JP2009137004A - Microelectromechanical device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
微小電気機械式装置に関する。また、該微小電気機械式装置の作製方法に関する。 The present invention relates to a micro electro mechanical device. The present invention also relates to a method for manufacturing the microelectromechanical device.
近年、MEMS(Micro Electro Mechanical System)の研究が盛んに進められている。MEMSは、微小電気機械システムの略称であり、単にマイクロマシンと呼ばれることもある。マイクロマシンとは、一般的には、半導体微細加工技術を用いて作製した「立体構造を有し、可動する微小構造体」と「半導体素子を有する電子回路」とを集積した微細デバイスを指す。上記の微小構造体は半導体素子とは異なり、可動部を有することが一般的である。 In recent years, research on MEMS (Micro Electro Mechanical System) has been actively promoted. MEMS is an abbreviation for a microelectromechanical system, and is sometimes simply called a micromachine. A micromachine generally refers to a microdevice in which a “microstructure having a three-dimensional structure and moving” and an “electronic circuit having a semiconductor element” manufactured using a semiconductor microfabrication technique are integrated. Unlike the semiconductor element, the above micro structure generally has a movable portion.
上記の微小構造体は構造層と中空部とを有し、構造層は可動部を有する。構造層の可動部が動作するため、上記の微小構造体には機械的な強度が必要とされる。特許文献1には、機械的な強度の高い微小構造体の一例として、金属を用いて熱結晶化又はレーザ結晶化された多結晶シリコンを含む層を有し、当該層の下方又は上方に空間を有するマイクロマシンが開示されている。
従来の微小構造体は、可動部の動作領域を確保するために、中空部を有する。中空部の形成は、まず中空部となる箇所に犠牲層を形成し、構造層等を形成後にこの犠牲層をエッチング等により除去することで行う。例えば、構造層の可動部が基板表面と垂直な方向に動作する微小構造体では、微小構造体の下部を形成し、この微小構造体の下部上に犠牲層を形成し、この犠牲層上に微小構造体の上部を形成し、微小構造体の上部形成後に犠牲層をエッチング等により除去する。このようにして、中空部を有する微小構造体を作製する。 The conventional microstructure has a hollow portion in order to secure an operation area of the movable portion. The formation of the hollow portion is performed by first forming a sacrificial layer at a location that becomes the hollow portion, and then removing the sacrificial layer by etching or the like after forming the structural layer or the like. For example, in a microstructure in which the movable portion of the structure layer operates in a direction perpendicular to the substrate surface, a lower portion of the microstructure is formed, a sacrificial layer is formed on the lower portion of the microstructure, and the sacrificial layer is formed on the sacrificial layer. The upper portion of the microstructure is formed, and the sacrificial layer is removed by etching or the like after the upper portion of the microstructure is formed. In this way, a microstructure having a hollow portion is manufactured.
しかし、上記のように犠牲層を用いて中空部を形成すると、作製工程中に微小構造体の上部電極と微小構造体の下部電極とが強く接触等することで破損し、又は破壊されやすくなるといった問題がある。また、上部電極と下部電極との間にスティッキングを生じることで、正常な動作ができなくなるといった問題があった。ここで、スティキングとは、微小構造体の可動部の動作によって、上部電極と下部電極とが強く接触して離れることができない状態となる現象をいう。 However, when the hollow portion is formed using the sacrificial layer as described above, the upper electrode of the microstructure and the lower electrode of the microstructure are in strong contact or the like during the manufacturing process, and are easily damaged. There is a problem. Further, there is a problem that normal operation cannot be performed due to sticking between the upper electrode and the lower electrode. Here, sticking refers to a phenomenon in which the upper electrode and the lower electrode are in strong contact with each other and cannot be separated by the operation of the movable portion of the microstructure.
更には、犠牲層を用いて中空部を形成する場合には、犠牲層が完全にエッチングされず、エッチング残りが生じることも問題となっていた。 Furthermore, when the hollow portion is formed using the sacrificial layer, the sacrificial layer is not completely etched, resulting in a problem that etching remains.
または、作製された微小構造体の上部が動作することで、微小構造体が破損し、又は破壊されることがある。これは中空部の高さが高い場合又は構造層の靭性が十分でない場合に特に顕著である。 Alternatively, when the upper portion of the manufactured microstructure is operated, the microstructure may be damaged or destroyed. This is particularly remarkable when the height of the hollow portion is high or the toughness of the structural layer is not sufficient.
更には、中空部を設けることで、その中空部を有する構造体が反り等により変形してしまい、所望の構造が得られないという問題がある。 Furthermore, there is a problem that by providing the hollow portion, the structure having the hollow portion is deformed by warpage or the like, and a desired structure cannot be obtained.
上記問題に鑑み、作製工程を複雑化することなく上記問題が解決された微小構造体及びその作製方法を提供する。 In view of the above problems, a microstructure and a manufacturing method thereof in which the above problems are solved without complicating the manufacturing process are provided.
本発明の一は、相対する一対の電極が空間により隔離され、可動する構造体に少なくとも一方の電極が設けられている微小構造体において、該空間に絶縁性材料が充填された構成を有する微小構造体である。該絶縁性材料は、可動部が動作する際に該絶縁性材料により形成された充填材料層が変形できるよう、弾性を有する材料を用いる。ここで、弾性を有する材料とは、構造層を支持することができ、且つ構造層の動作を妨げない程度の弾性率を有する材料をいう。 One feature of the present invention is a microstructure in which a pair of opposed electrodes are isolated by a space and at least one electrode is provided in a movable structure, and the space is filled with an insulating material. It is a structure. As the insulating material, an elastic material is used so that the filling material layer formed of the insulating material can be deformed when the movable portion operates. Here, the material having elasticity refers to a material that can support the structural layer and has an elastic modulus that does not hinder the operation of the structural layer.
本発明の一は、微小構造体を有する微小電気機械式装置であって、前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた下部電極層と、該下部電極層上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた前記下部電極と対向する上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、前記構造層は、前記下部電極層とに向かう方向又は前記下部電極層から遠ざかる方向に可動する構造を有し、好ましくは、前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料を有することを特徴とする微小電気機械式装置である。 One aspect of the present invention is a microelectromechanical device having a microstructure, the microstructure including a lower electrode layer provided on an insulating surface and a filling material layer provided on the lower electrode layer And an upper electrode layer facing the lower electrode provided on the filler material layer, and a structural layer provided on the upper electrode layer, and the structural layer is formed on the lower electrode layer. It is a micro electro mechanical device characterized in that it has a structure that can move in a direction toward or away from the lower electrode layer, and preferably the filling material layer has an insulating material having elasticity.
または、本発明の一は、微小構造体を有する微小電気機械式装置であって、前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、前記構造層は、前記充填材料層の厚さ方向に可動する構造を有し、前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料であることを特徴とする微小電気機械式装置である。 Alternatively, one aspect of the present invention is a microelectromechanical device including a microstructure, and the microstructure includes a filler material layer provided over an insulating surface and an upper portion provided over the filler material layer. An electrode layer and a structure layer provided on the upper electrode layer, the structure layer having a structure movable in a thickness direction of the filler material layer, and the filler material layer has elasticity. A microelectromechanical device characterized by being an insulating material.
そして、上記構成を有する微小電気機械式装置において、前記絶縁性材料はエラストマー又は熱可塑性エラストマーであることが好ましい。 In the microelectromechanical device having the above configuration, the insulating material is preferably an elastomer or a thermoplastic elastomer.
また、本発明の一は、絶縁表面上に下部電極層を形成し、前記下部電極層上に弾性を有する絶縁性材料からなる第1の充填材料層を形成し、前記第1の充填材料層上に上部電極層を形成し、前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法である。 According to another aspect of the present invention, a lower electrode layer is formed on an insulating surface, a first filling material layer made of an insulating material having elasticity is formed on the lower electrode layer, and the first filling material layer is formed. An upper electrode layer is formed on the upper electrode layer, and a structural layer is formed on the upper electrode layer.
または、本発明の一は、絶縁表面上に下部電極層を形成し、前記下部電極層を上に弾性を有する絶縁性材料からなる膜を全面に形成し、前記弾性を有する絶縁性材料からなる膜上に金属マスクを選択的に形成し、前記金属マスクを用いて前記弾性を有する膜をエッチングして充填材料層を形成し、前記充填材料層上に上部電極層を形成し、前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法である。 Alternatively, according to one aspect of the present invention, a lower electrode layer is formed on an insulating surface, a film made of an insulating material having elasticity is formed on the entire surface of the lower electrode layer, and the insulating material having elasticity is formed. A metal mask is selectively formed on the film, the elastic film is etched using the metal mask to form a filling material layer, an upper electrode layer is formed on the filling material layer, and the upper electrode A method for manufacturing a microelectromechanical device is characterized in that a structural layer is formed on a layer.
そして、上記構成を有する微小電気機械式装置の作製方法において、前記絶縁性材料はエラストマー又は熱可塑性エラストマーであることが好ましい。弾性を有する充填材料層を形成しやすいためである。また、熱可塑性エラストマーを用いることで、形成後の加工を良好に行うことができる。すなわち、様々な形状に加工することや、精度よく加工することが容易になる。 And in the manufacturing method of the micro electro mechanical apparatus which has the said structure, it is preferable that the said insulating material is an elastomer or a thermoplastic elastomer. This is because it is easy to form a filling material layer having elasticity. Moreover, the process after formation can be performed favorably by using a thermoplastic elastomer. That is, it becomes easy to process into various shapes and process with high accuracy.
更には、前記エラストマー又は前記熱可塑性エラストマーは、溶媒に溶かされて形成されることが好ましい。溶媒を用いることで、スピンコーティング法等の好ましい各種の作製方法を適用することができるからである。 Furthermore, the elastomer or the thermoplastic elastomer is preferably formed by dissolving in a solvent. This is because various preferred production methods such as a spin coating method can be applied by using a solvent.
また、前記エラストマー又は前記熱可塑性エラストマーは、スピンコーティング法により形成されることが最も好ましい。スピンコーティング法を用いることで、充填材料層の厚さ及び膜質にむらを生じることなく形成できるからである。 The elastomer or the thermoplastic elastomer is most preferably formed by a spin coating method. This is because, by using the spin coating method, the filling material layer can be formed without unevenness in the thickness and film quality.
なお、本明細書中において、弾性を有する材料とは、可動部である構造層の動作を阻害せず、且つ可動部である構造層の動作により塑性変形することなく、弾性変形するものをいう。 In this specification, the material having elasticity means a material that does not hinder the operation of the structural layer that is the movable part and that is elastically deformed without being plastically deformed by the operation of the structural layer that is the movable part. .
なお、本明細書中において、エラストマーとは、柔軟性及び反発弾性を有する有機系樹脂材料をいい、そのヤング率が約1.0×106Pa以上1.0×107Pa以下のものをいう。 In this specification, an elastomer means an organic resin material having flexibility and impact resilience, and has a Young's modulus of about 1.0 × 10 6 Pa to 1.0 × 10 7 Pa. Say.
なお、本明細書中において、熱可塑性エラストマーとは、常温ではエラストマーと同様に柔軟性及び反発弾性等を有し、加熱により成形可能となるエラストマーをいう。熱可塑性エラストマーには、ウレタン系、スチレン系、ビニル系又はエステル系等があるが、特定の材料に限定されない。 In this specification, the thermoplastic elastomer refers to an elastomer that has flexibility and rebound resilience, etc. at room temperature, and can be molded by heating. Thermoplastic elastomers include urethane, styrene, vinyl or ester, but are not limited to specific materials.
なお、弾性を有する材料としては、形成後に所定の処理(熱、薬液処理等)を行うことにより軟化し、又は硬化する材料を用いることが好ましい。特に、所定の処理を行うことにより軟化と硬化を可逆的に行うことができる材料を用いることが好ましい。 Note that as the material having elasticity, it is preferable to use a material that is softened or cured by performing a predetermined treatment (heat, chemical solution treatment, or the like) after formation. In particular, it is preferable to use a material that can be softened and cured reversibly by performing a predetermined treatment.
