JP2004314251A

JP2004314251A - 薄膜梁及びその成形方法

Info

Publication number: JP2004314251A
Application number: JP2003113093A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Mochizuki; 文彦望月
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】薄膜梁の製造時或いは駆動動作時における破損等の不具合をなくし信頼性を向上させる。
【解決手段】ガラス基板１３上にパターニングされたアルミニウム成膜からなる犠牲層とこの犠牲層を跨ぐ薄膜層とを順に積層させ、犠牲層を除去することにより、ガラス基板１３に固定された固定部１５ａと、固定部１５ａから立設された一対の支持部１５ｂと、これら支持部１５ｂによって両端が支持されてガラス基板１３との間に所定の隙間をあけて支持された可動部１５ｃとを有する薄膜梁１５を成形する。このとき、固定部１５ａと支持部１５ｂとの連結点Ａ及び可動部１５ｃと支持部１５ｂとの連結点Ｂをそれぞれ結ぶ直線Ｌと、ガラス基板１３の表面とのなす角度αを６０°以下とする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調素子などの可動部分である薄膜梁及びその成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、フォトリソグラフィー工程に使用されるオンディマンドのデジタル露光装置、デジタル露光による画像形成装置、プロジェクタ等の投影表示装置、ヘッドマウントディスプレイ等のマイクロディスプレイ装置などに搭載される光変調素子として、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて作製した光変調素子が知られている（例えば特許文献１参照）。
この光変調素子は、透明基板上に可撓性を有する薄膜梁を設けた構造とされており、透明基板側及び薄膜梁側に、それぞれ薄膜の電極を備えている。そして、これらの電極間に電圧が印加されると、静電気力が生じ、薄膜梁が透明基板側へ引き寄せられて密着して透明基板界面における全反射条件が変化して入射光の光路が変化する。これにより、入射光を遮光状態と透過状態に変調させている。
【０００３】
上記のような光変調素子を構成する薄膜梁を成形するには、例えば図７に示すように、まず、ガラス基板１の絶縁膜２上に端部が犠牲層３を成膜してパターニングし、その後、端部がテーパ状にされた犠牲層３の上部に薄膜梁４となる薄膜を成膜し、最後に犠牲層３を除去する。
このようにすると、ガラス基板１側に固定された固定部４ａからテーパ角を有して立設された支持部４ｂによって両端部が支持され、ガラス基板１に対して隙間をあけて配設された可動部４ｃを有する薄膜梁４が成形される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３０５４４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような薄膜梁４を形成する場合には、通常、ウェットエッチング法で犠牲層が形成されるが、通常のウェットエッチング法では、犠牲層のパターニング時に用いるエッチング液の容量比は、燐酸：酢酸：硝酸＝１６：２：１程度に調製されている。このようなエッチング液では、エッチングが等方的に行われるため、犠牲層３の端部におけるテーパ角が６０゜を上回る角度となっていた。このため、犠牲層３に沿って形成される薄膜梁４は、その端部における傾斜角（図２の角度α）も同様に６０゜を上回る角度にされていた。薄膜梁４の端部の傾斜角が大きくなると、薄膜梁４の成膜時における膜厚が薄くなり、機械的強度が乏しくなる。