シリコンの結晶異方性エッチングモデルと溶液組成イオン効果の研究

2009 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 19201026
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: マイクロ・ナノデバイス
• 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, 大学院・工学研究科, 准教授 (80273291) ; プレム パル 名古屋大学, 大学院・工学研究科, COE研究員(当時) (20444416) ; 木村 康男 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (40312673) ; ゴサルベス ミゲル 名古屋大学, 大学院・工学研究科, COE研究員 (10377814)
• 連携研究者: ゴサルベス ミゲル ヘルシンキ工科大学, 研究員 ; ヒュンニネン テーム ヘルシンキ工科大学, 研究員 ; フェルランド ネストル バレンシア工科大学, 研究助手
• 研究期間 (年度): 2007 – 2009
• キーワード: シリコン / 結晶 / 異方性エッチング / 不純物イオン / 界面活性剤 / 固液界面 / FTIR

研究概要

アルカリ水溶液を用いたシリコンの結晶異方性エッチングにおいて,水溶液中の成分によってエッチレートの異方性が激変する現象を解明した.エッチング液中の不純物としてのCuイオンはエッチング速度を低下させ,エッチング面を荒らす効果があることを,理論的・実験的に明らかにした.一方,エッチング液中に微量の界面活性剤を加えると,これが特定の結晶方位に選択的に吸着し,エッチレートの異方性を激変させることを,エッチング液とシリコンの固液界面でのFTIRその場観察によってはじめて見出した.この現象を利用して異なる特性を持つエッチング液を使い分けることにより,MEMSデバイスに必要とされる複雑な形状の微細3次元構造を安価に実現するプロセスを発明し,特許出願した.

研究成果

• [雑誌論文] Atomistic mechanism for the macroscopic effects induced by small additions of surfactants to alkaline etching solutions (2010)
  • 著者名/発表者名: M.A. Gosalvez, Prem. Pal, B. Tang, K. Sato
  • 雑誌名: Sensors and Actuators A, Physical 157 ページ: 91-95
  • 査読あり
• [雑誌論文] Orientation-dependent surface morphology of crystalline silicon during anisotropic etching using a continuous cellular automaton (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Xing, M.A. Gosalvez, K. Sato, H. Yi
  • 雑誌名: J. Micromechanics and Microengineering 20 ページ: 015019 (11)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication methods based on wet etching process for the realization of silicon MEMS structures with new shapes (2010)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 雑誌名: Microsystem Technologies 0956-5(in press) ページ: DOI 10. 1007/s00542-009-
  • 査読あり
• [雑誌論文] Octree-Search Kinetic Monte Carlo (2010)
  • 著者名/発表者名: M.A. Gosalvez, Y. Xing, K. Sato, R.M. Nieminen
  • 雑誌名: Sensors and Actuators A (Physical in press, accepted Feb.)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extension of 3D Shapes of MEMS Structures Realized by Wet Etching (Study of micromachining of single crystal silicon) (2010)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集C2編「マイクロ・ナノ工学シンポジウム小特集」 (in press, accepted Feb.)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Silicon micromachining based on surfactant-added tetramethyl ammonium hydroxide: Etching mechanism and advanced application (2010)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, M.A. Gosalvez, K. Sato
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics (in press, accepted Feb.)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of corner compensating structures and fabrication of various shapes of MEMS structures in pure and surfactant added TMAH (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato, M. Shikida, M.A. Gosalvez
  • 雑誌名: Sensors and Actuators A 154-2(Physical) ページ: 192-203
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suspended Si microstructures over controlled depth micromachined cavities for MEMS based sensing devices (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 雑誌名: Sensor Letters 40725 ページ: 11-16
  • 査読あり
• [雑誌論文] Various shapes of silicon freestanding microfluidic channels and microstructures in one step lithography (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 雑誌名: J. Micromechanics and Microengineering 40682 ページ: 055003 (11)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Complex three-dimensional structures in Si{1 0 0} using wet bulk micromachining (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 雑誌名: J. Micromechanics and Microengineering 40835 ページ: 105008 (9)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nieminen, Discrete and continuous cellular automata for the simulation of propagating surfaces (2009)
  • 著者名/発表者名: M.A. Gosalvez, Y. Xing, K. Sato, R.M. Nieminen
  • 雑誌名: Sensors and Actuators A 155(Physical) ページ: 98-112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ellipsometry study of the adsorbed surfactant thickness on Si{110} and Si{100} and the effect of pre-adsorbed surfactant layer on etching characteristics in TMAH (2009)
  • 著者名/発表者名: B. Tang, Prem Pal, M.A. Gosalvez, M. Shikida, K. Sato, et. al.
