JP2017074625A - Ｓｏｉウェハ、ｍｅｍｓデバイス、およびそのｓｏｉウェハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層の厚みを任意に変化させることができるＳＯＩウェハの製造方法を提供する。【解決手段】活性層２と支持層４とが犠牲層３を挟んで配置されたＳＯＩウェハ１の製造方法であって、異方性エッチングにより深さが互いに異なる複数のトレンチを活性層２に形成する工程と、複数のトレンチを互いに連結する工程と、犠牲層３を介して活性層２を支持層４に接合する工程と、を備える。複数のトレンチの深さをそれぞれ変化させることにより、活性層２の厚みを任意に変化させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＯＩウェハ、ＭＥＭＳデバイス、およびそのＳＯＩウェハの製造方法に関するものである。

ＳＯＩウェハの厚みを変化させる方法として、一般的には、ＳＯＩウェハを活性層側の表面からエッチングし、活性層の厚みを調整する方法が用いられる。しかし、この方法では、活性層の表面に凹凸やダメージができるため、活性層の表面の平坦性が求められるデバイス、例えば、機能性膜やウェハの接合を必要とするデバイスにこの方法を適用することは困難である。

表面の平坦性を保つ従来の方法として、キャビティＳＯＩを使う方法がある。しかし、活性層を広い範囲で薄くするために広いキャビティを形成すると、活性層のうちキャビティが形成され薄くされた部分が撓んでしまうため、キャビティＳＯＩを使う方法をこのようなデバイスに適用することは困難である。

また、特許文献１に記載のように、裏面からの多段エッチングにより活性層の裏面にトレンチを形成し、活性層の厚みを変化させる方法がある。この方法でも、表面の平坦性を保ったまま厚みの調整をする事ができる。

特開２０１１−１００１００号公報

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスの最適な設計を行うためには、活性層、犠牲層、支持層を順に積層してなるＳＯＩ（Silicon on insulator）ウェハの厚みを面内で任意に変化させることが求められる。

例えば、梁で両持ち支持されたミラーを圧電素子により揺動し、ミラーの反射光による走査を行うＭＥＭＳミラースキャナでは、高い共振周波数での駆動においてミラーの走査角度を大きくするためには、活性層の厚みを変化させる必要がある。

具体的には、共振周波数を高くするためには、圧電素子が形成された駆動部における活性層の厚みを大きくして、駆動部の剛性を高くする必要がある。また、走査角度を大きくするためには、駆動部における活性層の厚みを小さくして、駆動部を変形しやすくする必要がある。

そして、駆動部と駆動部を支持する支持部との接続部において駆動部の厚みを大きくし、支持部との接続部から梁に近い先端に近づくにつれて駆動部の厚みを小さくすることにより、駆動部の大変位による大きな走査角度と、駆動部の高剛性による高い共振周波数とを両立できる。

特許文献１に記載の方法では、１つのトレンチに対応するマスクの開口部が１つであるため、トレンチの底面が活性層の表面に平行である。したがって、例えば支持部との接続部から梁に近い先端に近づくにつれて駆動部の厚みを小さくする加工のような、１つのトレンチにおいて活性層の厚みを任意に変化させる加工が困難である。

本発明は上記点に鑑みて、活性層の厚みを任意に変化させることができるＳＯＩウェハの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、活性層（２）と支持層（４）とが犠牲層（３）を挟んで配置されたＳＯＩウェハ（１）の製造方法であって、異方性エッチングにより深さが互いに異なる複数のトレンチ（５ａ）を活性層に形成する工程と、複数のトレンチを互いに連結する工程と、犠牲層を介して活性層を支持層に接合する工程と、を備えることを特徴としている。

これによれば、深さが互いに異なる複数のトレンチを活性層に形成し、これら複数のトレンチを互いに連結する工程を備えているため、活性層の厚みを任意に変化させることができる。

また、請求項５に記載の発明では、活性層（２）と支持層（４）とが犠牲層（３）を挟んで配置されたＳＯＩウェハ（１）であって、活性層の表面が平坦であり、犠牲層は、活性層の裏面と、活性層に形成されたトレンチ（５）の内部とに形成されており、トレンチは、同じ該トレンチ内において深さが連続的に変化していることを特徴としている。