その上、この端部は薄膜梁４の駆動動作時に繰り返し変形を受ける部位であるため、図８に示すように、薄膜梁４の端部が製造時或いは駆動動作時に破損してしまうことがあった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、製造時或いは駆動動作時において破損等の不具合が生じることのない薄膜梁及びその成形方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の薄膜梁は、基板上にパターニングされた犠牲層と該犠牲層を跨ぐ薄膜層とをこの順で積層した後に前記犠牲層を除去して形成された可撓性を有する薄膜梁であって、前記薄膜梁が、前記基板に固定された固定部と、該固定部から立設された一対の支持部と、該支持部によって両端が支持されて前記基板との間に所定の隙間をあけて支持された可動部とを有し、前記固定部と前記支持部との連結点及び前記可動部と前記支持部との連結点をそれぞれ結んだ直線と、前記基板の表面とのなす角度が６０°以下とされていることを特徴とする。
【０００７】
この薄膜梁によれば、固定部と支持部との連結点及び可動部と支持部との連結点をそれぞれ結ぶ直線と、基板の表面とのなす角度を、成膜時に十分な厚みを得ることができる６０°以下としたので、製造時或いは可動時における支持部の破損のない十分な強度を備え、信頼性の高い薄膜梁とすることができる。
【０００８】
請求項２記載の薄膜梁の成形方法は、請求項１記載の薄膜梁の成形方法であって、アルミニウム成膜からなる前記犠牲層のパターニングを、燐酸、酢酸及び硝酸を含有したエッチング液を用いたエッチング除去により行い、前記エッチング液の容量比を燐酸：酢酸：硝酸＝１６：２：Ｘとしたときに硝酸の容量比Ｘを８＜Ｘ＜１６の範囲で調製し、前記犠牲層の端面の基板面からの傾斜角を６０°以下に制御することを特徴とする。
【０００９】
この薄膜梁の成形方法によれば、犠牲層のパターニング時に用いるエッチング液の容量比を燐酸：酢酸：硝酸＝１６：２：Ｘとしたときに硝酸の容量比Ｘを８＜Ｘ＜１６の範囲で調製することにより、極めて容易に、犠牲層の端面における傾斜角度を６０°以下に制御することができる。これにより、薄膜梁の端部における成膜の膜厚を十分に確保することができ、製造時或いは可動時における支持部の破損のない、信頼性の高い薄膜梁を成形することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る薄膜梁及びその成形方法について図面を参照して説明する。
図１は薄膜梁を備えた光変調素子の構造を示す斜視図である。
この光変調素子１００は、上面に絶縁膜１１を有するガラス基板１３上に、可撓性を有する薄膜梁１５が配設された構造とされている。ガラス基板１３側及び薄膜梁１５側には、それぞれ屈折率の異なる材料を交互に重ねた多層膜からなるハーフミラー（図示略）が設けられている。
【００１１】
また、ガラス基板１３及び薄膜梁１５は、それぞれ薄膜の電極１７を有している。そして、この光変調素子１００では、電極１７間に電圧が印加されると、静電気力が生じ、薄膜梁１５がガラス基板１３側へ引き寄せられてハーフミラー同士が密着して所定の波長の光が透過し、電極１７間への電圧の印加がなくなると、静電気力がなくなり、薄膜梁１５がガラス基板１３から離間して遮光状態となる。
【００１２】
図２は薄膜梁１５の形状を説明する概略断面図である。
この薄膜梁１５は、ガラス基板１３側に固定された固定部１５ａと、固定部１５ａからガラス基板１３に対して傾斜角を有して立設された一対の支持部１５ｂと、これら支持部１５ｂに両端部が支持されてガラス基板１３との間に所定の隙間を空けて配設された可動部１５ｃとを有している。
また、薄膜梁１５は、固定部１５ａと支持部１５ｂとの連結点をＡとし、可動部１５ｃと支持部１５ｂとの連結点をＢとした場合に、これら連結点Ａ、Ｂを結ぶ直線Ｌとガラス基板１３の表面とのなす角度αが６０°以下とされている。
【００１３】
ここで、この光変調素子１００の作製プロセスの一例を図３に示した。以下、図３に基づいて光変調素子１００の作製プロセスを順次説明する。
【００１４】
（１）透明導電膜の成膜
透明なガラス基板１３上にスパッタ等の真空成膜法により透明導電膜ＩＴＯを厚さ０．１５μｍとして成膜する。
【００１５】
（２）透明導電膜のパターニング
