JP2006500232A - 形成方法及びマイクロメカニックスの構成要素 - Google Patents

Abstract

本発明は、マイクロメカニックスの構成要素の形成のための方法及びマイクロメカニックスの構成要素を提供し、この場合に多孔性のシリコン（６）を犠牲層として用いて、該犠牲層のエッチング除去によって機能層（１３０）を露出形成する。

Description

本発明は、マイクロメカニックスの構成要素の形成方法及びマイクロメカニックスの構成要素に関する。平面マイクロメカニックス構造の自由に運動可能なマイクロパターン形成部は、通常は犠牲層技術を用いて成形される。このために基板上にシリコン、犠牲層を形成し、必要に応じてパターン形成するようになっている。この場合に犠牲層として例えば二酸化珪素を用いている。犠牲層の分解、例えばドライエッチング、気相エッチング、若しくはウエット化学エッチングによって機能層は基板から分離されて、自由に運動できるようになる。機能層は１つの箇所若しくは複数の箇所で基板に懸架されていて、たわむ若しくは振動するようになっている。このように自由に運動可能な支持されたパターン成形部は例えばマイクロビームとして用いられ、マイクロビームの端部に、走査型顕微鏡（AFM[原子間力顕微鏡]やSTM[走査トンネル顕微鏡]等）の探針を配置して、表面を走査するようになっている。このようなマイクロメカニックスのパターン形成分の別の使用はセンサーにあり、該センサーはマイクロビーム（微細梁）上への分子の吸引に関連してマイクロビームのたわみに基づき化学的な物質濃度を検出するようになっていて、従って人造ノーズと呼ばれている。さらにマイクロビームは、光学のマイクロミラーのためのアクチュエータとして使用され、この場合に、マイクロミラーは光学式のスイッチ若しくはフィルタなどとして利用される。さらにマイクログリッパとしての使用も可能である。

多孔性のシリコンを形成することは公知である。この場合に、シリコン基板として形成された半導体基板は、フッ化物含有の溶液内で電気化学式のエッチングによって多数の孔を設けられ、これによって基板の、微小孔の設けられた領域は多孔性のシリコンとして形成される。

本発明に基づく方法及び該方法によって製造されたマイクロメカニックス（マイクロマシン）の構成要素は、公知技術に対して、多孔性のシリコンの領域若しくは多孔性の基板材料の領域を犠牲層として用いることによって有利である。１つの実施態様では、まず機能層を設けて、次いで基板を機能層の下側で電気化学的なウエットエッチングによって孔を介してサイドエッチングされ、この場合に最終のプロセスとして多孔性の基板領域は希釈されたアルカリ性溶液内で溶解され、これによって機能層は分離され、即ち下面を露出される。このような過程は特に図３及び図４に示してある。

さらに本発明の実施態様では、第１の工程でフッ化物含有の溶液内での電気化学式のエッチングによってシリコン基板の表面に多孔性の領域を形成し、かつ第２の工程で例えばシリコンから成る機能層を設ける。選択的に多孔性の領域に機能層のほかに、例えば機能層に電圧を生ぜしめるために、若しくはアクチュエータエレメント又はセンサーエレメントを機能層に組み込むため或いは機能層と接触させるために、例えば窒化珪素若しくは金属等から成る別の層を基板上に設けることも可能である。次いでさらに多孔性の層を最適に酸化させることも可能である。この場合に機能層は、図１及び図２に示してあるように、多孔性の領域上に、所定の形状で、即ち例えば１つのビーム若しくは梁を形成するようにパターン形成され、該ビーム若しくは梁は後に多孔性の領域を例えばエッチング除去によって基板から分離された状態では所定の箇所で基板と直接に若しくは間接的に結合されている。第３の工程で犠牲層は溶解され若しくは遷移される。多孔性の領域のこのような溶解若しくはエッチング除去は、例えば希釈されたKOH-溶液若しくはTMAH-溶液(Tetramethylammoniumhydroxid, (CH3)4NOH)によって行われる。酸化された多孔性のシリコンの場合には、多孔性の領域のエッチング除去は、フッ化水素酸（HF）若しくはBHF(緩衝性のHF、粘性のフッ化水素酸)内で若しくはフッ化物含有の溶液内で行われる。

