JP2015205361A - Ｍｅｍｓ構造体の製造方法、ｍｅｍｓ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ構造体を構成する基板どうしを高い精度で確実に接合し、ＭＥＭＳ構造体の信頼性を高めることのできるＭＥＭＳ構造体の製造方法、およびそれを用いて形成されたＭＥＭＳ構造体を提供する。【解決手段】単結晶シリコンからなる第一の基板と、単結晶シリコンからなる第二の基板とが接合された構造を備えたＭＥＭＳ構造体を製造する。第一の基板１１における第二の基板１２との接合面である第一の接合面１１ｖ、および、第二の基板における第一の基板との接合面である第二の接合面１２ｖ、に表面処理を行い、第一の接合面および第二の接合面に、単結晶シリコンの結晶方位に対応した凹凸部１５を形成する第一の工程と、第一の基板と第二の基板とを突き合わせ、第一の基板と第二の基板とを接合する第二の工程と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ構造体の製造方法、およびそれを用いて形成されたＭＥＭＳ構造体に関する。

近年、超小型の振動子、センサ等のデバイスを、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて形成することが行われている。このようなデバイスは、シリコン等の材料からなる基板を複数枚積層し、その内部にデバイスの素子部を形成したものである。

例えば特許文献１〜３に開示されているように、このようなデバイスの製造工程では、複数枚の基板どうしを、熱圧着、プラズマ接合、陽極接合、加圧接合等の接合法により一体に接合している。ここで、各基板は、接合に先立ち、ＣＭＰ（化学的機械研磨）法等によって接合面を平滑に研磨している。これは、基板の接合面どうしを密着させて接合を確実に行うためである。

特開２０１３−５５６３２号公報 特開２００７−２０５７３９号公報 特開２００４−３５６００３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。

上記したように、基板どうしの接合の際には、基板の接合面は平滑に研磨されている。このため、基板のアライメント調整を行った後、基板の接合面どうしを突き合わせときに、基板が接合面に沿って滑ってしまうことがある。すると、基板どうしがずれた状態で接合されてしまう。その結果、基板どうしの接合強度が低下し、デバイスの信頼性の低下につながる。

また、基板の反りや応力の発生により、基板同士の接合面において、接合強度にばらつきが生じることがある。すると、接合後に、接合強度の弱い部分が剥がれてしまうという問題もある。

この発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、ＭＥＭＳ構造体を構成する基板どうしを高い精度で確実に接合し、ＭＥＭＳ構造体の信頼性を高めることのできるＭＥＭＳ構造体の製造方法、およびそれを用いて形成されたＭＥＭＳ構造体を提供することができる。

本発明に係るひとつのＭＥＭＳ構造体の製造方法は、単結晶シリコンからなる第一の基板と、単結晶シリコンからなる第二の基板とが接合された構造を備えたＭＥＭＳ構造体の製造方法であって、前記第一の基板における前記第二の基板との接合面である第一の接合面、および、前記第二の基板における前記第一の基板との接合面である第二の接合面、に表面処理を行い、前記第一の接合面および前記第二の接合面に、前記単結晶シリコンの結晶方位に対応した凹凸部を形成する第一の工程と、前記第一の基板と前記第二の基板とを突き合わせ、前記第一の基板と前記第二の基板とを接合する第二の工程と、を含むことを特徴とする。

この方法によれば、第一の接合面の凹凸部と第二の接合面の凹凸部とを互いに噛み合わせることで、第一の基板と第二の基板とを接合するに際し、第一の基板と第二の基板との位置ずれを防ぐことができる。これにより、第一の基板と第二の基板とを高い精度で確実に接合し、ＭＥＭＳ構造体の信頼性を高めることが可能となる。

上記のひとつのＭＥＭＳ構造体の製造方法において、前記表面処理は、前記第一の接合面および前記第二の接合面をアルカリ性薬液を用いて表面処理することにより行われ、前記第一の基板および前記第二の基板を構成する単結晶シリコンの結晶方位に沿った前記凹凸部を形成することが好ましい。

