JP4762621B2 - Method for manufacturing micro electromechanical device - Google Patents
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Description
本発明は、絶縁基板上に形成された微小電気機械式装置およびその作製方法に関する。 The present invention relates to a microelectromechanical device formed on an insulating substrate and a manufacturing method thereof.
近年、MEMSと呼ばれる微小機械システムの研究が盛んに進められている。MEMS(Micro Electro Mechanical System)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「立体構造を有し可動する微小構造体」および「半導体素子を有する電子回路」を集積化した微細デバイスを指す。上記微小構造体は半導体素子と異なり、構造が立体的で可動部を有する。そして、スイッチ、可変容量、またはアクチュエータ等の機能を有する事を特徴とする。 In recent years, research on micro mechanical systems called MEMS has been actively conducted. MEMS (Micro Electro Mechanical System) 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 a movable microstructure” and “an electronic circuit having a semiconductor element” are integrated using a semiconductor microfabrication technique. Unlike the semiconductor element, the microstructure has a three-dimensional structure and has a movable portion. And it has the function of a switch, a variable capacitor, or an actuator.
マイクロマシンは、電子回路によって自らの微小構造体を制御することができるため、従来のコンピュータを用いた装置のように中央処理制御型ではなく、センサによって得た情報を電子回路によって処理してアクチュエータ等を介して行動を起こすという一連の動作を行う、自律分散型のシステムを構築する事ができると考えられている。 Micromachines can control their microstructures with electronic circuits, so they are not a central processing control type as with conventional computer-based devices. It is thought that it is possible to build an autonomous decentralized system that performs a series of actions to take action through the.
マイクロマシンについては数多くの研究がなされている。例えば、製造プロセスはウェハー製造やプラスチックアセンブリの施設と両立できなかったことを課題として、改良式MEMSウェハーレベルパッケージが提案されている(特許文献1参照)。 A lot of research has been done on micromachines. For example, an improved MEMS wafer level package has been proposed with the object that the manufacturing process cannot be compatible with wafer manufacturing and plastic assembly facilities (see Patent Document 1).
また、薄膜状の結晶化処理された機械的装置、MEMSと呼ばれる電気機械的装置に関する文献がある(特許文献2参照)。特許文献2には薄膜の出発材料として、アモルファス材料、ナノ結晶材料、マイクロ結晶材料、多結晶材料が列挙され、その材料としてシリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、異方性誘電体材料、異方性圧電体材料、銅、アルミニウム、タンタル、及びチタンが列挙されている。そしてアモルファスの薄膜状シリコン層がガラス基板の表面に形成され、結晶化される。結晶化において、望ましい機械的特性を生じる内部の結晶性を達成するため、レーザ照射を制御することが記載されている。
特許文献1に記載されるように、マイクロマシンを構成する微小構造体は、シリコンウエハを用いた半導体素子作製のプロセスにより作製されている。特に、微小構造体を作製するのに十分な厚さや強度を有する材料を得るために、実用化されているマイクロマシンは、シリコンウエハを用いて作製されるものが主流である。 As described in Patent Document 1, a microstructure constituting a micromachine is manufactured by a semiconductor element manufacturing process using a silicon wafer. In particular, in order to obtain a material having a thickness and strength sufficient for manufacturing a microstructure, a micromachine that is put into practical use is mainly manufactured using a silicon wafer.
また微小な構造を有するマイクロマシンの量産性を鑑み、作製コストの低減が望まれている。そのため、微小構造体と微小構造体を制御する半導体素子を一体形成する方法が望まれる。しかし、微小構造体と半導体素子とを一体形成する場合には、犠牲層のエッチング等、半導体素子の作製工程とは異なるプロセスが必要であり、工程が複雑なものとなる。 In view of mass productivity of micromachines having a minute structure, reduction in manufacturing cost is desired. Therefore, a method for integrally forming a microstructure and a semiconductor element that controls the microstructure is desired. However, in the case where the microstructure and the semiconductor element are formed integrally, a process different from the manufacturing process of the semiconductor element, such as etching of the sacrificial layer, is necessary, and the process becomes complicated.
また特許文献2には、アモルファスの薄膜状シリコン層がガラス基板の表面に形成し、これを用いたカンチレバーが記載されているのみである。
そこで本発明は低コストで作製される微小構造体及びこれを有する装置を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a microstructure manufactured at low cost and an apparatus having the microstructure.
上記課題を鑑み本発明は、絶縁基板上に薄膜でなるシリコン層を用いて微小構造体を形成することを特徴とする。このようなシリコン層は、微小構造体を制御する半導体素子にも適用することができ、これらを絶縁基板上に一体形成することができる。シリコン層は、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層が好ましい。そして本発明は、このように形成された微小構造体を有するマイクロマシン(以下、半導体装置、又は微小電気機械式装置と表記する)を提供することができる。 In view of the above problems, the present invention is characterized in that a microstructure is formed using a thin silicon layer over an insulating substrate. Such a silicon layer can also be applied to a semiconductor element that controls a microstructure, and these can be formed over an insulating substrate. The silicon layer is preferably a polycrystalline silicon layer crystallized using a metal. The present invention can provide a micromachine (hereinafter referred to as a semiconductor device or a microelectromechanical device) having the microstructure formed as described above.
以下に、本発明の具体的な構成を記載する。 The specific configuration of the present invention will be described below.
本発明の一形態は、絶縁表面上に設けられた第1層と、第1の層上に回動自在に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第2の層と、を有する微小構造体を含むことを特徴とする微小電気機械式装置である。 One embodiment of the present invention is a second layer including a first layer provided on an insulating surface and a polycrystalline silicon layer which is provided on the first layer so as to be rotatable and is crystallized using metal. A microelectromechanical device including a microstructure having
本発明の別形態は、絶縁表面上に設けられた第1層と、第1の層上に回動自在となるように十字状に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第2の層と、第1の層上であって第2の層の十字の先に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第3の層と、を有する微小構造体を含むことを特徴とする微小電気機械式装置である。 Another embodiment of the present invention is a first layer provided on an insulating surface, and a polycrystalline silicon layer provided in a cross shape so as to be rotatable on the first layer and crystallized using a metal And a third layer including a polycrystalline silicon layer which is provided on the first layer and at the tip of the cross of the second layer and is crystallized using a metal. A microelectromechanical device including a microstructure.
本発明の別形態は、絶縁表面上に設けられた第1層と、第1の層上に回動自在に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第2の層と、第1層と、第2層との間に設けられた空間と、を有する微小構造体を含むことを特徴とする微小電気機械式装置である。 Another embodiment of the present invention is a second layer including a first layer provided on an insulating surface and a polycrystalline silicon layer provided on the first layer so as to be rotatable and crystallized using metal. And a micro structure having a space provided between the first layer and the second layer.
本発明の別形態は、絶縁表面上に設けられた第1層と、第1の層上に回動自在となるように十字状に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第2の層と、第1の層上であって第2の層の十字の先に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第3の層と、第1層と、第2層との間に設けられた空間と、を有する微小構造体を含むことを特徴とする微小電気機械式装置である。 Another embodiment of the present invention is a first layer provided on an insulating surface, and a polycrystalline silicon layer provided in a cross shape so as to be rotatable on the first layer and crystallized using a metal A second layer including a third layer including a polycrystalline silicon layer provided on a tip of a cross of the second layer on the first layer and crystallized using a metal; A microelectromechanical device comprising a microstructure having a layer and a space provided between the second layer.
本発明において空間は、第1層と第2層との間に設けられた犠牲層を除去することにより設けられたことを特徴とする。そのため、犠牲層は、金属、金属化合物、シリコン酸化物又はシリコン窒化物を有する層を含み、犠牲層はウエットエッチングまたはドライエッチングにより除去されるため多結晶シリコンに対して十分な選択比を持つ。 In the present invention, the space is provided by removing a sacrificial layer provided between the first layer and the second layer. Therefore, the sacrificial layer includes a layer containing a metal, a metal compound, silicon oxide, or silicon nitride. Since the sacrificial layer is removed by wet etching or dry etching, the sacrificial layer has a sufficient selectivity with respect to polycrystalline silicon.
本発明の別形態は、絶縁表面上に設けられた第1層と、第1の層上に回動自在に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第2の層と、を有し、第2層は絶縁表面又は第1層に接しない部分を有し、回動自在である微小構造体を含むことを特徴とする微小電気機械式装置である。 Another embodiment of the present invention is a second layer including a first layer provided on an insulating surface and a polycrystalline silicon layer provided on the first layer so as to be rotatable and crystallized using metal. The second layer is a microelectromechanical device characterized in that the second layer includes an insulating surface or a portion that is not in contact with the first layer and includes a microstructure that is rotatable.
本発明の別形態は、絶縁表面上に設けられた第1層と、第1の層上に回動自在に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第2の層と、第2層上に回動自在に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第4層と、を有する微小構造体を含むことを特徴とする微小電気機械式装置である。 Another embodiment of the present invention is a second layer including a first layer provided on an insulating surface and a polycrystalline silicon layer provided on the first layer so as to be rotatable and crystallized using metal. And a fourth layer including a polycrystalline silicon layer which is rotatably provided on the second layer and is crystallized using a metal. It is.
本発明の別形態は、絶縁表面上に設けられた第1層と、第1の層上に回動自在に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第2の層と、第2層上に回動自在に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第4層と、を有し
第2層と、第4層との間に設けられた空間を有する微小構造体を含むことを特徴とする微小電気機械式装置である。
Another embodiment of the present invention is a second layer including a first layer provided on an insulating surface and a polycrystalline silicon layer provided on the first layer so as to be rotatable and crystallized using metal. And a fourth layer including a polycrystalline silicon layer crystallized using a metal, which is rotatably provided on the second layer, and is provided between the second layer and the fourth layer. A microelectromechanical device characterized by including a microstructure having an open space.
本発明の別形態は、絶縁表面上に設けられた第1層と、第1の層上に回動自在に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第2の層と、第2層上に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含み、開口部が設けられた第5層と、を有し、第5層上に設けられた属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第6層と、を有し、第4層は第3層の開口部に位置する軸であり、第4層の底面で第2層に固定され、且つ第4層の上部は、第3層に設けられた開口部より大きい面積を有する微小構造体を含むことを特徴とする微小電気機械式装置である。 Another embodiment of the present invention is a second layer including a first layer provided on an insulating surface and a polycrystalline silicon layer provided on the first layer so as to be rotatable and crystallized using metal. And a fifth layer provided on the second layer and including a polycrystalline silicon layer crystallized using a metal and provided with an opening, and a genus provided on the fifth layer. A sixth layer including a polycrystalline silicon layer crystallized by using the fourth layer, and the fourth layer is an axis located at the opening of the third layer, and is fixed to the second layer at the bottom surface of the fourth layer. And the upper part of the 4th layer is a micro electromechanical device characterized by including the microstructure which has an area larger than the opening provided in the 3rd layer.
