JP2004133214A

JP2004133214A - Ｍｅｍｓ素子の製造方法

Info

Publication number: JP2004133214A
Application number: JP2002297854A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Ishii; 石井　仁; Tomomi Sakata; 阪田　知巳; Katsuyuki Machida; 町田　克之; Yasuyuki Tanabe; 田辺　泰之
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】可動構造体の可動部に、これを破損することなく、有機樹脂からなる保護膜が形成できるようにする。
【解決手段】スクリーン２０１とＳＯＩ基板３０１とを所定の間隔となるまで近づかせて固定した後、スキージ２０４によりスクリーン２０１の内面を加圧摺動し、ポリイミド樹脂２０３の一部を、版膜２０２の開口部内に露出しているスクリーン２０１の目を通過させ、ＳＯＩ基板３０１の開口部３１１内のミラー部１３１，可動枠１３２，および枠１３０の一部に渡って、保護膜３０４が形成する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチングを利用する通信，計測，ディスプレイ等に使用されるＭＥＭＳ素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜形成技術やフォトリソグラフィ技術を基本にしてエッチングすることなどで立体的に微細加工を行うマイクロマシン技術を利用して作製された、ＭＥＭＳ素子がある。このＭＥＭＳ素子には、例えば、固定構造体と可動する反射構造体とから構成された光スイッチ素子などがある。反射構造体は、支持材と可動部材を有し、可動部材が、トーションバネなどのバネ部材によって支持部材に接続されている。
【０００３】
このように構成された光スイッチ素子は、固定構造体と可動する反射構造体との間に働く引力、あるいは反発力によって反射構造体が可動することで光路を切り替えるスイッチング動作を行う。例えば、固定構造体と反射構造体とに各々電極を設け、これらの電極に電荷を誘導し、これらの電荷にクーロン力を作用させることで、反射構造体を可動させることができる。
【０００４】
このような光スイッチ素子は、反射構造体と固定構造体を個別に作製した後、各々を接合させることで製造することができる。
図３は、各々個別に作製した反射構造体と固定構造体とを、接合させる工程を模式的に示す概略的な断面図（ａ）と反射構造体を示す平面図（ｂ）である。図３に示すミラー素子について説明すると、まず、例えば、シリコンからなる半導体基板１０１を備え、半導体基板１０１には、複数の素子から構成された集積回路（図示せず）が形成されている。集積回路の上には、層間絶縁膜１０２が形成されている。
【０００５】
層間絶縁膜１０２上には、更に配線層１０４，層間絶縁膜１０５が形成されている。また、半導体基板１０１の上には、絶縁膜１０２，１０５を介して支持部材１２０が固定されている。この支持部材１２０により反射構造体であるミラー構造体１０３を支持する。例えば、支持部材１２０は、金などの導電材料から構成され、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールを通じ、層間絶縁膜１０２上に形成された所定の配線層１０４に電気的に接続されている。
【０００６】
また、支持部材１２０に囲われた領域の半導体基板１０１上には、絶縁膜１０２，１０５を介してミラー部１３１の回動動作を制御するための制御電極部１４０が形成されている。制御電極部１４０は、金などの導電材料から構成され、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールを通し、層間絶縁膜１０２上に形成された所定の配線層１０４に電気的に接続されている。
また、半導体基板１０１に形成されている図示していない集積回路の一部として、制御回路１５０が構成されている。
【０００７】
一方、ミラー構造体１０３は、支持部材１２０に固定される板状の枠部１３０と、枠部１３０の内側に、半導体基板１０１より離間して支持された板状の可動部とから構成されている。この可動部は、図３（ｂ）に示すように、一対の連結部１６１を介して枠部１３０の内側に支持された可動枠１３２と、１対の連結部１６２を介して可動枠１３２の内側に支持されたミラー部１３１とから構成されている。また、ミラー部１３１は、例えば、直径５００μｍ程度の円板であり、図３（ａ）の紙面において上方の面に反射面が形成されている。
【０００８】
以上のように作製されているミラー構造体１０３の枠部１３０を、支持部材１２０に接合させて固定すれば、制御電極部１４０により可動が制御されるミラー部１３１を備えた光スイッチ素子が得られる。例えば、制御回路１５０により、制御電極部１４０とミラー部１３１との間に所定の電位差を生じさせ、これらの間に電荷を誘導し、これらの電荷にクーロン力を作用させることで、ミラー部１３１を可動させることができる。
【０００９】
ここで、例えば、複数の反射構造体が形成された基板と、複数の固定構造体が形成された基板とを位置合わせをして接合し、この後各々に切り出すことで、複数の光スイッチ素子が同時に製造できる。