この方法によれば、第一の接合面および第二の接合面がアルカリ性薬液により表面処理されることで、単結晶シリコンの結晶方位に沿った微細な凹凸部を形成することができ、第一の基板と第二の基板とを高精度に位置合わせして接合することが可能となる。

上記のひとつのＭＥＭＳ構造体の製造方法において、前記第一の基板および前記第二の基板の少なくとも一方に凹部を有し、更に、前記第一の工程の前に行われる、前記凹部を覆う保護層を形成する第三の工程と、前記第一の工程の後に行われる、前記保護層を除去する第四の工程と、を含むことが好ましい。

ＭＥＭＳ構造体は、接合面に所定の大きさの凹部を設け、当該凹部内に様々な構造体を形成する場合がある。このような場合であっても、この方法によれば、当該凹部および当該凹部内に形成された構造体に影響を与えることなく、第一の接合面および第二の接合面の表面処理を行う事ができる。

上記のひとつのＭＥＭＳ構造体の製造方法において、前記第三の工程は、前記保護層に貫通孔を形成する工程を含み、前記第一の工程において、前記貫通孔を通して前記凹部の一部に前記表面処理が施されることにより、前記第二の工程の前記第一の基板と前記第二の基板との接合の際に用いられるアライメントマークが形成されることが好ましい。

この方法によれば、凹凸部を形成するための表面処理時にアライメントマークを同時に形成することができる。そして、このアライメントマークを用いて第一の基板及び第二の基板の位置合わせを行うことで、第一の基板と第二の基板とを高精度に位置合わせして接合することが可能となる。

本発明に係るひとつのＭＥＭＳ構造体は、第一の基板と、前記第一の基板に接合された第二の基板と、を備え、前記第一の基板及び前記第二の基板はいずれも単結晶シリコンで形成され、前記第一の基板と前記第二の基板との接合部は、互いの接合面に凹凸部を有し、前記凹凸部の凹凸は、前記単結晶シリコンの結晶方位に対応した凹凸であることを特徴とする。

この構成によれば、第一の基板と第二の基板とが、高精度に位置合わせされた状態で接合されたＭＥＭＳ構造体を実現することができる。

第１の実施形態のＭＥＭＳ構造体の概略構成を示す断面図。 ＭＥＭＳ構造体１０の製造方法の流れを示す図。 第一基板１１，第二基板１２を形成した状態を示す断面図。 第一基板１１，第二基板１２に保護層２０を形成した状態を示す断面図。 第一基板１１の接合面１１ｖ、第二基板１２の接合面１２ｖにそれぞれ凹凸１５を形成した状態を示す断面図 第一基板１１，第二基板１２から保護層３０を除去した状態を示す断面図。 第２の実施形態のＭＥＭＳ構造体１０の製造方法において、保護層２０に貫通孔３０を形成した状態を示す断面図。 第一基板１１，第二基板１２から保護層３０を除去した状態を示す断面図。

以下、本発明のＭＥＭＳ構造体の製造方法、ＭＥＭＳ構造体の実施の形態を、図１ないし図８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。

（第１の実施形態）
図１は、実施形態のＭＥＭＳ構造体１０の概略構成を示す断面図である。ＭＥＭＳ構造体１０は、ＭＥＭＳ技術により形成されるもので、第一基板１１と、第二基板１２と、を少なくとも備えている。

第一基板１１、第二基板１２は、板状で、それぞれ単結晶シリコンから形成されている。第一基板１１、第二基板１２には、その一方の表面１１ａ，１２ａに凹部１１ｓ，１２ｓが形成されている。凹部１１ｓ，１２ｓは、それぞれ第一基板１１、第二基板１２の表面１１ａ，１２ａの中央部に形成されている。第一基板１１および第二基板１２は、接合面１１ｖ及び接合面１２ｖで接合されている。

第一基板１１と第二基板１２とは、接合面１１ｖと接合面１２ｖとを互いに突き合わせた状態で、これら接合面１１ｖと接合面１２ｖとが接合されている。これにより、第一基板１１の凹部１１ｓと、第二基板１２の凹部１２ｓとによって、ＭＥＭＳ構造体１０内に空間１３が形成されている。