本発明の別形態は、絶縁表面上に設けられた第1層と、第1の層上に回動自在に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第2の層と、第2層上に設けられ、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含み、開口部が設けられた第5層と、を有し、第5層上に設けられた属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を含む第6層と、を有し、第6層は第5層の開口部に位置する軸であり、第6層の底面で第2層に固定され、且つ第6層の上部は、第5層に設けられた開口部より大きい面積を有し、第5層は、軸によって回動自在である微小構造体を含む
ことを特徴とする微小電気機械式装置である。
Another embodiment of the present invention is a second layer including a first layer provided on an insulating surface and a polycrystalline silicon layer provided on the first layer so as to be rotatable and crystallized using metal. And a fifth layer provided on the second layer and including a polycrystalline silicon layer crystallized using a metal and provided with an opening, and a genus provided on the fifth layer. A sixth layer including a polycrystalline silicon layer crystallized using the sixth layer, the sixth layer being an axis located at the opening of the fifth layer, and being fixed to the second layer at the bottom surface of the sixth layer In addition, the upper part of the sixth layer has an area larger than the opening provided in the fifth layer, and the fifth layer includes a microstructure that is rotatable by a shaft. Device.
本発明において、多結晶シリコン層の結晶化には熱結晶化又はレーザ結晶化が用いられたことを特徴とする。 In the present invention, thermal crystallization or laser crystallization is used for crystallization of the polycrystalline silicon layer.
本発明の微小電気機械式装置の作製方法の一形態は、絶縁表面上に、非晶質シリコンを有する層を形成し、非晶質シリコンを、金属を用いて結晶化して多結晶シリコンとし、多結晶シリコンを回動自在な構造となるようにパターニングし、多結晶シリコンを有する層の上方又は下方に空間を形成することを特徴とする。 In one embodiment of a method for manufacturing a microelectromechanical device of the present invention, a layer having amorphous silicon is formed over an insulating surface, and the amorphous silicon is crystallized using metal to form polycrystalline silicon. The polycrystalline silicon is patterned to have a rotatable structure, and a space is formed above or below the layer having polycrystalline silicon.
本発明の作製方法の別形態は、絶縁表面上に、非晶質シリコンを有する層を形成し、非晶質シリコンを、金属を用いて結晶化して多結晶シリコンとし、多結晶シリコンを回動自在な構造となるようにパターニングし、多結晶シリコンを有する層上に導電層又は絶縁層を有する層を形成し、導電層又は絶縁層を有する層を除去することを特徴とする。 In another embodiment of the manufacturing method of the present invention, a layer having amorphous silicon is formed over an insulating surface, and the amorphous silicon is crystallized using metal to form polycrystalline silicon, and the polycrystalline silicon is rotated. Patterning is performed so as to have a free structure, a layer having a conductive layer or an insulating layer is formed over the layer having polycrystalline silicon, and the layer having a conductive layer or an insulating layer is removed.
本発明の作製方法の別形態は、絶縁表面上に、導電層又は絶縁層を有する層を形成し、犠牲層上に非晶質シリコンを有する層を形成し、非晶質シリコンを、金属を用いて結晶化して多結晶シリコンとし、多結晶シリコンを回動自在な構造となるようにパターニングし、導電層又は絶縁層を有する層を除去することを特徴とする。 In another embodiment of the manufacturing method of the present invention, a conductive layer or a layer having an insulating layer is formed over an insulating surface, and a layer having amorphous silicon is formed over a sacrificial layer. It is characterized in that it is crystallized to form polycrystalline silicon, and the polycrystalline silicon is patterned so as to have a rotatable structure, and a layer having a conductive layer or an insulating layer is removed.
本発明の作製方法の別形態は、絶縁表面上に、第1層を形成し、第1層上に、多結晶シリコンを有する第2層を形成し、第2層上に、導電層又は絶縁層を有する層を形成し、導電層又は絶縁層を有する層上に、非晶質シリコンを有する第3層を形成し、非晶質シリコンを、金属を用いて結晶化して多結晶シリコンとし、多結晶シリコンを回動自在な構造となるようにパターニングし、導電層又は絶縁層を有する層を除去することを特徴とする。 In another embodiment of the manufacturing method of the present invention, a first layer is formed over an insulating surface, a second layer including polycrystalline silicon is formed over the first layer, and a conductive layer or an insulating layer is formed over the second layer. Forming a layer having a layer, forming a third layer having amorphous silicon on the layer having a conductive layer or an insulating layer, and crystallizing the amorphous silicon using a metal to form polycrystalline silicon; The polycrystalline silicon is patterned to have a rotatable structure, and a layer having a conductive layer or an insulating layer is removed.
本発明の作製方法の別形態は、絶縁表面上に、第1層を形成し、第1層上に、多結晶シリコンを有する第2層を形成し、第2層上に、導電層又は絶縁層を有する層を形成し、導電層又は絶縁層を有する層上に、非晶質シリコンを有する第3層を形成し、非晶質シリコンを、金属を用いて結晶化して多結晶シリコンとし、多結晶シリコンを回動自在な構造となるようにパターニングし、第3層に開口部を形成し、開口部を介してエッチング剤を導入して導電層又は絶縁層を有する層を除去することを特徴とする。 In another embodiment of the manufacturing method of the present invention, a first layer is formed over an insulating surface, a second layer including polycrystalline silicon is formed over the first layer, and a conductive layer or an insulating layer is formed over the second layer. Forming a layer having a layer, forming a third layer having amorphous silicon on the layer having a conductive layer or an insulating layer, and crystallizing the amorphous silicon using a metal to form polycrystalline silicon; Patterning the polycrystalline silicon so as to be rotatable, forming an opening in the third layer, and introducing an etchant through the opening to remove the layer having the conductive layer or the insulating layer; Features.
本発明の作製方法の別形態は、絶縁表面上に、第1層を形成し、第1層上に、多結晶シリコンを有する第2層を形成し、第2層上に、導電層又は絶縁層を有する層を形成し、導電層又は絶縁層を有する層上に、非晶質シリコンを有する第3層を形成し、非晶質シリコンを、金属を用いて結晶化して多結晶シリコンとし、多結晶シリコンを回動自在な構造となるようにパターニングし、導電層又は絶縁層を有する層を除去することによって、第2層と、絶縁表面又は第1層とが接していない部分を形成することを特徴とする。 In another embodiment of the manufacturing method of the present invention, a first layer is formed over an insulating surface, a second layer including polycrystalline silicon is formed over the first layer, and a conductive layer or an insulating layer is formed over the second layer. Forming a layer having a layer, forming a third layer having amorphous silicon on the layer having a conductive layer or an insulating layer, and crystallizing the amorphous silicon using a metal to form polycrystalline silicon; Polycrystalline silicon is patterned to have a rotatable structure, and a layer having a conductive layer or an insulating layer is removed to form a portion where the second layer and the insulating surface or the first layer are not in contact with each other. It is characterized by that.
本発明において、金属を除去せずに、シリコンと金属との合金を形成してもよい。 In the present invention, an alloy of silicon and metal may be formed without removing the metal.
また本発明の微小電気機械式装置は、微小構造体と、微小構造体を制御する半導体素子とを絶縁基板上に一体形成することができる。 In the microelectromechanical device of the present invention, a microstructure and a semiconductor element that controls the microstructure can be integrally formed over an insulating substrate.
本発明は、金属を用いて結晶化した多結晶シリコンを、微小構造体の構造層に用いることで、外力や応力に耐えうる、さらに導電性を制御できる微小構造体を提供することができる。また本発明は、金属を用いて結晶化した多結晶シリコンを構造層に用いることにより、微小構造体と、半導体素子とが一体形成された半導体装置を提供することができる。その結果、シリコンウェハに形成される微小構造体より、低コストな微小構造体を提供することができる。 The present invention can provide a microstructure that can withstand external force and stress and can control conductivity by using polycrystalline silicon crystallized using a metal for a structure layer of the microstructure. In addition, the present invention can provide a semiconductor device in which a microstructure and a semiconductor element are integrally formed by using polycrystalline silicon crystallized using a metal for a structural layer. As a result, a microstructure having a lower cost than that of a microstructure formed on a silicon wafer can be provided.
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されない。本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態およ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からである。したがって、本発明は以下に示す実施の形態および実施例の記載内容のみに限定して解釈されるものではない。なお、図面を用いて本発明の構成を説明するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description. It will be readily understood by those skilled in the art that various changes in form and details can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the following embodiments and examples. Note that in describing the structure of the present invention with reference to the drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals in different drawings.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の微小構造体およびその作製方法について、図面を用いて説明する。図面において、(A)には上面図を示し、(B)には上面図O−Pにおける断面図を示す。
(Embodiment 1)
In this embodiment mode, a microstructure and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to drawings. In the drawings, (A) shows a top view, and (B) shows a cross-sectional view in a top view OP.
まず、絶縁表面を有する基板(以下、絶縁基板という)101を用意する(図1(A)参照)。絶縁性基板とは、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板等である。プラスチック基板に微小構造体を形成することにより、柔軟性が高く、薄型な半導体装置を形成することができる。またガラス基板を研磨等により薄くすることによって、薄型な半導体装置を形成することもできる。さらに本発明の微小構造体は、金属等の導電性基板や、シリコン等の半導体性基板上に絶縁性を有する層を形成した基板に形成することも可能である。 First, a substrate (hereinafter referred to as an insulating substrate) 101 having an insulating surface is prepared (see FIG. 1A). The insulating substrate is a glass substrate, a quartz substrate, a plastic substrate, or the like. By forming a microstructure on a plastic substrate, a highly flexible and thin semiconductor device can be formed. In addition, a thin semiconductor device can be formed by thinning the glass substrate by polishing or the like. Furthermore, the microstructure of the present invention can be formed over a conductive substrate such as a metal or a substrate in which an insulating layer is formed over a semiconductor substrate such as silicon.
絶縁基板101上に下地膜102を形成する(図1(A)参照)。下地膜102はシリコンを有する酸化物(シリコン酸化物)やシリコンを有する窒化物(シリコン窒化物)、例えば酸化シリコン層、窒化シリコン層または酸化窒化シリコン層などの絶縁層を単層または積層構造で形成することができる。本実施の形態では下地膜102として2層構造を用いる場合を説明するが、下地膜102は単層構造または3層以上の積層構造を用いてもよい。
A
下地膜102の一層目としては、CVD法を用い、SiH4、NH3、N2O及びH2を反応ガスとして形成される酸化窒化シリコン層を10〜200nm(好ましくは50〜100nm)形成することができ、本実施の形態では、膜厚50nmの酸化窒化シリコン層を形成する。次いで下地膜102のニ層目としては、CVD法を用い、SiH4及びN2Oを反応ガスとして形成される酸化窒化シリコン層を50〜200nm(好ましくは100〜150nm)の厚さに積層形成することができ、本実施の形態では膜厚100nmの酸化窒化シリコン層を形成する。
As a first layer of the
次に、微小構造体を構成する第1の構造層103を形成する。第1の構造層103は薄膜な半導体層を用いて形成することができる。本実施の形態では第1の構造層103はシリコンを含む半導体材料を有する層(シリコン層)を用いて形成する。そしてシリコン層を形成し、所定の形状にパターニングして第1の構造層103を形成する(図1(A)(B)参照)。本実施の形態では、シリコン層を円状にパターニングする。円状にパターニングすることにより、回動自在な構造層を提供することができる。勿論、円状に限ることなく回動する構造体を提供することができる。
Next, the
シリコン層は、シリコンを有する半導体材料から形成することができる。シリコンを有する半導体材料には、シリコン材料、ゲルマニウムを0.01〜4.5atomic%程度に有するシリコンゲルマ材料がある。 The silicon layer can be formed from a semiconductor material having silicon. Examples of the semiconductor material containing silicon include a silicon material and a silicon germanium material having germanium in an amount of about 0.01 to 4.5 atomic%.
