JP2008072125A - 懸架素子を実現するための犠牲層の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】犠牲層の実現方法を提供する。
【解決手段】所定の容積を占めるリソグラフィされたレジストパターンを、所定のサイズ及び所定の形状を有する基板領域上に形成するための、基板上に堆積された樹脂のリソグラフィ段階と、前記リソグラフィされたレジストパターンの熱サイクルによるアニーリング段階とを含み、前記樹脂に応じて、前記基板領域のサイズ及び形状を決定する段階と、“ダブルエアギャップ”のプロファイルと平坦化ドーム型プロファイルとのいずれか一つから選択されたプロファイルを前記熱サイクルのアニーリングが提供するように、前記領域上に堆積される前記樹脂の量を決定する段階とを含むことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、特にＭＥＭＳにおける懸架素子（梁または膜）を実現するための犠牲層の形成方法に関する。本発明はまた、可変キャパシタ、スイッチ及び共振器を用いるエレクトロニクス及びマイクロエレクトロニクスの他の分野にも応用可能である。

より小型で高性能の携帯機器の開発により、新しい機能性を実現するための新規構成要素を見つけ出すことが促されている。無線周波数の応用においては、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）が、その集積性および理論的な性能により、マイクロエレクトロニクスでの“従来”の構成要素に対する信頼できる代替品となる。

ＭＥＭＳの動作原理は、基板上に懸架された梁または膜の機械的な動きに基づいている。このため、ＭＥＭＳの開発には、素子（梁または膜）を懸架して基板から分離または移動できるようにする犠牲層の使用が必要とされることが多い。

マイクロエレクトロニクスにおける集積回路と同様に、こうした装置は、異なる物質の異なる薄層を堆積させることによって製造される。更に、特定の幾何学的形状を定めるため、こうした物質を、アニーリングすること、ポリッシングすること、（フォトリソグラフィを用いて）部分的にエッチングすること、または犠牲層の場合にように完全にエッチングすることが可能である。

ＭＥＭＳの構成要素は、基板の表面トポロジーを生成する不連続な電極及びキャビティを含み得る。しかしながら、これは例示に過ぎない。何故ならば、封入の場合のように膜がキャビティを有さないことや、共振器のように連続的な電極を有すること等もあるからである。

ＭＥＭＳを実現するためには、仕様の要求を考慮する必要がある。こうした要求としては、例えば、膜の場合において、駆動電圧、膜の動きの振幅、共振周波数、膜の機械的性質等が挙げられる。

こうした仕様を用いて、選択された構成物質による膜の寸法計算が行われる。完成した素子の計算ソフトウェア（ＡＮＳＹＳ、ＣＯＶＥＮＴＯＲ等）、及び／又は、梁の力学の解析公式（非特許文献１を参照）が用いられる。これにより、膜の長さＬ、幅ｌ、厚さｅ、剛性ｋ、ギャップ（つまりスイッチの電極間の距離）ｄが得られる。

この寸法決めによって、膜の下にキャビティを有する必要があるのかないのかについての情報が与えられる。実際には、膜用に選択される物質（窒化物／金、金、Ａｌ、ＡｌＳｉ、Ｓｉ、ポリＳｉ、酸化物等）、及び、犠牲層のエッチング中に膜の移動を引き起こし得るその本質的な制約により、残留するギャップが与えられる可能性がある。ギャップを考慮して、場合によってはキャビティを提供してその深さを決定する必要がある。

このキャビティは略Ｌの長さを有し、その深さはｄに一致するものである。

その後、使用する犠牲層及びその厚さが（キャビティの深さｄに応じて）選択される。犠牲層は膜の物質に適合性がある（犠牲層のプロファイルは膜の堆積温度に耐性を有し、容易にエッチング可能でなければならない）。この実現方法は、犠牲層及び膜の物質に従って、決められる。

この実現方法には、堆積、フォトリソグラフィ及びエッチングの段階が含まれ、犠牲層が作成され、膜が実現されて、犠牲層がエッチングされる。

犠牲層を実現するための物質は以下の性質を満たさなければならない。即ち、後続段階の熱量に耐えるために熱的に安定であること、実施し易いこと、犠牲層が堆積される表面のトポロジーを平坦化可能であること、除去した際に残留物が残らないことである。

当業者には三種類の犠牲層が知られていて、以下のように区別される。即ち、感光性ポリマー型の有機基板と、ポリイミド等の非感光性ポリマー型の有機基板と、二酸化シリコン、クロム、銅、タングステン等の無機基板とである。

電極（懸架素子上に配置されている）をこれに向き合う基板（他の電極を備える）から分離する距離を制御することは、ＭＥＭＳを適切に機能させることにおける重要な点である。膜または微小な梁の堆積温度よりも高い温度に対する熱安定性と制御されたプロファイルを備えた最低限のトポロジーとを有さなければならない犠牲層には、厳密な制御が必要とされる。

