JP2004130396A

JP2004130396A - Micromachine

Info

Publication number: JP2004130396A
Application number: JP2002294628A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ikeda; 池田　浩一; Takashi Kinoshita; 木下　隆
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2004-04-30

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micromachine which vibrates a vibrating part with high precision, while preventing the influence of vibration of support parts upon the vibrating part. <P>SOLUTION: This micromachine is provided with the support parts 10a erected on a board 2, and the vibrating part 11 extending above the board 2 from the support parts 10a through a space part A. The joint part side of the support part 10a to the boards 2 is shaped to project downward from the vibrating part 11. The support part 10a and the vibrating part 11 may be integrally formed by patterning of the same films 7, 8 or may be formed as separate bodies. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロマシンに関し、基板上に空間部を介して振動部を設けてなるマイクロマシンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ、超小型電気的・機械的複合体）素子、およびＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が注目されている。
【０００３】
ＭＥＭＳ素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを、電気的・機械的に結合させた素子である。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。
【０００４】
このようなＭＥＭＳ素子の一例として、いわゆる両持ち梁方式の静電駆動型のＭＥＭＳ素子の構成を、その製造工程順に説明する。先ず、図９（１）に示すように、基板２上に絶縁膜３を介して下部電極４をパターン形成した後、この下部電極を層間絶縁膜５で覆う。次に、図９（２）に示すように、層間絶縁膜５上に、当該層間絶縁膜５に対して選択的にエッチング除去可能な材料（例えばポリシリコン）からなる犠牲層６を形成する。そして、下部電極４を挟んだ両側となる犠牲層６部分に、層間絶縁膜５に達する孔パターン６ａを形成する。その後、図９（３）に示すように、孔パターン６ａの内壁を覆う状態で、絶縁性の下地膜７および電極膜８をこの順に犠牲層６上に形成する。そして、これらの下地膜７および電極膜８をパターニングすることで、２つの孔パターン６ａの内壁を覆う部分を支持部１０とし、これらの支持部１０から下部電極４を跨ぐように基板２の上方に延設された部分を振動部１１とした構造体を形成する。次いで、図９（４）に示すように、支持部１０および振動部１１を構成する下地膜７および電極膜８、さらには下層の層間絶縁膜５に対して選択的に犠牲層６をエッチング除去し、振動部１１の下部に空間部Ａを形成する。
【０００５】
以上により、基板２の上方に空間部Ａを介して、両側の支持部１０から延設された振動部１１を有するＭＥＭＳ素子が得られる。このＭＥＭＳ素子においては、略円柱状の底面および周壁を積層膜で覆った形状の支持部１０と、これに支持された振動部１１とが、同一膜のパターニングにより一体に形成されたものとなる。
【０００６】
このような構成のＭＥＭＳ素子は、振動部１１を構成する電極膜８が上部電極８ａとなる。そして、例えば空間部Ａによって絶縁された下部電極４と上部電極８ａとの間に微小電圧を印加すると、静電現象によって振動部１１が下部電極４に向かって接近し、また、電圧の印加を停止すると、離間して元の状態に戻る。そして、このような振動部１１の動作（振動）により、上部電極８ａの高さを変えて反射する光の強度を変調し、光変調素子として機能する。また、特定の周波数で振動部１１を振動させた周波数フィルタとして機能させることもできる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した構成のＭＥＭＳ素子においては、機械特性を決定するのは、振動部１１の物理的な大きさ、すなわち振動部１１の幅、膜厚、長さである。
【０００８】
しかしながら、上記構造のＭＥＭＳ素子の動作を詳細に検討すると、駆動部１１の動作ほどには検出されないが、振動部１１を支える支持部１０もある動き（振動）を起こすことが知られている。このような、支持部１０の振動は、これを支持する振動部１１の動き（振動）に対して、大きな影響を与えることになり、振動部１１における振動の精度（周波数や振幅の精度）を低下させる要因になる。
【０００９】
また、基板２（層間絶縁膜５）に対する支持部１０の接合部、および支持部１０と振動部１１との接合部には、これらを構成する各薄膜のグレインや、各薄膜を加工する際の各エッジのシャープネスなどにより、歪み（残留応力）が蓄積される。そして、このような歪みも、上述した振動部１１の振動の精度を低下させる要因となっている。
