JP2004106074A - Production method for hollow structure and production method for mems element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空構造体の製造方法、及びMEMS素子の製造方法に関する。より詳しくは中空構造体、またはMEMS素子製造の際の犠牲層エッチング工程に係わり、例えばXeF2 ガス等のエッチングガス導入に供されるガス導入孔のレイアウトに関する。
【0002】
【従来の技術】
微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン(MEMS:Micro Electro Mechanical System、超小型電気的・機械的複合体)素子、及びMEMS素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。
MEMS素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更に機械的に結合させた素子である。MEMS素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力等を応用して電気的に行われる。駆動体の駆動を電極間のクーロン引力によらず、磁気力や圧電効果などの他の手段で行う場合もMEMS素子に含まれる。
【0003】
図11A,Bは、所謂両持ち梁方式の静電駆動型のMEMS素子の概念構成を示す。このMEMS素子71は、基板72と、基板72上に形成した基板側電極73と、基板側電極73に対向して平行に配置された駆動側電極74を有する駆動体(いわゆるビーム)76と、この駆動体76の両端を支持する支持部77とを備えて成る。駆動体76と基板側電極73とは、その間の空間78によって電気的に絶縁されている。基板側電極73を含む基板72上に全面に絶縁膜81が形成され、この絶縁膜81に対向して駆動体76が配置される。駆動体76は、例えばシリコン窒化膜(SiN膜)等の絶縁膜75と、その上面に形成された膜厚100nm程度の例えばAl膜からなる駆動側電極74とから構成される。
【0004】
このMEMS素子71では、基板側電極73と駆動側電極74に印加する電位に応じて、駆動体76が基板側電極73との間の静電引力又は静電反発により変位し、例えば振動する。MEMS素子71は、駆動側電極74を光反射膜として表面に光が照射されたとき、ビーム6の駆動位置に応じて、その光の反射方向が異なることを利用し一方向の反射光を検出してスイッチ機能を持たせた、光スイッチとして適用できる。また、MEMS素子71は、光強度を変調させる光変調素子として適用できる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、MEMS素子において用いられる中空構造、即ち基板と駆動体間の空間(いわゆる中空部)が設けられる構造は、基板と駆動体間にその後除去されて空間となる部分に犠牲層を設け、駆動体を形成した後に、犠牲層を選択的にエッチング除去するようにして、形成することができる。
【0006】
MEMS素子の作製プロセスにおいて、駆動部分の作製に関わる犠牲層エッチングは、重要技術の1つである。犠牲層の種類には、酸化膜(SiO2 )、シリコン(Si)、有機膜などが使用され、それぞれのエッチング材料としては、フッ酸系の溶剤やフッ酸系のガス、アルカリ系の溶剤や、フッ素を含有するガス、有機溶剤や、酸素を含むガスなどが使用されている。
【0007】
シリコンを犠牲層材料として使用する場合、エッチング材料としては例えばXeF2 ガスを使用することができる。XeF2 ガスは、常温で白色固体の昇華性材料であり、シリコン犠牲層と各種酸化膜、金属、各種窒化膜等とのエッチング選択比が1000以上と非常に大きく得られる、という特徴を有していることが知られている。また、その反射速度は、室温状態においても、非常に大きく通常のMEMS素子に要するエッチングとしては一般に非常に短い。極端な例では、その反応性の大きさから、如何に選択比が大きいとはいえ、長時間のガスへの暴露が構造体にダメージを与えることすらあった。
【0008】
XeF2 ガスによるエッチング反応が上述の特徴を有するため、MEMS素子の作製プロセスでは、除去しようとする犠牲層のエッチング時間が、素子全域、あるいは基板(ウェハ)全域において出来るだけ等しいことが望ましい。また一般に、エッチングにより形成されるのは空洞構造である。従って、エッチングガスはガス導入孔を経由してエッチング端面に供給されるので、ガス導入孔の数が少な過ぎても良くなく、また、ガス導入孔の数が多過ぎても、構造体の強度が下がり曲がり易くなること、共振構造の設計の自由度を与えるだけで好ましくない。犠牲層領域について、偏ったエッチングが進行すると、エッチング工程の途中で構造体にストレスがかかり、工程中に構造破壊が起こる虞れもあった。
【0009】
このような課題は、MEMS素子の製造に限らず、中空構造体の製造の際にも起こり得る。
【0010】
本発明は、上述の点に鑑み、犠牲層のエッチング工程での時間短縮、エッチングガスの低消費量化、中空構造の安定化を可能にした、中空構造体の製造方法及びMEMS素子の製造方法を提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る中空構造体の製造方法は、基板上に犠牲層を囲うように形成した被覆部材に複数のガス導入孔を形成する工程と、ガス導入孔を通じてエッチングガスを供給し、犠牲層のみを選択的にエッチング除去して基板と被覆部材間に空洞を形成する工程を有し、複数のガス導入孔を、犠牲層の全域に対応して形成すると共に、少なくともガス導入孔の相互間の距離が等しくなるガス導入孔が全域で存在するように形成する。