非感光性ポリマーは実施するのが難しく、エッチングするためには、感光性の他の物質またはエッチングされるパターンを再現する他の物質をこの非感光性ポリマーの上方に用いる必要がある。無機物質は厚さに関してはよく制御されているが、この無機物質が堆積される上のトポロジーを再現してしまう。平坦な無機犠牲層を有するようにするために、高価なポリッシング段階（ＣＭＰ）が必要とされる。更に、非感光性ポリマー及び無機物質は適切なエッチング法を必要とし、一般的に扱い難く、また、リリース段階中に除去し難く、残留物が残る。

当該分野において用いられる感光性ポリマーもまた、極めて平坦であるというわけではない。同じ様に、犠牲層の下のトポロジーが、上部に形成される膜の上に再現される。非特許文献２には、ポリマーの多層犠牲層の平坦化テストが開示されている。得られたプロファイルは、特定の場合（圧縮膜）において問題となり得るくぼみを有する。

犠牲層によって、多様な構成要素を実現することが可能になる。即ち、可変キャパシタ、微小スイッチ、マイクロメートルのシステムの機械的共振モードで機能するマイクロメカニカルフィルタまたは共振器、ＦＢＡＲ（Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）装置、加速度計等のセンサ、ジャイロメータ等が挙げられる。

可変キャパシタの例について更に掘り下げてみる。二つの向かい合う電極間のキャパシタンスは、Ｃ＝εＳ／ｄによって定義される。ここで、Ｃはキャパシタのキャパシタンス値、εは電極間の媒体の誘電率、Ｓは向かい合う表面積、ｄは電極間の距離である。

キャパシタのキャパシタンスを変更する方法として、三つの方法が知られている。即ち、電極間の距離を変更すること（可変ギャップキャパシタ）と、向かい合う電極の表面積を変更すること（可変表面積キャパシタ）と、電極間の誘電率を変更することとである。

最も有利な構成要素は可変ギャップの可変キャパシタである。しかしながら、これは“引き込み（ｐｕｌｌ−ｉｎ）”（ギャップの１／３に対する電極の接着）と称される問題を有する。この問題を回避するため、“ダブルエアギャップ”が考えられる。“ダブルエアギャップ”構造の原理については、非特許文献３及び非特許文献４に与えられている。この構造はキャパシタを形成する作動電極を含み、そのギャップは可変キャパシタのギャップよりも大きく、“引き込み”現象を回避するようになっている。

周知の“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタは、犠牲層を平坦化するためのＣＭＰによる高価な平坦化段階のみならず、“ダブルエアギャップ”を得るための堆積‐フォトリソグファフィ‐エッチング段階の掛け合わせを必要とする。

Ｓ．Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ著、"Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ"、（ニュージャージー州プリンストン）、Ｄ．Ｖａｎ Ｎｏｓｔｒａｎｄ Ｃｏ．，Ｉｎｃ．、１９４１年 Ｌ．Ｗａｎｇ外、"Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ＲＦ ＭＥＭＳ ｓｗｉｔｃｈｅｓ"、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２００６年、第８３巻、ｐ．１４１８‐１４２０ Ｊ．Ｚｏｕ外著、"Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｗｉｄｅ ｔｕｎｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｔｗｏ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｌａｔｅ ｔｕｎａｂｌｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｆｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ"、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ ｓｏｎｓ、２００１年、ｐ．３２２‐３２９ Ｊ．Ｚｏｕ外、(米国イリノイ州アーバナ、イリノイ大学)、"Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｗｉｄｅ ｔｕｎｉｎｇ ｒａｎｇｅ ＭＥＭＳ ｔｕｎａｂｌｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ"、ＩＥＥＥ、２００２年、０‐７８０３‐６４３８‐４／００

本発明は、実現方法を単純にした犠牲層の形成のために設計されている。本発明は、犠牲層を平坦化することを可能にする。また、本発明は、抵コストで“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタを実現することを可能にする。

本発明の目的は、
‐所定の容積を占めるリソグラフィされたレジストパターンを、所定のサイズ及び所定の形状を有する基板領域上に形成するための、基板上に堆積された樹脂のリソグラフィ段階と、
‐前記リソグラフィされたレジストパターンの熱サイクルによるアニーリング段階とを含む、犠牲層の実現方法である。