【００１０】
そこで本発明は、振動部に対する支持部の振動の影響を防止し、精度良好に振動部を振動させることが可能なマイクロマシを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明は、基板上に立設された支持部と、この支持部から基板の上方に空間部を介して延設された振動部とを備えたマイクロマシンにおいて、支持部が次のような構成であることを特徴としている。すなわち、支持部は、基板との接合部側が、振動部の下方に張り出した形状に成形されている。
【００１２】
このような構成のマイクロマシンによれば、振動部を支持する支持部における基板との接合部側が、振動部の下方に張り出している。このため、振動部を基板側に接近させた場合に、基板との接合部を支点として支持部が振動部側に引っ張られ難くなり、振動部の動きに連動する支持部の動きが小さく抑えられる。したがって、振動部の振動に対する支持部の振動の影響を小さく抑えることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のマイクロマシンの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の各実施形態で説明するマイクロマシン（いわゆるＭＥＭＳ素子）は、基板上に空間部を介して振動部を設けてなるマイクロマシンであり、例えば光変調素子を構成するものであることとする。また、図９（４）に示した従来のマイクロマシンと同様の構成要素には同一の符号を付して説明を行うこととする。
【００１４】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態のマイクロマシンの構成を示す断面図である。この図に示す第１実施形態のマイクロマシンが、図９（４）を用いて説明した従来のマイクロマシンと異なるところは、支持部１０ａの形状にあり、他の部分の構成は同様であることとする。
【００１５】
すなわち、この図に示すマイクロマシンは、基板２、この上部に絶縁膜３を介してパターン形成された下部電極４、下部電極４を埋め込む状態で形成された層間絶縁膜５、層間絶縁膜５上に立設された支持部１０ａ、および両端部が支持部１０ａに支持された振動部１１で構成されている。
【００１６】
ここで、支持部１０ａおよび振動部１１は、下地膜７上に電極膜８を設けた積層膜をパターニングしてなるもので、一体に形成されていることとする。
【００１７】
そして、支持部１０ａは、下部電極４を挟んだ両側において層間絶縁膜５に接合された積層膜部分を上方に立ち上げた形状を有している。また、振動部１１は、各支持部１０ａを構成する積層膜の上端部分を屈曲させ、さらに帯状に成形した膜部分を下部電極４上を跨ぐ状態で支持部１０ａ−１０ａ間に掛け渡したブリッジ状とすることで、層間絶縁膜５上に中空部Ａを介して配置されている。
【００１８】
そして特に、本第１実施形態においては、基板２表面に対して略平行に設けられた振動部１１から、この振動部１１と一体に形成された支持部１０ａにかけて積層膜が鋭角をなして屈曲されており、これにより支持部１０ａの下部（基板２上を覆う絶縁膜５との接合部）側が、振動部１１の下方に張り出した形状に成形されているところが特徴的な構成となっている。ここで、振動部１１から支持部１０ａにかけての積層膜の屈曲部分は、微視的に見てＲ状をなしていても良い。
【００１９】
次に、図２および図３の製造工程図を用い、本第１実施形態のマイクロマシンのさらに詳しい構成を、その製造工程順に説明する。尚、ここで示す製造工程は、上記構成のマイクロマシンを形成するための一例であり、本第１実施形態のマイクロマシンは、このような製造方法によって限定されるものではない。
【００２０】
先ず、図２（１）に示すように、例えば例えばシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体からなる基板２上を、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜３で覆う。尚、基板２と絶縁膜３とを一体とし、ガラス基板のような絶縁性基板を用いても良い。
【００２１】
次に、絶縁膜３上に、例えば不純物をドーピングした多結晶シリコン膜や、金属膜（例えばＷ蒸着膜）などをパターニングしてなる下部電極４を形成する。そして、この下部電極４を埋め込む状態で、例えば酸化シリコン上に窒化シリコンを積層してなる層間絶縁膜５を、絶縁膜３上に形成する。尚、下部電極４の形成および以下の工程における各部材のパターニングは、リソグラフィー工程によって形成されたレジストパターンをマスクにした材料膜のパターンエッチングによって行われることとする。また、ここでは、基板２〜層間絶縁膜５までが、請求項に示す基板となる。
【００２２】
次に、この層間絶縁膜５上において支持部が配置される位置、すなわち下部電極４を挟む位置に、柱状のポスト２１をパターン形成する。このポスト２１は、以降の工程で形成される犠牲層および層間絶縁膜５に対して選択的に除去可能な材料で構成されることとする。このため、犠牲層がポリシリコンで形成され、層間絶縁膜５の表面が窒化シリコンからなる場合には、ポスト２１の構成材料として、ポリシリコン、アモルファスシリコン、Ｗ、Ｍｏなどの金属を用いることで、下地との加工選択比を得ることが容易となる。ただし、制御性のある加工技術を有する場合には、ポスト２１の構成材料として、下地表面と同様の窒化シリコンや、酸化シリコンを用いても良いことは言うまでもない。
【００２３】
次に、図２（２）に示すように、ポスト２１を覆う状態で、層間絶縁膜５上にポスト２１と同様の材質からなる側壁形成用の膜（側壁膜）２３を形成する。この側壁膜２３は、埋め込み特性の良好な成膜方法で形成されることとし、ポスト２１による凸状の壁部がなだらかになる程度の膜厚で成膜されることとする。
【００２４】