また、構造層に導電性が必要な場合は、燐や砒素、硼素等の不純物元素を添加することも可能である。このような不純物元素を添加して、不純物領域を形成してもよい。不純物領域は、フォトリソグラフィ法によりレジストマスクを形成し、不純物元素を添加して形成することができる。不純物元素を添加する方法は、イオンドープ法またはイオン注入法で行うことができる。N型を付与する不純物元素として、典型的にはリン(P)または砒素(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。n型不純物領域、およびp型不純物領域には、1×1020〜1×1021/cm3の濃度範囲でn型を付与する不純物元素が添加された不純物領域を形成することができる。このような導電性を有する構造体は、微小構造体を静電力で制御する半導体装置に好適である。勿論、微小構造体を電磁力により制御してもよい。 Further, in the case where conductivity is required for the structural layer, an impurity element such as phosphorus, arsenic, or boron can be added. An impurity region may be formed by adding such an impurity element. The impurity region can be formed by forming a resist mask by photolithography and adding an impurity element. The impurity element can be added by an ion doping method or an ion implantation method. Typically, phosphorus (P) or arsenic (As) is used as the impurity element imparting N-type, and boron (B) is used as the impurity element imparting p-type. In the n-type impurity region and the p-type impurity region, an impurity region to which an impurity element imparting n-type conductivity is added in a concentration range of 1 × 10 20 to 1 × 10 21 / cm 3 can be formed. Such a structure having conductivity is suitable for a semiconductor device in which a microstructure is controlled by an electrostatic force. Of course, the microstructure may be controlled by electromagnetic force.
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処理を行ってもよい。加熱処理は、上述した条件で行えばよい。 After the impurity region is formed, heat treatment may be performed to activate the impurity element. The heat treatment may be performed under the conditions described above.
このように構造層をシリコン層からなる薄膜によって形成することにより、ウエハを用いて形成する場合と比較して、非常に薄く形成することができる。またこのような構造層は、絶縁基板上に形成することができるため、生産コストを削減することができる。 Thus, by forming the structural layer with a thin film made of a silicon layer, it can be formed very thin compared to the case of using a wafer. Further, since such a structural layer can be formed over an insulating substrate, production cost can be reduced.
次に犠牲層104を形成し、所定の形状にパターニングする(図1(A)(B))参照)。本実施の形態では、十字状となるようにパターニングする。犠牲層104は、チタン(Ti)アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等の金属、シリコンを有する酸化物やシリコンを有する窒化物、又は当該金属とシリコンとの化合物である金属化合物を材料とし、スパッタリング法やCVD法等を用いて形成することができる。パターニングには、フォトリソグラフィ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を行う。
Next, a
このような犠牲層を除去することによって空間が設けられることとなる。すなわち犠牲層とは、後の工程で除去される層を指す。そのため、犠牲層は除去される材料であればよく、導電性材料であっても、絶縁性材料であってもよい。 A space is provided by removing such a sacrificial layer. That is, the sacrificial layer refers to a layer that is removed in a later step. Therefore, the sacrificial layer may be a material to be removed, and may be a conductive material or an insulating material.
犠牲層104の膜厚は、犠牲層104の材料や、微小構造体の構造および動作方法、犠牲層を除去するためのエッチング方法等、様々な要因を考慮して決定することができる。例えば、犠牲層104が薄すぎればエッチング剤が拡散せずにエッチングされず、またエッチング後に、犠牲層103上に形成される構造層が座屈するといった現象も生じる。さらに、微小構造体を静電力で動作させる場合、犠牲層が厚すぎると駆動できなくなる恐れがある。そのため、静電力による駆動を行う場合、犠牲層104は例えば0.5μm以上3μm以下の厚さを有し、1μm以上2.5μm以下を有すると好ましい。
The thickness of the
このような膜厚を有する犠牲層は、一度に厚く形成することが難しい。特に、犠牲層に用いる材料に、内部応力の大きいものを利用すると一度に厚く形成することが難しくなる。このような場合には、成膜やパターニングを繰り返し、犠牲層を厚く形成することが可能である。すなわち犠牲層は、単層構造であっても、積層構造であってもよい。 It is difficult to form a sacrificial layer having such a film thickness thick at a time. In particular, if a material having a large internal stress is used as a material for the sacrificial layer, it becomes difficult to form a thick film at a time. In such a case, the sacrificial layer can be formed thick by repeating film formation and patterning. That is, the sacrificial layer may have a single layer structure or a laminated structure.
特に、犠牲層104に無機材料からなる絶縁層を用いる場合、被形成面の表面を酸化、又は窒化するとよい。このような酸化、又は窒化する手段として、高密度プラズマ処理がある。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から9×1015cm-3以下であり、マイクロ波(例えば周波数2.45GHz)といった高周波を用いたプラズマ処理である。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から2eVとなる。このように低電子温度が特徴である高密度プラズマは、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ができる。
In particular, when an insulating layer made of an inorganic material is used for the
このようなプラズマ処理を可能とする成膜室に、第1の構造層103まで形成された基板を配置し、プラズマ発生用の電極、所謂アンテナと被形成体との距離を20mmから80mm、好ましくは20mmから60mmとして成膜処理を行う。このような高密度プラズマ処理は、低温プロセス(基板温度400℃以下)の実現が可能となる。そのため、耐熱性の低いガラスは勿論、プラスチックを絶縁基板101として適用することができる。
A substrate formed up to the first
このような絶縁層の成膜雰囲気は窒素雰囲気、又は酸素雰囲気とすることができる。窒素雰囲気とは、代表的には、窒素と希ガスとの混合雰囲気、又は窒素と水素と希ガスとの混合雰囲気である。希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンの少なくとも1つを用いることができる。また酸素雰囲気とは、代表的には、酸素と希ガスとの混合雰囲気、酸素と水素と希ガスとの混合雰囲気、又は一酸化二窒素と希ガスとの混合雰囲気である。希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンの少なくとも1つを用いることができる。 The film formation atmosphere of such an insulating layer can be a nitrogen atmosphere or an oxygen atmosphere. The nitrogen atmosphere is typically a mixed atmosphere of nitrogen and a rare gas, or a mixed atmosphere of nitrogen, hydrogen, and a rare gas. As the rare gas, at least one of helium, neon, argon, krypton, and xenon can be used. The oxygen atmosphere is typically a mixed atmosphere of oxygen and a rare gas, a mixed atmosphere of oxygen, hydrogen, and a rare gas, or a mixed atmosphere of dinitrogen monoxide and a rare gas. As the rare gas, at least one of helium, neon, argon, krypton, and xenon can be used.
このように形成される犠牲層は、他の被膜に与えるダメージが少なく、緻密なものとなる。また高密度プラズマ処理により形成された絶縁層は、当該絶縁層と接触する界面状態を改善することができる。例えば高密度プラズマ処理を用いて犠牲層104を形成すると、被形成面との界面状態を改善することができる。このような絶縁層を、構造層上に犠牲層として形成することによって、微小構造体に与えるダメージを少なくすることができる。
The sacrificial layer formed in this way is dense with little damage to other coatings. An insulating layer formed by high-density plasma treatment can improve an interface state in contact with the insulating layer. For example, when the
ここでは、犠牲層の形成に高密度プラズマ処理を用いる場合を説明したが、半導体層に高密度プラズマ処理を施してもよい。高密度プラズマ処理によって、半導体層表面の改質を行うことができる。その結果、界面状態を改善でき、半導体素子の電気特性を向上させることができる。 Although the case where high-density plasma treatment is used for forming the sacrificial layer has been described here, the semiconductor layer may be subjected to high-density plasma treatment. The semiconductor layer surface can be modified by high-density plasma treatment. As a result, the interface state can be improved, and the electrical characteristics of the semiconductor element can be improved.
さらに、犠牲層104のみではなく、下地膜102にも高密度プラズマ処理を用いることができる。
Further, high-density plasma treatment can be used not only for the
そして犠牲層104上に第2の構造層105を形成する。第2の構造層105は、シリコン層から形成し、所定の形状にパターニングする(図1(B)参照)。本実施の形態では、十字方向に伸びた4つのT字状(先端の幅が広くなっている形状)の第2の構造層105を有し、T字状の構造層の先に第2の構造層105の一部が設けられるようにパターニングする(図1(A)参照)。言い換えると、十字状の第2の構造層105と、その外側の領域に第2の構造層105と同一材料で形成される構造層が設けられている。
Then, the second
T字状の先に設けられた第2の構造層105の一部は、十字状に伸びた第2の構造層105が回動するための電力を供給する電極として機能させることができる。電極として機能する第2の構造層105と、T字状の第2の構造層105との近接する領域は、上面からみるとそれぞれ円弧を有する。
A part of the second
このような第2の構造層105の形状は、言い換えると、中心に設けられる円の第1の領域と、その外側に設けられた第2の領域と、第1の領域と第2の領域とをつなぐ領域とを有すると表記できる。
In other words, the shape of the second
これを図1(B)に示す断面図でみると、第2の構造層105は、犠牲層104の両端領域の上方において、開口部を有する構造となっており、開口部では、犠牲層104の一部が露出する(図1(B)参照)。
In the cross-sectional view shown in FIG. 1B, the second
但し本発明において、第2の構造層105は、図1に示す構造に限定されず、可動することができればよい。
However, in the present invention, the
第2の構造層105は、第1の構造層103と同様な材料、同様な結晶構造有するものを用いることができる。本実施の形態では、第1の構造層103と同様に、薄膜なシリコン層を用いて形成する。
As the second
第2の構造層105に導電性が必要な場合は、第1の構造層103と同様に不純物元素を添加し、不純物領域を形成してもよい。このような不純物領域を形成した後、不純物元素の活性化を行ってもよい。活性化手段は、結晶化手段と同様である。
In the case where the
第2の構造層105は、必要な厚さを得るために、第1の構造層103と同様に積層構造とすることも可能である。
The second
このような第2の構造層105の材料および膜厚は、第1の構造層103との密着性、犠牲層104の厚さ、第2の構造層105の材料、微小構造体の構造、または犠牲層エッチングの方法等、様々な要因を考慮して決定することができる。また、第2の構造層105を厚く成膜すると内部応力に分布が生じ、反りや座屈の原因となる。逆に、第2の構造層105の厚さが薄いと、犠牲層エッチング時に用いる溶液の表面張力によって微小構造体が座屈する恐れがある。これらを考慮して、第2の構造層105の膜厚を決定することができ、第2の構造層105の膜厚は1μm以上とすることが好ましい。
The material and the film thickness of the second
また第2の構造層105の材料として内部応力の分布差が大きい材料を用いると第2の構造層105に反りが生じる恐れがあるが、第2の構造層105の反りを利用して微小構造体を構成することも可能である。
In addition, if a material having a large internal stress distribution difference is used as the material of the second
次に、犠牲層104をエッチングにより除去する(図2(A)(B)参照)。エッチング方法には、ウエットエッチング法、またはドライエッチング法がある。犠牲層104のエッチングは、犠牲層の材料によって適したエッチング剤及びエッチング方法により行うことができる。そして第2の構造層105に設けられた開口部に、エッチング剤を導入して犠牲層を除去することができる。
Next, the
例えば、犠牲層がタングステン(W)である場合、28%のアンモニアと31%の過酸化水素水を1:2で混合した溶液に20分程度漬けることで行う。犠牲層が二酸化シリコンの場合は、フッ酸49%水溶液1に対してフッ化アンモニウムを7の割合で混合したバッファードフッ酸を用いる。 For example, when the sacrificial layer is tungsten (W), the sacrificial layer is immersed in a solution in which 28% ammonia and 31% hydrogen peroxide solution are mixed at a ratio of 1: 2 for about 20 minutes. When the sacrificial layer is silicon dioxide, buffered hydrofluoric acid in which ammonium fluoride is mixed in a ratio of 7 to 49% aqueous solution 1 of hydrofluoric acid is used.
