JP2017005459A

JP2017005459A - Ｍｅｍｓ製造方法

Info

Publication number: JP2017005459A
Application number: JP2015116696A
Authority: JP
Inventors: 山田　宏; Hiroshi Yamada; 宏山田; 圭一梅田; Keiichi Umeda; 吉成中村; Yoshinari Nakamura; 亮介丹羽; Ryosuke Niwa
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-06-09
Also published as: JP6569850B2

Abstract

【課題】下面にキャビティが形成されたシリコン基板であっても、シリコン基板をたわませることなく、当該シリコン基板の表面を平坦にすることを可能にする。
【解決手段】下側基板の表面と上側基板と裏面とが外周部で接合して形成され、外周部の内側に空洞を有するシリコン基板を用意する工程と、上側基板の表面における、空洞に重なる領域に、第１金属層を形成する工程と、第１金属層の少なくとも一部除去して第１電極を成形する工程と、第１電極の上に、絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にレジスト材料からなる犠牲膜を形成する工程と、第１電極が露出するまで、犠牲膜及び絶縁膜に対してエッチバック処理を行う工程と、を含む。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、キャビティを有するＭＥＭＳの製造方法に関する。

近年、機械要素部品、センサ、アクチュエータ、電子回路を一つのシリコン基板、ガラス基板、有機材料などの上に集積化したＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて製造されたデバイスが普及している。ＭＥＭＳ技術では、半導体素子上に多層構造を形成することで、高密度化や高集積化を実現している。そのため、素子の表面を平坦にすることが重要とされている。

例えば特許文献１には、化学的機械研磨により、素子の表面を平坦にする方法が開示されている。特許文献１に記載の方法では、電極がすでに上に形成されている基板／ウエハの全表面に、誘電体層を蒸着した後に、化学的機械研磨により、電極の上面が露出するように絶縁層を除去する。これによって、素子の表面をほぼ平坦にすることを実現している。

特許第４０３７３６６号公報

ＭＥＭＳ技術によって製造された共振装置は、例えばタイミングデバイスやジャイロセンサに用いられる。このような共振装置は、下蓋と、下蓋との間でキャビティを形成する上蓋と、下蓋及び上蓋の間でキャビティ内に配置されたシリコン基板（共振子）と、を備えている。

下蓋がキャビティを有する共振装置に対して、特許文献１に記載されるような化学的機械研磨による平坦化方法を用いた場合、化学的機械研磨の面圧力で、シリコン基板がたわんでしまう。そのため、化学的機械研磨によってこのようなシリコン基板の表面を平坦にするのは困難である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、下面にキャビティが形成されたシリコン基板であっても、シリコン基板をたわませることなく、当該シリコン基板の表面を平坦にすることを目的とする。

本発明の一側面に係るＭＥＭＳ製造方法は、下側基板の表面と上側基板と裏面とが外周部で接合して形成され、外周部の内側に空洞を有するシリコン基板を用意する工程と、上側基板の表面における、空洞に重なる領域に、第１金属層を形成する工程と、第１金属層の少なくとも一部除去して第１電極を成形する工程と、第１電極の上に、絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上にレジスト材料からなる犠牲膜を形成する工程と、第１電極が露出するまで、犠牲膜及び絶縁膜に対してエッチバック処理を行う工程と、を含む。

かかるＭＥＭＳ製造方法によると、下面にキャビティが形成されたシリコン基板であっても、シリコン基板をたわませることなく、当該シリコン基板の表面を平坦にすることが可能になる。

また、エッチバック処理を行う工程は、犠牲膜と、絶縁層とのエッチングレートがほぼ等しくなる条件で、ドライエッチングを行うが好ましい。この場合、犠牲膜が除去された後のシリコン基板の表面を平坦にすることが可能になる。

特に、上側基板が、活性層を有し、空洞の低面積を活性層の厚さで割った値が、１００００以上であることが好ましい。この好ましい態様では、化学的機械研磨による平坦化方法では、シリコン基板がたわんでしまうような共振装置であっても、シリコン基板をたわませることなく表面を平坦にすることが可能になる。

