため、A部直下のみにおいて選択的にSiO2層2とSi層3とを分離することができる。そして、SiO2層2のうちSi層3と分離した面にもエッチャントが接触するため、所望の部位のエッチングレートのみを向上させることができる。このため、同じ面積のA部を可動部とする工程にかかる処理時間を、図3に示すような従来の等方的なエッチングに比べ、飛躍的に短くすることができる。以上のように、図1に示すSOI基板を用いてMEMSデバイスを製造することでMEMSデバイスの生産性を高くすることができる。すなわち、MEMS分野に用いるのに適したSOI基板となる。
Here, although the SiO 2 layer 2 is etched in the thickness direction and the planar direction (left and right direction in the figure), in the SOI substrate shown in FIG. 1, the SiO 2 layer 2 has SiO 2 strength higher than the adhesion strength between the
さらに、図3に示すように、従来のSOI基板においては、エッチングが等方的に進行するため、除去したいA部直下の絶縁層102のみでなく、固定部となるB部直下の絶縁層102(図3(e)のb領域)も同じスピードで除去されるため、固定部の面積を大きくとる必要があり、MEMSデバイス装置の大型化を招くという問題点もあった。これに対して、図1に示すSOI基板によれば、上述の通り、A部直下において選択的にSiO2層2がエッチャントと接触する面積を広げることで、A部直下の領域のSiO2層2のみのエッチング速度を向上させることができる。これにより、A部の周囲にある固定部となるB部直下のSiO2層2(図2(d)のb領域)の除去を大幅に減らすことができるので、固定部Bに必要な面積を小さくすることができ、MEMSデバイスの小型化を可能とすることができる。
Further, as shown in FIG. 3, in the conventional SOI substrate, since etching proceeds isotropically, not only the
このように、図1に示すSOI基板をMEMS分野に適したものとすることができる。 Thus, the SOI substrate shown in FIG. 1 can be made suitable for the MEMS field.
なお、本発明の構造は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更・改良を加えることができる。 Note that the structure of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、図1においては、SiO2層2とSi層3との接着強度を、貼り合わせ時の製造条件で調整したが、SiO2層2とSi層3との間に中間層を設けることで調整してもよい。
For example, in FIG. 1, the adhesive strength between the SiO 2 layer 2 and the
例えば、Naを含む中間層を設けた場合には、SiO2層2とSi層3との貼り合わせを、上述の熱処理による直接接合に比べて低温で処理可能な陽極接合を用いることができるので、一体的に形成されたSi基板1とSi層3との接着強度に比べてSiO2層2とSi層3との接着強度を小さくなるように調整できる。
For example, when an intermediate layer containing Na is provided, anodic bonding that can be performed at a lower temperature than the direct bonding by the heat treatment described above can be used for bonding the SiO 2 layer 2 and the
このような中間層は、例えば、熱酸化によりSiO2層2を形成した後に、スパッタ装置によりNaを含むホウケイ酸ガラス(例えばパイレックス(商標)ガラス)をスパッタで蒸着することで形成できる。これにより、この中間層に含まれるNaの存在により、例えば熱処理温度を400℃で行なう陽極接合が可能となる。 Such an intermediate layer can be formed, for example, by forming a SiO 2 layer 2 by thermal oxidation and then depositing borosilicate glass (for example, Pyrex (trademark) glass) containing Na by sputtering using a sputtering apparatus. Thereby, the presence of Na contained in the intermediate layer enables anodic bonding, for example, at a heat treatment temperature of 400 ° C.
また、SiO2層2およびSi層3の貼り合せ面にプラズマを照射し、OH基を活性化させた状態で、両者を貼り合わせることで、室温での貼り合わせが可能となる。この場合も、一体的に形成されたSi基板1とSi層3との接着強度に比べてSiO2層2とSi層3との接着強度を小さくなるように調整できる。
Further, by bonding the bonded surfaces of the SiO 2 layer 2 and the
なお、Si基板1とSiO2層2との密着強度と、SiO2層2とSi層3との密着強度は、直接引き剥がすことで測定する、通常の引張り試験で確認することができる。すなわち、引張り試験機でチャッキングできるステンレス鋼などの部材に、Si基板1の裏面を接着することで実現できる。
The adhesion strength between the
次に、本発明のSOI基板の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing an SOI substrate according to the present invention will be described.
