半導体基板の内部に中空を形成する方法及び半導体基板
【課題】半導体基板内部にアスペクト比が大きい中空を位置や形状を制御して形成する方法とアスペクト比が大きい中空が形成された半導体基板を提供することを目的とする。
【解決手段】第１の層１０１と、第１の層１０１の上に形成された第１の層１０１より正孔濃度が低い第２の層１０２を有する半導体基板１０６の内部に中空を形成する方法であって、半導体基板１０６に、第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に開口を形成する工程と、第１の層１０１の開口内の壁面を多孔質領域にする工程と、開口の第１の層１０１内の幅を拡大する工程と、開口を封止する工程と、を含む。
【解決手段】第１の層１０１と、第１の層１０１の上に形成された第１の層１０１より正孔濃度が低い第２の層１０２を有する半導体基板１０６の内部に中空を形成する方法であって、半導体基板１０６に、第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に開口を形成する工程と、第１の層１０１の開口内の壁面を多孔質領域にする工程と、開口の第１の層１０１内の幅を拡大する工程と、開口を封止する工程と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の内部に中空を形成する方法及び半導体基板に関し、特に、インクジェットプリンタなどの液体移送装置に適用可能な半導体基板の内部に中空を形成する方法及び半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板内部に中空を形成する方法として、多孔質構造を半導体基板に形成し、熱処理を行うことによって中空を形成する方法がある。
【０００３】
その際、多孔質領域を形成する領域の周りにｎ＋層を形成することで、陽極化成時に基板内に流れる電流を制限することで多孔質が形成される領域を制御する方法がある（非特許文献１）。
【０００４】
また、他の形成方法として、開口を形成して、熱処理を行うことによって中空を形成する方法がある。ここでいう中空とは、実質的に空間を有する部分をいい、中空構造とは、中空を有する構造をいう。
【０００５】
また、従来の中空の深さは半導体基板表面の法線方向からみた中空の短辺長よりも小さく、インクジェットプリンタなどの液体移送装置に適用した場合、ノズルの高密度化が困難であった。
【特許文献１】特開２００１−１４４２７６号公報
【特許文献２】特開平０５−０３６９５１号公報
【非特許文献１】S.Armbruster(Bosch),Transducers’03,p.246
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に記された方法では、ｎ＋層の形成において、ｎ＋層の形成深さに限界がある。
【０００７】
また、熱処理により不純物が横方向へも拡散することにより、ｎ＋層の形成領域を正確に制御することが困難である。
【０００８】
また、ｎ＋層の形成領域の角に丸みが形成され、基板に対して垂直な界面が形成することが困難である。
【０００９】
したがって、多孔質領域を形成する際、ｎ＋層の形成領域の下に多孔質が広がって形成され、多孔質領域界面が垂直に形成されないことがある。
【００１０】
その形状を制御することが困難であることにより、半導体基板内部にアスペクト比が大きい中空を位置や形状を制御して形成することが困難であった。
【００１１】
また、開口を形成して、熱処理を行う形成方法では、熱処理によって、複数の球形となり、アスペクト比の大きい中空を位置や形状を制御して形成することが困難であった。
【００１２】
そこで、本発明は、半導体基板の内部にアスペクト比が大きい中空を位置や形状を制御して形成する方法とアスペクト比が大きい中空が形成された半導体基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、第１の層と、前記第１の層の上に形成された前記第１の層より正孔濃度が低い第２の層を有する半導体基板の内部に中空を形成する方法であって、前記半導体基板に、前記第２の層を貫通して前記第１の層に開口を形成する工程と、前記第１の層の開口内の壁面を多孔質領域にする工程と、前記開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、前記開口を封止する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、第１の層と、前記第１の層より正孔濃度が低く前記第１の層の上に形成された第２の層を有する半導体基板の内部に中空を形成する方法であって、前記第１の層が形成された半導体基板に開口を形成する工程と、該第１の層が形成された半導体基板に、前記第１の層より低い正孔濃度を有する第２の層を前記開口を保ったまま形成する工程と、前記第１の層の開口内の壁面を選択的に多孔質領域にする工程と、前記開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、前記開口を封止する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、内部に中空が形成された半導体基板であって、前記半導体基板は、第１の層と該第１の層より正孔濃度の低い第２の層よりなり、前記第２の層に接して前記第１の層に形成されたアスペクト比（中空の深さ／半導体基板の表面の法線方向からみた前記中空の短辺長）が１より大きく、中空の上面が概略平面で構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、第１の層の開口内壁面に多孔質領域を形成することにより、多孔質領域の形状を制御して形成することが可能となり、半導体基板内部にアスペクト比が大きい中空を位置や形状を制御して形成することができる。
【００１７】
また、中空の深さが半導体基板表面の法線方向からみた中空の短辺長よりも大きく、インクジェットプリンタなどの液体移送装置に適用した場合、ノズルの高密度化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
半導体基板は不純物ドーピングにより価電子制御できる材料であればよく、陽極化成可能な材料であれば用いることができる。たとえば、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなどのＩＶ族半導体の単結晶基板、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の単結晶基板を用いることができる。
【００２０】
第１の層と第１の層より正孔濃度の低い第２の層を有する半導体基板は、エピタキシャル成長や、イオン注入、熱拡散などにより第２の層が形成されている基板を用いることができる。
【００２１】
陽極化成における半導体材料の溶解には正孔が水溶液界面近傍に供給される必要があるので、第１の層より第２の層の正孔濃度を低くしておくことで、第１の層より第２の層の多孔質形成が阻害されるようにできる。
【００２２】
第１の層と第２の層との正孔濃度の差を高くしておくほど、多孔質形成の選択性は高くなる。
【００２３】
第１の層はより正孔の濃度を高めておくために、Ｐ型導電層であることが好ましい。抵抗率において、０.００１〜１０Ωｃｍ程度の正孔濃度が好ましい。
【００２４】
第２の層はより正孔濃度を低くしておくために、Ｎ型導電層であることが好ましい。また、基板の一部に第２の層を形成すれば、能動回路素子部と一体形成する場合、能動素子回路素子を形成する層を適当に選ぶことができるので、基板の選択肢が広がるので好適である。
【００２５】
第１の層と第１の層より正孔濃度の低い第２の層を有する半導体基板にシリコンを用いて、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【００２７】
まず、図１（ａ）は、開口１０３を形成する前の半導体基板１０６を示している。半導体基板１０６は第１の層１０１と第１の層１０１より正孔濃度の低い第２の層１０２からなる。
【００２８】
図１（ｂ）に示す工程では、第１の層１０１と第１の層１０１より正孔濃度の低い第２の層１０２を有する半導体基板１０６に、第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に開口１０３を形成する。
【００２９】
開口１０３の形成方法は所望のアスペクト比が制御性よく形成できれば良く、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等が用いられる。
【００３０】
半導体基板１０６上にマスク材としての例えばシリコン窒化膜１０７が形成され、このシリコン窒化膜１０７が不図示のレジストパターンをマスクとしてエッチングされる。こうして、シリコン窒化膜１０７がパターニングされる。
【００３１】
この後、レジストパターンが除去され、シリコン窒化膜１０７をマスクとして半導体基板１０６がエッチングされ、第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に開口１０３が形成される。
【００３２】
その後、マスクとして形成したシリコン窒化膜１０７は除去しても良いが、第１の層１０１の開口１０３内の壁面を多孔質領域１０４にする工程において、表面のエッチング保護として用いることができる。
【００３３】
この場合、マスクとして形成したシリコン窒化膜１０７は開口を封止する工程の前で除去する。
【００３４】
この工程において、重要なことは開口１０３が第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に達していることである。
【００３５】
