JP2009172759A - Ｍｅｍｓ製造のためのエアロゲルベースの型およびその形成方法 - Google Patents

Ｍｅｍｓ製造のためのエアロゲルベースの型およびその形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】微小電気機械の形成において、材料の除去量が少なく加工時間が短い方法を提供する。
【解決手段】基板３０上にエアロゲルベース層３１を堆積する。ガリウムイオンビームでエアロゲルベース層３１にキャビティー３２を形成する。キャビティーを含むエアロゲルベース層の形状は微小電気機械の表面外形と同一とする。このエアロゲルベース層３１を型としてこの上に酸化シリコン、金、白金、ポリシリコンなどの重い金属層３４を堆積し、微小電気機械の一部とする。
【選択図】図３

Description

本発明は微小電気機械特徴の形成に用いるエアロゲルベースの型に関する。さらに、本発明はエアロゲルベースの型の製造方法およびエアロゲルベースの型を用いて微小電気機械特徴を形成する方法に関する。
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）において構造を形成するために用いられる微細加工技術は、一般に、材料層を直接パターニングして材料層にＭＥＭＳ構造を形成する。用いられる方法は、フォトリソグラフィ、レーザーエッチング、プラズマエッチング、集束イオンビーム描画、電子ビーム描画等を含む。
これらのプロセスは多くの時間を消費する。たとえばフォトリソグラフィは、複雑なマスク工程が必要であり、また、様々なエッチング剤の正確なエッチングレートの制御が必要である。集束イオンビーム描画、レーザーエッチングおよび電子ビーム描画のような他の方法は、複雑なマスク工程の必要をなくす。それにもかかわらず、材料層に直接ＭＥＭＳ構造を描画するためにこれらの技術を用いることは、それでも、材料層から除去される多量の物質のために多くの時間を要する。
本発明の実施形態は、パターン形成された材料層を形成するために必要とされる時間を削減し、それにより、微小電気機械特徴の製造に必要な時間を削減する、材料および方法に向けられる。
パターン形成されたエアロゲルベースの層は、微小電気機械特徴のための型として機能する。このエアロゲルベース材料の密度は、ポリシリコン、酸化シリコン、単結晶シリコン、金属、合金等のＭＥＭＳ製造に用いられる典型的な材料の密度よりも小さい。それゆえ、重い材料に構造特徴が形成され場合の速度よりも、有意に高い速度でエアロゲルベースの層に構造特徴を形成することができる。これは、重い材料に微小電気機械特徴を形成するのに必要とされる時間よりも少ない時間で、同様の微小電気機械特徴をエアロゲルベースの層に形成することを可能にする。
本発明はさらに、このような型を形成するために、エアロゲルベースの層にパターン形成する方法を含む。この方法は、微小電気機械特徴のような微小寸法の装置の特徴を直接描画することができる技術の利用を含む。
本発明はさらに、エアロゲルベースの型を用いて微小電気機械特徴を形成する方法を含む。この方法は、重い材料層を、微小電気機械特徴の少なくとも一部の表面外形と実質的に同一の表面外形を持つ構造特徴を持つエアロゲルベースの層の上に直接堆積させることを含む。これにより、微小電気機械特徴が形成され、この方法で形成されたＭＥＭＳ装置は、シリコンまたは酸化シリコンのような重い材料に直接描画することにより形成された特徴を備えるＭＥＭＳ装置と同様に機能することができる程度に十分な構造的安定性および機械的完全性を備える。
ＭＥＭＳ寸法のキャビティが形成されたエアロゲルベース層を示す図である。 エアロゲル層に直接ＭＥＭＳ寸法のキャビティを描画するための集束イオンビームの利用を示す図である。 パターン形成されたエアロゲル層の上に重い材料を直接堆積させることにより形成されるＭＥＭＳ寸法のキャビティを示す図である。
