JP2004314289A - マイクロマシンの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】犠牲層エッチングを行ってマイクロマシンの振動子の部分を封止するとともに、その場合であっても特殊なパッケージング技術を必要とすることなく犠牲層の除去および封止を行うこと可能とする。
【解決手段】振動子４を備えたマイクロマシン１の製造方法において、振動子４の可動部周囲に犠牲層を形成する工程と、犠牲層上をオーバーコート膜８で覆うとともにそのオーバーコート膜８に犠牲層へ通じる貫通口１０を形成する工程と、可動部周囲に空間を形成するために貫通口１０を用いて犠牲層を取り除く犠牲層エッチングを行う工程と、犠牲層エッチングの後に減圧下における成膜処理を行って貫通口１０を封止する工程とを含む。
【選択図】図１
【解決手段】振動子４を備えたマイクロマシン１の製造方法において、振動子４の可動部周囲に犠牲層を形成する工程と、犠牲層上をオーバーコート膜８で覆うとともにそのオーバーコート膜８に犠牲層へ通じる貫通口１０を形成する工程と、可動部周囲に空間を形成するために貫通口１０を用いて犠牲層を取り除く犠牲層エッチングを行う工程と、犠牲層エッチングの後に減圧下における成膜処理を行って貫通口１０を封止する工程とを含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、振動子を備えたマイクロマシンの製造方法に関する。
近年、基板上の微細化製造技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン（超小型電気的・機械的複合体；Micro Electro-Mechanical Systems、以下「ＭＥＭＳ」という）やそのＭＥＭＳを組み込んだ小型機器等が注目されている。ＭＥＭＳは、可動構造体である振動子と、その振動子の駆動を制御する半導体集積回路等とを、電気的・機械的に結合させた素子である。そして、振動子が素子の一部に組み込まれており、その振動子の駆動を電極間のクーロン引力等を応用して電気的に行うようになっている。
このようなＭＥＭＳのうち、特に半導体プロセスを用いて形成されたものは、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値（振動系の共振の鋭さを表す量）を実現できること、他の半導体デバイスとのインテグレーション（統合）が可能であること等の特徴を有することから、無線通信用の高周波フィルタとしての利用が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
ところで、ＭＥＭＳを他の半導体デバイスとインテグレーションする場合には、そのＭＥＭＳにおける振動子の部分をカプセル封止して、これによりさらに上層に配線層等の配置を可能とすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ただし、振動子のカプセル封止にあたっては、振動子の周囲を中空構造とすること、すなわちその振動子の可動部周囲に空間を確保して、振動子を可動し得る状態にすることが必要である。この可動部周囲の空間確保は、通常、いわゆる犠牲層エッチングによって行われる。
犠牲層エッチングとは、振動子の可動部周囲に予め薄膜を形成しておき、その後、この薄膜をエッチングにより取り除いて、当該可動部周囲に空間（隙間）を形成することをいう。また、犠牲層エッチングを行うために、可動部周囲に形成した薄膜を犠牲層という。
C.T.-C.Nguyen,"Micromechanical components for miniaturized low-power communications(invited plenary),"proceedings,1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium RF MEMS Workshop,June,18,1999,pp.48-77.
