JP2008137123A - マイクロマシンの製造方法及びマイクロマシン - Google Patents

Abstract

【課題】製造プロセス及び製造コストを低減した上で、高精度に形成することができるマイクロマシンの製造方法及びマイクロマシンを提供する。
【解決手段】基板１上に機能素子５０が離間配置されたマイクロマシンの製造方法であって、基板１上に第一薄膜２０を形成する工程と、第一薄膜２０上に第二薄膜３０を形成する工程と、第二薄膜３０上に機能素子５０を形成する工程と、第一薄膜２０と第二薄膜３０との間で選択比を有するエッチャントにより、機能素子５０下層の第一薄膜２０をエッチングすることで、基板１上に機能素子５０を離間配置する工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、マイクロマシンの製造方法及びマイクロマシンに関するものである。

近年、電子機器や通信機器の小型、かつ高性能な高周波フィルタとして、基板上に薄膜バルク音波共振子（ＦＢＡＲ：Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）等の機能素子が形成された、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）構造体（以下、マイクロマシンという。）が知られている。

ＦＢＡＲ等の機能素子を備えたマイクロマシンは、高周波の信号を電気的に振動させて得られる機械的振動を利用するため、基板上に機能素子の振動空間としてキャビティが設けられている。そして、このキャビティに機能素子が架設されているものである。このようなマイクロマシンの構造及び製造方法として、基板裏面Ｖｉａ方式やエアブリッジ方式等が知られている。

まず、基板裏面Ｖｉａ方式とは、機能素子が形成された基板裏面から異方性エッチングを行うことで、機能素子の下層を除去して機能素子の振動空間となるキャビティを形成する方法である。
また、エアブリッジ方式とは、まず基板上にキャビティを形成した後、このキャビティ内に犠牲材料を充填し、この犠牲材料上に機能素子を形成する。そして、犠牲材料のエッチャントを供給して犠牲材料を選択的にエッチングすることで振動空間となるキャビティを形成する方法である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１４００７５号公報

しかしながら、前者の基板裏面Ｖｉａ方式においては、基板の裏面からエッチングを行うため、エッチング時間が長くかかり、スループットが悪く、また基板が非常に脆くなってしまうという問題がある。さらに、機能素子とキャビティの位置合わせが難しく、パターン精度が悪いという問題がある。

また、後者のエアブリッジ方式においては、犠牲材料の形成工程及び除去工程を必要とするため、製造プロセスが増加するとともに、製造コストの増加に繋がってしまうという問題がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、製造プロセス及び製造コストを低減した上で、高精度に形成することができるマイクロマシンの製造方法及びマイクロマシンを提供するものである。

上記目的を達成するため、本発明に係るマイクロマシンの製造方法は、基板上に機能素子が離間配置されたマイクロマシンの製造方法であって、基板上に第一薄膜を形成する工程と、前記第一薄膜上に第二薄膜を形成する工程と、前記第二薄膜上に前記機能素子を形成する工程と、前記第一薄膜と前記第二薄膜との間で選択比を有するエッチャントにより、前記機能素子下層の前記第一薄膜をエッチングすることで、前記基板上に前記機能素子を離間配置する工程と、を有することを特徴とする。
また、前記機能素子下層の前記第一薄膜をエッチングする工程では、前記機能素子の側方において前記第二薄膜を貫通するエッチャント供給孔に前記エッチャントを供給して行うことが望ましい。
このように構成することで、基板上に機能素子まで形成した後に、選択比を有するエッチャントにより第一薄膜のみをエッチングすることができる。そのため、予めキャビティを形成し、このキャビティに犠牲材料を形成及び除去する必要がなく、製造プロセス及び製造コストを低減した上で機能素子を離間配置することができる。また、基板の裏面からエッチングを行い、キャビティを形成する場合と比べ、位置合わせを容易に行うことができるとともに、基板の剛性を維持した上で、高精度なマイクロマシンを製造することができる。

また、前記第一薄膜をエッチングする工程の前に、前記第一薄膜にエッチングストップ層を形成する工程を有することを特徴とする。
このように構成することで、エッチャントによるサイドエッチングを所定位置で停止させることができるため、キャビティの形成領域を制限して機能素子の特性を安定させることができる。

また、前記第一薄膜は酸化ケイ素膜であり、前記第二薄膜は酸化ジルコニウム膜または酸化チタン膜であり、前記エッチャントはバッファードフッ酸であることを特徴とする。
このように構成することで、第一薄膜と第二薄膜との間で選択比を有するため、第一薄膜のみを選択的にエッチングすることができる。