成膜された透明導電膜上にフォトレジストを塗布し、フォトマスクのパターンをこのフォトレジストに露光転写する。そして、パターン部以外のフォトレジストを除去してエッチング処理（ウェットエッチング等）し、その後、フォトレジストを除去することで帯状の透明導電膜からなる固定側の電極１７を形成する。
【００１６】
（３）絶縁膜の成膜
帯状の電極１７が形成されたガラス基板１３上に、ＳｉＯ_２等の絶縁膜１１を厚さ０．５μｍにスパッタにより成膜する。
【００１７】
（４）犠牲層の成膜とパターニング
絶縁膜１１上にフォトレジストを形成してパターニングすることで、薄膜梁１５の空隙部分となる犠牲層２１を厚さ０．４μｍで成膜する。この犠牲層２１は、固定側の電極１７に対応して帯状に形成する。
【００１８】
（５）薄膜梁の成膜
絶縁膜１１と犠牲層２１との上面に薄膜梁１５となるＳｉＮ_ｘの薄膜層を、例えば、プラズマＣＶＤ成膜法により厚さ０．４μｍで成膜する。
【００１９】
（６）透明導電膜の成膜
薄膜梁１５となるＳｉＮ_ｘの薄膜層の上面に、透明導電膜ＩＴＯを厚さ０．１５μｍで真空成膜法により成膜する。
【００２０】
（７）薄膜梁のパターニング
成膜された透明導電膜ＩＴＯをウェットエッチング処理してパターンニングし、ＳｉＮ_ｘの薄膜層をＣＦ_４ガスによってドライエッチング処理してパターニングし、さらに、パターニングに用いたフォトレジストをＯ_２ガスによってドライエッチング処理して除去し、固定側の電極１７及び犠牲層２１に対して直交方向に帯状の薄膜梁１５を形成する。これにより、上部に可動側の電極１７が設けられた薄膜梁１５が形成される。
【００２１】
（８）犠牲層除去
薄膜梁１５と絶縁膜１１との間の犠牲層２１をエッチング処理（ドライエッチング又はウェットエッチング）により除去し、その後、リンスして二酸化炭素（ＣＯ_２）によって超臨界洗浄乾燥を行う。
【００２２】
このようにすると、ガラス基板１３側に固定された固定部１５ａから立設された支持部１５ｂによって両端部が支持され、ガラス基板１３に対して隙間を空けて配設された可動部１５ｃを有する薄膜梁１５が成形される。
【００２３】
ここで、薄膜梁１５を成形するためのパターニングした犠牲層２１は、その端部におけるガラス基板１３とのテーパ角が大きいと、この犠牲層２１の端部におけるＳｉＮ_ｘの薄膜層の膜厚が薄くなり、製造時或いは薄膜梁１５の駆動動作時に、膜の強度不足のために支持部１５ｂが破損してしまうことがある。
【００２４】
このため、本実施形態では、上記（４）における犠牲層２１の成膜とパターニングを次のように行う。
図４は犠牲層２１の成膜とパターニングの工程を示す工程毎の断面図である。
【００２５】
図４（ａ）に示すように、まず、ガラス基板１３の絶縁膜１１上に、アルミニウム薄膜からなる犠牲層２１を全面に堆積させる。堆積方法としては、スパッタ法や電子ビーム蒸着法などが用いられる。
【００２６】
図４（ｂ）に示すように、通常のフォトリソグラフィー法を用いて、アルミニウム薄膜からなる犠牲層２１の上に所望のレジストパターン２３を形成する。
【００２７】
図４（ｃ）に示すように、犠牲層２１のエッチングを行う。
ここで、本実施形態は、エッチング液として、燐酸、酢酸、及び硝酸を含有したエッチング液を用い、エッチング液の各成分の容量比を燐酸：酢酸：硝酸＝１６：２：Ｘとしたときに、硝酸の容量比Ｘを１〜１６（好ましくは８〜１６）として、犠牲層２１の端面２１ａにおけるテーパ角を６０°以下に制御する。
【００２８】
具体的には、エッチングに用いるエッチング液としては、濃度８５％の燐酸（Ｈ_３ＰＯ_４）、酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）、濃度６１％の硝酸（ＨＮＯ_３）、水（Ｈ_２Ｏ）をそれぞれ、１６：２：４：１に容量混合したものを用い、このエッチング液によって４０℃で犠牲層２１をパターニングする。
【００２９】
図４（ｄ）に示すように、エッチング終了後に、レジストパターン２３を除去すると、端面２１ａのテーパ角θが６０°以下とされた犠牲層２１が形成される。
【００３０】