微小構造体の上部が動作することによる微小構造体の破損及び破壊を防止することができる。従って、中空部の高さが大きい場合又は構造層の靭性が十分に確保できない場合であっても、微小構造体を作製することができる。 Damage and destruction of the microstructure due to the operation of the upper portion of the microstructure can be prevented. Therefore, even when the height of the hollow portion is large or the toughness of the structural layer cannot be sufficiently ensured, the microstructure can be manufactured.
電極間にスティッキングが生じず、反復して動作が可能な微小構造体を作製することができる。 A microstructure that can be repeatedly operated without sticking between the electrodes can be manufactured.
また、作製工程において犠牲層を形成する必要がないため、犠牲層の残存に起因する歩留まりの低下を防止することができ、歩留まりよく微小構造体を作製することができる。 In addition, since it is not necessary to form a sacrificial layer in the manufacturing process, a decrease in yield due to the remaining sacrificial layer can be prevented, and a microstructure can be manufactured with high yield.
更には、複雑な作製工程を経ることなく、微小構造体を作製することができる。また、微小構造体が有する充填材料層の厚さを均一にすることができる。 Furthermore, a microstructure can be manufactured without going through a complicated manufacturing process. In addition, the thickness of the filling material layer included in the microstructure can be made uniform.
実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。ただし、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解されるため、以下に示す実施の形態の記載内容のみに限定して解釈されるものではない。 Embodiments will be described below with reference to the drawings. However, since it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention, only the description of the embodiments described below is applicable. It is not construed as limiting.
(実施の形態1)
微小構造体及び微小構造体の作製方法について、図面を参照して説明する。
(Embodiment 1)
A microstructure and a method for manufacturing the microstructure will be described with reference to drawings.
図1は、本発明の微小構造体の断面図(図1(A))及び上面図(図1(B))の一例を示す。図1の微小構造体では、基板100上に下部電極層101が設けられ、下部電極層101上には充填材料層102が設けられている。充填材料層102上には上部電極層103が設けられ、上部電極層103上には構造層104が設けられている。下部電極層101と上部電極層103との間隔はd(m)である。
FIG. 1 illustrates an example of a cross-sectional view (FIG. 1A) and a top view (FIG. 1B) of a microstructure of the present invention. In the microstructure illustrated in FIG. 1, a
下部電極層101と上部電極層103との間は充填材料層102により隔離され、容量素子が形成されている。ここで、下部電極と上部電極の面積が等しくS(m2)であるとし、この容量素子の静電容量をC(F)、誘電率をε(F/m)とすると、以下の式(1)が成立する。
The
ここで、構造層104が押し下げられると、下部電極層101と上部電極層103との間隔dが変化し、静電容量が変化する。このときの静電容量の変化量ΔCは、押し下げられる前の静電容量C0及び押し下げられた後の静電容量C1を用いると以下の式(2)で表される。
Here, when the
すなわち、押し下げられる前の間隔をd0とし、押し下げられた後の間隔をd1とすると、ΔCは以下の式(3)で表される。 That is, if the interval before being depressed is d 0 and the interval after being depressed is d 1 , ΔC is expressed by the following equation (3).
従って、ΔCを検知することにより、下部電極層101と上部電極層103の間隔dの変化量が明らかになる。
Therefore, by detecting ΔC, the amount of change in the distance d between the
なお、図2は、従来の微小構造体の一例を示す。図2の微小構造体では、図1の微小構造体において、充填材料層102が設けられている部分が中空部110になっている。なお、図2(A)が断面図、図2(B)が上面図である。
FIG. 2 shows an example of a conventional microstructure. In the microstructure shown in FIG. 2, the portion where the
次に、図1に示す微小構造体の作製方法の一例について図面を参照して説明する。まず、基板100上に下部電極層101を選択的に形成する(図3(A)を参照)。
Next, an example of a method for manufacturing the microstructure illustrated in FIG. 1 will be described with reference to the drawings. First, the
基板100には特に限定はなく、例えば、半導体基板、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板又はステンレス基板等を用いることができるが、絶縁性基板を用いることが好ましい。半導体基板又はステンレス基板を用いる場合には、これらの基板上に絶縁膜を形成し、絶縁性表面とすることが好ましい。
The
下部電極層101は、例えば、導電膜を基板100上に形成し、該導電膜上にフォトリソグラフィー法によりレジストマスクを形成し、該レジストマスクを用いて導電膜の所望の箇所をエッチング等により除去することで、選択的に形成することができる。下部電極層101を形成する材料は特に限定されず、導電性を有する材料により形成すればよい。導電性を有する材料としては、例えば、タンタル、タングステン、チタン、モリブデン、アルミニウム、銅から選ばれた元素又はこれらの元素を主成分とする合金材料若しくは化合物材料で形成すればよい。または、一導電型の不純物元素が添加されたシリコンでもよいし、インジウム錫酸化物(ITO)等の透明導電膜を用いても良い。なお、形成方法についても特に限定されず、スパッタリング法、CVD法又は液滴吐出法等を用いることができる。液滴吐出法を用いると、エッチングを行うことなく、所望のパターンを形成することができるため、工程数が削減される。なお、下部電極層101は、単層で形成しても良いし、複数の層を積層して形成しても良い。
For the
次に、下部電極層101上に充填材料層102を形成する。充填材料層102は好ましくは有機材料により設けられるため、レジストマスクを用いたエッチングによるパターンの形成が困難である。そのため、金属膜をマスクとして用いる場合について以下に説明する。
Next, the
まず、下部電極層101上に有機膜120を形成し、有機膜120上に金属膜121を形成し、金属膜121上にレジストマスク122を選択的に形成する(図3(B)を参照)。有機膜120は、後述の充填材料層102を形成する材料を用いて形成する。形成方法としては、例えばスピンコート法等を用いればよい。
First, the
次に、レジストマスク122を用いて金属膜121をエッチングすることで、金属マスク123を形成する(図3(C)を参照)。金属膜121のエッチングは、金属膜を構成する材料に応じて条件を設定すればよい。例えば、金属膜121の材料がタングステンである場合には、塩素ガス雰囲気におけるドライエッチングを用いることができる。レジストマスク122及び有機膜120に対してエッチング選択比がとれる(すなわち、金属膜121に対するエッチングレートが高く、有機膜120及びレジストマスク122に対するエッチングレートが低い)条件を適用することが好ましい。この後、レジストマスク122を除去する。
Next, the
次に、金属マスク123を用いて有機膜120をエッチングすることで、充填材料層102を形成する(図3(D)を参照)。有機膜120のエッチングには、例えば酸素ガスを用いてドライエッチングを行えばよい。その後、金属マスク123を除去する。なお、金属マスク123を除去することなく、微小構造体の上部電極として用いても良い。金属マスク123を除去することなく微小構造体の上部電極として用いる場合には、エッチングにより所望の形状に加工しても良い。
Next, the
なお、以上の説明では、充填材料層102の形成に金属マスクを用いたエッチングを適用した例を示したが、本発明は必ずしもこれに限定されない。例えば、有機膜120に感光性材料を混合させて露光を行うことで、パターンを形成することもできる。
In the above description, an example in which etching using a metal mask is applied to the formation of the filling
以上説明したように、下部電極層101上に充填材料層102を選択的に形成することができる(図3(E)を参照)。充填材料層102は、微小構造体の動作に応じて変形するため、この変形に耐えうる弾性を有する絶縁性材料の膜により形成する。該材料膜を形成した後に下部電極層101と同様に所望の箇所をエッチング除去等することで、選択的に形成することができる。または、液滴吐出法等により選択的に形成しても良い。
As described above, the
本発明の充填材料層102を形成する材料としては、弾性を有する絶縁性材料を用いる。好ましくは、形成後に所定の処理(熱、薬液処理等)を行うことにより、軟化し、又は硬化する材料を用いる。このような材料として、例えば、エラストマー又は熱可塑性エラストマーが挙げられる。エラストマー又は熱可塑性エラストマーを用いると、形成が行いやすいため好ましい。
As a material for forming the filling
エラストマーとは、柔軟性及び反発弾性を有する有機系樹脂材料をいい、そのヤング率が約1.0×106Pa以上1.0×107Pa以下のものをいう。エラストマーの対義語としてプラストマーがある。 The elastomer refers to an organic resin material having flexibility and impact resilience, and has a Young's modulus of about 1.0 × 10 6 Pa to 1.0 × 10 7 Pa. Plastomer is a synonym for elastomer.
なお、充填材料層102を形成する材料としては、高分子エラストマーを用いることが好ましい。高分子エラストマーとしては、ポリウレタン樹脂、エチレン−酢酸ビニル樹脂、エチレン−エチルアクリレート樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ブタジエンゴム、ブチルゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム若しくはシリコーンゴム等の合成ゴム類、又はそれらの変形体が挙げられるが、これらに限定されない。また、これらの材料の一又は複数種を組み合わせてもよいし、可塑剤等を添加して弾性率を調整してもよい。
Note that a polymer elastomer is preferably used as a material for forming the
高分子エラストマーの形成方法としては、例えば、含漬法、コーティング法、スクリーン法、グラビア法、スプレー法又は液滴吐出法等を用いればよい。これらの方法により形成する場合には、高分子エラストマーの材料を溶質として含む溶液により形成した後に、エラストマーを固化する必要がある。従って、充填材料層として用いる高分子エラストマーは、常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーであることが好ましい。常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーを用いると、エラストマーの固化を目的とした処理(加熱処理又は乾燥処理等)が不要であり、作製工程が簡略化するからである。 As a method for forming the polymer elastomer, for example, an impregnation method, a coating method, a screen method, a gravure method, a spray method or a droplet discharge method may be used. In the case of forming by these methods, it is necessary to solidify the elastomer after forming with a solution containing a polymer elastomer material as a solute. Therefore, the polymer elastomer used as the filler material layer is preferably a room temperature dry elastomer or a room temperature crosslinkable elastomer. This is because when a room temperature dry elastomer or a room temperature cross-linkable elastomer is used, a process for heating the elastomer (such as a heat treatment or a drying process) is unnecessary and the manufacturing process is simplified.
なお、常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーとしては、常温で乾燥するもの又は常温で架橋を形成するもののみならず、常温よりやや高い温度で乾燥するもの又は常温よりやや高い温度で架橋を形成するものも含まれる。また、常温乾燥型エラストマーにおける溶媒は、沸点が常温と同程度のものよりも常温よりやや高い程度の温度のものを用いることが好ましい。沸点が常温に近いものでは形成時に沸騰が起こる可能性があるからである。例えば、塩化メチレン(沸点:40℃)又はアセトン(沸点:56℃)等よりもベンゼン(沸点:80℃)又はクロロホルム(沸点:61℃)を用いることが好ましい。更には、一定時間以上放置することで蒸発しうる溶媒すべてを用いることができる。 In addition, room temperature drying type elastomers or room temperature cross-linking type elastomers are not only those that dry at room temperature or those that form crosslinking at room temperature, but those that dry at a temperature slightly higher than room temperature, or those that form a bridge at a temperature slightly higher than room temperature. Something to do is also included. Further, it is preferable to use a solvent having a boiling point slightly higher than room temperature rather than a solvent having a boiling point similar to that of room temperature. This is because if the boiling point is close to room temperature, boiling may occur during formation. For example, it is preferable to use benzene (boiling point: 80 ° C.) or chloroform (boiling point: 61 ° C.) rather than methylene chloride (boiling point: 40 ° C.) or acetone (boiling point: 56 ° C.). Furthermore, any solvent that can be evaporated by leaving it to stand for a certain time or longer can be used.
