JP2005342817A - 中空構造素子およびその製造方法ならびに電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】1次スティクションおよび2次スティクションを防止して信頼性の高い中空構造素子を製造すること。
【解決手段】本発明は、基板10に設けられた凹部10aに埋め込まれる犠牲層を介して構造体2が設けられ、その犠牲層をエッチングすることで凹部10a内に中空空間Sを構成して成る中空構造素子1において、凹部10aの内面に、犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜11が設けられているものである。また、本発明は、基板10に凹部10aを形成した後、凹部10aの内面に、犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜11を形成し、この薄膜11を介して犠牲層を埋め込む製造方法である。
【選択図】図1
【解決手段】本発明は、基板10に設けられた凹部10aに埋め込まれる犠牲層を介して構造体2が設けられ、その犠牲層をエッチングすることで凹部10a内に中空空間Sを構成して成る中空構造素子1において、凹部10aの内面に、犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜11が設けられているものである。また、本発明は、基板10に凹部10aを形成した後、凹部10aの内面に、犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜11を形成し、この薄膜11を介して犠牲層を埋め込む製造方法である。
【選択図】図1
Description
本発明は、犠牲層をエッチングすることで形成される中空空間を介して構造体が設けられた中空構造素子およびその製造方法ならびにこの中空構造素子を備える電子機器に関する。
近年、中空構造を利用した微小電気機械デバイス、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)が様々な分野で研究、開発され、一部は商品化されている。その製造方法は、主にシリコンの深掘りエッチング等で厚膜の構造体を形成するバルクマイクロマシニングと、一般的な半導体プロセスを利用し薄膜の堆積と加工を繰り返して構造体を形成する表面マイクロマシニングに大別されるが、いずれも犠牲層と呼ばれる材料を中空にしたい箇所に充填しておき、構造体の形成後にこれを除去して中空構造を形成することが特徴である。
構造体を構成する材料には各種あるが、その機械的、電気的特性や化学的性質から単結晶もしくは多結晶のシリコンが用いられることが多い。この構造体に損傷を与えずに中空構造を形成するため、犠牲層は構造体とのエッチング選択比が高い材料である必要があり、またこれに応じたエッチャントが用いられる。シリコン構造体の場合、犠牲層としてはシリコン酸化膜、これを除去するエッチャントとしてフッ化水素酸水溶液が用いられるのが一般的である。
ここで、フッ化水素酸溶液を用いて犠牲層を除去する場合、エッチング後の乾燥時に構造体とその支持基板または隣接する構造体との隙間に水の表面張力が発生するが、構造体の剛性が低い場合、構造体と基板または構造体同士が吸い寄せられそのまま固着する、いわゆるスティクションが発生してしまう。
このスティクションは、犠牲層除去工程で発生するいわゆる1次スティクションと、その後の液体を用いるプロセスやデバイス作成後の衝撃や大気中の湿度等の外部環境により生じる2次スティクションとがあるが、いずれも構造体の剛性や隣接構造物との隙間等のデバイス構造に依存する。
特に最近では、MEMSデバイスの感度向上や動作電圧の低減等のため構造体の剛性を低くしたり犠牲層を薄くしたりする事例が増えており、そのためスティクションはMEMSデバイスの大きな不良要素の一つとして、その改善が検討されている。
1次スティクションの防止に関しては、水の表面張力の発生を抑えるという観点から様々な検討が進められている。特許文献1では犠牲層除去時の乾燥に凍結乾燥法を応用することを提案しており、特許文献2ではその際の堆積膨張による構造体の破損を防止する改善策が示されている。また特許文献3では超臨界流体を利用した乾燥装置を提案し、これを用いてスティクションが防止できるとしている。また、フッ化水素酸をガスとして供給し、水の発生を抑えるという手法も多数検討されている(例えば、特許文献4)。
一方、2次スティクションに関しては、シリル化等の表面処理により構造体の表面エネルギーを低下させ、固着を防止する手法が特許文献5等で提案されている。また不純物濃度を変化させたシリコン表面を薬液や電解エッチング等によって面荒れさせて接触面積を減らし、スティクションを防止するという検討も行われている(例えば、特許文献6)。
