JP2007504010A

JP2007504010A - ピラーによって支持部へ取り付けられた懸架要素を含むマイクロメカニカル装置およびその製造方法

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Publication number: JP2007504010A
Application number: JP2006524392A
Authority: JP
Inventors: ユベール、グランジュ; ムリエール、モロー; ミシェル、ボレル
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2007-03-01
Also published as: EP1658232B1; WO2005023698A8; FR2859201B1; WO2005023698A1; EP1658232A1; FR2859201A1; US20060283272A1; US7671429B2

Abstract

【課題】懸架要素と支持部の間のピラーの取り付け強度を増加したマイクロメカニカル装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】キャビティが基板の中にエッチングされ、懸架要素（１）に対面する基板表面に開口する。キャビティは、前記表面でのキャビティ断面よりも大きい断面を有する少なくとも１つの広い領域を有する。キャビティに対して相補的形状を有するピラー（２）の基部（４）は、キャビティの中に埋め込まれる。ピラー（２）の基部（４）は、基板のキャビティと一緒にダブテール・アセンブリを形成することができる。このアセンブリは、基板の表面に犠牲層を堆積し、犠牲層を通過して基板の表面に達する孔を犠牲層の中にエッチングすることによって得られる。次に、孔の延長として基板のキャビティを形成するように基板がエッチングされる。次に、ピラー（２）を形成するように設計された材料が、キャビティの中および孔の壁の上に堆積される。

Description

本発明は、基部および頂部を含むピラーによって支持部（support）へ取り付けられた少なくとも１つの懸架要素（suspended element）を含むマイクロメカニカル装置に関する。

マイクロメカニカル・システム、たとえば加速度センサは、通常、可動懸架要素または固定懸架要素を含む。これらのマイクロ・システムは、特に、０から２５ｇまでを含む範囲の加速度測定を必要とする自動車への応用で、懸架補正、運転支援、およびエアバッグ展開に使用される。加速度センサは、更に、０から２ｇまでの加速度測定を必要とするペースメーカでも使用される。

図１で示されるように、懸架要素１は、通常、ピラー２によって支持部３へ固定される。懸架要素１を支持部３へ固定する現在の方法は、支持部３の上に薄い層を成長させ、ピラー２および懸架要素１を形成する。したがって、ピラーは、支持部３と接触した基部４および懸架要素１と接触した頂部５を含む。支持部３に関して懸架要素１の機械的引張り強度は、界面、特に、一方では懸架要素１の材料とピラーの頂部５におけるピラー２の材料との間の界面、および他方では支持部３の材料とピラーの基部４におけるピラー２の材料との間の界面における材料付着力によって確保される。これらの方法は、たとえば、シリコン（Ｓｉ）の支持部３の上に電気絶縁材料、たとえばチッ化シリコン（ＳｉＮ）で作られたピラー２を成長させるために使用される。これらの材料の間の機械的強度は、特に、超過圧力がマイクロシステム内で加えられた場合、たとえば懸架要素１の振動を減衰することが要求される場合、または流量計の場合に不十分である。
米国特許第５，５０１，８９３号

本発明の目的は、これらの欠点を取り除くこと、特に、懸架要素を含むマイクロメカニカル・システムの機械的強度を増加させることである。

本発明によれば、この目的は、添付の請求項、更に具体的には、支持部がキャビティを含む事実によって達成される。このキャビティは、基板の中にエッチングされ、懸架要素に対向する基板の表面上で開口している。このキャビティは、前記表面におけるキャビティの断面よりも大きい断面を有する少なくとも１つの広領域を有し、キャビティに対して相補型形状を有するピラーの基部がキャビティの中に埋め込まれている。

他の利点および特徴は、本発明の具体的実施形態の以下の説明から明瞭となるであろう。これらの実施形態は、非限定的な例として与えられ、添付の図面で示されている。

図２で示されるマイクロメカニカル装置において、ピラー２の基部４は、支持部３の相補型キャビティ６の中に埋め込まれ、支持部３のキャビティ６の中に、より広い断面領域を含み、好ましくは支持部３のキャビティ６と一緒にネールヘッド（釘頭）（mail heading）型またはダブテール（蟻継ぎ）・アセンブリ（dovetail assembly）を形成する。したがって、支持部３へのピラー２の取り付けは、付着力による従来の取り付けよりも強い。ピラー２を形成するように設計された材料は、導電性材料、たとえばシリコン、またはＳｉＮタイプの絶縁化合物であってよい。