なお、常温とは、一般には概ね15℃以上25℃以下の温度範囲をいうが、本発明はこれに限定されない。常温乾燥型エラストマー又は常温架橋型エラストマーとしては、約0℃以上約100℃以下で乾燥するもの又は約0℃以上約100℃以下で架橋を形成するものを用いればよい。勿論、乾燥又は架橋の形成が上記温度範囲内で低温であることが好ましい。 Note that room temperature generally refers to a temperature range of approximately 15 ° C. to 25 ° C., but the present invention is not limited to this. As the room temperature dry elastomer or the room temperature cross-linkable elastomer, those that dry at about 0 ° C. or more and about 100 ° C. or less, or those that form a cross-link at about 0 ° C. or more and about 100 ° C. or less may be used. Of course, it is preferable that the drying or the formation of the cross-linking is at a low temperature within the above temperature range.
充填材料層102として用いるエラストマー又は熱可塑性エラストマーの形成方法として、最も好ましくはスピンコーティング法を用いる。スピンコーティング法を用いることで、充填材料層102の厚さ及び膜質にむらを生じることなく形成できるからである。充填材料層102の厚さ及び膜質の均一性を高くすることで、充填材料層102の強度分布におけるむらの発生を防止することができるため、歩留まり及び信頼性が向上し、好ましい。
As a method for forming the elastomer or thermoplastic elastomer used as the
常温乾燥型エラストマーは、常温で揮発する有機溶剤に高分子エラストマーの固形物を溶解させることで作製することができる。例えば、溶剤希釈型ウレタン又は溶剤希釈型アクリル等を用いればよい。 The room temperature dry elastomer can be produced by dissolving a solid polymer elastomer in an organic solvent that volatilizes at room temperature. For example, solvent diluted urethane or solvent diluted acrylic may be used.
常温架橋型エラストマーは、空気中の水分を吸収して硬化する湿気硬化型又は紫外光(UV)、電子ビーム(EB)若しくは可視光等のエネルギーによって硬化するもの(UV硬化型、EB硬化型若しくは可視光硬化型)を用いればよい。可視光硬化型を用いる場合には、可視光を遮断した空間にて所定の処理を行い、エラストマーの硬化時にのみ可視光に暴露すればよい。可視光硬化型を用いることで、既に形成している層に紫外光又は電子ビーム等を照射することなく充填材料層を形成することができるため、紫外光又は電子ビーム等を照射するための設備が不要であり、好ましい。これらは、エラストマーを有機溶剤等に溶解させ、またはエラストマーを水に分散させ、または溶剤等の媒体を用いることなく作製することができる。 The room temperature cross-linkable elastomer is a moisture curable type that absorbs moisture in the air and cures, or is cured by energy such as ultraviolet light (UV), electron beam (EB), or visible light (UV curable type, EB curable type or Visible light curing type) may be used. In the case of using a visible light curable type, it is only necessary to perform a predetermined treatment in a space where visible light is blocked and to be exposed to visible light only when the elastomer is cured. By using a visible light curable type, it is possible to form a filling material layer without irradiating an already formed layer with ultraviolet light or an electron beam. Is unnecessary and preferable. These can be produced without dissolving the elastomer in an organic solvent or the like, or dispersing the elastomer in water, or using a medium such as a solvent.
高分子エラストマーの固形物を水に分散させて塗布する場合には、均一に形成することが困難である。ソリッドインクは疎水性の成分が多いためである。従って、エラストマーを水に分散させることなく形成することが好ましい。常温架橋型としては、例えば湿気硬化ウレタン樹脂又は紫外線硬化アクリル樹脂等を用いることができる。常温乾燥型エラストマー及び常温架橋型エラストマーでは特に高温にすることなく形成することができ、既に形成している層を変質等させることなく充填材料層を形成することができる。 When a polymer elastomer solid is dispersed in water and applied, it is difficult to form it uniformly. This is because solid ink has many hydrophobic components. Therefore, it is preferable to form the elastomer without dispersing it in water. As the room temperature crosslinking type, for example, a moisture-curing urethane resin or an ultraviolet-curing acrylic resin can be used. The room temperature dry elastomer and the room temperature cross-linked elastomer can be formed without particularly high temperature, and the filling material layer can be formed without altering the already formed layer.
また、エラストマーは所望の形状に加工することが困難であるため熱可塑性エラストマーを用いてもよい。熱可塑性エラストマーを用いることで、成形が容易になるため好ましい。すなわち、様々な形状に加工することや、精度よく加工することが容易になるため好ましい。 Moreover, since it is difficult to process an elastomer into a desired shape, a thermoplastic elastomer may be used. Use of a thermoplastic elastomer is preferable because molding becomes easy. That is, it is preferable because it becomes easy to process into various shapes and to process with high accuracy.
なお、熱可塑性エラストマーとは、常温ではエラストマーと同様に柔軟性及び反発弾性等を有し、加熱により塑性を発現するエラストマーをいう。熱可塑性エラストマーには、ウレタン系、スチレン系、ビニル系又はエステル系等があるが、特定の材料に限定されない。または、所定の処理を行うことにより可塑性を発現する材料を用いてもよい。 The thermoplastic elastomer refers to an elastomer that has flexibility and rebound resilience, etc. at room temperature, and exhibits plasticity upon heating. Thermoplastic elastomers include urethane, styrene, vinyl or ester, but are not limited to specific materials. Alternatively, a material that develops plasticity by performing a predetermined treatment may be used.
次に、充填材料層102上に上部電極層103を形成する(図3(F)を参照)。上部電極(第2の電極)は、下部電極(第1の電極)と対向する位置に形成される。上部電極層103の形成は、下部電極層101と同様の材料を用いて、同様の方法により形成すればよい。即ち、導電膜を全面に形成し、所望の箇所をエッチング除去等することで形成すればよい。
Next, the
次に、充填材料層102を覆って、上部電極層103上に構造層104を選択的に形成する(図3(G)を参照)。構造層104の形成は、第1の電極層等と同様に、材料膜を全面に形成し、この材料膜の所望の箇所をエッチング除去して形成すればよい。
Next, the
構造層104の材料としては、ある程度の靭性を有する材料であれば特定の材料に限定されない。例えば、アルミニウム膜にチタン膜が積層され、該チタン膜上に酸化窒化シリコンが形成された、積層構造体を用いることができる。ここで、アルミニウム膜及びチタン膜はスパッタリング法により形成し、酸化窒化シリコン膜はCVD法等により形成すればよいが、形成方法についても特に限定されない。
The material of the
以上説明したように、本発明の微小構造体を形成することができる。本発明の微小構造体は従来の微小構造体とは異なり、中空部に変形可能な材料が充填されている。そのため、中空部を有する従来の微小構造体よりも機械的強度の高い微小構造体を作製することができる。機械的強度が向上することで、作製工程中又は動作中の不良の発生を防ぐことができるため、歩留まりが向上し、信頼性が向上する。 As described above, the microstructure of the present invention can be formed. Unlike the conventional microstructure, the microstructure of the present invention is filled with a deformable material in the hollow portion. Therefore, a microstructure having higher mechanical strength than a conventional microstructure having a hollow portion can be manufactured. By improving the mechanical strength, it is possible to prevent the occurrence of defects during the manufacturing process or operation, so that the yield is improved and the reliability is improved.
また、本発明の微小構造体は中空部を有さないため、犠牲層を形成する必要がない。従って、犠牲層を形成する工程及び犠牲層を除去する工程が不要であり、作製工程数を減らすことができる。また、従来の微小構造体の作製では、犠牲層のエッチング除去が十分でない場合、残存した犠牲層により歩留まりが低下することがあった。本発明を適用することで、このような残存した犠牲層による歩留まりの低下を防ぐことができ、歩留まりが向上する。 Moreover, since the microstructure of the present invention does not have a hollow portion, it is not necessary to form a sacrificial layer. Accordingly, the step of forming the sacrificial layer and the step of removing the sacrificial layer are unnecessary, and the number of manufacturing steps can be reduced. Further, in the production of a conventional microstructure, when the sacrificial layer is not sufficiently removed by etching, the remaining sacrificial layer may reduce the yield. By applying the present invention, a decrease in yield due to the remaining sacrificial layer can be prevented, and the yield can be improved.
また、上部電極層103及び構造層104により微小構造体が歪みゲージを構成している場合には、下部電極層101を形成しなくても良い。また、本発明はセンサのみならず、アクチュエータにも適用することができる。
Further, when the microstructure includes a strain gauge by the
または、構造層104にバイメタルを適用すると、バイメタル効果により駆動するアクチュエータを作製することができる。
Alternatively, when a bimetal is applied to the
このような微小構造体を用いることで、力学的センサを作製することができる。この力学的センサにより、例えば圧力センサを作製することができる。また、上記のアクチュエータにより、干渉方式のディスプレイ等を作製することができる。 By using such a microstructure, a mechanical sensor can be manufactured. For example, a pressure sensor can be produced by this mechanical sensor. In addition, an interference display or the like can be manufactured by using the actuator.
また、上記の説明では、充填材料層の側面がテーパ形状でない場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、充填材料層の側面はテーパ形状であっても良い(図10(A)を参照)。図10(A)に示す微小構造体では、基板100上に下部電極層131が設けられ、下部電極層131上に充填材料層132が設けられている。充填材料層132上には上部電極層133が設けられ、上部電極層133上には構造層134が設けられている。充填材料層132の側面はテーパ形状に加工されている。充填材料層132の側面をテーパ形状とすることで、この上に形成される構造層等を被覆性よく形成することができる。そのため、微小構造体の下部電極層131及び上部電極層133に電気的に接続される配線の断切れを防ぐことができ、作製工程における歩留まりが向上する。
In the above description, the side surface of the filling material layer is not tapered, but the present invention is not limited to this, and the side surface of the filling material layer may be tapered (FIG. 10A). See). In the microstructure illustrated in FIG. 10A, the
更には、本発明の充填材料層は液滴吐出法によって形成することもできる(図10(B)を参照)。図10(B)に示す微小構造体では、基板100上に下部電極層136が設けられ、下部電極層136上に充填材料層137が設けられている。充填材料層137上には上部電極層138が設けられ、上部電極層138上には構造層139が設けられている。液滴吐出法により形成した充填材料層137は、曲面状に形成されている。すなわち、充填材料層の表面が曲面となるように形成しても良い。
Furthermore, the filling material layer of the present invention can be formed by a droplet discharge method (see FIG. 10B). 10B, the
以上説明したように、本発明は一つの形態に限定されず、様々な構造の微小構造体に適用することが可能である。従来の微小構造体では中空部であった空間に充填材料層を設けることで、微小構造体の上部が動作することによる微小構造体の破損及び破壊を防止することができる。従って、中空部の高さが大きい場合又は構造層の靭性が十分に確保できない場合であっても、機械的強度が高く、信頼性の高い、可動部を有する微小構造体を歩留まりよく作製することができる。 As described above, the present invention is not limited to one embodiment, and can be applied to microstructures having various structures. By providing the filling material layer in the space that was a hollow portion in the conventional microstructure, damage and destruction of the microstructure due to the operation of the upper portion of the microstructure can be prevented. Therefore, even when the height of the hollow part is large or the toughness of the structural layer cannot be sufficiently secured, a microstructure having a high mechanical strength and high reliability and having a movable part is manufactured with high yield. Can do.
また、微小構造体では、下部電極と上部電極とが接触しないため電極間のスティッキングが生じず、反復して動作が可能な微小構造体を作製することができる。 In the microstructure, since the lower electrode and the upper electrode are not in contact with each other, sticking between the electrodes does not occur, and a microstructure that can be repeatedly operated can be manufactured.