これによれば、トレンチが、同じ該トレンチ内において深さが連続的に変化しているため、ＭＥＭＳデバイスの設計自由度が広がり、ＭＥＭＳデバイスの性能を向上させることができる。

また、請求項６に記載の発明では、表面が平坦であるとともに、裏面側にトレンチ（５）が形成された活性層（２）と、活性層の裏面のうちトレンチの外側に形成された犠牲層（３）と、犠牲層のうち活性層とは反対側の面に接合されるとともに、トレンチに対応する部分に貫通孔（４ａ）が形成された支持層（４）と、を備え、トレンチは、同じ該トレンチ内において深さが連続的に変化していることを特徴としている。

これによれば、トレンチが、同じ該トレンチ内において深さが連続的に変化しているため、ＭＥＭＳデバイスの性能を向上させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかるＳＯＩウェハの断面図である。 第１実施形態にかかるＳＯＩウェハの製造方法を示す断面図である。 ＭＥＭＳデバイスの断面図である。 ＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す断面図である。 ＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す断面図である。 第２実施形態にかかるＳＯＩウェハの製造方法を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。ここでは、本実施形態のＳＯＩウェハの製造方法を用いて図１に示すＳＯＩウェハ１を製造する方法について説明する。

ＳＯＩウェハ１は、活性層２と支持層４とが犠牲層３を挟んで配置されたＳＯＩウェハである。活性層２は例えばＳｉ等で構成され、犠牲層３は例えばＳｉＯ_２等で構成され、支持層４は例えばＳｉ等で構成される。

活性層２の裏面には、トレンチ５が形成されている。トレンチ５は、活性層２の表面の面内方向において深さが変化している。トレンチ５は、本実施形態では複数形成されている。犠牲層３は、活性層２の裏面と、トレンチ５の内部とに形成されている。支持層４は、犠牲層３のうち活性層２とは反対側の面に接合されている。

このようなＳＯＩウェハ１を製造する方法について、図２を用いて説明する。まず、図２（ａ）に示すように、異方性エッチングにより、活性層２のうち後にトレンチ５となる部分に複数のトレンチ５ａを形成する。

本実施形態では、異方性エッチングのＲＩＥ（Reactive Ion Etching）ラグを利用することにより、少なくとも１つのトレンチ５に対応する部分に、深さが互いに異なる複数のトレンチ５ａを形成している。具体的には、図示しないマスクに各トレンチ５ａに対応する開口部を形成し、このとき、複数の開口部の幅を互いに異なるものとする。そして、このマスクを用いて異方性エッチングを行う。開口部の幅が大きいほどエッチングの速度が大きくなるため、幅の大きい開口部に対して深いトレンチ５ａが形成され、幅の小さい開口部に対して浅いトレンチ５ａが形成される。

また、本実施形態では、トレンチ５ａを、開口幅が５００ｎｍ〜１．５μｍ、アスペクト比が１０〜１００の高アスペクトトレンチとしている。

つぎに、図２（ｂ）に示すように、複数のトレンチ５ａを互いに連結し、連結された複数のトレンチ５ａの内部に犠牲層３を形成する。本実施形態では、活性層２のうち隣り合う２つのトレンチ５ａに挟まれた部分を熱酸化し、ＳｉＯ_２を形成することにより、２つのトレンチ５ａを連結してトレンチ５を形成するとともにトレンチ５の内部に犠牲層３を形成する。また、活性層２のうち複数のトレンチ５ａが形成された側の面も熱酸化し、犠牲層３を形成する。

すると、図２（ａ）に示す工程において、少なくとも１つのトレンチ５に対応する部分に、深さが互いに異なる複数のトレンチ５ａを形成しているので、このトレンチ５は、深さが互いに異なる複数の部分を含む構成とされ、活性層２の表面の面内方向において深さが変化する。つまり、活性層２の表面の面内方向において、活性層２および犠牲層３の厚みが変化する。最後に、図２（ｃ）に示すように、犠牲層３を介して活性層２を支持層４に接合する。

ＳＯＩウェハ１を基材として製造されるＭＥＭＳデバイスについて図３を用いて説明する。図３に示すＭＥＭＳデバイスは、梁で両持ち支持されたミラーを圧電素子により揺動し、ミラーの反射光による走査を行うＭＥＭＳミラースキャナであり、活性層２と、犠牲層３と、支持層４と、圧電素子６と、ミラー７と、キャップウェハ８と、リブ９とを備える。