ウエットエッチング後の乾燥に際しては、毛管現象による微小構造体の座屈を防ぐため、粘性の低い有機溶媒(例えばシクロヘキサン)を用いてリンスを行う、若しくは低温低圧の条件で乾燥させる、またはこの両者を組み合わせた処理を行うことができる。 When drying after wet etching, in order to prevent the microstructure from buckling due to capillarity, rinse with a low-viscosity organic solvent (for example, cyclohexane), or dry under low temperature and low pressure conditions, or both Combined processing can be performed.
また、犠牲層は、大気圧など高圧の条件において、F2やXeF2を用いてドライエッチングを行うことができる。毛管現象による微小構造体の座屈を防ぐため、微小構造体表面に撥水性を持たせるプラズマ処理を行うこともできる。 The sacrificial layer can be dry-etched using F 2 or XeF 2 under high pressure conditions such as atmospheric pressure. In order to prevent the microstructure from buckling due to capillary action, plasma treatment for imparting water repellency to the surface of the microstructure can also be performed.
このような工程を用いて犠牲層104を除去することによって、微小構造体106を作製することができる。
By removing the
微小構造体106は、犠牲層104を除去することによって、基板または基板に接合している第1の構造層103に対して、第2の構造層105が固定されていない構造、または静電力等により接していない構造となる。すなわち第2の構造層105は、静電力により第1の構造層103に固定されない状態で維持され、回動することができる。このような構造を歯車構造と表記できる。歯車構造により、第2の構造層105は可動することができる。特に本実施の形態のように回動する構造は、回転体と表記できる。
The
また、微小構造体106を静電力で可動させる場合、下地膜102の下に共通電極や制御電極等として用いる導電層110を形成してもよい(図11(A)参照)。また、下地膜102を積層構造にしている場合、下地膜102の間に導電層110を形成することも可能である(図11(B)参照)。導電層110は、タングステン等の金属や導電性を有する物質を材料として、CVD法やスパッタリング法等により形成することができる。また、必要に応じて所定の形状にパターニングして、選択的に形成することができる。例えば、歯車構造からなる微小構造体を制御するための電極の下方のみに、導電層110を形成する。このような導電層110を下部電極と表記できる。
In the case where the
また、微小構造体106を静電力で可動させる場合、微小構造体106の作製と同時に、第1の構造層103と接合する導電層を形成してもよい。このような導電層は、金属材料以外に、Siを材料とし、電極に使用する部分のみドーピングやシリサイド化で伝導性を高めたものを用いることができる。
In the case where the
このように作製された第2の構造層105は、基板や他の層に固定されていないため、基板に対して独立に、可動することが可能である。例えば、第2の構造層105は回動運動や平行移動が可能、つまり可動することができる。
Since the
以上説明した微小構造体106を構成する層において、上面からみて角を有するパターンの場合、角の部分が丸みを帯びた形状となるようにパターニングすることが好ましい。これは、後に除去される犠牲層についても同様である。
In the layer constituting the
図12には、図2(A)に相当する上面図であって、第2の構造層105のパターンの角に丸みを帯びさせた状態を示す。このように角をとって丸みを帯びた状態にパターニングすることによって、ゴミの発生を抑え歩留まりを向上させることができる。また破壊の原因となる亀裂が入りにくくなる。
FIG. 12 is a top view corresponding to FIG. 2A and shows a state in which the corners of the pattern of the second
また、第1の構造層103上に、低摩擦層111を形成することもできる。(図6(A)(B)参照)。犠牲層除去後、第2の構造層105は浮いているわけではなく、重力によって第1の構造層103上に置かれた状態となり、第1の構造層103と、第2の構造層105とに摩擦が生じうる。重力以外にも、静電力やファンデルワールス力によって、近接する層にふれることとなる。そこで低摩擦層を設けることにより、回動体と、それに接する層との摩擦を低減することができる。低摩擦層111は、CVD法またはスパッタリング法等を用いて形成された窒化シリコンや炭化シリコン等のシリコンを含む材料、又はダイヤモンドライクカーボン(DLC)を用いることもできる。例えば、CVD法により115nmの厚さで酸化窒化シリコン層(組成比Si=32%、O=59%、N=7%、H=2%)で形成する。窒化シリコンは、摩擦が少なく、摩耗しにくいため、回動する第2の構造層105と、第1の構造層103との間の摩擦を低減し、抵抗を少なくすることができる。また低摩擦層111によって、回動する微小構造体106の保護することもできる。特に、DLCを用いた低摩擦層111は緻密であるため、保護機能が高く好ましい。
Further, the low friction layer 111 can be formed on the first
本発明は、絶縁基板上に形成された構造層に薄膜を用いることを特徴としており、その他の構成には限定されるものではない。例えば、上記の工程では犠牲層104の上に第2の構造層105を形成しているが、犠牲層104の上に絶縁層を形成し、その後第2の構造層105を形成することも可能である。
The present invention is characterized by using a thin film for a structural layer formed on an insulating substrate, and is not limited to other configurations. For example, although the second
このように、犠牲層104と、第2の構造層105との間に絶縁層を形成することで、犠牲層104を除去する際に、絶縁層によって第2の構造層105を保護し、第2の構造層105のダメージを低減することができる。
In this manner, by forming the insulating layer between the
以上説明した、微小構造体106を作製する方法においては、第1の構造層103、第2の構造層105の材料、犠牲層104の材料、および犠牲層を除去するエッチング剤の適当な組み合わせを決定することができる。例えば、エッチング剤を特定のものに決めた場合、第1の構造層103、第2の構造層105の材料に比べて、エッチングレートが大きい材料を用いて犠牲層104を構成すればよい。
In the method for manufacturing the
このように本発明は、絶縁基板上に歯車構造からなる微小構造体を作製することができる。その結果、シリコンウェハに形成される微小構造体より、低コストな微小構造体を提供することができる。 Thus, the present invention can produce a microstructure having a gear structure on an insulating substrate. As a result, a microstructure having a lower cost than that of a microstructure formed on a silicon wafer can be provided.
(実施の形態2)
上記実施の形態で示した、第1の構造層や第2の構造層に適用するシリコン層には、結晶状態を有するもの、非晶質状態を有するものを用いることができる。そこで本実施の形態では、構造層に金属を用いて結晶化された多結晶シリコンを用いる場合について説明する。
(Embodiment 2)
As the silicon layer applied to the first structure layer or the second structure layer described in the above embodiment, a silicon layer having a crystalline state or an amorphous state can be used. Therefore, in this embodiment mode, a case where polycrystalline silicon crystallized using a metal is used for the structural layer will be described.
まず第1の構造層103や第2の構造層105を形成する被形成面上に、非晶質シリコン層を形成し、金属を用いて結晶化する。
First, an amorphous silicon layer is formed over a formation surface on which the first
加熱処理には、加熱炉、レーザ照射、若しくはランプから発する光の照射(以下、ランプアニールと表記する)、又はそれらを組み合わせて用いることができる。 For the heat treatment, a heating furnace, laser irradiation, irradiation of light emitted from a lamp (hereinafter referred to as lamp annealing), or a combination thereof can be used.
加熱処理として、レーザ照射を用いる場合、連続発振型のレーザビーム(CWレーザビーム)やパルス発振型のレーザビーム(パルスレーザビーム)を用いることができる。レーザビームとしては、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、銅蒸気レーザまたは金蒸気レーザのうち一種または複数種から発振されるものを用いることができる。このようなレーザビームの基本波、及び当該基本波の第2高調波から第4高調波のレーザビームを照射することで、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)や第3高調波(355nm)を用いることができる。このときレーザのエネルギー密度は0.01〜100MW/cm2程度(好ましくは0.1〜10MW/cm2)が必要である。そして、走査速度を10〜2000cm/sec程度として照射する。 In the case of using laser irradiation as the heat treatment, a continuous wave laser beam (CW laser beam) or a pulsed laser beam (pulse laser beam) can be used. As the laser beam, 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 A laser or a gold vapor laser oscillated from one or a plurality of types can be used. By irradiating the fundamental wave of such a laser beam and the second to fourth harmonics of the fundamental wave, a crystal having a large grain size can be obtained. For example, a second harmonic (532 nm) or a third harmonic (355 nm) of an Nd: YVO 4 laser (fundamental wave 1064 nm) can be used. Energy density of the laser is about 0.01 to 100 MW / cm 2 (preferably 0.1 to 10 MW / cm 2) is required. Then, irradiation is performed at a scanning speed of about 10 to 2000 cm / sec.
なお連続発振の基本波のレーザビームと連続発振の高調波のレーザビームとを照射するようにしてもよいし、連続発振の基本波のレーザビームとパルス発振の高調波のレーザビームとを照射するようにしてもよい。複数のレーザビームを照射することにより、エネルギーを互いに補うことができる。 The continuous wave fundamental laser beam and the continuous wave harmonic laser beam may be irradiated, or the continuous wave fundamental laser beam and the pulsed harmonic laser beam may be irradiated. You may do it. By irradiating a plurality of laser beams, energy can be supplemented with each other.
またパルス発振型のレーザビームであって、半導体層がレーザ光によって溶融してから固化するまでに、次のパルスのレーザ光を照射できるような発振周波数でレーザを発振させるレーザビームを用いることもできる。このような周波数でレーザビーム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。具体的なレーザビームの発振周波数は10MHz以上であって、通常用いられている数十Hz〜数百Hzの周波数帯よりも著しく高い周波数帯を使用する。 It is also possible to use a pulse oscillation type laser beam that oscillates the laser at an oscillation frequency that allows irradiation of the next pulse of laser light after the semiconductor layer is melted by the laser light and solidifies. it can. By oscillating the laser beam at such a frequency, crystal grains continuously grown in the scanning direction can be obtained. A specific oscillation frequency of the laser beam is 10 MHz or more, and a frequency band that is significantly higher than a frequency band of several tens to several hundreds Hz that is normally used is used.
