JP2015199179A

JP2015199179A - Ｍｅｍｓデバイス及びｍｅｍｓデバイス製造方法

Info

Publication number: JP2015199179A
Application number: JP2014080817A
Authority: JP
Inventors: 幸夫山内; Yukio Yamauchi; 泰彦村上; Yasuhiko Murakami
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2015-11-12

Abstract

【課題】メンブレン部が基板に貼り付くことを抑制できるＭＥＭＳデバイスを提供する。
【解決手段】基板１０と空洞部２３を介して離間するように配置された両端支持構造のメンブレン部３１を有する。基板１０のメンブレン部３１と対向する面に、メンブレン部３１に向けて先細る形状で、かつ前記メンブレン部３１の幅方向中央部を中心として線対称の突起部２１を備えることで、メンブレン部３１の製造過程で、空洞部２３に充填された犠牲層をウエットエッチングし、乾燥する工程での表面張力によるメンブレン部３１の基板１０への貼り付きを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳデバイス及びＭＥＭＳデバイス製造方法に関するものである。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて超小型・超高性能の各種デバイス（ＭＥＭＳデバイス）を製造する研究・開発が盛んに行われており、例えば、焦電センサー、圧力センサー、加速度センサー、ジャイロスコープ、光偏向装置、ＲＦスイッチ、可変容量キャパシタ等の各種デバイスが実現されている。ＭＥＭＳデバイスにおいて、ダイヤフラム構造を低コストで製造する場合には、例えばウエットエッチング処理及び乾燥処理を行って空洞を形成することで、基板に空洞を介してメンブレン部を形成する。この製造方法では、空洞形成後の乾燥時に、前処理で用いた純水等の表面張力でメンブレン部が基板に貼り付くスティッキング（座屈）が生じて本来の機能を果たせなくなることがある。

そこで、特許文献１には、メンブレン部と対向する基板上に規制部を設ける技術が開示されている。また、特許文献２には、基板と対向するメンブレン部に突部を設ける技術が開示されている。

特開２０１０−１５１９６４号公報特開２０１２−１３５８１９号公報

しかしながら、上述したような従来技術には、以下のような問題が存在する。
上記技術は、いずれも大きな面でメンブレン部と接触する突部を設けているため、基板へのメンブレン部の貼り付け対策としては十分とはいえない。特に、メンブレン部をＳｉＮ等の高圧縮応力の材料で形成するとスティッキングが生じやすく、確実なスティッキング対策が求められる。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、メンブレン部が基板に貼り付くことを抑制できるＭＥＭＳデバイス及びＭＥＭＳデバイス製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明は、以下の構成を採用している。
本発明のＭＥＭＳデバイスは、基板と離間して両端支持構造のメンブレン部を有するＭＥＭＳデバイスであって、前記基板の前記メンブレン部と対向する面に、前記メンブレン部に向けて先細る形状の突起部を備えるを特徴とするものである。
従って、本発明のＭＥＭＳデバイスでは、突起部のメンブレン部と対向する先端部の幅を小さくすることができる。そのため、純水等の表面張力でメンブレン部が突起部に向けて撓んだ場合でも突起部で撓みが規制されることから、突起部から離れる方向に撓んで応力緩和する。その結果、本発明では、スティッキングを生じさせることなくメンブレン部を形成することができる。

上記の突起部としては、前記メンブレン部が設けられる範囲に亘って設けられる構成を好適に採用できる。
従って、本発明のＭＥＭＳデバイスでは、メンブレン部が設けられる範囲に亘ってメンブレン部にスティッキングが生じることを抑制できる。

上記の突起部としては、前記メンブレン部の幅方向の中央を中心として線対称である構成を好適に採用できる。
従って、本発明のＭＥＭＳデバイスでは、メンブレン部を挟んだ両側からウエットエッチングすることにより、基板上に突起部を形成することができる。

上記の突起部としては、凹形状の湾曲面を有する構成を好適に採用できる。
従って、本発明のＭＥＭＳデバイスでは、メンブレン部を挟んだ両側からウエットエッチングすることにより、基板上に突起部を形成することができる。