【0012】
本発明に係るMEMS素子の製造方法は、基板上に形成した犠牲層の上面に駆動部材を形成し、駆動部材に複数のガス導入孔を形成する工程と、ガス導入孔を通じてエッチングガスを供給し、犠牲層のみを選択的にエッチング除去して基板と駆動部材間に空間を形成する工程を有し、複数のガス導入孔を、犠牲層の全域に対応して形成すると共に、少なくともガス導入孔の相互間の距離が等しくなるガス導入孔が全域で存在するように形成する。
【0013】
本発明では、上述のガス導入孔の相互間の最短距離を、犠牲層外側に最も近いガス導入孔と犠牲層外側との距離の2倍より大きくすることが好ましい。
また、犠牲層にシリコン材料または混合物を含むシリコン材料を使用し、エッチングガスにXeF2 ガスを使用することができる。
【0014】
本発明の中空構造体の製造方法においては、ガス導入孔のレイアウトとして、ガス導入孔を、犠牲層の全域に対応して形成すると共に、少なくともガス導入孔の相互間の距離が等しくなるガス導入孔が全域で存在するように(一部で相互間の距離が等しくないガス導入孔が存在してもよい)形成するので、エッチングむらなく犠牲層の全域をエッチング除去することができ、エッチング時間の短縮、エッチングガス消費量の低減等を図ることができる。
【0015】
本発明のMEMS素子の製造方法においては、ガス導入孔のレイアウトとして、ガス導入孔を、犠牲層の全域に対応して形成すると共に、少なくともガス導入孔の相互間の距離が等しくなるガス導入孔が全域で存在するように(一部で相互間の距離が等しくないガス導入孔が存在してもよい)形成するので、エッチングむらなく犠牲層の全域をエッチング除去することができ、エッチング時間の短縮、エッチングガス消費量の低減等を図ることができる。
【0016】
上述のガス導入孔の相互間の最短距離を、犠牲層外側に最も近いガス導入孔と犠牲層外側との距離の2倍より大きくすることにより、ガス導入孔からの新しいエッチングガスとエッチングで生じた反応生成物の交換速度が低下しエッチングできない状況(いわゆるエッチングの失活)は起こらず、犠牲層全域のエッチング除去が行える。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0018】
本発明は、エッチングガスを用いて犠牲層を選択除去する際のガス導入孔のレイアウト、エッチングの進行に関する詳細な検討を基に案出されたもので、犠牲層の除去プロセスに用いるエッチングガス、例えばXeF2 ガスに寄与するガス導入孔のレイアウトについて、最適な設計指針を提供する。
【0019】
図1は、本発明を導出するに到った実験に使用したエッチング装置1を示す。このエッチング装置1は、エッチングされるべき試料(ウェハ)2が配置される反応チャンバ3と、反応チャンバ3へエッチングガス、本例ではXeF2 結晶5を昇華して得たXeF2 ガス4を供給するためのガス供給部6と、マスフローコントローラ7とから成る。8は反応チャンバ3に設けられた排気部、9は真空ゲージ、10はシャワーヘッドである。
【0020】
図2Aは、試料2の要部を示す。この試料2は、本例では基板11の表面上に、順次シリコン酸化(SiO2 )膜12、シリコン酸化(SiO2 )膜による側壁13、この側壁13と面一となる犠牲層、本例では多結晶シリコン膜14が形成され、さらに犠牲層14及び側壁13を含む全面に、例えば駆動部となるシリコン酸化(SiO2 )膜15及びシリコン窒化(SiN)膜16の積層膜17形成されて成る。この積層膜17にエッチングガスであるXeF2 ガス4を導入するためのガス導入孔18が形成される。
この試料2が反応チャンバ3内に配置され、XeF2 ガス4が供給される。XeF2 ガス4はガス導入孔18から下層に供給され、犠牲層の多結晶シリコン膜14に拡散、浸入し、多結晶シリコン膜14と反応して多結晶シリコン膜14がエッチングされ、中空部となる空間(空洞ともいう)19が形成されるようになる。XeF2 ガス4と多結晶シリコン膜14との反応により生成された反応生成物(いわゆる反応生成ガス)は、ガス導入孔18から外部へ排出される。
【0021】
図3及び図4は、本発明を導出するに到った実験結果を示す図である。同図は試料を上面からみたガス導入孔18のレイアウトである。各図A、B,C,Dに示す試料21 、22 、23 、24 は、夫々ガス導入孔18の数が1つ(孤立孔)、2つ、4つ、8つで構成される。そして、図3及び図4は、この4種類の試料21 、22 、23 、24 、即ちガス導入孔18のパターンについて、エッチング時のエッチングされた先端、いわゆるエッチフロント20の動きを観察したものである。22は目盛りを示す。図3は3分間エッチングした後の結果、図4は12分エッチングした後の結果である。なお、犠牲層14が形成されている領域の両側壁13間の距離は100μm、図3C及びず4Cに示すガス導入孔18を4つ設けた場合のガス導入孔間の距離は24μm、図3D及びず4Dに示すガス導入孔18を8つ設けた場合のガス導入孔間の距離は10μmとした。ガス導入孔18の数が多いテストパターン程、エッチフロント20の移動量が大きく観察されて、あたかもエッチング速度が大きいかのような感触を与える。即ち、ガス導入孔が1つの試料21 ではエッチフロント長L1 、ガス導入孔が2つの試料22 ではエッチフロント長L2 (=L1 )、ガス導入孔が4つの試料23 ではエッチフロント長L3 、ガス導入孔が8つの試料24 ではエッチフロント長L4 (L1 =L2 <L3 <L4 )となる。