(第1工程)
Si単基板を熱酸化させることで、Si単基板の一主面上にSiO2層2を形成する。なお、Si単結晶基板のうち、SiO2層2を除く部分をSi基板1とする。熱酸化は、例えば酸素雰囲気で1000℃程度すればよい。なお、この工程における熱処理時間は、SiO2層2の膜厚により調整する。
(First step)
The SiO 2 layer 2 is formed on one main surface of the Si single substrate by thermally oxidizing the Si single substrate. Note that a portion of the Si single crystal substrate excluding the SiO 2 layer 2 is the
(第2工程)
SiO2層2とSi層3とを対向配置して、熱酸化時の熱処理温度に比べ低い温度で加熱することで貼りあわせる。例えば、熱酸化を1000℃で行った場合には、700℃で10分〜60分間両者を接触させればよい。
(Second step)
The SiO 2 layer 2 and the
Si層3は、Si基板1よりも厚みが小さいものを接触させて接合してもよいし、厚いSi層を接合した後にSiO2層2と接触していない側の面を研磨するなどして厚みを調整してもよい。
The
次に、図1に示すSOI基板の実施例を説明する。 Next, an embodiment of the SOI substrate shown in FIG. 1 will be described.
まず、厚み500μmのSi基板1上に、熱酸化にてSiO2層2を厚み1μm成膜した。なお、熱酸化処理の温度は1050℃,処理時間は5時間とした。次に、SiO2層2に、厚み200μmの別のSi基板を接触させて750℃で20分間処理を行うことで両者を貼り合わせたのち、厚み20μmまで研磨を行ない、Si層3とした。これにより、図1に示すSOI基板を形成した。
First, a SiO 2 layer 2 having a thickness of 1 μm was formed on a
次に、Si層3上にマスクを形成し、通常のフォトリソグラフィ手法により、所望の形状にパターニングを行った。次に、RIE装置により、Si層3のエッチングを行い、貫通孔20を形成しSiO2層2を露出させた。次に、HF蒸気によるエッチングを行ない、所望の領域のSiO2層2を除去して、図2に示すようなMEMSデバイスを形成した。
Next, a mask was formed on the
上述のような、本実施例のSOI基板を用いた場合には、30分の加工時間で、幅20μmの可動部を、直下のSiO2層2を除去することで、形成することができた。これに対し、従来のSOI基板を用いて同様の加工を行った場合には3時間を要した。これにより、本実施例のSOI基板を用いることにより、所望の領域におけるSiO2層2の除去を短時間で実現できることを確認した。 When the SOI substrate of this example as described above was used, a movable part with a width of 20 μm could be formed by removing the SiO 2 layer 2 directly under the processing time of 30 minutes. . In contrast, when similar processing was performed using a conventional SOI substrate, it took 3 hours. Thus, it was confirmed that the removal of the SiO 2 layer 2 in a desired region can be realized in a short time by using the SOI substrate of this example.
1 Si基板
2 SiO2層
3 Si層
1
Claims (3)
前記Si基板の一主面上に配置されたSiO2層と、
前記SiO2層上に配置され、前記Si基板と前記SiO2層との密着強度に比べ、前記SiO2層との密着強度が小さく、かつ、前記Si基板に比べて厚みの小さいSi層と、を含むSOI基板。 A Si substrate;
A SiO 2 layer disposed on one principal surface of the Si substrate;
Said disposed on the SiO 2 layer, the Si compared with the adhesion strength between the substrate and the SiO 2 layer, the adhesion strength between the SiO 2 layer is small and a small Si layer thicker than that of the Si substrate, SOI substrate including
前記SiO2層とSi層とを対向配置して、前記熱酸化時の熱処理温度に比べ低い温度で加熱することで、前記SiO2層と前記Si層とを貼りあわせる第2工程と、を有するSOI基板の製造方法。 By thermally oxidizing the Si single crystal substrate, a SiO 2 layer is formed on one main surface of the Si single crystal substrate, and a region excluding the SiO 2 layer in the Si single crystal substrate is defined as a Si substrate. 1 process,
A second step in which the SiO 2 layer and the Si layer are disposed opposite to each other and heated at a temperature lower than the heat treatment temperature during the thermal oxidation to bond the SiO 2 layer and the Si layer together. Manufacturing method of SOI substrate.
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