また、第一基板１１には、凹部１１ｓ内に、振動子やセンサ素子、それらを駆動する配線や電極等からなる素子本体１４が形成されている。

さらに、第一基板１１の接合面１１ｖと第二基板１２の接合面１２ｖには、それぞれ凹凸１５が形成されている。

この凹凸１５は、後述するように、第一基板１１の表面１２ａと第二基板１２の表面１２ａとをアルカリ性薬液で表面処理することによって形成されたものである。

ここで凹凸１５は、第一基板１１，第二基板１２を形成する単結晶シリコン材料の結晶方位に対応した形状を有している。すなわち、凹凸１５は、第一基板１１，第二基板１２を形成する単結晶シリコン材料を構成する結晶面に沿った傾斜面１５ｓによって形成されている。第一基板１１，第二基板１２を形成する単結晶シリコン材料の結晶方位が（１１０）方位である場合、凹凸１５の傾斜面１５ｓは、前記結晶方位（１１０）に沿い、第一基板１１、第二基板１２の表面１１ａ、１２ａに対して概ね４５°（４７．３°）傾斜して形成される。

また、凹凸１５における凸部分どうしのピッチは、例えば数十〜数百ｎｍ程度、凹凸１５の深さも、例えば数十〜数百ｎｍ程度である。

次に、上記したようなＭＥＭＳ構造体１０の製造方法について説明する。

図２は、ＭＥＭＳ構造体１０の製造方法の流れを示す図である。図３は、第一基板１１，第二基板１２を形成した状態を示す断面図である。図４は、第一基板１１，第二基板１２に保護層２０を形成した状態を示す断面図である。図５は、第一基板１１の接合面１１ｖ、第二基板１２の接合面１２ｖにそれぞれ凹凸１５を形成した状態を示す断面図である。図６は、第一基板１１，第二基板１２から保護層３０を除去した状態を示す断面図である。

（基板形成工程）
図２、図３に示すように、ＭＥＭＳ構造体１０を製造するには、まず、単結晶シリコン材料からなる第一基板１１，第二基板１２に、フォトリソグラフィー法等によって、所定の位置に所定形状の凹部１１ｓ、１２ｓおよび素子本体１４を形成する（ステップＳ１０１）。

（保護層形成工程）
次いで、図４に示すように、第一基板１１，第二基板１２のそれぞれにおいて、凹部１１ｓ、１２ｓおよび素子本体１４を、フォトレジスト等からなる保護層２０によってマスクする（ステップＳ１０２）。

（凹凸形成工程）
次に、図５に示すように、第一基板１１、第二基板１２の表面１１ａ、１２ａを、アルカリ性薬液によって表面処理する（ステップＳ１０３）。ここで用いるアルカリ性薬液としては、例えば、フォトリソグラフィー用の現像液や、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液、アンモニアと過酸化水素水の混合液、シリコンのエッチング溶液等がある。

アルカリ性薬液により、第一基板１１、第二基板１２の表面１１ａ、１２ａにおいて、保護層２０で覆われていない部分が浸食され、凹凸１５からなる接合面１１ｖ、１２ｖが形成される。これら接合面１１ｖ、１２ｖは、第一基板１１、第二基板１２を形成する単結晶シリコンの結晶方位に応じ、結晶面に沿った傾斜面１５ｓによって形成される。

ここで、凹凸１５の深さは、アルカリ性薬液による処理時間を変動させることで容易に調整することができる。第一基板１１と第二基板１２とで、アルカリ性薬液による処理時間を統一すれば、接合面１１ｖの凹凸１５と接合面１２ｖの凹凸１５の深さを同じ深さに形成させることができる。そして、接合面１１ｖの凹凸１５と接合面１２ｖの凹凸１５の深さが同じであれば、凹凸１５の接合面１１ｖ，１２ｖに沿った方向のピッチも同じになる。

これにより、凹部１１ｓ、１２ｓの外周側に、第一基板１１において第二基板１２に接合される接合面１１ｖ、および第二基板１２において第一基板１１に接合される接合面１２ｖが形成される。