【0022】
この検証で示した犠牲層である多結晶シリコン膜14の膜厚t1 は100nmである。XeF2 ガス4による多結晶シリコン膜14のエッチング速度は、等方的に1〜2μm/分を得ることができる。即ち、この試料2〔21 、22 、23 、24 〕では、犠牲層である多結晶シリコン膜14の膜厚t1 (図2A参照)が反応速度(即ち、エッチング速度)と比較して十分小さいので、図2Bに示すエッチフロント長L0 だけを考慮すればよい。このような反応系では、この現象をエッチフロント長L0 だけを考慮に入れることで容易に理解することができる。
【0023】
即ち、
2XeF2 +si → SiF4 ↑ + 2Xe
という反応が、図2に示すように、空洞19内に拡散したXeF2 ガス4と空洞端(エッチフロントに対応する)19aのSiとの間で進行する。空洞19の上面と下面はシリコン酸化(SiO2 )膜であるので、上面、下面でのエッチング速度は殆ど無視できる大きさである。従って、このときのエッチフロント20の進行は、空洞19内へのXeF2 ガス4の拡散の供給律速の反応系である。
【0024】
図5は、このような状況を4種類のガス導入孔のレイアウト、即ち4種類の試料2〔21 、22 、23 、24 〕について実測し、そのエッチフロント20の挙動のシミュレーション結果でフィッティングしたグラフである。曲線aは試料21 、曲線bは試料22 、曲線cは試料23 、曲線dは試料24 を夫々示す。実質的に犠牲層のエッチング開始時間は、自然酸化膜が除去された後である。上記の4種類のレイアウトに依存するエッチフロントの挙動が計算結果と一致している。
【0025】
犠牲層領域は、図2で示したように側壁13がシリコン酸化膜13で覆われている。このような状況では、XeF2 ガス4は、側壁13でエッチング反応を失う(いわゆる失活する)ことなく、ガス導入孔18を介して側壁13とは反対方向のエッチングに寄与する。即ち、このようなガス導入孔18のパターン群では、上面からから眺めた犠牲層除去領域(空洞)19の面積が、全てのレイアウトで等しくなっていることを、本実験の結果は示唆している。このような状況は、反応チャンバ3内のXeF2 ガス4の圧力範囲が1Pa〜100Paの範囲で再現される事を確認した。
【0026】
この実験結果に基づき、本実施の形態においては、図7A,B,Cに示すような設計指針、即ち、ガス導入孔のパターンレイアウトを得た。
▲1▼ガス導入孔18は出来る限り等しい距離で配置する。つまり、複数のガス導入孔を犠牲層の全域に対応して形成すると共に、少なくともガス導入孔の相互間の距離が等しくなるガス導入孔が全域で存在するように形成する。一部でガス導入孔の相互間の距離が等しくないガス導入孔が存在しもよいが、好ましくは全ての相互間距離が等しくする。これによって犠牲層領域のエッチングむらを無くす。
▲2▼その場合の、隣合うガス導入孔18の間隔Xは、空洞19内でのXeF2 ガス4の失活が起こらない範囲で長いのは問題ないが、プロセス時間(いわゆるエッチング時間)が長くなるか否か、また中空構造体が空洞19を支える強度を有するか否かを留意する必要がある。
▲3▼間隔Xがあまり長いとプロセス時間が長くなり、処理時間が生産技術として許容できなくなる可能性もある。
【0027】
図6は、犠牲層14のエッチングの進行を比較した実験例である。図6Aは、犠牲層14の紙面の下側と両側に側壁13を有し、犠牲層に対するエッチングが上側のみに進行する試料である。図6Bは、犠牲層14の紙面の両側に側壁13形成され、犠牲層に対するエッチングが上側及び下側に進行する試料である。各試料のガス導入孔18は8つ設けたレイアウトであり、いずれも15分エッチングした。紙面の上側に進行したエッチフロントの長さL4 は、いずれも同じであることが確認された。
【0028】
図6に示したテストパターンでは、隣合うガス導入孔間の距離Xが10μmを越えるときには、空洞19内での失活が顕在化してくることを確認している。
図6Aと図6Bの試料を比較した場合、両者に失活がなければ、図6Bのエッチフロント20よりも図6Aのエッチフロント20のほうが先に進むはずである。しかし、実際には図示するように同じ距離だけ進んでいる。この理由は次のように考えられる。図6Aの試料では、ガス導入孔18から導入され図の下方に進んだXeF2 分子が失活しなければ、上方に転じて進み、図6Aのエッチフロント20のエッチングに参加し、図6Bの試料の上方エッチフロント20よりもエッチングされる筈である。しかし、両者のエッチングフロント長が同じであることから、図6Aにおいて、XeF2 ▲2▼のルートをとった分子がエッチフロント20のエッチングに参加しておらず、失活していると考えられる。図6Bの試料では、XeF2 ▲1▼のルートの分子が図の上方のエッチングで消費され、XeF2 ▲2▼のルートの分子が図の下方のエッチングで消費される。
【0029】
この結果から、本実施の形態においては、次の設計指針、即ちガス導入孔のパターンレイアウトが発現される。図7に示すように、犠牲層外側、いわゆる側壁13から、ガス導入孔18間の距離Xの1/2より短い距離Y(X>2Y)にガス導入孔18が存在する必要がある。換言すれば、ガス導入孔の相互間の最短距離Xを、側壁13に最も近いガス導入孔と犠牲層外側との距離Yの2倍よりも大きくする。この距離Yは、ガス導入孔18間の距離Xの1/2と等しい必要はなく、それより短ければよい。その理由は、上述したように犠牲層14をエッチングして得られた空洞19の側壁13がシリコン酸化膜13であれば、失活せずにXeF2 ガスが活用されるからである。つまり、空洞19の側壁13付近に反応生成物が生じ、距離Yが遠くなると、反応生成物と新しいXeF2 ガスとの交換速度が落ち、XeF2 ガスの失活が起こる。距離Xについても同様である。