また、第１電極が露出した表面に圧電薄膜を形成する工程と、圧電薄膜の上に、第２金属層を形成する工程と、第２金属層の少なくとも一部を除去して第２電極を成形する工程と、をさらに含むことが望ましい。この場合、平坦になったシリコン基板の表面の上に、圧電薄膜及び第２金属層を積層させることが可能になる。

また、絶縁層は、圧電薄膜と同じ材料で構成されることが好ましい。この好ましい態様では、工程を一つ削減することができる。また、シリコン基板の上にＳｉＯ₂膜を形成する必要がなくなるため、温度特性への影響を低減することができる。

本発明によれば、下面にキャビティが形成されたシリコン基板であっても、シリコン基板をたわませることなく、当該シリコン基板の表面を平坦にすることができる。

本発明の第１実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。図１のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。本発明の第１実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。本発明の第１実施形態に係るシリコン基板の厚さと凹部の面積の比と、たわみ量との相関を示す図である。図３Ａに対応し、本発明の第２実施形態に係る共振装置のプロセスフローである。図３Ｂに対応し、本発明の第２実施形態に係る共振装置のプロセスフローである。図３Ｃに対応し、本発明の第２実施形態に係る共振装置のプロセスフローである。図３Ｄに対応し、本発明の第２実施形態に係る共振装置のプロセスフローである。図３Ｅ、Ｆに対応し、本発明の第２実施形態に係る共振装置のプロセスフローである。図３Ｇに対応し、本発明の第２実施形態に係る共振装置のプロセスフローである。

［第１の実施形態］
以下、添付の図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る共振装置１の構造を概略的に示す分解斜視図である。

この共振装置１は、共振子１０と、共振子１０を挟んで封止するとともに、共振子１０が振動する振動空間を形成する上蓋１３及び下蓋１４と、を備えている。共振装置１は、下蓋１４と、共振子１０と、上蓋１３とがこの順で積層され、接合されて構成されている。

共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ共振子である。なお、本実施形態では、タイミングデバイスに用いられる共振装置を例に説明するが、これに限定されない。例えば、共振装置１はジャイロセンサに用いられてもよい。

共振子１０と上蓋１３とが接合され、これにより、共振子１０の振動空間が形成され、また、共振子１０が封止される。共振子１０、上蓋１３及び下蓋１４は、それぞれＳｉ基板を用いて形成されており、Ｓｉ基板同士が互いに接合されて、共振子１０の振動空間が形成される。共振子１０及び下蓋１４は、ＳＯＩ基板を用いて形成されてもよい。
以下、共振装置１の各構成について詳細に説明する。

（１．上蓋１３）
上蓋１３はＸＹ平面に沿って平板状に広がっており、その裏面に例えば平たい直方体形状の凹部が形成されている。凹部は共振子１０の振動空間の一部を形成する。

（２．下蓋１４）
下蓋１４は、ＸＹ平面に沿って設けられる矩形平板状の底板１４１と、底板１４１の周縁部からＺ軸方向に延びる側壁１４２とを有している。下蓋１４の内面、すなわち底板１４１の表面と側壁１４２の内面とによって凹部１５が形成される。凹部１５は共振子１０の振動空間の一部を形成する。
上述した上蓋１３と下蓋１４とによってこの振動空間は気密に封止され、真空状態が維持されている。また、この振動空間には、例えば不活性ガス等の気体が充填されてもよい。

（３．共振子１０）
共振子１０は、ＸＹ平面内で振動する面内共振子である。共振子１０は、振動部１２０と、保持枠１１１と、１対の保持腕１１２とを備えている。

振動部１２０は、図１の直交座標系におけるＸＹ平面に沿って平板状に広がる板状の輪郭を有している。振動部１２０は、保持枠１１１の内側に設けられており、振動部１２０と保持枠１１１との間には、所定の間隔で空間１７、１８が形成されている。