その後、図２（３）に示すように、この側壁膜２３をエッチバックし、これによってポスト２１の周壁にサイドウォールを残し、円錐台形状のポスト２１を得る。尚、以上の工程は、ポスト２１を形成する際のパターンエッチングにおいて、等方性の強い条件でのエッチングを行うことで、側壁テーパ形状のポスト２１を形成するようにしても良い。
【００２５】
次いで、図２（４）に示すように、ポスト２１の露出面を酸化させて酸化膜２５で覆う。これは、次に形成される犠牲層（例えばポリシリコン）のエッチング時に、この犠牲層と同材料で形成されたポスト２１の侵食を防止するためである。
【００２６】
以上の後、図３（１）に示すように、酸化膜２５で覆われたポスト２１を埋め込むように、層間絶縁膜５上に犠牲層２７を形成する。この犠牲層２７は、例えばポリシリコンで構成されることとする。
【００２７】
次に、図３（２）に示すように、ポスト２１を覆う酸化膜２５が露出するまで犠牲層２７を表面側からＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）研磨すると共に、研磨面を平坦化する。
【００２８】
その後、図３（３）に示すように、犠牲層２７および層間絶縁膜５に対して、酸化膜（２５）で覆われたポスト（２１）を選択的にエッチング除去する。これによって、犠牲層２７の下部電極４の両脇となる位置に、１対の孔パターン２７ａを形成する。
【００２９】
しかる後、孔パターン２７ａの内壁を覆う状態で、犠牲層２７上に、絶縁性の下地膜７および電極膜８をこの順に形成する。この際、例えば、下地膜７として窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）を形成し、電極膜８として膜厚１００ｎｍ程度のＡｌ膜を形成する。そして、この下地膜７と電極膜８とからかる積層膜をパターニングすることで、この積層膜からなる支持部１０ａおよび振動部１１を形成する。この際、孔パターン１０ａ内に積層膜部分が残り、さらに孔パターン１０ａ内に残した積層膜部分に連続した状態で孔パターン１０ａ間に帯状の積層膜部分が残る様に、積層膜のパターニングを行うこととする。これにより、円錐台形状の底面および周壁を囲む膜形状の支持部１０ａと、これらの支持部１０ａから延設されて両端部が支持部１０ａによって支持された帯状の振動部１１を形成する。
【００３０】
以上の後、下地膜７および電極膜８、さらには層間絶縁膜５に対して選択的に、犠牲層２７をエッチング除去する。この際、ポリシリコンからなる犠牲層２７を、例えばＨＦ蒸気や、ＸｅＦ２ガスなどによりガスエッチングすることが有効である。尚、例えば、犠牲層２７が酸化シリコン膜からなる場合には、希フッ酸溶液を用いたウェットエッチングを行っても良い。
【００３１】
以上により、図１に示したように、層間絶縁膜５と下地膜７および電極膜８で構成された帯状の振動部１１との間に空間部Ａを形成し、マイクロマシンを完成させる。
【００３２】
以上の様にして得られたマイクロマシンは、図１を用いて説明したように、振動部１１から、この振動部１１と一体に形成された支持部１０ａにかけて積層膜が鋭角をなして屈曲され、これにより支持部１０ａの下部（基板２上を覆う絶縁膜５との接合部）側が、振動部１１の下方に張り出した形状に成形されている。
【００３３】
このため、従来の円柱状の支持部１０の場合と比較して、例えば下部電極４とパターニングされた電極膜８からなる上部電極８との間に電圧を印加し、静電現象によって振動部１１を下部電極４に向かって接近させた場合、基板との接合部を支点として支持部１０ａが振動部１１側に引っ張られ難くなり、振動部１１の動きに連動する支持部１０ａの動きを小さく抑えることが可能になる。また、支持部１０ａに蓄積された残留応力が、振動部１１に及ぼす影響も抑えられる。
【００３４】
したがって、振動部１１の振動に対する支持部１０ａの振動の影響を小さく抑えることができ、この結果として、振動部１１のみを精度良く振動（動作）させることが可能になり、素子性能の向上を図ることができる。
【００３５】
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態のマイクロマシンの構成を示す断面図である。この図に示す第２実施形態のマイクロマシンが、図９（４）を用いて説明した従来のマイクロマシンと異なるところは、支持部１３および振動部１５の構成にあり、他の部分の構成は同様であることとする。
【００３６】
すなわち、この図に示すマイクロマシンは、第１実施形態と同様の基板２、絶縁膜３、下部電極４、および層間絶縁膜５を有すると共に、本第２実施形態に特有の支持部１３、および支持部１３に支持された振動部１５を備えている。
【００３７】
このうち、支持部１３は、下部電極４を挟んだ両側における層間絶縁膜５上に、円錐台形状を有して設けられている。また、振動部１５は、帯状の両端部を各支持部１３の上面に両端部を載置・接合させた状態で、層間絶縁膜５の上部に中空部Ａを介して設けられており、下部電極４上を跨ぐように配置されている。
【００３８】
そして特に、本第２実施形態においては、支持部１３を円錐台形状としたことで、これにより支持部１３の下部（基板２上を覆う絶縁膜５との接合部）側が、振動部１５の下方に張り出した形状に成形されているところが特徴的な構成となっている。
【００３９】
次に、以上のような第２実施形態の構成のマイクロマシンの製造工程の一例を説明する。尚、ここで示す製造工程は、上記構成のマイクロマシンを形成するための一例であり、本第２実施形態のマイクロマシンは、製造方法によって限定されるものではない。
【００４０】
先ず、第１実施形態において図２（１）〜図２（４）および図３（１），図３（２）を用いて説明したと同様の工程を行い、下部電極４を埋め込んで形成された層間絶縁膜５上に酸化膜２５で覆われた円錐台形状のポスト２１を形成すると共に、このポスト２１を埋め込んで形成された犠牲層２７をポスト２１の上面を露出させた状態で平坦化する。
【００４１】