【0030】
本実施の形態においては、MEMS素子の製造に際し、犠牲層の上面に積層して形成された耐エッチング部材である駆動部材に開口されたガス導入孔を介して、エッチングガスを導入して犠牲層層をエッチング除去する工程において、ガス導入孔のレイアウトを、ガス導入孔の相互間の間隔が出来るだけ等しくなるように配置し、かつ犠牲層領域の外側からガス導入孔までの距離についても上記した制約条件を有するようにして、最適化する。このガス導入孔の最適配置におけるガス導入孔間の最短距離は、犠牲層外側(側壁)に最も近いガス導入孔と側壁との距離の2倍より大きくレイアウトするようになす。
【0031】
上述の実施の形態は、ガス導入孔18のレイアウトを2次元でのみ説明した。これは、いわゆるサーフェイスMEMS素子で使用されるものである。本発明で説明したガス導入孔のレイアウト手法は、いわゆるバルクMEMS素子についても同様に適用することができる。
例えば、図8に示したような立体構造31に関しても、構造を支える梁の部分32がシリコン酸化(SiO2 )膜である場合には、この部分32を図2、図3での側壁13と同様に扱うことで、ガス導入孔34の最適のレイアウトを得ることができる。この場合は、等方的なエッチング形状は円としてでなく、球として捉えることで、計算量は多くなるが同様の最適配置を得ることができる。
【0032】
上例では、MEMS素子の製造に適用したが、その他、いわゆる中空構造体の製造方法にも本発明は適用できる。
【0033】
図9は、本発明の中空構造体の製造方法に一実施の形態を示す。
先ず、図9Aに示すように、所要の基板41上に犠牲層42を堆積し、この犠牲層42を囲うように上部薄膜層43を堆積する。犠牲層42は所要のエッチングガスで除去可能な材料で形成される。本例では多結晶シリコンで犠牲層42を形成する。犠牲層42外周に位置する上部薄膜層43の支持部分43aが前述の側壁に対応する。
次に、図9Bに示すように、上部薄膜層43に前述したレイアウト条件で複数のガス導入孔44を形成する。このガス導入孔44を通じて所要のエッチングガス45を供給し、犠牲層42をエッチングする。本例ではエッチングをXeF2 ガスを使用する。
このエッチングでは犠牲層42の全域でエッチング時間が同じになり、、図9Cに示すように、犠牲層42が除去されて基板41と上部薄膜層43間に微小間隔の中空部46を有する微細中空構造体47を得る。
【0034】
本実施の形態に係る微細中空構造体47の製造方法によれば、犠牲層42の全域でエッチング速度が同じになり均一に犠牲層42の除去が行える。ガス導入孔44の数を最適にするので、上部薄膜層43の強度も維持できる。従って、信頼性の高いこの種の微細中空構造体を製造できる。
【0035】
図10は、本発明のMEMS素子の製造方法を静電駆動型のMEMS素子の製造に適用した一実施の形態を示す。
先ず、図10Aに示すように、基板51上に基板側電極52を形成し、この基板側電極52上に絶縁膜、例えばシリコン窒化膜(SiN膜)53を堆積する。基板側電極52上に絶縁膜を形成しない場合もあり得る。基板51は、例えばシリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)等の半導体基板上に絶縁膜を形成した基板や、ガラス基板のような絶縁性基板等所要の基板を用いることができる。本例ではシリコン基板54上にシリコン酸化膜等による絶縁膜55を形成して基板51を形成している。基板側電極52は不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜等で形成され、本例では不純物ドープの多結晶シリコン膜で形成する。次いで、絶縁膜53上に例えば多結晶シリコン膜による犠牲層56を選択的に形成し、犠牲層56の両側に支持部となる例えばシリコン酸化膜による絶縁膜57を形成する。この犠牲層56及び絶縁膜57上の全面に絶縁膜、例えばシリコン窒化膜(SiN膜)58を形成し、このシリコン窒化膜58上に例えばアルミニウム等の金属からなる駆動側電極59を形成し、シリコン窒化膜58と駆動側電極59による駆動部材(いわゆるビーム)60を形成する。
【0036】
次に、図10Bに示すように、駆動部材60に前述と同様のレイアウト条件で複数のガス導入孔61を形成する。このガス導入孔61を通じて犠牲層56をエッチングし得るガス、本例ではXeF2 ガス62を供給し、犠牲層である多結晶シリコン膜56をエッチングする。
このエッチングにより図10Cに示すように、犠牲層56が選択的に除去されて基板51と駆動部材60間に微小空間62が形成された静電駆動型のMEMS素子63を得る。
【0037】
本実施の形態に係るMEMS素子の製造方法によれば、犠牲層56の全域でエッチング速度が同じになり均一に犠牲層60の除去が行える。ガス導入孔61の数を最適にするので、駆動部材60の強度も維持できる。従って、信頼性の高いこの種のMEMS素子を製造できる。
【0038】
上例では、犠牲層として多結晶シリコンを使用したが、その他、使用するCVD装置により、例えば混合物、つまり所要の導電型不純物を含む多結晶シリコンを堆積して、これを犠牲層として使用することもできる。
【0039】
上例では、静電駆動型のMEMS素子の製造に適用したが、その他、基板側電極、駆動側電極を設けないで、所要の手段により駆動部材を駆動できるようにしたMEMS素子の製造にも本発明方法は適用できる。