保持枠１１１は、ＸＹ平面に沿って矩形の枠状に形成される。保持枠１１１は、ＸＹ平面に沿って振動部１２０の外側を囲むように設けられる。保持枠１１１は、角柱形状の枠体から、体に形成されている。

１対の保持腕１１２は、保持枠１１１の内側に設けられ、振動部１２０と保持枠１１１とを接続する。

（４．積層構造）
図２を用いて共振装置１の積層構造について説明する。図２は、図１のＡＡ´断面図である。

図２に示すように、本実施形態に係る共振装置１では、下蓋１４の側壁１４２上に共振子１０の保持枠１１１が接合され、さらに共振子１０の上に上蓋１３が覆いかぶさって接合される。このように下蓋１４と上蓋１３との間に共振子１０が保持され、下蓋１４と上蓋１３と共振子１０の保持枠１１１とによって、凹部１５上に振動部１２０が振動する振動空間が形成される。

下蓋１４の底板１４１及び側壁１４２は、Ｓｉ（シリコン）により、一体的に形成されている。Ｚ軸方向に規定される下蓋１４の厚みは例えば、１５０μｍ、凹部１５の深さは例えば５０μｍである。

上蓋１３は、所定の厚みのＳｉ（シリコン）ウエハにより形成されている。図２に示すように、上蓋１３はその周辺部で共振子１０の保持枠１１１と接合されている。上蓋１３の周縁部と保持枠１１１との間には、上蓋１３と保持枠１１１とを接合するために、例えばＡｕ（金）膜及びＳｎ（錫）膜が形成されてもよい。

共振子１０では、保持枠１１１、振動部１２０、保持腕１１２は、同一プロセスで形成される。共振子１０では、まず、シリコン基板２３の上に、金属層２５が積層されている。そして、金属層２５の上には、金属層２５を覆うように圧電薄膜２７が積層されており、さらに、圧電薄膜２７の上には、金属層２６が積層されている。

シリコン基板２３は、例えば、厚さ５μｍ程度の縮退したｎ型Ｓｉ半導体から形成されており、ｎ型ドーパントとしてＰ（リン）やＡｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）などを含むことができる。シリコン基板２３に用いられる縮退Ｓｉの抵抗値は０．５ｍΩ・ｃｍ以上０．９ｍΩ・ｃｍ以下であることが望ましい。本実施形態で用いられる縮退Ｓｉの抵抗値は、たとえば０．６３ｍΩ・ｃｍである。また、シリコン基板２３の下面にはＳｉＯ₂層２２が形成されている。これによって、温度特性を向上させることが可能になる。

また、金属層２５、２６は、例えば厚さ０．１μｍ程度のＭｏ（モリブデン）やアルミニウム（Ａｌ）等を用いて形成される。なお、金属層２６を形成せずに、縮退した半導体であるシリコン基板２３を金属層２６として用いてもよい。

金属層２５、２６は、共振子１０に積層された後、エッチング等の加工により望ましい形状となるように形成される。

金属層２５は、例えば振動部１２０上においては、下部電極となるように、エッチング等によって加工される。また、保持腕１１２や保持枠１１１上においては、例えば共振子１０の外部に設けられた交流電源に下部電極を接続するための配線となるように、エッチング等によって加工される。

他方で、金属層２６は、例えば振動部１２０上においては、上部電極となるように、エッチング等によって加工される。また、保持腕１１２や保持枠１１１上においては、例えば共振子１０の外部に設けられた交流電源に上部電極を接続するための配線となるように、エッチング等によって加工される。

（５．プロセスフロー）
図３は、本実施形態に係る共振装置１を製造する際のプロセスフローを示す図である。なお図３では、便宜上、ウエハに形成される複数の共振装置１のうち１つの共振装置１を示して説明するが、共振装置１は、通常のＭＥＭＳプロセスと同様に、１つのウエハに複数形成された後に、当該ウエハが分割されることにより得られる。