圧電素子６は、下部電極、圧電膜、上部電極が順に積層された構造とされている。圧電素子６の下部電極と上部電極との間に電位差が発生させられると、圧電膜が変形し、これに伴って活性層２が変形する。

図３に示すように、圧電素子６が形成された駆動部においては、活性層２にトレンチ５が形成されている。図３に示すＭＥＭＳミラースキャナでは、犠牲層３は、活性層２の裏面のうちトレンチ５の外側に形成されており、犠牲層３のうちトレンチ５に対応する部分は除去されている。また、トレンチ５に対応する部分において、支持層４が除去されて貫通孔４ａが形成されている。

ＭＥＭＳミラースキャナでは、圧電素子６が２つ形成されており、活性層２の表面のうち２つの圧電素子６に挟まれた部分には、ミラー７が形成されている。ミラー７は、ＭＥＭＳミラースキャナに照射された光ビームを反射するためのものであり、例えばＡｌ等で構成される。

図３に示すように、ミラー７が形成された反射部においては、活性層２にトレンチ５が形成されている。そして、このトレンチ５に対応する部分において、犠牲層３が除去されるとともに、支持層４が除去されて貫通孔４ａが形成されている。

圧電素子６およびミラー７は、キャップウェハ８により封止されている。キャップウェハ８は、ミラー７が揺動する際の空気抵抗を低減し、また、圧電素子６、ミラー７が大気により劣化することを抑制するためのものであり、例えばＳｉＯ_２等で構成されている。キャップウェハ８は、接合面８ａにおいて活性層２の表面と接合されている。

反射部の外周部では、犠牲層３および支持層４が残され、リブ９が形成されている。リブ９は、ミラー７が形成された部分を補強し、揺動に伴うミラー７の変形を抑制するためのものである。

ＳＯＩウェハ１を基材としてＭＥＭＳミラースキャナを製造する方法について図４を用いて説明する。図４（ａ）に示す工程では、活性層２の表面を研磨した後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、活性層２の表面のうちミラー７を揺動する駆動部となる部分に圧電素子６を形成する。

図４（ｂ）に示す工程では、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、活性層２の表面のうち反射部となる部分にミラー７を形成する。図４（ｃ）に示す工程では、活性層２の表面にキャップウェハ８を接合し、圧電素子６およびミラー７を封止する。

図４（ｄ）に示す工程では、エッチングにより支持層４のうちトレンチ５に対応する部分を除去して貫通孔４ａを形成した後、支持層４をマスクとして犠牲層３をエッチングにより除去する。これにより、リブ９が形成される。また、エッチングにより活性層２を部分的に除去し、反射部、駆動部等を形成する。なお、図４（ｄ）に示す工程では、支持層４のうちトレンチ５に対応する部分に加えて、トレンチ５の外側に対応する部分を必要に応じて除去してもよい。

このように製造されたＭＥＭＳミラースキャナでは、活性層２、犠牲層３、支持層４を除去する際のマスクの形状とトレンチ５の深さに応じて活性層２の厚みが面内で変化する。

このように、本実施形態では、複数のトレンチ５ａの深さをそれぞれ変化させることにより、活性層２および犠牲層３の厚みを面内で任意に変化させることができる。そして、本実施形態のＳＯＩウェハ１を加工することにより、活性層２の厚みが面内で任意に変化するＭＥＭＳデバイスを製造することができる。

また、本実施形態では、高アスペクトトレンチのＲＩＥラグにより活性層２の厚みを調整し、トレンチ全面酸化により犠牲層３を形成しているため、一度の異方性エッチングで活性層２の厚みを調整することが可能である。したがって、形成するトレンチの深さに応じて多段階のエッチングを行う場合に比べて、工数を低減し、ＳＯＩウェハの製造方法を簡素化することができる。

また、本実施形態のＳＯＩウェハ１を基材としてＭＥＭＳデバイスを製造すれば、ＭＥＭＳデバイスの性能を向上させることができる。例えば、図３に示すＭＥＭＳミラースキャナを良好に動作させるためには、活性層２の厚みを様々に変化させる必要がある。