また、1次スティクションと2次スティクションとを共に抑制する方法としては、対向する面の一方に固着防止用の突起を形成しておくという提案がある(例えば、特許文献7)。また、特許文献8では、対向するシリコン面の一方について陽極化成処理による凹凸を形成し、疎水性を上げてスティクションを防止している。
しかしながら、1次スティクションの防止に関する特許文献1〜4に記載の技術では、犠牲層を除去する際に用いる手法であり、これ以降で発生が懸念される2次スティクションに関しては有効な手段ではない。一方、2次スティクションに関する特許文献5〜6に記載の技術では、これらはいずれも1次スティクションが起こっていないデバイスを対象とした手法であり、全てのデバイスに応用できるとは限らない。また、1次スティクションと2次スティクションとを共に抑制する特許文献7に記載の技術では、突起形成のためのフォトリソグラフィー等の工程数増加や狭い隙間には突起が許容されない等の問題があり、また特許文献8に記載の技術では、エッチング時に片方の構造体に通電を行う必要があるため、デバイス構造によっては適用が困難な場合がある。
本発明はこのような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、犠牲層を介して構造体が設けられ、その犠牲層をエッチングすることで中空空間を構成して成る中空構造素子において、中空空間を構成する内面に、犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜が設けられているものである。
また、本発明は、犠牲層を介して構造体を設けた後、この犠牲層をエッチングすることで中空空間を構成する中空構造素子の製造方法において、予め中空空間となる部分の内面に、犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜を形成し、この薄膜を介して犠牲層を埋め込む方法である。
このような本発明では、犠牲層をエッチングすることで、中空空間となる部分の内面に設けた薄膜とエッチャントとの反応によって所定の生成物が形成され、この生成物によって構造体と中空空間の内面との直接の密着を回避して1次スティクションの防止を図ることができる。また、エッチャントとの反応によって薄膜表面に凹凸が形成されるため、生成物を除去した後に薄膜表面に凹凸が残り、構造体との接触面積を低減して2次スティクションを防止できる。
したがって、本発明によれば、構造体に対向する表面に配置した薄膜により、犠牲層エッチングの際にその表面に反応物が生成されるため、構造体とそれに対向する表面とが直接接触することを回避でき、剛性の低い構造体を用いるデバイスであっても1次スティクションを防ぐことが可能となる。この反応物は加熱等のドライプロセスで完全に除去が可能なため、最終的にはスティクションのない良好な中空構造を形成することができる。また、本発明で配置した犠牲層エッチングの際に反応物を生成する薄膜は、反応により表面が凹凸になることから、この凹凸面が構造体と対向する表面に形成される状態となり、犠牲層エッチング以降のプロセス、および最終デバイス形態となった後にも、大気中の湿度や衝撃などの外部環境が起因となる2次スティクションを抑制することが可能となる。しかも、反応生成物や薄膜表面の凹凸は犠牲層をエッチングする際に形成されることから、特別な工程を追加することなく1次および2次スティクションを防止できる構成を実現することが可能となる。これにより、信頼性の高い中空構造素子を容易に提供することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図1は、本実施形態に係る中空構造素子を説明する模式断面図である。本実施形態に係る中空構造素子1は、中空構造をもつデバイス内の固着が懸念される表面に所定の材料(薄膜11)を配置し、犠牲層エッチング時に用いるエッチャントと薄膜11との反応で形成される生成物(反応生成物)を1次スティクションに対する緩衝材として利用し、同時に反応生成物表面または反応生成物を除去した後の薄膜11表面の凹凸11aを2次スティクションの防止に利用することを特徴としている。
図1に示す中空構造素子1は、FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)と呼ばれる薄膜の構造体2を備えた音響共鳴器の例であり、シリコン等の基板1に形成した凹部10aの内部を中空空間Sとし、この中空空間S上に構造体2を例えば片持ち梁状に形成した構成となっている。構造体2は、下部電極12、圧電体膜13、上部電極14を積層した構造となっており、2つの電極(下部電極12、上部電極14)の間に時間と共に変化する電解を印加することで、圧電体膜13の圧電効果によって電気エネルギーの一部を力学的エネルギー(音波)へと変換するものである。