このようにすることによって、開口１０３内の壁面に第１の層１０１と第２の層１０２の界面が露出して存在し、多孔質領域１０４を形成する工程において多孔質領域１０４と非多孔質領域の界面を決定することができるからである。
【００３６】
形成する開口はひとつでも良く、開口１０３の数及び配置は、所望の中空１０５を得るために、適時調整すればよい。開口１０３の開口部の平面形状は、任意の形でよく、例えば、円形とする。
【００３７】
開口１０３の間隔は、多孔質形成厚さよりも十分小さい間隔で形成しておけば、各開口１０３の間が多孔質化しており、開口の第１の層内の幅を拡大する工程で多孔質領域１０４が凝集することにより、中空が連接する。
【００３８】
次いで、図１（ｃ）に示す工程では、開口１０３の露出した壁面に多孔質領域１０４を形成する。
【００３９】
多孔質領域１０４は、電解液中で陽極化成を施すことによって形成することができる。ここで、電解液としては、例えば、フッ化水素を含む溶液、フッ化水素及びエタノールを含む溶液、フッ化水素及びイソプロピルアルコールを含む溶液等が好適である。
【００４０】
陽極化成により多孔質を形成する過程は、中空１０５の形状を左右する重要な工程で、形状に与える作用を以下に説明する。
【００４１】
正孔濃度の高い第１の層１０１中では電位勾配がほとんど生じず、多孔質領域１０４の先端に供給される正孔濃度はほぼ均一である。そのため、接液面から陽極化成時の電流（正孔）の流れに沿って多孔質（成長方向に空間が連なった構造）が成長していく。
【００４２】
たとえば、図２に示すように、開口を第１の層２０１に隣接して第２の層２０２中にのみ形成した場合のように開口が点とみなせる場合には、概略球状に多孔質領域２０３が形成されることとなる。
【００４３】
一方、第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に開口を形成した場合、開口１０３の側面からは開口側壁面に垂直方向（基板に水平な方向）に多孔質が成長していく。
【００４４】
したがって、開口の側壁が滑らかに形成されていれば、多孔質領域１０４の幅は深さ方向に均一になり、多孔質領域１０４が形成される最小幅は開口の直径と多孔質を形成する厚さによって決定される。
【００４５】
開口１０３の底面からは開口底壁面（基板に垂直な方向）に多孔質が成長していくため、多孔質領域１０４が形成される深さは、開口１０３の形成深さと多孔質を形成する厚さによって決定される。
【００４６】
また、開口の側面と底面で構成される角からは概略扇型に多孔質が形成される。
【００４７】
したがって、その平面形状が円形に形成された単独の開口からは、逆釣鐘形の多孔質領域１０４が形成される。
【００４８】
正孔濃度の低い第２の層１０２では、そもそも正孔が少ないために、多孔質領域１０４が形成されないか、極めて、薄くしか形成されない。
【００４９】
したがって、図１（ｃ）に示したように、第１の層１０１と第２の層１０２の界面で、第１の層１０１中では概略基板に水平な方向に多孔質が伸びた多孔質領域１０４と第２の層１０２中では非多孔質領域となる界面ができる。
【００５０】
これらの２つの作用によって、以下のことができるようになる。
【００５１】
（１）多孔質領域１０４の幅及び深さが所定の値に制御できる。
【００５２】
（２）多孔質の成長方向が制御できる。
【００５３】
（３）第１の層１０１と第２の層１０２の界面に第１の層１０１中では概略基板に水平な方向に多孔質が伸びた多孔質領域１０４と第２の層中では非多孔質領域となる界面を形成できる。
【００５４】
これらのことができることは、アスペクト比を決める重要な要素である。
【００５５】
次いで、図１（ｄ）に示す工程では、開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、開口を封止する工程を非酸化性の気体で熱処理を行う。例えば、水素の雰囲気中で、温度１１００℃、圧力３００Ｔｏｒｒ程度の条件で熱処理する。
【００５６】
このようにすることにより、以下のことが同時に、又は続いて起こり、半導体基板１０６中に中空１０５が形成される。
【００５７】
（１）開口１０３によって形成された多孔質領域１０４が凝集して一体化される過程
（２）第２の層１０２中の開口面が、表面エネルギーを最小にするように生じるシリコンの表面マイグレーションによって閉ざされる過程
このようにして、開口部がない中空構造を作製することができる。
【００５８】
多孔質領域１０４は、表面エネルギーを最小にするように凝集してゆくので多孔質が成長した方向（孔が成長した方向）に凝集してゆく。
【００５９】
このとき、図１（ｃ）に示すように、概略開口１０３壁面に垂直方向に多孔質が成長しているので、第１の層１０１中のシリコンと多孔質領域１０４の界面に垂直な方向に凝集してゆくことになる。
【００６０】
また、第１の層１０１と第２の層１０２の界面は概略基板に水平な方向に多孔質が伸びた多孔質領域１０４と非多孔質領域の界面と成っているので、第２の層１０２方向へは多孔質が凝集しない。
【００６１】
したがって、中空が形成される上端が第１の層１０１と第２の層１０２の界面に制御され、また、概略多孔質領域１０４の形状を保ったまま、中空１０５となる。
【００６２】
以上の作用により、アスペクト比の大きな中空が形状を制御して作製することが可能となる。
【００６３】
単独の開口の場合、概略、多孔質の形状に従った逆釣鐘型の中空となる。逆釣鐘型とは、断面形状の上面と側面が概略直線で構成され、底面に円弧を持った形状をさし、図４（ａ）に多孔質領域１０４を形成する際の形状を示す。
【００６４】
また、図４（ｂ）に中空１０５が形成される形状を示す。条件によっては上面と側面の角には底面より小さな円弧が形成されることがある。
【００６５】
中空１０５が形成される最小幅Ｘは開口の直径ｗと多孔質が凝集して中空になる幅、つまり、おおむね、多孔質を形成する厚さｔの２倍と多孔度αによって決定される。
【００６６】
Ｘ＝ｗ＋２×ｔ×（１−α）
多孔度αは、シリコンの体積にしめる空孔の体積の割合である。
【００６７】
また、中空１０５が形成される深さＴは、開口１０３の形成深さｈから正孔濃度の低い第２の層１０２の厚さｄを除いた深さと多孔質が凝集して中空になる厚さ、つまり、おおむね多孔質を形成する厚さと多孔度によって決定される。
【００６８】
Ｔ＝ｈ−ｄ＋ｔ×（１−α）
アスペクト比はＴ／Ｘ＞１であるには、
ｈ＞ｗ＋ｄ＋ｔ×（１−α）
したがって、以下の式で示す開口１０３の形成深さにすれば、アスペクト比（中空が形成される深さＴ／中空が形成される最小幅Ｘ）が１以上の中空が形成できる。
【００６９】
ｈ＞ｗ＋ｄ＋ｔ
また、表面エネルギーを最小にするように生じるシリコンの表面マイグレーションによって第２の層１０２の開口面が閉ざされるために、直径ｗと第２の層１０２の厚さｄとの比（ｄ／ｗ）が５以上であることが望ましい。
【００７０】
以上は、開口１０３の平面形状が円の場合があるが、多角形の場合は、その多角形に内接する最大の円の直径ｗを開口の直径ｗとして用いればよく、楕円形では、その短径を開口の直径ｗとして用いればよい。
【００７１】
また、複数の開口を一列に並べて中空とする場合は、図５に示すように開口１０３の並びと垂直な方向の開口の径ｗ２を開口の直径ｗとして用いればよい。
【００７２】
次に具体的に中空を作製する代表的な例を示す。
【００７３】
（ａ）半導体基板１０６として、Ｐ型（１００）の比抵抗０.０１Ωｃｍのシリコン基板上にＮ型の比抵抗１Ωｃｍの層を１μｍエピタキシャル成長させた基板を用意する。
【００７４】
（ｂ）基板１０１上にマスク材としてのシリコン窒化膜１０７を形成し、このシリコン窒化膜１０７を不図示のレジストパターンをマスクとしてエッチングする。この後、レジストパターンを除去し、ドライエッチング用のガスとしてＳＦ６とＯ２を用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）にてシリコン窒化膜１０７をマスクとして半導体基板１０６をエッチングし、開口１０３を形成する。開口は円形とし、直径は０.２μｍ、開口の深さは８μｍとする。
【００７５】
（ｃ）引き続き、半導体基板１０６に陽極化成を行う。陽極化成は４９％フッ化水素酸溶液とアルコール溶液を１：１の割合で混合した溶液中で５分間、電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２で行う。多孔質の形成厚さは６μｍとなる。多孔度は５０％となる。マスクとして形成したシリコン窒化膜１０７は、引き続き、通電を行なわずに溶液中に３０分間保持することによって、除去する。
【００７６】
（ｄ）続いて、純水にて洗浄を行ない、水素の雰囲気中で、温度１１００℃、圧力３００Ｔｏｒｒ、１時間の熱処理を行う。
【００７７】
以上のようにして、中空の深さが１０μｍ、中空の幅が６.２μｍの逆釣鐘形の中空ができる。
【００７８】
以上説明したように、半導体基板内部にアスペクト比が大きい中空を形成することができることから、例えば、中空の形状や位置が特性に影響を与えるような共振器を使う用途であるマイク、共振フィルター、ＦＢＡＲに好適である。特に、メンブレンの位置が第１の層と第２の層の界面に制御されることは、共振器等のメンブレン構造を作製する場合には好適である。
【００７９】
中空の上面が概略平面で構成されていることでメンブレンの厚さを精度良く制御できる。
【００８０】
また、一体形状でアスペクト比を大きくできることによって、流体の漏れを気にすることなく、コンダクタンスを維持しながら高密度に流路を造れる。よって、微小流体流路、液体移送装置であるマイクロリアクター、インクジェットプリンタに好適である。
【００８１】