【００１０】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件の出願時までに発見するには至らなかった。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１９８８９７号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８９１７８号公報
【非特許文献１】
Ｐａｍｅｌａ　Ｒ．Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ，Ｄｏｏｙｏｕｎｇ　Ｈａｈ，Ｇｕｏ−Ｄｕｎｇ　Ｊ．Ｓｕ，Ｈｉｒｏｓｈｉ　Ｔｏｓｈｉｙｏｓｈｉ，ａｎｄ　Ｍｉｎｇ　Ｃ．Ｗｕ，”ＭＯＥＭＳ　ＥＬＥＣＴＲＯＳＴＡＴＩＣ　ＳＣＡＮＮＩＮＧ　ＭＩＣＲＯＭＩＲＲＯＲＳ　ＤＥＳＩＧＮ　ＡＮＤ　ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ”　Ｅｌｅｃｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　Ｖｏｌ２００２−４　ｐ３６９−３８０，（２００２）
【非特許文献２】
”ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌｉｇｙ，　Ｍｅｇａ　Ｉｍｐａｃｔ”Ｃｉｒｃｕｉｔ　＆　Ｄｅｖｉｃｅ，　ｐ１４−２０（２００１）
【非特許文献３】
「トランジスタ技術」，ＣＱ出版，２００２年５月号，Ｐ２０７〜２１２
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したように複数の光スイッチ素子を同時に形成する場合、接合した基板を切り出すときに、切断に伴う振動や、切断時の冷却に用いられる水流などにより、可動構造体の可動部（ミラー部１３１）が破壊されるという問題がある。また、微細な可動部を破壊せずに光スイッチ素子を製造できたとしても、、可動部の破壊を防ぐために、光スイッチ素子のチップのハンドリングなどには、細心の注意が必要となる。
【００１３】
通常の集積回路チップのハンドリングや実装などは、自動化された機械装置によって行われるが、上述したような破損しやすい可動部を備える光スイッチ素子では、人手に頼ることになる。このため、従来では、光スイッチ素子を用いた装置の製造におけるスループットが、著しく低い状態となっていた。
【００１４】
微細な可動部の破損を防ぐた手法として、前述したような接合やチップへの切り出しなどを行う前に、可動構造体を有機樹脂により保護・固定しておくことなどが考えられる。チップの実装などが終了した後、可動構造体を保護している有機樹脂を有機溶剤により溶解して除去すれば、製造過程における可動構造体の破損を抑制することができる。
しかしながら、有機樹脂の塗布は、一般にスピン塗布法が用いられている。スピン塗布法では、膜を形成する基板を回転台に真空チャックなどにより固定するため、このときの吸引などにより、可動構造体が破損する場合がある。
【００１５】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、可動構造体の可動部に、これを破損することなく、有機樹脂からなる保護膜が形成できるようにすることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、第１基板を加工してこの一部に可動構造体を形成する工程と、孔版印刷法により、可動構造体およびこの周囲の第１基板の一部を覆う有機樹脂からなる保護膜を選択的に形成する工程と、第１基板の可動構造体の周囲を、第２基板上に形成された支持部材に固定する工程とを少なくとも備えたものである。
この製造方法によれば、保護膜は、可動しない第１基板の一部にまで連続して形成され、可動構造体の可動が保護膜により制限されるようになる。
【００１７】
上記ＭＥＭＳ素子の製造方法において、例えば、第１基板は、開口部を有する構造体に可動構造体を開口部の内部に配置した状態で固定され、保護膜は、開口部の内部を有機樹脂で部分的に充填した状態に形成するようにしてもよい。
また、上記ＭＥＭＳ素子の製造方法において、有機樹脂は、ポリイミドやポリベンゾオキサゾールであればよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１，２は、本発明の実施の形態におけるＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する工程図である。まず、図１（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板３０１の埋め込み絶縁層３０２が形成されている側のシリコン層（ＳＯＩ層）３０３より、公知のフォトリソグラフィ技術とＤＥＥＰ　ＲＩＥなどのエッチングによって溝３３１，３３２を形成する。溝３３１，３３２は、埋め込み酸化膜３０２にまで達するように形成する。なお、ＤＥＥＰ　ＲＩＥは、例えばシリコンをドライエッチングするときに、ＳＦ_６とＣ_４Ｆ_８のガスを交互に導入し、エッチングと側壁保護膜形成とを繰り返すことにより、アスペクト比が５０にもなる溝または穴を、毎分数μｍのエッチング速度で形成する技術である。