そして、上記のように犠牲層２１を形成すると、犠牲層２１の端面２１ａのテーパ角θが比較的なだらかな６０°以下とすることができるので、この犠牲層２１の上部から薄膜梁１５となるＳｉＮｘの薄膜層を成膜した際に、犠牲層２１の端面２１ａの部分にも確実かつ十分な厚みで成膜が施され、機械的強度の高い薄膜梁１５の構造にできる。
このような犠牲層２１によって成形された薄膜梁１５は、固定部１５ａと支持部１５ｂとの連結点Ａと、可動部１５ｃと支持部１５ｂとの連結点Ｂとを結ぶ直線Ｌとガラス基板１３の表面とのなす傾斜角αが、犠牲層２１のテーパ角θに対応して６０°以下とされる。
【００３１】
このように、上記実施形態に係る薄膜梁１５によれば、ガラス基板１３に固定された固定部１５ａと支持部１５ｂとの連結点Ａ及び可動部１５ｃと支持部１５ｂとの連結点Ｂをそれぞれ結ぶ直線Ｌと、ガラス基板１３の表面とのなす傾斜角αを６０°以下としたので、製造時或いは駆動動作時における支持部１５ｂの破損の生じない十分な強度を備えた、信頼性の高い薄膜梁１５とすることができ、これにより、この薄膜梁１５を備えた光変調素子１００の品質を向上させることができる。
【００３２】
また、本実施形態に係る薄膜梁の成形方法によれば、犠牲層２１のパターニング時に用いるエッチング液の容量比を燐酸：酢酸：硝酸＝１６：２：Ｘとしたときに硝酸の容量比Ｘを８＜Ｘ＜１６の範囲で調整することにより、極めて容易に、犠牲層２１の端面２１ａにおけるテーパ角θを６０°以下に制御することができる。これにより、犠牲層２１の端面２１ａに対する膜厚を十分に確保することができ、製造時或いは可動時における支持部１５ｂの破損のない、信頼性の高い薄膜梁１５を成形することができる。
【００３３】
なお、上記の例では、Ｈ_３ＰＯ_４（８５％）：ＣＨ_３ＣＯＯＨ：ＨＮＯ_３（６１％）：Ｈ_２Ｏ＝１６：２：４：１としたエッチング液を用いたが、使用可能なエッチング液としては、この混合比のものに限定されない。また、上記の例では、エッチング液を用いて犠牲層２１の端面２１ａのテーパ角θを６０°以下としたが、ドライエッチングによって犠牲層２１の端面２１ａのテーパ角θを６０°以下としても良く、この場合は、等方的なプラズマ下にて、エッチングガスのガス圧を調整することによりテーパ角θの制御を行う。
【００３４】
図５は他のエッチング液を用いたときの犠牲層２１の端面形状を示したものである。
この犠牲層２１は、その端面２１ａが、一段目のテーパと二段目のテーパとを有し、それぞれが異なる角度の二段階のテーパ角θ_１、θ_２として形成されている。このような端面形状の犠牲層２１を形成する際には、例えば８５％Ｈ_３ＰＯ_４（１６００ｍｌ）、ＣＨ_３ＣＯＯＨ（２００ｍｌ）、ＨＮＯ_３（２００ｍｌ）から構成されるベース液に、ＨＮＯ_３を３００ｍｌ追加して混合したエッチング液を用いる。
【００３５】
このようなエッチング液を用いることにより、レジストパターン２３の密着性が硝酸の濃度に依存する犠牲層２１の端面におけるテーパ角θを、約１０゜〜６０°の範囲で制御することができる。
さらに、硝酸の混合量を増加させることにより、二段のテーパ角θ_１、θ_２が形成される傾向をより強めることができる。
【００３６】
つまり、硝酸の混合量が増加すると、犠牲層２１へのレジストパターン２３の密着性が悪くなってレジストパターン２３が反り返ることにより、ガラス基板１３の界面とレジストパターン２３の界面のエッチング速度に大きな差が生じて二段のテーパ角θ_１、θ_２が生じやすくなることとなる。
【００３７】
【実施例】
ここで、容量比が燐酸：酢酸：硝酸＝１６：２：１０のエッチング液及び燐酸：酢酸：硝酸＝１６：２：１６のエッチング液を用い、アルミニウム成膜からなる犠牲層２１をエッチングし、犠牲層２１の端面２１ａにおけるテーパ角θの大きさを測定した。
【００３８】
なお、測定を行った犠牲層２１であるアルミニウム成膜としては、常温で真空成膜したものと、２４０℃で真空成膜したものを用いた。また、エッチング液の温度を、常温及び４０℃としてそれぞれエッチングを行った。
上記の条件による犠牲層２１の端面２１ａにおけるテーパ角θの測定結果を表１及び図６に示す。
【００３９】
【表１】

【００４０】
（アルミニウムを常温で成膜した場合）