また、本発明の微小構造体の作製工程においては犠牲層を形成する必要がないため、犠牲層のエッチング残りに起因する不良の発生を防止し、歩留まりよく微小構造体を作製することができる。 In addition, since it is not necessary to form a sacrificial layer in the manufacturing process of the microstructure of the present invention, it is possible to prevent the occurrence of defects due to the etching residue of the sacrificial layer and to manufacture the microstructure with a high yield.
更には、本発明の微小構造体の作製方法を用いることで、複雑な作製工程を経ることなく、微小構造体を作製することができる。また、微小構造体が有する充填材料層の厚さを均一にすることができる。 Furthermore, by using the method for manufacturing a microstructure according to the present invention, a microstructure can be manufactured without going through a complicated manufacturing process. In addition, the thickness of the filling material layer included in the microstructure can be made uniform.
なお、本実施の形態は最も簡略な一例を示したのみであり、微小構造体の機能に応じて様々な形態にすることが可能である。特に、微小構造体のサイズ又は形状等は実施者が必要に応じて適宜変更しうるものである。 Note that this embodiment mode shows only the simplest example, and various modes can be employed depending on the function of the microstructure. In particular, the size or shape of the microstructure can be changed as appropriate by the practitioner.
以上説明したように、本発明の微小構造体を作製することができる。 As described above, the microstructure of the present invention can be manufactured.
(実施の形態2)
本実施の形態では、本発明の半導体装置の構成例及びその作製方法について図面を参照して説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment mode, a structural example of a semiconductor device of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to drawings.
本発明の半導体装置は、マイクロマシンの分野に属するものであり、一般に、マイクロメートルからミリメートル単位の大きさを有する。また、ある機械装置の部品として組み込まれるために作製される場合は、組み立て時に扱いやすいよう、半導体装置がメートル単位の大きさを有する場合もある。 The semiconductor device of the present invention belongs to the field of micromachines, and generally has a size of micrometer to millimeter unit. Further, when manufactured to be incorporated as a part of a certain mechanical device, the semiconductor device may have a size of a metric unit so that it can be easily handled during assembly.
図4に、本発明の半導体装置の一例についてブロック図を示す。本発明の半導体装置231は電気回路部232及び構造体部233を有する。電気回路部232は、半導体素子を用いて設けられ、構造体部233を制御する制御回路234、及び外部の制御装置230と通信を行うインターフェース235を有する。また、構造体部233は、微小構造体により設けられたセンサ236、アクチュエータ237及びスイッチ等を有する。構造体部233は、センサ、アクチュエータ及びスイッチのいずれか一を有していても良い。
FIG. 4 is a block diagram showing an example of the semiconductor device of the present invention. The semiconductor device 231 of the present invention includes an electric circuit portion 232 and a structure portion 233. The electric circuit portion 232 is provided using a semiconductor element, and includes a control circuit 234 that controls the structure portion 233 and an interface 235 that communicates with the
また、電気回路部232は、構造体部233が得た情報を処理するための中央演算処理装置、及び処理した情報を記憶するメモリ等を有していてもよい。 The electric circuit unit 232 may include a central processing unit for processing information obtained by the structure unit 233, a memory for storing the processed information, and the like.
外部の制御装置230は、半導体装置231を制御する信号を送信し、半導体装置231が得た情報を受信し、または半導体装置231に駆動電力を供給する等の動作を行う。
The
なお、本発明は上記の構成例のみに限定されない。つまり、本発明の半導体装置は、微小構造体を制御する電気回路、及び該電気回路により制御される微小構造体を有していればよく、その他の構成は図4に限定されない。 In addition, this invention is not limited only to said structural example. In other words, the semiconductor device of the present invention only needs to include an electric circuit that controls the microstructure and the microstructure controlled by the electric circuit, and other structures are not limited to those in FIG.
次に、上記で説明した本発明の半導体装置を作製するために、同一基板上に微小構造体と、半導体素子とを作製する方法について、図5乃至図7を参照して説明する。各図面は、上面図と、上面図のO−Pにおける断面図を示す。 Next, a method for manufacturing a microstructure and a semiconductor element over the same substrate in order to manufacture the semiconductor device of the present invention described above will be described with reference to FIGS. Each drawing shows a top view and a cross-sectional view at OP of the top view.
本発明の微小構造体及び半導体素子は、一の絶縁表面を有する基板(以下、絶縁性基板という。)上に形成することができる。ここで絶縁性基板としては、ガラス基板、石英基板又はプラスチック基板等が挙げられる。さらに、金属等の導電性基板、又はシリコン等の半導体基板上に絶縁性を有する層を形成した基板でもよい。一のプラスチック基板に微小構造体と半導体素子とを形成することにより、柔軟性が高く、薄型の半導体装置を作製することができる。また、ガラス基板を研磨等により薄くすることによって、薄型の半導体装置を作製することもできる。 The microstructure and the semiconductor element of the present invention can be formed over a substrate having one insulating surface (hereinafter referred to as an insulating substrate). Here, examples of the insulating substrate include a glass substrate, a quartz substrate, and a plastic substrate. Furthermore, a conductive substrate such as metal or a substrate in which an insulating layer is formed on a semiconductor substrate such as silicon may be used. By forming a microstructure and a semiconductor element over one plastic substrate, a highly flexible and thin semiconductor device can be manufactured. In addition, a thin semiconductor device can be manufactured by thinning the glass substrate by polishing or the like.
本発明の半導体装置では、微小構造体が充填材料層を有する。充填材料層は実施の形態1にて説明したようにエラストマーにより形成されることが好ましい。しかし、エラストマーは薄膜トランジスタの作製工程に耐えうる程度の耐熱性を有していない場合が多いため、本実施の形態では、基板上にまずは薄膜トランジスタを形成し、その後、微小構造体を形成する作製方法について説明する。 In the semiconductor device of the present invention, the microstructure has a filler material layer. The filler material layer is preferably formed of an elastomer as described in the first embodiment. However, since an elastomer often does not have heat resistance enough to withstand the manufacturing process of a thin film transistor, in this embodiment mode, a manufacturing method in which a thin film transistor is first formed over a substrate and then a microstructure is formed Will be described.
まず、絶縁性基板201上に下地膜202を形成する。下地膜202は、酸化シリコン系材料膜又は窒化シリコン系材料膜等により絶縁膜を単層で、又は積層して形成する。ここでは下地膜202として2層構造の絶縁膜を形成する場合を説明する。なお、特に必要のない場合には下地膜202を設けなくても良い。
First, the
なお、酸化シリコン系材料とは、酸素とシリコンとを主成分とする酸化シリコン、または酸化シリコンが窒素を含有し、且つ酸素の含有量が窒素の含有量よりも多い酸化窒化シリコンをいう。窒化シリコン系材料とは、窒素とシリコンとを主成分とする窒化シリコン、または窒化シリコンが酸素を含有し、窒素の含有量が酸素の含有量よりも多い窒化酸化シリコンをいう。 Note that a silicon oxide-based material refers to silicon oxide containing oxygen and silicon as main components or silicon oxynitride in which silicon oxide contains nitrogen and the oxygen content is higher than the nitrogen content. The silicon nitride-based material refers to silicon nitride containing nitrogen and silicon as main components, or silicon nitride oxide in which silicon nitride contains oxygen and the nitrogen content is higher than the oxygen content.
本実施の形態では、下地膜202は2層の積層構造とする。下地膜202の1層目としては、例えば、プラズマCVD法により、SiH4、NH3、N2O及びH2を反応ガスとして用いて形成される窒化シリコン系材料膜を10nm以上200nm以下の厚さで、好ましくは50nm以上100nm以下の厚さで形成する。ここでは、膜厚50nmの窒化酸化シリコン膜を形成する。次に、1層目の上に下地膜202の2層目としてプラズマCVD法により、SiH4とN2Oを反応ガスとして用いて形成される酸化シリコン系材料膜を50nm以上200nm以下の厚さで、好ましくは100nm以上150nm以下の厚さで形成する。ここでは、膜厚100nmの酸化窒化シリコン膜を形成する。
In this embodiment mode, the
次に、下地膜202上に半導体膜を形成し、任意の形状にエッチング等することで、半導体層204を得る(図5(A1)及び(A2)を参照)。半導体層204は、主成分としてシリコンを有する材料から形成することができる。シリコンを有する材料としては、シリコンからなる材料、またはゲルマニウムを0.01〜4.5atomic%程度有するシリコンゲルマニウム材料等が挙げられる。
Next, a semiconductor film is formed over the
半導体層204には、結晶状態を有するもの、または非晶質状態を有するものを用いることができる。ここでは、非晶質半導体膜を形成し、該非晶質半導体膜に対して加熱処理を行うことで結晶化される、結晶性半導体膜を形成する。加熱処理には、加熱炉による加熱、レーザ照射若しくはレーザ光の代わりにランプから発する光の照射(以下、ランプアニールという。)又はそれらを組み合わせて用いることができる。
The
レーザ照射を用いる場合には、連続発振型のレーザ光(CWレーザ光)やパルス発振型のレーザ光(パルスレーザ光)を用いることができる。レーザ光としては、Arレーザ、Krレーザ、エキシマレーザ、YAGレーザ、Y2O3レーザ、YVO4レーザ、YLFレーザ、YAlO3レーザ、ガラスレーザ、ルビーレーザ、アレキサンドライトレーザ、Ti:サファイヤレーザ、銅蒸気レーザ若しくは金蒸気レーザのうち一種又は複数種から発振されるレーザ光を用いることができる。このようなレーザ光の基本波、又は第2高調波から第4高調波のレーザ光を照射することで、大粒径の結晶を得ることができる。例えば、Nd:YVO4レーザ(基本波1064nm)の第2高調波(532nm)又は第3高調波(355nm)を用いることができる。このときのレーザ光のエネルギー密度は0.01MW/cm2以上100MW/cm2以下程度、好ましくは0.1MW/cm2以上10MW/cm2以下とする。そして、走査速度を10cm/sec以上2000cm/sec以下程度とする。 In the case of using laser irradiation, a continuous wave laser beam (CW laser beam) or a pulsed laser beam (pulse laser beam) can be used. As laser light, Ar laser, Kr laser, excimer laser, YAG laser, Y 2 O 3 laser, YVO 4 laser, YLF laser, YAlO 3 laser, glass laser, ruby laser, alexandrite laser, Ti: sapphire laser, copper vapor Laser light oscillated from one or a plurality of lasers or gold vapor lasers can be used. By irradiating the fundamental wave of such laser light or the second to fourth harmonic laser light, a crystal having a large grain size can be obtained. For example, the second harmonic (532 nm) or the third harmonic (355 nm) of an Nd: YVO 4 laser (fundamental wave 1064 nm) can be used. Energy density of the laser beam at this time is 0.01 mW / cm 2 or more 100 MW / cm 2 degrees or less, preferably 0.1 MW / cm 2 or more 10 MW / cm 2 or less. The scanning speed is about 10 cm / sec or more and 2000 cm / sec or less.
なお、連続発振の基本波のレーザ光と連続発振の高調波のレーザ光とを照射してもよいし、連続発振の基本波のレーザ光とパルス発振の高調波のレーザ光とを照射してもよい。 Note that continuous wave fundamental laser light and continuous wave harmonic laser light may be irradiated, or continuous wave fundamental laser light and pulsed harmonic laser light may be irradiated. Also good.
また、パルス発振型のレーザ光であって、半導体層がレーザ光によって溶融した後固化するまでの間に、次のパルスのレーザ光を照射できる周波数で発振させたレーザ光を用いることもできる。このような周波数でレーザ光を発振させることで、走査方向に向かって連続的に成長した結晶粒を得ることができる。具体的なレーザ光の発振周波数は10MHz以上とする。これは、通常用いられている数十Hz〜数百Hzの周波数帯と比較すると、著しく高いものである。 Alternatively, a pulse oscillation type laser beam that is oscillated at a frequency at which the laser beam of the next pulse can be irradiated before the semiconductor layer is melted by the laser beam and solidified can be used. By oscillating laser light at such a frequency, crystal grains continuously grown in the scanning direction can be obtained. The specific oscillation frequency of the laser beam is 10 MHz or more. This is remarkably high as compared with a frequency band of several tens Hz to several hundreds Hz that is usually used.