インクジェットプリンタに適応した場合、コンダクタンスを維持しながら高密度に流路を造れることからリフィイル性を維持しながら、ノズルピッチを狭めることができ、プリントスピードを維持しながら高精細化を計れる。
【００８２】
また、中空の上面が概略平面で構成されていることでメンブレンの厚さを精度良く制御できる。よって、ノズルの形成精度を高めることができ、高精細化を計ることができる。
【００８３】
また、断面形状が逆釣鐘形となることによって、流体のノズル形成面は平面で、底面を円弧状の構成にできる。デットスペースが少なくなり、流体の移送をスムーズになり、ノズル面からの吐出が安定する。
【００８４】
また、中空の内壁を多孔質領域とすることができること、酸化されている領域とすることができることによって、内面での流体との熱交換を遅らせたり、流体の濡れ性を変えたりすることができる。特に体積に比べ表面積が増える微小な流体流路、液体移送装置等に好適である。
【００８５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態とは異なる第２の実施形態としての中空を形成する製造方法を説明する。
【００８６】
図１（ｄ）に示す工程で、開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、前記開口を封止する工程をそれぞれ、エッチングにより少なくとも多孔質領域の一部を除去する工程と、エピタキシャル成長によって開口の封止工程によって行う。
【００８７】
このようにして、開口部がない中空構造を作製することができる。
【００８８】
（第３の実施形態）
第１の実施形態及び第２の実施形態とは異なる第３の実施形態としての中空を形成する製造方法を説明する。
【００８９】
第３の実施形態では、第１の層１０１より低い正孔濃度を有する第２の層１０２を第１の層１０１を有する半導体基板１０６に開口１０３を形成する工程の後に開口１０３の開口を保ったまま形成することが第１の実施形態と異なる。
【００９０】
半導体基板１０６にシリコンを用いて、第３の実施形態としての中空を形成する製造方法を第１の形態と異なる部分について説明する。
【００９１】
図３は、本発明の第３の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【００９２】
まず、図３（ａ）に示す工程では、第１の層３０１を有する半導体基板に開口３０２を形成する。
【００９３】
図３（ｂ）に示す工程では、第１の層３０１を有する半導体基板に第１の層３０１より低い正孔濃度を有する第２の層３０３を形成する。第１の層３０１より正孔濃度の低い第２の層３０３は、エピタキシャル成長や、イオン注入などにより形成することができる。
【００９４】
この工程で重要な要素は第１の層３０１を有する半導体基板に形成した開口３０２の開口部を維持したまま、第１の層３０１より低い正孔濃度を有する第２の層３０３を形成することが重要である。
【００９５】
このようにすることによって、開口３０２内壁面に第１の層３０１と第２の層３０３の界面が露出して存在し、続く多孔質領域３０４を形成する工程において多孔質領域３０４と非多孔質領域の界面を決定できるからである。
【００９６】
イオン注入では、開口部のみをレジスト等で閉鎖した後にイオン注入を行うことによって、開口３０２の開口部を維持したまま、第１の層３０１より低い正孔濃度を有する第２の層３０３を形成することができる。
【００９７】
次いで、図３（ｃ）に示す工程では、開口３０２の露出した内壁面に多孔質領域３０４を形成する。
【００９８】
次いで、図３（ｄ）に示す工程では、非酸化性の気体で熱処理を行う。
【００９９】
例えば、水素の雰囲気中で、温度１１００℃、圧力３００Ｔｏｒｒ程度の条件で熱処理する。
【０１００】
このようにすることにより、以下のことが同時に、又は、続いて起こり、基板中に中空３０５が形成される。
【０１０１】
（１）開口３０２によって形成された多孔質領域３０４が凝集して一体化される過程
（２）第２の層３０３中の開口面が、表面エネルギーを最小にするように生じるシリコンの表面マイグレーションによって閉ざされる過程
（第４の実施形態）
第１から３の実施形態とは異なる第４の実施形態としての中空を形成する方法を説明する。
【０１０２】
図３（ｄ）に示す工程で、開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、開口を封止する工程をそれぞれ、エッチングにより少なくとも多孔質領域の一部を除去する工程と、エピタキシャル成長によって開口の封止工程によって行う。このようにして、開口部がない中空構造を作製することができる。
【０１０３】
（第５の実施形態）
第５の実施形態では、第１の実施形態から第４の実施形態に適用可能な他の技術について説明する。
【０１０４】
図６は、本発明の第５の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【０１０５】
図６（ｅ）の半導体基板１０６に熱処理を行う工程に先立ち、図６（ｄ）に示すエッチングにより少なくとも多孔質領域１０４の一部を除去することによって、エッチングされた領域６０１を形成する。
【０１０６】
少なくとも多孔質領域１０４の一部を除去することによって、多孔質領域１０４の凝集する時間を短縮することができる。
【０１０７】
また、多孔質領域１０４を全てエッチングすることで、多孔度に関係なく、中空１０５が形成される最小幅Ｘ、中空１０５が形成される深さＴを決定できる。中空１０５が形成される最小幅Ｘ、中空１０５が形成される深さＴはそれぞれ以下のようになる。
【０１０８】
Ｘ＝ｗ＋２×ｔ
Ｔ＝ｈ−ｄ＋ｔ
エッチングにより少なくとも多孔質領域の一部を除去する方法は、特許文献２記載の多孔質シリコンの選択的エッチングによるものである。
【０１０９】
結晶シリコンに対してはエッチング作用を持たないエッチング液を用いることにより、多孔質シリコンを選択的にエッチングできる。
【０１１０】
選択的エッチング液として、利用可能なものは、以下のものがあげられる。
【０１１１】
（１）弗酸（もしくはバッファード弗酸）
（２）弗酸（もしくはバッファード弗酸）に過酸化水素水を加えたもの
（３）弗酸（もしくはバッファード弗酸）にアルコールを加えたもの
（４）弗酸（もしくはバッファード弗酸）に過酸化水素水及びアルコールを加えた混合液
（第６の実施形態）
第６の実施形態では第１から第５の実施形態に適用可能な他の技術について説明する。
【０１１２】
図７は、本発明の第６の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【０１１３】
半導体基板１０６に熱処理を行う工程に先立ち、多孔質の孔の側壁に酸化膜を形成する工程と、第２の層表面の酸化膜を除去する工程とすることで、多孔質の孔の側壁に酸化膜が形成される領域７０１が形成される。
【０１１４】
多孔質の孔の側壁に酸化膜が形成される領域７０１が形成されると、酸化膜によりシリコン原子がマイグレーションを起こしにくくなるので、熱処理工程で多孔質がマイグレーションによって凝集するのを遅くすることができる。
【０１１５】
一方、第２の層１０２表面の酸化膜を除去することで、第２の層１０２中の開口面が、表面エネルギーを最小にするように生じるシリコンの表面マイグレーションによって閉ざされる効果は阻害することはない。
【０１１６】
このようにすれば、熱処理工程において、多孔質がマイグレーションによって凝集する現象を遅くすることができ、第１の層１０１中に完全に凝集せず、中空１０５の内壁に多孔質領域７０２を造りこむことが容易にできる。
【０１１７】
上記、作製法ではおおむね、多孔質領域７０２は中空１０５の内面に連接した構造ではなく、数ｎｍから数十ｎｍの略球形からなる形状であって、領域中に分散した構造となる。
【０１１８】
具体的には、４００℃、１ｈのドライ酸化で孔の側壁を約１ｎｍ酸化し、その後、ＨＦ Ｄｉｐにより多孔質表面の酸化膜のみ除去することによってできる。
【０１１９】
また、中空１０５に多孔質領域７０２を造りこむ別な方法として、多孔質領域１０４を互いに多孔度の異なる２層以上の層からなる多層構造としても良い。
【０１２０】
ここで、多層構造の多孔質領域１０４は、開口内壁面に近い領域に第１の多孔度を有する第１の多孔質領域、そのまわりの領域に、第１の多孔度より小さい第２の多孔度を有する第２の多孔質領域を含むことが好ましい。
【０１２１】
ここで、第１の多孔度（多孔質領域の体積に対する細孔部分の体積の比）としては、１０％〜７０％が好ましく、また、第２の多孔度としては、１０％〜３０％が好ましい。
【０１２２】
このようにすれば、熱処理工程において、多孔度によって多孔質領域の凝集速度が異なることから、中空に多孔質領域７０２を造りこむことが容易にできる。
【０１２３】
（第７の実施形態）
第７の実施形態では第１から第６の実施形態に適用可能な他の技術について説明する。
【０１２４】
図８は、本発明の第７の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【０１２５】
半導体基板１０６に熱処理を行う工程の後に、熱酸化することによって、中空１０５内面を酸化された領域８０１とすることができる。
【０１２６】
上記熱酸化は、例えば９００℃、酸素とＨＣｌとの混合ガス雰囲気中で行うことによって、中空１０５の内面及びシリコン基板の表面に酸化された領域８０１を形成する。
【０１２７】
表面の酸化された領域は、エッチングにより適時除去する。このようにして、中空１０５内面を酸化された領域８０１とすることができる。
【０１２８】
（第８の実施形態）
第８の実施形態では第１から第７の実施形態とは異なる第８の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を説明する。
【０１２９】