上記の突起部の頂部の幅としては、前記メンブレン部の幅の１／１０以下である構成を好適に採用できる。
従って、本発明のＭＥＭＳデバイスでは、メンブレン部の弾性エネルギー、固体−液体間の表面エネルギー、固体間の接着エネルギーに基づき、メンブレン部にスティッキングを生じることを回避できる。

また、本発明のＭＥＭＳデバイス製造方法は、基板と離間して両端支持構造のメンブレン部を有するＭＥＭＳデバイスを製造する方法であって、前記基板の表面に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の表面にマスクを形成する工程と、前記マスクの一部をエッチングしてパターニングする工程と、前記犠牲層をウエットエッチングして、前記メンブレン部と対向する面に、前記メンブレン部に向けて先細る突起部を形成する工程と、を有することを特徴とするものである。

従って、本発明のＭＥＭＳデバイス製造方法では、メンブレン部と対向する先端部の幅が小さく形成された突起部を形成することができる。そのため、純水等の表面張力でメンブレン部が突起部に向けて撓んだ場合でも突起部で撓みが規制されることから、突起部から離れる方向に撓んで応力緩和する。その結果、本発明では、スティッキングを生じさせることなくメンブレン部を形成することができる。

また、本発明のＭＥＭＳデバイス製造方法は、前記マスクが前記メンブレン部である構成を好適に採用できる。
これにより、本発明では、突起部を形成した際に、メンブレン部と突起部とが離間したＭＥＭＳデバイスを製造することが可能になる。

また、本発明のＭＥＭＳデバイス製造方法では、前記犠牲層をウエットエッチングして形成された空間に第２犠牲層を形成する工程と、前記マスクを除去する工程と、前記マスクを除去した前記第２犠牲層の表面に前記メンブレン部を形成する工程と、前記メンブレン部をマスクとして、前記第２犠牲層を除去する工程と、を有する手順も好適に採用できる。
これにより、本発明では、突起部を形成するための犠牲層と、メンブレン部と突起部との間に空間（空洞）を形成するための第２犠牲層とを、それぞれのエッチング特性に応じて適宜選択することが可能となる。

本発明のＭＥＭＳデバイス製造方法では、前記突起部の頂部の幅を、前記メンブレン部の幅の１／１０以下に形成する構成を好適に採用できる。
従って、本発明のＭＥＭＳデバイス製造方法では、メンブレン部の弾性エネルギー、固体−液体間の表面エネルギー、固体間の接着エネルギーに基づき、メンブレン部にスティッキングを生じることを回避できる。

本発明の実施の形態を示す図であって、ＭＥＭＳデバイス１の（ａ）は平面図、（ｂ）は正面断面図。ＭＥＭＳデバイス１の製造工程を示す図。ＭＥＭＳデバイス１の製造工程を示す図。乾燥時の液体と座屈が生じないメンブレン部の長さとの関係を示す図。ＭＥＭＳデバイス１の別の製造工程を示す図。突起部に保護膜を形成する場合の製造工程を示す図。

以下、本発明のＭＥＭＳデバイス及びＭＥＭＳデバイス製造方法の実施の形態を、図１ないし図５を参照して説明する。
なお、以下の実施の実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせている。

図１（ａ）はＭＥＭＳデバイス１の平面図であり、図１（ｂ）は正面断面図である。
図１に示すように、ＭＥＭＳデバイス１は、シリコン基板（ウエハ）１０上に犠牲層としての熱酸化膜層（シリコン酸化膜層）２０及びメンブレン層３０が設けられた構成を備えている。

以下の説明では、図１（ａ）における左右方向をＸ方向とし、図１（ａ）における上下方向をＹ方向とし、Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向をＺ方向として説明する。

メンブレン層３０は、例えば、高圧縮応力を有するプラズマＳｉＮ等で形成されている。メンブレン層３０は、Ｘ方向の中央にＹ方向に延在し両端支持構造（両持ち）のメンブレン部３１（素子部等を含む）と、メンブレン部３１を挟んだＸ方向の両側に位置して、Ｙ方向に延在する平面視矩形の開口部３２を備えている。メンブレン部３１は、可動部として直線状に設けられている。