本発明は、前記樹脂に応じて、前記基板領域のサイズ及び形状を決定する段階と、“ダブルエアギャップ”のプロファイルと平坦化ドーム型プロファイルとのいずれか一つから選択されたプロファイルを前記熱サイクルのアニーリングが提供するように、前記領域上に堆積される前記樹脂の量を決定する段階とを含み、前記犠牲層は懸架素子の形成を支持するように機能し、前記基板領域のサイズ及び形状を決定する段階及び前記基板領域上に堆積される樹脂の量を決定する段階は、前記基板領域から前記懸架素子を分離しなければならない間隔を定義する前記懸架素子に対する共振周波数の範囲を定めることによって得られ、前記樹脂が前記間隔を提供することが可能なパターンを得られるように選択されることを特徴とする。

前記樹脂は感光性ポリマー樹脂とすることができる。

前記基板領域は、前記基板に実現されるキャビティの底面によって構成されてもよい。

第一変形実施例によると、前記基板領域は表面トポロジーを有し、前記リソグラフィ段階及び前記アニーリング段階は複数の段階において実現され、本方法は、
‐マスクによって第一パターン素子を提供する第一樹脂層を用いて実行される第一リソグラフィ段階と、
‐前記第一パターン素子の第一アニーリング段階と、
‐前記第一パターン素子に再現される前記基板領域の表面トポロジーを最小化するために、前記第一パターン素子を薄くする段階と、
‐前記レジストパターンを構成するために、前記マスクによって、薄くされた前記第一パターン素子の上に配置された第二パターン素子を提供する、基板上に堆積された第二樹脂層を用いて実行される第二リソグラフィ段階と、
‐得られたパターン上に適用される第二アニーリング段階と、を含み、前記第一アニーリング段階と前記第二アニーリング段階は、得られたパターンに対して平坦化ドーム型プロファイルを提供する。

第二変形実施例によると、前記基板領域は表面トポロジーを有し、前記リソグラフィ段階及び前記アニーリング段階は複数の段階において実現され、本方法は、
‐マスクによって第一パターン素子を提供する第一樹脂層を用いて実行される第一リソグラフィ段階と、
‐前記第一パターン素子の第一アニーリング段階と、
‐前記第一パターン素子の表面上に再現される前記基板領域の表面トポロジーを最小化するために、前記第一パターン素子を薄くする段階と、
‐前記マスクによって、薄くされた前記第一パターン素子の上に配置された第二パターン素子を提供する、基板上に堆積された第二樹脂層を用いて実行される第二リソグラフィ段階と、
‐前記第一パターン素子及び前記第二パターン素子の積層体の上に適用され、前記積層体の上に二つのピークを生じさせ、“ダブルエアギャップ”のプロファイルを構成する第二アニーリング段階と、
‐前記マスクによって、前記薄くされた第一パターン素子と前記第二パターン素子の上に配置された第三パターン素子を提供する、基板上に堆積された第三樹脂層を用いて実行される第三リソグラフィ段階と、
‐得られたパターンに“ダブルエアギャップ”の最終的なプロファイルを与えるために、得られたパターン素子の積層体に適用される第三アニーリング段階とを含む。

添付図面と共に、下記の非限定的な例示によって与えられる説明を読むことにより、本発明をより良く理解でき、他の利点及び特徴が明らかになるものである。

複数のパラメータが犠牲層の最終的な様に影響を与える可能性があり、特に、感光性ポリマー樹脂の堆積方法、ポリマーの種類、その粘性、その接着性、堆積に引き続く熱処理、希釈時に用いる溶媒、大気条件（温度及び湿度）、保存条件が挙げられる。

こうしたパラメータがどのように変化するかを理解するためには、この犠牲層を実施する順序について知る必要がある。懸架素子の実現方法には、樹脂を堆積させる段階、樹脂に強度を与えるためにアニーリングする段階（例えば９０℃に向けて）、樹脂の照射段階、樹脂の露出及び現像段階、懸架素子の堆積を通して連続する熱サイクル段階、犠牲層にアクセスしてこれを除去するための開口部のエッチング段階、が含まれる。

犠牲層のプロファイルを最適化することは、実現手順におけるエッチング段階を最適化することに相当する。第一段階はリソグラフィの標準と考えられる。本発明は実質的に、熱処理、及び、表面（パターンの形状及びサイズ）と容積（下部電極ライン上のキャビティ等）における幾何学的な制約によりプロファイルが変化することに基づく。図１のフローチャートは、犠牲層の最終的なプロファイルに影響を与えるパラメータを詳述するものであり、樹脂の選択（その配合及び粘弾性）、パターンの幾何学的形状（その形状及びサイズ）、樹脂の堆積（その堆積に用いられる方法及びその厚さ）、照射エネルギー（放射の種類及び照射時間）、（パターンのサイズ及び形状に応じて）適用される熱処理が挙げられる。