犠牲層として二酸化シリコンの利用に比べて多孔性のシリコンの使用においては利点として、多孔性のシリコンのエッチングは、熱処理により生じる酸化シリコンの厚さよりも深く行われる。さらに、多孔性の領域、即ち犠牲層の形成を時間的に機能層の形成の前に行う場合には、機能層の形成の後にウエット化学エッチングを用いる必要がない。図３及び図４に示すようにまず機能層を形成し、次いで多孔性のシリコン領域を形成する工程では、図１及び図２の実施例と異なる経過は機能層からの別の分離層、例えば二酸化シリコンを必要とする。これに対してシリコンの電気化学的な多孔質化は、半導体製造に組み込まれる局所的なドープによっても行われ得る。多孔性の領域の製造の後に機能層の製造に際して電子回路を製造過程内でマイクロメカニックスの構成要素に埋め込むことも可能であり、この場合に、例えばSOI-ウエハ(silicon on insulator)のような特殊なウエハは不要である。

従属請求項に記載の手段によって、主請求項に記載の方法の有利な実施態様が可能である。

特に有利には、まず多孔性の領域を、次いで機能層を形成し、これによって製造プロセスの操作は簡単になり、機能層の形成の後にもはや湿式の化学処理の工程は不要になり、パターン形成は有利に行われる。機能層の形成の後に多孔性の領域を形成する場合には、等方性のプロセス工程である多孔性領域の形成に際して、ノーズを形成してしまい、ノーズは運動可能なパターン形成部の縁部で該パターン形成部の懸架の妨げになる。孔を形成しないようにドープされた第１の領域を形成して、次いで多孔性の領域を形成すると有利である。これによって、多孔性の領域を簡単にパターン形成できる。機能層の下側の多孔性の領域は乾式化学エッチングによって有利に除去される。これによってマイクロメカニックスの構成要素の製造は簡単になる。さらに有利には、多孔性の領域は多孔性の第１の部分領域と多孔性の第２の部分領域を含んでおり、この場合に多孔性の第２の部分領域は高い多孔性を有しており、熱処理により多孔性の第２の部分領域内に１つの中空室を形成し、多孔性の第２の領域はカバー層若しくは被覆層として残されている。機能層は、次いでトレンチ式エッチング法を用いて下面を露出され、即ち運動可能にされる。

本発明の実施例を図面に示し、以下に詳細に述べる。図面において、
図１は本発明に基づく第１の製造方法を示しており、
図２は本発明に基づく第２の製造方法を示しており、
図３は本発明に基づく第３の製造方法を示しており、
図４は図３の製造方法に基づくマイクロメカニックスの構成要素を示す図である。

図１には、例えば原子間力顕微鏡(AFM)用のマイクロビーム（微細ビーム）の製造のための本発明に基づく第１の製造方法を示してある。原子間力顕微鏡は図１ｃ及び図１ｄに符号１３２で示す探針（尖り部）を備えており、該探針は自由に突出する、即ち片持ち式のマイクロビームに結合されており、マイクロビームは所定の限度内で運動可能であり、運動させられるようになっている。本発明に基づく製造方法によって別のマイクロメカニックス（微小構造若しくは微小機構）のパターンを形成することも、可能である。このための例はマイクロメカニックスのセンサー、例えば回転レートセンサー若しくは直線形の加速度センサーであり、このようなセンサーはばね部材の機能層に取り付けられた質量を有しており、該質量の位置は外部の加速若しくは回転レートに依存して変化する。

図１には図１ａ乃至図１ｄに、本発明に基づくマイクロメカニックスの構成要素の異なるプロセス段階を示してあり、それも左側に、本発明に基づく方法により製造された基板の断面を示し、かつ右側に同方法により製造された基板の平面を示してある。図１ａに半導体基板１００を示してあり、該半導体基板はドープされた第１の領域１０２を有していて、基板表面の部分領域をマスク層１１０によって覆われている。基板１００は本発明に基づき特に、正電荷ドープされたシリコン基板１００であり、該シリコン基板内には局所的な負電荷ドープを第１の領域１０２に施してある。異なる例として若しくは付加的な処置として、基板１００は例えば窒化物マスク(Si_３N_４)として形成された被覆層１１０によって覆われている。基板１００のこのような被覆によって、多孔質化されるべき箇所が規定される。図１ｂには本発明に基づく半導体基板１００は、多孔性の領域１０６の形成した状態で示してある。該領域は、フッ化物含有の溶液で電気化学的に多孔質化されたシリコンを、該領域１０６の犠牲層として設けることによって形成される。多孔性の層若しくは多孔性の領域１０６の代表的な層厚さは１μｍと１００μｍとの間である。多孔性の層１０６若しくは多孔性の領域１０６はさらにオプショナルにドープされてよい。窒化物マスク１１０は同じエッチング浴内で除去されてよい。

