详解微机械中的各向异性刻蚀技术

引言

单晶硅， 作为IC、LSI的电子材料， 用于微小机械部件的材料，也就是说，作为结构材料的新用途已经开发出来了。其理由是， 除了单晶SI或机械性强之外，还在于通过利用仅可用于单晶的晶体取向的各向异性烯酸，精密地加工出微细的立体形状。以各向异性烯酸为契机的半导体加工技术的发展，在晶圆上形成微细的机械结构体，进而机械地驱动该结构体，在20世纪70年代后半期的Stanford大学，IBM公司等的研究中，这些技术的总称被使用为微机械。在本稿中，关于在微机械中占据重要位置的各向异性烯酸技术，在叙述其研究动向和加工例子的同时，还谈到了未来微机械的发展方向。

实验

作为用于化学各向异性蚀刻的蚀刻剂，已知有KOH水溶液、乙烯胺水溶液等1}。当使用这些进行蚀刻时，具有轮胎蒙特晶体结构的硅的（111）的蚀刻率与其他晶面的蚀刻率相比显示出极小的值。例如，在40℃下对40%KOH水溶液的所有方向的蚀刻率进行测量的结果如图1所示2）。用等高线表示布。全方位中表示蚀刻速率的最大值的是（110），表示最小值的是（111）。两者的蚀刻速率的比约达到1801.另一方面，S1的氧化膜（S102），氮化膜（S13N4），另外掺杂了大量杂质的S1的蚀刻速率与S1相比也非常小。利用这样的性质，可以制作各种各样的立体形状。

图2是对（110）晶圆进行深沟加工后的截面照片。在该加工中，在晶圆表面形成S1O2膜作为掩膜，在<112>方向设置细长条状开口进行蚀刻。由于与深沟的侧面{111}一致，所以位点蚀刻的进行极其缓慢，可以进行如图所示的深沟加工。

图2(110)晶片的深槽加工

图3(100)晶片上的悬臂梁振子

悬臂梁型振动器。悬臂梁的尖端部具有大面积的质量，具有由细梁支撑的结构。由于形成梁侧面的斜面与{111}一致，所以梁部的侧面蚀刻非常少，可以高精度地加工宽度较窄的梁部。根据本加工法，如上所示，可以进行各向同性蚀刻无法完成的形状的加工，以及干法蚀刻无法完成的达到数百μm的深度加工。

硅的各向异性蚀刻现在广泛使用的是压力传感器领域。（100）如果从晶圆的一面实施各向异性蚀刻，如图4所示，可以形成尺寸精度高的膜片。将膜片作为受压面，检测其变形，可以特定压力的大小。随着加工工艺技术的进步，膜片的小型化，以及与增幅回路的一体化、集成化正在发展，最近还试制了作为导管进入体内的大小（1×0.6×5mm）的内置回路的血压传感器3）

图4膜片的形成

图5是细胞融合用微室5的放大照片。在直径76mm的Si晶圆上，配置了约2000个收纳细胞的室。为了捕捉与水一起运送的粒径20～60μm的植物细胞，在室的底部设置了宽度为10μm的贯通扒手。室的空间及狭缝分别从晶圆的正面和背面用各向异性蚀刻进行了加工在包括微腔在内的上述各应用例中，情况较好都是由晶面构成的蚀刻轮廓发挥在产品形状 ±o另外，所有加工对象都对规则形状的排列要 求精度。环形印刷技术最擅长的地方图案的排列 精度的良好性得到了充分的发挥。这样的加工特 性单晶Si的屈服强度比钢高，因此可以充分利用其 弹性变形在晶片上形成运动部件.

图5细胞融合用微腔

图6是为激光磁 盘装置开发的激光束扫描镜 .反射镜和支撑该 反射镜的扭杆使轮廓线呈各向异性反射镜通过在 与背面接近的电极之间施加交流电压而被静电激 励，在共振点附近产生约2。的角度位移.另外，开 发了与图3同种的使用悬臂梁结构的加速度传感 器7 .在晶片面上沿垂直方向施加加速度后，反射 镜会膨胀可以使用设置在悬臂梁根部的应变片检 测加速度。另一方面，笔者等人发现图3的悬臂 梁振子因静电力而振动的结果是，由于气氛气体 的衰减作用，共振点附近的悬臂梁的振动状态发 生变化，可以应用该原理测量真空压力。

图6激光扫描用扭转镜

图7显示了形成SiO2悬臂梁的过程。除去面方位为（100）的Si晶圆表面上形成的氧化膜中相当于梁轮廓的部分后，用KOH水溶液对露出的Si面进行蚀刻，如图所示进行加工，在{111}或杂质掺杂层中停止蚀刻。

图8 SiO2杠杆式开关

利用这样形成的薄膜悬臂梁的共振，制作超声波传感器，振动传感器等，并且如图8所示，Sio2悬臂梁的尖端，还试制了以端为接点的杠杆式开关9）。开关动作是通过在梁及与梁相对的孔底之间加载电压，使梁静电弯曲来进行的。

结果和讨论

Si的各向异性蚀刻技术与光刻，薄膜形成等技术相结合，成为在晶圆上实现各种结构体的有力手段。从精密加工的观点来看，研究的进展是值得期待的。此外，为了将至今为止以平面上加工为前提的半导体加工技术展开到立体形状的微机械加工，在蚀刻以外的光刻工艺，曝光工艺等方面，也需要开发新的技术。此外，微细部件的接合，组装等技术今后也将变得重要。

总结

在微机械技术的发展中， 在传感器、生物技术、医疗、信息机器等各领域被寄予了很大的期待。由于微处理器在汽车、家电产品中也被广泛使用，因此，测量各种物理量的微小传感器与LSI一样被大量供给被强烈期待。在生物技术领域中，细胞和病毒等微小粒子的精密操作和挑选变得越来越重要，另一方面，生物传感器也需要细微的立体结构。在医疗领域中，人们期待着用于人体内的治疗、检查的微小机器、人工内脏器官的进步。在信息机器中，以使用光学装置的光学系统为首，在超高集成化的计算机系统的配线、供电、冷却等用途中出现前所未有的小机器。

　　审核编辑：汤梓红