その他の加熱処理として加熱炉を用いる場合には、非晶質半導体層を400〜550℃で2〜20時間かけて加熱する。このとき、徐々に高温となるように温度を400〜550℃の範囲で多段階に設定するとよい。最初の400℃程度の加熱工程により、非晶質半導体層の水素等が出てくるため、結晶化の際の膜荒れを低減することができる。
さらに、結晶化を促進させる金属、例えばニッケル(Ni)を非晶質半導体層上に形成すると、加熱温度を低減することができ好ましい。金属としては、鉄(Fe)、ルチニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、コバルト(Co)等の金属を用いることもできる。
When a heating furnace is used as another heat treatment, the amorphous semiconductor layer is heated at 400 to 550 ° C. for 2 to 20 hours. At this time, the temperature may be set in multiple stages in the range of 400 to 550 ° C. so that the temperature gradually increases. In the first heating process at about 400 ° C., hydrogen and the like of the amorphous semiconductor layer are generated, so that film roughness during crystallization can be reduced.
Furthermore, it is preferable to form a metal that promotes crystallization, such as nickel (Ni), on the amorphous semiconductor layer because the heating temperature can be reduced. As metals, iron (Fe), rutinium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), copper (Cu), gold (Au), cobalt A metal such as (Co) can also be used.
さらに加熱炉に加えて、上記のようなレーザ照射を行って、多結晶シリコン層を形成してもよい。 Further, in addition to the heating furnace, the polycrystalline silicon layer may be formed by performing laser irradiation as described above.
このように形成された多結晶シリコンは、金属を用いた結晶化することで、結晶構造が単結晶を用いた場合とほぼ同じであり、金属を用いない結晶化によって作製される多結晶シリコンに比べて靭性が高くすることができる。これは、金属を用いた結晶化により結晶粒界が連続している多結晶シリコンを作ることができるからである。結晶粒界が連続している多結晶シリコンは、金属を用いない結晶化によって得られる多結晶シリコンと異なり、結晶粒界で共有結合が途切れることが無い。そのため、結晶粒界が欠陥となって起こる応力集中が起こらず、結果として金属を用いずに形成された多結晶シリコンに比べて破壊応力が高くなる。さらに、結晶粒界が連続していることによって電子の移動度が大きいため、微小構造体を静電力(静電引力)で制御する場合の材料として適している。勿論電磁力により、微小構造体を制御してもよい。 Polycrystalline silicon formed in this way is crystallized using a metal, so that the crystal structure is almost the same as when a single crystal is used. Compared with toughness. This is because polycrystalline silicon with continuous grain boundaries can be produced by crystallization using a metal. Unlike polycrystalline silicon obtained by crystallization without using a metal, polycrystalline silicon in which crystal grain boundaries are continuous does not break a covalent bond at the crystal grain boundary. Therefore, the stress concentration caused by the crystal grain boundary does not occur, and as a result, the fracture stress is higher than that of polycrystalline silicon formed without using a metal. Furthermore, since the mobility of electrons is large due to continuous crystal grain boundaries, it is suitable as a material for controlling a microstructure with electrostatic force (electrostatic attraction). Of course, the microstructure may be controlled by electromagnetic force.
さらに、構造層は、結晶化を助長させる金属を含むことにより、導電性を有することができる。 Furthermore, the structural layer can have conductivity by including a metal that promotes crystallization.
また、金属にニッケルを用いる場合、シリコン層では、ニッケルシリサイドが形成されうる。ニッケルシリサイドのようなシリコン合金は一般に強度が高いことが知られている。そのため、加熱処理時に用いる金属をシリコン層中の全体または選択的に残しておき、適当な熱処理を加えることで、さらに硬く、導電性の高い微小構造体を作製することができる。 When nickel is used as the metal, nickel silicide can be formed in the silicon layer. A silicon alloy such as nickel silicide is generally known to have high strength. Therefore, the metal used in the heat treatment is left in the silicon layer as a whole or selectively, and an appropriate heat treatment is performed, whereby a microstructure that is harder and has higher conductivity can be manufactured.
上記のような結晶化に用いた金属を残したニッケルシリサイドを有する層(ニッケルシリサイド層)と、多結晶シリコン層とを積層させることで、導電性に優れ、しなやかな構造層を得ることができる。また、非晶質シリコン層とニッケルシリサイド層とを積層することで、導電性に優れ、硬い材料にすることができる。 By laminating a layer having a nickel silicide (nickel silicide layer) leaving the metal used for crystallization as described above and a polycrystalline silicon layer, a highly structured and flexible structure layer can be obtained. . In addition, by stacking an amorphous silicon layer and a nickel silicide layer, a hard material having excellent conductivity can be obtained.
なおこのようなシリサイド層は、ニッケル以外にタングステン、チタン、モリブデン、タンタル、コバルト、白金によっても形成することができる。それぞれ、タングステンシリサイド層、チタンシリサイド層、モリブデンシリサイド層、タンタルシリサイド層、コバルトシリサイド層、白金シリサイド層となる。このうち、コバルトや白金は、加熱温度を低下させるための金属として用いることもできる。 Such a silicide layer can be formed of tungsten, titanium, molybdenum, tantalum, cobalt, or platinum in addition to nickel. A tungsten silicide layer, a titanium silicide layer, a molybdenum silicide layer, a tantalum silicide layer, a cobalt silicide layer, and a platinum silicide layer are formed. Among these, cobalt and platinum can also be used as a metal for lowering the heating temperature.
なお、上記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することも可能である。この場合、金属を用いた結晶化の後、シリコン層上にゲッタリングシンクとなる層を形成し、加熱することにより、金属を除去又は低減させることができる。加熱処理により金属がゲッタリングシンクへ移動するからである。ゲッタリングシンクには、多結晶半導体層や不純物元素が添加された半導体層を用いることができる。例えば、半導体層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層を形成し、これをゲッタリングシンクとして適用することができる。不活性元素を添加することによって、多結晶半導体層にひずみを生じさせることができ、ひずみにより効率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層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 since the metal becomes a contamination source of the semiconductor device, it can be removed after crystallization. In this case, after crystallization using a metal, a layer serving as a gettering sink is formed on the silicon layer, and the metal can be removed or reduced by heating. This is because the metal moves to the gettering sink by the heat treatment. As the gettering sink, a polycrystalline semiconductor layer or a semiconductor layer to which an impurity element is added can be used. For example, a polycrystalline semiconductor layer to which an inert element such as argon is added can be formed over the semiconductor layer, and this can be used as a gettering sink. By adding an inert element, the polycrystalline semiconductor layer can be strained, and the metal can be efficiently captured by the strain. In addition, a metal can be captured by forming a semiconductor layer to which an element such as phosphorus is added.
また構造層は、必要な厚さを得るために、積層構造とすることも可能である。たとえば、非晶質シリコン層の形成と、加熱処理による結晶化を繰り返すことによって多結晶シリコン層の積層構造を形成することができる。この加熱処理によって、先に形成された多結晶シリコンの層内の応力を緩和し、膜剥がれや基板の変形を防ぐことができる。また、さらに膜内の応力を緩和するために、シリコン層のパターニングも含めて繰り返すこともできる。このようなパターニングを含めた作製方法は、内部応力の大きい材料を構造層に用いる場合に好適である。 In addition, the structure layer can have a laminated structure in order to obtain a necessary thickness. For example, a multilayer structure of a polycrystalline silicon layer can be formed by repeating formation of an amorphous silicon layer and crystallization by heat treatment. By this heat treatment, stress in the previously formed polycrystalline silicon layer can be relieved, and film peeling and substrate deformation can be prevented. Further, in order to relieve the stress in the film, it can be repeated including the patterning of the silicon layer. A manufacturing method including such patterning is suitable when a material having a large internal stress is used for the structural layer.
上記のように、金属を用いて結晶化を行う場合、金属を用いずに行う結晶化に比べて低温で結晶化することができるため、微小構造体を形成する基板に使用できる材料の幅が広がる。例えば、半導体層を加熱のみで結晶化させる場合、1000℃程度の温度で1時間程度の加熱を行う必要があり、熱に被弱なガラス基板を用いることができない。しかしながら、本実施の形態のように上記金属を用いて結晶化することによって、ゆがみ点が593℃であるガラス基板等を用いることが可能になる。 As described above, when crystallization is performed using a metal, since crystallization can be performed at a lower temperature than crystallization performed without using a metal, the width of a material that can be used for a substrate for forming a microstructure is small. spread. For example, when the semiconductor layer is crystallized only by heating, it is necessary to perform heating for about 1 hour at a temperature of about 1000 ° C., and a glass substrate that is vulnerable to heat cannot be used. However, by crystallization using the above metal as in this embodiment, a glass substrate or the like having a distortion point of 593 ° C. can be used.
(実施の形態3)
本実施の形態では、微小構造体と、微小構造体を制御する半導体素子を同一基板上に一体形成する工程について説明する。図面において、上側には上面図を示し、下側には上面図O−Pにおける断面図を示す。
(Embodiment 3)
In this embodiment, a process of integrally forming a microstructure and a semiconductor element that controls the microstructure on the same substrate will be described. In the drawings, a top view is shown on the upper side, and a sectional view in the top view OP is shown on the lower side.