本実施形態の中空構造素子1では、中空空間Sを形成するために凹部10a内に予め埋め込む犠牲層(図示せず)をエッチングによって除去する際、エッチャントと反応して生成物(反応生成物)を形成できる薄膜11を凹部10aの表面に備えており、この薄膜11の表面に、反応生成物の形成時にできる凹凸11aを利用して構造体2のスティッキングを防止している。
つまり、犠牲層をエッチングする工程で、そのエッチングに用いるエッチャントと反応して凹凸11aを形成できるため、特別な工程を追加することなく、既存の工程のみで構造体2の対向面に凹凸11aを設けることができる。この凹凸11aによって構造体2との接触面積を低減することができ、構造体2が凹部11aの内面に密着しようとしても、その密着する力より構造体2の弾性力の方が勝る状態となり、スティッキングを防止できるようになる。
次に、本実施形態に係る中空構造素子の製造方法を説明する。なお、ここでもFBARから成る音響共鳴器を例として説明する。既知の技術であるFBARは、一般的に基板表面に下部電極、圧電膜、上部電極を順次堆積させることにより製作されている。したがって、空気/共鳴器界面の上部は自然に形成されることになるが、下部界面は下部電極下に中空構造を形成する製造上の工夫が必要である。特開2002−140075号公報に記載の技術では、基板に中空構造となる空間を形成した後、犠牲層としてPSG(リン酸シリケートガラス)を充填し、デバイス形成後に犠牲層へのコンタクトを開口し、最後にフッ化水素酸溶液にて犠牲層をエッチングすることで中空構造を形成している。しかし、デバイス寸法が大きくなるにつれてエッチング後の乾燥時に生じる水の表面張力も大きくなるため、スティクションの問題が顕在化してくることは自明であり、本発明のような工夫が必要となってくる。以下、本発明を適用したFBARの製造工程を順に説明する。
先ず、図2(a)に示すように、基板10の一部に下部電極/空気界面を形成するための凹部10aを形成する。基板1には1000Ω/□以上の高抵抗のシリコン単結晶基板を用い、凹部10aは公知の技術であるKOHによる異方性エッチングにより約1μmの深さで形成する。
次いで、図2(b)に示すように、凹部10aを形成した基板10の上に1次および2次スティクションを防止するための材料としてSiN(窒化シリコン)から成る薄膜11を減圧CVD法により300nm成膜する。
その後、図3(a)に示すように、PSG膜を犠牲層20として約1.2μm厚で成膜し、公知のCMP(Chemical Mechanical Polishing)法による研磨でPSG膜を凹部10aの内部に埋め込む。その際、凹部10aの段差が大きく、またデバイス面積も広いため、そのまま研磨したのでは凹部10aの中のPSG膜が膜減りしてしまう(ディッシング)。ここでは凹部10aを作ったマスクの反転パターンを用いて凹部10aの外のPSG膜をあらかじめ除去し、凹部10aの周辺部のみに残ったPSG膜を高速低加重の条件で研磨することでディッシングを抑制し、非常に平坦なPSG膜表面を形成する。なお、これ以外にも研磨圧力依存性の急峻なCeO2ベースのスラリーを用いることで、反転マスクを用いなくても同様な研磨が可能となる。
次いで、この上に下部電極12としてモリブデン、圧電膜13として窒化アルミニウム、上部電極14としてモリブデンを、それぞれスパッタ法を用いて成膜し、公知のドライエッチング法にて所望の構造体2の形状に加工した後、犠牲層20を除去するためのコンタクト15を同様にドライエッチング法にて開口する。
次に、フッ化水素酸溶液によるエッチングで犠牲層20の一部を除去した後、無水フッ化水素酸と水蒸気との混合ガスを用いて残りの犠牲層20を除去する。この際、フッ化水素酸溶液では犠牲層20はSiNから成る薄膜11と高選択比を保ちながらエッチングされるが、無水フッ化水素酸と水蒸気との混合ガスによるエッチングでは薄膜11との反応生成物30が形成される(図3(b)参照)。なお、犠牲層20のエッチングは、初めから無水フッ化水素酸と水蒸気との混合ガスによるエッチングで行ってもよい。
ここで、無水フッ化水素酸ガスや水蒸気の流量によっては局所的にエッチング副生成物として水が発生するため、スティクションが発生する場合もあるが(図3(c)参照)、本実施形態では反応生成物30により下部電極12は直接下地の基板10とは接触しないため、1次スティクションは起こらない。このように、反応生成物30があることで構造体2の1次スティクションを防止できることから、反応生成物30は凹部10aからはみ出ない程度で凹部10aに埋め込まれることが理想的である。反応生成物30の量はエッチング条件や薄膜10の厚さ等によって制御することができる。
次いで、この反応生成物30を水によるリンスや加熱により完全に除去する。本実施形態では300℃、20分の加熱により反応生成物30を揮発させる。これにより、図3(b)や図3(c)に示す状態のデバイスについても完全な中空構造が形成される(図4参照)。