以上の後、図５に示すように、ポスト２１上を含む犠牲層２７上に、第１実施形態と同様に、絶縁性の下地膜７および電極膜８をこの順に形成する。そして、この下地膜７と電極膜８とからかる積層膜をパターニングすることで、この積層膜からなる帯状の振動部１５を形成する。この際、２つのポスト２１の上面に帯状の積層膜部分が掛け渡される様に、積層膜のパターニングを行うこととする。これにより、２つのポスト２１を支持部１３とし、この支持部１３によって支持されると共に下部電極４上を跨ぐ形状の振動部１５を得る。
【００４２】
次に、第１実施形態同様に、下地膜７および電極膜８、さらには層間絶縁膜５に対して選択的に、犠牲層２７をエッチング除去する。これにより、図４に示したように、層間絶縁膜５と下地膜７および電極膜８で構成された帯状の振動部１５との間に空間部Ａを形成し、マイクロマシンを完成させる。
【００４３】
以上の様にして得られたマイクロマシンは、図４を用いて説明したように、支持部１３を円錐台形状としたことで、これにより支持部１３の下部（基板２上を覆う層間絶縁膜５との接合部）側が、振動部１５の下方に張り出した形状となっている。このため、第１実施形態と同様に、振動部１５の動きに連動する支持部１０ａの動きを小さく抑えて振動部１５のみを精度良く振動（動作）させることが可能になり、素子性能の向上を図ることが可能になる。尚、有限要素法による計算では、振動部と支持部の接点にかかる応力が、側壁の垂直加工形状の支持部を用いたもので８（圧力任意単位）に対して、本第２実施形態の構成では７（圧力任意単位）まで低減できた（緩和率１２．５％）という計算結果が得られた。
【００４４】
次に、図６、図７には、第２実施形態のマイクロマシンの変形例を示す。すなわち、図４を用いて説明した第２実施形態においては、支持部１３が、側壁テーパ形状の円錐台形状である場合を説明した。しかし、支持部１３は、基板２上を覆う層間絶縁膜５との接合部側が、振動部１５の下方に張り出した形状となっていれば、このような円錐台形状に限定されることはない。
【００４５】
すなわち、図６の変形例−１の構成図に示すように、円柱上に一回り小さな円柱を同軸にして重ねた形状の支持部１３ａであっても良い。また、図７の変形例−２の構成図に示す支持部１５ｂのように、円錐台の上部に、この円錐台の上面を底面とした円柱を同軸にして重ねた形状の支持部１３ｂであっても良い。
【００４６】
このような支持部１３ａ，１３ｂであれば、下方の円柱が振動部１５の下に張り出した構成となるため、図４を用いて説明した構成のマイクロマシンと同様の効果を得ることができる。尚、このような形状についても、上と同様な有限要素法による応力の集中度を計算したところ、緩和率は３０％にも達するという結果が得られた。
【００４７】
尚、以上説明した第１実施形態および第２実施形態では、２つの支持部によって振動部の両端を支持する構成を説明した。しかし、本発明は、各実施形態で説明した支持部を他の支持部と組み合わせて振動部１５を支持しても良い。ただしこの場合、各実施形態で説明した支持部で振動部の両端を支持し、さらにこの振動部から外側に延設された積層膜部分を他の支持部、例えば円柱形の支持部で支持するようにする。例えば、図８には、図４を用いて説明した支持部１３を、円柱形の支持部１７と組み合わせて用いた場合を図示した。この図に示すように、振動部１５の両端を支持部１３で支持することで、振動部１５の下方に支持部１３の下部を張り出させる。そして、この振動部１５からさらに支持部１３の外側に延設された積層膜部分を、円柱形状の支持部１７で支持させる構成とする。
【００４８】
このような構成にすることで、支持部１３からさらに外側に延設された積層膜部分の振動が、振動部１５に影響を及ぼすことを防止できる。このため、さらに精度良く振動部１５を振動（動作）させることが可能になる。
【００４９】
また、本発明は、振動分の一端を支持部によって支持する構成のマイクロマシンにも適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマイクロマシンによれば、振動部を支持する支持部の下部を、当該振動部の下方に張り出させた構成とすることで、振動部に連動する支持部の動きを抑えることが可能になり、振動部のみを精度良く振動（動作）させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のマイクロマシンの構成を示す図である。
【図２】第１実施形態のマイクロマシンの製造を示す断面工程図（その１）である。
【図３】第１実施形態のマイクロマシンの製造を示す断面工程図（その２）である。
【図４】第２実施形態のマイクロマシンの構成を示す図である。
【図５】第２実施形態のマイクロマシンの製造を示す断面工程図である。
【図６】第２実施形態のマイクロマシンの構成の変形例−１を示す図である。
【図７】第２実施形態のマイクロマシンの構成の変形例−２を示す図である。
【図８】第２実施形態のマイクロマシンの構成の変形例−３を示す図である。
【図９】従来のマイクロマシンおよびその製造を示す断面工程図である。
【符号の説明】
２…基板、１０ａ，１３，１３ａ，１３ｂ…支持部、１１，１５…振動部、Ａ…空間部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a micromachine, and more particularly, to a micromachine having a vibrating portion provided on a substrate via a space.
[0002]
[Prior art]
With the development of microtechnology, so-called micromachine (MEMS: Micro Electro Mechanical Systems, ultra-compact electrical / mechanical composite) devices and small devices incorporating MEMS devices have been receiving attention.