図９は、本発明の第８の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【０１３０】
図９（ａ）に示す工程で第２の層を部分的に形成する。具体的には、不図示のマスクによりホトリソグラフィーにより、第２の層の一部をエッチングにより除去する。
【０１３１】
図９（ｂ）に示す工程では、第１の層１０１と第１の層より正孔濃度の低い第２の層１０２を有する半導体基板１０６に、第２の層を貫通して第１の層に開口１０３を形成する。
【０１３２】
開口１０３の形成方法は所望のアスペクト比が制御性よく形成できれば良く、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等が用いられる。
【０１３３】
半導体基板１０６上にマスク材としての例えばシリコン窒化膜１０７が形成され、このシリコン窒化膜１０７が不図示のレジストパターンをマスクとしてエッチングされる。
【０１３４】
こうして、シリコン窒化膜１０７がパターニングされる。
【０１３５】
この後、レジストパターンが除去され、シリコン窒化膜１０７をマスクとして半導体基板１０６がエッチングされ、第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に開口１０３が形成される。
【０１３６】
その後、マスクとして形成したシリコン窒化膜１０７は、陽極化成により第１の層１０１の開口１０３内壁面に多孔質領域１０４を形成する工程において、表面のエッチング保護として用いる。
【０１３７】
その後、第１の実施形態と同様に図９（ｃ）、（ｄ）に示すように、第１の層の開口内壁面に多孔質領域を形成する工程と、開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、開口を封止する工程を行う。
【０１３８】
以上によって、部分的に第２の層が形成された半導体基板内部に中空部を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明は、インクジェットプリンタなどの液体移送装置などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の第１の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【図２】多孔質領域を形成する様子を示す模式断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【図４】多孔質領域を形成する際の形状及び中空部が形成される形状を示す断面図である。
【図５】複数の開口を一列に並べて中空とする場合の開口の様子を示す平面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【図７】本発明の第６の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【図８】本発明の第７の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【図９】本発明の第８の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【符号の説明】
【０１４１】
１０１ 第１の層
１０２ 第２の層
１０３ 開口
１０４ 多孔質領域
１０５ 中空
１０６ 半導体基板
３０１ 第１の層
３０２ 開口
３０３ 第２の層
３０４ 多孔質領域
３０５ 中空
６０１ エッチングされた領域
７０１ 多孔質の孔の側壁に酸化膜が形成される領域
７０２ 多孔質領域
８０１ 酸化された領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の内部に中空を形成する方法及び半導体基板に関し、特に、インクジェットプリンタなどの液体移送装置に適用可能な半導体基板の内部に中空を形成する方法及び半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板内部に中空を形成する方法として、多孔質構造を半導体基板に形成し、熱処理を行うことによって中空を形成する方法がある。
【０００３】
その際、多孔質領域を形成する領域の周りにｎ＋層を形成することで、陽極化成時に基板内に流れる電流を制限することで多孔質が形成される領域を制御する方法がある（非特許文献１）。
【０００４】
また、他の形成方法として、開口を形成して、熱処理を行うことによって中空を形成する方法がある。ここでいう中空とは、実質的に空間を有する部分をいい、中空構造とは、中空を有する構造をいう。
【０００５】
また、従来の中空の深さは半導体基板表面の法線方向からみた中空の短辺長よりも小さく、インクジェットプリンタなどの液体移送装置に適用した場合、ノズルの高密度化が困難であった。
【特許文献１】特開２００１−１４４２７６号公報
【特許文献２】特開平０５−０３６９５１号公報
【非特許文献１】S.Armbruster(Bosch),Transducers’03,p.246
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に記された方法では、ｎ＋層の形成において、ｎ＋層の形成深さに限界がある。
【０００７】
また、熱処理により不純物が横方向へも拡散することにより、ｎ＋層の形成領域を正確に制御することが困難である。
【０００８】
また、ｎ＋層の形成領域の角に丸みが形成され、基板に対して垂直な界面が形成することが困難である。
【０００９】
したがって、多孔質領域を形成する際、ｎ＋層の形成領域の下に多孔質が広がって形成され、多孔質領域界面が垂直に形成されないことがある。
【００１０】
その形状を制御することが困難であることにより、半導体基板内部にアスペクト比が大きい中空を位置や形状を制御して形成することが困難であった。
【００１１】
また、開口を形成して、熱処理を行う形成方法では、熱処理によって、複数の球形となり、アスペクト比の大きい中空を位置や形状を制御して形成することが困難であった。
【００１２】
そこで、本発明は、半導体基板の内部にアスペクト比が大きい中空を位置や形状を制御して形成する方法とアスペクト比が大きい中空が形成された半導体基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、第１の層と、前記第１の層の上に形成された前記第１の層より正孔濃度が低い第２の層を有する半導体基板の内部に中空を形成する方法であって、前記半導体基板に、前記第２の層を貫通して前記第１の層に開口を形成する工程と、前記第１の層の開口内の壁面を多孔質領域にする工程と、前記開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、前記開口を封止する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、第１の層と、前記第１の層より正孔濃度が低く前記第１の層の上に形成された第２の層を有する半導体基板の内部に中空を形成する方法であって、前記第１の層が形成された半導体基板に開口を形成する工程と、該第１の層が形成された半導体基板に、前記第１の層より低い正孔濃度を有する第２の層を前記開口を保ったまま形成する工程と、前記第１の層の開口内の壁面を選択的に多孔質領域にする工程と、前記開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、前記開口を封止する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、内部に中空が形成された半導体基板であって、前記半導体基板は、第１の層と該第１の層より正孔濃度の低い第２の層よりなり、前記第２の層に接して前記第１の層に形成されたアスペクト比（中空の深さ／半導体基板の表面の法線方向からみた前記中空の短辺長）が１より大きく、中空の上面が概略平面で構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、第１の層の開口内壁面に多孔質領域を形成することにより、多孔質領域の形状を制御して形成することが可能となり、半導体基板内部にアスペクト比が大きい中空を位置や形状を制御して形成することができる。
【００１７】
また、中空の深さが半導体基板表面の法線方向からみた中空の短辺長よりも大きく、インクジェットプリンタなどの液体移送装置に適用した場合、ノズルの高密度化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態を説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
半導体基板は不純物ドーピングにより価電子制御できる材料であればよく、陽極化成可能な材料であれば用いることができる。たとえば、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなどのＩＶ族半導体の単結晶基板、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の単結晶基板を用いることができる。
【００２０】
第１の層と第１の層より正孔濃度の低い第２の層を有する半導体基板は、エピタキシャル成長や、イオン注入、熱拡散などにより第２の層が形成されている基板を用いることができる。
【００２１】
陽極化成における半導体材料の溶解には正孔が水溶液界面近傍に供給される必要があるので、第１の層より第２の層の正孔濃度を低くしておくことで、第１の層より第２の層の多孔質形成が阻害されるようにできる。
【００２２】
第１の層と第２の層との正孔濃度の差を高くしておくほど、多孔質形成の選択性は高くなる。
【００２３】
