JP2006073337A - バイモルフ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バイモルフ素子の形状の経時変化を防止する。
【解決手段】バイモルフ素子の製造方法は、犠牲層の上に金属層を形成する金属層形成段階と、金属層形成段階で形成した金属層を焼き鈍しする焼き鈍し段階と、焼き鈍し段階において焼き鈍しされた金属層の上に酸化シリコン層を形成する酸化シリコン層形成段階とを備える。金属層形成段階は、析出硬化型の金属化合物により金属層を形成する。焼き鈍し段階は、金属層を形成する金属の再結晶温度よりも高い温度で金属層を焼き鈍しする。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイモルフ素子の製造方法に関する。

近年、半導体プロセスで製造するマイクロデバイスの一例としてバイモルフスイッチが知られている。バイモルフスイッチは、熱膨張率の異なる２つの層を有し、これらの層をヒータで加熱することによりたわみを生じる。たわみが発生する部分に可動接点を設け、この可動接点に対向する位置に固定接点を設けることにより、電気的な接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるスイッチを構成することができる（例えば、特許文献１、及び特許文献２参照）。
特開２００４−５５４１０号公報 ＷＯ２００４／０２４６１８号公報

しかしながら、バイモルフスイッチなどのバイモルフ素子は、二つの層の一方を構成する金属層の内部応力が経時変化することにより、素子の形状が経時変化するという課題がある。このため、バイモルフ素子に所望の変位を与えるための入力電力がデバイス毎にばらつくという課題があった。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態において、バイモルフ素子の製造方法は、犠牲層の上に金属層を形成する金属層形成段階と、金属層形成段階で形成した金属層を焼き鈍しする焼き鈍し段階と、焼き鈍し段階において焼き鈍しされた金属層の上に酸化シリコン層を形成する酸化シリコン層形成段階とを備える。

金属層形成段階は、析出硬化型の金属化合物により金属層を形成してもよい。

焼き鈍し段階は、金属層を形成する金属の再結晶温度よりも高い温度で金属層を焼き鈍してもよい。

焼き鈍し段階は、酸化シリコン層形成段階の温度よりも高い温度で金属層を焼き鈍してもよい。

酸化シリコン層形成段階は、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン層を形成してもよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態の第１実施例に係るバイモルフスイッチ１００の断面図である。また、図２は、図１のバイモルフスイッチ１００を上面から見た図である。図１の断面図は、図２のＡ−Ａ断面に相当する。バイモルフスイッチ１００は、例えばカンチレバー状、すなわち片持ち梁状のスイッチである。バイモルフスイッチ１００は、基板１２６、バイモルフ部１０８、及び支持部１１０を備える。バイモルフ部１０８は、本発明のバイモルフ素子の一例である。支持部１１０は、基板１２６に固定され、バイモルフ部１０８の一端を支持する。基板１２６は、例えばガラス基板である。基板１２６は、シリコン基板であってもよい。本実施形態のバイモルフスイッチ１００は、バイモルフ部１０８の形状が室温で経時変化しないという特長を有する。

バイモルフ部１０８は、支持部１１０に支持された固定端と、固定端から延伸した自由端とを有する。バイモルフ部１０８は、固定端から自由端に向かうにつれて上方に反っている。バイモルフ部１０８は、酸化シリコン層１０６と、酸化シリコン層１０６上に形成され、酸化シリコン層１０６の熱膨張率よりも高い熱膨張率を有する金属層１３０と、酸化シリコン層１０６の表面を覆い、水分及び酸素の透過率が酸化シリコン層１０６よりも小さい変形防止層１５０とを備える。金属層１３０は、例えば銅又はアルミニウム等の金属からなる。

バイモルフ部が経時変化する要因は大きく分けて二つ考えられる。一つ目の要因は、酸化シリコン層の未反応部分が酸化して膨脹することによる酸化シリコン層の変形である。そして二つ目の要因は、金属層の内部応力が経時緩和することで生じるバイモルフ部の変形である。本実施形態においては上記２つの要因からなるバイモルフ形状の経時変化を防止することを目的とする。