そして、反応生成物30を除去した後の薄膜11の表面には、反応による侵食のため凹凸11aが形成される。以降の工程、さらに最終デバイス形態となった後も、この凹凸11aにより固着面の接触面積が少なくなるため、構造体2の2次スティクションを抑制することができる。この凹凸11aは無水フッ化水素酸ガスや水蒸気の流量等である程度所望の寸法で形成することができる。
一例として、エッチング条件を調整して凹凸の寸法を変化させたときのSiNから成る薄膜11の表面のSEM観察写真を図5に示す。無水フッ化水素酸と水蒸気の混合ガスを用いて、図5(a)はHF=500cc/min、H2O=1.5l/minの条件で、図5(b)はHF=200cc/min、H2O=2.0l/minの条件でそれぞれ処理した際の薄膜表面の状態である。エッチング条件により凹凸の寸法が制御されていることがわかる。
以上のように、本実施形態の製造方法を適用することで、スティクションが懸念される中空構造を備える半導体デバイスにおいて、1次および2次スティクションを簡便に防止することが可能となる。
なお、上記の実施形態では、主として基板に凹部を形成し、この凹部に犠牲層を埋め込んだ状態で構造物を形成し、犠牲層をエッチングすることで凹部内に中空空間を構成する中空構造素子の例を説明したが、本発明は、凹部を形成しないで基板上に犠牲層、構造体を積層形成し、犠牲層の一部をエッチングすることで基板上に中空空間を構成する中空構造素子であっても適用可能である。また、本実施形態に係る中空構造素子はFBARに限らず、他の中空構造を備える各種デバイス、例えば加速度センサや圧力センサ等においても容易に適用が可能である。また固着を防止するための薄膜11の材料はSiNに限定されず、エッチャントとの反応によって形成される生成物を加熱等のドライプロセスによって容易に除去できる材料であればよい。また、薄膜11の配置も全面にある必要はなく、固着が予想される箇所に局所的に配置することでもその効果を発揮できる。
1…中空構造素子、2…構造体、10…基板、10a…凹部、11…薄膜、11a…凹凸、12…下部電極、13…圧電体膜、14…上部電極、S…中空空間
Claims (14)
- 犠牲層をエッチングすることで中空空間を構成して成る中空構造素子において、
前記中空空間を構成する内面には前記犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜が設けられている
ことを特徴とする中空構造素子。 - 前記薄膜は、形成される前記生成物が加熱によって除去できる材質から成る
ことを特徴とする請求項1記載の中空構造素子。 - 前記薄膜は窒化シリコン膜から成る
ことを特徴とする請求項1記載の中空構造素子。 - 前記薄膜の表面には凹凸が設けられている
ことを特徴とする請求項1記載の中空構造素子。 - 犠牲層を介して構造体を設けた後、この犠牲層をエッチングすることで中空空間を構成する中空構造素子の製造方法において、
予め、前記中空空間となる部分の内面に、前記犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜を形成し、この薄膜を介して前記犠牲層を形成する
ことを特徴とする中空構造素子の製造方法。 - 前記犠牲層をエッチングする際、前記エッチャントと前記薄膜との反応によって前記薄膜の表面に凹凸を形成する
ことを特徴とする請求項5記載の中空構造素子の製造方法。 - 前記犠牲層をエッチングする際、前記エッチャントと反応して形成される前記生成物を前記凹部からはみ出さないように生成する
ことを特徴とする請求項5記載の中空構造素子の製造方法。 - 前記犠牲層のエッチングは、ドライプロセスによって行う
ことを特徴とする請求項5記載の中空構造素子の製造方法。 - 前記犠牲層のエッチングは、初めから途中までウエットプロセスで行い、その後、ドライプロセスによって完了する
ことを特徴とする請求項5記載の中空構造素子の製造方法。 - 前記前記生成物を形成した後、この生成物をドライプロセスによって除去する
ことを特徴とする請求項5記載の中空構造素子の製造方法。 - 前記生成物を形成した後、この生成物を加熱によって除去する
ことを特徴とする請求項5記載の中空構造素子の製造方法。 - 前記薄膜は窒化シリコン膜から成る
ことを特徴とする請求項5記載の中空構造素子の製造方法。 - 前記エッチャントは、フッ化水素酸ガスから成る
ことを特徴とする請求項5記載の中空構造素子の製造方法。 - 犠牲層をエッチングすることで中空空間を構成して成る中空構造素子を備える電子機器において、
前記中空空間を構成する内面には前記犠牲層をエッチングするエッチャントと反応して所定の生成物を形成できる材質から成る薄膜が設けられている
ことを特徴とする電子機器。
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