特開２００２−９４３２８号公報（第７頁、第１０図）
しかしながら、ＭＥＭＳと他の半導体デバイスとのインテグレーションは、幾つかの課題を抱えている。一般に、当該インテグレーションは、他の半導体デバイスについての製造プロセス（例えば、ＣＭＯＳプロセス）の最終工程に、ＭＥＭＳ（特に、その振動子）の製造プロセスを付加する形で行われる。したがって、ＭＥＭＳの製造プロセスにおいては、既に形成されている半導体デバイスへの悪影響を回避するために、高温での加工を行うことができない。つまり、低温で振動子を形成する必要があり、その加工が容易でないものとなってしまうおそれがある。
これに対して、ＭＥＭＳにおける振動子の部分をカプセル封止した場合には、これによりさらに上層に配線層等の配置が可能となるので、高温で振動子を形成しても、その高温加工の悪影響が配線層等に及ぶのを回避することができる。ところが、その場合には、犠牲層エッチングにより形成した振動子の可動部周囲の空間を真空封止するために、絶縁材料等による特殊なパッケージング技術が必要となってしまう（例えば、特許文献１参照）。つまり、真空封止のためのパッケージング工程が必要となるため、既存の半導体プロセス（例えば、ＣＭＯＳプロセス）の過程において行うことが困難であり、結果としてＭＥＭＳを含むデバイスの生産効率低下を招いてしまうことが考えられる。
そこで、本発明は、ＭＥＭＳの加工容易化を図るべく犠牲層エッチングを行って振動子の部分を封止するとともに、その場合であっても特殊なパッケージング技術を必要とすることなく犠牲層の除去および封止を行うこと可能とする、マイクロマシンの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するために案出された、振動子を備えたＭＥＭＳの製造方法であって、前記振動子の可動部周囲に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上をオーバーコート膜で覆うとともに、当該オーバーコート膜に前記犠牲層へ通じる貫通口を形成する工程と、前記可動部周囲に空間を形成するために前記貫通口を用いて前記犠牲層を取り除く犠牲層エッチングを行う工程と、前記犠牲層エッチングの後に減圧下における成膜処理を行って前記貫通口を封止する工程とを含むことを特徴とする。
上記手順のＭＥＭＳの製造方法によれば、犠牲層を形成する工程、犠牲層上をオーバーコート膜で覆う工程および犠牲層エッチングを行う工程を含むことから、そのオーバーコート膜のさらに上層に配線層等の配置が可能となる。すなわち、これらの工程の後に、配線層等の形成工程を行い得るようになる。したがって、その前工程（例えば、ＣＭＯＳプロセスにおけるアルミ工程以前）にて振動子を形成すれば、当該振動子を高温で形成しても、その高温加工の悪影響が配線層等に及ぶことがない。
また、犠牲層エッチングの後に減圧下における成膜処理を行って貫通口を封止する工程とを含むことから、その工程にて、振動子の可動部周囲の空間が減圧状態で封止される。しかも、減圧下における成膜処理により貫通口を封止するため、半導体プロセス（例えば、ＣＭＯＳプロセス）における成膜技術をそのまま利用して実現することが可能となり、当該半導体プロセスにおける他の工程と連続的に行えるとともに、真空封止のための特殊なパッケージング技術を要することもない。
また、犠牲層エッチングの後に減圧下における成膜処理を行って貫通口を封止する工程とを含むことから、その工程にて、振動子の可動部周囲の空間が減圧状態で封止される。しかも、減圧下における成膜処理により貫通口を封止するため、半導体プロセス（例えば、ＣＭＯＳプロセス）における成膜技術をそのまま利用して実現することが可能となり、当該半導体プロセスにおける他の工程と連続的に行えるとともに、真空封止のための特殊なパッケージング技術を要することもない。
本発明に係るＭＥＭＳの製造方法によれば、犠牲層エッチングを行って振動子の部分を封止するので、振動子を高温で形成してもその悪影響が配線層等に及ぶの回避することができ、結果としてＭＥＭＳの加工容易化を図ることができる。さらには、犠牲層エッチングによる空間の封止を減圧下における成膜処理によって行うため、特殊なパッケージング技術を必要とすることなく犠牲層の除去および封止を行うこと可能となる。したがって、本発明によれば、ＭＥＭＳを他の半導体デバイスとインテグレーションする場合であっても、そのＭＥＭＳを含むデバイスの生産効率を向上させ得るようになる。