または、レーザ照射以外の手段により加熱処理を行っても良い。例えば、加熱炉を用いた加熱処理を行うことができる。加熱炉を用いる場合には、非晶質半導体膜に対して400℃以上550℃以下で2時間以上20時間以下の加熱を行うとよい。このとき、徐々に高温となるように温度を400℃以上550℃以下の範囲で多段階に設定するとよい。多段階で設定する場合、一段階目の温度を400℃程度とすることで、非晶質半導体膜に含まれる水素等が放出されるため、結晶化の際の膜荒れを低減し、又は膜の消失を防止することができる。さらに、結晶化を助長する金属、例えばニッケルを用いることで比較的低温の加熱で結晶化が可能なため好ましい。結晶化を助長する金属としては、ニッケルのみならず、Fe、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Au等の金属を用いることもできる。 Alternatively, heat treatment may be performed by means other than laser irradiation. For example, heat treatment using a heating furnace can be performed. In the case of using a heating furnace, the amorphous semiconductor film is preferably heated at 400 ° C to 550 ° C for 2 hours to 20 hours. At this time, the temperature may be set in multiple stages in a range of 400 ° C. or higher and 550 ° C. or lower so that the temperature gradually increases. In the case of setting in multiple stages, by setting the temperature in the first stage to about 400 ° C., hydrogen contained in the amorphous semiconductor film is released, so that the film roughness during crystallization is reduced or the film Disappearance can be prevented. Furthermore, it is preferable to use a metal that promotes crystallization, such as nickel, because crystallization is possible by heating at a relatively low temperature. As a metal for promoting crystallization, not only nickel but also metals such as Fe, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au can be used.
更には、加熱炉による加熱処理と、レーザによる加熱処理とを併用して非晶質半導体膜の結晶化を行っても良い。 Further, the amorphous semiconductor film may be crystallized by using a heat treatment with a heating furnace and a heat treatment with a laser in combination.
なお、結晶化を助長する金属は半導体装置の汚染源となるため、結晶化した後に除去し、又は低減させることが好ましい。この場合、加熱炉による加熱処理又はレーザ照射による加熱処理で結晶化した後、半導体層上にゲッタリングシンクとなる層を形成して加熱することにより、金属をゲッタリングシンクへ移動させて、金属を除去し、又は低減させることができる。ゲッタリングシンクとしては、多結晶半導体膜や不純物元素が添加された半導体膜を用いることができる。例えば、半導体膜上にアルゴン等の不活性元素が添加された多結晶半導体膜を形成し、これをゲッタリングシンクとして用いることができる。不活性元素を添加することによって、多結晶半導体膜にひずみを生じさせることができ、ひずみにより効果的に金属を捕獲することができる。また、リン等の元素を添加した半導体膜を形成することによって、金属を捕獲することもできる。 Note that the metal that promotes crystallization serves as a contamination source of the semiconductor device, and thus is preferably removed or reduced after crystallization. In this case, after crystallization by heat treatment by a heating furnace or heat treatment by laser irradiation, a layer serving as a gettering sink is formed on the semiconductor layer and heated to move the metal to the gettering sink. Can be removed or reduced. As the gettering sink, a polycrystalline semiconductor film or a semiconductor film to which an impurity element is added can be used. For example, a polycrystalline semiconductor film to which an inert element such as argon is added can be formed over the semiconductor film, and this can be used as a gettering sink. By adding an inert element, the polycrystalline semiconductor film can be strained, and the metal can be effectively captured by the strain. In addition, metal can be captured by forming a semiconductor film to which an element such as phosphorus is added.
また、半導体層204は、非晶質半導体膜又はこれを結晶化したものに限定されない。例えば、水素イオンのドーピング等により損傷層が形成された半導体基板を絶縁性基板201上、又は絶縁性基板201上に絶縁膜が形成されたものに貼り合わせ、損傷層から剥離することで形成される単結晶半導体層を用いても良い。なお、ここで、半導体基板が貼り合わせられた面にも、絶縁膜が設けられていても良い。このような工程にて形成された半導体層は電気的特性が非常に良好な(例えば、移動度が高い)ため、本発明の微小構造体を用いた高機能な半導体装置を提供することができる。例えば、消費電力が低減される。更には、図4における電気回路部232が占有する面積を小さくすることができる。
The
なお、本発明に係る微小構造体は可変容量型であるため、静電容量の微小変化量を検出する必要がある。そのため、半導体層として結晶性が良好な半導体を用いることは、非常に有効である。 Note that since the microstructure according to the present invention is of a variable capacitance type, it is necessary to detect a minute change in capacitance. Therefore, it is very effective to use a semiconductor with good crystallinity as the semiconductor layer.
次に、半導体層204上にゲート絶縁膜206を形成する(図5(A1)及び(A2)を参照)。ゲート絶縁膜206は、下地膜202と同様、酸化シリコン系材料又は窒化シリコン系材料等を用いて、プラズマCVD法又はスパッタリング法等により形成することができる。本実施の形態では、ゲート絶縁膜206として、プラズマCVD法により110nmの厚さの酸化窒化シリコン膜を形成する。勿論、ゲート絶縁膜206は酸化窒化シリコン膜に限定されるものではなく、他のシリコンを含む絶縁膜を単層で、又は積層して形成しても良い。
Next, a
また、ゲート絶縁膜206は高密度プラズマ処理によって形成することもできる。ここで、高密度プラズマ処理とは、プラズマ密度が1×1011cm−3以上、好ましくは1×1011cm−3以上9×1015cm−3以下で、マイクロ波(例えば周波数2.45GHz)等の高周波を用いたプラズマ処理をいう。このような条件でプラズマを発生させると、低電子温度が0.2eV以上2.0eV以下となる。このように低電子温度の高密度プラズマは、活性種の運動エネルギーが低いためプラズマダメージが少なく、欠陥の少ない膜を形成することを可能とする。このように、高密度プラズマ処理により形成された絶縁膜は、当該絶縁膜と絶縁膜に接触する層との間の界面状態が良好になる。そのため、高密度プラズマ処理を用いてゲート絶縁膜206を形成すると、半導体層204との界面状態を良好にすることができる。その結果、半導体素子の電気的特性を向上させることができる。
The
更には、ゲート絶縁膜206のみならず、下地膜202や他の絶縁膜の形成にも、高密度プラズマ処理を用いることが可能である。
Furthermore, not only the
次に、ゲート絶縁膜206上に半導体素子を構成するゲート電極層207となる導電膜を形成し、エッチング等により所望の形状の導電層を得る(図5(B1)及び(B2)を参照)。ゲート電極層207は、タングステン等の導電性を有する金属又は化合物等を用いて、スパッタリング法又はCVD法等により形成することができる。なお、ゲート電極層207を二種以上の導電性の材料を積層することで形成しても良い。また、側面をテーパ形状にエッチングしてもよい。なお、ここでは、タングステン膜を単層で形成し、これをゲート電極層とする。
Next, a conductive film to be the
所望の形状を得るためのパターンの形成は、フォトリソグラフィー法を用いてレジストマスクを形成し、異方性のドライエッチングにより行う。エッチング方法としては、例えばICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)エッチング法を用いることができる。エッチング条件(コイル型の電極に印加される電力量、絶縁性基板201側の電極に印加される電力量、絶縁性基板201側の電極の温度等)は、被エッチング膜の厚さ等を考慮して決定する。なお、エッチング用ガスとしては、Cl2、BCl3、SiCl4若しくはCCl4等の塩素系ガス、CF4、SF6若しくはNF3等のフッ素系ガス又はO2ガスを用いることができる。
A pattern for obtaining a desired shape is formed by forming a resist mask using a photolithography method and performing anisotropic dry etching. As an etching method, for example, an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching method can be used. Etching conditions (the amount of power applied to the coil-type electrode, the amount of power applied to the electrode on the insulating
次に、半導体層204の所定の領域に不純物元素を添加して、P型不純物領域211及びN型不純物領域212を形成する(図5(C1)及び(C2)を参照)。これらの不純物領域は、フォトリソグラフィー法によりレジストマスクを形成し、不純物元素を添加することで選択的に形成することができる。不純物元素を添加する方法としては、イオンドープ法又はイオン注入法を適用することができる。N型を付与する不純物元素として、典型的にはリン(P)又は砒素(As)を用い、P型を付与する不純物元素としてはボロン(B)を用いることができる。
Next, an impurity element is added to a predetermined region of the
次に、プラズマCVD法等によって窒化シリコン系材料や酸化シリコン系材料からなる絶縁膜を形成し、当該絶縁膜を垂直方向に異方性エッチングすることで、ゲート電極層207の側面に接する絶縁層(以下、サイドウォール209と記載する)を形成する(図5(C1)及び(C2)を参照)。
Next, an insulating film made of a silicon nitride material or a silicon oxide material is formed by a plasma CVD method or the like, and the insulating film is anisotropically etched in the vertical direction, so that the insulating layer in contact with the side surface of the
次に、N型不純物領域212を有する半導体層204に更に不純物元素を添加し、サイドウォール209の下方に設けられたN型不純物領域212よりも不純物濃度が高い、高濃度N型不純物領域210を形成する。
Next, an impurity element is further added to the
また、ゲート電極層207を異なる導電性材料により積層し、側面をテーパ形状とする場合、必ずしもサイドウォール209を形成しなくてもよい。ゲート電極層207の側面をテーパ形状とすると、一度の不純物元素の添加でN型不純物領域212及び高濃度N型不純物領域210を形成することができるからである。
In the case where the
なお、以上のように高濃度N型不純物領域210とN型不純物領域212とを形成することで、薄膜トランジスタをLDD(Lightly Doped Drain)構造とすることができる。薄膜トランジスタをLDD構造とすることで短チャネル効果を防止することができる。薄膜トランジスタのサイズが小さいほど短チャネル効果が生じやすいため、薄膜トランジスタのサイズが小さくなるほどLDD構造とすることが好ましい。なお、N型半導体素子のみをLDD構造とすればよい。
Note that by forming the high-concentration N-
次に、不純物領域を形成した後、不純物元素を活性化するために加熱、又は赤外光若しくはレーザ光の照射を行う。また、活性化と同時にゲート絶縁膜206へのプラズマダメージ又はゲート絶縁膜206と半導体層204との界面へのプラズマダメージを回復することができる。特に、室温〜300℃の雰囲気中において、絶縁性基板201の表面又は裏面からエキシマレーザにより不純物元素を活性化させると、効果的に活性化を行うことができる。またYAGレーザの第2高調波を照射して活性化させてもよい。YAGレーザはメンテナンス頻度が少ないため、レーザ照射手段として好ましい。
Next, after the impurity region is formed, heating or irradiation with infrared light or laser light is performed to activate the impurity element. In addition, plasma damage to the
また、酸化窒化シリコン又は酸化シリコン等の絶縁性材料からなるパッシベーション膜をゲート電極層207となる導電層及び半導体層204を覆うように形成してもよい。更には、パッシベーション膜を形成後に加熱し、又は赤外光の照射若しくはレーザ光の照射を行って水素化することも可能である。例えば、プラズマCVD法を用いて、酸化窒化シリコン膜を100nmの厚さで形成し、その後、クリーンオーブンを用いて、300〜550℃で1〜12時間加熱することで、半導体層204の水素化を行うことができる。例えば、クリーンオーブンを用いて、窒素雰囲気中で410℃、1時間の加熱を行う。この工程でパッシベーション膜に水素を含ませ、不純物元素の添加によって生じた半導体層204のダングリングボンドを終端することもできる。また、同時に、上記した不純物領域の活性化処理を行うこともできる。
Alternatively, a passivation film made of an insulating material such as silicon oxynitride or silicon oxide may be formed so as to cover the conductive layer to be the
上記の工程により、薄膜トランジスタである、N型半導体素子213と、P型半導体素子214とが形成される(図5(C1)及び(C2)を参照)。
Through the above steps, an N-
続いて、半導体素子の全体を覆うように層間絶縁層215を形成する(図6(A1)及び(A2)を参照)。層間絶縁層215は、絶縁性を有する無機材料又は有機材料等により形成することができる。無機材料としては、酸化シリコン又は窒化シリコン等を用いることができる。有機材料としては、ポリイミド、アクリル、ポリアミド、ポリイミドアミド、レジスト若しくはベンゾシクロブテン、シロキサン樹脂又はポリシラザンを用いることができる。なお、シロキサン樹脂とは、Si−O−Si結合を含む樹脂に相当する。シロキサンは、シリコンと酸素との結合で骨格構造が構成される。置換基として、有機基(例えばアルキル基、芳香族炭化水素)やフルオロ基を用いてもよい。ポリシラザンは、シリコンと窒素との結合を有するポリマー材料を出発原料として形成される。
Subsequently, an
なお、層間絶縁層215として、無機材料を用いてCVD法等により形成する場合には、形成した後にCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等により平坦化することが好ましい。
Note that in the case where the
次に、層間絶縁層215及びゲート絶縁膜206を順次エッチングし、コンタクトホールを形成する。エッチング処理は、ドライエッチング法又はウエットエッチング法により行うことができる。本実施の形態では、ドライエッチング法によりコンタクトホールを形成する。