第１の層はより正孔の濃度を高めておくために、Ｐ型導電層であることが好ましい。抵抗率において、０.００１〜１０Ωｃｍ程度の正孔濃度が好ましい。
【００２４】
第２の層はより正孔濃度を低くしておくために、Ｎ型導電層であることが好ましい。また、基板の一部に第２の層を形成すれば、能動回路素子部と一体形成する場合、能動素子回路素子を形成する層を適当に選ぶことができるので、基板の選択肢が広がるので好適である。
【００２５】
第１の層と第１の層より正孔濃度の低い第２の層を有する半導体基板にシリコンを用いて、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【００２７】
まず、図１（ａ）は、開口１０３を形成する前の半導体基板１０６を示している。半導体基板１０６は第１の層１０１と第１の層１０１より正孔濃度の低い第２の層１０２からなる。
【００２８】
図１（ｂ）に示す工程では、第１の層１０１と第１の層１０１より正孔濃度の低い第２の層１０２を有する半導体基板１０６に、第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に開口１０３を形成する。
【００２９】
開口１０３の形成方法は所望のアスペクト比が制御性よく形成できれば良く、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等が用いられる。
【００３０】
半導体基板１０６上にマスク材としての例えばシリコン窒化膜１０７が形成され、このシリコン窒化膜１０７が不図示のレジストパターンをマスクとしてエッチングされる。こうして、シリコン窒化膜１０７がパターニングされる。
【００３１】
この後、レジストパターンが除去され、シリコン窒化膜１０７をマスクとして半導体基板１０６がエッチングされ、第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に開口１０３が形成される。
【００３２】
その後、マスクとして形成したシリコン窒化膜１０７は除去しても良いが、第１の層１０１の開口１０３内の壁面を多孔質領域１０４にする工程において、表面のエッチング保護として用いることができる。
【００３３】
この場合、マスクとして形成したシリコン窒化膜１０７は開口を封止する工程の前で除去する。
【００３４】
この工程において、重要なことは開口１０３が第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に達していることである。
【００３５】
このようにすることによって、開口１０３内の壁面に第１の層１０１と第２の層１０２の界面が露出して存在し、多孔質領域１０４を形成する工程において多孔質領域１０４と非多孔質領域の界面を決定することができるからである。
【００３６】
形成する開口はひとつでも良く、開口１０３の数及び配置は、所望の中空１０５を得るために、適時調整すればよい。開口１０３の開口部の平面形状は、任意の形でよく、例えば、円形とする。
【００３７】
開口１０３の間隔は、多孔質形成厚さよりも十分小さい間隔で形成しておけば、各開口１０３の間が多孔質化しており、開口の第１の層内の幅を拡大する工程で多孔質領域１０４が凝集することにより、中空が連接する。
【００３８】
次いで、図１（ｃ）に示す工程では、開口１０３の露出した壁面に多孔質領域１０４を形成する。
【００３９】
多孔質領域１０４は、電解液中で陽極化成を施すことによって形成することができる。ここで、電解液としては、例えば、フッ化水素を含む溶液、フッ化水素及びエタノールを含む溶液、フッ化水素及びイソプロピルアルコールを含む溶液等が好適である。
【００４０】
陽極化成により多孔質を形成する過程は、中空１０５の形状を左右する重要な工程で、形状に与える作用を以下に説明する。
【００４１】
正孔濃度の高い第１の層１０１中では電位勾配がほとんど生じず、多孔質領域１０４の先端に供給される正孔濃度はほぼ均一である。そのため、接液面から陽極化成時の電流（正孔）の流れに沿って多孔質（成長方向に空間が連なった構造）が成長していく。
【００４２】
たとえば、図２に示すように、開口を第１の層２０１に隣接して第２の層２０２中にのみ形成した場合のように開口が点とみなせる場合には、概略球状に多孔質領域２０３が形成されることとなる。
【００４３】
一方、第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に開口を形成した場合、開口１０３の側面からは開口側壁面に垂直方向（基板に水平な方向）に多孔質が成長していく。
【００４４】
したがって、開口の側壁が滑らかに形成されていれば、多孔質領域１０４の幅は深さ方向に均一になり、多孔質領域１０４が形成される最小幅は開口の直径と多孔質を形成する厚さによって決定される。
【００４５】
開口１０３の底面からは開口底壁面（基板に垂直な方向）に多孔質が成長していくため、多孔質領域１０４が形成される深さは、開口１０３の形成深さと多孔質を形成する厚さによって決定される。
【００４６】
また、開口の側面と底面で構成される角からは概略扇型に多孔質が形成される。
【００４７】
したがって、その平面形状が円形に形成された単独の開口からは、逆釣鐘形の多孔質領域１０４が形成される。
【００４８】
正孔濃度の低い第２の層１０２では、そもそも正孔が少ないために、多孔質領域１０４が形成されないか、極めて、薄くしか形成されない。
【００４９】
したがって、図１（ｃ）に示したように、第１の層１０１と第２の層１０２の界面で、第１の層１０１中では概略基板に水平な方向に多孔質が伸びた多孔質領域１０４と第２の層１０２中では非多孔質領域となる界面ができる。
【００５０】
これらの２つの作用によって、以下のことができるようになる。
【００５１】
（１）多孔質領域１０４の幅及び深さが所定の値に制御できる。
【００５２】
（２）多孔質の成長方向が制御できる。
【００５３】
（３）第１の層１０１と第２の層１０２の界面に第１の層１０１中では概略基板に水平な方向に多孔質が伸びた多孔質領域１０４と第２の層中では非多孔質領域となる界面を形成できる。
【００５４】
これらのことができることは、アスペクト比を決める重要な要素である。
【００５５】
次いで、図１（ｄ）に示す工程では、開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、開口を封止する工程を非酸化性の気体で熱処理を行う。例えば、水素の雰囲気中で、温度１１００℃、圧力３００Ｔｏｒｒ程度の条件で熱処理する。
【００５６】
このようにすることにより、以下のことが同時に、又は続いて起こり、半導体基板１０６中に中空１０５が形成される。
【００５７】
（１）開口１０３によって形成された多孔質領域１０４が凝集して一体化される過程
（２）第２の層１０２中の開口面が、表面エネルギーを最小にするように生じるシリコンの表面マイグレーションによって閉ざされる過程
このようにして、開口部がない中空構造を作製することができる。
【００５８】
多孔質領域１０４は、表面エネルギーを最小にするように凝集してゆくので多孔質が成長した方向（孔が成長した方向）に凝集してゆく。
【００５９】
このとき、図１（ｃ）に示すように、概略開口１０３壁面に垂直方向に多孔質が成長しているので、第１の層１０１中のシリコンと多孔質領域１０４の界面に垂直な方向に凝集してゆくことになる。
【００６０】
また、第１の層１０１と第２の層１０２の界面は概略基板に水平な方向に多孔質が伸びた多孔質領域１０４と非多孔質領域の界面と成っているので、第２の層１０２方向へは多孔質が凝集しない。
【００６１】
したがって、中空が形成される上端が第１の層１０１と第２の層１０２の界面に制御され、また、概略多孔質領域１０４の形状を保ったまま、中空１０５となる。
【００６２】
以上の作用により、アスペクト比の大きな中空が形状を制御して作製することが可能となる。
【００６３】
単独の開口の場合、概略、多孔質の形状に従った逆釣鐘型の中空となる。逆釣鐘型とは、断面形状の上面と側面が概略直線で構成され、底面に円弧を持った形状をさし、図４（ａ）に多孔質領域１０４を形成する際の形状を示す。
【００６４】
また、図４（ｂ）に中空１０５が形成される形状を示す。条件によっては上面と側面の角には底面より小さな円弧が形成されることがある。
【００６５】
中空１０５が形成される最小幅Ｘは開口の直径ｗと多孔質が凝集して中空になる幅、つまり、おおむね、多孔質を形成する厚さｔの２倍と多孔度αによって決定される。
【００６６】
Ｘ＝ｗ＋２×ｔ×（１−α）
多孔度αは、シリコンの体積にしめる空孔の体積の割合である。
【００６７】
また、中空１０５が形成される深さＴは、開口１０３の形成深さｈから正孔濃度の低い第２の層１０２の厚さｄを除いた深さと多孔質が凝集して中空になる厚さ、つまり、おおむね多孔質を形成する厚さと多孔度によって決定される。
【００６８】
Ｔ＝ｈ−ｄ＋ｔ×（１−α）
アスペクト比はＴ／Ｘ＞１であるには、
ｈ＞ｗ＋ｄ＋ｔ×（１−α）
したがって、以下の式で示す開口１０３の形成深さにすれば、アスペクト比（中空が形成される深さＴ／中空が形成される最小幅Ｘ）が１以上の中空が形成できる。
【００６９】
ｈ＞ｗ＋ｄ＋ｔ
また、表面エネルギーを最小にするように生じるシリコンの表面マイグレーションによって第２の層１０２の開口面が閉ざされるために、直径ｗと第２の層１０２の厚さｄとの比（ｄ／ｗ）が５以上であることが望ましい。
【００７０】
以上は、開口１０３の平面形状が円の場合があるが、多角形の場合は、その多角形に内接する最大の円の直径ｗを開口の直径ｗとして用いればよく、楕円形では、その短径を開口の直径ｗとして用いればよい。
【００７１】
また、複数の開口を一列に並べて中空とする場合は、図５に示すように開口１０３の並びと垂直な方向の開口の径ｗ２を開口の直径ｗとして用いればよい。
【００７２】
