JP2006297543A

JP2006297543A - Ｍｅｍｓデバイス及びその製造方法

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Publication number: JP2006297543A
Application number: JP2005122758A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ochi; 利彦越智; Tokiko Misaki; 登紀子三崎
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】多数のＭＥＭＳデバイスが形成された基板において、該デバイスの重要な部分がダイシングの際にも切削水や切削屑に曝されることなく個々のデバイスに分離する方法を提供する。
【解決手段】
絶縁基板上に設けたシリコン層に可動部と固定部を有するＭＥＭＳデバイス１であって、該可動部は、該固定部に対する固定端と少なくとも一つの結合部である堰部１００を除いて、該デバイスの外周まで至るように設けられた溝部４２によって該固定部と分離されている。また、該堰部１００は、シリコン材であって、かつ該可動部から５００μｍ以上離れた場所に溝部４２を埋めるように設けられている。この構成を採用すれば、多数のデバイスを個々に分離するダイシング工程の際に、切削水や切削屑が溝を介してデバイス駆動部に侵入することがなくなる。これにより、生産性を大きく向上させることができる。
【選択図】図４Ａ

Description

この発明は、基板上に形成した多数のＭＥＭＳデバイスを分離して形成される個々のＭＥＭＳデバイスに関する。具体的には、個々のＭＥＭＳデバイスに分離するために用いるダイシングの際に、デバイス中に水が混入することを防止する構造を備えたＭＥＭＳデバイスに関する。

従来、１つの基板（例えば、シリコン基板）上に多数のデバイスを形成し製造の最終段階で個々のデバイスに分離する技術として、ダイシング技術が用いられる。

近年、近赤外線レーザーを基板に照射して、基板内部から結晶の結合を解いて分離するダイシング技術も開発されている。しかし、装置が高価であることから、依然として高速回転する刃で基板を切断するブレードダイシング（ＢＤ）法を用いたダイシング技術が広く活用されている。

このＢＤ法によるダイシング技術では、切削加工の際に刃の冷却・洗浄用の純水が必要であり、この水が分離後のデバイスに悪影響を及ぼすことが少なくない。

特に、微細加工が進むＭＥＭＳデバイスの分野では、デバイスの特徴として可動部と固定部（換言すれば駆動部）がドライプロセス技術により一体成形されたものが多く、ダイシング加工による問題が顕在化している。具体的には、ＭＥＭＳデバイスの可動部と固定部の間隙にダイシングによる切削水又は切削屑が浸入し、浸入した水や屑がデバイスの重要な部分を電気的あるいは機械的に故障させるという問題がある。この問題への一つの対策が特許文献１に開示されている。

特開２００４−３３５５８３号公報

しかし、かかる手段を用いても、特に可動部と固定部との境界となる溝部が各デバイスの外周にまで至っている構造を採用するＭＥＭＳデバイスに対しては完全な解決手段とはならない。微細化が進むＭＥＭＳデバイス分野においては、ダイシングの際に混入するほんの僅かな切削水や切削屑が該溝部に留まって電気的にショートさせ、あるいは、該溝部を通じて更に奥まで入り込んでデバイスの駆動部を損傷させてしまう危険性がある。

この発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、多数のデバイスが形成された基板において、デバイスの重要な部分がダイシングの際にも切削水や切削屑に曝されることなく個々のデバイスに分離することを可能にするＭＥＭＳデバイスとその製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは、前述のＭＥＭＳデバイスの中でも将来有望なデバイスの１つである静電駆動型ＭＥＭＳミラースキャナデバイス(以下、ＭＥＭＳミラーという。)の開発にあたり、多数のデバイスが形成された基板から個々のデバイスに分離する工程の最終段階でダイシングを用いることによって生じる動作不良について検討した。具体的には、分離工程の最終段階でダイシングを行ったときに、切削水や切削屑（より詳細にはシリコン屑など）がデバイスの重要な部分、例えば、上層であるシリコン層に形成された固定部と可動部を分断する溝部に混入すると、駆動時に切削屑等を介して電流が流れ、動作不良を生じさせるという技術課題に対し、これを解決する手段について検討を行った。

発明者らは、可動部と固定部とを溝部を形成することによって分離するＭＥＭＳデバイスのうち、該溝部の端がダイシングによって切断されるライン（以下、ダイシングラインという。）にまで至るように設計されているものは、生産の歩留まり低下が顕著であった点に着目した。そして、ダイシングの際に使用する切削水の供給量等の諸条件を変更しても、該溝部とダイシングラインが連結することによる該溝部への水の侵入に対しては殆ど効果がないことを知見した。