以下、図面に基づき本発明に係るＭＥＭＳの製造方法について説明する。なお、当然のことではあるが、以下に説明する実施の形態は、本発明の好適な実施具体例に過ぎず、本発明がこれに限定されるものでないことは勿論である。
ここで、先ず、ＭＥＭＳの製造方法の説明に先立ち、そのＭＥＭＳの概略構成について説明する。ここでは、無線通信用の高周波フィルタとして利用されるＭＥＭＳを例に挙げて説明する。図１は、本発明によって得られるＭＥＭＳの一構成例を示す説明図である。
図１（ａ）に示すように、ここで説明するＭＥＭＳ１は、入力電極２および出力電極３に加えて、例えばリンを含有したポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）といった導電性材料からなる帯状のビーム型振動子（以下、単に「振動子」という）４を備えている。そして、入力電極２に特定の周波数電圧が印加された場合に、振動子４のビーム部分（可動部）が固有振動周波数で振動し、出力電極３と振動子４の可動部との間の空間で構成されるキャパシタの容量が変化し、これが出力電極３から出力されるようになっている。これにより、ＭＥＭＳ１は、高周波フィルタとして利用した場合に、表面弾性波（ＳＡＷ）や薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）を利用した高周波フィルタと比較して、高いＱ値を実現することができるのである。
このようなＭＥＭＳ１を構成する入力電極２、出力電極３および振動子４は、図１（ｂ）に示すように、いずれも、例えばＳｉ（単結晶シリコン）からなる半導体基板（以下、「Ｓｉ基板」という）５上にＳｉＯ2膜６およびＳｉＮ（窒化ケイ素）膜７が積層された、さらにその上方に形成されている。したがって、ＭＥＭＳ１は、Ｓｉ基板５上に形成されるものであることから、他の半導体デバイスとのインテグレーションが可能である。
ところで、ＭＥＭＳ１では、振動子４の可動部が固有振動周波数で振動することから、その振動子４の可動部周囲に空間が確保されている。ただし、その空間は、後述するように、振動子４の可動部がオーバーコート膜８によって覆われていることから、その可動部断面の上下左右、すなわち当該断面の全周にわたって確保されている。
そして、振動子４の上方側には、その振動子４の可動部を覆って封止するために、例えばＳｉＮ膜からなるオーバーコート膜８が形成されている。このオーバーコート膜８の存在によって、ＭＥＭＳ１では、振動子４を可動し得る状態にしつつ、その振動子４が封止され、そのオーバーコート膜８のさらに上層にも配線層等の配置が可能となるのである。このことによっても、ＭＥＭＳ１は、他の半導体デバイスとのインテグレーションに好適なものであるといえる。
なお、オーバーコート膜８上の一部には、例えばＡｌ−Ｃｕ（アルミニウム−銅）膜またはＡｌ−Ｓｉ（アルミニウム−シリコン）膜からなるスパッタ膜９が成膜されている。これは、振動子４の可動部周囲に空間を確保すべく、オーバーコート膜８に設けられた犠牲層エッチングのための貫通口１０を封止するためのものである。
次に、以上のようなＭＥＭＳ１の製造方法、すなわち本発明に係るＭＥＭＳの製造方法について説明する。図２〜３は、本発明に係るＭＥＭＳの製造方法の一手順を示す説明図である。
上述した構成のＭＥＭＳ１の製造にあたっては、先ず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板５上に絶縁膜として機能するＳｉＯ2膜６およびＳｉＮ膜７を、例えば減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成する。そして、その上から、図２（ｂ）に示すように、例えば燐（Ｐ）を含有したポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）のように選択的にエッチング除去可能な材料の膜を形成し、その後周知のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用して下部配線１１をパターン形成する。
下部配線１１をパターン形成した後は、図２（ｃ）に示すように、例えば減圧ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を形成し、周知のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用してパターン加工し、これにより下部配線１１をＳｉＯ2膜１２で覆う。このＳｉＯ2膜１２は、後述するように、犠牲層として機能するものである。