  • 雑誌名: Sensors and Actuators A 156-2(Physical) ページ: 334-341
  • 査読あり
• [雑誌論文] Orientation and concentration dependent surfactant adsorption on silicon in aqueous alkaline solutions: Explaining the changes in the etch rate, roughness and undercutting for MEMS applications (2009)
  • 著者名/発表者名: M.A. Gosalvez, B. Tang, Prem Pal, K. Sato, Y. Kimura, K. Ishibashi
  • 雑誌名: J. Micromechanics and Microengineering 40896 ページ: 125011 (18)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surfactant adsorption on single crystal silicon surfaces in TMAH solution: Orientation-dependent adsorption detected by in-situ infra-red spectroscopy (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato, M.A. Gosalvez, Y. Kimura, K. Ishibashi, et al.
  • 雑誌名: J. Microelectromechanical Systems 40712 ページ: 1345-1356
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of Cu impurities on wet etching of Si (110): formation of trapezoidal hillocks (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Hynninen, M.A. Gosalvez, A.S. Foster, H. Tanaka, K. Sato
  • 雑誌名: New Journal of Physics 10 ページ: 13033 (19)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analytical solution of the Continuous Cellular Automaton for anisotropic etching (2008)
  • 著者名/発表者名: M.A. Gosalvez, Y, Xing, K. Sato
  • 雑誌名: J. Microelectromechanical Systems 40591 ページ: 410-431
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomistic methods for the simulation of evolving surface (2008)
  • 著者名/発表者名: M.A. Gosalvez, Y. Xing, K. Sato, R.M. Nieminen
  • 雑誌名: J. Micromechanics and Microengineering 40681 ページ: 055029 (17)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suspended Si microstructures with rounded concave and sharp convex corners using wafer bonding and wet anisotropic etching (2008)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato, M. Shikida
  • 雑誌名: ECS Transactions 40771 ページ: 133-140
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of a Quartz Tuning-Fork Probe with a Sharp Tip for AFM Systems (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Hida, M. Shikida, K. Fukuzawa, S. Murakami, Ke. Sato, K. Asaumi, Y. Iriye, Ka. Sato
  • 雑誌名: Sensors and Actuators A 148-1(Physical) ページ: 311-318
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adsorption of metal impurities on H-terminated Si surfaces and their influence on the wet chemical etching of Si (2008)
  • 著者名/発表者名: Hynninen, A.S. Foster, M.A. Gosalvez, K. Sato, et. al.