まず、図３Ａに示すように、下蓋１４とシリコン基板２３とを側壁１４２で接合する。このとき、下蓋１４とシリコン基板２３との間には、側壁１４２の内側に空洞である凹部１５が形成される。さらに、シリコン基板２３の表面には、金属層２５が積層される。金属層２５は、シリコン基板２３の表面に積層されると、エッチング等の加工により望ましい形状となるように成形される。さらに、金属層２５の上に、絶縁膜２４が積層される。絶縁膜２４は、例えば、ＳｉＯ２、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等を用いて形成される。絶縁膜２４が積層された後のシリコン基板２３の表面は、金属層２５が除去された部位に絶縁膜２４が形成された箇所と、金属層２５が残存した部位に絶縁膜２４が形成された箇所とで厚さが異なる。これによって、シリコン基板２３の表面には凹凸が形成されている。従って、圧電薄膜２７を絶縁膜２４の上に積層する前に、シリコン基板２３の表面を平坦にする処理が必要になる。

シリコン基板２３の表面を平坦にするために、まず、絶縁膜２４の上にレジスト１１が塗布される（図３Ｂ）。レジスト１１には、例えば、樹脂等のレジスト材料が用いられる。

次に、レジスト１１と絶縁膜２４とのエッチング選択比がほぼ等しくなる条件で、ドライエッチングを行う（図３Ｃ）。ドライエッチングを、金属層２５の表面が露出するまで行うことで、シリコン基板２３の表面を平坦にすることができる。このように、本実施形態に係るＭＥＭＳ製造方法では、化学的機械研磨ではなく、エッチバック処理によって、シリコン基板２３の表面の平坦化を行う。これによって、シリコン基板２３の下に凹部１５が形成されている場合であっても、平坦化処理によって、シリコン基板２３がたわんでしまうのを防ぐことができる。

エッチバック処理によって、シリコン基板２３の表面が平坦になると、平坦となった表面に、圧電薄膜２７と金属層２６とがこの順に積層される。金属層２６は、積層された後、エッチング等の加工により望ましい形状となるように成形される。さらに、成形された金属層２６の上に、再度、圧電薄膜２７が積層される（図３Ｄ）。

次にエッチング等の加工によって、圧電薄膜２７、絶縁膜２４、並びにシリコン基板２３及びＳｉＯ₂層２２がこの順で除去されることで、空間１７、１８が形成され、共振子１０が形成される（図３Ｅ〜Ｇ）。

図４（ｂ）は共振装置１において、凹部１５の開口部の面積Ｓとシリコン基板２３の厚さＨの比が、化学的機械研磨によるシリコン基板２３のたわみ量ｄに与える影響を示したグラフである。横軸は、シリコン基板２３の厚さＨに対する凹部１５の開口部の面積Ｓの比率を表している。他方、縦軸は、化学的機械研磨によるシリコン基板２３のたわみ量ｄを表している。ここでたわみ量ｄは、図４（ａ）に示す様に、絶縁膜２４の表面の積層方向における高さの差を示している。すなわち、凹部１５が形成された箇所（例えば、図１における振動部１２０）の上に積層された絶縁膜２４は、化学的機械研磨によって、凹部１５側に凹む。そして、この、絶縁膜２４の凹んだ箇所の表面と、凹んでいない箇所（例えば、図１における保持枠１１１などの凹部１５が形成されていない箇所）の表面との積層方向における高さの差がたわみ量ｄである。

図４では、凹部１５の長手方向の長さを４００μｍに固定し、短手方向の幅を２７０μｍ〜４００μｍまで変化させた場合のたわみ量ｄの変化を示している。

図４に示すように、厚さＨに対する面積Ｓの比が１００００未満である場合、たわみ量ｄは、ほぼ０で一定である。たわみ量ｄは、厚さＨに対する面積Ｓの比が１００００の点を超えると漸進的に増大している。従って、図４のグラフから、厚さＨに対する面積Ｓの比が１００００以上の場合は、化学的機械研磨によってシリコン基板２３がたわみやすいため、平坦化にエッチバック処理を用いた方が望ましいことがわかる。