熱酸化膜層２０は、Ｘ方向の中央にＹ方向に延在する突起部２１と、メンブレン層３０の周縁部を支持する支持部２２と、空洞部２３とを備えている。突起部２１は、シリコン基板１０の表面に、メンブレン部３１と対向して直線状に（突条に）メンブレン部３１が設けられる範囲に亘って設けられている。突起部２１は、メンブレン部３１に向けて先細る、断面略三角形状を有している。より詳細には、突起部２１は、幅方向（Ｘ方向）の中央を中心として凹形状の湾曲面が線対称で組み合わされた形状を有している。突起部２１の高さは、例えば、メンブレン部３１とシリコン基板１０との距離の１／２以下に形成される。

空洞部２３は、メンブレン部３１と突起部２１との間、及びメンブレン層３０の開口部３２に臨む領域に亘って形成されている。

次に、上記構成のＭＥＭＳデバイス１を製造する方法について、図２乃至図４を参照して説明する。
まず、シリコン基板１０上に熱酸化膜層２０を形成した後に、熱酸化膜層２０上にレジスト（感光剤）Ｒを塗布する。そして、レジストＲに対して露光処理、現像処理及びエッチング処理等のフォトリソグラフィ処理を実施して、図２（ａ）に示すように、メンブレン層３０の開口部３２の位置が露出し、メンブレン部３１の位置が被覆されるように、熱酸化膜層２０上にマスクＭを形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、マスクＭを介して緩衝フッ酸（バッファードフッ酸；ＢＨＦ）等のエッチング剤によりエッチング処理を行って、熱酸化膜層２０に空洞部２３を形成する。この際、熱酸化膜層２０は、マスクＭの開口部からエッチング剤によって、エッチングレート、温度・時間等のエッチング条件に応じて腐食（エッチング）される。熱酸化膜層２０がエッチングされる領域は、マスクＭの両開口部を起点として時間の経過とともに徐々に広がる。そのため、エッチング時間を調整することにより、熱酸化膜層２０において突起部２１及び支持部２２がシリコン基板１０上に残留することになる。

この場合、熱酸化膜層２０は、メンブレン部３１の位置に形成されたマスクＭの両側の開口部を起点としてエッチングされることから、熱酸化膜層２０は、メンブレン部３１のＸ方向の中央を中心として線対称に形成されることになるとともに、各開口部側の面は凹形状の湾曲面となる。

次に、マスクＭを剥離液で剥離する。その後、図２（ｃ）に示すように、空洞部２３に第２犠牲層としての犠牲層２４を形成する。また、犠牲層２４が形成されると、熱酸化膜層２０の表面に対してＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）処理等の研磨処理を行い、マスクＭを除去するとともに、表面を平坦化する。犠牲層２４としては、本実施形態ではテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）が用いられている。

この後、平坦化された犠牲層２４及び熱酸化膜層２０上にメンブレン層３０を形成し、さらに、レジスト塗布処理及びフォトリソグラフィ処理を実施して、図３（ａ）に示すように、開口部３２（及び開口部３２が形成されることでメンブレン部３１）を形成する。

そして、メンブレン部３１が形成されると、メンブレン部３１をマスクとして、緩衝フッ酸（ＢＨＦ）等のエッチング剤によりエッチング処理を行い犠牲層２４を除去する。この処理では、犠牲層２４及び突起部２１（並びに支持部２２）にエッチング剤が作用するが、犠牲層２４のエッチングレートと比較して突起部２１及び支持部２２のエッチングレートは、１／３と遅いため、犠牲層２４を除去した場合でも突起部２１及び支持部２２を残留させることができる。

上記のエッチング処理が終了すると乾燥処理を行うが、乾燥時にはエッチング剤に含まれている液体（純水等）の表面張力等により、図３（ｂ）に示すように、メンブレン部３１が座屈して突起部２１に当接する可能性がある。特に、メンブレン層３０が高圧縮応力を有するＳｉＮ等で形成され、また、エッチング剤に含まれている液体が純水の場合、ＩＰＡ（IsoPropylAlcohl）やＨＦＥ（HydroFluoroEther）等に比べて表面張力が大きいため、座屈が生じやすい。本実施形態では、突起部２１が先細り形状を有し、先端部の幅が短いため、メンブレン部３１との接触面積が小さい。そのため、一旦、撓んで突起部２１に当接したメンブレン部３１は、それ以上の撓みが規制され、図３（ｃ）に示すように、突起部２１から離間する方向に撓むことで応力が緩和される。