図16(A)には、微小構造体を形成する第1の領域と、微小構造体を制御する半導体素子を形成する第2の領域とを示す。第1及び第2の領域において、絶縁基板101上に下地膜102を形成する。本実施の形態では、積層構造を有する下地膜102を形成するが、これに限定されないことは上記実施の形態と同様である。また絶縁基板101や下地膜102は、上記実施の形態を参照して作製することができる。
FIG. 16A illustrates a first region where a microstructure is formed and a second region where a semiconductor element which controls the microstructure is formed. A
下地膜102上に、半導体層103を形成し、所定の形状にパターニングする。このようにパターニングされた半導体層103は、第1の領域では第1の構造層103aとして機能し、第2の領域では半導体素子の半導体層103bとして機能する。第1の構造層103aは、円状となるようにパターニングする。半導体層103の材料やパターニング形状等は、上記実施の形態を参照することができる。本発明は微小構造体の構造層と、半導体素子の半導体層を同一工程で作製することができる。
A
その後、半導体層103上に、絶縁層104を形成する。絶縁層104を所定の形状にパターニングする(図16(B)参照)。パターニングされた絶縁層104は、第1の領域では犠牲層104aとして機能し、第2の領域ではゲート絶縁層104bとして機能する。犠牲層104aは、十字状となるようにパターニングする。絶縁層104の材料やパターニング形状等は、上記実施の形態を参照して作製することができ、ゲート絶縁膜104bを考慮すると絶縁層104には、シリコンを有する酸化物又はシリコンを有する窒化物を用いるとよい。本発明は微小構造体の犠牲層と、半導体素子のゲート絶縁層を同一工程で作製することができる。
After that, the insulating
次に、絶縁層104上に導電層105を形成する。導電層105を所定の形状にパターニングする(図16(C)参照)。パターニングされた導電層105は、第1の領域では第2の構造層105aとして機能し、第2の領域ではゲート電極105bとして機能する。第2の構造層105aは、上記実施の形態と同様に十字方向に伸びた4つのT字状を有し、T字状の先にも第2の構造層105が設けられるようにパターニングする。T字状の先に設けられた第2の構造層105は、十字状に伸びた第2の構造層105が回動するための電力を供給する電極として機能することができる。導電層105の材料やパターニング形状等は、上記実施の形態を参照して作製することができ、ゲート電極105bを考慮するとシリコン(Si)、チタン(Ti)アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等から選ばれる一または二以上の導電性材料を用いるとよい。なおシリコンを用いる場合、結晶性を有する構造とし導電性をもたせる。本発明は微小構造体の第2の構造層と、半導体素子のゲート電極を同一工程で作製することができる。
Next, the
その後、第2の構造層105bに開口部を設ける。そして開口部にエッチング剤を導入して、犠牲層104aを除去する。エッチング剤には、上記したバッファードフッ酸等を用いることができる。バッファードフッサンを用いる場合、エッチングの選択比を考慮すると、犠牲層104aは酸化シリコン、第2の構造層105bは結晶性を有するシリコンを用いると好ましい。このとき第2の領域の半導体素子上には、エッチングされないようマスクを形成する。マスクは無機材料又は有機材料を用いて形成することができる。選択的に設けられたマスクは、インクジェット法を代表とする液滴吐出法によって形成することができる。
After that, an opening is provided in the second
その後、半導体素子を保護するための保護絶縁層を形成することができる。また半導体素子のゲート電極の側面に、サイドウォールとして機能する絶縁層を設けてもよい。サイドウォールにより、ゲート長が短くなるにつれて生じる短チャネル効果を防止することができる。このような保護絶縁層やサイドウォールは、微小構造体に形成してもよい。一方、微小構造体に形成したくない場合、第1の領域のみ選択的にマスクを形成しておけばよい。このようなマスクを形成する場合、犠牲層の除去は、マスクを除去した後に行う方がよい。犠牲層を除去し、空間が生じた後に、マスクを形成すると、構造体が破壊する恐れがあるからである。 After that, a protective insulating layer for protecting the semiconductor element can be formed. Further, an insulating layer functioning as a sidewall may be provided on a side surface of the gate electrode of the semiconductor element. The sidewall can prevent a short channel effect that occurs as the gate length is shortened. Such a protective insulating layer and sidewall may be formed in a microstructure. On the other hand, if it is not desired to form the microstructure, a mask may be selectively formed only in the first region. When such a mask is formed, it is better to remove the sacrificial layer after removing the mask. This is because if the mask is formed after the sacrificial layer is removed and a space is generated, the structure may be destroyed.
このように形成された半導体素子によって電気回路を形成することができ、微小構造体の制御を行うことができる。このような微小構造体を有する半導体装置は、作製コストを削減することができる。また従来のように電気回路を別途形成し、微小構造体と電気的に接続する構成と比べ、本発明の微小電気機械式装置の作製方法により量産性を向上させることができる。 An electric circuit can be formed using the semiconductor element formed as described above, and the microstructure can be controlled. A semiconductor device having such a microstructure can reduce manufacturing costs. In addition, mass productivity can be improved by the method for manufacturing a microelectromechanical device of the present invention as compared with a structure in which an electric circuit is separately formed and electrically connected to a microstructure as in the conventional case.
(実施の形態4)
本実施の形態では、上記実施の形態とは異なり、歯車構造を軸で固定した微小構造体について、図3を用いて説明する。図面において、(A)には上面図を示し、(B)には上面図O−Pにおける断面図を示す。
(Embodiment 4)
In this embodiment, unlike the above embodiment, a micro structure in which a gear structure is fixed by a shaft will be described with reference to FIGS. In the drawings, (A) shows a top view, and (B) shows a cross-sectional view in a top view OP.
図3(A)に示すように、上記実施の形態と同様に絶縁基板101上に下地膜102、第1の構造層103、第1の犠牲層104を形成する。これらの作製方法は、上記実施の形態を参照することができる。
As shown in FIG. 3A, a
その後、第1の犠牲層104上に、第2の構造層105として多結晶シリコンを有する層を形成する、なお、多結晶シリコンを有する層は、上記実施の形態を参照することができる。第2の構造層105を所定の形状にパターニングし、その後開口部を設ける。開口部は、上記実施の形態と同様に、断面図において、第1の犠牲層104の両端領域の上方に設けられている(図3(B)参照)。さらに本実施の形態では、第2の構造層105は、回動自在となるようにパターニングする。また第2の構造層105には、図3(A)(B)に示すように、軸を設ける領域も形成する。本実施の形態では、軸を中心に設けるため、第2の構造層105の中心に開口部を形成する。なお軸を設ける位置は必ずしも中心ではなく、ローターにしたい場合などは故意に中心をはずすこともある。
After that, a layer including polycrystalline silicon is formed as the second
次に、第2の構造層105を覆うように第2の犠牲層108を形成する(図4(A)参照)。なお第2の犠牲層108の作製方法等は、第1の犠牲層104と同様とすることができる。このとき第2の犠牲層108は、第2の構造層105の開口部を充填するように設けられる。また軸を形成するための開口部は、その直径が長いため、第2の犠牲層108が完全に充填されることなく、開口部に添うように形成されることがある。
Next, a second
その後、第2の構造層105に設けた軸用の開口部において、第1の構造層103が露出するよう、第1の犠牲層104および第2の犠牲層108を所定の形状にパターニングする(図4(B)参照)。このようなパターニングはフォトリソ及びドライエッチにより行うことができる。ドライエッチは、異方的にエッチングすることが可能であり、第1の犠牲層104および第2の犠牲層108を所定の形状にエッチングすることができる。
Thereafter, the first
その後、第2の犠牲層108上に、第2の構造層105に設けられた軸用の開口部の内部を充填するように、第3の構造層109を形成する(図4(C)参照)。第3の構造層109は、第2の構造層105と同様に作製することができる。例えば、第3の構造層109に、金属を用いて結晶化されたシリコン層を用いることができる。
After that, the
このとき、軸用の開口部の底面で第3の構造層109は第1の構造層103と接合する。
At this time, the third
このように設けられた第3の構造層109は、第2の構造層105より上部において、第2の構造層105に設けられた軸用の開口部よりも大きい面積を有し、開口部の内部では第2の犠牲層108によって第2の構造層105とは接することなく、隔てられている。そして第3の構造層109は、第2の構造層105が回動する場合の軸として機能する。以下、このような軸の構造をT字軸と表記する。
The third
次に、第1の犠牲層104、第2の犠牲層108をエッチングにより除去する(図5(A)(B)参照)。第1の犠牲層104、第2の犠牲層108のエッチングの条件等は、上記実施の形態を参照することができる。第1の犠牲層104及び第2の犠牲層108は同一工程で除去することができる。このように犠牲層が除去されると、そこに空間が生じる。このような空間により、微小構造体は可動することができる。このようにして、T字軸を中心として回動する微小構造体106を形成することができる。
Next, the first
また、微小構造体106を静電力で可動させる場合、下地膜102の下に共通電極や制御電極等として使用することができる導電層110を形成してもよいことは上記実施の形態と同様である。そのため、図11(A)の下部電極構造を、本実施の形態の微小構造体に適用することができる。
Further, when the
また、下地膜102を積層構造にしている場合、下地膜102の間に下部電極110を形成することも上記実施の形態と同様である。そのため、図11(B)の下部電極構造を、本実施の形態のT字軸を有する微小構造体に適用することができる。
In the case where the
また上記実施の形態と同様に、微小構造体106を構成する層が、上面からみて角を有するパターンの場合、角の部分が丸みを帯びた形状にパターニングすることが好ましい。これは、後に除去される犠牲層104についても同様である。そのため、図12に示す角に角をとって丸みを帯びた状態でパターニングする工程も、本実施の形態のT字軸を有する微小構造体に適用することができる。その結果、ゴミの発生を抑え歩留まりを向上させることができる。
Similarly to the above embodiment, in the case where the layer included in the
また上記実施の形態と同様に、第1の構造層103上に、低摩擦層を形成することもできる。そのため、図6(A)(B)に示す低摩擦層111を有する構造を、本実施の形態のT字軸を有する微小構造体に適用することができる。その結果、第1の構造層103と、第2の構造層105との摩擦を低減することができる。また低摩擦層にDLC等の緻密な膜を用いる場合、微小構造体を保護する機能を高めることもできる。
Similarly to the above embodiment, a low friction layer can be formed on the first
また上記実施の形態と同様に、微小構造体106を構成する第1の構造層103、第2の構造層105、T字軸109に適用することができる、金属を用いて結晶化された半導体層の導電性を高めるため、当該金属を残すことができる。また半導体素子に適用する、金属を用いて結晶化された半導体層は、当該金属が半導体素子の動作に不具合を生じさせることがあるため、選択的に当該金属を除去してもよい。
Similarly to the above embodiment mode, a semiconductor crystallized using a metal that can be applied to the first
また上記実施の形態と同様に、微小構造体106を構成する第1の構造層103、第2の構造層105、T字軸109に適用する半導体層に含まれる金属を除去した場合であっても、微小構造体106を駆動させるにあたって第1の構造層103、第2の構造層105、及びT字軸109のいずれかに導電性が必要な場合は、p型又はn型となる不純物元素を添加することができる。この不純物元素の添加は、半導体素子の不純物領域を形成する際の不純物元素の添加工程と同時に行うことができる。このような導電性を持たせた構造層は、静電力で制御する微小構造体の構成に好適である。
Similarly to the above embodiment mode, the metal contained in the first
なお、本実施の形態は上記実施の形態と自由に組み合わせて行うことができる。 Note that this embodiment mode can be freely combined with the above embodiment modes.
(実施の形態5)
本発明において、微小構造体には様々な性質を持つシリコンやシリコンの化合物を積層させることができる。様々な性質を持つシリコン層は、その結晶状態が非晶質、微結晶、多結晶等のいずれかを選択することによって、強度等の性質が異なるシリコンとなる。さらに多結晶であっても、結晶方向の異動による性質の違いを有するシリコン層となる。このような性質の異なるシリコン層を積層した構造例を以下に示す。
(Embodiment 5)
In the present invention, silicon or silicon compounds having various properties can be stacked on the microstructure. A silicon layer having various properties becomes silicon having different properties such as strength by selecting one of an amorphous state, a microcrystalline state, and a polycrystalline state. Furthermore, even if it is polycrystal, it becomes a silicon layer having a difference in properties due to a change in crystal direction. An example of a structure in which silicon layers having different properties are stacked is shown below.
