JP2017094461A - 構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い精度を有するとともに容易に作製可能な構造体の製造方法を提供する。【解決手段】 枠状の固定部と、固定部の内側に位置し固定部に対して傾斜するように可動可能な可動部と、固定部の内側面と可動部とを接続する接続部とを具備する構造体の製造方法であって、互いに対向する第１主面および第２主面を有する第１基板の第１主面側の表面部に溝を形成する第１工程と、第１基板を前記第２主面側から研磨して溝を貫通させることによって、固定部、可動部および接続部を形成する第２工程とを具備する。【選択図】 図５

Description

本発明は、可動部を有する構造体の製造方法に関する。

近年、センサやアクチュエータ等のデバイスにおいて、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）と呼ばれる、微細な機械構造を有する構造体が用いられている。例えば、特許文献１では、光の進行方向を制御するミラーデバイスにＭＥＭＳ技術を用いている。

このような構造体は、枠状の固定部の内側に接続部を介してミラー部（可動部）が接続されている。そして、接続部には圧電体が設けられており、圧電体に電圧を印加して圧電体を変形させることによって接続部が変形し、これによってミラー部の動きを制御することができる。

この構造体を製造する方法としては、基板をエッチングする方法がある。しかしながら、固定部となる部位と、ミラー部となる部位または接続部となる部位とを分離するためには、基板を貫通する貫通部を形成する必要があるが、エッチングでは寸法ばらつきが生じやすく、精度よく加工するのが困難である。

そこで、特許文献１では、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）等のように加工性の異なる材料の積層体を用いている。このＳＯＩを用いる場合、まず上層のシリコン層のみを選択的にエッチングで加工して酸化シリコン層に達する貫通部を設ける。次に酸化シリコン層のみをエッチングで選択的に除去する。このように加工性の異なる材料に対して、それぞれの材料のみを選択的にエッチングすることで加工における寸法ばらつきを低減し、精度を高めることができる。

特開２０１５−１１８２００号公報

種々のデバイスには低コスト化が常に要求されている。上記ＳＯＩを用いてデバイス等の構造体を作製する場合、ＳＯＩ自体が高価になる上、複数のエッチング工程が必要であり製造工程が複雑となる。そのため、低コスト化も困難となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い精度を有するとともに容易に作製可能な構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る構造体の製造方法は、枠状の固定部と、該固定部の内側に位置し前記固定部に対して傾斜するように可動可能な可動部と、前記固定部の内側面と前記可動部とを接続する接続部とを具備する構造体の製造方法であって、互いに対向する第１主面および第２主面を有する第１基板の前記第１主面側の表面部に溝を形成する第１工程と、前記第１基板を前記第２主面側から研磨して前記溝を貫通させることによって、前記固定部、前記可動部および前記固定部を形成する第２工程とを具備する。

上記態様によれば、構造体を高い精度で、かつ容易に作製することが可能となる。

ミラーデバイスの平面図である。 図１のミラーデバイスのＩ−Ｉ線における断面図である。 図１のミラーデバイスのII−II線における断面図である。 図１のミラーデバイスのIII−III線における断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は図１のミラーデバイスの製造方法を示す工程ごとの断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は図１のミラーデバイスの製造方法の他の例を示す工程ごとの断面図である。 ミラーデバイスの製造方法の他の例を示す断面図である。

構造体の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、構造体の一例としてミラーデバイスの例を用いて説明するが、構造体はこれに限定されず、加速度センサ、角加速度センサ、振動センサ、音響センサ、アクチュエータまたは発電デバイス等、各種構造体に適用できる。また、図１〜図７には、右手系のＸＹＺ座標系が付されている。

＜ミラーデバイスの構造＞
図１は、構造体の一例としてのミラーデバイス１０の平面図である。また、図２は図１のＩ−Ｉ線における断面図であり、図３は図１のII−II線における断面図であり、図４は図１のIII−III線における断面図である。ミラーデバイス１０は、固定部１と、可動部２と、接続部３とを具備している。