図３において、ピラー２の頂部５も、懸架要素１の第１の相補型キャビティ７の中に埋め込まれる。ピラー２の頂部５は、懸架要素１の第１のキャビティ７の中に、より広い断面領域を含み、たとえば、懸架要素１の第１のキャビティ７と共にネールヘッドまたはダブテール・アセンブリを形成する。したがって、支持部３上への懸架要素１の取り付けも、良好な機械的強度を与える。

図４から図１２で示される装置の製造方法は、通常のステップ、たとえば、薄い層の堆積およびエッチング、並びに、たとえば傾斜したエッチング側面を生成する特別のエッチング・ステップを含む。図４で示されるように、好ましくはシリコンで形成される支持部３の表面の上に、犠牲層８、実体層９、および追加の犠牲層１０が連続的に堆積される。犠牲層８の厚さは、支持部３と懸架要素１との間の最終距離を決定する。たとえば、層の厚さは、犠牲層８では２μｍ、実体層９では３２０ｎｍ、および追加の犠牲層１０では７０ｎｍである。犠牲層８および１０は、好ましくはシリカで形成され、実体層９はシリコンで形成される。層の積み重ねは、たとえば、シリコン層とシリコン基板との間に配列されたＳｉＯ２層を有するシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）タイプの基板によって形成可能である。

次に、追加の犠牲層１０、実体層９、および犠牲層８（図５および図６）によって形成された積層の中に、孔１１がエッチングされる。図５で示されるように、追加の犠牲層１０の中に傾斜エッチング側面を作り出すように追加の犠牲層１０をエッチングすることができ、孔１１の頂部部分が下方へテーパとなって、それにより追加の犠牲層１０の頂部部分に、より広い領域を形成する。追加の犠牲層１０のエッチングは、たとえばフッ化水素酸をベースとした溶液およびフォトレジスト・マスクを使用するウェットエッチング、あるいは、ＳＦ６を使用する等方性ドライプラズマエッチングによって達成可能である。

図６で示されるように、層８および９へほぼ垂直なエッチング側面を作り出すように、実体層９および犠牲層８をエッチングすることができる。孔１１は犠牲層８の全体を通過して支持部３の表面へ達する。これは、たとえば約３μｍの孔の深さに対応する。

次に、図７で示されるように、孔１１の延長として、支持部３がエッチングされ、それにより支持部３のダブテール形キャビティ６を形成する。したがって、孔は深い所で広い。そのようなエッチングは、特に、特許文献１で説明されたプラズマ・エッチング・プロセスによって達成可能である。このプロセスは、２つのステップ、即ちパッシベーション・ステップとエッチング・ステップとを交互に使用する。パッシベーション・ステップは、エッチングされるべき支持部３の上、特にエッチング側面および底の上に、ポリマ（Ｃ４Ｆ８ベース）の保護層を堆積することからなる。エッチング・ステップは、ポリマ層および支持部３のエッチングを可能にするＳＦ６プラズマ・エッチングを使用する。支持部３へ印加された電圧は、支持部３の方向へＳＦ６イオンを加速し、底のエッチングを増幅するが、側面は保護ポリマ層によって保護される。したがって、エッチングされたキャビティ６は、支持部３の表面よりも深い所で広くなる。エッチングおよびパッシベーション・パラメータ、特に圧力、反応ガス、たとえばＳＦ６およびＣ４Ｆ８の流量およびサイクルタイム、およびシリコン支持部へ印加される電圧の調整によって、垂直なエッチング側面を取得することができる。しかし、エッチングされたキャビティ６は、支持部３の表面よりも深い所で広くなる。この負の傾斜を有する形状は、幾つかのパラメータを調整することによって、たとえば、パッシベーション・タイムと比較してエッチング・タイムを増加することによって、または支持部３へ加えられる圧力および／または電圧を調整することによって取得可能である。