Next, the
次に、層間絶縁層215上及びコンタクトホール216に導電層217を形成し、所望の形状にエッチング等することで、ソース電極及びドレイン電極、更には電気回路を構成する配線を形成する(図6(A1)及び(A2)を参照)。導電層217としては、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン若しくはシリコンの元素からなる膜又はこれらの元素を用いた合金膜を用いることができる。
Next, a
また、導電層217がレイアウトの制約上、矩形となり、角部を有するパターンの場合には、丸みを帯びた形状となるようにエッチング等を行うことが好ましい。丸みを帯びた形状にエッチングすることによって、作製工程中のゴミの発生を抑え、歩留まりを向上させることができる。これは、ゲート電極層及び半導体層等についても同様である。
In the case where the
以上の工程により、薄膜トランジスタと、薄膜トランジスタを覆う層間絶縁層215と、薄膜トランジスタに接続される配線となる導電層217と、を形成することができる。
Through the above steps, a thin film transistor, an
次に、層間絶縁層215上に微小構造体を作製する。微小構造体の作製方法は、実施の形態1にて説明した工程を適用すればよい。
Next, a microstructure is formed over the interlayer insulating
なお、ここでは導電層217が薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極、並びに微小構造体の下部電極となる場合について説明する。従って、上記の工程にて微小構造体の下部電極は既に形成されている。しかし、本発明はこれに限定されず、導電層217と微小構造体の下部電極を別々に形成しても良い。
Note that the case where the
次に、導電層217により形成された下部電極上に充填材料層218を形成する。充填材料層218の形成は、実施の形態1における充填材料層102と同様の材料及び同様の方法で行えばよい。
Next, a
次に、所望のパターンに形成された充填材料層218上に上部電極を形成する導電層219を形成し、所望のパターンに形成された導電層219上に構造層220を形成する。導電層219及び構造層220の形成は、実施の形態1における上部電極層103及び構造層104と同様の材料及び同様の方法で行えばよい。
Next, a
以上説明したように、本発明の微小構造体とトランジスタとを同一基板上に作製することができる(図7(A1)及び(A2)を参照)。 As described above, the microstructure and the transistor of the present invention can be manufactured over the same substrate (see FIGS. 7A1 and 7A2).
なお、導電層217が微小構造体の下部電極ではなく、上部電極を形成していてもよい(図7(B)を参照)。
Note that the
なお、上記の説明では、トランジスタとして薄膜トランジスタを用いた場合を説明したが、本発明はこれに限定されず、トランジスタはFET(Field Effect Transitor)であってもよい。また、基板としてSOI(Silicon On Insulator)基板を用いても良い(図9を参照)。図9(A)は導電層238がFETのソース電極及びドレイン電極、並びに微小構造体の下部電極となる例であり、図9(B)は、導電層239がFETのソース電極及びドレイン電極、並びに微小構造体の上部電極となる例である。
In the above description, a thin film transistor is used as a transistor. However, the present invention is not limited to this, and the transistor may be an FET (Field Effect Transistor). Alternatively, an SOI (Silicon On Insulator) substrate may be used as the substrate (see FIG. 9). FIG. 9A shows an example in which the
なお、本実施の形態ではトランジスタの形成後に、該トランジスタを覆って形成した層間絶縁層上に微小構造体を作製する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。微小構造体が有する充填材料層が、トランジスタの作製工程中における温度により、又は用いる薬液等により、破損又は変質等しないのであれば、トランジスタの各層を形成しつつ、微小構造体の各層を形成することもできる。例えば、トランジスタのゲート電極と微小構造体の下部電極を同一の層のパターニングにより形成し、トランジスタのソース電極及びドレイン電極と微小構造体の上部電極を同一の層のパターニングにより形成することができる。例えば、有機トランジスタを用いることでこれを実現することができる。有機トランジスタとは、ペンタセン等の有機半導体を適用したトランジスタである。以下に、有機薄膜トランジスタ(以下、有機TFTという。)の作製方法の一例について簡単に説明する。 Note that although the case where a microstructure is formed over an interlayer insulating layer formed so as to cover the transistor after formation of the transistor is described in this embodiment, the present invention is not limited thereto. Each layer of the microstructure is formed while forming each layer of the transistor if the filling material layer included in the microstructure does not break or change due to temperature during the manufacturing process of the transistor or due to a chemical solution used. You can also. For example, the gate electrode of the transistor and the lower electrode of the microstructure can be formed by patterning the same layer, and the source and drain electrodes of the transistor and the upper electrode of the microstructure can be formed by patterning the same layer. For example, this can be realized by using an organic transistor. An organic transistor is a transistor to which an organic semiconductor such as pentacene is applied. Hereinafter, an example of a method for manufacturing an organic thin film transistor (hereinafter referred to as an organic TFT) will be briefly described.
図8は、トランジスタとしてボトムコンタクト型の有機TFTを用いた場合の上面図及び断面図を示す。ボトムコンタクト型有機TFTでは、ソース電極及びドレイン電極を形成した後に、有機半導体膜を形成する。 FIG. 8 shows a top view and a cross-sectional view when a bottom contact type organic TFT is used as a transistor. In bottom contact type organic TFT, after forming a source electrode and a drain electrode, an organic-semiconductor film is formed.
まず、絶縁性基板301上に下地膜302を形成し、下地膜302上にゲート電極層307を形成する。下地膜302は下地膜202と同様に、ゲート電極層307はゲート電極層207と同様に形成することができる。
First, the
なお、絶縁性基板301は、絶縁性基板201と同様のものを用いることができる。しかし、絶縁性基板301として、好ましくは、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルサルフォン(PES)に代表されるプラスチックや、アクリル等の合成樹脂からなる基板を用いるとよい。このような合成樹脂から成る基板は、可撓性を有し、更には軽量である。
Note that the insulating
また、ゲート電極層307はスパッタリング法の他、スクリーン印刷法、ロールコーター法、液滴吐出法、スピンコート法又は蒸着法等により形成しても良いし、電極材料は金属及び金属化合物の他、導電性高分子等を使用しても良い。
In addition to the sputtering method, the
液滴吐出法は、選択的にパターンを形成することが可能な方法であり、導電膜や絶縁膜等の材料が混入された組成物の液滴を選択的に吐出(噴出も含む。)して導電膜を形成する方法である。液滴吐出法として、代表的にはインクジェット法がある。 The droplet discharge method is a method capable of selectively forming a pattern, and selectively discharges (including ejection) a droplet of a composition mixed with a material such as a conductive film or an insulating film. This is a method for forming a conductive film. As a droplet discharge method, there is typically an ink jet method.
液滴吐出法により導電膜を形成する場合には、溶媒中に導電体を混入させて用いる。溶媒中に混入させる導電体として、金、銀、銅、白金、パラジウム、タングステン、ニッケル、タンタル、ビスマス、鉛、インジウム、錫、亜鉛、チタン若しくはアルミニウム、これらからなる合金、これらの分散性ナノ粒子又はハロゲン化銀の微粒子を用いることができる。 When a conductive film is formed by a droplet discharge method, a conductive material is mixed in a solvent and used. As a conductor mixed in the solvent, gold, silver, copper, platinum, palladium, tungsten, nickel, tantalum, bismuth, lead, indium, tin, zinc, titanium or aluminum, alloys made of these, and dispersible nanoparticles thereof Alternatively, silver halide fine grains can be used.
スクリーン印刷法等により導電膜を形成する場合には、導電性ペーストを用いる。導電性ペーストとしては、導電性カーボンペースト、導電性銀ペースト、導電性銅ペースト若しくは導電性ニッケルペースト等を用いることができる。導電性ペーストで所定のパターンを形成した後に乾燥させ、約100〜200℃で加熱処理を行って平坦化(レベリングともいう。)し、硬化させるとよい。 When forming a conductive film by a screen printing method or the like, a conductive paste is used. As the conductive paste, conductive carbon paste, conductive silver paste, conductive copper paste, conductive nickel paste, or the like can be used. After a predetermined pattern is formed with a conductive paste, it is preferably dried and then subjected to heat treatment at about 100 to 200 ° C. to flatten (also referred to as leveling) and harden.
なお、ゲート電極層307により、薄膜トランジスタのゲート電極のみならず、微小構造体の下部電極をも形成することができる。
Note that the
ゲート電極層307を形成した後にゲート絶縁膜306を形成する。ゲート絶縁膜306はゲート絶縁膜206と同様の材料及び同様の方法によって形成すればよい。ここではCVD法を用いるが、スパッタ法、スピンコート法又は蒸着法等で形成しても良い。または、層間絶縁層215と同様にシロキサン樹脂又はポリシラザン等を用いても良い。または、ゲート絶縁膜として、ゲート電極を陽極酸化して形成される絶縁膜を用いてもよい。
After the
次に、微小構造体の充填材料層318、上部電極層319及び構造層320を形成する。充填材料層318は、実施の形態1における充填材料層102と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。上部電極層319は、ゲート電極層307と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。構造層320は、実施の形態1における構造層104と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。
Next, a
次に、ゲート絶縁膜306の上に薄膜トランジスタのソース電極及びドレイン電極層316を形成する。ソース電極及びドレイン電極層316は、ゲート電極層307と同様の材料及び同様の方法により形成することができる。なお、ソース電極及びドレイン電極層316は、後に形成される有機半導体膜とオーミック接合する必要がある。そのため、有機半導体膜の材料がp型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が大きい材料を用いることが好ましく、n型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が小さい材料を用いることが好ましい。ここでは、有機半導体膜の材料としてp型のペンタセンを用いるため、仕事関数が比較的高いタングステンをソース電極及びドレイン電極層316の材料として採用する。しかし、これに限定されない。
Next, a source and drain
次に、ゲート絶縁膜306とソース電極及びドレイン電極層316上に有機半導体膜304を形成する。上記したように、本実施の形態の有機半導体膜の材料としてはペンタセンを用いる。しかし、有機半導体膜の材料はこれに限定されず、有機分子性結晶又は有機高分子化合物を用いればよい。具体的な有機分子性結晶は、多環芳香族化合物、共役二重結合系化合物、カロテン若しくはマクロ環化合物又はこれらの錯体、フタロシアニン若しくは電荷移動型錯体(CT錯体)等が挙げられる。例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、6T(ヘキサチオフェン)、TCNQ(テトラシアノキノジメタン)、TTF(テトラチアフルバレン):TCNQ(テトラシアノキノジメタン)錯体、DDPH(ジフェニルピクリルヒドラジル)、色素、タンパク、PTCDA等のペリレンテトラカルボン酸誘導体、NTCDA等のナフタレンテトラカルボン酸誘導体等を用いることができる。また、具体的な有機高分子化合物としては、π共役系高分子、フタロシアニン金属錯体又はヨウ素錯体等が挙げられる。特に、骨格が共役二重結合から構成されるπ共役系高分子である、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチエニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリ(3アルキルチオフェン)、ポリパラフェニレン誘導体又はポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いることが好ましい。
Next, an
また、有機半導体膜304の形成には、膜厚の均一な膜が形成できる方法を用いればよい。具体的な方法としては、蒸着法、スピンコート法、バーコート法、溶液キャスト法又はディッピング法等を用いればよい。ここでは、有機半導体材料であるペンタセンを蒸着法の一種である真空蒸着法によって、ゲート絶縁膜306とソース電極及びドレイン電極層316の上に有機半導体膜304として形成する。有機半導体膜304は、マスクを介して形成する等、選択的に形成することが好ましい。
The
なお、有機半導体膜を形成する前処理として、有機半導体膜の被形成面に対してプラズマ処理を行ってもよい。または、有機半導体膜の被形成面に対して密着性若しくは界面状態を良好にする膜、例えば自己組織化単分子膜(SAM)又は配向膜を形成してもよい。 Note that as a pretreatment for forming the organic semiconductor film, a plasma treatment may be performed on a surface on which the organic semiconductor film is formed. Alternatively, a film that improves the adhesion or interface state with respect to the surface on which the organic semiconductor film is formed, for example, a self-assembled monomolecular film (SAM) or an alignment film may be formed.