[0003]
A MEMS element is formed as a fine structure on a substrate such as a silicon substrate or a glass substrate, and electrically and mechanically connects a driver that outputs a mechanical driving force and a semiconductor integrated circuit that controls the driver to the driver. It is a combined element. The basic feature of the MEMS element is that a driver configured as a mechanical structure is incorporated in a part of the element, and the driver is driven by applying Coulomb attraction between electrodes and the like. It is done electrically.
[0004]
As an example of such a MEMS element, a configuration of a so-called double-supported beam type electrostatic drive type MEMS element will be described in the order of its manufacturing process. First, as shown in FIG. 9A, after a lower electrode 4 is patterned on a substrate 2 via an insulating film 3, the lower electrode is covered with an interlayer insulating film 5. Next, as shown in FIG. 9B, a sacrificial layer 6 made of a material (for example, polysilicon) that can be selectively etched away from the interlayer insulating film 5 is formed on the interlayer insulating film 5. Then, a hole pattern 6 a reaching the interlayer insulating film 5 is formed in the sacrificial layer 6 on both sides of the lower electrode 4. Thereafter, as shown in FIG. 9C, an insulating base film 7 and an electrode film 8 are formed on the sacrificial layer 6 in this order while covering the inner wall of the hole pattern 6a. By patterning the base film 7 and the electrode film 8, a portion covering the inner wall of the two hole patterns 6 a is used as the support portion 10, and the upper portion of the substrate 2 is laid over the lower electrode 4 from the support portion 10. Is formed as a vibrating part 11 with the part extended in the above. Next, as shown in FIG. 9D, the sacrificial layer 6 is selectively removed by etching with respect to the base film 7 and the electrode film 8 constituting the support portion 10 and the vibrating portion 11, and further to the lower interlayer insulating film 5. Then, a space A is formed below the vibrating part 11.
[0005]
As described above, a MEMS device having the vibrating portions 11 extended from the supporting portions 10 on both sides via the space A above the substrate 2 is obtained. In this MEMS element, a support portion 10 having a substantially cylindrical bottom surface and a peripheral wall covered with a laminated film and a vibrating portion 11 supported by the support portion 10 are integrally formed by patterning the same film. .
[0006]
In the MEMS element having such a configuration, the electrode film 8 forming the vibrating portion 11 becomes the upper electrode 8a. Then, for example, when a minute voltage is applied between the lower electrode 4 and the upper electrode 8a which are insulated by the space A, the vibrating portion 11 approaches the lower electrode 4 due to an electrostatic phenomenon, and the voltage is applied. When stopped, it separates and returns to its original state. Then, by the operation (vibration) of the vibrating section 11, the height of the upper electrode 8a is changed to modulate the intensity of the reflected light, thereby functioning as a light modulation element. Further, it can be made to function as a frequency filter that vibrates the vibrating section 11 at a specific frequency.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the MEMS element having the above-described configuration, it is the physical size of the vibrating part 11, that is, the width, the film thickness, and the length of the vibrating part 11, that determine the mechanical characteristics.
[0008]
However, when the operation of the MEMS element having the above structure is examined in detail, it is known that the movement is not detected as much as the operation of the drive unit 11, but the support unit 10 supporting the vibration unit 11 moves (vibrates). Such a vibration of the supporting portion 10 has a great effect on the movement (vibration) of the vibrating portion 11 that supports the supporting portion 10, and the accuracy of the vibration (frequency and amplitude accuracy) in the vibrating portion 11 is reduced It becomes a factor to lower.
[0009]
In addition, the joint of the support portion 10 to the substrate 2 (interlayer insulating film 5) and the joint of the support portion 10 and the vibrating portion 11 are provided with the grains of the thin films constituting them and the processing of the thin films. Distortion (residual stress) is accumulated due to the sharpness of each edge. And such a distortion is also a factor which reduces the accuracy of the vibration of the vibration part 11 mentioned above.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to prevent the influence of the vibration of the supporting portion on the vibrating portion, and to obtain a micromachine capable of vibrating the vibrating portion with high accuracy.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for achieving such an object is a micro machine including a supporting portion erected on a substrate, and a vibrating portion extending from the supporting portion over a substrate via a space portion, The support portion has the following configuration. That is, the support portion is formed in a shape in which the joint portion side with the substrate projects below the vibrating portion.
[0012]
According to the micromachine having such a configuration, the side of the supporting portion that supports the vibrating portion and the joint portion with the substrate projects below the vibrating portion. For this reason, when the vibrating part is brought closer to the substrate side, the support part is less likely to be pulled toward the vibrating part side with the joint part with the substrate as a fulcrum, and the movement of the support part linked to the movement of the vibrating part is suppressed small. . Therefore, the influence of the vibration of the supporting portion on the vibration of the vibrating portion can be reduced.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the micromachine of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that a micromachine (a so-called MEMS element) described in each of the following embodiments is a micromachine in which a vibrating section is provided on a substrate via a space, and constitutes, for example, a light modulation element. Also, components similar to those of the conventional micromachine shown in FIG. 9D will be denoted by the same reference numerals and will be described.
[0014]
<First embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the micro machine according to the first embodiment of the present invention. The difference between the micromachine of the first embodiment shown in this figure and the conventional micromachine described with reference to FIG. 9 (4) lies in the shape of the support portion 10a, and the configuration of the other portions is the same. .