【００１９】
つぎに、ＳＯＩ基板３０１の裏面に、以降に説明するミラー部の形成領域が開口したレジストパターンを形成し、水酸化カリウム水溶液などのエッチング液を用い、ＳＯＩ基板３０１の裏面より選択的にシリコンをエッチングする。このエッチングでは、埋め込み絶縁層３０２をエッチングストッパ層として用い、図１（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板３０１の裏面に開口部３１１を形成する。開口部３１１は、例えば、可動する１つのミラー部を備えた光スイッチ素子のピクセルに相当する領域である。なお、光スイッチ素子では、複数のピクセルで１つのチップとする場合もあり、１つのピクセルで１つのチップとする場合もある。
【００２０】
次いで、開口部３１１の内部において露出している埋め込み絶縁層３０２の部分を、フッ酸を用いて選択的に除去することで、図１（ｃ）に示すように、枠部１３０に支持された可動枠１３２と、可動枠１３２に支持されたミラー部１３１が形成された状態とする。ミラー部１３１，可動枠１３２は、板状のシリコン層（第１基板）３０３に、枠部１３０に支持された状態で形成された可動構造体である。また、枠部１３０は、埋め込み絶縁膜３０２を介してＳＯＩ基板３０１上の固定された状態となっている。このとき、ミラー部１３１の反射率を向上させるために、開口部３１１側のミラー部１３１表面に金やアルミニウムなどの金属膜を形成する場合もある。
【００２１】
つぎに、ミラー部１３１などを形成したＳＯＩ基板３０１の開口部３１１の内部に、例えば、スクリーン印刷法などの孔版印刷法により、有機樹脂の膜を形成する。
まず、図１（ｄ）に示すように、開口部３１１の広さに合わせた開口パターンを有する版膜２０２が、外面に被着されたスクリーン２０１を用意する。スクリーン２０１は、図示していない所定の枠に張着されている。
【００２２】
次いで、図１（ｄ）に示すように、版膜２０２の形成面（外面）をＳＯＩ基板３０１側に向けた状態で、版膜２０２の開口パターンの部分が開口部３１１の上部に配置されるように、ＳＯＩ基板３０１とスクリーン２０１との相対位置関係を合わせる。このとき、ＳＯＩ基板３０１のシリコン層３０３に形成された枠部１３０，可動枠１３２およびミラー部１３１は、図示しない載置台の同一平面上に載置されて支持されていることが望ましい。
【００２３】
相対位置関係を合わせた後、図１（ｄ）に示すように、スクリーン２０１の版膜２０２が形成されていない面（内面）に、ポリイミド樹脂２０３を投入する。次いで、スクリーン２０１とＳＯＩ基板３０１とを所定の間隔となるまで近づかせて固定した後、スキージ２０４によりスクリーン２０１の内面を加圧摺動する。
【００２４】
このことにより、ポリイミド樹脂２０３の一部は、版膜２０２の開口部内に露出しているスクリーン２０１の目を通過する。この通過したポリイミド樹脂２０３により、ＳＯＩ基板３０１の開口部３１１内のミラー部１３１，可動枠１３２，および枠１３０の一部に渡って、図１（ｅ）に示すように保護膜３０４が形成される。
このように、本実施の形態によれば、ＳＯＩ基板３０１に振動や衝撃などを与えることない状態で保護膜３０４が形成できるので、ＳＯＩ基板３０１に形成されているミラー部１３１などの可動構造体に損傷を与えることがない。
【００２５】
なお、保護膜３０４は、可動構造体であるミラー部１３１，可動枠１３２およびこの周囲の枠部（第１基板）１３０の一部を覆うように形成されていればよい。また、保護膜３０４は、通常の加熱硬化処理によってポリイミドを硬化させた状態とする。
【００２６】
この保護膜３０４の形成において、開口部３１１内への樹脂（保護膜３０４）の充填量は、ポリイミド樹脂の粘性やスキージ２０４の加圧力などによって制御することができる。また、感光性を有する樹脂を充填し、充填した樹脂膜に所定の露光量の露光や所定条件の現像処理などを施すことで、保護膜３０４の厚さを制御することもできる。保護膜３０４とする材料としては、ポリイミドに限らず、ポリベンゾオキサゾールであってもよい。
【００２７】
上述したように、光スイッチ素子の可動する反射構造体を形成するとともに、図２（ａ）に示すような、光スイッチ素子の固定構造体の部分を用意する。この固定構造体の構成例について説明すると、まず、シリコンからなる半導体基板（第２基板）１０１を備え、半導体基板１０１には、複数の素子から構成された集積回路（図示せず）が形成されている。集積回路の上には、層間絶縁膜１０２が形成されている。
【００２８】
層間絶縁膜１０２上には、更に配線層１０４，層間絶縁膜１０５が形成されている。また、半導体基板１０１の上には、絶縁膜１０２，１０５を介して支持部材１２０が固定されている。この支持部材１２０により反射構造体であるミラー構造体１０３を支持する。例えば、支持部材１２０は、金などの導電材料から構成され、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールを通じ、層間絶縁膜１０２上に形成された所定の配線層１０４に電気的に接続されている。
【００２９】