そして、有機半導体膜の形成後に絶縁性基板301を加熱処理する。加熱処理の温度は、有機半導体膜304が蒸発又は分解する温度よりも低い温度を上限とする。この温度範囲内であって、高い温度により加熱処理することで、有機TFTの特性が良好になる。また、このときの温度は、有機半導体膜の融点以下が好ましい。
Then, after the organic semiconductor film is formed, the insulating
なお、加熱処理は大気中で行なってもよいが、酸素又は水による有機半導体膜の劣化を考慮して、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。更には、減圧下(例えば1.3×10−3Pa〜6.7×104Pa)で加熱処理を行うことがより好ましい。 Note that the heat treatment may be performed in the air, but is preferably performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon in consideration of deterioration of the organic semiconductor film due to oxygen or water. Furthermore, it is more preferable to perform the heat treatment under reduced pressure (for example, 1.3 × 10 −3 Pa to 6.7 × 10 4 Pa).
なお、本発明は上記の説明に限定されず、有機TFTを形成した後に微小構造体を形成しても良いし、微小構造体を形成した後に有機TFTを形成しても良い。 Note that the present invention is not limited to the above description, and the microstructure may be formed after the organic TFT is formed, or the organic TFT may be formed after the microstructure is formed.
以上説明したように、ボトムコンタクト型の有機TFTと微小構造体とを同一基板上に作製することができる(図8(A1)及び(A2)を参照)。 As described above, the bottom contact type organic TFT and the microstructure can be manufactured over the same substrate (see FIGS. 8A1 and 8A2).
なお、本願の有機TFTは、保護膜で覆うことが好ましい。ここで、保護膜としては絶縁性無機膜を用いる。絶縁性無機膜により有機TFTを覆うことで、微小構造体の形成により生じうる、有機半導体膜へのダメージを低減することができ、有機TFTの電気的特性への影響を低減することができる。保護膜322は、少なくとも有機半導体膜304を覆うものとする。
The organic TFT of the present application is preferably covered with a protective film. Here, an insulating inorganic film is used as the protective film. By covering the organic TFT with the insulating inorganic film, damage to the organic semiconductor film, which may occur due to the formation of the microstructure, can be reduced, and the influence on the electrical characteristics of the organic TFT can be reduced. The
なお、本発明に適用する有機TFTは、上記説明したボトムコンタクト型に限定されず、トップコンタクト型であってもよい。その作製方法について、図8(B1)及び(B2)を参照して、以下に簡単に説明する。 The organic TFT applied to the present invention is not limited to the bottom contact type described above, and may be a top contact type. The manufacturing method will be briefly described below with reference to FIGS. 8B1 and 8B2.
まず、ボトムコンタクトの場合と同様の材料及び同様の方法により、ゲート電極層407を絶縁性基板401上に形成し、ゲート電極層407を覆ってゲート絶縁膜406を形成する。なお、絶縁性基板401上には下地膜402が形成されている。
First, the
なお、ゲート電極層407により、薄膜トランジスタのゲート電極のみならず、微小構造体の下部電極も形成する。
Note that the
次に、微小構造体の充填材料層418、上部電極層419及び構造層420を形成する。充填材料層418は、実施の形態1における充填材料層102と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。上部電極層419は、ゲート電極層407と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。構造層420は、構造層104と同様の材料及び同様の方法により形成すればよい。
Next, a
次に、ゲート絶縁膜406上に有機半導体膜404を形成する。なお、本実施の形態の有機半導体材料としてもペンタセンを用いる。しかし、有機半導体膜材料はこれに限定されず、有機分子性結晶又は有機高分子化合物を用いればよい。具体的な有機分子性結晶は、多環芳香族化合物、共役二重結合系化合物、カロテン若しくはマクロ環化合物又はこれらの錯体、フタロシアニン若しくは電荷移動型錯体(CT錯体)等が挙げられる。例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、6T(ヘキサチオフェン)、TCNQ(テトラシアノキノジメタン)、TTF(テトラチアフルバレン):TCNQ(テトラシアノキノジメタン)錯体、DDPH(ジフェニルピクリルヒドラジル)、色素、タンパク、PTCDA等のペリレンテトラカルボン酸誘導体、NTCDA等のナフタレンテトラカルボン酸誘導体等を用いることができる。また、具体的な有機高分子化合物としては、π共役系高分子、フタロシアニン金属錯体又はヨウ素錯体等が挙げられる。特に、骨格が共役二重結合から構成されるπ共役系高分子である、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチエニレン、ポリチオフェン誘導体、ポリ(3アルキルチオフェン)、ポリパラフェニレン誘導体又はポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いることが好ましい。
Next, an
また、有機半導体膜404の形成には、膜厚の均一な膜が形成できる方法を用いればよい。具体的には、蒸着法、スピンコート法、バーコート法、溶液キャスト法又はディッピング法等を用いればよい。ここでは、有機材料であるペンタセンを真空蒸着法によって、ゲート絶縁膜406上に形成する。有機半導体膜404は、マスクを介して形成する等、選択的に形成することが好ましい。
The
なお、有機半導体膜を形成する前処理として、有機半導体膜の被形成面に対してプラズマ処理を行ってもよい。または、有機半導体膜の被形成面に対して密着性を向上させる膜若しくは界面状態を良好にする膜、例えば自己組織化単分子(SAM)膜又は配向膜等を形成してもよい。 Note that as a pretreatment for forming the organic semiconductor film, a plasma treatment may be performed on a surface on which the organic semiconductor film is formed. Alternatively, a film that improves adhesion to the formation surface of the organic semiconductor film or a film that improves the interface state, such as a self-assembled monomolecular (SAM) film or an alignment film, may be formed.
なお、ここでは充填材料層418の形成後に有機半導体膜404を形成しているが、有機半導体膜404の形成後に充填材料層418を形成しても良い。ゲート電極層407の形成後、ソース電極及びドレイン電極層416の形成前に充填材料層418を形成すればよい。しかし、有機半導体膜の電気的特性を良好にするためには充填材料層418の形成後に有機半導体膜404を形成することが好ましい。その場合、上記の紫外光の照射処理又はプラズマ処理は、充填材料層418の形成後、有機半導体膜404の形成前に行うことが好ましい。
Note that although the
その後、ソース電極及びドレイン電極層416を形成する。ソース電極及びドレイン電極層416は、ボトムコンタクトの場合と同様の材料及び同様の形成方法によればよい。 After that, the source and drain electrode layers 416 are formed. The source and drain electrode layers 416 may be formed using the same material and the same formation method as in the bottom contact.
なお、ソース電極及びドレイン電極層416は、有機半導体膜404とオーミック接合する必要がある。そのため、有機半導体膜の材料がp型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が大きい材料を用いることが好ましく、n型の導電型を有する場合には、有機半導体膜の材料のイオン化ポテンシャルよりも仕事関数が小さい材料を用いることが好ましい。ここでは、有機半導体膜の材料としてp型のペンタセンを用いるため、仕事関数が比較的高いタングステンをソース電極及びドレイン電極層416の材料として採用する。
Note that the source and drain electrode layers 416 need to be in ohmic contact with the
そして、有機半導体膜の形成後に絶縁性基板401を加熱処理する。加熱処理の温度は、有機半導体膜404が蒸発又は分解する温度よりも低い温度を上限とする。この温度範囲内であって、高い温度により加熱処理することで、有機TFTの特性が良好になる。また、このときの温度は、有機半導体膜の融点以下が好ましい。
Then, after the organic semiconductor film is formed, the insulating
なお、加熱処理は大気中で行なってもよいが、酸素又は水による有機半導体膜の劣化を考慮して、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。更には、減圧中(例えば1.3×10−3Pa〜6.7×104Pa)で加熱処理を行うことがより好ましい。 Note that the heat treatment may be performed in the air, but is preferably performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon in consideration of deterioration of the organic semiconductor film due to oxygen or water. Furthermore, it is more preferable to perform the heat treatment under reduced pressure (for example, 1.3 × 10 −3 Pa to 6.7 × 10 4 Pa).
なお、本発明は上記の説明に限定されず、有機TFTを形成した後に微小構造体を形成しても良いし、微小構造体を形成した後に有機TFTを形成しても良い。 Note that the present invention is not limited to the above description, and the microstructure may be formed after the organic TFT is formed, or the organic TFT may be formed after the microstructure is formed.
以上説明したように、トップコンタクト型の有機TFTと微小構造体とを同一基板上に作製することができる(図8(B1)及び(B2)を参照)。 As described above, the top contact type organic TFT and the microstructure can be manufactured over the same substrate (see FIGS. 8B1 and 8B2).
なお、本実施の形態の有機TFTは、保護膜で覆うことが好ましい。ここで、保護膜としては絶縁性無機膜を用いる。絶縁性無機膜により有機TFTを覆うことで、微小構造体の形成により生じうる、有機半導体膜へのダメージを低減することができ、有機TFTの電気的特性への影響を低減することができる。保護膜422は、少なくとも有機半導体膜404を覆うものとする。
Note that the organic TFT of the present embodiment is preferably covered with a protective film. Here, an insulating inorganic film is used as the protective film. By covering the organic TFT with the insulating inorganic film, damage to the organic semiconductor film, which may occur due to the formation of the microstructure, can be reduced, and the influence on the electrical characteristics of the organic TFT can be reduced. The
なお、上記の説明では、微小構造体の下部電極とゲート電極が同一の層のパターニングにより同一の工程にて形成され、微小構造体の上部電極とソース電極及びドレイン電極が同一の層のパターニングにより同一の工程にて形成される場合を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、有機TFTを用いる場合であっても、これらを同一の層として同一の工程にて形成しなくても良い。 In the above description, the lower electrode and the gate electrode of the microstructure are formed in the same process by patterning the same layer, and the upper electrode, the source electrode, and the drain electrode of the microstructure are formed by patterning the same layer. Although the case where it formed in the same process was demonstrated, this invention is not limited to this. For example, even when organic TFTs are used, they may not be formed in the same process as the same layer.