【0040】
【発明の効果】
本発明によれば、等方的なエッチングが進行する犠牲層のエッチングに関して、最適なガス導入孔のレイアウトを上述した条件で設定するこにより、プロセス時間(エッチング時間)の短縮、ガス導入孔の低消費量化、MEMS構造あるいは中空構造の安定化を達成することができる。従って、信頼性の高いMEMS素子、中空構造体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る試料を得るのに用いたエッチング装置の概略図である。
【図2】A 本発明に係る試料の要部の断面図である。
B 本発明に係る試料の要部の平面図である。
【図3】A〜D 夫々本発明に係る試料の犠牲層のエッチング状虚を観察した比較図である。
【図4】A〜D 夫々本発明に係る試料の犠牲層のエッチング状況を観察した比較図である。
【図5】本発明に係る4種類の試料における犠牲層のエッチング時間とエッチフロント長の関係を示すグラフである。
【図6】A,B 本発明の説明に供する犠牲層のエッチング状況を観察した比較図である。
【図7】A〜C 本発明に係るガス導入孔のパターンレイアウトの例を示す平面図である。
【図8】本発明に係る立体構造におけるガス導入孔のパターンレイアウトを示す斜視図である。
【図9】A〜C 本発明の中空構造体の製造方法の一実施の形態を示す工程図である。
【図10】A〜C 本発明のMEMS素子の製造方法の一実施の形態を示す工程図である。
【図11】A 静電駆動型のMEMS素子の一例を示す断面図である。
B その平面図である。
【符号の説明】
1・・・エッチング装置、2〔21 、22 、23 、24 〕・・・試料、4・・・XeF2 ガス、11・・・基板、12、15・・・シリコン酸化膜、13・・・側壁、14・・・犠牲層、16・・・シリコン窒化膜、17・・・積層膜、18・・・ガス導入孔、19・・・空間(空洞)、20・・・エッチフロント、31・・・立体構造、32・・・梁の部分、34・・・ガス導入孔、41・・・基板、42・・・犠牲層、43・・・上部薄膜層、44・・・ガス導入孔、45・・・エッチングガス、46・・・中空部、47・・・微細中空構造体、51・・・基板、52・・・基板側電極、53・・・絶縁膜、56・・・犠牲層、57・・・支持部、58・・・絶縁膜、59・・・駆動側電極、60・・・駆動部材、61・・・ガス導入孔、62・・・エッチングガス、62・・・微小空間、63・・・静電駆動型のMEMS素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a hollow structure and a method for manufacturing a MEMS element. More specifically, the present invention relates to a sacrifice layer etching step in manufacturing a hollow structure or a MEMS element, and relates to a layout of gas introduction holes provided for introducing an etching gas such as XeF 2 gas.
[0002]
[Prior art]
With the development of microtechnology, a so-called micromachine (MEMS: Micro Electro Mechanical System) element and a small device incorporating a MEMS element have been receiving attention.
The MEMS element is formed as a fine structure on a substrate such as a silicon substrate or a glass substrate, and electrically and mechanically controls a driving body that outputs a mechanical driving force and a semiconductor integrated circuit that controls the driving body. This is an element coupled to. The basic feature of the MEMS element is that a driver configured as a mechanical structure is incorporated in a part of the element, and the driver is driven by applying Coulomb attraction between electrodes and the like. It is done electrically. The case where the driving body is driven by another means such as a magnetic force or a piezoelectric effect without depending on the Coulomb attraction between the electrodes is also included in the MEMS element.