具体的には、共振周波数等の振動特性、駆動特性を良好なものとするためには、圧電素子６が形成された駆動部を、駆動部を支持する支持部に近い根元側が厚く、根元側から梁に近い先端に近づくにつれて薄くなるように形成する必要がある。つまり、活性層２の厚みを連続的に変化させる必要がある。

また、ミラー７が屈曲することにより反射光の焦点位置が変化する可変焦点型のＭＥＭＳミラースキャナでは、リブ９の形状を、剛性が高く、かつ、ミラー７の屈曲を阻害しない形状とする必要がある。換言すれば、反射部のうちミラー７を補強する外周部では厚く、ミラー７を屈曲させる内周部では薄くなるように、外周部と内周部とで活性層２の厚みを大きく変化させる、つまり、活性層２の厚みを不連続的に変化させる必要がある。

これについて、本実施形態では、複数のトレンチ５ａの深さを徐々に変化させることで、トレンチ５の深さと、活性層２の厚みとを連続的に変化させることができる。また、活性層２のうちトレンチ５が形成される部分と、トレンチ５が形成されない部分との境界に隣接するトレンチ５ａの深さを十分に大きくすることにより、活性層２の厚みを不連続的に変化させることができる。

このように、本実施形態では、ＳＯＩウェハ１の活性層２の厚みを連続的にも不連続的にも変化させることができるので、ＭＥＭＳミラースキャナの振動特性、駆動特性、剛性等の設計自由度が広がり、ＭＥＭＳミラースキャナの特性を向上させることができる。また、ＭＥＭＳミラースキャナ以外のＭＥＭＳデバイスについても同様に性能を向上させることができる。

また、本実施形態では、活性層２の表面に対してはエッチングを行わないため、活性層２の表面に凹凸ができることを抑制し、活性層２の表面を平坦に保つことができる。そのため、活性層２の表面の平坦性の低下によるＭＥＭＳデバイスの性能劣化を抑制することができる。

また、活性層２の表面に対してはエッチングを行わないため、活性層２の表面の結晶方位を均一に保つことができる。そのため、図３に示すＭＥＭＳミラースキャナにおいて、圧電素子６の結晶方位も均一に近づけることが可能となり、圧電素子６の性能の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態では、図４（ａ）に示す工程において活性層２の表面を研磨する際に、活性層２の厚みが小さい部分においても、犠牲層３の支持により活性層２のたわみが抑制されるため、活性層２の表面を高精度に研磨することができる。これにより、図３に示すＭＥＭＳミラースキャナにおいて、圧電素子６の表面が平坦になり、圧電素子６の性能の劣化をさらに抑制することができる。また、ミラー７の表面が平坦になり、ミラー７の反射率を高めることができる。

また、図３に示すＭＥＭＳミラースキャナにおいて、活性層２の表面とキャップウェハ８の接合面８ａとの間に隙間ができることを抑制するためには、複数の接合面８ａの図３の紙面上下方向における位置を、活性層２の表面の凹凸に合わせて変化させる必要がある。

本実施形態では、活性層２の表面に対してはエッチングを行わないため、活性層２の表面が平坦に保たれる。そのため、複数の接合面８ａが同一平面上にある状態でキャップウェハ８を活性層２に接合しても、活性層２の表面とキャップウェハ８の接合面８ａとの間に隙間ができることを抑制することができる。したがって、活性層２の表面の凹凸に合わせて接合面８ａの図３の紙面上下方向における位置を変化させる工程が不要となる。

また、活性層２に厚みが小さく、かつ、犠牲層３に支持されない部分が存在するキャビティＳＯＩでは、活性層２にたわみが生じている場合がある。そのため、キャビティＳＯＩにキャップウェハ８を接合する場合、活性層２の表面と接合面８ａとの間に隙間ができることを抑制するためには、活性層２のたわみを考慮して接合面８ａの図３の紙面上下方向における位置を変化させる必要がある。または、図５（ａ）に示すように、活性層２の厚みが小さい場所を避けて接合面８ａを配置する必要がある。

これに対して、本実施形態では、活性層２のうち厚みが小さくされた部分においても、犠牲層３の支持により活性層２のたわみが抑制されるので、活性層２の表面が平坦である。そのため、複数の接合面８ａが同一平面上にある状態で、図５（ｂ）に示すようにキャップウェハ８を活性層２のうち厚みが小さい部分に接合しても、活性層２の表面とキャップウェハ８の接合面８ａとの間に隙間ができることを抑制することができる。したがって、接合面８ａの位置を図３の紙面上下方向、活性層２の面内方向において調整する工程が不要となる。