一方、本発明に係る電子機器は、上述したマイクロマシンの製造方法を用いて製造したことを特徴とする。
このように構成することで、製造プロセス及び製造コストを低減した上で、基板上に機能素子が離間配置されたマイクロマシンを製造することができる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。 （第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るマイクロマシンの平面図である。また図２，３は、マイクロマシンの製造方法の工程図であり、図１のＡ−Ａ線に相当する部分における断面図である。特に図３（ｃ）は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。なお、本実施形態では、基板上に形成される機能素子としてＦＢＡＲを備えたマイクロマシンを例にして説明する。

図１および図３（ｃ）に示すように、シリコン単結晶からなる基板１上に第一薄膜２０が形成されている。この第一薄膜２０は、二酸化シリコン等からなり、厚さが例えば１００〜１００００Åに形成されている。第一薄膜２０には、後述する機能素子５０の振動空間となるキャビティ２１が形成されている。このキャビティ２１は、機能素子５０の振動部５４の下層の第一薄膜２０を除去することにより、２つの略楕円の一部を重ねた形状で形成されている。

第一薄膜２０上には、ジルコニア（ＺｒＯ_２）からなる第二薄膜３０が形成されている。この第二薄膜３０は、厚さが例えば１００〜５００Åで、キャビティ２１を覆うように形成されている。また、第二薄膜３０には２つのエッチャント供給孔３１，３１が形成されており、これら２つのエッチャント供給孔３１，３１は、キャビティ２１を形作る２つの楕円の中央部に、それぞれ配置されている。また、エッチャント供給孔３１はキャビティ２１内に連通しているものである（図３（ｃ）参照）。なお、第二薄膜３０は、チタニア（ＴｉＯ_２）等で形成してもよい。

第二薄膜３０上には、白金（Ｐｔ）等からなる下電極膜５１が形成されている。この下電極膜５１は、第二薄膜３０を介してキャビティ２１の中央部から第一薄膜２０の上方にかけて形成されている。また、第二薄膜３０上には、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３）等からなる圧電膜５３が、第二薄膜３０を介してキャビティ２１の中央部から第一薄膜２０の上方にかけて形成されている。なお本実施形態では、下電極膜５１および圧電膜５３が、キャビティ２１の中央部から互いに逆方向に延設されている。さらに、この圧電膜５３上には、圧電膜５３と略同形状の白金（Ｐｔ）等からなる上電極膜５２が重ね合わされ、これら下電極膜５１と上電極膜５２と圧電膜５３によって機能素子５０を構成している。なお、圧電膜５３の材料に、その他チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等の圧電セラミックや酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いてもよい。

この機能素子５０は、キャビティ２１に架設された可撓性を有する第二薄膜３０の表面に形成されている。また、下電極膜５１と上電極膜５２とで圧電膜５３を挟持している領域は、機能素子５０の振動部５４として構成されており、厚さが例えば１．５μｍで形成されている（図３（ｃ）参照）。なお、本実施形態において、機能素子５０とキャビティ２１との間に第二薄膜３０が存在するが、この第二薄膜３０は機能素子５０の電気的特性に影響はない。

（マイクロマシンの製造方法）
次に、図２，３に基づいて、本実施形態におけるマイクロマシンの製造方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、基板１表面に第一薄膜２０を形成する。具体的には、シリコン基板１表面を熱酸化して、二酸化シリコンからなる第一薄膜２０を形成する。
次に，第一薄膜２０上に第二薄膜３０を形成する。具体的には、スパッタ法や蒸着法等により、第一薄膜２０表面全体に、厚さが例えば１００〜５００Åのジルコニアからなる第二薄膜３０を形成する。なお、第二薄膜３０は、第一薄膜２０上にジルコニウム（Ｚｒ）を成膜し、熱酸化によって形成してもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、第二薄膜３０上に機能素子５０を形成する。具体的には、まずスパッタ法等により、第二薄膜３０表面全体に下電極膜５１となる白金（Ｐｔ）を成膜する。その後、フォトリソグラフィ技術により露光、現像した図示しないレジストマスクを介して白金（Ｐｔ）膜をエッチングし、下電極膜５１をパターニングする。次に、第二薄膜３０上にスパッタ法等により、圧電膜５３となるＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３）を成膜し、その後、上電極膜５２となる白金（Ｐｔ）もしくはイリジウム（Ｉｒ）を、同様にスパッタ法等により成膜する。そして、フォトリソグラフィ技術により露光、現像した図示しないレジストマスクを介して、白金（Ｐｔ）膜とＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３）を同時にエッチングし、圧電膜５３と上電極膜５２をパターニングする。ここで、圧電膜５３および上電極膜５２と下電極膜５１とが、平面視においてキャビティ２１形成領域上で重なるように、各膜５１，５２，５３をパターニングする。これにより、下電極膜５１と上電極膜５２とにより圧電膜５３を挟持した振動部５４を備えた機能素子５０を形成することができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、基板１表面にレジストマスク４０を形成する。具体的には、まずスピンコート法等により基板１表面全体にレジストを塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術により露光、現像し、エッチャント供給孔３１，３１を形成すべき領域のレジストを除去する。