また、本発明は、同一基板上に微小構造体と半導体素子を作製することで、組み立てやパッケージが不要な、製造コストのかからない半導体装置を提供することができる。また、製造工程を大幅に削減することができる。 Further, according to the present invention, a microstructure and a semiconductor element are manufactured over the same substrate, so that a semiconductor device that does not require assembly or a package and does not require manufacturing costs can be provided. In addition, the manufacturing process can be greatly reduced.
以上のように、本発明の微小構造体とトランジスタを同一基板上に形成することができる。また、上記のように、本発明の微小構造体は様々な方法を適用して作製することができる。 As described above, the microstructure and the transistor of the present invention can be formed over the same substrate. As described above, the microstructure of the present invention can be manufactured by applying various methods.
以上のようにして作製した本発明の微小構造体は、圧力センサ又は干渉方式のディスプレイ等に適用することができる。 The microstructure of the present invention manufactured as described above can be applied to a pressure sensor, an interference display, or the like.
(実施の形態3)
本発明を適用してひずみゲージ(ストレインゲージともいう。)を作製することができる。本実施の形態では、本発明を適用して作製したひずみゲージについて図面を参照して説明する。
(Embodiment 3)
A strain gauge (also referred to as a strain gauge) can be manufactured by applying the present invention. In this embodiment mode, a strain gauge manufactured by applying the present invention will be described with reference to the drawings.
図11は、本発明を適用した微小構造体により作製した、ひずみゲージの模式図を示す。なお、図11(B)は上面図を示し、図11(A)は図11(B)のX−X’における断面図を示す。 FIG. 11 is a schematic diagram of a strain gauge manufactured using a microstructure to which the present invention is applied. Note that FIG. 11B is a top view and FIG. 11A is a cross-sectional view taken along line X-X ′ in FIG.
図11に示す微小構造体は、基板500上に充填材料層501が設けられ、充填材料層501上に導電層502が設けられ、導電層502上に構造層503が設けられている。導電層502は、所定の長さを有するようパターンが形成されている。
In the microstructure illustrated in FIG. 11, a
ここで、ひずみゲージについて説明する。ひずみゲージとは、物体がひずんだときに生ずる抵抗値の変化量を測定し、該変化量から物体のひずみ量を測定することができる測定器をいう。このときの抵抗値の変化量は非常に小さいため、ホイートストンブリッジ回路を用いて電圧に変換することで検出する。 Here, the strain gauge will be described. A strain gauge refers to a measuring instrument that can measure the amount of change in resistance that occurs when an object is distorted and can measure the amount of strain of the object from the amount of change. Since the change amount of the resistance value at this time is very small, it is detected by converting to a voltage using a Wheatstone bridge circuit.
図12は、本実施の形態にて用いるホイートストンブリッジ回路を示す。図12に示すホイートストンブリッジ回路は、ひずみゲージ510、第1の抵抗素子511、第2の抵抗素子512及び第3の抵抗素子513を有し、一般によく知られたホイートストンブリッジ回路が有する4つの抵抗素子の一をひずみゲージとしたものである。ひずみゲージの初期抵抗値をr、第1の抵抗素子511の抵抗値をR1、第2の抵抗素子512の抵抗値をR2、第3の抵抗素子513の抵抗値をR3とすると、出力電圧Voutと入力電圧Vinの間には次式(4)の関係式が成り立つ。
FIG. 12 shows a Wheatstone bridge circuit used in the present embodiment. The Wheatstone bridge circuit shown in FIG. 12 includes a
ここで、r=R1=R2=R3=Rとし、ひずみゲージにひずみが導入されて抵抗値がR+ΔRに変化したとすると、出力電圧Voutの変化量ΔVoutは次式(5)にて表される。 Here, r = R 1 = R 2 = and R 3 = R, strain the strain gauge resistance values are introduced to the changes to R + [Delta] R, the variation [Delta] V out of the output voltage V out is the following formula (5) It is represented by
抵抗値Rを十分に大きくとると、ΔR≪Rとなるため、ΔVoutは次式(6)にて表される。 When sufficiently large resistance value R, since the ΔR«R, ΔV out is represented by the following equation (6).
ここで、Kは実験的に求められるゲージ率であり、一定の値である。ひずみ量εとゲージ率Kの間には、εK=ΔR/Rの関係が成り立つ。そのため、ΔRを測定することで、ひずみ量εを求めることができる。本実施の形態にて説明したひずみゲージはマトリクス状に配置されていてもよい。 Here, K is a gauge factor obtained experimentally, and is a constant value. A relation of εK = ΔR / R is established between the strain amount ε and the gauge factor K. Therefore, the strain amount ε can be obtained by measuring ΔR. The strain gauges described in this embodiment may be arranged in a matrix.
本発明の微小構造体を適用してひずみゲージを作製することで、構造層が破壊されることを防止することができる。そのため、機械的強度が高く且つ信頼性の高い、可動部を有するひずみゲージを提供することができる。また、ひずみゲージの作製工程における歩留まりを向上させることができる。 By applying the microstructure of the present invention to produce a strain gauge, the structural layer can be prevented from being broken. Therefore, it is possible to provide a strain gauge having a movable part with high mechanical strength and high reliability. In addition, the yield in the strain gauge manufacturing process can be improved.
100 基板
101 下部電極層
102 充填材料層
103 上部電極層
104 構造層
110 中空部
120 有機膜
121 金属膜
122 レジストマスク
123 金属マスク
131 下部電極層
132 充填材料層
133 上部電極層
134 構造層
136 下部電極層
137 充填材料層
138 上部電極層
139 構造層
201 絶縁性基板
202 下地膜
204 半導体層
206 ゲート絶縁膜
207 ゲート電極層
209 サイドウォール
210 高濃度N型不純物領域
211 P型不純物領域
212 N型不純物領域
213 N型半導体素子
214 P型半導体素子
215 層間絶縁層
216 コンタクトホール
217 導電層
218 充填材料層
219 導電層
220 構造層
230 制御装置
231 半導体装置
232 電気回路部
233 構造体部
234 制御回路
235 インターフェース
236 センサ
237 アクチュエータ
238 導電層
239 導電層
301 絶縁性基板
302 下地膜
304 有機半導体膜
306 ゲート絶縁膜
307 ゲート電極層
316 ドレイン電極層
318 充填材料層
319 上部電極層
320 構造層
322 保護膜
401 絶縁性基板
402 下地膜
404 有機半導体膜
406 ゲート絶縁膜
407 ゲート電極層
416 ドレイン電極層
418 充填材料層
419 上部電極層
420 構造層
422 保護膜
500 基板
501 充填材料層
502 導電層
503 構造層
510 ゲージ
511 抵抗素子
512 抵抗素子
513 抵抗素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Substrate 101 Lower electrode layer 102 Filling material layer 103 Upper electrode layer 104 Structure layer 110 Hollow part 120 Organic film 121 Metal film 122 Resist mask 123 Metal mask 131 Lower electrode layer 132 Filling material layer 133 Upper electrode layer 134 Structure layer 136 Lower electrode Layer 137 Filling material layer 138 Upper electrode layer 139 Structure layer 201 Insulating substrate 202 Underlayer film 204 Semiconductor layer 206 Gate insulating film 207 Gate electrode layer 209 Side wall 210 High-concentration N-type impurity region 211 P-type impurity region 212 N-type impurity region 213 N-type semiconductor element 214 P-type semiconductor element 215 Interlayer insulating layer 216 Contact hole 217 Conductive layer 218 Filling material layer 219 Conductive layer 220 Structural layer 230 Controller 231 Semiconductor device 232 Electrical circuit section 233 Structure body section 234 Control circuit 235 Interface 236 Sensor 237 Actuator 238 Conductive layer 239 Conductive layer 301 Insulating substrate 302 Underlying film 304 Organic semiconductor film 306 Gate insulating film 307 Gate electrode layer 316 Drain electrode layer 318 Filling material layer 319 Upper electrode layer 320 Structural layer 322 Protective film 401 Insulating substrate 402 Base film 404 Organic semiconductor film 406 Gate insulating film 407 Gate electrode layer 416 Drain electrode layer 418 Filling material layer 419 Upper electrode layer 420 Structure layer 422 Protective film 500 Substrate 501 Filling material layer 502 Conductive layer 503 Structure layer 510 Gauge 511 Resistance element 512 Resistance element 513 Resistance element
Claims (8)
前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた下部電極層と、該下部電極層上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた前記下部電極層と対向する上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、
前記構造層は、前記下部電極層に向かう方向又は前記下部電極層から遠ざかる方向に可動する構造を有し、
前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料であることを特徴とする微小電気機械式装置。 A microelectromechanical device having a microstructure,
The microstructure includes a lower electrode layer provided on an insulating surface, a filling material layer provided on the lower electrode layer, and an upper electrode facing the lower electrode layer provided on the filling material layer And a structural layer provided on the upper electrode layer,
The structural layer has a structure movable in a direction toward the lower electrode layer or a direction away from the lower electrode layer,
The micro electromechanical device, wherein the filling material layer is an insulating material having elasticity.
前記微小構造体は、絶縁表面上に設けられた充填材料層と、該充填材料層上に設けられた上部電極層と、該上部電極層上に設けられた構造層と、を有し、
前記構造層は、前記充填材料層の厚さ方向に可動する構造を有し、
前記充填材料層は、弾性を有する絶縁性材料であることを特徴とする微小電気機械式装置。 A microelectromechanical device having a microstructure,
The microstructure has a filler material layer provided on an insulating surface, an upper electrode layer provided on the filler material layer, and a structure layer provided on the upper electrode layer,
The structural layer has a structure movable in the thickness direction of the filler material layer,
The micro electromechanical device, wherein the filling material layer is an insulating material having elasticity.
前記絶縁性材料はエラストマー又は熱可塑性エラストマーであることを特徴とする微小電気機械式装置。 In claim 1 or claim 2,
A micro electro mechanical device characterized in that the insulating material is an elastomer or a thermoplastic elastomer.
前記下部電極層上に弾性を有する絶縁性材料からなる充填材料層を形成し、
前記充填材料層上に上部電極層を形成し、
前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。 Forming a lower electrode layer on the insulating surface;
Forming a filling material layer made of an insulating material having elasticity on the lower electrode layer;
Forming an upper electrode layer on the filler material layer;
A method of manufacturing a microelectromechanical device, wherein a structural layer is formed on the upper electrode layer.
前記下部電極層を覆って弾性を有する絶縁性材料からなる膜を全面に形成し、
前記弾性を有する絶縁性材料からなる膜上に金属マスクを選択的に形成し、
前記金属マスクを用いて前記弾性を有する絶縁性材料からなる膜をエッチングして充填材料層を形成し、
前記充填材料層上に上部電極層を形成し、
前記上部電極層上に構造層を形成することを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。 Forming a lower electrode layer on the insulating surface;
A film made of an insulating material having elasticity covering the lower electrode layer is formed on the entire surface,
A metal mask is selectively formed on the film made of an insulating material having elasticity,
Etching a film made of an insulating material having elasticity using the metal mask to form a filling material layer,
Forming an upper electrode layer on the filler material layer;
A method of manufacturing a microelectromechanical device, wherein a structural layer is formed on the upper electrode layer.
前記弾性を有する絶縁性材料は、エラストマー又は熱可塑性エラストマーであることを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。 In claim 4 or claim 5,
The method for manufacturing a microelectromechanical device, wherein the insulating material having elasticity is an elastomer or a thermoplastic elastomer.
前記弾性を有する絶縁性材料は、溶媒に溶かされて形成されることを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。 In claim 6,
The method for manufacturing a microelectromechanical device, wherein the insulating material having elasticity is formed by being dissolved in a solvent.
前記弾性を有する絶縁性材料は、スピンコーティング法により形成されることを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。 In claim 7,
The method for manufacturing a microelectromechanical device, wherein the insulating material having elasticity is formed by a spin coating method.
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