（実施例）
図４に、突起部２１を設けた場合のメンブレン部３１が座屈しない最大長さ（グラフＡ）と、突起部２１を設けない場合のメンブレン部３１が座屈しない最大長さ（グラフＢ）とを示す。グラフＡ、Ｂは、メンブレン部３１と突起部２１との距離（グラフＡ）、メンブレン部３１とシリコン基板１０との距離（グラフＢ）が１μｍであり、乾燥時に座屈に起因する液体が上述した純水、ＩＰＡ、ＨＦＥの場合について示されている。

図４のグラフＢに示されるように、突起部２１を設けない場合には、表面張力が小さいＨＦＥを用いても１０μｍ以上の長さで座屈を生じさせないことはできなかった。図４のグラフＡで示されるように、突起部２１を設けた場合には、例えば、ＨＦＥを用いた乾燥時に、４０μｍの長さでも座屈を生じさせなかった。

このように、本実施形態では、シリコン基板１０の表面におけるメンブレン部３１と対向する位置に先細り形状を有する突起部２１を設けているため、乾燥時にメンブレン部３１が貼り付いてスティッキングが生じることを抑制できる。また、本実施形態では、突起部２１がメンブレン部３１が設けられる範囲に亘って設けられているため、メンブレン部３１がいずれの位置で当接した場合でも、貼り付くことを抑制することが可能である。加えて、本実施形態では、シリコン基板１０とメンブレン層３０との間に空洞部２３を形成する工程で突起部２１を設けているため、別途、突起部２１を設ける工程を加える必要がなく生産性の向上を図ることができる。

なお、上記実施形態で説明した突起部２１の先端部の断面は、鋭角のエッジ形状となるが、例えば、犠牲層２４をエッチング処理する際に先端部に平面が形成される可能性がある。突起部２１に先端に平面が形成される場合、突起部２１の先端幅はメンブレン部３１の幅Ｗ（図１参照）に対して所定の比率以下であることが好ましい。

メンブレン部３１のように、両端が保持された両持ち構造の場合、メンブレン部３１の弾性エネルギー、固体−液体間の表面エネルギー、固体間の接着エネルギーの関係式から、以下の式（１）において、Ｎｐ≧１であれば座屈が生じないことが知られている。

Ｅ；ヤング率、ｔ：メンブレン部３１の厚さ（図１参照）、ｈ；メンブレン部３１と突起部２１との距離（図１参照）、γｓ；液体の表面張力、ｌ；メンブレン部３１の長さである。ただし、γｓについては接着エネルギーのところを表面張力としている。

ここで、上述した実施形態に基づき、Ｅ＝２．９Ｅ^１１（Ｐａ）、ｔ＝１Ｅ^−７（ｍ）、ｈ＝０．０００００１（ｍ）、γｓ＝０．０１３（Ｐａ）、ｌ＝０．００００５（ｍ）を用いると、Ｎｐ＝０．０９１４となる。この値は、表面張力γｓがメンブレン部３１の幅Ｗで作用する場合であるが、メンブレン部３１と当接する突起部２１の先端幅Ｑは幅Ｗよりも小さいため、先端幅Ｑのときに作用する表面張力γｓは、Ｑ／Ｗ倍となる。
従って、式（１）においてＮｐ≧１となるためには、Ｑ／Ｗ≦（０．０９１４≒０．１）、すなわち、突起部２１の先端幅Ｑがメンブレン部３１の幅Ｗの１／１０以下であれば座屈が生じないため、突起部２１の先端部はこの条件を満たすように管理することが好適である。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、熱酸化膜層２０によって突起部２１を形成する構成を例示したが、これに限定されるものではなく、メンブレン部３１の幅よりもメンブレン部３１からシリコン基板１０までの距離が短く、空洞部２３を形成する際に突起部２１が残留可能な場合は、図５（ａ）に示すように、シリコン基板１０上に犠牲層（ＴＥＯＳ）２４を設け、犠牲層２４上にメンブレン部３１を含むメンブレン層３０を設ける構成としてもよい。この構成では、図５（ｂ）に示すように、メンブレン層３０をマスクとして犠牲層２４をエッチング処理することにより、突起部２１と空洞部２３とを同時に形成することができ、生産性を向上させることが可能になる。

