JP2014236149A - 半導体電子部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】Si基板を破損することなく薄層化でき、また、加工面内における厚みのばらつきを従来よりも小さくすることができる半導体電子部品の製造方法を提供する。【解決手段】半導体電子部品の製造方法は、第1のSi基板1の凹部(キャビティ)12が形成された接合面11に、第2のSi基板2の接合面21を接合する接合工程と、第2のSi基板2の接合面21に対向する、前記第2のSi基板の背面22を熱酸化して酸化膜23を形成する熱酸化工程と、酸化膜23をエッチングにより除去する酸化膜の除去工程と、を備えている。酸化膜23をエッチングにより除去することで、Si基板1,2に機械的ストレスが加わらないので、Si基板1,2を破損することなく薄層化できる。また、酸化膜23の除去にエッチングを用いることで、第2のSi基板2の加工面内における厚みのばらつきが?1%程度になり、従来よりも小さくできる。【選択図】図2
Description
この発明は、半導体電子部品の製造方法に関し、特にキャビティ付きSi基板の薄膜化技術に関する。
従来、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術の発達により、半導体微細加工技術を応用して圧力センサや加速度センサなど様々な半導体電子部品が開発されている。このような半導体電子部品には、以下に説明する方法によりSi基板の薄層化が行われるものがある。
圧力センサの場合、まず、図6(A)に示すように、Si基板(支持基板)に凹部(キャビティ)を形成する。続いて、図6(B)に示すように、この支持基板の凹部が形成された接合面と、もう一枚のSi基板(素子形成用基板)の接合面と、を接合する。そして、図6(C),図6(D)に示すように、素子形成用基板の接合面に対向する面に対してグラインド(研削)やポリッシング(研磨)を行って、素子形成用基板を薄層化してキャビティの上部にメンブレン(ダイヤフラム)を設ける。また、図示は省略するが、支持基板と素子形成用基板との接合を容易に行うために、両基板の接合面に酸化膜または耐エッチング膜を予め形成する場合もある(特許文献1参照。)。
しかしながら、グラインドやポリッシングといった機械加工は、Si基板に機械的ストレスが加わる処理なので、これらの機械加工によりSi基板を薄膜化すると、Si基板が破損するおそれがある。そのため、薄層化には限度がある。
また、ポリッシングは、グラインド後の基板表面粗さを改善できる処理である。しかし、ポリッシング後のSi基板の加工面内における厚みの面内ばらつきは、±10%程度と大きい。
そこで、この発明は、Si基板を破損することなく薄層化でき、また、Si基板の厚みの面内ばらつきを小さくできる半導体電子部品の製造方法を提供することを目的とする。
この発明の半導体電子部品の製造方法は、上記課題を解決し、その目的を達するために、以下のように構成している。
半導体電子部品の製造方法は、接合工程と、熱酸化工程と、除去工程と、を備えている。接合工程は、第1のSi基板の凹部が形成された接合面に、第2のSi基板の接合面を接合する工程である。熱酸化工程は、Si基板を熱酸化して酸化膜を形成する工程である。除去工程は、酸化膜をエッチングにより除去する工程である。
この発明においては、Si基板に形成した酸化膜をエッチングにより除去することで、Si基板に機械的ストレスが加わらないので、Si基板を破損することなく薄層化できる。また、酸化膜の除去にエッチングを用いることで、Si基板の加工面内における厚みのばらつきを±1%程度にすることができる。これにより、薄膜化処理後のSi基板の厚みの面内ばらつきを従来よりも小さくすることができ、加工精度の高い半導体電子部品を提供できる。
また、半導体電子部品の製造方法は、接合工程と熱酸化工程との間に第2のSi基板を研削するグラインド工程を備えていてもよい。
この構成においては、第2のSi基板を熱酸化する前に、Si基板に破損が生じない程度の厚み分研削することで、熱酸化工程において、Si基板を熱酸化する膜厚を薄くすることができる。これにより、半導体電子部品の製造時間を短縮できる。
また、上記の半導体電子部品の製造方法は、さらに、グラインド工程と熱酸化工程との間に、ポリッシング工程を備えていてもよい。ポリッシング工程では、グラインド工程において酸化膜を研削した第2のSi基板の研削面を研磨する。
この構成においては、Si基板を酸化する前に、酸化膜を研削した第2のSi基板の研削面を研磨することで、研削面の面内ばらつきを抑えることができる。これにより、熱酸化を行う際に、形成する酸化膜の厚みを一定に揃えることができ、酸化膜を除去後にSi基板の表面における厚みのばらつきをさらに抑えて、Si基板の表面を滑らかにすることができる。