支持部３のキャビティ６がエッチングされた後、ピラー２を形成するように設計された材料１２が、支持部３のキャビティ６中および孔１１の少なくとも壁上に堆積される（図８）。図８において、好ましくは電気絶縁体、たとえばＳｉＮである材料１２が、更に、追加の犠牲層１０の上に堆積される。図９で示されるように、追加の犠牲層１０の上に堆積された材料１２は、ポリシングまたはプラズマ・エッチングによって除去可能である。

次に、追加の犠牲層１０が、たとえばウェット・エッチングによって除去され（図１０）、懸架要素１を形成するように設計された材料１３、好ましくはＳｉが実体層９とピラー２を形成する材料１２との上に堆積され、それによって、孔１１を充填する（図１１）。層９は、更に、材料１３の支持部としても作用する。これは、特に、材料１３がエピタキシによって堆積される場合である。こうして、層９は材料１３へ緊密に付着され、それとともに懸架要素を形成する。次に、材料１３はポリシングまたはエッチングによって滑らかにされ、次に犠牲層８が除去される（図１２）。

犠牲層８をエッチングした後、次に懸架要素がピラー２によって支持部３の上に取り付けられる。取り付けの頑強性は、材料の固有の付着性品質に依存するだけでなく、より広い断面領域、および、たとえばダブテールまたはネールヘッド・タイプの領域を有するアセンブリによって向上される。

図８〜図１２で示された実施形態は、たとえば、２μｍよりも大きい外側横方向寸法を有するピラー２、および１μｍよりも小さな厚さを有する材料１２の層を達成するために使用可能である。したがって、図８〜図１２で示されるように、材料１２の層はキャビティ６を充填し、孔１１の壁を被覆する。

図１３〜図１７で示される他の実施形態において、ピラー２を形成するように設計された材料１２は、孔１１を完全に充填することができる。これは、たとえば、ピラー２の外側横方向寸法が、ピラー２を形成する材料１２の層の厚さの半分よりも小さい場合である。

図１３において、絶縁材料１２は、孔１１を充填して追加の犠牲層１０を被覆するように堆積される。材料１２がポリシングされ（図１４）、追加の犠牲層１０が、たとえばエッチングによって除去された後（図１５）、懸架要素１を形成するように設計された材料１３を実体層９上およびピラー２上に堆積して（図１６）、それによりピラー２の頂部５とともにダブテール・アセンブリを形成することができる。次に、犠牲層８を除去することができる（図１７）。

装置の全ての固定および除去可能部品をカバーするように設計されたカバー１４が追加される場合、更に、ダブテール・アセンブリによってカバー１４を懸架要素１へ固定することもできる。図１８において、装置は、カバー１４に垂直な追加のピラー１５と一体的なカバー１４を含む。カバー１４の反対側にある追加のピラー１５の基部１６は、懸架要素１の第２の相補型キャビティ１７の中に埋め込まれる。追加のピラー１５の基部１６は、懸架要素１の第２のキャビティ１７の中で広くなっており、好ましくは、懸架要素１の第２のキャビティ１７とともにダブテール・アセンブリを形成する。

追加のピラー１５と懸架要素１との間にあるダブテールまたはネールヘッド・アセンブリは、支持部３とピラー２との間のアセンブリと同じ方法で達成可能である。したがって、懸架要素１は、ダブテールまたはネールヘッドの形態で懸架要素１の第２のキャビティ１７を形成するようにエッチングされる。次に、追加のピラー１５の基部１６を形成するように設計された材料が、懸架要素１の少なくとも第２のキャビティ１７の中に堆積される。

特定の実施形態において、カバー１４と一体になった追加のピラー１５の基部１６を構成する材料は、絶縁材料、たとえばＳｉＮであり、それによりカバー１４と懸架要素１との間の電気伝導を防止する。