スピンコーティング機で、樹脂の堆積を実施することがより好ましい。何故ならば、電着は十分に導電性のある表面を必要とするからである。樹脂上への放射の効果は、その吸収領域よって決まる。この条件によって、化学者が、近紫外放射または遠紫外放射に対して反応する樹脂を配合することになる。放射の制御は、照射時間及び照射エネルギー量によって決まる。結果として、樹脂の選択は、照射間隔だけではなく、温度に従うマトリクスの粘弾性を左右し、温度、パターンの表面トポロジー及び幾何学的形状に従う振る舞いへと還元される。

本発明によると、印刷法が、リソグラフィ後に直線の側面を有するパターンを得るために配合された樹脂に対して実施される。犠牲層としてこれを用いることには、（堆積の連続性を確実にするための）緩やかな勾配を備えた作業通路を得るための特別な方法が含まれる。

一般的に、感光性樹脂は、乾燥後に放射に反応するようになるフォトポリマー溶液の配合物である。この配合物によって、照射前の乾燥段階を有する、金属または他の基板上への液体状態での堆積が可能になる。樹脂は有機化合物であり、一般的に、ＵＶ放射によって溶解度が影響を受ける熱可塑性ポリマーが含まれる。樹脂には二種類あり、
‐ネガ型フォトレジスト： ＵＶ放射によって照射された領域が重合され、これによって、この領域に溶媒の現像に対する特定に強度が与えられる一方で、照射されなかった部分はこの溶媒中に選択的に消失する。
‐ポジ型フォトレジスト： ＵＶ放射によって高分子の崩壊が生じ、これによって現像液中の照射された領域の溶解性が上昇する。

樹脂の性質は、感光性物質の光化学的修飾に左右され、１００倍異なるフィルムの溶解速度で溶解度が変化する。様々な供給元からの複数の樹脂を用いた。即ち、ＪＳＲ社から入手可能なＪＳＲ３３５ポジ型フォトレジスト、ローム・アンド・ハース（シプリー）（Ｒｈｏｍ ａｎｄ Ｈａａｓ （Ｓｈｉｐｌｅｙ））から入手可能なＳ１８００シリーズのポジ型フォトレジスト、マイクロレジストテクノロジー（Ｍｉｃｒｏｒｅｓｉｓｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）から入手可能なＭＡＰ１２７５ポジ型フォトレジスト、アーチ・ケミカルズ（Ａｒｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）から入手可能なＳＣレジストネガ型フォトレジストである。

熱処理段階の目的は、樹脂を硬化させ、接着力を高めて、溶媒から全ての残留物を除去することである。また、この段階は、本方法の後続段階（膜の堆積）に樹脂が耐えられるように準備する。この段階の効果は、小分子の蒸発に直に作用する。この現象により、ガラス転移温度“Ｔ_ｇ”を上昇させることが可能であり、結果として、フィルムの熱安定性が増加する。何故ならば、この温度は、犠牲層の最終的なプロファイルに対する安定性の限界であると考えられるからである。

温度の効果を評価するため、熱処理の様々な段階においてプロファイル計で測定を行った。図２Ａから２Ｃは、犠牲層のパターンの最終的なプロファイルにおける温度勾配の影響を示すチャートである。ｘ軸はプロファイルの幅ｌを示し、ｙ軸は層の高さｈを示す。図２Ａは９０℃での第二照射アニーリング後の犠牲層の最終的なプロファイルを示す（犠牲層の端の勾配は８０°）。図２Ｂは１２０℃での第二照射アニーリング後の同一の犠牲層の最終的なプロファイルを示す（犠牲層の端の勾配は５０°）。図２Ｃは２００℃での第二照射アニーリング後の同一の犠牲層の最終的なプロファイルを示す（犠牲層の端の勾配は１０°）。

図２Ａから２Ｃには、層の厚さ、犠牲層のパターンが堆積されるキャビティが存在するか否か、樹脂の粘性及び配合等に依存する限界にまで上昇するピークの、９０℃から１２０℃の間のアニーリングにおける、様子が明らかに示されている。

こうしたピークの出現は熱エネルギーによる樹脂の構成要素の分子内転移であることが明らかにわかる。熱処理後の最終的なプロファイルは、犠牲層の厚さが増大するとピークの位置が近づくことを示しており、これは、それぞれの厚さの犠牲層（樹脂及び粘性に依存する）に対して、図３Ａ及び３Ｂに示されるように、二つのピークのプロファイルから平坦化ドーム型プロファイルへと移行することを可能にするパターンの幅に限界があるということを意味する。