  • 雑誌名: J. Physics: Condensed Matter 20 ページ: 485005 (9)
  • 査読あり
• [雑誌論文] An atomistic introduction to anisotropic etching (2007)
  • 著者名/発表者名: M.A. Gosalvez, K. Sato, A. Foster, et. al
  • 雑誌名: J. Micromechanics and Microengineering 40650 ページ: S21-S26
  • 査読あり
• [雑誌論文] Faster simulations of step bunching during anisotropic etching: formation of zigzag structures on Si (110) (2007)
  • 著者名/発表者名: M.A. Gosalvez, Y. Xing, T. Hynninen, M. Uwaha, A. Foster, R. Nieminen, K. Sato
  • 雑誌名: J. Micromechanics and Microengineering 40650 ページ: S27-S37
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication techniques of convex comers in a (100)-silicon wafer using bulk micromachining: a review (2007)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato, Sudhir Chandra
  • 雑誌名: J. Micromechanics and Microengineering 40833 ページ: R111-R133
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of rounded concave and sharp edge convex corners undercutting in CMOS compatible anisotropic etchants (2007)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato, M.A. Gosalvez, M. Shikida
  • 雑誌名: J. Micromechanics and Microengineering 40864 ページ: 2299-2307
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles calculations of Cu adsorption on an H-terminated Si surface (2007)
  • 著者名/発表者名: A.S. Foster, M.A. Gosalvez, T. Hynninen, R.M. Nieminen, K. Sato
  • 雑誌名: Physical Review B 27942 ページ: 075315 (8)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Step flow-based cellular automaton for the simulation of anisotropic etching of complex MEMS structures (2007)
  • 著者名/発表者名: Y. Xing, M.A. Gosalvez, K. Sato
  • 雑誌名: New Journal of Physics 9 ページ: 436 (18)
  • 査読あり
• [学会発表] Advanced MEMS applications using orientation dependent adsorption of surfactant molecules in TMAH solution (2010)
  • 著者名/発表者名: Pram Pal, K. Sato, M.A. Gosalvez, B. Tang, H. Hida
  • 学会等名: 5th Asia-Pacific Conference on Transducers and Micro-Nano Technology (APCOT)
  • 発表場所: Perth, Australia(accepted Feb)
  • 年月日: 2010-06-09
• [学会発表] Fabrication Methods Based on Wet Bulk Micromachining for the Realization of Advanced MEMS Structures (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 学会等名: 15th Intl. Workshop on the Physics of Semiconductor Devices
  • 発表場所: New Delhi, India
  • 年月日: 2009-12-15
• [学会発表] dvanced wet etch bulk micromachining in {100} silicon wafers (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 学会等名: 2009 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 2009-11-30
• [学会発表] Wet etched complex three dimensional MEMS structures (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 学会等名: Intl. Symp. on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS)
  • 発表場所: 名古屋市
  • 年月日: 2009-11-08
• [学会発表] Adsorbed surfactant thickness on a Si wafer dominating etching properties of TMAH solution (2009)
  • 著者名/発表者名: B. Tang, M.A. Gosalvez, Prem Pal, S. Itoh, H. Hida, M. Shikida, K. Sato
  • 学会等名: ntl. Symp. on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS)
  • 発表場所: 名古屋市
  • 年月日: 2009-11-08
• [学会発表] Continuous Cellular Automaton for the propagation of advancing fronts featuring surface morphologies: Realistic simulation of wet etching for MEMS applications (2009)
  • 著者名/発表者名: M.A. Gosalvez, Y. Xing, K. Sato
  • 学会等名: Intl. Symp. on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS)
  • 発表場所: 名古屋市
  • 年月日: 2009-11-08
• [学会発表] Extension of 3D Shapes of MEMS Structures Realized by Wet Etching (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 学会等名: 日本機械学会マイクロ・ナノ工学専門会議第1回シンポジウム
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2009-10-15
• [学会発表] Experimental verification and theoretical explanation of the effect of surfactant addition to TMAH based etchants for advanced applications in MEMS (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato, M.A. Gosalvez, H. Hida, B. Tang, S. Ito, Y. Kimura, K. Ishibashi, M. Niwano
  • 学会等名: 第26回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2009-10-15
• [学会発表] Anisotropic nature of Si surface during wet alkaline etching; Effects of cations and surfactants (2009)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, M. Shikida, M.A. Gosalvez, Prem Pal, Y. Kimura
  • 学会等名: The 5th International Colloquium, Micro-Tribology
  • 発表場所: Milowka, Poland
  • 年月日: 2009-09-20
• [学会発表] Micro/Nano science uncovering the mysteries of silicon wet etching for the fabrication of MEMS structures (2009)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, M. Shikida, M.A. Gosalvez, Prem Pal
  • 学会等名: Intl. Conf. on Materials for Advanced Technologies
  • 発表場所: Singapore
  • 年月日: 2009-06-28
• [学会発表] Continuous cellular automaton for the simulation of the surface morphology on any silicon orientation Si{HKL} in anisotropic etching (2009)
  • 著者名/発表者名: Y. Xing, M.A. Gosalvez, K. Sato
  • 学会等名: 15th Intl. Conf. on Solid-State Sensors, Actuator and Microsystems
  • 発表場所: Denver, USA(Transducers)
  • 年月日: 2009-06-21
• [学会発表] Surfactant in TMAH for new shapes of silicon MEMS components; its orientation dependent adsorption detected by infrared spectroscopy (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem. Pal, K. Sato, H. Hida, M.A. Gosalvez, Y. Kimura, et. al.