他の実施形態において、懸架要素１と追加のピラー１５との界面に、たとえばＳｉＮから作られた電気絶縁層１８を堆積することができる。カバー１４と懸架要素１との間に電気的連続性があっても不都合ではなく、むしろ望ましく、層１８は不必要である。

本発明によれば、支持部３のキャビティ６は基板内でエッチングされ、懸架要素１に対向する基板の表面上に開口する。前述したように、支持部を形成する基板の上に、他の層を堆積することができる。キャビティ６は、前記表面におけるキャビティ６の断面よりも大きい断面を有する少なくとも１つの広い領域を有する。前述した実施形態において、この広い領域は、ピラー２の基部４および支持部３のキャビティ６がダブテール・アセンブリを構成するような方法で形成される。

図１９で示される詳細な実施形態において、キャビティ６の２つの広い領域は、２つの重複溝１９によって形成される。ピラー２の基部４は、前記溝１９と相補的な少なくとも２つのリブ２０を含む。約１マイクロメートルの直径を有するキャビティ６については、支持部３に対して垂直な軸Ａに沿った１つの溝１９の高さは、好ましくは０．２７から０．３４マイクロメートルまでの間である。支持部３の平面における溝の深さは、好ましくは０．１から０．３マイクロメートルまでの間である。溝１９の数は２つよりも多くてよい。したがって、支持部３と実質的に垂直な側面を有し、側面の輪郭が溝１９に対応して波の形状を有するキャビティ６が得られる。他の実施形態においては、側面が上記のものと同じく波の形状であり、ダブテールを形成するように支持部３に関しては傾斜している。

溝１９は、パッシベーション・ステップとエッチング・ステップとを交互に使用する既知の方法で達成可能である。その場合、ＳＦ６プラズマを使用するエッチング・ステップの間に、Ｃ４Ｆ８含有量を低減または除去することができる。ピラー２を形成するために、キャビティ６は、好ましくはチッ化シリコンＳｉＮで充填される。充填は完全に行われ、ピラー２と基板との間には全く空間を残さない。得られた装置のピラー２は頑強に取り付けられ、ピラーに加えられた横方向の力の効果に基づいて破壊され、ピラー２がキャビティ６の外へ出ることはない。

従来技術に従った装置を示す図である。本発明に従った装置の詳細な実施形態を示す図である。本発明に従った装置の詳細な実施形態を示す図である。本発明に従った方法の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が、孔を充填することなく孔の壁の上に堆積される図である。本発明に従った方法の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が、孔を充填することなく孔の壁の上に堆積される図である。本発明に従った方法の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が、孔を充填することなく孔の壁の上に堆積される図である。本発明に従った方法の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が、孔を充填することなく孔の壁の上に堆積される図である。本発明に従った方法の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が、孔を充填することなく孔の壁の上に堆積される図である。本発明に従った方法の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が、孔を充填することなく孔の壁の上に堆積される図である。本発明に従った方法の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が、孔を充填することなく孔の壁の上に堆積される図である。本発明に従った方法の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が、孔を充填することなく孔の壁の上に堆積される図である。本発明に従った方法の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が、孔を充填することなく孔の壁の上に堆積される図である。本発明に従った方法の他の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が孔を充填する図である。本発明に従った方法の他の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が孔を充填する図である。本発明に従った方法の他の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が孔を充填する図である。本発明に従った方法の他の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が孔を充填する図である。本発明に従った方法の他の詳細な実施形態の連続的ステップを示す図であって、ピラーを形成するように設計された材料が孔を充填する図である。本発明に従った装置の詳細な実施形態を示す図であって、追加のピラーと一体的なカバーを含む図である。本発明に従った装置の他の詳細な実施形態を示す図である。

符号の説明

１懸架要素
２ピラー
３支持部
４基部
５頂部
６キャビティ
７キャビティ
８犠牲層
９実体層
１０犠牲層
１１孔
１２材料（電気絶縁体）
１３材料（好ましくはＳｉ）
１４カバー
１５ピラー
１６基部
１７キャビティ
１８電気絶縁層
１９溝
２０リブ
Ａ支持部に垂直な軸