以下に、本発明をより詳細に説明し、本発明の特定の実施形態を説明する。また、この説明は、特許請求の範囲において用いられる語の特定の実施形態を説明する。これらの特定の実施形態は説明のためのものであり、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を限定するものではない。この詳細な説明は、いくつかの語の限定的な定義を提供し、これらの語は、「ＸはＹと定義される」のように、明示された定義付けられた用語により特定される。以下の説明においてこのような明示的な定義付がないかぎり、以下の説明は説明的なものであり非限定的なものであることが仮定される。
明示的に定義されないかぎり、本明細書で用いられるあらゆる技術用語および科学用語は、本発明の属する技術分野において一般に理解されているのと同様の意味を持つ。ここで言及されるあらゆる出版物、特許出願、特許およびその他の参照は、反対の明示をしない限り、参照することにより、本願の明細書で完全に説明されているかのように明示的にあらゆる目的のためにその全体が本明細書に組み込まれる。
他の明示をしなかぎり、あらゆるパーセント表示、部分、比等は重量基準である。
量、濃度、およびその他のパラメータが、ある範囲または上限値、下限値のリストとして与えられる場合、範囲が別々に開示されているかどうかに関わらず、任意の上限および下限の任意の対から形成されるあらゆる範囲が明示的に開示されていることを理解されたい。本明細書で範囲が数値で示される場合、明示しないかぎり、その範囲は、その範囲の端点およびその範囲内のあらゆる整数および有理数を含むことを意図している。範囲を画定する場合、その特定の値に本発明の範囲を限定することは意図されていない。
「約」という語が値または範囲の端点を説明するために用いられる場合、本発明は、参照される特定の値および端点を含むと理解されたい。
本明細書で用いられる、「有する」、「有している」、「含む」、「含んでいる」、「備える」、「備えている」等の語、あるいはそれら類似の語は、非排他的な包含を意図している。たとえば、ある構成要素のリストを有するプロセス、方法、物品または装置は、それらの構成要素のみに限定される必要はなく、リストに明示されていない構成要素、またはそのプロセス、方法、物品、装置に固有の構成要素を含む。さらに、反対の明示をしない限り、「または（or）」との語は、両方を含むことを許容し、二者択一的な意味ではない。たとえば、「ＡまたはＢ」との条件は、以下のいずれかの場合に満たされる。すなわち、Ａが真（または存在する）であり且つＢが偽（または存在しない）である場合、Ａが偽（または存在しない）であり且つＢが真（または存在する）である場合、ＡおよびＢの両方が真（または存在する）である場合のいずれか１つの場合に上記条件を満たす。
本明細書で用いられる以下の語は、以下のように定義される。これらの定義は、特許請求の範囲を含む本願のすべての部分におけるこれらの語の使用に適用される。
「エアロゲル」は、アルコゲルから、固体部分を実質的に損傷することなく実質的に液体を取り除くことにより得られる、低密度の固体状態の物質であり、アルコゲルの体積の少なくとも約５０％の固体を含有する物質であると定義される。この定義によれば、エアロゲルは、純粋な酸化シリコンエアロゲルのように単一の化学組成で全体が形成されている必要はなく、シリコンチタン酸化物あるいはその類似物のような、複数のゲル形成物の組み合わせを含んでよい。また、エアロゲルは、付加物および／または不純物の存在が、アルコゲルの形成を妨げない限り、または、その後のアルコゲルからエアロゲルへの転化を妨げない限り、付加物および／または不純物を含んでもよい。この定義によれば、エアロゲルは、全体が均一の組成を備える必要はない。
「アルコゲル」は、ゾルが実質的にゲル点に達したときに得られる実質的に固い構造を意味する。ゾルは、連続的に分子量を増大させる種の生成を導く化学反応を受ける反応物を含む（限定しないが典型的には金属酸化物である）。これらの種は分子量を増大させるときに、３次元のネットワークを形成するように互いに結合する。ゲル点およびその付近において、３次元のネットワークは実質的にゾルの体積にわたり、実質的に固い構造であるアルコゲルが得られる。