次に具体的に中空を作製する代表的な例を示す。
【００７３】
（ａ）半導体基板１０６として、Ｐ型（１００）の比抵抗０.０１Ωｃｍのシリコン基板上にＮ型の比抵抗１Ωｃｍの層を１μｍエピタキシャル成長させた基板を用意する。
【００７４】
（ｂ）基板１０１上にマスク材としてのシリコン窒化膜１０７を形成し、このシリコン窒化膜１０７を不図示のレジストパターンをマスクとしてエッチングする。この後、レジストパターンを除去し、ドライエッチング用のガスとしてＳＦ６とＯ２を用い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）にてシリコン窒化膜１０７をマスクとして半導体基板１０６をエッチングし、開口１０３を形成する。開口は円形とし、直径は０.２μｍ、開口の深さは８μｍとする。
【００７５】
（ｃ）引き続き、半導体基板１０６に陽極化成を行う。陽極化成は４９％フッ化水素酸溶液とアルコール溶液を１：１の割合で混合した溶液中で５分間、電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２で行う。多孔質の形成厚さは６μｍとなる。多孔度は５０％となる。マスクとして形成したシリコン窒化膜１０７は、引き続き、通電を行なわずに溶液中に３０分間保持することによって、除去する。
【００７６】
（ｄ）続いて、純水にて洗浄を行ない、水素の雰囲気中で、温度１１００℃、圧力３００Ｔｏｒｒ、１時間の熱処理を行う。
【００７７】
以上のようにして、中空の深さが１０μｍ、中空の幅が６.２μｍの逆釣鐘形の中空ができる。
【００７８】
以上説明したように、半導体基板内部にアスペクト比が大きい中空を形成することができることから、例えば、中空の形状や位置が特性に影響を与えるような共振器を使う用途であるマイク、共振フィルター、ＦＢＡＲに好適である。特に、メンブレンの位置が第１の層と第２の層の界面に制御されることは、共振器等のメンブレン構造を作製する場合には好適である。
【００７９】
中空の上面が概略平面で構成されていることでメンブレンの厚さを精度良く制御できる。
【００８０】
また、一体形状でアスペクト比を大きくできることによって、流体の漏れを気にすることなく、コンダクタンスを維持しながら高密度に流路を造れる。よって、微小流体流路、液体移送装置であるマイクロリアクター、インクジェットプリンタに好適である。
【００８１】
インクジェットプリンタに適応した場合、コンダクタンスを維持しながら高密度に流路を造れることからリフィイル性を維持しながら、ノズルピッチを狭めることができ、プリントスピードを維持しながら高精細化を計れる。
【００８２】
また、中空の上面が概略平面で構成されていることでメンブレンの厚さを精度良く制御できる。よって、ノズルの形成精度を高めることができ、高精細化を計ることができる。
【００８３】
また、断面形状が逆釣鐘形となることによって、流体のノズル形成面は平面で、底面を円弧状の構成にできる。デットスペースが少なくなり、流体の移送をスムーズになり、ノズル面からの吐出が安定する。
【００８４】
また、中空の内壁を多孔質領域とすることができること、酸化されている領域とすることができることによって、内面での流体との熱交換を遅らせたり、流体の濡れ性を変えたりすることができる。特に体積に比べ表面積が増える微小な流体流路、液体移送装置等に好適である。
【００８５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態とは異なる第２の実施形態としての中空を形成する製造方法を説明する。
【００８６】
図１（ｄ）に示す工程で、開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、前記開口を封止する工程をそれぞれ、エッチングにより少なくとも多孔質領域の一部を除去する工程と、エピタキシャル成長によって開口の封止工程によって行う。
【００８７】
このようにして、開口部がない中空構造を作製することができる。
【００８８】
（第３の実施形態）
第１の実施形態及び第２の実施形態とは異なる第３の実施形態としての中空を形成する製造方法を説明する。
【００８９】
第３の実施形態では、第１の層１０１より低い正孔濃度を有する第２の層１０２を第１の層１０１を有する半導体基板１０６に開口１０３を形成する工程の後に開口１０３の開口を保ったまま形成することが第１の実施形態と異なる。
【００９０】
半導体基板１０６にシリコンを用いて、第３の実施形態としての中空を形成する製造方法を第１の形態と異なる部分について説明する。
【００９１】
図３は、本発明の第３の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【００９２】
まず、図３（ａ）に示す工程では、第１の層３０１を有する半導体基板に開口３０２を形成する。
【００９３】
図３（ｂ）に示す工程では、第１の層３０１を有する半導体基板に第１の層３０１より低い正孔濃度を有する第２の層３０３を形成する。第１の層３０１より正孔濃度の低い第２の層３０３は、エピタキシャル成長や、イオン注入などにより形成することができる。
【００９４】
この工程で重要な要素は第１の層３０１を有する半導体基板に形成した開口３０２の開口部を維持したまま、第１の層３０１より低い正孔濃度を有する第２の層３０３を形成することが重要である。
【００９５】
このようにすることによって、開口３０２内壁面に第１の層３０１と第２の層３０３の界面が露出して存在し、続く多孔質領域３０４を形成する工程において多孔質領域３０４と非多孔質領域の界面を決定できるからである。
【００９６】
イオン注入では、開口部のみをレジスト等で閉鎖した後にイオン注入を行うことによって、開口３０２の開口部を維持したまま、第１の層３０１より低い正孔濃度を有する第２の層３０３を形成することができる。
【００９７】
次いで、図３（ｃ）に示す工程では、開口３０２の露出した内壁面に多孔質領域３０４を形成する。
【００９８】
次いで、図３（ｄ）に示す工程では、非酸化性の気体で熱処理を行う。
【００９９】
例えば、水素の雰囲気中で、温度１１００℃、圧力３００Ｔｏｒｒ程度の条件で熱処理する。
【０１００】
このようにすることにより、以下のことが同時に、又は、続いて起こり、基板中に中空３０５が形成される。
【０１０１】
（１）開口３０２によって形成された多孔質領域３０４が凝集して一体化される過程
（２）第２の層３０３中の開口面が、表面エネルギーを最小にするように生じるシリコンの表面マイグレーションによって閉ざされる過程
（第４の実施形態）
第１から３の実施形態とは異なる第４の実施形態としての中空を形成する方法を説明する。
【０１０２】
図３（ｄ）に示す工程で、開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、開口を封止する工程をそれぞれ、エッチングにより少なくとも多孔質領域の一部を除去する工程と、エピタキシャル成長によって開口の封止工程によって行う。このようにして、開口部がない中空構造を作製することができる。
【０１０３】
（第５の実施形態）
第５の実施形態では、第１の実施形態から第４の実施形態に適用可能な他の技術について説明する。
【０１０４】
図６は、本発明の第５の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【０１０５】
図６（ｅ）の半導体基板１０６に熱処理を行う工程に先立ち、図６（ｄ）に示すエッチングにより少なくとも多孔質領域１０４の一部を除去することによって、エッチングされた領域６０１を形成する。
【０１０６】
少なくとも多孔質領域１０４の一部を除去することによって、多孔質領域１０４の凝集する時間を短縮することができる。
【０１０７】
また、多孔質領域１０４を全てエッチングすることで、多孔度に関係なく、中空１０５が形成される最小幅Ｘ、中空１０５が形成される深さＴを決定できる。中空１０５が形成される最小幅Ｘ、中空１０５が形成される深さＴはそれぞれ以下のようになる。
【０１０８】
Ｘ＝ｗ＋２×ｔ
Ｔ＝ｈ−ｄ＋ｔ
エッチングにより少なくとも多孔質領域の一部を除去する方法は、特許文献２記載の多孔質シリコンの選択的エッチングによるものである。
【０１０９】
結晶シリコンに対してはエッチング作用を持たないエッチング液を用いることにより、多孔質シリコンを選択的にエッチングできる。
【０１１０】
選択的エッチング液として、利用可能なものは、以下のものがあげられる。
【０１１１】
（１）弗酸（もしくはバッファード弗酸）
（２）弗酸（もしくはバッファード弗酸）に過酸化水素水を加えたもの
（３）弗酸（もしくはバッファード弗酸）にアルコールを加えたもの
（４）弗酸（もしくはバッファード弗酸）に過酸化水素水及びアルコールを加えた混合液
（第６の実施形態）
第６の実施形態では第１から第５の実施形態に適用可能な他の技術について説明する。
【０１１２】
図７は、本発明の第６の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【０１１３】
半導体基板１０６に熱処理を行う工程に先立ち、多孔質の孔の側壁に酸化膜を形成する工程と、第２の層表面の酸化膜を除去する工程とすることで、多孔質の孔の側壁に酸化膜が形成される領域７０１が形成される。
【０１１４】
多孔質の孔の側壁に酸化膜が形成される領域７０１が形成されると、酸化膜によりシリコン原子がマイグレーションを起こしにくくなるので、熱処理工程で多孔質がマイグレーションによって凝集するのを遅くすることができる。
【０１１５】
一方、第２の層１０２表面の酸化膜を除去することで、第２の層１０２中の開口面が、表面エネルギーを最小にするように生じるシリコンの表面マイグレーションによって閉ざされる効果は阻害することはない。
【０１１６】
