キャビティSOI

空洞シリコン・オン・インシュレーター（C-SOI）ウェーハは、最先端のSOI技術で、ハンドルウェーハにあらかじめエッチングされた空洞があります。キャビティはパターンと呼ばれることもあり、内側を向いて接着されるため、ウェハー内部にキャビティが埋設されます。これらは微小電気機械システム（MEMS）技術に多くの応用があり、従来のSOI技術と同様に、バルク・シリコン・マイクロ加工よりも多くの利点を提供する。この技術の大きな利点のひとつは、デバイスとSOIウェハーのハンドル層との間の寄生容量が減少することである。これにより、デバイスがより効率的に機能するようになります。より深いキャビティとより小さなボンディング領域を使用すれば、他の変数が制御されている限り、寄生容量をさらに減らすことができます。

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C-SOI製造プロセス：

キャビティ SOI の製造は、キャビティの形成が異なる利点と潜在的な欠点をもたらすため、従来の SOI 製造とは若干異なります。このプロセスは主に MEMS 産業での使用に最適化されていますが、様々なアプリケーションでデバイス機能を向上させる可能性があります。

場合によっては、総厚さばらつき（TTV）とデバイス機能を改善するために、キャビティにピラーがエッチングされます。ピラーを含めることで、より高品質のシリコン・ダイアフラム（キャビティ上のシリコン層）が形成され、キャビティの均一性が向上します。また、アスペクト比を高くすることで、デバイス性能が向上し、リソグラフィ時のプロセス制御が改善されます。キャビティの大きさによってデバイス層を薄くする能力が変わるため、ピラーを含めるとウェーハのTTVと整合性に影響を与える可能性があります。これらが明確に定義されていない場合、共振特性に影響を与え、基板の異なる領域が異なる振幅で振動することになり、非常に高いTTV、デバイスの誤動作、破損につながる可能性があります。

ステップ・バイ・ステップのプロセスフロー：

1. ベアシリコン基板を準備する

• 製造は、製造中に問題を引き起こす可能性のある表面の粒子を取り除くためのクリーニングから始まります。

2.ウェーハにエッチングされるキャビティを明確に定義するために、ハンドル基板にフォトマスクを適用します。

• パターンを作成するために、プラズマポリマーフィルムを基板に塗布します。このステップで、ピラーを使用する場合は、ピラーも定義されます。多くのプロジェクトでは、ピラーを使用することで、より深いキャビティと高いアスペクト比を実現し、エッチングや二次加工時に発生する可能性のあるノッチングやその他の問題のリスクを抑えることができます。

3.ディープリアクティブイオンエッチング（DRIE）により材料を除去してキャビティを形成し、フォトレジストストリップを形成します。

• DRIE エッチングは、フォトマスクで定義されたキャビティを作成するために、非常に正確な量のシリコンを除去します。フォトマスクで覆われていない領域は、イオン衝撃によってエッチングされ、必要なキャビティが作成されます。このステップでは、キャビティに支柱が切り込まれます。DRIE は、エッチング速度の均一性が高く、全体的にシンプルなため、最も一般的です。このプロセスには液体エッチング剤が必要なため、このプロセスはテクノロジーの発展とともに最適化されていきます。
• エッチング速度は、キャビティの幅とアスペクト比によって0.8μm/minから1.25μm/minまで変化します。 キャビティのエッチング後、フォトマスクは剥離され、パターン化されたウェハが残ります。

4.基板を洗浄する

• ウェーハをエッチングした後、余分なシリコンとフォトレジストを取り除くことが重要です。これにより、ボンディング時の問題を防ぐことができます。

5.絶縁層の蒸着

• 熱酸化物（または代替絶縁体）は、エッチングの前または後に堆積できますが、プロジェクトの要件に応じて、場合によってはその両方を行うこともできます。エッチングの前に酸化物堆積が行われると、エッチングは酸化物層を通過して基板まで進みます。エッチングにより、下にある基板の一部も除去される可能性があります。これにより、深さによっては、空洞壁に絶縁体がまったくなくなる可能性があります。
• エッチング後に酸化膜が成長すると、キャビティの角に小さなバンプが形成されます。バンプの高さは5～20μmで、絶縁膜の厚さによって変化します。また、二酸化ケイ素形成の性質上、すべての角がわずかに丸くなります。

6.キャップウエーハ（SOIウエーハのデバイス層）と接着

• 最良の結果を得るためには、CSOIウェーハは真空中で直接接合します。これらのウェーハは水または同様の中性物質で接着され、その後1100℃で最大2時間アニールされ、接着が固化されます。アニール後、ウェハー間の接合を促進する接着剤は存在しません。これを真空中で行うことで、キャビティに余分な空気やその他の汚染物質が滞留するのを防ぐことができます。また、キャビティ内の圧力が基板全体で均一になるため、キャップウェーハを薄化する際の一貫性の維持にも役立ちます。

7.CMP/KOH（水酸化カリウム）エッチングでトップ（デバイス）ウェハを薄くする

• キャップ・ウェハーは所望のデバイス層の厚さまで薄くしなければいけません。薄化の速度と質は、キャビティの物理的特性だけでなく、接着の質に大きく依存するため、これはCSOI製造において最も変化しやすい段階です。当然、この段階でシリコン・ダイアフラムは振動し、これらの領域で変動するTTVが生じる。以前の製造工程を真空中で行うことで、このような問題の多くを防ぐことができます。

8.アプリケーションとデバイスの仕様に応じた二次処理

• 従来の SOI とは対照的に、CSOI ウェーハは製造後に二次的な裏面加工が可能です。これは、極めて薄い膜、繊細な表面構造、金属膜スタック、そして一般的に従来のSOIウェハーよりも設計の自由度が高いことを意味します。

C-SOIウェハーの利点：

• 精度や品質に妥協することなく、装置コストを削減します。
• デバイスの小型化を実現。空洞を含むことで、ハンドル/BOX/デバイスの層を極限まで薄くすることが可能です。
• パターン化されたウェーハを接合することで、SOI 層の両面処理が可能になり、マイクロメカニクスの分野で多くの可能性が開かれます。

アプリケーション

プリエッチングされたSOIウェーハは、静電容量式慣性センサー、圧力センサー、マイクロフォン、マイクロ流体デバイスなど、様々なアプリケーションにおいて垂直方向や水平方向に動く構造体に適したプラットフォームです。

現在、ほとんどの用途はMEMSとセンサー・アプリケーションですが、このウェーハはあらゆるSOIウェーハ・アプリケーションを改善することができます。