図３Ａ及び３Ｂはプロファイル計によって得られたチャートであり、その上に犠牲層が実現されるパターンの幅の影響を示している。ｘ軸はプロファイルの幅ｌを示し、ｙ軸は層の高さｈを示す。この図の場合においては、用いた樹脂はＳＲ３３５樹脂であり、犠牲層の望ましい高さは４．５μｍである。図３Ａは３００℃でのアニーリング後の大きなパターン（幅１０００μｍ）に対して得られたプロファイルを示す（犠牲層の端の勾配は６°）。図３Ｂは３００℃でのアニーリング後の小さなパターン（幅１４５μｍ）に対して得られたプロファイルを示す（犠牲層の端の勾配は９°）。

小さなパターンは、ＭＥＭＳ共振器または他の小さな寸法の構成要素に対する重要な結果に寄与するドーム型効果と共に、平坦化プロファイルを有する。同様に、図４は、薄い犠牲層（高さ略２００ｎｍ）の最終的なプロファイルを示す。

図３Ｂ及び４に示されるドーム型プロファイルは、犠牲層の端での勾配が１０°未満であり、犠牲層の厚さ及びパターンの幅の間の関係が１０より大きいことを考慮すると、望ましい平面の効果であると考えられる。

その上に犠牲層が形成されるパターンが、基板の面を用いて形成されたキャビティ内に位置しているのであれば、先程と同じような種類のプロファイルが観測されるが、ピークの位置は中心に向けて動く傾向がある。この結果により、小さなパターンに対してはピークが現れないということが確かめられる。下部電極（コンタクトパス）を備えた表面パターン（表面上のトポロジーを構成する）を有するという事実により、犠牲層によって再現されるトポロジーの新たな問題が生じる。

図５Ａ及び５Ｂは、犠牲層の表面で再現された表面トポロジーの効果を示す。図５Ａは電気伝導パス１，２，３，４で覆われた基板の一部分１０の上面図である。図５Ｂは基板の一部分１０上に実現された犠牲層のプロファイルを示すチャートである。ｘ軸は犠牲層の幅を示し、ｙ軸はその高さｈを示す。チャートに示されるプロファイルは、図５ＡのＢＢ線に対応する。図５Ｂの曲線５で囲まれた部分のプロファイルは、犠牲層の表面で再現された電極１，２，３のトポロジーである。

この問題を改善するため、本発明によると、二重の犠牲層が用いられ、一番目に堆積された犠牲層に適用される熱処理後に、この第一層を薄くする。多重層を用いることによって、犠牲層を平坦化できるだけではなく、パターンの幅及び長さ、キャビティの深さを変更することによって、大きなパターンの中心にピークを集めることができる。これによって、可変キャパシタにおいて使用可能な“ダブルエアギャップ”プロファイルを得ることが可能になる。

まとめると、犠牲層の最終的なプロファイルへの最も重要なパラメータの影響は以下の通りである。
‐パスがなくまたキャビティがない基板： 大きなパターンに対するピークの出現、
‐キャビティの存在： ピークがパターンの中心に近づく、
基板上のパスの存在： ピークはパターンの外面に向かって移動し、パスのトポロジーが基板上に再現される、
‐不活性雰囲気中での熱サイクルの適用： ピークはパターンの中心に近づく
‐樹脂の粘性の増加： ピークはパターンの中心に近づく
‐樹脂の厚さの増加： ピークはパターンの中心に近づく
‐多層の犠牲層： “ダブルエアギャップ”のギャップが生成可能になる。

ポリマー樹脂の選択は、懸架素子（梁または膜）の堆積温度に左右される。リソグラフィ段階の直後に犠牲層として感光性樹脂を使用することは不可能である。実際には、リソグラフィされたレジスト層は、１００℃より高い懸架素子の堆積温度に耐えることができない。何故ならば、樹脂のガラス転移温度は非常に低いからである。一方、この層のプロファイルはこの種の応用に非常に良く適したものではない。何故ならば、勾配が急すぎるからである（７０°から９０°）。熱処理は、優れた代替案を構成し、（応用に従って）求められているプロファイルに至るだけではなく、懸架素子（梁、膜）が堆積される際の犠牲層のプロファイルの耐熱性を増加させる。結果物である犠牲層の粘弾性（分子量、高分子鎖の構造等）及び化学組成（溶媒の添加物、極性等）の変更は、熱処理後の最終的なプロファイルのより良い三次元的な安定性に繋がる。熱処理方法は変更される。これらの本質は、加熱及び冷却の連続にあり、そのサイクル及び温度は正確に制御される。本発明に対しては、分子鎖のより良い組織化及び低分子の蒸発のために、アニーリングは、十分に遅い加熱速度で実施される。低速の冷却が、犠牲層のプロファイルによくない熱衝撃を回避するために必要とされる。このサイクル後に、最終的なプロファイルは、犠牲層のガラス転移温度Ｔ_ｇに対してまで安定になる。構成要素の幾何学的パラメータ及び懸架素子の物質（堆積温度）を設定することによって、回路の設計者は、求めているプロファイルを備え、熱サイクル後に最も高いガラス転移温度を有する層を選択するために、樹脂の熱特性及び小さなパターンと大きなパターンとの間のプロファイルの限界を基礎として用いることが可能である。劣化に対する最も優れた耐性を探し出すために、熱処理の最適化には一般的に、異なる熱サイクルでのプロファイルの測定が必要とされる。