[0003]
11A and 11B show a conceptual configuration of a so-called double-supported beam type electrostatic drive type MEMS element. The
[0004]
In the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, a hollow structure used in a MEMS element, that is, a structure in which a space (a so-called hollow portion) between a substrate and a driver is provided, a sacrifice layer is provided between the substrate and the driver in a portion which is subsequently removed to form a space, and After the body is formed, the sacrificial layer can be formed by selectively etching away.
[0006]
In the fabrication process of the MEMS device, sacrificial layer etching related to fabrication of a driving portion is one of important technologies. As the type of the sacrificial layer, an oxide film (SiO 2 ), silicon (Si), an organic film, or the like is used. As each etching material, a hydrofluoric acid-based solvent, a hydrofluoric acid-based gas, an alkali-based solvent, or the like is used. A gas containing fluorine, an organic solvent, a gas containing oxygen, and the like are used.
[0007]
When silicon is used as the sacrificial layer material, for example, XeF 2 gas can be used as the etching material. XeF 2 gas is a sublimable material that is a white solid at room temperature, and has a feature that an etching selectivity between a silicon sacrificial layer and various oxide films, metals, various nitride films, and the like can be obtained as very large as 1000 or more. It is known that Further, its reflection speed is very large even at room temperature, and is generally very short for etching required for a normal MEMS element. In extreme cases, prolonged exposure to gas could even damage the structure, no matter how high the selectivity, due to its high reactivity.
[0008]
Since the etching reaction by the XeF 2 gas has the above-described characteristics, it is desirable that the etching time of the sacrificial layer to be removed is as equal as possible over the entire device or the entire substrate (wafer) in the manufacturing process of the MEMS device. Generally, a hollow structure is formed by etching. Therefore, since the etching gas is supplied to the etching end face via the gas introduction holes, the number of the gas introduction holes may not be too small, and even if the number of the gas introduction holes is too large, the strength of the structure may be reduced. And it is not preferable because it merely gives a degree of freedom in designing the resonance structure. When uneven etching proceeds in the sacrificial layer region, stress is applied to the structure in the middle of the etching process, and there is a concern that structural destruction may occur during the process.
[0009]
Such a problem can occur not only in the manufacture of the MEMS element but also in the manufacture of the hollow structure.
[0010]
In view of the above, the present invention provides a method for manufacturing a hollow structure and a method for manufacturing a MEMS element, which can reduce the time in the etching step of the sacrificial layer, reduce the consumption of etching gas, and stabilize the hollow structure. To provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The method of manufacturing a hollow structure according to the present invention includes the steps of: forming a plurality of gas introduction holes in a covering member formed so as to surround a sacrificial layer on a substrate; supplying an etching gas through the gas introduction holes; Selectively etching away to form a cavity between the substrate and the covering member, forming a plurality of gas introduction holes corresponding to the entire area of the sacrificial layer, at least between the gas introduction holes The gas introduction holes having the same distance are formed so as to be present in the entire region.
[0012]
A method of manufacturing a MEMS device according to the present invention includes a step of forming a driving member on an upper surface of a sacrificial layer formed on a substrate, forming a plurality of gas introduction holes in the driving member, and supplying an etching gas through the gas introduction hole. Forming a space between the substrate and the driving member by selectively etching away only the sacrifice layer, forming a plurality of gas introduction holes corresponding to the entire area of the sacrifice layer, Are formed so that the gas introduction holes having the same distance therebetween exist in the entire region.
[0013]
In the present invention, it is preferable that the shortest distance between the gas introduction holes is larger than twice the distance between the gas introduction hole closest to the outside of the sacrifice layer and the outside of the sacrifice layer.
Further, a silicon material or a silicon material containing a mixture can be used for the sacrificial layer, and XeF 2 gas can be used for the etching gas.
[0014]
In the method for manufacturing a hollow structure according to the present invention, as a layout of gas introduction holes, the gas introduction holes are formed so as to correspond to the entire area of the sacrificial layer, and at least the distance between the gas introduction holes is equal. Since the holes are formed so as to be present in the whole area (a part of the gas introduction holes may be unequal in distance), the entire area of the sacrificial layer can be removed by etching without uneven etching, and the etching time can be increased. And the amount of etching gas consumed can be reduced.
[0015]
In the manufacturing method of the MEMS element according to the present invention, the gas introduction holes are formed so as to correspond to the entire area of the sacrificial layer, and the gas introduction holes are arranged so that at least the distance between the gas introduction holes is equal. Is formed so as to be present in the entire area (there may be gas introduction holes in which the distance between the parts is not equal), so that the entire area of the sacrificial layer can be removed by etching without unevenness in etching, and the etching time can be reduced. It is possible to achieve shortening, reduction in consumption of etching gas, and the like.
[0016]
By making the shortest distance between the above-mentioned gas introduction holes more than twice the distance between the gas introduction hole closest to the outside of the sacrifice layer and the outside of the sacrifice layer, a new etching gas from the gas introduction hole and the etching occur. The situation where the exchange rate of the reaction product is lowered and etching cannot be performed (so-called deactivation of etching) does not occur, and the entire sacrificial layer can be removed by etching.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
The present invention has been devised based on a detailed study on the layout of gas introduction holes when etching a sacrificial layer selectively using an etching gas and the progress of etching, and an etching gas used for a sacrificial layer removing process. For example, an optimal design guide is provided for a layout of gas introduction holes that contribute to the XeF 2 gas.