固定部１は、平面形状が四角形状や円形状、楕円形状等の枠状体である。図１に示すような四角形状の固定部１の一例としては、その一辺の長さが例えば２〜３０ｍｍであり、固定部１を構成するアームの幅（平面視したときのアームの長手方向と直交する方向の幅）が例えば０．２〜６ｍｍであり、固定部１の厚みが例えば０．１〜１ｍｍである。

可動部２は、固定部１の内側に位置しており、固定部１に対して傾斜するように可動可能となっている。ミラーデバイス１０では、可動部２は光を反射して光の進行方向を制御するためのミラー部としての機能を有する。可動部２は、主面（＋Ｚ側の主面）に光反射面を有する。可動部２は、例えば図２および図３に示すように、主面を有する支持部材２ａと、その主面に位置する、金属薄膜等の光反射率の高い光反射部材２ｂとから成るものであってもよい。

可動部２の平面視形状は、例えば四角形状や円形状、楕円形状等である。図１に示すような平面視形状が四角形状の可動部２の一例としては、接続部３が接続されている長辺が例えば１〜１０ｍｍであり、短辺が例えば０．３〜１ｍｍである。

接続部３は、固定部１の内側面と可動部２とを接続する部材である。ミラーデバイス１０では、接続部３は、固定部１の異なる内側面間を接続する梁部３ａと、この梁部３ａおよび可動部２を接続する連結部３ｂとから成っている。

連結部３ｂは、一端が可動部２に接続され、第１方向（Ｘ軸方向）に延びて他端が梁部３ａに接続されている。連結部３ｂは、電圧印加による梁部３ａの変形に追従して、上記第１方向（Ｘ軸方向）を軸とした回転運動をすることによって、可動部２の向きを変える（固定部１に対して可動部２を傾斜させる）機能を有する。

連結部３ｂは、梁部３ａの変形に追従して可動部２を良好に動かすという観点からは、平面視したときのＹ軸方向の幅が、例えば０．０１〜０．１ｍｍであり、Ｘ軸方向の長さが例えば０．１〜２ｍｍであり、厚みが例えば０．０１〜０．３ｍｍである。また、連結部３ｂのＸ軸方向に垂直な断面（ＹＺ断面）の形状は、特に限定されず、多角形状や円形状、楕円形状等であってもよい。

梁部３ａは、固定部１および連結部３ｂを接続するとともに第１方向（Ｘ軸方向）に対して交差するように延びている。図１では、梁部３ａは連結部３ｂとの接続部から＋Ｙ方向と−Ｙ方向の２方向に延びており、固定部１の対向する一対のアームにそれぞれ接続されている。なお、梁部３ａはこのような構成に限定されず、連結部３ｂとの接続部から固定部１の１つのアームのみと接続された構成であってもよい。また、梁部３ａとＸ軸との成す角度は、図１のような９０°でなくともよく、鋭角あるいは鈍角であってもよい。

梁部３ａは、電圧を印加することで変形可能な構造である。このような構造としては、図１、図３および図４に示すように、梁部３ａの本体の表面（図１〜図４の例では上面）に圧電素子７ａ〜７ｄを設けた構造であってもよい。圧電素子７ａ〜７ｄは、例えば圧電膜に電極を設けたものが挙げられる。この電極を介して圧電膜に電圧を印加することによって圧電膜に歪みを生じさせ、それによって、梁部３ａを変形させることが可能となる。なお、梁部３ａの上面に形成された圧電素子において、圧電膜は梁部３ａの上面全面に形成されていてもよく、この圧電膜のうち電極によって電圧が印加され得る部位が圧電素子として機能する。

梁部３ａは、可動部２の動きを良好に行なうという観点からは、平面視したときの幅（Ｘ軸方向の長さ）が例えば０．０５〜０．５ｍｍであり、厚みが例えば０．０１〜０．３ｍｍである。梁部３ａの平面視形状は直線状に限らず、曲線状や矩形状であってもよい。梁部３ａの延伸方向（Ｙ軸方向）に垂直な断面（ＸＺ断面）の形状は、特に限定されず、多角形状や円形状、楕円形状等であってもよい。