図14(A)には、T字軸を有する微小構造体であって、第1の構造層103を積層構造とした例を示す。すなわち、下層の第1の構造層103a上に、上層の第1の構造層103bを積層した構造である。
FIG. 14A illustrates an example of a microstructure having a T-axis, in which the
図14(B)には、T字軸を有する微小構造体であって、第2の構造層105を積層構造とした例を示す。すなわち、下層の第1の構造層105a上に、上層の第1の構造層105bを積層した構造である。
FIG. 14B illustrates an example of a microstructure having a T-axis, in which the
図14(C)には、T字軸を有する微小構造体であって、T字軸109を積層構造とした例を示す。すなわち、下層のT字軸109a上に、上層のT字軸109bを積層した構造である。
FIG. 14C illustrates an example of a microstructure having a T-shaped axis, in which the T-shaped
図14(A)から(C)に示したような積層構造において、例えば下層には多結晶シリコンを用い、上層には非晶質シリコンを用いることができる。また本実施の形態において、3層以上の積層構造となるようにしてもよい。例えば、非晶質シリコンを多結晶シリコンで挟むような積層構造であってもよい。 In the stacked structure as shown in FIGS. 14A to 14C, for example, polycrystalline silicon can be used for the lower layer and amorphous silicon can be used for the upper layer. In this embodiment mode, a stacked structure of three or more layers may be used. For example, a laminated structure in which amorphous silicon is sandwiched between polycrystalline silicons may be used.
多結晶シリコンは、金属を用いて結晶化したものを用いるとよい。さらに多結晶であっても、レーザ照射の方向や金属添加領域によって、結晶方向を異ならせることができる。このような結晶方向が異なる多結晶シリコン層を積層させてもよい。 Polycrystalline silicon is preferably crystallized using a metal. Furthermore, even in the case of polycrystal, the crystal direction can be varied depending on the direction of laser irradiation and the metal addition region. Such polycrystalline silicon layers having different crystal directions may be stacked.
またシリコン層とシリコンの化合物を有する層とを積層させてもよい。化合物としては、酸化シリコンや窒化シリコンがある。 Alternatively, a silicon layer and a layer containing a silicon compound may be stacked. Examples of the compound include silicon oxide and silicon nitride.
さらに、金属を用いた結晶化を用いる場合、選択的に金属を塗布することで、部分的に結晶化を行うこともできる。たとえば、構造層のうち、その下方に犠牲層がある部分のみに金属を塗布し、結晶化すると、選択的に結晶化されたシリコンを形成することができる。 Furthermore, in the case of using crystallization using a metal, crystallization can be partially performed by selectively applying a metal. For example, selectively crystallized silicon can be formed by applying a metal to only a portion of the structural layer having a sacrificial layer below and crystallizing it.
本発明は単層構造であっても、このように領域に応じて結晶状態を異ならせたシリコン層を適用することができる。 Even if the present invention has a single layer structure, a silicon layer having a different crystal state depending on a region can be applied.
上記のような選択的な結晶化は、選択的にレーザを照射することで達成することもできる。さらに、レーザ条件を変化させることにより、選択的に結晶化させてもよい。本発明は、このような結晶状態の異なるシリコンを用いて、微小構造体を形成することができる。 The selective crystallization as described above can also be achieved by selectively irradiating a laser. Further, it may be selectively crystallized by changing the laser conditions. In the present invention, a microstructure can be formed using silicon having different crystal states.
このように本発明は、積層構造であってその結晶状態が異なる構造層等を容易に作製することができ、所望の性質を有する微小構造体の作製が可能である。 As described above, according to the present invention, a structure layer or the like having a stacked structure and different crystal states can be easily manufactured, and a microstructure having desired properties can be manufactured.
またさらに、金属を全面に添加しレーザ照射や加熱処理を行った場合、シリコンの結晶成長方向が基板に対して垂直方向に進み、金属を選択的に添加しレーザ照射や加熱処理を行った場合、結晶成長方向は基板に対して平行方向に進む。この結晶成長方向の異なる層を2層以上積層することで、さらに靭性に優れた材料を得ることができる。結晶成長方向が異なる膜が積層しているため、一つの層で破壊が起きても、結晶成長方向の違う層には亀裂が伝播しにくい。その結果として破壊が起こりにくく、強度の高い構造層を作製することができる。このように多結晶シリコンであっても、結晶成長方向を異ならせたものを積層して構造層に適用することができる。 Furthermore, when a metal is added to the entire surface and laser irradiation or heat treatment is performed, the crystal growth direction of silicon advances in a direction perpendicular to the substrate, and a metal is selectively added and laser irradiation or heat treatment is performed. The crystal growth direction proceeds in a direction parallel to the substrate. By laminating two or more layers having different crystal growth directions, a material having further excellent toughness can be obtained. Since films with different crystal growth directions are stacked, cracks hardly propagate to layers with different crystal growth directions even if a single layer breaks down. As a result, it is difficult to break, and a structural layer with high strength can be manufactured. Thus, even if it is a polycrystalline silicon, what laminated | stacked the crystal growth direction can be laminated | stacked, and it can apply to a structural layer.
本発明において、図14(A)から(C)に示した積層構造は自由に組み合わせることができる。 In the present invention, the stacked structures shown in FIGS. 14A to 14C can be freely combined.
本実施の形態では、T字軸を有する微小構造体を用いて説明したが、実施の形態1で示したような微小構造体にであっても、積層構造を用いることができる。具体的には、実施の形態1で示した微小構造体において、第1の構造層103、第2の構造層105を積層構造とすることができる。このように本実施の形態の積層構造は、上記実施の形態と自由に組み合わせることができる。
Although this embodiment mode has been described using a microstructure body having a T-axis, a stacked structure can be used even for the microstructure body described in Embodiment Mode 1. Specifically, in the microstructure described in Embodiment 1, the
(実施の形態6)
本実施の形態では、上記実施の形態とは異なり、歯車型または櫛歯型の微小構造体を、電極を兼ねた部品を用いて固定し、微小構造体を静電力でつり上げて駆動させる微小構造体について、図7から図9を用いて説明する。図面において、上側には上面図を示し、下側には上面図O−Pにおける断面図を示す。
(Embodiment 6)
In this embodiment mode, unlike the above embodiment mode, a gear-type or comb-type microstructure is fixed using a part that also serves as an electrode, and the microstructure is driven by being lifted by an electrostatic force. The body will be described with reference to FIGS. In the drawings, a top view is shown on the upper side, and a sectional view in the top view OP is shown on the lower side.
図7(A)に示すように、絶縁基板201上に下地膜202、第1の構造層203、第1の犠牲層204を形成する。これらの作製方法は、上記実施の形態を参照することができる。また本実施の形態では2層積層された下地膜202を用いるが単層であっても、3層以上の積層構造を有してもよい。第1の構造層203及び第1の犠牲層204は、所定の形状となるようにパターニングする。本実施の形態ではそれぞれ矩形状とし、第1の犠牲層204は、第1の構造層203より小さくなるようにパターニングする。
As shown in FIG. 7A, a
次いで図7(B)に示すように、第1の犠牲層204および第1の構造層203上に、第2の構造層205として多結晶シリコンを有する層を形成する。第2の構造層205は、所定の形状となるようにパターニングする。本実施の形態では、矩形状となり、第1の犠牲層204よりも小さくなるようにパターニングする。多結晶シリコンを有する層の作製方法は、上記実施の形態を参照することができ、本実施の形態では金属を用いて結晶化された多結晶シリコン層を用いる。
Next, as illustrated in FIG. 7B, a layer including polycrystalline silicon is formed as the second
そして、第1の犠牲層204を除去するため、第2の構造層205に開口部を形成する。本実施の形態では、第2の構造層205において、当該開口部を第1の犠牲層204の両端上方に設けるが、これに限定されない。即ち、犠牲層を除去することができるように、第2の構造層205に開口部を設ければよい。
Then, an opening is formed in the second
さらに、微小構造体が可動できるような形状に、第2の構造層205をパターニングする。本実施の形態では、櫛形となるように第2の構造層205をパターニングする(図8(A)参照)。これら第2の構造層205のパターニングは、同一工程にて行うことができる。
Further, the
第2の構造層205は櫛形以外に、ローターや歯車として機能する形状、又はスライダーとして機能する形状にパターニングすることができる。すなわち、第2の構造層205は、可動することができるようにパターニングすればよく、その構造に限定されるものではない。
In addition to the comb shape, the second
次に、第2の構造層205を覆い、開口部に充填するように第2の犠牲層206を形成する(図8(B)参照)。また第2の犠牲層206は、第1の犠牲層104と同様に作製することができる。第2の犠牲層206は、所定の形状となるようにパターニングする。本実施の形態では、第2の構造層205よりも小さくなるようにパターニングする。
Next, a second
その後、第2の犠牲層206および第2の構造層205を覆うように、第3の構造層207を形成する(図9(A)参照)。第3の構造層207は、所定の形状となるようにパターニングする。本実施の形態では、第2の犠牲層206の両端のみを覆い、矩形状となるように第3の構造層207をパターニングする。このような第3の構造層207は、金属を用いて結晶化された多結晶シリコン等や導電体といった導電性を有する材料から形成することができる。そして第3の構造層207は、第2の構造層205が可動するための電力を供給する電極として機能することができる。
After that, a third
次に、第1の犠牲層204、第2の犠牲層206をエッチングにより除去する(図9(B)参照))。第1の犠牲層204、第2の犠牲層206のエッチング条件等は、上記実施の形態を参照することができる。第1の犠牲層204及び第2の犠牲層206は同一工程で除去することができる。これら犠牲層が除去されると、空間が形成される。空間により、第2の構造層205は並進運動することができる。このようにして、可動することが可能な微小構造体208を形成することができる。
Next, the
空間により、第2の構造層205は、第1の構造層203や第3の構造層207から隔てられている。そして第3の構造層207に電圧を印加することにより、第2の構造層205固定されることなく、浮上した状態で駆動することができる。このように浮上した状態で駆動させることで、第2の構造層205が第1の構造層203と接触する面での摩擦を大幅に低減することができ、低電力での駆動が可能になる。また、摩耗による微小構造体の消耗を避けることができる。
The second
また、微小構造体208を静電力で可動させる場合、上記実施の形態と同様に、下地膜202の下に共通電極や制御電極等として使用することができる導電層を形成してもよい。そのため、図11(A)の下部電極構造を、本実施の形態の微小構造体に適用することができる。
In the case where the
また、下地膜102を積層構造にしている場合、上記実施の形態と同様に、下地膜202の間に下部電極を形成することもでき、図11(B)の下部電極構造を、本実施の形態の微小構造体に適用することができる。
Further, in the case where the
また上記実施の形態と同様に、微小構造体208を構成する層が、上面からみて角を有するパターンの場合、角の部分が丸みを帯びた形状にパターニングすることが好ましい。これは、後に除去される犠牲層104についても同様である。本実施の形態の微小構造体に、角の部分が丸みを帯びた形状を適用した上面図を図13に示す。角の部分に丸みを帯びることにより、ゴミの発生を抑え歩留まりを向上させることができる。
Similarly to the above embodiment, in the case where the layer included in the
また上記実施の形態と同様に、第1の構造層203上に、低摩擦層を形成することもできる。そのため、図6(A)(B)に示す低摩擦層111を有する構造を、本実施の形態の微小構造体に適用することができる。また第2の構造層205と第3の構造層207との間に、低摩擦層を設けてもよい。その結果、第1の構造層203と第2の構造層205、又は第2の構造層205と第3の構造層207とのの摩擦を低減することができる。また低摩擦層にDLC等の緻密な膜を用いる場合、微小構造体を保護する機能を高めることもできる。
Similarly to the above embodiment, a low friction layer can be formed on the first
このような可動する微小構造体を複数組み合わせることにより、多彩な機能を持つ微小構造体の作製が可能となる。 By combining a plurality of such movable microstructures, it is possible to manufacture microstructures having various functions.