（保護層除去工程）
次いで、図６に示すように、保護層２０を除去する（ステップＳ１０４）。保護層２０をフォトレジストで形成したのであれば、有機溶剤を主成分とする溶剤で保護層２０を除去することができる。

（基板接合工程）
次に、図１に示したように、第一基板１１と第二基板１２とを突き合わせ、接合面１１ｖの凹凸１５と接合面１２ｖの凹凸１５とを互いに噛み合わせる。

そして、この状態で、第一基板１１と第二基板１２とを熱圧着、プラズマ接合、陽極接合、加圧接合等の接合法により一体に接合する（ステップＳ１０５）。このようにして、ＭＥＭＳ構造体１０が製造される。

以上のように、本実施形態では、接合面１１ｖの凹凸１５と接合面１２ｖの凹凸１５とを互いに噛み合わせることで、第一基板１１と第二基板１２とを接合するに際し、第一基板１１と第二基板１２との位置ずれを防ぐことができる。

また、凹凸１５は、単結晶シリコンからなる第一基板１１の接合面１１ｖおよび第二基板１２の接合面１２ｖをアルカリ性薬液により表面処理することによって形成した。これにより、凹凸１５は、単結晶シリコンの結晶面に沿った微細なものとなる。したがって、第一基板１１と第二基板１２とを高精度に位置合わせして接合することが可能となる。

さらに、第一基板１１の接合面１１ｖおよび第二基板１２の接合面１２ｖにおいて、アルカリ性薬液により表面処理する時間を統一することで、接合面１１ｖに形成された凹凸１５と接合面１２ｖに形成された凹凸１５とで、その深さおよびピッチを同一とすることができる。これにより、第一基板１１と第二基板１２とを突き合わせたときに、接合面１１ｖと接合面１２ｖとが完全に噛み合う。

このようにして、第一基板１１と第二基板１２との位置ズレを防ぎながら、第一基板１１と第二基板１２とを高精度に接合することが可能となる。また、凹凸１５によって、接合面１１ｖ、１２ｖの表面積も増大するため、第一基板１１と第二基板１２との接合強度が高まる。このようにして、第一基板１１と第二基板１２とを強固に接合することができ、第一基板１１，第二基板１２の反りや応力の影響を受けにくくなる。したがって、第一基板１１と第二基板１２との剥がれを確実に防止できる。

その結果、本実施形態の構成によれば、ＭＥＭＳ構造体１０の信頼性を高めることが可能となる。

さらに、アルカリ性薬液として、フォトリソグラフィー用の現像液を用いれば、凹凸１５を形成するための薬液を別途準備する工程を設ける必要がなくなり、工程の増加を抑え、低コストで上記効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明にかかるＭＥＭＳ構造体の製造方法、ＭＥＭＳ構造体の第２の実施形態について説明する。なお、以下に説明する第２の実施形態においては、上記第１の実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。

図７は、第２の実施形態のＭＥＭＳ構造体１０の製造方法において、保護層２０に貫通孔３０を形成した状態を示す断面図である。図８は、第一基板１１，第二基板１２から保護層２０を除去した状態を示す断面図である。

本実施形態のＭＥＭＳ構造体１０の製造方法は、全体として、上記第１の実施形態で示した製造方法と同様である。以下に、第１の実施形態で示したＭＥＭＳ構造体１０の製造方法に対する、本実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１０の製造方法の差異を説明する。
すなわち、図２の保護層２０を形成する工程（ステップＳ１０２）では、図７に示すように、保護層２０の所定の位置に貫通孔３０を形成しておく。

そして、凹凸１５を形成する工程（ステップＳ１０３）では、凹凸１５を形成するためのアルカリ性薬液によって、貫通孔３０を通して第一基板１１および第二基板１２を表面処理する。

これにより、図８に示すように、第一基板１１および第二基板１２に、アライメントマーク３１Ｍが形成される。このアライメントマーク３１Ｍは、接合面１１ｖ、１２ｖの凹凸１５と同時に形成される。