図１ｃでは半導体基板１００上に本発明に基づくマイクロメカニックスの構成要素が認められる。該マイクロメカニックスの構成要素は機能層を備えており、該機能層は片持ち式の領域を有しており、該領域は例えば運動でき、若しくは所定の温度に加熱され得るようになっている。このためにマイクロメカニックスの構成要素の機能層は、図１に符号１３０で示してあるように、少なくとも部分的に突出するように設けられている。図示の実施例では、マイクロメカニックスの構成要素は原子間力顕微鏡の探針を形成している。このために、例えばエピタキシャルシリコン若しくは多結晶シリコンから成る機能層１３０は、自由に突出する先端の領域を有しており、該領域に原子間力顕微鏡の探針１３２を配置してある。機能層１３０は次のように形成され、即ち、シリコン基板１００、特に多孔性の領域１０６上に機能層１３０、特に結晶若しくは多結晶のシリコンを析出する。半導体技術によって公知の別の手段を用いて、機能層１３０と協働する別の層を形成してもよい。図１に示す例では、符号１４０で示すパターン形成領域としてのシリコン窒化物層を設けてある。さらにアルミニウム層を別のパターン形成領域として設けてあり、該領域は符号１４２で示して構成要素上に設けられ、機能層１３０と協働している。アルミニウム層１４２は、シリコン窒化物層１４０への信号伝送若しくはシリコン窒化物層からの信号伝送に用いられ、シリコン窒化物層は例えば機能層１３０の加熱のために用いられる。機能層１３０と協働する層１４０，１４２は本発明に基づき特にセンサーエレメント若しくはアクチュエータエレメントとして設けられており、センサーエレメント若しくはアクチュエータエレメントは例えばマイクロビームを特に所定電圧でたわめる。機能層１３０もこれと協働する層１４０，１４２も、所望の形状を得るためにパターン形成される。

次の製造工程で、多孔性の層１０６若しくは多孔性の領域１０６は溶解除去され、これによって機能層１３０は下面を少なくとも部分的に露出されて、自由に突出している。該製造工程の結果は図１ｄに示してある。この場合に、多孔性の領域１０６はほぼ完全に取り除かれ、従って多孔性の領域１０６は犠牲層とも称される。このように溶解除去された領域は、図１ｄには符号１０８で示されている。犠牲層１０６の溶解除去により、機能層１３０は下面を露出されている。このことはシリコンの場合には希釈されたアルカリ溶液、例えばKOH若しくはTMAHを用いて行われてよい。酸化された多孔性のシリコンの場合には、フッ化物含有の溶液、例えばＨＦ若しくはＢＨＦが適している。これら両方の例にはドライエッチング、例えばＳＦ_６(六フッ化硫黄)による反応性イオンエッチングを用いることができる。多孔性の層１０６の孔の小さい壁厚さに基づき、シリコンから成る同じ厚さの中実の層のエッチングよりも複数倍の速さで行われ該多孔性の層の溶解除去によって、機能層１３０は下方から部分的に基板１００を取り除かれ、若しくははがされて、従って自由に突出している。所定のバイアス電圧によって機能層は基板面から離反する方向へたわめられるようになり、例えば原子間力顕微鏡探針のためのばねビームとして用いられる。このことは、図１ｄに矢印１２９によって示してある。