また上記実施の形態と同様に、微小構造体208を構成する第1の構造層203、第2の構造層205、第3の構造層207の導電性を高めるため、金属を用いて結晶化されたシリコン層に当該金属を残すことができる。なお金属によって動作に不具合が生じる場合、当該金属を除去してもよい。金属元素の除去は、上記実施の形態と同様にゲッタリングシンクを用いることができる。
Similarly to the above embodiment mode, the first
また、微小構造体208を構成する第1の構造層203、第2の構造層205、第3の構造層207に含まれる金属を除去した場合であっても、微小構造体208を駆動させるにあたって微小構造体208を構成する第1の構造層203、第2の構造層205、及び第3の構造層207のいずれかに導電性が必要なとき、p型又はn型となる不純物元素を添加することができる。この不純物元素の添加は、半導体素子の不純物領域を形成する際の不純物元素の添加工程と同時に行うことができる。このような導電性を持たせた構造層は、静電力で制御する微小構造体の構成に好適である。
Further, even when the metal contained in the
なお、本実施の形態は上記実施の形態と自由に組み合わせて行うことができる。 Note that this embodiment mode can be freely combined with the above embodiment modes.
(実施の形態7)
本実施の形態では、本発明の微小構造体を有する微小電気機械式装置の構成例、およびその作製方法について図面を用いて説明する。
(Embodiment 7)
In this embodiment mode, a structural example of a microelectromechanical device including the microstructure of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to drawings.
本発明の微小構造体を有する微小電気機械式装置は、マイクロマシンの分野に属するものであり、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、メートル単位の大きさを有する場合もある。 The microelectromechanical device having the microstructure of the present invention belongs to the field of micromachines, and has a size of micrometer to millimeter. Further, when manufactured to be incorporated as a part of a certain mechanical device, it may have a metric size so that it can be easily handled during assembly.
まず図10に、本発明の微小構造体を有する微小電気機械式装置の概念図を示す。 First, FIG. 10 shows a conceptual diagram of a microelectromechanical device having the microstructure of the present invention.
本発明の微小電気機械式装置11は、半導体素子を有する電気回路部12、および微小構造体によって構成されている構造体部13と組み合わせて使用することができる。電気回路部12は、微小構造体を制御する制御回路14や、外部の制御装置10と通信を行うインターフェース15等を有する。また構造体部13は、微小構造体により、センサ16やアクチュエータ17、スイッチ等を有する。アクチュエータとは、信号(主に電気信号)を物理量に変換する構成要素である。
The microelectromechanical device 11 of the present invention can be used in combination with an electric circuit portion 12 having a semiconductor element and a structure portion 13 constituted by a microstructure. The electric circuit unit 12 includes a control circuit 14 that controls the microstructure, an interface 15 that communicates with the
また、電気回路部12は、構造体部13が得た情報を処理するための中央演算処理装置等を有することも可能である。 The electric circuit unit 12 can also include a central processing unit for processing information obtained by the structure unit 13.
外部の制御装置10は、微小電気機械式装置11を制御する信号を送信する、微小電気機械式装置11が得た情報を受信する、または微小電気機械式装置11に駆動電力を供給する等の動作を行う。
The
本発明の微小構造体を有する微小電気機械式装置は、上記構成例のみに限定されることはない。 The microelectromechanical device having the microstructure of the present invention is not limited to the above configuration example.
そして本発明はこのような回路を構成する半導体素子と、微小構造体とを同一基板上に一体形成することができる。一体形成することにより、回路等と微小構造体との接続不良を低減することができる。 According to the present invention, a semiconductor element constituting such a circuit and a microstructure can be formed integrally on the same substrate. By integrally forming, connection failure between a circuit or the like and a microstructure can be reduced.
なお従来、ミリメートル単位以下といった微小なものを扱う場合、微小な対象物の構造を拡大し、人間やコンピュータがその情報を得て情報処理および動作の決定を行い、そして、その動作を縮小して微小な対象物に伝えるというプロセスを必要としていた。しかし、本発明の微小構造体を有する半導体装置は、人間やコンピュータが上位概念的な命令を伝えるだけで、微小なものを扱うことが可能になる。すなわち、人間やコンピュータが目的を決定して命令を伝えると、微小構造体を有する半導体装置はセンサ等を用いて対象物の情報を得て情報処理を行い、行動を取ることができる。 Conventionally, when handling a minute object such as a millimeter or less, the structure of a minute object is enlarged, a human or a computer obtains the information to determine the information processing and operation, and the operation is reduced. It needed a process of communicating to minute objects. However, a semiconductor device having a microstructure according to the present invention can handle a minute device simply by a human or computer transmitting a high-level conceptual command. That is, when a human or a computer determines a purpose and transmits a command, a semiconductor device having a microstructure can obtain information on an object using a sensor or the like, perform information processing, and take an action.
上記例では、対象物が微小なものであると仮定した。これは例えば、対象物自体はメートル単位の大きさを有するが、その対象物から発せられる微小な信号(例えば、光や圧力の微小な変化)等を含むとしている。 In the above example, it is assumed that the object is very small. For example, the object itself has a size of a meter, but includes a minute signal (for example, a minute change in light or pressure) emitted from the object.
(実施の形態8)
本実施の形態では、上記したような微小構造体の利用形態について説明する。
(Embodiment 8)
In this embodiment mode, usage modes of the microstructure described above will be described.
図15には、歯車形状を有する微小構造体501と、歯に合わせて溝が設けられたスライダー形状502を有する微小構造体を示す。いずれの微小構造体も、絶縁基板上に形成することができる。
FIG. 15 shows a
歯車形状を有する微小構造体が静電力や電磁力により回動すると、それに合わせてスライダー形状を有する微小構造体が移動する。このように複数の微小構造体を組み合わせることによって、特定方向に可動させることができる。そして、これら微小構造体と一体形成された半導体素子により、微小構造体の移動距離等を制御することができる。 When the microstructure having a gear shape is rotated by electrostatic force or electromagnetic force, the microstructure having a slider shape is moved accordingly. In this manner, by combining a plurality of microstructures, it can be moved in a specific direction. The moving distance of the microstructure can be controlled by the semiconductor element integrally formed with the microstructure.
このような微小構造体及び半導体素子を有する半導体装置は、小さな細胞を扱うマニピュレータとして用いることができる。 A semiconductor device including such a microstructure and a semiconductor element can be used as a manipulator that handles small cells.
Claims (13)
前記シリコンを含む層をエッチングして、微小構造体の第1の層と、半導体素子の半導体層とを形成し、
前記シリコンを含む層上に、導電層を形成し、
前記導電層をエッチングして、前記微小構造体の第2の層と、前記半導体素子のゲート電極とを形成する微小電気機械式装置の作製方法であって、
前記微小構造体において、前記第2の層は回動自在な形状にエッチングされ、かつ前記第2の層の下方に空間を形成して、前記第2の層を前記絶縁表面に対して回動自在とさせ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 layer containing silicon on the insulating surface;
Etching the layer containing silicon to form a first layer of a microstructure and a semiconductor layer of a semiconductor element;
Forming a conductive layer on the silicon-containing layer;
A method of manufacturing a microelectromechanical device that etches the conductive layer to form a second layer of the microstructure and a gate electrode of the semiconductor element,
In the microstructure, the second layer is etched into a rotatable shape, and a space is formed below the second layer, and the second layer is rotated with respect to the insulating surface. A method for manufacturing a microelectromechanical device, characterized by being made freely.
前記シリコンを含む層をエッチングして、微小構造体の第1の層と、半導体素子の半導体層とを形成し、
前記シリコンを含む層上に、導電層を形成し、
前記導電層をエッチングして、前記微小構造体の第2の層と、前記半導体素子のゲート電極とを形成する微小電気機械式装置の作製方法であって、
前記微小構造体において、前記第2の層は回動自在な形状にエッチングされ、かつ前記第2の層の下方に形成された絶縁層を除去して、前記第2の層を前記絶縁表面に対して回動自在とさせる
ことを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。 Forming a layer containing silicon on the insulating surface;
Etching the layer containing silicon to form a first layer of a microstructure and a semiconductor layer of a semiconductor element;
Forming a conductive layer on the silicon-containing layer;
A method of manufacturing a microelectromechanical device that etches the conductive layer to form a second layer of the microstructure and a gate electrode of the semiconductor element,
In the microstructure, the second layer is etched into a rotatable shape, and the insulating layer formed below the second layer is removed, so that the second layer is formed on the insulating surface. A method for manufacturing a microelectromechanical device, characterized in that the device can be freely rotated.
前記シリコンを含む層をエッチングして、微小構造体の第1の層と、半導体素子の半導体層とを形成し、
前記シリコンを含む層上に犠牲層を形成し、
前記犠牲層上に導電層を形成し、
前記導電層をエッチングして、前記微小構造体の第2の層と、前記半導体素子のゲート電極とを形成する微小電気機械式装置の作製方法であって、
前記微小構造体において、前記第2の層は回動自在な形状にエッチングされ、かつ前記犠牲層を除去して、前記第2の層を前記絶縁表面に対して回動自在とさせる
ことを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。 Forming a layer containing silicon on the insulating surface;
Etching the layer containing silicon to form a first layer of a microstructure and a semiconductor layer of a semiconductor element;
Forming a sacrificial layer on the silicon-containing layer;
Forming a conductive layer on the sacrificial layer;
A method of manufacturing a microelectromechanical device that etches the conductive layer to form a second layer of the microstructure and a gate electrode of the semiconductor element,
In the microstructure, the second layer is etched into a rotatable shape, and the sacrificial layer is removed so that the second layer is rotatable with respect to the insulating surface. A method for manufacturing a microelectromechanical device.
前記結晶化には熱結晶化又はレーザ結晶化を用いることを特徴とする微小電気機械式装置の作製方法。 The conductive layer of the second layer according to any one of claims 1 to 9 , wherein the conductive layer includes a polycrystalline silicon layer crystallized using a metal.
A method for manufacturing a microelectromechanical device, wherein thermal crystallization or laser crystallization is used for the crystallization.
前記多結晶シリコン層は、前記金属を非晶質シリコン層の一部に塗布することによって、選択的に結晶化された多結晶シリコン層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。 The conductive layer of the second layer according to any one of claims 1 to 9 , wherein the conductive layer includes a polycrystalline silicon layer crystallized using a metal.
The method of manufacturing a microelectromechanical device, wherein the polycrystalline silicon layer is a polycrystalline silicon layer selectively crystallized by applying the metal to a part of an amorphous silicon layer. .
前記多結晶シリコン層は、レーザを非晶質シリコン層の一部に照射することによって、選択的に結晶化された多結晶シリコン層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。 The conductive layer of the second layer according to any one of claims 1 to 9 , wherein the conductive layer includes a polycrystalline silicon layer,
The method for manufacturing a microelectromechanical device, wherein the polycrystalline silicon layer is a polycrystalline silicon layer that is selectively crystallized by irradiating a part of the amorphous silicon layer with a laser.
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