また、支持部材１２０に囲われた領域の半導体基板１０１上には、絶縁膜１０２，１０５を介してミラー部１３１の回動動作を制御するための制御電極部１４０が形成されている。制御電極部１４０は、金などの導電材料から構成され、層間絶縁膜１０５に形成されたスルーホールを通し、層間絶縁膜１０２上に形成された所定の配線層１０４に電気的に接続されている。また、半導体基板１０１に形成されている図示していない集積回路の一部として、制御回路１５０が構成されている。
【００３０】
以上説明したように構成された固定構造体を用意したら、ミラー部１３１などが形成され、開口部３１１内に保護膜３０４が形成されたＳＯＩ基板３０１を、公知の方法によって所定の寸法のチップに切り出す。このとき、保護膜３０４の有無による、ミラー部１３１の破損状態を調査したところ、保護膜３０４を形成した場合、チップ切り出しによるミラー部１３１の破損は発生しなかった。これに対し、保護膜３０４を形成しない状態でチップに切り出すと、ミラー部１３１の破損が検出された。このように、保護膜３０４の形成は、ミラー部１３１の保護として極めて有用である。
【００３１】
以上のようにしてチップに切り出した後、図２（ｂ）に示すように、可動する反射構造体であるミラー部１３１が形成されているチップを、支持部材１２０上に固定する。支持部材１２０上には、シリコン層３０３の側の枠部１３０の一部が固定され、ミラー部１３１と制御電極部１４０とが対向配置した状態とする。この後、例えば、ノルマルメチルピロリドンなどの有機溶媒に保護膜３０４を溶解させ、保護膜３０４を除去すれば、図２（ｃ）に示すような光スイッチ素子を得ることができる。この有機樹脂である保護膜３０４の除去は、例えば、酸素のプラズマやオゾンを用いた灰化処理により行うようにしてもよい。
【００３２】
なお、上述では、可動する反射構造体を固定構造体に接合した後に保護膜を除去するようにしたが、これに限るものではない。例えば、接合して光スイッチ素子を得た後、この光スイッチ素子を所定の基板に実装した後で、保護膜を除去するようにしてもよく、保護膜の必要な工程を経た後に所望の時点で除去を行うようにすればよい。
【００３３】
また、上述では、スクリーンを用いたスクリーン印刷法により、所定の領域に保護膜を形成するようにしたが、これに限るものではなく、他の孔版印刷法により保護膜を形成するようにしてもよい。例えば、保護膜を形成する領域を規定するための版膜が、スキージによる加圧摺動に充分耐えられるものであれば、スクリーンメッシュのない状態で、版膜のみで保護膜のパターンを謄写（印刷）することも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、孔版印刷法により、ミラー部などの可動部分からこれを支持する枠部などの領域にまで渡る部分的な領域に保護膜を形成するようにした。従って、ミラー部などに対する振動や衝撃などの発生が抑制された状態で保護膜が形成できる。この結果、本発明によれば、可動部を破損することなく、有機樹脂からなる保護膜が形成できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する工程図である
【図２】図１に続く、本発明の実施の形態におけるＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する工程図である
【図３】ＭＥＭＳ素子の構成例を示す断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１０１…半導体基板、１０２…層間絶縁膜、１０３…ミラー構造体、１０４…配線層、１０５…層間絶縁膜、１２０…支持部材、１３０…枠部、１３１…ミラー部、１３２…可動枠、１４０…制御電極部、１５０…制御回路、２０１…スクリーン、２０２…版膜、２０３…ポリイミド樹脂、２０４…スキージ、３０１…ＳＯＩ基板、３０２…埋め込み絶縁層、３０３…シリコン層、３０４…保護膜、３３１，３３２…溝。

Claims

第１基板を加工してこの一部に可動構造体を形成する工程と、
孔版印刷法により、前記可動構造体およびこの周囲の前記第１基板の一部を覆う有機樹脂からなる保護膜を選択的に形成する工程と、
前記第１基板の可動構造体の周囲を、第２基板上に形成された支持部材に固定する工程と
を少なくとも備えたことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
請求項１記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、
前記第１基板は、開口部を有する構造体に前記可動構造体を前記開口部の内部に配置した状態で固定され、
前記保護膜は、前記開口部の内部を前記有機樹脂で部分的に充填した状態に形成する
ことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
請求項１または２記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、
前記有機樹脂は、ポリイミドであることを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
請求項１または２記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、
前記有機樹脂は、ポリベンゾオキサゾールであることを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。