変形防止層１５０は、窒化シリコンの膜である。窒化シリコンは、酸化シリコンよりも緻密な膜を形成し、水分及び酸素をより確実に遮断することができる。あるいは、変形防止層１５０は、酸化シリコン層１０６を形成する場合よりも高いエネルギーで成膜される酸化シリコンであってもよい。酸化シリコンを成膜する場合のエネルギーを高めることにより、成膜される酸化シリコンの緻密さが高まり、水分及び酸素をより確実に遮断することができる。この場合には、酸化シリコン層１０６と同一の材料で変形防止層１５０を成膜することができるのでバイモルフ部１０８の製造が容易である。このように、バイモルフ部１０８は変形防止層１５０を有することにより、酸化シリコン層１０６が経時変化により膨張することを防止することができる。従って、バイモルフ部１０８の形状をより精度よく維持できる。

バイモルフ部１０８はさらに、可動接点１０２及びヒータ１２８を有する。可動接点１０２は、バイモルフ部１０８の先端における下面、すなわち基板１２６に対向する面に設けられている。ヒータ１２８は、金属層１３０及び酸化シリコン層１０６を効率よく加熱するパターンで形成されている導電体である。例えば、ヒータ１２８は、金属層１３０と酸化シリコン層１０６の間に略平行に設けられる。この場合、ヒータ１２８の周囲を酸化シリコンなどの絶縁体で覆うことによりヒータ１２８と金属層１３０とを絶縁する。一方、基板１２６は、可動接点１０２と対向する位置に固定接点１０４を有する。常温において、バイモルフ部１０８は、可動接点１０２を固定接点１０４から一定の距離で離間させて保持する。本実施例のバイモルフ部１０８の長さは約６００μｍ、可動接点１０２の中央部分の固定接点１０４からの高さは約５０μｍである。

ヒ−タ電極１１２は、ヒ−タ１２８と電気的に接続された金属電極である。ヒータ電極１１２を介してヒータ１２８に電力を供給すると、金属層１３０及び酸化シリコン層１０６がほぼ同時に加熱される。これにより、金属層１３０は酸化シリコン層１０６よりも大きく伸び、バイモルフ部１０８の反り量を減らす方向に変形させる。この結果、バイモルフ部１０８は、可動接点１０２を固定接点１０４に接触させる。これにより、可動接点１０２と固定接点１０４とは電気的に接続される。可動接点１０２及び固定接点１０４は、バイモルフスイッチ１００におけるスイッチの接点である。可動接点１０２及び固定接点１０４は、例えば白金又は金などの金属で形成される。

本実施形態において、支持部１１０は、基板１２６の表面に形成された酸化シリコン層である。本実施例において、支持部１１０は、バイモルフ部１０８の一端のみを支持する。別の実施例において、支持部１１０は、バイモルフ部１０８の両端を支持してもよい。

なお、金属層１３０はチタン銅及びベリリウム銅等の析出硬化型の合金であってもよい。チタン銅及びベリリウム銅等の析出硬化型の銅合金は、応力緩和特性に優れているので、バイモルフ部１０８を変形させた場合に生じる歪みが小さい。従ってバイモルフ部１０８の形状が経時変化しにくいという効果を有する。

図２は、バイモルフスイッチ１００の上面図を示す。本実施例において、バイモルフスイッチ１００は、複数の固定接点１０４を備える。バイモルフスイッチ１００は、複数の固定接点１０４のそれぞれと、図１に関連して説明した可動接点１０２とを電気的に接続させることにより、複数の固定接点１０４を電気的に接続する。バイモルフスイッチ１００は、複数の固定接点１０４の間で信号を接続及び遮断する２接点型バイモルフスイッチである。バイモルフスイッチ１００は、複数の固定接点１０４の間で信号を接続及び遮断する。また、バイモルフスイッチ１００は、複数の固定接点１０４に対応する複数の固定接点電極１３２を更に備える。複数の固定接点電極１３２のそれぞれは、複数の固定接点１０４のそれぞれに対応する電極である。固定接点電極１３２は、対応する固定接点１０４と電気的に接続される。固定接点電極１３２は、対応する固定接点１０４と一体に形成される。