  • 学会等名: 15th Intl. Conf. on Solid-State Sensors, Actuator and Microsystems
  • 発表場所: Denver, USA(Transducers)
  • 年月日: 2009-06-21
• [学会発表] Selective removal of micro-corrugation by anisotropic wet etching (2009)
  • 著者名/発表者名: N. Inagaki, H. Sasaki, M. Shikida, K. Sato
  • 学会等名: 15th Intl. Conf. on Solid-State Sensors, Actuator and Microsystems
  • 発表場所: Denver, USA(Transducers)
  • 年月日: 2009-06-21
• [学会発表] Science in MEMS: A Plenty of room for multidisciplinary research (2009)
  • 著者名/発表者名: K. Sato
  • 学会等名: JSME-IIP/ASME-ISPS Joint Conf. Micromechatronics for Information and Precision Equipment
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2009-06-17
• [学会発表] Silicon microfluidic channels and microstructures by one step photolithography (2009)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 学会等名: Symp. on Design, Test, Integration & Packaging of MEMS/MOEMS (DTIP)
  • 発表場所: Rome
  • 年月日: 2009-04-01
• [学会発表] Micromachined sealed cavities by silicon wafer bonding for the formation of microstructures of desired thickness using TMAH etching (2008)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 学会等名: ntl. Symp. on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS)
  • 発表場所: 名古屋市
  • 年月日: 2008-11-06
• [学会発表] A comparative study of non-ionic surfactants in TMAH for conformal wet anisotropic etching on (100)-Si wafers (2008)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato
  • 学会等名: 第25回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
  • 発表場所: 那覇市
  • 年月日: 2008-10-22
• [学会発表] Suspended Si microstructures with rounded concave and sharp convex corners using wafer bonding and wet anisotropic etching (2008)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato, M. Shikida
  • 学会等名: PRiME'08 214th ECS Meeting
  • 発表場所: Honolulu
  • 年月日: 2008-10-12
• [学会発表] memsのサイエンス-単結晶シリコンのエッチング特性, 機械特性の新知見 (2008)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一雄
  • 学会等名: 応用物理学会第129回結晶工学分科会研究会
  • 発表場所: 京都市
  • 年月日: 2008-07-02
• [学会発表] 結晶異方性ウェットエッチングによるスキャロッピングの選択除去に関する研究 (2008)
  • 著者名/発表者名: 稲垣徳幸, 佐々木光, Prem Pal, 式田光宏, 佐藤一雄
  • 学会等名: 電気学会センサ・マイクロマシン部門研究会
  • 発表場所: 仙台市
  • 年月日: 2008-06-12
• [学会発表] Gosalvez and M. Shikida, Microstructures with rounded concave and sharp-edged convex corners in a single step wet anisotropic etching (2008)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato, M.A. Gosalvez, M. Shikida
  • 学会等名: SPIE MOEMS-MEMS (Proc. SPIE Vol. 6882)
  • 発表場所: San Jose, USA
  • 年月日: 2008-01-19