「エアロゲルベース材料」は、エアロゲルを含む材料であり、エアロゲルのガスの容積の実質的な部分が、他の非ガス物質で占有されていない状態の材料であると定義される。この定義によればエアロゲルベース材料は、他の材料および／または成分が、エアロゲルのガスの容積の実質的な部分が他の非ガス物質で占有されていない量で存在している限り、エアロゲルと他の材料および／または成分との合成物を含むことができる。ここでの定義によれば、エアロゲルベース材料は、他の材料および／または成分が、エアロゲルのガスの容積の実質的な部分が他の非ガス物質で占有されてい限り、全体として均一な成分である必要はない。
「エアロゲルベース層」は、実質的にエアロゲルベース材料を有する、層、副次的な層、または層内の領域であると定義される。
「基板」は、エアロゲルベース層を有する材料層の下に位置し、構造的な支持を提供する材料層である。このエアロゲルベース層を有する材料層は、この基板に直接的な物理的接触を維持している必要はない。たとえば、中間層または中間の副次層が存在してもしなくてもよい。
エアロゲルベース層に関して用いられる場合、「厚さ」は、エアロゲルベース層の頂部の広がりとエアロゲルベース層の底部の広がりとの間の距離であると定義され、エアロゲルベース層に描画が施される前に測定され、この測定は基板に垂直な軸上で行われる。
本明細書で用いられる「描画」は、１つまたはそれ以上の材料層の正味の除去を生じさせる、単一の工程または複数の工程であると定義される。本発明は、エアロゲルベース層の構造的な欠陥を生じさせるような除去方法を除いて、なんらの特定の除去方法に限定されない。
「構造的特徴」は、描画の結果、１つまたはそれ以上の材料層に生じる特徴である。
本明細書で用いられる「表面外形」は、特徴の表面特性の３次元的な位置に関する表面の幾何学的特徴であると定義される。それゆえ、２つの特徴の表面外形が比較される場合（たとえば、一方の特徴の表面外形が他方の特徴の表面外形と実質的に同一であるという場合）、この比較は、互いの特徴内の表面特性の相対的な位置にのみ基づく。従って、２つまたはそれ以上の特徴の表面外形の比較は、絶対的な寸法のあらゆる考慮を除外する。本明細書で用いられる場合、この語句は、一般に、少なくとも部分的にエアロゲル層の除去により形成された構造的特徴の表面外形、および、微小電気機械特徴の少なくとも一部の表面外形のいずれにも関連する。
本明細書で用いられる「微小電気機械特徴」は、少なくとも部分的に、機械的、電気機械的、または光電気機械的な装置を形成する特徴であると定義され、ここで、任意の軸から描かれる最も大きな直線寸法は、約１ｍｍよりも小さく、約１００ｎｍよりも大きい。本発明は、特徴が、確立された寸法の制限を持ち且つ機械的、電気機械的または光電気機械的な機能を実行できる限り、なんらの特定の種類の装置、特徴、あるいはその一部に限定されない。
本明細書で、重い材料層に関して用いられる「堆積」は、表面上に材料の層を形成する方法であると定義される。本発明は、エアロゲルベース層の重大な品質低下を生じさせる技術を除き、また、エアロゲルベース層に構造的な欠陥を生じさせる技術を除いて、材料層を形成する何らの特定の技術にも限定されない。
本明細書で用いられる「重い材料層」は、約５０％より少ないの体積のガスを含む材料層であると定義される。この定義によれば、結晶構造における空隙領域により占有される体積は、ガスに占有されていると考えられる。
本明細書においてエアロゲルベース層に関して用いられる「取り除き」は、エアロゲルベース材料をはがす方法であると定義される。本発明は、重い材料層またはエアロゲルベース層の上に堆積された層の重要な品質低下を生じさせる技術を除いて、なんらの特定の取り除き技術にも限定されない。
エアロゲルベース層は、当業者に既知の任意の技術を用いて基板上に形成される。本発明は、エアロゲルベースを形成するための手段により限定される必要はない。一実施形態において、エアロゲル層は、G.S. Kim & S.H. Hyun, Thin Solid Films, Vol.460, pp.190-200(2004); S.S. Kistler, Nature, Vol.127, p.741(1931); P.M. Norris & S. Shrinivasan, Ann. Revv. Heat Transfer, Vol.14, pp.385-408(2005, V. Prasad, et al., eds.); S.S. Prakash, et al., nature, vol.374, pp.439-43(1995); K.Richter, et al., Ann. Rev. Heat Transfer, Vol.VI, pp.61-114(1996); L.W. Hrubesh & J.F. Poco, J.Non-Crystallin Solids, Vol.188, pp.46-53(1995)、の文献に開示された方法により基板上に堆積された酸化シリコンからなる。