図６は、犠牲層のプロファイルにおける本方法の段階を実施することの影響及び幾何学的パターンの影響を示すフローチャートであり、犠牲層の厚さが、小さなパターンと大きなパターンの間の限界を与えることがわかる。

本発明による犠牲層の処理によって、全てのマイクロシステム、センサまたはＭＥＭＳに対して、適切なプロファイルを得ることが可能になる。本方法においては、犠牲層を、平坦化させるように処理することが可能であり、高性能のマイクロスイッチが得られる。

図７Ａから７Ｃは基板の面上に堆積させて本発明により処理した犠牲層に対するプロファイルを示すチャートである。図７Ａは、電気パスを含む基板のパターン上に堆積させた第一犠牲層のプロファイルを示す。図７Ｂは、再現されたトポロジーを最小化し更には除去するために、エッチングにより実現される、第一犠牲層を薄くすることの様子を示す。図７Ｃは、第二平坦化犠牲層の堆積後に得られた犠牲層のプロファイルを示す。

図８Ａから８Ｉは、本発明に従って犠牲層を作成することによって、“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタを実現する方法を示す。これらはキャビティの軸の一つによる断面図である。

図８Ａは、主要面の一つを用いてエッチングされたキャビティ２１を備えたシリコン基板２０を示す。キャビティの深さは４μｍよりも大きい。

その後、キャビティ２１を含む基板の面の上に熱酸化を行い、厚さ１μｍの二酸化シリコンの層２２を得る（図８Ｂを参照）。

続いての段階は、キャビティ２１の底面を覆う酸化層２２の上に電極２２，２４，２５（下部電極）を堆積させることである。この電極は、Ｔｉ／Ａｕ、Ｃｒ／ＡｕまたはＰｔの層の堆積によって構成される。この電極の厚さは、０．０２μｍから０．８μｍの間である（図８Ｃを参照）。

その後、三層の犠牲層２６をキャビティ内に堆積させ、また、このキャビティからあふれさせる（図８Ｄを参照）。感光性樹脂を以下の方法で堆積させる。厚さ２．５μｍの樹脂の第一層をキャビティ（またはまとめて製造するための同一基板内の複数のキャビティ）内に形成する。３５０℃までの熱サイクルのアニーリングを、５℃／ｍｉｎの勾配で、樹脂に適用する。このアニーリング後に、得られたポリマーの層を、望ましいエッチング速度に従って選択された出力レベル（例えば１００Ｗの出力）の酸素プラズマエッチングによって、１μｍに薄くする。これによって、下部電極によって再現されるトポロジーを最小化し、更には除去することも可能になる。同じマスクを用いて、樹脂のより厚い第二層（略４．５μｍ）を堆積させる。同じ熱処理によって、キャビティのエッジに二つのピークが現れて、キャビティを充填しない。その後、第三層の堆積を開始するためにと、キャビティ（または複数のキャビティ）の外側に形成されたレリーフを除去するために、薄くする段階を実施する。更に、同じ熱処理を用いて、厚さ４μｍの第三層によって、最終的な“ダブルエアギャップ”の見た目になる。用いられる樹脂は、例えば、マイクロエレクトロニクスにおいてよく用いられるノボラックのポリマー樹脂である。

続いての段階は、犠牲層２６上に第一誘電体層２７を堆積させることである。層２７の厚さは０．４μｍとすることができる（図８Ｅを参照）。

その後、当業者に周知の方法によって、電極３３，３４，３５（上部電極）を、誘電体層の上に、下部電極２３，２４，２５の隣になるように堆積させる。この電極は、Ｔｉ／Ａｕ、Ｃｒ／ＡｕまたはＰｔの層の堆積によって構成される。の電極の厚さは、０．０２μｍから０．８μｍの間である（図８Ｆを参照）。

図８Ｇに示されるように、得られた構造上に第二誘電体層２８を堆積させる。層２８は、上部電極３３，３４，３５を包み込む。その厚さは、第一誘電体層２７の厚さに従って計算され、望ましい厚さの懸架素子２９（梁または膜）が提供される。