次に、図３（ａ）に示すように、第二薄膜３０にエッチャント供給孔３１，３１を形成する。具体的には、レジストマスク４０を介して第二薄膜３０の異方性ドライエッチングを行い、第二薄膜３０を貫通させる。

次に、図３（ｂ）に示すように、機能素子５０の振動部５４の下層にキャビティ２１を形成する。具体的には、エッチャント供給孔３１，３１からエッチャントを供給してウェットエッチングを行う。このエッチャントとして、フッ化水素（ＨＦ）に硝酸（ＨＮＯ_３）を加えて生成されるバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用いる。バッファードフッ酸は、第一薄膜２０を形成している二酸化シリコンと、第二薄膜３０を形成しているジルコニアとの間で選択比を有する。すなわち、バッファードフッ酸による第一薄膜２０のエッチングレートは、第二薄膜３０のエッチングレートより格段に大きくなる。そのため、第一薄膜２０のみを選択的にエッチングすることができる。

エッチャント供給孔３１から供給したエッチャントは、エッチャント供給孔３１の内面に露出している第一薄膜２０内に浸透し、等方的にエッチングが行われる。そのため、エッチャント供給孔３１，３１から所定距離内の第一薄膜２０が除去され、エッチャント供給孔３１，３１の長手方向を長軸として２つの略楕円の一部を重ねた形状のキャビティ２１が形成される（図１参照）。なお、フッ化水素とフッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）の混合液等をエッチャントとして用いても、第一薄膜２０のみを選択的にエッチングすることができる。

次に、図３（ｃ）に示すように、基板１上に形成されたレジストマスク４０を剥離する。
以上により、キャビティ２１に架設された可撓性を有する第二薄膜３０の表面に機能素子５０を備えたマイクロマシンを製造することができる。

したがって、上述の実施形態によれば、基板１上に第一薄膜２０と第二薄膜３０と機能素子５０を形成した後に、第一薄膜２０と第二薄膜３０の間で選択比を有するエッチャントにより、第一薄膜２０のみを選択的にエッチングしてキャビティ２１を形成する構成とした。
この構成により、犠牲材料上に機能素子を形成した後、犠牲材料のみを選択的にエッチングを行う場合と比べ、予めキャビティを形成し、このキャビティ内に犠牲材料を充填して平坦化する工程を必要としないため、製造プロセスを簡略化できるとともに製造コストを低減することができる。

また、基板裏面Ｖｉａ方式のように、基板裏面からエッチングを行い、キャビティを形成する場合と比べ、機能素子５０とキャビティ２１との位置合わせを容易に行うことができるとともに、基板１の剛性を維持した上で、高精度なマイクロマシンを製造することができる。

なお、基板１の表面全体に機能素子５０の構成薄膜を連続形成し、その後に上電極膜５２、圧電膜５３および下電極膜５１を順にパターニングしてマイクロマシンを形成することも可能である。
この場合、基板１の表面全体に第一薄膜２０、第二薄膜３０および機能素子５０の構成薄膜を連続形成した後に各薄膜をパターニングすることが可能であり、各薄膜の間に異物等が付着する恐れがないため、界面汚染を防ぐことができる。

（第２実施形態）
次に、図４に基づいて、本発明の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同様となる部分については、同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図４は、本発明の第２実施形態に係るマイクロマシンの平面図である。
第二実施形態では、基板１上の第一薄膜２０にエッチングストップ層６０，６０を形成している点で、第１実施形態と相違している。

図４に示すように、基板１上の第一薄膜２０には、エッチングストップ層６０が形成されている（図５，６参照）。このエッチングストップ層６０は、機能素子５０の下層であって、振動部５４形成領域の周囲全体に形成されている。このエッチングストップ層６０は、二酸化シリコン等からなる第一薄膜２０に例えば窒素イオン（Ｎ＋）や炭素イオン（Ｃ＋）等の注入により改質したものであり、エッチャント供給孔３１から供給されるエッチャントに強い耐性を示す。そして、エッチングストップ層６０より内側には、振動部５４形成領域の下層に矩形のキャビティ７０が形成されている。

（マイクロマシンの製造方法）
次に、図５，６に基づいて、第２実施形態に係るマイクロマシンの製造方法について説明する。図５，６は、第二実施形態に係るマイクロマシンの製造方法の工程図であり、図４のＢ−Ｂ線に相当する部分における断面図である。
図５（ａ）に示すように、第二薄膜３０が形成された基板１上にエッチングストップ層６０を形成するためのレジストマスク８０を形成する。具体的には、スピンコート法等により第二薄膜３０表面にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィ技術により、露光、現像し、エッチングストップ層６０を形成すべき領域のレジストを除去する。