そこで、発明者らは、個別のデバイスに分離するダイシング工程に至るまでに、ダイシングラインにつながる該溝部の一部を封鎖する堰部を形成しておくことにより、溝部に連結するダイシングラインからの切削水の混入は確実に防ぐことができることを確認した。発明者らは、更に、堰部を設ける位置をデバイスにおける所定の範囲に制限しておかないと、該堰部までは進入してくる水分やその後の堰部の除去工程の、デバイス駆動部に対する影響を無くすことが非常に困難であることも併せて知見し、この発明を完成した。

すなわち、この発明のＭＥＭＳデバイスは、絶縁基板上に設けたシリコン層に可動部と固定部を有するＭＥＭＳデバイスであって、該可動部は、該固定部に対する固定端と少なくとも一つの結合部を除き、該デバイスの外周まで至るように設けられた溝部によって該固定部と分離されており、該結合部は、シリコン材であって、かつ該可動部から５００μｍ以上離れた場所に該溝部を埋めるように設けられている。この構成を採用することにより、ダイシングの際の切削水や切削屑が、溝を介してデバイス駆動部に侵入することがなくなる。また、該結合部が該可動部から最短距離で５００μｍ以上離れていることから、たとえ切削水や切削屑が溝の一部に浸入しえたとしても、その部分は該結合部より外周側であるから、デバイスの駆動には全く影響が無い。更に、ダイシング工程後に、該結合部を例えばレーザー照射により除去する場合であっても、該結合部が該可動部から５００μｍ以上離れていることから、レーザー照射による飛散物のデバイス駆動への影響（例えば、電気的ショート）を気にする必要がない。尚、これらの利点をより確実なものとする観点から、該結合部の設けられる位置は、該可動部から最短距離で７５０μｍ以上離しておくことが更に好ましい。

ところで、前述の結合部はＭＥＭＳデバイス本体と同様にシリコン材で形成されていることから、該デバイスの駆動部や溝部を所謂異方性エッチングによって形成する際に同時に形成しておけば、該結合部ための追加の工程を要しない点で有利である。この場合、成形されるＭＥＭＳデバイスと該結合部は一体成形物となる。

また、この発明のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、シリコン材を貫通するようにエッチングして、固定部と可動部を形成するＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、該可動部を、該固定部に対する固定端及び少なくとも一つの結合部を除き、該デバイスの外周まで至るような溝部を形成して該固定部と分離するエッチング工程と、該シリコン材と絶縁基板とを接合する工程と、ダイシングにより、該デバイスの外周を切削する工程と、レーザーを用いて、該可動部と該固定部とを分断するように該結合部の一部又は全部を除去する工程とを行うものである。この方法を採用すれば、ダイシング工程によって切削水や切削屑のデバイス内に浸入する範囲が該結合部よりも外周の一部に限定されるため、デバイスの駆動に対して悪影響を与えることがない。尚、該エッチング工程において、該結合部を該可動部から５００μｍ以上離れた場所に設けるようにすれば、前述の効果をより確実に得ることができる。また、レーザー照射による飛散物のデバイス駆動への影響（例えば、電気的ショート）を気にする必要がなくなる。

この発明によるＭＥＭＳデバイスは、ダイシングの際の切削水や切削屑が、溝を介してデバイス駆動部に侵入することがなくなる。また、該結合部が該可動部から５００μｍ以上離れていることから、たとえ切削水や切削屑が溝の一部に浸入しえたとしても、その部分は該結合部より外周側であるから、デバイスの駆動には全く影響が無い。また、この発明によるＭＥＭＳデバイスの製造方法は、ダイシング工程によって切削水や切削屑のデバイス内に浸入する範囲が該結合部よりも外周の一部に限定されるため、デバイスの駆動に対して悪影響を与えることがない。また、レーザー照射による飛散物のデバイス駆動への影響（例えば、電気的ショート）を気にする必要がなくなる。従って、本発明を実施することにより、生産性を大きく向上させることができる。