この発明によれば、Si基板を破損することなく薄層化でき、また、加工面内における厚みのばらつきを従来よりも小さくすることができる。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態に係るMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスの製造方法について、図を参照して説明する。以下の説明では、半導体電子部品の製造方法の一例として、半導体圧力センサの製造方法を例に挙げて説明する。
本発明の第1実施形態に係るMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスの製造方法について、図を参照して説明する。以下の説明では、半導体電子部品の製造方法の一例として、半導体圧力センサの製造方法を例に挙げて説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体圧力センサの製造方法を示すフローチャートである。図2は、図1に示す製造フローにより形成される半導体圧力センサの製造過程を模式的に示す図である。図3は、Si基板に熱酸化を行うときの基板の厚みの変化を説明するための模式図である。
図2(A)に示すように、まず、所定の厚みのSi基板(第1のSi基板に相当する。以下、支持基板という。)1及びSi基板(第2のSi基板に相当する。以下、メンブレン用基板という。)2を用意する。支持基板1は、一方の面(接合面)11が鏡面研磨されている。メンブレン用基板2は、一方の面(接合面)21が鏡面研磨されている。
次に、支持基板1の接合面11の中央部に、圧力センサのキャビティとなる凹部12を形成する(S101:キャビティ形成工程)。凹部12は、例えばプラズマエッチング等により形成する。図2(A)に示すように、凹部12は直方体形状であり、そのサイズは例えば縦300μm×横300μm×深さ10μmである。
続いて、図2(B)に示すように、支持基板1の接合面11とメンブレン用基板2の接合面21とを、表面活性化法により接合する(S102:基板接合工程)。具体的には、真空中またはN2ガス雰囲気中において、両基板の接合面を約1000℃に加熱して、両基板表面のSi原子を化学結合を形成しやすい活性な状態にして、化学結合させる。なお、支持基板1とメンブレン用基板2の接合方法は、上記の方法に限るものではなく、他の周知の接合方法により接合することが可能である。また、接着剤等を用いて接合することも可能である。
次に、図2(C)に示すように、メンブレン用基板2の接合面21に対向する、メンブレン用基板2の面(以下、背面という。)22に対してグラインド処理を行って、背面22を研削する(S103:グラインド工程)。このように、グラインド処理を行うことで、メンブレン用基板2を短時間で薄層化することができ、製造時間を短縮できる。
なお、グラインド処理は、Si基板が機械的なストレスが加わることで破損のおそれがある状態(厚み)になる前に停止する。グラインド処理を行ったときに、Si基板がどの程度の厚みになると破損するかは、予め実験を行って把握しておく。
また、メンブレン用基板2として厚みが薄いもの、例えば厚みが50μm以下のものを使用する場合には、グラインド工程を行わなくても、次に説明する熱酸化工程により短時間で薄層化が可能である。そのため、グラインド工程は省略することが可能である。
続いて、図2(D)に示すように、メンブレン用基板2の研削面である背面22を熱酸化して、酸化膜23を形成する(S104:熱酸化工程)。そして、例えば、RIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)により、酸化膜23を除去する(S105:酸化膜除去工程)。RIEは、Si基板に対してイオンが垂直に入射するため、異方性のエッチングになり寸法制御性に優れており、酸化膜のみの除去が可能である。また、RIEにより酸化膜を除去することで、Si基板の加工面内における厚みのばらつきを±1%程度にすることができる。これにより、Si基板の厚みの面内ばらつきを薄膜化処理後に従来よりも小さくすることができ、加工精度の高い半導体電子部品を提供できる。
上記RIEに続いて、HFを用いたウェットエッチングを行ってもよい。ウェットエッチングはRIEに比べて一般にエッチングレートが低いが、加工面内における厚みのばらつきをより小さくできる。また、上記RIEの代わりにHFを用いたウェットエッチングを行ってもよい。
なお、Si基板を熱酸化して、酸化膜SiO2を形成する場合、形成される酸化膜の厚み:Siの消費量(厚み)=1:0.44の関係があるので、ステップS104において、メンブレン用基板2を熱酸化するときには、この関係に基づいて酸化膜を形成する。