Claims

基部（４）および頂部（５）を含むピラー（２）によって支持部（３）へ取り付けられた少なくとも１つの懸架要素（１）を含むマイクロメカニカル装置であって、
前記支持部（３）は、基板内にエッチングされ、前記懸架要素（１）と対向する前記基板の表面上に開口したキャビティ（６）を含み、該キャビティは、該基板表面での前記キャビティ（６）の断面よりも大きい断面を有する少なくとも１つの広い領域を有し、前記キャビティ（６）に対して相補的形状を有する前記ピラー（２）の前記基部（４）は前記キャビティ（６）内に埋め込まれていることを特徴とするマイクロメカニカル装置。
前記ピラー（２）の前記基部（４）および前記支持部（３）の前記キャビティ（６）はダブテール・アセンブリを形成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記キャビティ（６）の少なくとも２つの広領域は、少なくとも２つの重複溝によって形成され、前記ピラー（２）の前記基部（４）は、前記溝に対して相補的な少なくとも２つのリブを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ピラー（２）の前記頂部（５）は前記懸架要素（１）の第１の相補型キャビティ（７）の中に埋め込まれ、前記ピラー（２）の前記頂部（５）は、前記懸架要素（１）の前記第１の相補型キャビティ（７）の中に広い断面を有する領域を含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置。
前記ピラー（２）の前記頂部（５）および前記懸架要素（１）の前記第１のキャビティ（７）がダブテール・アセンブリを形成することを特徴とする請求項４に記載の装置。
追加のピラー（１５）と一体化されたカバー（１４）を含み、該カバー（１４）の反対側にある前記追加のピラー（１５）の基部（１６）が、前記懸架要素（１）の第２の相補型キャビティ（１７）の中に埋め込まれ、前記追加のピラー（１５）の前記基部（１６）は、前記懸架要素（１）の前記第２の相補型キャビティ（１７）の中に広い断面を有する領域を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の装置。
前記追加のピラー（１５）の基部および前記懸架要素（１）の前記第２のキャビティ（１７）はダブテール・アセンブリを形成することを特徴とする請求項６に記載の装置。
前記懸架要素（１）と前記追加のピラー（１５）との界面に配列された電気絶縁層（１８）を含むことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の装置。
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のマイクロメカニカル装置を製造する方法であって、
前記支持部（３）の表面上に少なくとも１つの犠牲層（８）を堆積し、
前記犠牲層（８）を通過して前記支持部（３）の表面に達する孔（１１）を前記犠牲層（８）中にエッチングし、
前記孔（１１）の延長として前記支持部（３）のダブテール形キャビティ（６）を形成するように前記支持部（３）をエッチングし、
前記支持部（３）の前記ダブテール形キャビティ（６）中、および前記孔（１１）の少なくとも壁上に、前記ピラー（２）を形成するように設計された材料を堆積することを具備したことを特徴とする方法。
前記孔（１１）をエッチングする前に、前記犠牲層（８）上に実体層（９）および追加の犠牲層（１０）を堆積し、
前記追加の犠牲層（１０）、前記実体層（９）、および前記犠牲層（８）によって形成された積層の中に前記孔（１１）のエッチングを実行し、前記孔（１１）が前記追加の犠牲層（１０）中に広領域を含み、
前記ピラー（２）を形成するように設計された材料（１２）を堆積した後、前記追加の犠牲層（１０）を除去し、
前記実体層（９）および前記ピラー（２）を形成する材料（１２）の上に、前記懸架要素（１）を形成する材料（１３）を堆積し、
前記犠牲層（８）を除去することを具備したことを特徴とする請求項９に記載の方法。
前記懸架要素（１）中にダブテールの形態の第２のキャビティ（１７）を形成するように前記懸架要素（１）をエッチングし、
前記懸架要素（１）の前記第２のキャビティ（１７）の中に、カバー（１４）と一体化された追加のピラー（１５）の基部（１６）を形成するように設計された材料を堆積することを具備したことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
前記ピラー（２）を形成するように設計された前記材料（１２）は、前記孔（１１）を充填するように堆積されることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の方法。