バイモルフ部１０８の製造方法の一例を以下に説明する。バイモルフ部１０８の製造方法は、金属層形成段階、焼き鈍し段階、ヒータ形成段階、酸化シリコン層形成段階、変形防止層形成段階、可動接点形成段階、及び犠牲層除去段階を含む。まず、金属層形成段階において、例えば酸化シリコンからなる犠牲層の上に、銅やアルミニウムなどの金属を常温でスパッタリングして堆積させることにより金属層１３０を形成する。

次に、焼き鈍し段階において、犠牲層の上に形成された金属層１３０を焼き鈍しする。犠牲層の上に形成された金属層１３０には、スパッタリングによる堆積時に生じた内部応力が残留している。そこで、この内部応力を焼き鈍しにより緩和させる。焼き鈍しの温度は、金属層１３０を形成する金属の再結晶温度及び後述するプラズマＣＶＤの温度よりも高い温度とする。例えば、金属層１３０の材料に銅を用いる場合、焼き鈍し温度は４００℃程度とする。また、金属層１３０の材料にアルミニウムを用いる場合、焼き鈍し温度は３５０℃程度とする。焼き鈍しの時間は、１５分程度が適当である。

この焼き鈍しによって、金属層１３０の原子の再結晶が起き、格子間の欠陥が減少する。これにより、金属層１３０の内部応力が緩和され、バイモルフ部１０８の形状が経時変化する要因を一つ取り除くことができる。また、当該焼き鈍し段階で金属層１３０の内部応力が緩和されることにより、後の酸化シリコン層形成段階におけるプラズマＣＶＤで３００℃程度の温度にさらされる場合に、金属層１３０の変形を防止することができる。従ってバイモルフ部１０８を製造する場合の初期の反り量を、酸化シリコン層１０６をＣＶＤで積層するときのワット数で精度よく管理することができる。

次に、ヒータ形成段階において、金属層１３０の表面にまず絶縁層を形成する。絶縁層は、例えばＣＶＤで酸化シリコンを堆積させることにより形成する。そして、白金などの金属を常温でスパッタリングして堆積させることによりヒータ１２８を形成する。次に、酸化シリコン層形成段階において、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を用いたプラズマＣＶＤにより、ヒータ形成段階で形成した絶縁層及びヒータ１２８の上面に酸化シリコンを堆積させる。本実施例の酸化シリコン層形成段階は、プラズマＣＶＤの出力を例えば１３０ワット、３００℃に調節した状態で酸化シリコンを堆積させて酸化シリコン層１０６を形成する。なお、金属層１３０の上にクロム層及びチタン層をこの順序で形成し、その上に酸化シリコン層１０６を形成することが望ましい。これにより、酸化シリコン層１０６と金属層１３０の密着強度が向上する。

次に、変形防止層形成段階において、酸化シリコン層１０６の表面にプラズマＣＶＤで窒化シリコンを堆積させることより変形防止層１５０を形成する。あるいは、酸化シリコン層形成段階よりも高いエネルギーのプラズマＣＶＤで酸化シリコンを堆積させることによって変形防止層１５０を形成してもよい。酸化シリコンで変形防止層１５０を形成する場合、プラズマＣＶＤの出力を例えば１５０ワットに調節した状態で酸化シリコンを堆積させて変形防止層１５０を形成する。酸化シリコン層形成段階よりも高いエネルギーのプラズマＣＶＤで酸化シリコンを堆積させることにより、変形防止層１５０の酸化シリコンは、酸化シリコン層１０６の酸化シリコンよりも緻密な膜を形成する。

次に可動接点形成段階に於いて、金などの耐食性の高い金属を例えばスパッタリングで変形防止層１５０の表面に堆積させ、可動接点１０２以外の範囲の金属をエッチングで除去することにより可動接点１０２を形成する。最後に、犠牲層除去段階に於いて、金属層１３０を支持する犠牲層をエッチングにより除去する。すると、酸化シリコン層１０６と金属層１３０との内部応力の差に応じてバイモルフ部１０８に金属層１３０側への反りが生じる。このとき生じる反りの大きさは、酸化シリコン層形成段階におけるプラズマＣＶＤのエネルギーの大きさ、すなわちワット数の大きさによって決まる。プラズマＣＶＤのワット数を高めるほど、バイモルフ部１０８の反り量は大きくなる。本実施例のバイモルフ部１０８に適切な反り量は、前述の通り、酸化シリコン層形成段階におけるプラズマＣＶＤの出力を１３０ワット程度に調節することによって得られる。こうして得られたバイモルフ部１０８を上下反転させることにより図１に示す姿勢のバイモルフ部１０８を得る。