次に、図５（ｂ）に示すように、エッチングストップ層６０を形成する。具体的には、レジストマスク８０を介してイオンを注入すると、イオンは第二薄膜３０内を通過して第一薄膜内２０に注入される。そして、第一薄膜２０上のイオン注入された箇所が、改質してエッチングストップ層６０，６０として形成される。なお、エッチングストップ層６０は、第一薄膜２０形成後に形成してもよい。

次に、図５（ｃ）に示すように、基板１上に形成されたレジストマスク８０を剥離する。
そして、第二薄膜３０上に機能素子５０を形成する。具体的には、第１実施形態と同等の材料により、第１実施形態と同様の方法で、エッチングストップ層６０形成領域の内側に機能素子５０の振動部５４が配置されるように形成する。

次に、図６（ａ）に示すように、エッチャント供給孔３１を形成する。まず第１実施形態と同様に、エッチャント供給孔３１を形成するためのレジストマスク４０を形成する。そして、レジストマスク４０を介して第二薄膜３０の異方性ドライエッチングを行い、第二薄膜３０を貫通させて、エッチャント供給孔３１，３１を形成する。

次に、機能素子５０の下層にキャビティ７０を形成する。具体的には、第一実施形態と同様の形成方法を用いてエッチングを行う。この時、エッチングストップ層６０はイオン注入によりエッチャントに強い耐性を示す材質に改質しているため、エッチングは行われない。つまり、エッチャント供給孔３１から供給したエッチャントは、エッチングストップ層６０で塞き止められるため、エッチングストップ層６０の外側はエッチングが行われない。したがって、エッチングストップ層６０より内側であって、振動部５４形成領域の下層に矩形のキャビティ７０を形成することができる（図４参照）。

したがって、上述の第２実施形態によれば、基板１上の第一薄膜２０にエッチングストップ層６０が形成される構成とした。この構成により、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、第一薄膜２０をエッチングしてキャビティ７０を形成する際、第一薄膜２０のサイドエッチングを所定位置で停止させることができる。そのため、機能素子５０の振動部５４形成領域の下層部分のみにキャビティ７０を形成して、機能素子５０の特性を安定させることができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。例えば本実施形態では、機能素子としてＦＢＡＲを形成する構成について説明したが、係るマイクロマシンの製造方法をジャイロセンサー、アクチュエータ、スイッチ素子等の機械的動作が必要な機能素子にも適用することができる。

また、下電極膜を上電極膜に直交する方向に帯状に形成して共通電極とし、圧電膜と上電極膜のみをパターニングして、複数の機能素子を形成してもよい。さらに、機能素子はキャビティ形成後に形成してもよい。

本発明の第１実施形態におけるマイクロマシンの平面図である。 本発明の第１実施形態におけるマイクロマシンの製造方法の工程図である。 本発明の第１実施形態におけるマイクロマシンの製造方法の工程図である。 本発明の第２実施形態におけるマイクロマシンの平面図である。 本発明の第２実施形態におけるマイクロマシンの製造方法の工程図である。 本発明の第２実施形態におけるマイクロマシンの製造方法の工程図である。

符号の説明

１…基板 ２０…第一薄膜 ２１，７０…キャビティ ３０…第二薄膜 ５０…機能素子 ６０…エッチングストップ層

Claims (5)

1. 基板上に機能素子が離間配置されたマイクロマシンの製造方法であって、
   基板上に第一薄膜を形成する工程と、
   前記第一薄膜上に第二薄膜を形成する工程と、
   前記第二薄膜上に前記機能素子を形成する工程と、
   前記第一薄膜と前記第二薄膜との間で選択比を有するエッチャントにより、前記機能素子下層の前記第一薄膜をエッチングすることで、前記基板上に前記機能素子を離間配置する工程と、を有することを特徴とするマイクロマシンの製造方法。
2. 前記機能素子下層の前記第一薄膜をエッチングする工程は、前記機能素子の側方において前記第二薄膜を貫通するエッチャント供給孔に前記エッチャントを供給して行うことを特徴とする請求項１記載のマイクロマシンの製造方法。
3. 前記第一薄膜をエッチングする工程の前に、前記第一薄膜にエッチングストップ層を形成する工程を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のマイクロマシンの製造方法。
4. 前記第一薄膜は酸化ケイ素膜であり、前記第二薄膜は酸化ジルコニウム膜または酸化チタン膜であり、前記エッチャントはバッファードフッ酸であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のマイクロマシンの製造方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のマイクロマシンの製造方法を用いて製造したことを特徴とするマイクロマシン。

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