以下、この発明の実施の形態について、発明者らが開発しているＭＥＭＳミラーの製造過程に基づいて、図面を用いて詳しく説明する。図１Ａ乃至図１Ｍは、この発明を適用した実施形態の一つであるＭＥＭＳミラーの製造プロセスフローの説明図である。図２は、この発明を適用した実施形態の一つであるＭＥＭＳミラーのダイシング加工箇所を表す全体平面図である。また、図３は、図２の平面図におけるダイシング加工箇所の一部（Ｚ部）を拡大した図である。尚、図２、図３ともに、切断予定箇所を一点鎖線で示しており、また便宜上、個々のＭＥＭＳデバイスは概略図として表した。図４Ａは、該ＭＥＭＳミラーの完成品を示す斜視説明図であるであり、図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれ完成品のＭＥＭＳミラーにおける上層基板の斜視説明図と上面図である。また、図４Ｄは完成品のＭＥＭＳミラーにおける下層基板の斜視説明図である。尚、ＭＥＭＳミラーの上層であるシリコン基板及び下層であるガラス材に形成された各構成と機能については、この発明の本質とは直接的に関係するものではないため、詳細な説明は省略する。

まず、図４Ａに示すＭＥＭＳミラー１の製造工程ついて、図１Ａ乃至図１Ｍの流れ図に沿って説明する。ＭＥＭＳミラー１は、単結晶シリコン基板である上層基板１０とガラス材である下層基板２０とによって構成されている。まず、上層のシリコン基板の加工について説明する。

上層基板１０表面には、レジスト膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングし、マスク１１を形成する（図１Ａ）。このとき、ＭＥＭＳミラー１の可動部と固定部を分離するための溝部の一部に堰部（図４Ａ乃至図４Ｃにおける１００）を形成するようにマスク１１が形成されている。次に、上層基板１０の裏面側にはレジスト膜１２を全面に塗布した後、硬化させる（図１Ｂ）。裏面側レジスト膜１２を下にして、後述する異方性エッチングの際のキャリア層となるシリコン基板１４を、ワックス１３を介して接着させる（図１Ｃ）。尚、キャリア層としては特にシリコン基板にこだわらず、後の工程である異方性エッチング装置によるエッチング時の背面冷却が可能な熱伝導性の良い基板であればよい。

続いて、上層基板１０を、ＩＣＰエッチング装置によるガススイッチングプロセスにより、基板表面からマスク１１の開口部に対して異方性エッチングを行い、上層基板１０を貫通させる（図１Ｄ）。この結果、ＭＥＭＳミラーの可動部と固定部（換言すれば駆動部）が溝部によって分離されるとともに、後のダイシング工程の際に切削水や切削屑を堰き止める堰部１００（図４Ａ乃至図４Ｃ参照）が同時に形成される。具体的なエッチング条件としては、エッチング工程は、ＳＦ_６１１０ｓｃｃｍ、コイル印加６００Ｗ、基台印加２５Ｗ、圧力３．１５ｐａ、保護膜形成工程は、Ｃ_４Ｆ_８４０ｓｃｃｍ、コイル印加６００Ｗ、基台０Ｗ、圧力１．２ｐａとし、エッチング工程と保護膜形成工程の時間をそれぞれ１５秒と８秒で交互に繰り返した。総プロセス時間は１００分とした。

上層基板１０の異方性エッチングが終わったら、マスク１１をアッシング処理により除去する（図１Ｅ）。その後、裏面側について、ワックス１３を処理液（例えば、硫酸と過酸化水素水の混合液）を用いて除去する。本実施例では、該処理液により、ワックス１３と裏面のレジスト膜１２も同時に除去される（図１Ｆ）。

次に、下層のガラス材の加工について説明する。厚さ１ｍｍの下層基板２０の表面にフィルムレジスト技術によりレジストマスク２１を形成する（図１Ｇ）。次に、サンドブラストによりマスク開口部を加工した（図１Ｈ）後、マスク２１を除去した（図１Ｊ）。尚、本実施例では、加工深さは０．７ｍｍとした。

そして、上層基板１０及び下層基板２０を洗浄液により洗浄した後、接合位置を合わせた上で、上層基板１０の裏面と下層基板２０の表面を、大気中において陽極接合を行った（図１Ｋ）。具体的には、温度４００℃、印加電圧６００Ｖの条件において約４０分間で接合した。

上層のシリコン基板表面に所定の箇所にアルミニウム膜を蒸着し、電極パッド１５とミラー反射面１６を形成する（図１Ｍ）。その後、上層基板１０側に保護テープ（具体的には、古河電気工業株式会社製、型式ＵＣ−１２０Ｍ−１２０）を貼り付ける。最後に、下層基板２０を下にして所定の位置をダンシングし、最後に該保護テープを紫外線照射により剥離した。ここで、保護テープは上層基板１０の上面の全面を覆うように配置している。これにより、ダイシングの際、該基板上方からデバイス内部への切削水等の進入を効果的に防ぐことができた。一方、該基板側方からの切削水等の進入は、前述の堰部１００により確実に防ぐことができた。尚、本実施形態では、下層基板２０を下にしてダイシングを行ったが、上層基板１０を下にして行ってもよい。但し、このときは厚めの真空吸着用のシートをダイシング装置の吸着板に敷設し、上層基板の上面側の凹凸が該シートに埋まるようにしておくことで、上層基板１０の上面側からの切削水等の浸入を防ぐことができる。勿論、この場合も該基板側方からの切削水等の浸入は、堰部１００により確実に防ぐことができる。