このようにすれば、熱処理工程において、多孔質がマイグレーションによって凝集する現象を遅くすることができ、第１の層１０１中に完全に凝集せず、中空１０５の内壁に多孔質領域７０２を造りこむことが容易にできる。
【０１１７】
上記、作製法ではおおむね、多孔質領域７０２は中空１０５の内面に連接した構造ではなく、数ｎｍから数十ｎｍの略球形からなる形状であって、領域中に分散した構造となる。
【０１１８】
具体的には、４００℃、１ｈのドライ酸化で孔の側壁を約１ｎｍ酸化し、その後、ＨＦ Ｄｉｐにより多孔質表面の酸化膜のみ除去することによってできる。
【０１１９】
また、中空１０５に多孔質領域７０２を造りこむ別な方法として、多孔質領域１０４を互いに多孔度の異なる２層以上の層からなる多層構造としても良い。
【０１２０】
ここで、多層構造の多孔質領域１０４は、開口内壁面に近い領域に第１の多孔度を有する第１の多孔質領域、そのまわりの領域に、第１の多孔度より小さい第２の多孔度を有する第２の多孔質領域を含むことが好ましい。
【０１２１】
ここで、第１の多孔度（多孔質領域の体積に対する細孔部分の体積の比）としては、１０％〜７０％が好ましく、また、第２の多孔度としては、１０％〜３０％が好ましい。
【０１２２】
このようにすれば、熱処理工程において、多孔度によって多孔質領域の凝集速度が異なることから、中空に多孔質領域７０２を造りこむことが容易にできる。
【０１２３】
（第７の実施形態）
第７の実施形態では第１から第６の実施形態に適用可能な他の技術について説明する。
【０１２４】
図８は、本発明の第７の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【０１２５】
半導体基板１０６に熱処理を行う工程の後に、熱酸化することによって、中空１０５内面を酸化された領域８０１とすることができる。
【０１２６】
上記熱酸化は、例えば９００℃、酸素とＨＣｌとの混合ガス雰囲気中で行うことによって、中空１０５の内面及びシリコン基板の表面に酸化された領域８０１を形成する。
【０１２７】
表面の酸化された領域は、エッチングにより適時除去する。このようにして、中空１０５内面を酸化された領域８０１とすることができる。
【０１２８】
（第８の実施形態）
第８の実施形態では第１から第７の実施形態とは異なる第８の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を説明する。
【０１２９】
図９は、本発明の第８の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【０１３０】
図９（ａ）に示す工程で第２の層を部分的に形成する。具体的には、不図示のマスクによりホトリソグラフィーにより、第２の層の一部をエッチングにより除去する。
【０１３１】
図９（ｂ）に示す工程では、第１の層１０１と第１の層より正孔濃度の低い第２の層１０２を有する半導体基板１０６に、第２の層を貫通して第１の層に開口１０３を形成する。
【０１３２】
開口１０３の形成方法は所望のアスペクト比が制御性よく形成できれば良く、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等が用いられる。
【０１３３】
半導体基板１０６上にマスク材としての例えばシリコン窒化膜１０７が形成され、このシリコン窒化膜１０７が不図示のレジストパターンをマスクとしてエッチングされる。
【０１３４】
こうして、シリコン窒化膜１０７がパターニングされる。
【０１３５】
この後、レジストパターンが除去され、シリコン窒化膜１０７をマスクとして半導体基板１０６がエッチングされ、第２の層１０２を貫通して第１の層１０１に開口１０３が形成される。
【０１３６】
その後、マスクとして形成したシリコン窒化膜１０７は、陽極化成により第１の層１０１の開口１０３内壁面に多孔質領域１０４を形成する工程において、表面のエッチング保護として用いる。
【０１３７】
その後、第１の実施形態と同様に図９（ｃ）、（ｄ）に示すように、第１の層の開口内壁面に多孔質領域を形成する工程と、開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、開口を封止する工程を行う。
【０１３８】
以上によって、部分的に第２の層が形成された半導体基板内部に中空部を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明は、インクジェットプリンタなどの液体移送装置などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の第１の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【図２】多孔質領域を形成する様子を示す模式断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【図４】多孔質領域を形成する際の形状及び中空部が形成される形状を示す断面図である。
【図５】複数の開口を一列に並べて中空とする場合の開口の様子を示す平面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【図７】本発明の第６の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【図８】本発明の第７の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【図９】本発明の第８の実施形態としての半導体基板の内部に中空を形成する方法を示す図である。
【符号の説明】
【０１４１】
１０１ 第１の層
１０２ 第２の層
１０３ 開口
１０４ 多孔質領域
１０５ 中空
１０６ 半導体基板
３０１ 第１の層
３０２ 開口
３０３ 第２の層
３０４ 多孔質領域
３０５ 中空
６０１ エッチングされた領域
７０１ 多孔質の孔の側壁に酸化膜が形成される領域
７０２ 多孔質領域
８０１ 酸化された領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の層と、前記第１の層の上に形成された前記第１の層より正孔濃度が低い第２の層を有する半導体基板の内部に中空を形成する方法であって、
前記半導体基板に、前記第２の層を貫通して前記第１の層に開口を形成する工程と、
前記第１の層の開口内の壁面を多孔質領域にする工程と、
前記開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、
前記開口を封止する工程と、を含むことを特徴とする半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項２】
前記開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、前記開口を封止する工程と、は同時に行われる工程であることを特徴とする請求項１記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項３】
前記同時に行われる工程は非酸化性の気体での熱処理であることを特徴とする請求項２記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項４】
前記開口の深さを、前記第２の層の厚さと、前記開口の短径と、前記多孔質の厚さとの和よりも深くすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項５】
前記第１の層は、Ｐ型導電層からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項６】
前記第２の層は、Ｎ型導電層からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項７】
前記基板は単結晶のシリコンからなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項８】
前記第２の層は、部分的に形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項９】
第１の層と、前記第１の層より正孔濃度が低く前記第１の層の上に形成された第２の層を有する半導体基板の内部に中空を形成する方法であって、
前記第１の層が形成された半導体基板に開口を形成する工程と、
該第１の層が形成された半導体基板に、前記第１の層より低い正孔濃度を有する第２の層を前記開口を保ったまま形成する工程と、
前記第１の層の開口内の壁面を選択的に多孔質領域にする工程と、
前記開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、
前記開口を封止する工程と、を含むことを特徴とする半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１０】
前記開口の前記第１の層内の幅を拡大する工程と、前記開口を封止する工程と、を同時に行なわれる工程であることを特徴とする請求項９記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１１】
前記同時に行なわれる工程は非酸化性の気体での熱処理であることを特徴とする請求項１０記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１２】
前記開口の深さを前記第２の層の厚さと前記半導体基板の表面の法線方向からみた前記開口の短辺長と多孔質の形成厚さとの和よりも深くすることを特徴とする請求項９記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１３】