[0019]
FIG. 1 shows an
[0020]
FIG. 2A shows a main part of
The
[0021]
FIG. 3 and FIG. 4 are diagrams showing experimental results for deriving the present invention. FIG. 3 shows a layout of gas introduction holes 18 when the sample is viewed from above. Each Figure A, B, C,
[0022]
Thickness t 1 of the verification is a sacrificial layer shown in
[0023]
That is,
2XeF 2 + si → SiF 4 ↑ + 2Xe
As shown in FIG. 2, the reaction proceeds between the XeF 2 gas 4 diffused in the
[0024]
FIG. 5 shows such a situation by actually measuring the layout of four types of gas introduction holes, that is, four types of samples 2 [2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 4 ], and simulating the behavior of the
[0025]
In the sacrificial layer region, the
[0026]
Based on the experimental results, in the present embodiment, design guidelines as shown in FIGS. 7A, 7B, and 7C, that is, a pattern layout of gas introduction holes were obtained.
{Circle around (1)} The gas introduction holes 18 are arranged at equal distances as much as possible. That is, a plurality of gas introduction holes are formed corresponding to the entire region of the sacrificial layer, and the gas introduction holes are formed so that at least the distance between the gas introduction holes is equal in the entire region. There may be some gas introduction holes in which the distance between the gas introduction holes is not equal, but preferably all the distances between them are equal. This eliminates uneven etching in the sacrificial layer region.
{Circle around (2)} In this case, the interval X between the adjacent gas introduction holes 18 may be long as long as the deactivation of the XeF 2 gas 4 in the
{Circle around (3)} When the interval X is too long, the process time becomes long, and the processing time may not be acceptable as a production technology.
[0027]
FIG. 6 is an experimental example comparing the progress of etching of the
[0028]
The test pattern shown in FIG. 6 confirms that when the distance X between adjacent gas introduction holes exceeds 10 μm, deactivation in the
6A and 6B, the
[0029]
From this result, in the present embodiment, the following design guideline, that is, the pattern layout of the gas introduction holes is expressed. As shown in FIG. 7, the gas introduction holes 18 need to be present at a distance Y (X> 2Y) shorter than half the distance X between the gas introduction holes 18 from the outside of the sacrificial layer, that is, the so-called
[0030]
In the present embodiment, in manufacturing the MEMS element, an etching gas is introduced through a gas introduction hole opened in a driving member, which is an etching-resistant member formed by being stacked on the upper surface of the sacrificial layer, and the sacrificial layer is formed. In the step of removing the layer by etching, the layout of the gas introduction holes was arranged such that the intervals between the gas introduction holes were as equal as possible, and the distance from the outside of the sacrificial layer region to the gas introduction holes was also described above. Optimize with constraints. The shortest distance between the gas introduction holes in the optimal arrangement of the gas introduction holes is set to be larger than twice the distance between the gas introduction hole and the side wall closest to the outside (side wall) of the sacrificial layer.
[0031]
In the above-described embodiment, the layout of the gas introduction holes 18 has been described only in two dimensions. This is used in so-called surface MEMS devices. The layout method of the gas introduction holes described in the present invention can be similarly applied to a so-called bulk MEMS element.
For example, with regard to the three-
[0032]
In the above example, the present invention is applied to the manufacture of the MEMS element, but the present invention can be applied to a method of manufacturing a so-called hollow structure.
[0033]
FIG. 9 shows an embodiment of the method for manufacturing a hollow structure according to the present invention.
First, as shown in FIG. 9A, a
Next, as shown in FIG. 9B, a plurality of gas introduction holes 44 are formed in the upper
In this etching, the etching time is the same in the entire area of the
[0034]
According to the method of manufacturing the
[0035]
FIG. 10 shows an embodiment in which the method of manufacturing a MEMS device of the present invention is applied to the manufacture of an electrostatic drive type MEMS device.
First, as shown in FIG. 10A, a substrate-
[0036]
Next, as shown in FIG. 10B, a plurality of gas introduction holes 61 are formed in the driving
By this etching, as shown in FIG. 10C, the
[0037]
According to the method of manufacturing the MEMS device according to the present embodiment, the etching rate is the same over the entire area of the
[0038]
In the above example, polycrystalline silicon was used as the sacrifice layer. Alternatively, for example, a mixture, that is, polycrystalline silicon containing the required conductivity-type impurity is deposited by the used CVD apparatus, and this is used as the sacrifice layer. You can also.
[0039]
In the above example, the present invention is applied to the manufacture of an electrostatic drive type MEMS element. However, the present invention is also applicable to the manufacture of a MEMS element in which a drive member can be driven by required means without providing a substrate side electrode and a drive side electrode. The method of the present invention is applicable.