エッチング液が常温の場合は、硝酸の容量比が１０のとき、テーパ角θが３０．１°となり、硝酸の容量比が１６のとき、テーパ角θが２９．７°となった。
また、エッチング液を４０℃とした場合は、硝酸の容量比が１０のとき、テーパ角θが２０．１°となり、硝酸の容量比が１６のとき、テーパ角θが１３．６°となった。
【００４１】
（アルミニウムを２４０℃で成膜した場合）
エッチング液が常温の場合は、硝酸の容量比が１０のとき、テーパ角θが４９．９°となり、硝酸の容量比が１６のとき、テーパ角θが５４．５°となった。また、エッチング液を４０℃とした場合は、硝酸の容量比が１６のとき、テーパ角θが８．７°となった。
【００４２】
このように、従来の通常のウェットエッチング（容量比が燐酸：酢酸：硝酸＝１６：２：１程度のエッチング液を用いた場合）では、等法エッチングのために、犠牲層２１の端面２１ａのテーパ角θが６０を超える角度となり、この犠牲層２１により形成される薄膜梁１５の強度が大きく低下していたが、上記したいずれの容量比のエッチング液を用いた場合も、犠牲層２１の端面２１ａにおけるテーパ角θが６０°以下となって薄膜梁１５の機械的強度が向上し、薄膜梁１５の損傷が生じにくくなった。なお、容量比が燐酸：酢酸：硝酸＝１６：２：８のエッチング液を用いた場合も、犠牲層２１の端面２１ａのテーパ角θが６０゜以下となって、十分な機械的強度を有する薄膜梁１５を形成できた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の薄膜梁によれば、固定部と支持部との連結点及び可動部と支持部との連結点をそれぞれ結ぶ直線と、基板の表面とのなす角度を、十分な機械的強度が得られる６０°以下としたので、製造時或いは駆動動作時における支持部の破損のない、信頼性の高い薄膜梁とすることができる。
また、本発明の薄膜梁の成形方法によれば、犠牲層のパターニング時に用いるエッチング液の容量比を燐酸：酢酸：硝酸＝１６：２：Ｘとしたときに硝酸の容量比Ｘを８＜Ｘ＜１６の範囲で調整することにより、極めて容易に、犠牲層の端面のテーパ角を６０°以下に制御することができる。これにより、薄膜梁の端部における成膜の膜厚を十分に確保することができ、製造時或いは駆動動作時における支持部の破損のない、信頼性の高い薄膜梁を成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜梁を備えた光変調素子の構造を示す斜視図である。
【図２】薄膜梁の断面形状を示す薄膜梁の断面図である。
【図３】薄膜梁を備えた光変調素子の製造工程を説明する説明図である。
【図４】薄膜梁を成形する犠牲層の形成手順を示す説明図である。
【図５】犠牲層の他の形成手順を説明する形成途中の犠牲層の断面図である。
【図６】硝酸の容量比の異なるエッチング液によりパターニングを行った犠牲層の端面のテーパ角を示すグラフである。
【図７】従来の薄膜梁の成形手順を説明する説明図である。
【図８】薄膜梁の支持部の破断状況を示す説明図である。
【符号の説明】
１３ガラス基板（基板）
１５薄膜梁
１５ａ固定部
１５ｂ支持部
１５ｃ可動部
２１犠牲層
２１ａ端面
Ａ、Ｂ連結点
Ｌ直線
α 傾斜角
θ、θ１、θ２テーパ角

Claims

基板上にパターニングされた犠牲層と該犠牲層を跨ぐ薄膜層とをこの順で積層した後に前記犠牲層を除去して形成された可撓性を有する薄膜梁であって、
前記薄膜梁が、前記基板に固定された固定部と、該固定部から立設された一対の支持部と、該支持部によって両端が支持されて前記基板との間に所定の隙間をあけて支持された可動部とを有し、
前記固定部と前記支持部との連結点及び前記可動部と前記支持部との連結点をそれぞれ結んだ直線と、前記基板の表面とのなす角度が６０°以下とされていることを特徴とする薄膜梁。
請求項１記載の薄膜梁の成形方法であって、
アルミニウム成膜からなる前記犠牲層のパターニングを、燐酸、酢酸及び硝酸を含有したエッチング液を用いたエッチング除去により行い、
前記エッチング液の容量比を燐酸：酢酸：硝酸＝１６：２：Ｘとしたときに硝酸の容量比Ｘを８＜Ｘ＜１６の範囲で調製し、前記犠牲層の端面の基板面からの傾斜角を６０°以下に制御することを特徴とする薄膜梁の成形方法。