[0015]
That is, the micromachine shown in FIG. 1 includes a substrate 2, a lower electrode 4 patterned on the substrate 2 with an insulating film 3 interposed therebetween, an interlayer insulating film 5 formed in a state where the lower electrode 4 is buried, and on the interlayer insulating film 5. It is composed of a standing supporting portion 10a and vibrating portions 11 whose both ends are supported by the supporting portion 10a.
[0016]
Here, the supporting portion 10a and the vibrating portion 11 are formed by patterning a laminated film in which the electrode film 8 is provided on the base film 7, and are formed integrally.
[0017]
The support portion 10a has a shape in which the laminated film portions joined to the interlayer insulating film 5 on both sides of the lower electrode 4 are raised upward. Also, the vibrating part 11 is a bridge in which the upper end part of the laminated film constituting each support part 10a is bent, and the band-shaped film part is bridged between the support parts 10a-10a in a state of straddling over the lower electrode 4. With such a configuration, it is arranged on the interlayer insulating film 5 via the hollow portion A.
[0018]
In particular, in the first embodiment, the laminated film bends at an acute angle from the vibrating portion 11 provided substantially parallel to the surface of the substrate 2 to the support portion 10a formed integrally with the vibrating portion 11. Accordingly, a characteristic configuration is such that the lower portion (joint portion with the insulating film 5 covering the substrate 2) side of the support portion 10 a is formed in a shape protruding below the vibrating portion 11. . Here, the bent portion of the laminated film from the vibrating part 11 to the support part 10a may have an R shape when viewed microscopically.
[0019]
Next, a more detailed configuration of the micromachine of the first embodiment will be described in the order of the manufacturing process with reference to the manufacturing process diagrams of FIGS. 2 and 3. The manufacturing process shown here is an example for forming the micromachine having the above configuration, and the micromachine of the first embodiment is not limited by such a manufacturing method.
[0020]
First, as shown in FIG. 2A, a substrate 2 made of a semiconductor such as silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs) is covered with an insulating film 3 made of silicon oxide, for example. The substrate 2 and the insulating film 3 may be integrated, and an insulating substrate such as a glass substrate may be used.
[0021]
Next, a lower electrode 4 is formed on the insulating film 3 by patterning a polycrystalline silicon film doped with an impurity, a metal film (for example, a W vapor-deposited film), or the like. Then, in a state where the lower electrode 4 is buried, an interlayer insulating film 5 formed by stacking silicon nitride on silicon oxide, for example, is formed on the insulating film 3. The formation of the lower electrode 4 and the patterning of each member in the following steps are performed by pattern etching of a material film using a resist pattern formed by a lithography step as a mask. Here, the substrate 2 to the interlayer insulating film 5 are the substrates described in the claims.
[0022]
Next, a columnar post 21 is pattern-formed on the interlayer insulating film 5 at a position where the supporting portion is arranged, that is, at a position sandwiching the lower electrode 4. The post 21 is made of a material that can be selectively removed from the sacrificial layer and the interlayer insulating film 5 formed in the subsequent steps. For this reason, when the sacrificial layer is formed of polysilicon and the surface of the interlayer insulating film 5 is formed of silicon nitride, a metal such as polysilicon, amorphous silicon, W, or Mo is used as a material of the post 21. It is easy to obtain a processing selection ratio with the base. However, in the case of having a controllable processing technique, it is needless to say that silicon nitride or silicon oxide similar to the base surface may be used as the constituent material of the post 21.
[0023]
Next, as shown in FIG. 2B, a film (sidewall film) 23 for forming a sidewall made of the same material as that of the post 21 is formed on the interlayer insulating film 5 so as to cover the post 21. The side wall film 23 is formed by a film forming method having good embedding characteristics, and is formed with a film thickness such that the convex wall formed by the post 21 becomes gentle.
[0024]
Thereafter, as shown in FIG. 2C, the side wall film 23 is etched back, thereby leaving the side wall on the peripheral wall of the post 21 to obtain the post 21 having a truncated cone shape. Note that, in the above process, in the pattern etching for forming the post 21, the post 21 having a tapered side wall shape may be formed by performing etching under a condition with strong isotropy.
[0025]
Next, as shown in FIG. 2D, the exposed surface of the post 21 is oxidized and covered with an oxide film 25. This is to prevent erosion of the post 21 formed of the same material as that of the sacrificial layer at the time of etching the next sacrificial layer (for example, polysilicon).
[0026]
Thereafter, as shown in FIG. 3A, a sacrifice layer 27 is formed on the interlayer insulating film 5 so as to bury the post 21 covered with the oxide film 25. The sacrificial layer 27 is made of, for example, polysilicon.
[0027]
Next, as shown in FIG. 3B, the sacrificial layer 27 is polished by CMP (chemical mechanical polishing) from the surface side until the oxide film 25 covering the post 21 is exposed, and the polished surface is flattened.
[0028]
Thereafter, as shown in FIG. 3C, the post (21) covered with the oxide film (25) is selectively etched away from the sacrificial layer 27 and the interlayer insulating film 5. As a result, a pair of hole patterns 27a is formed at positions on both sides of the lower electrode 4 in the sacrificial layer 27.