その後、犠牲層にアクセスするために、開口部３０が設けられる（図８Ｈを参照）。

最後の段階は、犠牲層をエッチングすることによって、懸架素子をリリースすることである。このリリースは、チャンバにトラップされたプラズマによって得られるものであり、等方的に作用することが可能である（“下流”法）。懸架素子の物質と犠牲層の物質との間のエッチング選択比に従って、プラズマが選択される。プラズマは、Ｎ_２Ｏ_２プラズマまたはＣＨＦ_４プラズマであってもよい。犠牲層のエッチングのパラメータは例えば以下の通りである。温度２５０℃、圧力１１００ｍＴｏｒｒ、２７００Ｗのマイクロ波電力、Ｎ_２Ｏ_２プラズマに対する１８０秒の持続。

図９及び１０は両方とも、三層に形成されたポリマーの犠牲層のプロファイルを示すチャートである。図９の犠牲層は、キャビティの寸法が５００μｍ×５００μｍのパターンに対して得られたものである。図１０の犠牲層は、キャビティの寸法が８００μｍ×８００μｍのパターンに対して得られたものである。

本発明による方法の利点は以下の通りである。
‐犠牲層を形成することによって“ダブルエアギャップ”構造が得られる、
‐従来技術よりも安価な方法： 従来技術の二つ以上のマスクの代わりに、単一のマスクを用いて“ダブルエアギャップ”を実現する、
‐犠牲層の形成方法に汎用性があり、他のプロファイルが可能であり、他の構成要素への可能性を有する。

次に、二つの向かい合う電極に駆動電圧を印加することによってその移動が制御される梁とキャビティとを備えたＭＥＭＳの一部の実現について、詳述する。

駆動電圧は静電力Ｆ_Ｅを生じさせる。

ここで、
ε_０＝８．８５４・１０^−１２ファラド・ｍ^−１
Ｓ＝向かい合う電極の表面積
Ｖ＝駆動電圧
ｄ_０＝初期ギャップ
である。

釣り合いが取れると、力はＦ_Ｅ＋Ｆ_復元＝０であるので、

である。ここで、
可変キャパシタ（可動部分：梁）の剛性ｋ＝１９２ＥＩ／Ｌ^３、
Ｅはヤング率（物質の特性）、
慣性Ｉ＝ｗ^３ｈ／１２（ｗは梁の幅、ｈはその高さ）

従って、これら全ての式を用いて、Ｌ、ｗ、ｈ、ｙの値を決めることができ、仕様における駆動電圧を満たすことが可能になる。

注意： Ｅは選択された物質に従う。ｈ（可動構造の厚さ）は、プロセス（電気的導通を確実にするために必要とされる層の厚さや、選択された堆積方法によって可能な最小または最大の厚さ等）に一部依存する。

Ｌ及びｗは、キャビティのｘ及びｙの寸法を与える。
‐Ｌ＝梁の長さ＝キャビティの長さ
‐ｗ＝梁の幅、従って、キャビティの幅は、ｗ ＋ リリースのためのそれぞれの側の二つの区間に等しい（例えば、５０μｍであるとすると、キャビティの幅はｗ＋１００μｍになる）。

ｙはキャビティの深さを与える：
‐スイッチに対しては、そらされた梁とキャビティの底面の間にコンタクトを設けなければならない： キャビティの深さ＝ｙ
‐可変キャパシタに対しては、“引き込み”等のせいでより複雑である。

複数の組のＬ、ｗ、ｙの値が仕様を満たし得ることには注意されたい。

こうして、キャビティの深さが分かる。長さが数μｍから数十または百μｍまでで変動し、幅が数百ｎｍから数十μｍまでで変動する梁に対しては、数百ｎｍから数μｍの値である。

犠牲層の樹脂は、この深さよりも大きな厚さが得られるように用いなければならない。リソグラフィで用いられる樹脂は周知であり、最大コーティング厚さによって特徴付けられる。このデータは製造業者から樹脂を購入する際に提供される。以下の表は、市販の樹脂のいくつかの特性をまとめたものである。

犠牲層の最終的なプロファイルに影響を与えるパラメータの詳細なフローチャートである。 犠牲層のパターンの最終的なプロファイルへの温度勾配の影響を示すチャートである。 犠牲層のパターンの最終的なプロファイルへの温度勾配の影響を示すチャートである。 犠牲層のパターンの最終的なプロファイルへの温度勾配の影響を示すチャートである。 犠牲層のプロファイルへのパターンの幅の影響を示すチャートである。 犠牲層のプロファイルへのパターンの幅の影響を示すチャートである。 薄い犠牲層のプロファイルを示すチャートである。 電気伝導パスで覆われた基板の一部分の上面図である。 図５Ａの基板の一部分上に実現された犠牲層のプロファイルを示すチャートである。 犠牲層のプロファイルへのパラメータの影響を示すフローチャートである。 犠牲層のプロファイルを示すチャートである。 犠牲層のプロファイルを示すチャートである。 犠牲層のプロファイルを示すチャートである。 本発明による“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタを実現する方法を示す。 本発明による“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタを実現する方法を示す。 本発明による“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタを実現する方法を示す。 本発明による“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタを実現する方法を示す。 本発明による“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタを実現する方法を示す。 本発明による“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタを実現する方法を示す。 本発明による“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタを実現する方法を示す。 本発明による“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタを実現する方法を示す。 本発明による“ダブルエアギャップ”の可変キャパシタを実現する方法を示す。 犠牲層のプロファイルを示す他のチャートである。 犠牲層のプロファイルを示す他のチャートである。