図２には、本発明に基づく製造方法の第２の実施例を示してある。この場合にも基板１００及びドープされた第１の領域１０２を設けてあり、該領域は後で形成すべき多孔性の領域の画定のために用いられる。該基板１００は第２の実施例でも本発明に基づき特に正電荷ドープされたシリコン基板として設けられている。ドープされた第１の領域１０２は同じく、局所的な負電荷ドープの領域として設けられている。多孔性の領域の画定のためのドープされた第１の領域１０２に対する変化例として、図２に符号１１０で示す窒化物マスクのみをカバー層１１０として設けることも可能である。全体的に、ドープされた第１の領域１０２及び／又はカバー層１１０によって、多孔質化すべき領域は規定（画定）される。該多孔質化すべき領域は第２の実施例では表面に数μｍの深さで強い負電荷ドープを施されている。これによって基板１００に、図２ａに符号１０３で示す領域が生じ、該領域は前述のように基板内に数μｍの深さまでしか達していない。該領域の強い負電荷ドープは例えば１０^１９ｃｍ^−３である。図２ｂには、基板１００は多孔性の領域を形成した状態で示してある。該多孔性の領域は、本発明に基づくマイクロメカニックスの構成要素の第２の実施例では、図１に示す例のように同形の唯一の領域１０６によって形成されているのではなく、多孔性の第１の部分領域１０３と多孔性の第２の部分領域１０４とに分割されている。まとめて両方の部分領域１０３，１０４は以下において多孔性の領域１０６とも称する。多孔性の第１の部分領域１０３は、シリコン基板１００の表面的な強い負電荷ドープの領域に相当しており、該領域は図２ａに同じく符号１０３で示してある。

半導体基板製造のための図２ｂに示す製造工程で、フッ化物含有の溶液内で電気化学的に多孔質化されたシリコンは、犠牲層として形成され、この場合に多孔性の領域１０６の代表的な層厚さは１μｍと１００μｍとの間である。強い負電荷ドープの領域１０３、即ち多孔性の第１の領域１０３は多孔性のシリコンのエッチング特性に基づき多孔性の第２の領域１０４よりも低い多孔性を有しており、該第２の領域は基板１００の弱く負電荷ドープされた領域内に配置されている。類似の若しくは高い効果は、基板領域１０３，１０４の異なるドープのほかに、多孔質化中の電流強さ若しくは電流密度の変化によって達成される。多孔性の第２の領域１０４内では多孔性のシリコンは第１の領域１０３内よりも高い多孔性を有している。多孔性の全領域１０６の多孔性の第２の部分領域１０４に高多孔性の１つの層だけを形成する代わりに、さらに高い電流によって多孔性の第２の部分領域１０４のシリコン材料を電解研磨して、多孔性の第１の層１０３の下側に１つの中空室を形成することも可能である。このことはしかしながら付加的な手段である。多孔性の両方の層１０３，１０４は選択的な手段として酸化されてよい。カバー層１１０としての窒化物マスク１１０は、多孔性の層１０３，１０４の形成に際して剥がされてよい。第２の実施例では続いて多孔質化を行い、多孔性の領域の多孔性の部分層をほぼ９００℃乃至１１００℃の高い温度で大気圧の水素雰囲気内にさらす。これによって、多孔性の第２の部分領域１０４の高多孔性の層は分解されるものの、電解研磨工程を行わない限りまだ存在している。該過程によって多孔性の第２の部分層１０４の該領域は中空室若しくは空洞を成し、図２ｃに符号１０７で示してある。多孔性の第１の部分領域１０３とも呼ばれる上側の弱くドープされた低多孔性の層１０３は、前記過程によってカバー層１０５を成している。この場合、カバー層１０５の孔はほぼ閉じている。

中空室１０７の形成に続いて、本発明に基づく機能層１３０は補助層を含めて、若しくは機能層と協働する層１４０，１４２を含めて、図１に示す実施例と類似の方法でパターン形成される。機能層１３０は同じく、特にシリコンから成るエピタキシャル層としてか、若しくは多結晶層として設けられている。機能層１３０若しくはこれと協働する層１４０，１４２は、図１の実施例と同様に所望の形状でパターン形成される。このことは有利にはドライエッチング、例えばＳＦ_６による反応性イオンエッチングによって行われる。機能層及びカバー層１０５のエッチング、特にトレンチエッチングによって機能層１３０は基板１００から分離され、これによって下面を露出し、従って自由に突出している。機能層１３０の所定のバイアス電圧によって、機能層は基板面から離反する方向へたわめられるようになり、例えば原子間力顕微鏡のためのばねビームとして用いられる。

