シリコン単結晶からなる微細3次元構造体加工の研究

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08455045
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 佐藤 一雄 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (30262851)
• 研究分担者: 式田 光宏 名古屋大学, 工学研究科, 助手 (80273291)
• キーワード: シリコン / 異方性エッチング / 水酸化カリウム(KOH) / TMAH / エッチング速度 / 面粗さ / プロセスシミュレーション / マイクロマシン

研究概要

単結晶シリコンの結晶異方性エッチングプロセスをマイクロマシニングの観点から研究した.前年度のKOH水溶液に引き続き,今年度は4メチル水酸化アンモニウム(TMAH)水溶液について,エッチレートの全方位に関するマップを作成した.実験条件はTMAH濃度が5〜25%,温度が70〜90℃である.この結果,(111)周辺のエッチレートの結晶異方性がKOHとTMAHとで明らかに異なることが判明した.これは,結晶異方性がダイヤモンド結晶構造に由来するという従来の説では説明できない事実であり、結晶異方性エッチングの機構に結晶原子の結合エネルギ以外の要因が存在することを示した.
次いで,KOH水溶液による結晶異方性エッチングにおけるエッチング面の粗さについて研究を進めた.面粗さを結晶方位との関係におけるマップで表し,面粗れの進行は加工面の結晶方位に強く依存することを明らかにした.平滑な面は(100)(211)(311)に現れ,非常に粗い面は(320)(210)に現れる.エッチングにより粗面化した面をミクロ的に観察すると,表面は特定の結晶方位からなる多面体で構成されていることが判った.この事実から,エッチレートの結晶異方性とエッチング面の粗面化に何らかの関連があるものと考える.
本研究の結果得られたエッチレートのデータは,マイクロマシンデバイスの製作工程設計におけるプロセスシミュレーションを可能にするものであり,工業的に直接貢献すると同時に,エッチングメカニズムの原子レベルのモデルを確立するという学術面において,貴重な実験データとなる.この見地から,オランダ,トエンテ大学を初めとする物理化学研究者との共同研究を開始する運びとなった(平成10年度科研費国際学術研究-共同研究に採択).

研究成果

• [文献書誌] K.Sato, M.Shikida et al.: "Characterization of orientation dependent etching properties of single crystal silicon: Effects of KOH concentration" Sensors and Actuators. A64. 87-93 (1998)
• [文献書誌] K.Sato, M.Shikida et al.: "Anisotropic etching rates of single crystal silicon for TMAH water solution as a function of crystallographic orientation" Proc.of IEEE MEMS Workshop (Heidelberg,January,98). 556-561 (1998)
• [文献書誌] K.Sato, M.Shikida et al.: "Characterization of anisotropic etching profiles of single crystal silicon: surface roughening as a function of crystallographic orientation" Proc.of IEEE MEMS Workshop (Heidelberg,January,98). 201-206 (1998)
• [文献書誌] K.Sato, M.Shikida et al.: "Orientation-dependent silicon etching database allowing process-CAD for bulk micromachining" Proc.of Workshop on CAD for MEMS (Zurich,March,97). 20-21 (1997)
• [文献書誌] M.Shikida, K.Sato et al.: "Fabrication of an S-shaped microactuator" J.of MEMS. 6-1. 18-24 (1997)
• [文献書誌] T.Yoshioka, M.Yamasaki et al.: "Tensile testing of thin-film materials on a silicon chip" Proc.of IEEE 7th Int.Symp.on Micromachine and Human Science. 111-117 (1996)
• [文献書誌] K.Sato, T.Yoshioka et al.: "Characterization of mechanical properties of thin films using micromechanical silicon device" Proc.of INTERPACK′97 (Hawaii,June). vol.1. 421-425 (1997)
• [文献書誌] K.Sato, M,Shikida et al.: "Micro tensile test of silicon film having different crystallographic orientations" Tech.Dig of TRANSDUCERS′97 (Chicago,June). 595-598 (1997)
• [文献書誌] T.Ando, K.Sato et al.: "Orientation-dependent fracture strain in single crystal silicon beams under uniaxial tensile conditions" Proc.1997 Int.Symp.on Micromechatronics and Human Science. 55-60 (1997)
• [文献書誌] K.Sato, M.Shikida et al.: "Tensile-testing of thin film having different crystallographic orientations carried out on a silicon chip" Sensors and Actuators; A.Physical. (印刷中). (1998)
• [文献書誌] 佐藤一雄(分担執筆): "朝倉書店" マイクロオプトメカトロニクスハンドブック, 502 (1997)