その後は、図２（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2膜１２上に、例えば減圧ＣＶＤ法によりＰｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成し、周知のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用してパターン加工し、これによりＰｏｌｙ−Ｓｉからなる帯状の振動子４を形成する。
振動子４を形成すると、その後は、図３（ｅ）に示すように、例えば減圧ＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を形成し、周知のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用してパターン加工し、振動子４をＳｉＯ2膜１３で覆う。このＳｉＯ2膜１３も、犠牲層として機能するものである。これにより、振動子４は、その可動部周囲、すなわち側壁部分を含めた断面の上下左右面の全てが、犠牲層として機能するＳｉＯ2膜１２およびＳｉＯ2膜１３によって覆われることになる。つまり、振動子４の断面下方向にはＳｉＯ2膜１２が存在し、断面左右および上方向にはＳｉＯ2膜１３が存在する。
このようにして、犠牲層として機能するＳｉＯ2膜１２およびＳｉＯ2膜１３を形成した後は、図３（ｆ）に示すように、続いて、その上に、ＳｉＮ膜１４を例えば減圧ＣＶＤ法により形成する。このＳｉＮ膜１４は、犠牲層を覆うオーバーコート膜として機能するものである。そして、そのＳｉＮ膜１４に対して、周知のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用して、犠牲層（ＳｉＯ2膜１２またはＳｉＯ2膜１３のいずれか）へ通じる貫通口１０を形成する。
貫通口１０の形成後は、その貫通口１０を用いて犠牲層を取り除く犠牲層エッチングを行い、振動子４の可動部周囲に空間を形成する。すなわち、図３（ｇ）に示すように、例えばフッ酸水溶液（ＤＨＦ溶液）といったＳｉＯ2を選択的に除去する溶液により、ＳｉＯ2膜１２およびＳｉＯ2膜１３を除去する。これにより、振動子４の可動部周囲、すなわち可動部断面の全周にわたって、犠牲層の厚さ分だけの空間（ギャップ）が形成され、振動子４の可動部が固有振動周波数で振動し得るようになる。
犠牲層エッチングを行った後は、本実施形態において最も特徴的な工程である、減圧下における成膜処理を行う。具体的には、例えば真空中にてスパッタリングによる成膜処理を行い、図３（ｈ）に示すように、貫通口１０を封止するスパッタ膜９を形成する。このときに用いる反応ガスとしては、スパッタリングによる成膜処理であることから、不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスが挙げられる。また、スパッタ膜９としては、Ａｌ−Ｃｕ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜等といった、金属または金属化合物による薄膜が挙げられる。そして、スパッタ膜９を形成したら、そのスパッタ膜９に対して、周知のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用して、配線等の形状にパターン加工する。
このような手順（各工程）を経ることで、図１に示したＭＥＭＳ１が構成されることになる。ただし、上述した手順による製造方法は、図１のように構成されたＭＥＭＳ１のみに限定されるものではなく、オーバーコート膜に設けられた貫通口を用いて犠牲層エッチングを行うものであれば、他の構成のＭＥＭＳにも適用可能である。
図４は、本発明によって得られるＭＥＭＳの他の構成例を示す説明図である。図例のＭＥＭＳ１ａは、下部配線１１が埋め込まれている点で上述した図１のＭＥＭＳ１と構成が異なるが、このようなＭＥＭＳ１ａであっても、上述したＭＥＭＳ１の場合と同様の手順（各工程）で製造することが可能である。すなわち、犠牲層エッチングのためにオーバーコート膜８に設けられた貫通口１０を、スパッタリングによる成膜処理を行うことで封止することが考えられる。