図３には本発明に基づく第３の製造方法を示してある。本発明に基づく前述の両方の製造方法と異なって、第３の製造方法においては、まず機能層１３０を形成し、次いで多孔性のシリコンの領域を形成するようになっている。この場合には、機能層１３０の形成の後に多孔性のシリコンの形成のための湿式の化学的なプロセス工程を実施しなければならない。図３ａでは、基板１００は熱性のシリコンからなる表面の層１０１を備えている。該基板はシリコン基板である。熱性のシリコン酸化膜層の上に本発明に基づき機能層１３０を設けてあり、該機能層は続いてパターン形成され、このことは図３ｂに示してある。図３に示す第３の製造方法では機能層１３０の形成に続いて、多孔性のシリコン領域を形成し、該シリコン領域は符号１０６で示してある。この場合に機能層１３０の図３ｃに符号１３１で示す構成部分の下側に、基板材料の突起部９９を形成している。前記構成部分は下面を露出されて基板から自由に解放されている。続く製造工程で図３ｃの多孔性のシリコン１０６の領域は、結果を図３ｄに示してあるように、湿式の化学的なプロセスによって除去されて中空室の領域をなし、該領域は図３に符号１０８で示してある。該領域は機能層１３０の下側にサイドエッチングされた領域を有しており、該領域は図３ｄに符号１３５で示されている。

図４には、図３に示す第３の製造方法に基づく本発明のマイクロメカニックスの構成要素を平面で示してある。基板１００には機能層１３０並びに、本発明に基づく構成要素の形成のために犠牲層として用いられる多孔性のシリコン層１０６からエッチングによって形成された領域を設けてある。機能層１３０は図４に示すようにマイクロビームを有しており、該マイクロビームは機能層の下面を露出された、即ち基板から分離して解放された領域１３１によって成形されている。図３に示す断面図は図４の線Ａ−Ａに沿ったものである。図４には切欠き若しくは凹設部１０８のサイドエッチングされた領域１３５も描かれている。多孔性のシリコン領域１０６を等方性エッチングによって形成することに基づき、機能層の、基板から解放された前記構成部分（パターン形成部分）の下側には、図４に符号１３６で示す突起部が形成されている。このことは、機能層１３０を形成した後に多孔性の領域１０６を形成する場合に生じる。機能層の、基板から解放された前記構成部分は、機能層１３０の、基板１００へ結合される領域と機能層の該構成部分１３１との間の移行部分を直線的に規定した場合に比べて、突起部１３６の領域では狭めて画定されている。

本発明に基づく第１の製造方法を図 本発明に基づく第２の製造方法を図 本発明に基づく第３の製造方法を図 図３の製造方法に基づくマイクロメカニックスの構成要素を示す図

符号の説明

１００ 半導体基板、 １０２ 領域、 １０５ カバー層、 １０６ 領域、 １０７ 中空室、 １０８ 領域、 １１０ マスク層、 １３０ 機能層、 １３１ 構成部分、 １３２ 探針、 １４０ シリコン窒化物層、 １４２ 層、 １４２ 領域

Claims (9)

1. 犠牲層によってマイクロメカニックスの構成要素を形成するための方法において、シリコン基板（１００）にパターン形成された多孔性の領域（１０６）を形成し、かつ該多孔性の領域（１０６）の上に機能層（１３０）を形成し、次いで機能層（１３０）の下面を露出させ、この場合に多孔性の領域（１０６）を少なくとも部分的に犠牲層として用いることを特徴とする、マイクロメカニックスの構成要素を形成するための方法。
2. まず多孔性の領域（１０６）を、次いで機能層（１３０）を形成する請求項１に記載の方法。
3. 多孔性の領域（１０６）を次のようにパターン形成し、即ちドープされて多孔質化されることのない第１の領域（１０２）を基板（１００）に形成し、次いで多孔性の領域を形成する請求項１又は２に記載の方法。
4. 機能層（１３０）をパターン形成し、かつ多孔性の領域（１０６）の上に、前記機能層（１３０）と協働する別の層（１４０，１４２）を形成する、特にパターン形成する請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 機能層（１３０）の下側の多孔性の領域（１０６）をドライ化学エッチングによって除去する請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 多孔性の領域（１０６）が多孔性の第１の部分領域（１０３）と多孔性の第２の部分領域（１０４）とを含んでおり、熱処理により中空室（１０７）を多孔性の第２の部分領域（１０４）内に形成し、この場合に多孔性の第２の部分領域（１０３）内のカバー層（１０５）を保っている請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 機能層（１３０）の下面を露出させるために、少なくともカバー層（１０５）を少なくとも部分的にエッチングする請求項６に記載の方法。
8. まず機能層（１３０）を形成し、次いで該機能層（１３０）の下側に多孔性の領域（１０６）を形成する請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の方法に基づき製造されたマイクロメカニックスの構成要素を特徴とする、マイクロメカニックスの構成要素。

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