これらの文献は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明のエアロゲルは、上述の定義のように、エアロゲルを形成することができる任意の材料組成を有することができる。一実施形態において、エアロゲルは金属酸化物を有する。他の実施形態において、エアロゲルは、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化クロム、酸化チタンおよび酸化スズからなる群から選択される１つまたはそれ以上の金属酸化物を有する。他の実施形態において、エアロゲルは酸化シリコンを有する。さらなる実施形態において、エアロゲルは質量基準少なくともで９５％の酸化シリコンを有する。
本発明のエアロゲルは特定の密度を持たず、密度はエアロゲルの化学組成およびガスが占める割合に応じて変わる。一実施形態において、エアロゲルの密度は約１ｋｇ／ｍ３から約５００ｋｇ／ｍ３の間である。他の実施形態において、エアロゲルの密度は約３ｋｇ／ｍ３から約４００ｋｇ／ｍ３の間である。他の実施形態において、エアロゲルの密度は約５ｋｇ／ｍ３から約１００ｋｇ／ｍ３の間である。
本発明のエアロゲルはガスが占める体積の割合について特定の制限はない。一実施形態において、エアロゲルは体積基準で約５０％より大きいガス体積を備える。他の実施形態において、エアロゲルは体積基準で約７０％より大きいガス体積を備える。他の実施形態において、エアロゲルは体積基準で約８５％より大きいガス体積を備える。他の実施形態において、エアロゲルは体積基準で約９０％より大きいガス体積を備える。他の実施形態において、エアロゲルは体積基準で約９５％より大きいガス体積を備える。他の実施形態において、エアロゲルは体積基準で約９７％より大きいガス体積を備える。
本発明のエアロゲルベース層は約１ｍｍより小さい任意の厚さを備えることができる。一実施形態において、エアロゲルベース層は、約１００ｎｍから約１ｍｍの間の厚さを備える。他の実施形態において、エアロゲルベース層は、約５００ｎｍから約７５０μｍの間の厚さを備える。他の実施形態において、エアロゲルベース層は、約１μｍから約６００μｍの間の厚さを備える。
本発明の描画プロセスは、エアロゲルベース層の構造的な欠陥を生じさせる方法を除いて、当業者に既知の任意の除去方法を使用することができる。一実施形態において、除去方法は、集束イオンビーム描画、プラズマエッチング、レーザー除去、反応性イオンエッチング、および他の類似のドライエッチング技術からなる群から選択される少なくとも１つの技術を使用することを含む。一実施形態において、除去方法は、集束イオンビーム描画の使用を含み、ここで集束イオンビーム装置が電子シャワーとともに装備される。C.A. Volkert & A.M. Minor, MRS Bulletin, Vol.32, pp.389-95(2007); W.J. Moberly-Chan et al., MRS Bulletin, Vol.32, pp.424-32(2007); J.Mayer, et al., MRS Bullitin, Vol.32, pp.400-07(2007)を参照されたい。これらは参照により本明細書に組み込まれる。
一実施形態において、描画は単一工程のプロセスを通じて生じ、このプロセスで、エアロゲルベース層は、微小電気機械特徴の少なくとも一部の表面外形と実質的に同一の表面外形を備える構造的特徴を形成するため、エアロゲルベース層から物質を除去するエネルギー源にされされる。