例えば、図3に示すように、厚み7μmのSi基板の対向面を熱酸化して、厚み5μmの酸化膜(SiO2)を形成した場合には、元のSi基板に対して厚みが2.8μm増し、酸化膜形成後の基板の厚みは9.8μm(=7μm+2.8μm)になる。また、元のSi基板の部分が厚み2.2μm酸化される。Si基板から酸化膜を除去すると、酸化前のSi基板と比較して、Si基板は厚み2.2μm薄くなる。つまり、Si基板を厚み4.8μmに加工することができる。
この厚み7μmのSi基板(メンブレン用基板)が、半導体圧力センサのダイヤフラムとして機能する。
続いて、図示は省略するが、酸化膜の除去が完了すると、メンブレン用基板2に電極やピエゾ抵抗素子を設けることで(S106:電極形成工程)、半導体圧力センサの製造が完了する。
半導体圧力センサでは、ダイヤフラムが周囲の圧力に応じて歪み、ピエゾ抵抗素子の抵抗値が圧力に応じて変化する。
[第2実施形態]
図4は、本発明の第2の実施形態に係るMEMSデバイスの製造方法を示すフローチャートである。図5は、図4のフローチャートに示す製造方法により形成される半導体圧力センサの製造過程を模式的に示す図である。
図4は、本発明の第2の実施形態に係るMEMSデバイスの製造方法を示すフローチャートである。図5は、図4のフローチャートに示す製造方法により形成される半導体圧力センサの製造過程を模式的に示す図である。
本発明の第2実施形態は、図4に示すように、グラインド工程と熱酸化工程の間に、ポリッシング工程を行うものであり、他の工程は、第1実施形態と同様である。そのため、相違点について説明する。
図5(C)に示すように、グラインド処理を行って背面22を研削したメンブレン用基板2に対して(ステップS103:グラインド工程)、図5(D)に示すように、さらにポリッシング処理を行って、メンブレン用基板2の背面22を研磨する(S107:ポリッシング工程)。このように、ポリッシング処理を行うことで、Si基板の加工面内における厚みのばらつきは、±10%程度に抑えることができる。これにより、熱酸化工程を行う際に、形成する酸化膜の厚みを一定に揃えることができ、酸化膜を除去後にSi基板の表面における厚みのばらつきをさらに抑えて、Si基板の表面を滑らかにすることができる。
なお、ポリッシング処理は、Si基板が機械的なストレスが加わることで破損のおそれがある状態(厚み)になる前に停止する。ポリッシング処理を行ったときに、Si基板がどの程度の厚みになると破損するかは、予め実験を行って把握しておく。
以上のように、Si基板の表面に熱酸化により酸化膜を形成し、この酸化膜をエッチングにより除去することで、Si基板の加工面内における厚みのばらつきを±1%程度にすることができる。これにより、薄膜化処理後に加工面内における厚みのばらつきを、従来よりも小さくすることができ、精度の高い半導体電子部品を提供できる。
また、グラインド処理やポリッシング処理などの機械加工により、Si基板を効率的に薄層化することができる。また、Si基板が機械的なストレスが加わると破損するおそれがある状態になる前に、機械加工による薄層化を停止し、化学反応を利用して薄層化を行うことで、Si基板にストレスが加わらず、Si基板が破損することなく薄層化を実現できる。
なお、以上の説明では、半導体電子部品の製造方法の一例として、半導体圧力センサの製造方法を例に挙げたが、本発明はこれに限るものではなく、製造工程において、キャビティ付きSi基板の薄膜化を行うのであれば、加速度センサなど他の半導体電子部品にももちろん適用できる。
1…支持基板
2…メンブレン用基板
11…接合面
12…凹部(キャビティ)
21…接合面
22…背面
23…酸化膜
2…メンブレン用基板
11…接合面
12…凹部(キャビティ)
21…接合面
22…背面
23…酸化膜
Claims (3)
- 第1のSi基板の凹部が形成された接合面に、第2のSi基板の接合面を接合する接合工程と、
前記第2のSi基板の接合面に対向する、前記第2のSi基板の面を熱酸化して酸化膜を形成する熱酸化工程と、
前記酸化膜をエッチングにより除去する除去工程と、
を備えた半導体電子部品の製造方法。 - 前記接合工程と前記熱酸化工程との間に、前記第2のSi基板を研削するグラインド工程を備えた、請求項1に記載の半導体電子部品の製造方法。
- 前記グラインド工程と前記熱酸化工程との間に、前記グラインド工程において研削した第2のSi基板の研削面を研磨するポリッシング工程を備えた、請求項2に記載の半導体電子部品の製造方法。
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WO2011149906A1 (en) * | 2010-05-27 | 2011-12-01 | Cree, Inc. | Smoothing method for semiconductor material and wafers produced by same |
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