最後に、本実施の形態では、堰部１００を除去する必要があるため、これをレーザー照射により除去する。具体的には、ＹＡＧレーザーを用いてＭＥＭＳミラーに形成した数箇所の堰部１００に対して、発振波長は５３２ｎｍ、発振周波数は０．４ｋＨｚ以上２ｋＨｚ以下、及びレーザー出力は６Ｗ以上１０Ｗ以下という条件により、それぞれ１００ミリ秒以上１秒以下の間照射した。このとき、堰部１００を完全に除去するまで照射した場合、あるいは該デバイスの可動部と固定部との接触を絶つように堰部の一部のみを除去した場合のいずれでであっても、最終形態としての該デバイスの動作に差異はなく、良好に駆動した。以上の工程により、ＭＥＭＳミラー１が完成した。

次に、ＭＥＭＳミラー１の簡単な構成について図４Ａ乃至図４Ｃを用いて説明する。前述のとおり、ＭＥＭＳミラー１は上層基板１０と下層基板２０とで構成される。より詳細には、上層基板１０は、前述のドライプロセスにより一体成形されたものであり、サスペンションビーム４３Ａ，４３Ｂと揺動櫛歯４４Ａ,４４Ｂとミラー４１で構成された可動部と、下層基板２０の固定用パッド４９Ａ〜４９Ｇに接着された接着パッド４７Ａ,４７Ｂ,４８Ａ〜４８Ｆと固定櫛歯４５Ａ,４５Ｂで構成された固定部とからなる。そして、固定部と揺動部はヒンジ４６ａ〜４６ｈ,４６ｊ〜４６ｎ,４６ｐで接続されており、固定部と可動部とを分断するために溝部４２が設けられている。

すなわち、このＭＥＭＳミラー１は、上層側においては、シリコン基板の同一直線状に形成配置される一対のサスペンションビーム４３Ａ，４３Ｂ間にミラー４１を形成し、該直線を揺動軸としてミラー４１を揺動可能に支持する構成をとなっており、一方、下層側は、ガラス材の下層基板２０に対して、該ミラー４１が稼働しうる十分な空間５０を形成しているのである。尚、このＭＥＭＳミラースキャナには、該サスペンションビームに沿った揺動櫛歯４４Ａ,４４Ｂと、これに対向する位置に配置された固定部における固定櫛歯４５Ａ,４５Ｂによって静電駆動部が形成されており、これがミラー４１の駆動源となる。そして、このＭＥＭＳミラースキャナは、コピー機、ファクシミリ、バーコードリーダ、レーザープリンタ、共焦点顕微鏡、光ファイバ・ネットワーク構成部材、プロジェクタ用の映写ディスプレイ、背面映写ＴＶ、装着可能なディスプレイ、及び軍事用レーザー追跡・誘導システムなどに応用される重要なデバイスである。

この発明を適用した図1Ａ乃至図１Ｍに示す製造プロセスを実施して、ＭＥＭＳミラーを作製した。ここで、ＭＥＭＳミラーの平面図である図４Ｃに基づいて、デバイスの外周と連結する各溝部４２に形成した堰部について具体的に説明する。各堰部１００は、一つの溝部に対して一つだけ形成した。このとき、堰部の高さは、ＩＣＰ装置を用いた異方性エッチングによりデバイスの駆動部と一体に成形されていることから、上層基板の厚みと同じとした。一方、堰部の幅ｄ１は、完全に溝を封鎖するように溝部の幅と一致している。他方、堰部の奥行きｄ２は、５０μｍと１００μｍの２種類作成した。尚、可動部と固定部で構成させる駆動部と堰部の最短距離ｄ３は５００μｍとするように堰部を形成した。このＭＥＭＳミラーと、比較例としての上記堰部を形成しない従来のＭＥＭＳミラーとを５００個ずつ製造したときの歩留まり率をそれぞれ調査した。

その結果、堰部の奥行きｄ２がいずれの場合であっても、歩留まり率は８５％以上となり、従来の５０％に対して３５％以上向上した。尚、別の実施例として、前述の駆動部と堰部との最短距離ｄ３を７５０μｍとして５００個製造したが、この場合もＭＥＭＳミラーの駆動は良好であった。この実施例における歩留まり率９０％以上となり、従来の５０％に対して格段に向上した。