また、図１および図４に示したＭＥＭＳ１，１ａでは、いずれも振動子４が帯状のビーム型である場合を例に挙げたが、例えばいわゆるリング型振動子やディスク型振動子であっても、その周囲に可動部空間を確保した中空構造のものであれば、上述した手順による製造方法を全く同様に適用することが可能である。さらに、このような振動子に振動を励起する手段として、上述の例では静電を用いたものについて説明したが、必ずしも静電駆動に限定されることはなく、例えばピエゾ駆動であるＦＢＡＲにも全く同様に適用可能である。
以上のように、本実施形態で説明したＭＥＭＳの製造方法によれば、振動子４の周囲に犠牲層として機能するＳｉＯ2膜１２およびＳｉＯ2膜１３を形成する工程、その犠牲層上をオーバーコート膜であるＳｉＮ膜１４で覆う工程および犠牲層エッチングを行う工程を含むことから、そのＳｉＮ膜１４のさらに上層に配線層等の配置が可能となる。すなわち、これらの工程の後に、配線層等の形成工程を行い得るようになる。したがって、その前工程にて振動子４を形成することで、その振動子４をメタル配線等よりも下層に形成できるため、当該振動子４を高温で形成しても、その高温加工の悪影響が配線層等に及ぶことがなく、結果として振動子４の形成の容易化を図ることができる。
しかも、本実施形態で説明したＭＥＭＳの製造方法では、犠牲層エッチングの後にスパッタリングによる成膜処理を行って貫通口１０を封止する工程とを含むことから、その工程にて振動子４の可動部周囲の空間が封止される。したがって、絶縁材料等による特殊なパッケージング技術を必要とすることがない。すなわち、真空封止のためのパッケージング工程を要せずに、犠牲層エッチングにより形成した振動子４の可動部周囲の空間を封止することができる。
また、封止のためのスパッタ膜９は、配線等としても用いることが考えられる。つまり、配線等のためのスパッタ膜９を利用して貫通口１０を封止することも考えられ、その場合には封止と配線等の形成が同一の工程で実現され、製造工程の効率化を図る上で非常に有効である。
さらには、スパッタリングによる成膜処理で貫通口１０を封止するので、半導体プロセス（例えば、ＣＭＯＳプロセス）における成膜技術をそのまま利用して実現することが可能となり、当該半導体プロセスにおける他の工程と連続的に行えるようになる。すなわち、いわゆるインライン中での封止が可能となる。したがって、ＣＭＯＳプロセス等へのインテグレーションが非常に容易であるとともに、ウエハ状態でのＭＥＭＳ評価を行うことも可能となる。
これらのことから、本実施形態で説明した製造方法を用いてＭＥＭＳを構成すれば、ＭＥＭＳを他の半導体デバイスとインテグレーションする場合であっても、そのＭＥＭＳの製造を既存の半導体プロセス（例えば、ＣＭＯＳプロセス）の過程において行うことができ、結果としてＭＥＭＳを含むデバイスの生産効率を向上させ得るようになる。
特に、本実施形態で説明したように、スパッタリングによる成膜処理で封止を行う場合には、不活性ガスであるＡｒガス中での封止となり、安全性、信頼性の点で非常に好適であると言える。
１，１ａ…ＭＥＭＳ、４…ビーム型振動子、８…オーバーコート膜、９…スパッタ膜、１０…貫通口、１２，１３…ＳｉＯ2膜、１４…ＳｉＮ膜
Claims (5)
- 振動子を備えたマイクロマシンの製造方法であって、
前記振動子の可動部周囲に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上をオーバーコート膜で覆うとともに、当該オーバーコート膜に前記犠牲層へ通じる貫通口を形成する工程と、
前記可動部周囲に空間を形成するために前記貫通口を用いて前記犠牲層を取り除く犠牲層エッチングを行う工程と、
前記犠牲層エッチングの後に減圧下における成膜処理を行って前記貫通口を封止する工程と
を含むことを特徴とするマイクロマシンの製造方法。 - 前記振動子に振動を励起する手段を有したマイクロマシンに適用されることを特徴とする請求項１記載のマイクロマシンの製造方法。
- 前記振動を励起する手段に静電を用いることを特徴とする請求項２記載のマイクロマシンの製造方法。
- 前記振動を励起する手段にピエゾを用いることを特徴とする請求項２記載のマイクロマシンの製造方法。
- 前記減圧下における成膜処理は、スパッタリングによる成膜処理である
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロマシンの製造方法。
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