他の実施形態において、描画は２工程のプロセスを通じて生じる。第１の工程において、エアロゲルベース層は、第１の構造的特徴を形成するために、エアロゲルベース層から物質を除子するエネルギー源にさらされる。第２の工程において、第２の構造的特徴を形成するために、第１の構造的特徴内にまたは第１の構造的特徴上に物質を堆積させる。ここで、第２の工程で堆積される物質の体積は、第１の工程で除去された物質の体積よりも小さく、第２の構造的特徴は、微小電気機械特徴の少なくとも一部の表面外形と実質的に同一の表面外形を備える。他の実施形態において、描画は単一工程または複数工程プロセスを通じて生じる。
いくつかの実施形態において、エアロゲルベース層は基板の上に直接配置され、たとえば図２に示すように、描画工程は、エアロゲルベース層を下の基板の表面の一部が露出するように除去する。他の実施形態において、エアロゲルベース層は基板の上に直接配置され、描画工程は、エアロゲルベース層を下の基板の表面の一部が露出しないように除去する。また、他の実施形態において、エアロゲルベース層と基板との間に追加層が配置される。この実施形態において、描画工程は、少なくともエアロゲルベース層から物質を除去するが（下の層の表面部分を露出してもしなくてもよい）、さらに、基板とエアロゲルベース層との間の層から物質を除去してもよい（基板の表面部分を露出してもしなくてもよい）。
本発明の微小電気機械特徴は、上述の定義に含まれる限り特定の種類の特徴に限定されない。単一特徴を持つ微小電気機械装置において、微小電気機械特徴は微小電気機械装置の全体を構成してもよい。複数の特徴を持つ微小電気機械装置において、微小電気機械特徴は、微小電気機械装置の一部だけを構成してもよい。一実施形態において、微小電気機械特徴は、物理的および／または電気的に、他の微小電気機械特徴または装置から隔離される。たとえば、たとえば格子である。他の実施形態置において、微小電気機械特徴は、物理的および／または電気的に、他の微小電気機械特徴または装置あるいは他の装置に接続される。たとえば、流体チャネルに接続された流体混合装置である。
一実施形態において、微小電気機械装置は流体混合装置である。他の実施形態において、微小電気機械装置は格子である。他の実施形態において、微小電気機械装置は可撓性ダイアフラムである。
本発明の堆積プロセスは、表面上に材料層を形成する任意の方法の使用を含む。ただし、エアロゲルベース層に有意な品質低下を生じさせる技術、およびエアロゲルベース層に構造的欠陥を生じさせる技術は除く。堆積プロセスは単一工程でも複数工程でもよい。
一実施形態において、堆積プロセスは、化学気相堆積、スパッタリング、蒸着、および低圧化学気相堆積からなる群から選択される少なくとも１つの技術の使用を含む。
本発明の重い材料層は、体積基準で約５０％より少ないガスを含む材料を有する。一実施形態において、重い材料は体積基準で約４０％より少ないガスを含む材料を有する。他の実施形態において、重い材料は体積基準で約３５％より少ないガスを含む材料を有する。他の実施形態において、重い材料は体積基準で約３２％より少ないガスを含む材料を有する。
本発明の重い材料層は、化学組成が微小電気機械特徴に使用するのに適合する限り、特定の化学組成に限定されない。一実施形態において、重い材料層は、酸化シリコン、金、白金およびポリシリコンからなる群から選択される物質を有する。
一実施形態において、重い材料層は、エアロゲルベース層の平均密度よりも約２０％大きい平均密度を備える。他の実施形態において、重い材料層はエアロゲルベース層の平均密度よりも約３５％大きい平均密度を備える。他の実施形態において、重い材料層はエアロゲルベース層の平均密度よりも約５０％大きい平均密度を備える。他の実施形態において、重い材料層はエアロゲルベース層の平均密度の約２倍の平均密度を備える。他の実施形態において、重い材料層はエアロゲルベース層の平均密度の約３倍の平均密度を備える。他の実施形態において、重い材料層はエアロゲルベース層の平均密度の約５倍の平均密度を備える。他の実施形態において、重い材料層はエアロゲルベース層の平均密度の約１０倍の平均密度を備える。他の実施形態において、重い材料層はエアロゲルベース層の平均密度の約２５倍の平均密度を備える。他の実施形態において、重い材料層はエアロゲルベース層の平均密度の約５０倍の平均密度を備える。