[0040]
【The invention's effect】
According to the present invention, with respect to the etching of the sacrificial layer in which the isotropic etching proceeds, the process time (etching time) can be reduced and the gas introduction hole can be shortened by setting the optimum layout of the gas introduction holes under the above-described conditions. Low consumption and stabilization of the MEMS structure or hollow structure can be achieved. Therefore, a highly reliable MEMS element and hollow structure can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an etching apparatus used to obtain a sample according to the present invention.
FIG. 2A is a sectional view of a main part of a sample according to the present invention.
B is a plan view of a main part of the sample according to the present invention.
FIGS. 3A to 3D are comparative diagrams each showing the etching state of the sacrificial layer of the sample according to the present invention.
FIGS. 4A to 4D are comparative diagrams each showing the state of etching of a sacrifice layer of a sample according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between an etching time of a sacrificial layer and an etch front length in four types of samples according to the present invention.
FIGS. 6A and 6B are comparison diagrams for observing an etching state of a sacrifice layer for explaining the present invention.
7A to 7C are plan views illustrating examples of a pattern layout of gas introduction holes according to the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a pattern layout of gas introduction holes in the three-dimensional structure according to the present invention.
9A to 9C are process diagrams showing one embodiment of the method for producing a hollow structure of the present invention.
10A to 10C are process diagrams showing one embodiment of a method for manufacturing a MEMS device of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of an A electrostatic drive type MEMS element.
B is a plan view thereof.
[Explanation of symbols]
1 ... etching apparatus, 2 [2 1, 2 2, 2 3, 2 4] .. sample, 4 ... XeF 2 gas, 11 ... substrate, 12, 15 ... silicon oxide film, 13 ... side wall, 14 ... sacrifice layer, 16 ... silicon nitride film, 17 ... laminated film, 18 ... gas introduction hole, 19 ... space (cavity), 20 ... etch Front, 31: three-dimensional structure, 32: beam part, 34: gas introduction hole, 41: substrate, 42: sacrificial layer, 43: upper thin film layer, 44 ... Gas introduction hole, 45 etching gas, 46 hollow part, 47 fine hollow structure, 51 substrate, 52 substrate electrode, 53 insulating film, 56 ..Sacrifice layer, 57 ... Support, 58 ... Insulating film, 59 ... Drive electrode, 60 ... Drive member, 61 ... Gas Entry apertures, 62 ... an etching gas, 62 ... minute space, 63 ... electrostatic drive type MEMS device
Claims (6)
前記ガス導入孔を通じてエッチングガスを供給し、前記犠牲層のみを選択的にエッチング除去して前記基板と前記被覆部材間に空洞を形成する工程を有し、
前記複数のガス導入孔を、前記犠牲層の全域に対応して形成すると共に、少なくとも該ガス導入孔の相互間の距離が等しくなるガス導入孔が全域で存在するように形成する
ことを特徴とする中空構造体の製造方法。Forming a plurality of gas introduction holes in the covering member formed so as to surround the sacrificial layer on the substrate,
Supplying an etching gas through the gas introduction hole, selectively removing only the sacrificial layer by etching to form a cavity between the substrate and the covering member,
The plurality of gas introduction holes are formed so as to correspond to the entire region of the sacrificial layer, and are formed so that at least the gas introduction holes having the same distance between the gas introduction holes are present in the entire region. Method for producing a hollow structure.
ことを特徴とする請求項1記載の中空構造体の製造方法。2. The hollow structure according to claim 1, wherein the shortest distance between the gas introduction holes is larger than twice the distance between the gas introduction hole closest to the outside of the sacrifice layer and the outside of the sacrifice layer. Production method.
ことを特徴とする請求項1又は2記載の中空構造体の製造方法。The sacrificial layer using silicon materials including silicon material or mixtures, The process according to claim 1 or 2 hollow structure wherein the use of XeF 2 gas to the etching gas.
前記ガス導入孔を通じてエッチングガスを供給し、前記犠牲層のみを選択的にエッチング除去して前記基板と前記駆動部材間に空間を形成する工程を有し、
前記複数のガス導入孔を、前記犠牲層の全域に対応して形成すると共に、少なくとも該ガス導入孔の相互間の距離が等しくなるガス導入孔が全域で存在するように形成する
ことを特徴とするMEMS素子の製造方法。Forming a driving member on the upper surface of the sacrificial layer formed on the substrate, and forming a plurality of gas introduction holes in the driving member;
Supplying an etching gas through the gas introduction hole, selectively removing only the sacrificial layer by etching to form a space between the substrate and the driving member,
The plurality of gas introduction holes are formed so as to correspond to the entire region of the sacrificial layer, and are formed so that at least the gas introduction holes having the same distance between the gas introduction holes are present in the entire region. A method of manufacturing a MEMS device.
ことを特徴とする請求項4記載のMEMS素子の製造方法。5. The MEMS device according to claim 4, wherein the shortest distance between the gas introduction holes is larger than twice the distance between the gas introduction hole closest to the outside of the sacrifice layer and the outside of the sacrifice layer. Method.
ことを特徴とする請求項4又は5記載のMEMS素子の製造方法。Using silicon materials including silicon material or mixture to the sacrificial layer, the manufacturing method of the MEMS device according to claim 4 or 5, wherein the use of XeF 2 gas to the etching gas.
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