窒化シリコンからなる変形防止層１５０は、酸化シリコンよりも緻密な膜を形成し、水分及び酸素をより確実に遮断することができる。また、酸化シリコン層形成段階よりも高いエネルギーのプラズマＣＶＤで酸化シリコンを堆積させて形成した変形防止層１５０は、酸化シリコン層１０６の酸化シリコンよりも緻密な膜を有するので、水分及び酸素を酸化シリコン層１０６から遮断する。この場合、酸化シリコン層１０６と同一の材料で変形防止層１５０を成膜することができるので製造が容易である。

すなわち、バイモルフスイッチ１００は、変形防止層１５０を有することにより、酸化シリコン層１０６が経時変化で膨張することを防止することができる。これにより、バイモルフ部１０８の形状が精度よく維持され、固定接点１０４と可動接点１０２の接点ギャップが安定する。従って、スイッチを切り替えるためにヒータ１２８に入力する電力と、スイッチングの応答速度がいずれも安定するという効果を奏する。なお、本発明のバイモルフ素子は、マイクロセンサ等のマイクロマシンであってもよい。

図３は、本実施形態の第２実施例に係るマイクロスイッチ２００の構成の一例である。図３（ａ）は、マイクロスイッチ２００の断面図を示し、図３（ｂ）は、バイモルフ部１０８及びヒータ電極１１２が形成された基板１４０の斜視図を示す。マイクロスイッチ２００は、本発明のバイモルフスイッチの一例である。本実施例において、前述の第１実施例と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

マイクロスイッチ２００は、半導体プロセスにより製造され、電気的に外部と接続されて動作する。マイクロスイッチ２００は、貫通孔２０８及び２１０が形成された基板１４０と、一端が支持部１１０に固着され、他端が貫通孔２０８内で自由に保持されるバイモルフ部１０８と、基板１４０と略平行に、バイモルフ部１０８に離間して設けられた配線基板２１２と、配線基板２１２に設けられた固定接点１０４及び電極パッド１１４と、一端が基板１４０に固着され、他端が貫通孔２１０の方向に延伸し基板１４０の面外方向に曲げられることにより電極パッド１１４に電気的に接続された導電性部材のヒータ電極１１２と、基板１４０の上面に設けられた基板２１６と、配線基板２１２に設けられた接地電極２２０とを備える。支持部１１０は、基板１４０の一部である。基板２１６は、貫通孔２０８及び２１０を配線基板２１２との間で密封するように設けられている。貫通孔２０８及び貫通孔２１０は、基板１４０の上面から、基板１４０の一部を除去することにより形成される。また、配線基板２１２は、基板１４０の下面に対向して設けられる。接地電極２２０は、固定接点１０４の直近に設けられる。

本実施例のバイモルフ部１０８は、例えば銅からなる金属層１３０及びヒータ１２８の周囲をそれぞれ酸化シリコンで覆っている。従って、金属層１３０及びヒータ１２８は、酸化シリコンで絶縁された状態で略平行に対向して設けられている。ヒータ１２８の下面には酸化シリコン層１０６が形成されている。酸化シリコン層１０６の表面には、窒化シリコンからなる変形防止層１５０が設けられている。あるいは、酸化シリコン層１０６よりも高いエネルギーのプラズマＣＶＤで酸化シリコンを堆積させることによって変形防止層１５０を形成してもよい。また、変形防止層１５０を金属で形成してもよい。