このように、本実施形態では、接合面８ａの位置を変化させる工程が不要となるため、ＭＥＭＳミラースキャナのようにキャップウェハ８が接合されたＭＥＭＳデバイスの製造において、工数を低減することができる。また、圧電素子６、ミラー７をまとめて封止することにより、ＭＥＭＳミラースキャナの製造において、工数を低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してトレンチ５および犠牲層３の形成方法を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、図２（ａ）に示す工程の後、活性層２のうち隣り合う２つのトレンチ５ａに挟まれた部分をエッチングで除去することにより、これら２つのトレンチ５ａを連結する。これにより、図６（ａ）に示すように、トレンチ５が形成される。

その後、図６（ｂ）に示すように、トレンチ５の内部をＳｉＯ_２で埋め込むことにより、犠牲層３を形成する。具体的には、活性層２が置かれた空間を真空引きにより大気圧より減圧するとともに、活性層２のトレンチ５が形成された面に、溶融ガラスで構成された基板を貼り付ける。そして、活性層２が置かれた空間の温度を例えば約１０００℃まで上昇させるとともに、この空間の圧力を大気圧とする。すると、高温により溶けたガラスが大気圧に押されてトレンチ５の内部に流れ込み、犠牲層３が形成される。

最後に、犠牲層３のうち活性層２とは反対側の面を研磨し、図２（ｃ）に示す工程と同様に、図６（ｃ）に示すように、犠牲層３に支持層４を接合する。

このようにしてトレンチ５および犠牲層３を形成する本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、犠牲層３をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成してもよい。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１ ＳＯＩウェハ
２ 活性層
３ 犠牲層
４ 支持層
４ａ 貫通孔
５ トレンチ
５ａ トレンチ

Claims (6)

1. 活性層（２）と支持層（４）とが犠牲層（３）を挟んで配置されたＳＯＩウェハ（１）の製造方法であって、
   異方性エッチングにより深さが互いに異なる複数のトレンチ（５ａ）を前記活性層に形成する工程と、
   前記複数のトレンチを互いに連結する工程と、
   前記犠牲層を介して前記活性層を前記支持層に接合する工程と、を備えることを特徴とするＳＯＩウェハの製造方法。
2. 前記活性層のうちの前記複数のトレンチが形成された側の一面上に加えて、連結された前記複数のトレンチの内部に前記犠牲層を形成する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウェハの製造方法。
3. 前記複数のトレンチを互いに連結する工程および前記犠牲層を形成する工程では、前記活性層のうち隣り合う２つのトレンチに挟まれた部分を酸化することにより、前記２つのトレンチを連結するとともに前記犠牲層を形成することを特徴とする請求項２に記載のＳＯＩウェハの製造方法。
4. 前記複数のトレンチを互いに連結する工程では、前記活性層のうち隣り合う２つのトレンチに挟まれた部分をエッチングで除去することにより前記２つのトレンチを連結し、
   前記犠牲層を形成する工程では、前記２つのトレンチを連結することにより形成されるトレンチ（５）の内部をＳｉＯ_２で埋め込むことにより前記犠牲層を形成することを特徴とする請求項２に記載のＳＯＩウェハの製造方法。
5. 活性層（２）と支持層（４）とが犠牲層（３）を挟んで配置されたＳＯＩウェハ（１）であって、
   前記活性層の表面が平坦であり、
   前記犠牲層は、前記活性層の裏面と、前記活性層に形成されたトレンチ（５）の内部とに形成されており、
   前記トレンチは、同じ該トレンチ内において深さが連続的に変化していることを特徴とするＳＯＩウェハ。
6. 表面が平坦であるとともに、裏面側にトレンチ（５）が形成された活性層（２）と、
   前記活性層の裏面のうち前記トレンチの外側に形成された犠牲層（３）と、
   前記犠牲層のうち前記活性層とは反対側の面に接合されるとともに、前記トレンチに対応する部分に貫通孔（４ａ）が形成された支持層（４）と、を備え、
   前記トレンチは、同じ該トレンチ内において深さが連続的に変化していることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。

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