[0029]
Thereafter, the insulating base film 7 and the electrode film 8 are formed in this order on the sacrificial layer 27 so as to cover the inner wall of the hole pattern 27a. At this time, for example, a silicon nitride film (SiN film) is formed as the base film 7, and an Al film having a thickness of about 100 nm is formed as the electrode film 8. Then, the support film 10a and the vibrating unit 11 made of the laminated film are formed by patterning the laminated film formed by the base film 7 and the electrode film 8. At this time, the patterning of the laminated film is performed so that the laminated film portion remains in the hole pattern 10a, and further, a strip-shaped laminated film portion remains between the hole patterns 10a in a state of being continuous with the laminated film portion remaining in the hole pattern 10a. I will do it. As a result, a film-shaped supporting portion 10a surrounding the bottom surface and the peripheral wall of the truncated cone shape, and the band-shaped vibrating portion 11 extending from these supporting portions 10a and having both ends supported by the supporting portion 10a are formed.
[0030]
After the above, the sacrifice layer 27 is selectively removed by etching with respect to the base film 7, the electrode film 8, and the interlayer insulating film 5. At this time, it is effective to gas-etch the sacrificial layer 27 made of polysilicon with, for example, HF vapor or XeF2 gas. When the sacrificial layer 27 is made of a silicon oxide film, for example, wet etching using a diluted hydrofluoric acid solution may be performed.
[0031]
As described above, as shown in FIG. 1, the space A is formed between the interlayer insulating film 5 and the band-shaped vibrating portion 11 composed of the base film 7 and the electrode film 8, thereby completing the micromachine.
[0032]
As described with reference to FIG. 1, the micromachine obtained as described above has the laminated film bent at an acute angle from the vibrating portion 11 to the support portion 10a formed integrally with the vibrating portion 11, As a result, the lower portion (joint portion with the insulating film 5 covering the substrate 2) of the support portion 10a is formed in a shape protruding below the vibrating portion 11.
[0033]
For this reason, compared with the case of the conventional columnar support portion 10, for example, a voltage is applied between the lower electrode 4 and the upper electrode 8 made of the patterned electrode film 8, and the vibrating portion 11 is caused by an electrostatic phenomenon. Is closer to the lower electrode 4, the support portion 10 a is less likely to be pulled toward the vibration portion 11 with the joint portion with the substrate as a fulcrum, and the movement of the support portion 10 a linked to the movement of the vibration portion 11 is suppressed to a small value. It becomes possible. Further, the influence of the residual stress accumulated in the support portion 10a on the vibrating portion 11 is also suppressed.
[0034]
Therefore, the influence of the vibration of the supporting portion 10a on the vibration of the vibrating portion 11 can be suppressed small. As a result, only the vibrating portion 11 can be vibrated (operated) with high accuracy, and the element performance is improved. be able to.
[0035]
<Second embodiment>
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a micro machine according to a second embodiment of the present invention. The difference of the micromachine of the second embodiment shown in this figure from the conventional micromachine described with reference to FIG. 9D is in the configuration of the support portion 13 and the vibrating portion 15, and the configuration of the other portions is the same. There is.
[0036]
That is, the micromachine shown in this figure has the same substrate 2, insulating film 3, lower electrode 4, and interlayer insulating film 5 as in the first embodiment, and a support portion 13 and a support portion unique to the second embodiment. The vibration unit 15 is supported by the unit 13.
[0037]
The support portion 13 is provided in a truncated cone shape on the interlayer insulating film 5 on both sides of the lower electrode 4. The vibrating part 15 is provided above the interlayer insulating film 5 via the hollow part A in a state where both ends of the belt-shaped part are mounted and joined to the upper surface of each support part 13. It is arranged so as to straddle over the electrode 4.
[0038]
In particular, in the second embodiment, the support portion 13 has a truncated conical shape, so that the lower portion of the support portion 13 (joint portion with the insulating film 5 covering the substrate 2) is located on the side of the vibration portion 15. It has a characteristic configuration in that it is formed into a shape that protrudes downward.
[0039]
Next, an example of a manufacturing process of the micromachine having the configuration of the second embodiment as described above will be described. The manufacturing process described here is an example for forming the micromachine having the above configuration, and the micromachine of the second embodiment is not limited by the manufacturing method.
[0040]
First, in the first embodiment, a process similar to that described with reference to FIGS. 2A to 2D and FIGS. 3A and 3B is performed, and the lower electrode 4 is formed by being buried. A post 21 having a truncated cone shape covered with an oxide film 25 is formed on the interlayer insulating film 5, and a sacrificial layer 27 formed by embedding the post 21 is planarized with the upper surface of the post 21 exposed. I do.
[0041]
After the above, as shown in FIG. 5, the insulating base film 7 and the electrode film 8 are formed in this order on the sacrificial layer 27 including the post 21 as in the first embodiment. Then, by patterning the laminated film made of the base film 7 and the electrode film 8, the belt-shaped vibrating portion 15 made of the laminated film is formed. At this time, the laminated film is patterned so that the band-shaped laminated film portion is bridged over the upper surfaces of the two posts 21. As a result, the two posts 21 are used as the supporting portions 13, and the vibrating portions 15 that are supported by the supporting portions 13 and straddle the lower electrode 4 are obtained.