また、上記実施形態で説明した突起部２１の表面に、例えば、ＳｉＮ等の保護膜を成膜してもよい。このように保護膜を成膜することにより、図３（ａ）に示した犠牲層２４の除去時にオーバーエッチングが大幅に入っても突起構造を維持することが可能である。
本構造での実施形態を図６に示す。
まず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板１０上に熱酸化膜層２０を形成した後に、熱酸化膜層２０上にエッチングマスク３３を形成する。エッチングマスク３３は、レジストや上記ＢＨＦに対するマスクとなるＳｉＮ、メタル等で形成される。エッチングマスク３３は、熱酸化膜層２０上に全面的に形成された後に、露光処理、現像処理及びエッチング処理等のフォトリソグラフィ処理を実施して、メンブレン層３０の開口部３２の位置が露出し、メンブレン部３１の位置が被覆されるように形成される（図２（ａ）参照）。

次に、図６（ｂ）に示すように、エッチングマスク３３を介して緩衝フッ酸（バッファードフッ酸；ＢＨＦ）等のエッチング剤によりエッチング処理を行って、熱酸化膜層２０に空洞部２３を形成する。エッチング後の乾燥時にエッチングマスク３３が座屈するが、後工程でエッチングマスク３３を除去するため問題になることはない。この後、図６（ｃ）に示すように、エッチングマスク３３を剥離液で除去する。次に、図６（ｄ）に示すように、保護膜３４及び犠牲層２４を順次成膜する。その後、図６（ｅ）に示すように、例えば、ＣＭＰによって、所定の厚さに調整するとともに、表面を平坦化する。これにより、図２（ｃ）と同様の状態となるため、以後の工程については、図３（ａ）〜図３（ｃ）で示した工程を経ることにより、保護膜が成膜された突起部を形成することができる。

１…ＭＥＭＳデバイス、１０…シリコン基板（基板、ウエハ）、２０…熱酸化膜層（シリコン酸化膜層、犠牲層）、２１…突起部、２４…犠牲層（第２犠牲層）、３１…メンブレン部、Ｍ…マスク

Claims

基板と離間して両端支持構造のメンブレン部を有するＭＥＭＳデバイスであって、
前記基板の前記メンブレン部と対向する面に、前記メンブレン部に向けて先細る形状の突起部を備えることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
前記突起部は、前記メンブレン部が設けられる範囲に亘って設けられることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳデバイス。
前記突起部は、前記メンブレン部の幅方向の中央を中心として線対称であることを特徴とする請求項１または２に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記突起部は、凹形状の湾曲面を有することを特徴とする請求項３に記載のＭＥＭＳデバイス。
前記突起部の頂部の幅は、前記メンブレン部の幅の１／１０以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
基板と離間して両端支持構造のメンブレン部を有するＭＥＭＳデバイスを製造する方法であって、
前記基板の表面に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の表面にマスクを形成する工程と、
前記マスクの一部をエッチングしてパターニングする工程と、
前記犠牲層をウエットエッチングして、前記メンブレン部と対向する面に、前記メンブレン部に向けて先細る突起部を形成する工程と、
を有することを特徴とするＭＥＭＳデバイス製造方法。
前記マスクは、前記メンブレン部であることを特徴とする請求項６記載のＭＥＭＳデバイス製造方法。
前記犠牲層をウエットエッチングして形成された空間に第２犠牲層を形成する工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記マスクを除去した前記第２犠牲層の表面に前記メンブレン部を形成する工程と、
前記メンブレン部をマスクとして、前記第２犠牲層を除去する工程と、
を有する請求項６記載のＭＥＭＳデバイス製造方法。
前記突起部の頂部の幅を、前記メンブレン部の幅の１／１０以下に形成することを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス製造方法。