バイモルフ部１０８の先端の下面には固定接点１０４と対向して可動接点１０２が設けられている。ヒータ電極１１２と電極パッド１１４とは、貫通孔２１０の中央付近で電気的に接続される。ヒータ電極１１２はヒータ１２８に接続されており、ヒータ１２８を加熱する電力を供給する。本実施例に示すマイクロスイッチ２００の製造は、例えばＷＯ２００４／０２４６１８に開示されている製造方法に図１で説明したバイモルフ部１０８の製造方法を組み合わせることにより可能である。本実施例のマイクロスイッチ２００は、バイモルフ部１０８における酸化シリコン層１０６の表面に変形防止層１５０を有するので、経時変化により酸化シリコン層１０６が膨脹することが防止される。従って、バイモルフ部１０８の形状が室温で経時変化しにくい。これにより、バイモルフ部１０８に所望の変位を与えるために必要な入力電力の、デバイス毎のばらつきを低減することができる。

図４は、本実施形態の第３実施例に係るミラー素子３００の断面図である。以下、第１実施例と共通する構成には同一の符号を付して説明を省略する。本実施例のミラー素子３００は、前述の可動接点１０２及び固定接点１０４に代えてミラー３０２を備える点で第１実施例と異なる。ミラー３０２は、バイモルフ部１０８の自由端側の先端近傍に形成される。例えば、図４のミラー素子３００は、バイモルフ部１０８の自由端側の先端近傍における変形防止層１５０の表面にミラー３０２を有している。ミラー素子３００は、バイモルフ部１０８の自由端側の先端近傍における金属層１３０の表面にミラー３０２を有してもよい。ミラー３０２は、スパッタリング又は蒸着でクロムなどの反射率の高い金属を堆積させることにより形成する。ミラー素子３００は、ミラー３０２に入射する信号光をミラー３０２の向きに応じた方向に反射する。ミラー素子３００は、ヒータ電極１１２から入力する電力に応じてバイモルフ部１０８の反り量を変化させ、信号光の反射方向を変化させる。

本実施例のミラー素子３００は、バイモルフ部１０８における酸化シリコン層１０６の表面に変形防止層１５０を有する。ミラー素子３００において、変形防止層１５０は銅、金、及びアルミニウムなどの金属膜であってもよい。金属膜は、酸化シリコン層１０６よりも緻密であり、水分及び酸素を酸化シリコン層１０６から確実に遮断する。ミラー素子３００は、上述のような変形防止層１５０を有することにより、バイモルフ部１０８が経時変化により変形することを防止できる。従って、ミラー３０２における信号光の反射方向の精度が向上すると共に、当該反射方向を所望の方向に変更するために必要な電力の、デバイス毎のばらつきを低減することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本実施形態の第１実施例に係るバイモルフスイッチ１００の断面図である。 図１のバイモルフスイッチ１００を上面から見た図である。 本実施形態の第２実施例に係るマイクロスイッチ２００の断面図である。 本実施形態の第３実施例に係るミラー素子３００の断面図である。

符号の説明

１００ バイモルフスイッチ
１０２ 可動接点
１０４ 固定接点
１０６ 酸化シリコン層
１０８ バイモルフ部
１１０ 支持部
１１２ ヒータ電極
１２６ 基板
１２８ ヒータ
１３０ 金属層
１３２ 固定接点電極
１５０ 変形防止層
２００ マイクロスイッチ
３００ ミラー素子
３０２ ミラー

Claims (5)

1. バイモルフ素子の製造方法であって、
   犠牲層の上に金属層を形成する金属層形成段階と、
   前記金属層形成段階で形成した前記金属層を焼き鈍しする焼き鈍し段階と、
   前記焼き鈍し段階において焼き鈍しされた前記金属層の上に酸化シリコン層を形成する酸化シリコン層形成段階と
   を備えるバイモルフ素子の製造方法。
2. 前記金属層形成段階は、析出硬化型の金属化合物により前記金属層を形成する、請求項１に記載のバイモルフ素子の製造方法。
3. 前記焼き鈍し段階は、前記金属層を形成する金属の再結晶温度よりも高い温度で前記金属層を焼き鈍しする、請求項１に記載のバイモルフ素子の製造方法。
4. 前記焼き鈍し段階は、前記酸化シリコン層形成段階の温度よりも高い温度で前記金属層を焼き鈍しする、請求項１に記載のバイモルフ素子の製造方法。
5. 前記酸化シリコン層形成段階は、プラズマＣＶＤ法により前記酸化シリコン層を形成する、請求項１に記載のバイモルフ素子の製造方法。

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