[0042]
Next, as in the first embodiment, the sacrificial layer 27 is selectively removed by etching with respect to the base film 7, the electrode film 8, and the interlayer insulating film 5. Thereby, as shown in FIG. 4, a space A is formed between the interlayer insulating film 5 and the band-shaped vibrating portion 15 formed of the base film 7 and the electrode film 8, thereby completing the micromachine.
[0043]
As described above with reference to FIG. 4, the micromachine obtained as described above has the support portion 13 formed in a truncated cone shape, thereby forming the lower portion of the support portion 13 (the interlayer insulating film 5 covering the substrate 2). (Joining portion with the first portion) protrudes below the vibrating portion 15. For this reason, as in the first embodiment, it is possible to suppress the movement of the support portion 10a linked to the movement of the vibrating portion 15 and to vibrate (operate) only the vibrating portion 15 with high accuracy, thereby improving the element performance. Can be achieved. In the calculation by the finite element method, the stress applied to the contact point between the vibrating part and the support part is 8 (arbitrary unit of pressure) using the support part having the vertical processing shape of the side wall. In the configuration, a calculation result was obtained that could be reduced to 7 (arbitrary pressure unit) (relaxation rate 12.5%).
[0044]
Next, FIGS. 6 and 7 show a modification of the micromachine of the second embodiment. That is, in the second embodiment described with reference to FIG. 4, the case where the support portion 13 has a truncated conical shape with a tapered side wall has been described. However, the support portion 13 is not limited to such a truncated conical shape as long as the joint portion with the interlayer insulating film 5 covering the substrate 2 has a shape protruding below the vibrating portion 15. .
[0045]
That is, as shown in the configuration diagram of Modification Example 1 in FIG. 6, the support portion 13a may have a shape in which a slightly smaller cylinder is coaxially stacked on the cylinder. Further, as in a support portion 15b shown in the configuration diagram of Modification Example 2 in FIG. 7, the support portion 13b has a shape in which a column having the upper surface of the truncated cone as a bottom surface is coaxially stacked on the upper portion of the truncated cone. May be.
[0046]
With such supporting portions 13a and 13b, the lower column projects below the vibrating portion 15, so that the same effect as the micromachine having the configuration described with reference to FIG. 4 can be obtained. In addition, also for such a shape, when the degree of concentration of stress was calculated by the same finite element method as above, it was found that the relaxation rate reached 30%.
[0047]
In the first and second embodiments described above, the configuration in which both ends of the vibrating portion are supported by the two support portions has been described. However, in the present invention, the vibrating section 15 may be supported by combining the supporting section described in each embodiment with another supporting section. However, in this case, both ends of the vibrating portion are supported by the supporting portions described in each embodiment, and the laminated film portion extending outward from the vibrating portion is further supported by another supporting portion, for example, a columnar supporting portion. To do. For example, FIG. 8 illustrates a case where the support 13 described with reference to FIG. 4 is used in combination with a columnar support 17. As shown in this figure, by supporting both ends of the vibrating section 15 with the supporting section 13, the lower portion of the supporting section 13 projects below the vibrating section 15. The laminated film portion extending further from the vibrating portion 15 to the outside of the support portion 13 is supported by the cylindrical support portion 17.
[0048]
With this configuration, it is possible to prevent the vibration of the laminated film portion extending further outward from the support portion 13 from affecting the vibration portion 15. For this reason, it becomes possible to vibrate (operate) the vibrating section 15 with higher accuracy.
[0049]
Further, the present invention is also applicable to a micromachine having a configuration in which one end of a vibration is supported by a support portion, and similar effects can be obtained.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the micromachine of the present invention, the lower portion of the supporting portion that supports the vibrating portion is configured to protrude below the vibrating portion. Can be suppressed, and only the vibrating portion can be vibrated (operated) with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a micro machine according to a first embodiment.
FIG. 2 is a sectional process view (1) showing the manufacture of the micromachine of the first embodiment.
FIG. 3 is a sectional process view (2) showing the manufacture of the micromachine of the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a micromachine according to a second embodiment.
FIG. 5 is a sectional process view showing the manufacture of the micromachine of the second embodiment.
FIG. 6 is a view illustrating Modification Example-1 of the configuration of the micro machine according to the second embodiment.
FIG. 7 is a view illustrating Modification Example-2 of the configuration of the micromachine according to the second embodiment.
FIG. 8 is a view illustrating Modification Example-3 of the configuration of the micromachine according to the second embodiment.
FIG. 9 is a sectional process view showing a conventional micromachine and its manufacture.
[Explanation of symbols]
2 ... substrate, 10a, 13, 13a, 13b ... support portion, 11, 15 ... vibrating portion, A ... space portion

Claims

In a micromachine including a supporting portion erected on a substrate and a vibrating portion extending from the supporting portion above the substrate via a space portion,
The micromachine, wherein the supporting portion is formed in a shape protruding below the vibrating portion at a joint portion side with the substrate.

The micromachine according to claim 1,
The support portion has a columnar shape having a larger bottom area than a top area,
The micromachine, wherein the vibrating portion extends from an upper surface of the support portion above the substrate.

The micromachine according to claim 1,
The micromachine, wherein the supporting portion and the vibrating portion are integrally formed by patterning the same film.