以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、上述した実施の形態はこの発明を実施するための例示にすぎない。すなわち、本実施例では特にＭＥＭＳミラー及びその製造方法について説明したが、この発明の本質がＭＥＭＳミラーのみに限定されるものでないことは、当業者であれば当然に想起しうる。尚、前述の堰部の奥行きｄ２は、実験を重ねた結果、２０μｍ以上１５０μｍ以下とすることが好ましいことが分かった。これは、２０μｍ未満では、堰部として完全に機能せず、切削水の浸入を許してしまう事例が認められたためであり、他方、１５０μｍを超えるとレーザー照射による除去時間が長くなって生産性が低下するとともに、レーザーによって飛散するシリコン材が増加してデバイス駆動部における電気的なショートの危険性が高まるためである。上記観点より、更に好ましい範囲としては、３０μｍ以上１００μｍ以下である。

また、生産性の低下は避けられないが、確実な切削水等の進入の防止という観点では、一つの溝部に対して適正な奥行きを有する堰部を複数個も受けることも本発明を適用した形態の一つであることはいうまでもない。更に、本実施の形態では、堰部の除去をレーザー照射によって行ったが、この手段に限定されることは無い。例えば、イオンビームエッチングを用いても本発明の効果は妨げられない。

この発明によるＭＥＭＳデバイスは、コピー機、ファクシミリ、バーコードリーダ、レーザープリンタ、共焦点顕微鏡、光ファイバ・ネットワーク構成部材、プロジェクタ用の映写ディスプレイ、背面映写ＴＶ、装着可能なディスプレイ、及び軍事用レーザー追跡・誘導システムなどに応用される。

，，，，，，，，，，この発明を適用した実施形態の一つであるＭＥＭＳミラーの製造プロセスフローの説明図である。この発明を適用した実施形態の一つであるＭＥＭＳミラーのダイシング加工箇所を表す全体平面図である。図２の平面図におけるダイシング加工箇所の一部（Ｚ部）を拡大した図である。この発明を適用した実施形態の一つであるＭＥＭＳミラーの完成品を示す斜視説明図である。図４ＡのＭＥＭＳミラーにおける上層基板の斜視説明図である。図４ＡのＭＥＭＳミラーにおける上層基板の上面図である。図４ＡのＭＥＭＳミラーにおける下層基板の斜視説明図である。

符号の説明

１ＭＥＭＳミラー
１０上層基板
１１，１２，２１レジストマスク,レジスト膜
１３ワックス
１４シリコン基板
１５電極パッド
１６ミラー反射面
２０下層基板
４１ミラー
４３Ａ,４３Ｂサスペンションビーム
４７Ａ,４７Ｂ,４８Ａ〜４８Ｆ接着パッド
４６ａ〜４６ｈ,４６ｊ〜４６ｎ,４６ｐヒンジ
４９Ａ〜４９Ｇ固定用パッド
５０空間
４４Ａ,４４Ｂ揺動櫛歯
４５Ａ,４５Ｂ固定櫛歯

Claims

絶縁基板上に設けたシリコン層に可動部と固定部を有するＭＥＭＳデバイスであって、
前記可動部は、前記固定部に対する固定端と少なくとも一つの結合部を除き、前記デバイスの外周まで至るように設けられた溝部によって前記固定部と分離されており、
前記結合部は、シリコン材であって、かつ前記可動部から５００μｍ以上離れた場所に前記溝部を埋めるように設けられている
ＭＥＭＳデバイス。
前記結合部は、ダイシング工程の際に切削水又は切削屑の浸入を防ぐ堰部となる
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記可動部と前記固定部と前記結合部の各シリコン材は一体の成形物である
請求項１又は２に記載のＭＥＭＳデバイス。
シリコン材を貫通するようにエッチングして、固定部と可動部を形成するＭＥＭＳデバイスの製造方法であって、
前記可動部を、前記固定部に対する固定端及び少なくとも一つの結合部を除き、前記デバイスの外周まで至るような溝部を形成して前記固定部と分離するエッチング工程と、
前記シリコン材と絶縁基板とを接合する工程と、
ダイシングにより、前記デバイスの外周を切削する工程と、
レーザーを用いて、前記可動部と前記固定部とを分断するように前記結合部の一部又は全部を除去する工程と
を行うＭＥＭＳデバイスの製造方法。
前記結合部は、前記可動部から５００μｍ以上離れた場所に設けられている
請求項４に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法。