重い材料層の堆積は、エアロゲルベース層への構造的特徴の描画の直後である必要はない。一実施形態において、エアロゲルベース層への構造的特徴の描画の後には、パターン形成されたエアロゲルベース層に重い材料層を堆積させる準備のための、１つのあるいは一連のプロセスが続く。たとえば、表面準備技術がエアロゲルベース層の構造的欠陥を生じさせない限り、当業者に既知の任意の表面準備技術をエアロゲルベース層に適用することができる。しかし、いくつかの実施形態では、重い材料の堆積は、エアロゲルベース層への構造的特徴の描画の直後に行われる。
本発明の取り除きプロセスは、エアロゲルベース層をはがすのに好適な任意の技術を含む。ただし、エアロゲルベース層の上に堆積された重い材料層に有意な品質低下を生じされる技術を除く。一実施形態において、取り除きプロセスは、水、水性のエッチング剤およびガス状のエッチング剤からなる群から選択される少なくとも１ついの薬剤にエアロゲルベース層をさらす工程を含む。
本発明の一側面は、微小電気機械特徴の少なくとも一部の製造に有効なエアロゲルベースの型に向けられる。本発明のこの側面は、基板上に堆積されたエアロゲルベース層を含む。ここで、エアロゲル層は約１ｍｍ以下の厚さであり、また、微小電気機械特徴の少なくとも一部の表面外形と実質的に同一の表面外形を備える構造的特徴を有する。
図１は、本発明のこの側面の一実施形態を示している。エアロゲルベース層１１は、基板１０の上に堆積され、ＭＥＭＳ寸法のキャビティ１２の輪郭はエアロゲルベース層に直接的にパターン形成される。
本発明の他の側面は、微小電気機械特徴の少なくとも一部の製造に有効なエアロゲルベース層の形成方法に向けられる。この方法は、（ａ）エアロゲルベース層を上に備える基板を提供し、ここで、エアロゲルベース層は約１ｍｍ以下の厚さを持ち、（ｂ）エアロゲルベース層に構造的特徴を描画し、ここで、この構造的特徴は微小電気機械特徴の少なくとも一部の表面外形と実質的に同一の表面外形を備える。
図２は、本発明のこの側面の一実施形態を示している。エアロゲルベース層２１は基板２０の上に形成される。電子シャワー２４に結合された集束されたガリウムイオンビーム２３が、ＭＥＭＳ寸法のキャビティ２２の輪郭を形成するために、エアロゲルベース層２１から物質を除去するのに用いられる。
本発明の他の側面は、微小電気機械特徴の少なくとも一部を形成する方法に向けられる。この方法は、（ａ）エアロゲルベース層を上に備える基板を提供し、ここで、エアロゲルベース層は約１ｍｍ以下の厚さを持ち、（ｂ）エアロゲルベース層に構造的特徴を形成し、ここで、この構造的特徴は微小電気機械特徴の少なくとも一部の表面外形と実質的に同一の表面外形を備え、（ｃ）微小電気機械特徴の少なくとも一部を形成するために、重い材料層をエアロゲルベース層の上に堆積させる。
図３は、本発明のこの側面の一実施形態を示している。エアロゲルベース層３１は、基板３０の上に堆積される。ＭＥＭＳ寸法のキャビティ３２の輪郭がエアロゲルベース層３１に描画され、重い材料層３４がエアロゲルベース層３１の上に堆積される。
図１−３に示される実施形態は、説明の目的のためだけに提供されている。これらの図は、特許請求の範囲の文言のいかなる定義の基礎になるこはなく、いかなる意味においても特許請求の範囲の文言の範囲を制限しない。さらに、各図における様々な要素の相対的な寸法は表現しやすさのために選択されており、特許請求の範囲に記載された発明の実際の実施形態の要素の相対的な寸法を示すものとは限らない。

Claims (3)

  1. 装置の構造を形成するための型であって、
    前記型は、基板上に堆積されたエアロゲルベース層を有し、前記エアロゲルベース層は、
    （ａ）約１００ｎｍから約１ｍｍの間の厚さを備え、
    （ｂ）微小電気機械特徴の少なくとも一部の表面外形と実質的に同一の表面外形を備える構造的特徴を有する、型。
  2. 請求項１に記載の型であって、
    前記エアロゲルベース層は、体積基準で少なくとも約７０％のガスを有するエアロゲルを有する、型。
  3. 請求項２に記載の型であって、
    前記エアロゲルは金属酸化物を有する、型。
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