• [学会発表] Octree-search kinetic Monte Carlo algorithm for the simulation of complex 3D MEMS structures (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Xing, M.A. Gosalvez, K. Sato
  • 学会等名: IEEE Intl. Conf. MEMS08
  • 発表場所: Tucson, USA
  • 年月日: 2008-01-14
• [学会発表] An improved anisotropic wet etching progress for the fabrication of silicon MEMS structures using a single etching mask (2008)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato, M.A. Gosalvez, M. Shikida
  • 学会等名: IEEE Intl. Conf. MEMS08
  • 発表場所: Tucson, USA
  • 年月日: 2008-01-14
• [学会発表] Novel wet anisotropic etching process for the realization of new shapes of silicon MEMS structures (2007)
  • 著者名/発表者名: Prem Pal, K. Sato, M.A. Gosalvez, M. Shikida
  • 学会等名: IEEE Intl. Conf. MHS07 & Micro-Nano COE
  • 発表場所: Nagoya
  • 年月日: 2007-11-13
• [図書] Handbook of Silicon Based MEMS Materials and Technologies (2010)
  • 著者名/発表者名: M. A. Gosalvez(分担執筆)
  • 総ページ数: 157-177,375-407
  • 出版者: Elsevier
• [図書] ドライ・ウエットエッチング技術全集 (2009)
  • 著者名/発表者名: 式田光宏(分担執筆)
  • 総ページ数: 159-175
  • 出版者: (株)技術情報協会
• [図書] MEMS/NEMS工学全集 (2009)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一雄(分担執筆)
  • 総ページ数: 111-115
  • 出版者: (株)テクノシステム
• [図書] MEMS/NEMS工学全集 (2009)
  • 著者名/発表者名: 式田光宏(分担執筆)
  • 総ページ数: 313-315,358-359
  • 出版者: (株)テクノシステム
• [図書] マイクロ・ナノデバイスのエッチング技術 (2009)
  • 著者名/発表者名: 佐藤一雄(監修・分担執筆)
  • 総ページ数: 3-27
  • 出版者: (株)シーエムシー出版
• [図書] マイクロ・ナノデバイスのエッチング技術 (2009)
  • 著者名/発表者名: 式田光宏(監修・分担執筆)
  • 総ページ数: 28-36,261-266
  • 出版者: (株)シーエムシー出版
• [図書] 薄膜ハンドブック第2版 (2008)
  • 著者名/発表者名: 式田光宏(分担執筆)
  • 総ページ数: 1089-1091
  • 出版者: (株)オーム社
• [図書] ウェットエッチングのメカニズムと処理パラメータの最適化 (2008)
  • 著者名/発表者名: 式田光宏(分担執筆)
  • 総ページ数: 67-91
  • 出版者: サイエンス&テクノロジー(株)
• [図書] Comprehensive Microsystems Vol. 1(Wet etching) (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Sato, M. Shikida (分担執筆)
  • 総ページ数: 183-216
  • 出版者: Elsevier
• [備考] 佐藤一雄:MEMSデバイスの技術と応用,(社)日本技術士会中部支部春季例会,ウインク愛知(2010.3.27)
• [備考] 佐藤一雄:MEMSに科学を:シリコン結晶異方性エッチングの物理化学,第2回名古屋大学高等研究院セミナー,名古屋大学シンポジオンホール,(2010.1.15)
• [備考] 学術雑誌“Nature"名古屋大学研究紹介に登場.Spotlight on Nagoya, Nature, 461, 8 Oct. 2009
• [備考] 佐藤一雄:MEMS入門:岐阜県立中津高校サマーセミナー,名古屋大学(2009.8.5)
• [備考]
  • URL: http://www.mech.nagoya-u.ac.jp/mems/
• [産業財産権] シリコン微細構造体の製造方法 (2010)
  • 発明者名: 佐藤一雄, Prem Pal
  • 権利者名: 名古屋大学
  • 産業財産権番号: 特許・特願2009-172553
  • 出願年月日: 2010-07-23
• [産業財産権] シリコン微細構造体の製造方法及び微細流路デバイスの製造方法 (2009)
  • 発明者名: 佐藤一雄, Prem Pal
  • 権利者名: 名古屋大学
  • 産業財産権番号: 特許・特願2008-312338
  • 出願年月日: 2009-12-08