このように、本実施形態に係るＭＥＭＳ製造方法によると、シリコン基板２３の表面を平坦にする処理として、エッチバック処理を用いる。これによって、シリコン基板２３の下面に凹部１５が形成されている場合であっても、平坦化処理によってシリコン基板２３がたわむことを防ぐことが可能になる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

図５は、本実施形態に係る共振装置１を製造する、プロセスフローの一例を示す図である。なお図５では、便宜上、ウエハに形成される複数の共振装置１のうち１つの共振装置１を示して説明するが、共振装置１は、通常のＭＥＭＳプロセスと同様に、１つのウエハに複数形成された後に、当該ウエハが分割されることにより得られる。以下に、本実施形態に係る共振装置１の詳細構成のうち、第１の実施形態との差異点を中心に説明する。

本実施形態では、絶縁膜２４と圧電薄膜２７とは同一の材料で形成される。
まず、図５Ａ、下蓋１４とシリコン基板２３との間には、側壁１４２の内側に空洞である凹部１５が形成される。さらに、シリコン基板２３の表面には、金属層２５が積層される。金属層２５は、シリコン基板２３の表面に積層されると、エッチング等の加工により望ましい形状となるように成形される。さらに、金属層２５の上に、圧電薄膜２７が積層される。

シリコン基板２３の表面を平坦にするために、圧電薄膜２７の上にレジスト１１が塗布される（図５Ｂ）。

次に、レジスト１１と圧電薄膜２７とのエッチング選択比がほぼ等しくなる条件で、行うドライエッチングを行う。（図５Ｃ）。ドライエッチングを、金属層２５の表面が露出するまで行うことでシリコン基板２３の表面を平坦にすることができる。

このように、本実施形態に係る共振装置１の製造方法によると、第１の実施形態における絶縁膜２４を圧電薄膜２７と同一の材料で形成する。これによって、第１の実施形態よりも工程を削減することができる。また、本実施形態に係る製造方法によって形成された共振装置１は、シリコン基板２３の内部に絶縁膜２４が形成されない。これによって、温度特性へ与える影響を低減することができる。
その他の構成、効果は第１の実施形態と同様である。

以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１共振装置
１０共振子
１３上蓋
１４下蓋
１１１保持枠
１１２保持腕
１２０振動部
２２ＳｉＯ２層
２３シリコン基板
２４絶縁膜
２７圧電薄膜
２５、２６金属層

Claims

下側基板の表面と上側基板と裏面とが外周部で接合して形成され、前記外周部の内側に空洞を有するシリコン基板を用意する工程と、
前記上側基板の表面における、前記空洞に重なる領域に、第１金属層を形成する工程と、
前記第１金属層の少なくとも一部除去して第１電極を成形する工程と、
前記第１電極の上に、絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層の上にレジスト材料からなる犠牲膜を形成する工程と、
前記第１電極が露出するまで、前記犠牲膜及び前記絶縁膜に対してエッチバック処理を行う工程と、
を含むＭＥＭＳ製造方法。
前記エッチバック処理を行う工程は、
前記犠牲膜と、前記絶縁層とのエッチングレートがほぼ等しくなる条件で、ドライエッチングを行うこと、を特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ製造方法。
前記上側基板は、活性層を有し、
前記空洞の低面積を前記活性層の厚さで割った値が、１００００以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のＭＥＭＳ製造方法。
前記第１電極が露出した表面に圧電薄膜を形成する工程と、
前記圧電薄膜の上に、第２金属層を形成する工程と、
前記第２金属層の少なくとも一部を除去して第２電極を成形する工程と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のＭＥＭＳ製造方法。
前記絶縁層は、前記圧電薄膜と同じ材料で構成されることを特徴とする請求項４に記載のＭＥＭＳ製造方法。