そして、保護層２０を除去した後（ステップＳ１０４）、第一基板１１と第二基板１２とを接合する工程（ステップＳ１０５）では、アライメントマーク３１Ｍを基準として第一基板１１および第二基板１２の位置合わせを行う。アライメントマーク３１Ｍは、IR（赤外線）顕微鏡等によって視認しながら、第一基板１１および第二基板１２の位置合わせを行う。

第一基板１１および第二基板１２の位置合わせ後、接合面１１ｖの凹凸１５と接合面１２ｖの凹凸１５とを互いに噛み合わせる。そして、第一基板１１と第二基板１２とを接合する。

以上のように、本実施形態では、上記第１の実施形態と同様、接合面１１ｖの凹凸１５と接合面１２ｖの凹凸１５とを互いに噛み合わせることで、第一基板１１と第二基板１２とを高精度かつ高強度に接合し、ＭＥＭＳ構造体１０の信頼性を高めることが可能となる。

さらに、凹凸１５を形成するための表面処理時に用いるアルカリ性薬液によって、アライメントマーク３１Ｍを凹凸１５と同時に形成することができる。そして、このアライメントマーク３１Ｍを用い、第一基板１１及び第二基板１２の位置合わせを行うことで、第一基板１１と第二基板１２とを高精度に位置合わせして接合することが可能となる。

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、ＭＥＭＳ構造体１０は、第一基板１１と第二基板１２とを２層に積層して構成したが、基板を３層以上に積層してもよい。

また、ＭＥＭＳ構造体１０の素子本体１４は、いかなる構造、形状、用途のものであってもよい。本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において広く適用が可能である。

１０…ＭＥＭＳ構造体、１１…第一基板（第一の基板）、１１ａ，１２ａ…表面、１１ｖ…接合面（第一の接合面）、１２…第二基板（第二の基板）、１２ｖ…接合面（第二の接合面）、１３…空間、１４…素子本体（素子部）、１５…凹凸（凹凸部）、１５ｓ…傾斜面、２０…保護層、３０…貫通孔、３１Ｍ…アライメントマーク

Claims (5)

1. 単結晶シリコンからなる第一の基板と、単結晶シリコンからなる第二の基板とが接合された構造を備えたＭＥＭＳ構造体の製造方法であって、
   前記第一の基板における前記第二の基板との接合面である第一の接合面、および、前記第二の基板における前記第一の基板との接合面である第二の接合面、に表面処理を行い、前記第一の接合面および前記第二の接合面に、前記単結晶シリコンの結晶方位に対応した凹凸部を形成する第一の工程と、
   前記第一の基板と前記第二の基板とを突き合わせ、前記第一の基板と前記第二の基板とを接合する第二の工程と、
   を含むことを特徴とするＭＥＭＳ構造体の製造方法。
2. 前記表面処理は、前記第一の接合面および前記第二の接合面をアルカリ性薬液を用いて表面処理することにより行われ、前記第一の基板および前記第二の基板を構成する単結晶シリコンの結晶方位に沿った前記凹凸部を形成することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ構造体の製造方法。
3. 前記第一の基板および前記第二の基板の少なくとも一方に凹部を有し、
   更に、前記第一の工程の前に行われる、前記凹部を覆う保護層を形成する第三の工程と、
   前記第一の工程の後に行われる、前記保護層を除去する第四の工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のＭＥＭＳ構造体の製造方法。
4. 前記第三の工程は、前記保護層に貫通孔を形成する工程を含み、
   前記第一の工程において、前記貫通孔を通して前記凹部の一部に前記表面処理が施されることにより、前記第二の工程の前記第一の基板と前記第二の基板との接合の際に用いられるアライメントマークが形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ構造体の製造方法。
5. 第一の基板と、
   前記第一の基板に接合された第二の基板と、
   を備え、
   前記第一の基板および前記第二の基板はいずれも単結晶シリコンで形成され、
   前記第一の基板と前記第二の基板との接合部は、互いの接合面に凹凸部を有し、
   前記凹凸部の凹凸は、前記単結晶シリコンの結晶方位に対応した凹凸であることを特徴とするＭＥＭＳ構造体。

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