符号の説明

１，２，３，４ 電気伝導パス
１０ 基板の一部分
２０ シリコン基板
２１ キャビティ
２２ 二酸化シリコン層
２３，２４，２５ 下部電極
２６ 犠牲層
２７，２８ 誘電体層
２９ 懸架素子
３０ 開口部
３３，３４，３５ 上部電極

Claims (5)

1. ‐所定の容積を占めるリソグラフィされたレジストパターンを、所定のサイズ及び所定の形状を有する基板領域上に形成するための、基板上に堆積された樹脂のリソグラフィ段階と、
   ‐前記リソグラフィされたレジストパターンの熱サイクルによるアニーリング段階とを含む、犠牲層の実現方法であり、
   前記樹脂に応じて、前記基板領域のサイズ及び形状を決定する段階と、“ダブルエアギャップ”のプロファイルと平坦化ドーム型プロファイルとのいずれか一つから選択されたプロファイルを前記熱サイクルのアニーリングが提供するように、前記領域上に堆積される前記樹脂の量を決定する段階とを含み、前記犠牲層は懸架素子の形成を支持するように機能し、前記基板領域のサイズ及び形状を決定する段階及び前記基板領域上に堆積される前記樹脂の量を決定する段階は、前記基板領域から前記懸架素子を分離しなければならない間隔を定義する前記懸架素子に対する共振周波数の範囲を定めることによって得られ、前記樹脂が前記間隔を提供することが可能なパターンを得られるように選択されることを特徴とする方法。
2. 前記樹脂は感光性ポリマー樹脂である請求項１に記載の方法。
3. 前記基板領域は、前記基板に実現されるキャビティの底面によって構成される請求項１または請求項２のいずれかに記載の方法。
4. 前記基板領域は表面トポロジーを有し、前記リソグラフィ段階及び前記アニーリング段階は複数の段階において実現され、
   ‐マスクによって第一パターン素子を提供する第一樹脂層を用いて実行される第一リソグラフィ段階と、
   ‐前記第一パターン素子の第一アニーリング段階と、
   ‐前記第一パターン素子の表面上に再現される前記基板領域の表面トポロジーを最小化するために、前記第一パターン素子を薄くする段階と、
   ‐前記レジストパターンを構成するために、前記マスクによって、薄くされた前記第一パターン素子の上に配置された第二パターン素子を提供する、基板上に堆積された第二樹脂層を用いて実行される第二リソグラフィ段階と、
   ‐得られたパターン上に適用される第二アニーリング段階と、を含み、前記第一アニーリング段階と前記第二アニーリング段階は、得られたパターンに対して平坦化ドーム型プロファイルを提供する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記基板領域は表面トポロジーを有し、前記リソグラフィ段階及び前記アニーリング段階は複数の段階において実現され、
   ‐マスクによって第一パターン素子を提供する第一樹脂層を用いて実行される第一リソグラフィ段階と、
   ‐前記第一パターン素子の第一アニーリング段階と、
   ‐前記第一パターン素子の表面上に再現される前記基板領域の表面トポロジーを最小化するために、前記第一パターン素子を薄くする段階と、
   ‐前記マスクによって、薄くされた前記第一パターン素子の上に配置された第二パターン素子を提供する、基板上に堆積された第二樹脂層を用いて実行される第二リソグラフィ段階と、
   ‐前記第一パターン素子及び前記第二パターン素子の積層体の上に適用され、前記積層体の上に二つのピークを生じさせ、“ダブルエアギャップ”のプロファイルを構成する第二アニーリング段階と、
   ‐前記マスクによって、前記薄くされた第一パターン素子と前記第二パターン素子の上に配置された第三パターン素子を提供する、基板上に堆積された第三樹脂層を用いて実行される第三リソグラフィ段階と、
   ‐得られたパターンに“ダブルエアギャップ”の最終的なプロファイルを与えるために、得られたパターン素子の積層体に適用される第三アニーリング段階とを含む請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。

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