前記第１の層は、Ｐ型導電層からなることを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１４】
前記基板は、単結晶のシリコンからなることを特徴とする請求項９から１３のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１５】
前記第２の層は、Ｎ型導電層からなるように形成することを特徴とする請求項９から１４のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１６】
前記第２の層は、単結晶のシリコンからなるように形成することを特徴とする請求項９から１５のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１７】
前記第２の層は、前記開口の開口部を含むように部分的に形成することを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１８】
前記開口を封止する工程に先立ち、エッチングにより少なくとも多孔質領域の一部を除去することを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１９】
前記開口を封止する工程に先立ち、多孔質の孔の側壁に酸化膜を形成する工程と、前記第２の層表面の酸化膜を除去する工程と、を含むことを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項２０】
前記開口を封止する工程の後に熱酸化する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項２１】
内部に中空が形成された半導体基板であって、
前記半導体基板は、第１の層と該第１の層より正孔濃度の低い第２の層よりなり、
前記第２の層に接して前記第１の層に形成されたアスペクト比（中空の深さ／半導体基板の表面の法線方向からみた前記中空の短辺長）が１より大きく、中空の上面が概略平面で構成されていることを特徴とする半導体基板。
【請求項２２】
前記中空の断面形状が、逆釣鐘形であることことを特徴とする請求項２１記載の半導体基板。
【請求項２３】
前記中空の内壁に多孔質領域があることを特徴とする請求項２１又は２２記載の半導体基板。
【請求項２４】
前記多孔質領域は前記第１の層の中にあることを特徴とする請求項２３記載の半導体基板。
【請求項２５】
前記中空の内壁に酸化されている多孔質領域があることを特徴とする請求項２１から２４のいずれか１項記載の半導体基板。
【請求項２６】
前記酸化されている多孔質領域は前記第１の層の中にあることを特徴とする請求項２５記載の半導体基板。
【請求項１】
第１の層と、前記第１の層の上に形成された前記第１の層より正孔濃度が低い第２の層を有する半導体基板の内部に中空を形成する方法であって、
前記半導体基板に、前記第２の層を貫通して前記第１の層に開口を形成する工程と、
前記第１の層の開口内の壁面を多孔質領域にする工程と、
前記開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、
前記開口を封止する工程と、を含むことを特徴とする半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項２】
前記開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、前記開口を封止する工程と、は同時に行われる工程であることを特徴とする請求項１記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項３】
前記同時に行われる工程は非酸化性の気体での熱処理であることを特徴とする請求項２記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項４】
前記開口の深さを、前記第２の層の厚さと、前記開口の短径と、前記多孔質の厚さとの和よりも深くすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項５】
前記第１の層は、Ｐ型導電層からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項６】
前記第２の層は、Ｎ型導電層からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項７】
前記基板は単結晶のシリコンからなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項８】
前記第２の層は、部分的に形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項９】
第１の層と、前記第１の層より正孔濃度が低く前記第１の層の上に形成された第２の層を有する半導体基板の内部に中空を形成する方法であって、
前記第１の層が形成された半導体基板に開口を形成する工程と、
該第１の層が形成された半導体基板に、前記第１の層より低い正孔濃度を有する第２の層を前記開口を保ったまま形成する工程と、
前記第１の層の開口内の壁面を選択的に多孔質領域にする工程と、
前記開口の第１の層内の幅を拡大する工程と、
前記開口を封止する工程と、を含むことを特徴とする半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１０】
前記開口の前記第１の層内の幅を拡大する工程と、前記開口を封止する工程と、を同時に行なわれる工程であることを特徴とする請求項９記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１１】
前記同時に行なわれる工程は非酸化性の気体での熱処理であることを特徴とする請求項１０記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１２】
前記開口の深さを前記第２の層の厚さと前記半導体基板の表面の法線方向からみた前記開口の短辺長と多孔質の形成厚さとの和よりも深くすることを特徴とする請求項９記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１３】
前記第１の層は、Ｐ型導電層からなることを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１４】
前記基板は、単結晶のシリコンからなることを特徴とする請求項９から１３のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１５】
前記第２の層は、Ｎ型導電層からなるように形成することを特徴とする請求項９から１４のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１６】
前記第２の層は、単結晶のシリコンからなるように形成することを特徴とする請求項９から１５のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１７】
前記第２の層は、前記開口の開口部を含むように部分的に形成することを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１８】
前記開口を封止する工程に先立ち、エッチングにより少なくとも多孔質領域の一部を除去することを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項１９】
前記開口を封止する工程に先立ち、多孔質の孔の側壁に酸化膜を形成する工程と、前記第２の層表面の酸化膜を除去する工程と、を含むことを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項２０】
前記開口を封止する工程の後に熱酸化する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項記載の半導体基板の内部に中空を形成する方法。
【請求項２１】
内部に中空が形成された半導体基板であって、
前記半導体基板は、第１の層と該第１の層より正孔濃度の低い第２の層よりなり、
前記第２の層に接して前記第１の層に形成されたアスペクト比（中空の深さ／半導体基板の表面の法線方向からみた前記中空の短辺長）が１より大きく、中空の上面が概略平面で構成されていることを特徴とする半導体基板。
【請求項２２】
前記中空の断面形状が、逆釣鐘形であることことを特徴とする請求項２１記載の半導体基板。
【請求項２３】
前記中空の内壁に多孔質領域があることを特徴とする請求項２１又は２２記載の半導体基板。
【請求項２４】
前記多孔質領域は前記第１の層の中にあることを特徴とする請求項２３記載の半導体基板。
【請求項２５】
前記中空の内壁に酸化されている多孔質領域があることを特徴とする請求項２１から２４のいずれか１項記載の半導体基板。
【請求項２６】
前記酸化されている多孔質領域は前記第１の層の中にあることを特徴とする請求項２５記載の半導体基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１１９６１８（Ｐ２００９−１１９６１８Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９３１６１（Ｐ２００７−２９３１６１）
【出願日】平成１９年１１月１２日（２００７．１１．１２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１２日（２００７．１１．１２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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