また、連結部３ｂは、図１および図２に示すように、連結部３ｂの表面（図１〜図４の例では上面）に、さらに圧電素子９ａ〜９ｂを設けた構造であってもよい。圧電素子９ａ〜９ｂは、例えば圧電膜に電極を設けたものが挙げられる。圧電素子９ａ〜９ｂは、連結部３ｂの変形量を読み取るセンサとして機能する。つまり、連結部３ｂの変形によって圧電素子９ａ〜９ｂが歪み、これによって生じる電圧から変形量を読み取ることができる。

また、図２〜図４に示すように、固定部１の補強のために、あるいは、ミラーデバイス１０を外部の電気回路等に実装したときに可動部２の可動空間を確保するために、固定部１の下面に補助部材５を設けてもよい。補助部材５の形状は特に限定されず、固定部１の平面視形状と同じ平面視形状の枠状体であってもよく、複数の直方体状のものを、間隔をあけて並べたものであってもよい。

＜ミラーデバイスの製造方法＞
ミラーデバイス１０の製造方法を図５（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。なお、図５（ａ）〜（ｄ）の各工程は、図３に示すミラーデバイス１０のII−II線における断面を示している。

まず、図５（ａ）に示すように、互いに対向する第１主面（＋Ｚ側主面）および第２主面（−Ｚ側主面）を有する第１基板Ａを用意する。第１基板Ａは、例えばシリコン等を用いることができる。

次に、図５（ｂ）に示すように、第１基板Ａの第１主面における梁部３ａの本体となる部位の上面および連結部３ｂの本体となる部位の上面に、それぞれ公知の薄膜形成方法を用いて電極および圧電膜を形成することによって圧電素子７ａ〜７ｄ、９ａ〜９ｂを作製する。また、可動部２の支持部材２ａとなる部位の上面に、公知の薄膜形成方法を用いて光反射部材２ｂを作製する。なお、本実施形態では、図５（ｃ）の溝Ａ１の形成の前に第１主面上に圧電素子７ａ〜７ｄ、９ａ〜９ｂおよび光反射部材２ｂを形成しているが、圧電素子７ａ〜７ｄ、９ａ〜９ｂの形成あるいは光反射部材２ｂの形成は、図５（ｃ）の溝Ａ１の形成の後、あるいは図５（ｄ）の研磨の後で行なってもよい。溝Ａ１の形成の前に圧電素子７ａ〜７ｄ、９ａ〜９ｂの形成あるいは光反射部材２ｂの形成を行なった場合、パターン形成が容易となり、製造工程がより簡略化される。

次に、図５（ｃ）に示すように、第１基板Ａの第１主面側の表面部に溝Ａ１を形成する。溝Ａ１は固定部１、可動部２および接続部３を除く部位に形成する。このとき、溝Ａ１の深さは、固定部１、可動部２および接続部３の所望とする最終形状の厚み以上の深さにしておく。溝Ａ１の形成方法としては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング、または溶液を用いたウェットエッチング等の公知の方法が用いられ得る。

次に、図５（ｄ）に示すように、第１基板Ａを第２主面側（−Ｚ側）から研磨して上記図５（ｃ）で作製した溝Ａ１を貫通させる。これによって、固定部１、可動部２および接続部３が形成される。第１基板Ａを研磨する方法としては、半導体ウェハ製造に用いられるバックグラインド加工等の機械研磨が採用され得る。そして、必要に応じて各固定部１の下面に補助部材５を接着することによって、ミラーデバイス１０が完成する。なお、最終工程として、変形させたくない可動部２のみに所望の剛性とサイズを有する補強部材を接着することも可能である。

以上のような工程を行なうことによって、ミラーデバイス１０のような、固定部１と可動部２と接続部３とを具備する構造体を、高い精度で、かつ、容易に作製することが可能となる。つまり、従来のようにエッチングのみで貫通部を形成するのではなく、第１主面側のエッチングに続けて第２主面側の研磨で貫通部を形成することによって、第２主面側の開口部が過度にエッチングされるのを低減できる。また、従来のようにＳＯＩ等の複数の材料から成る基板を異なる条件で何度もエッチングする必要もなく、１つの基板で容易に製造が可能となる。

＜ミラーデバイスの製造方法の変形例１＞
上記ミラーデバイス１０の製造方法において、１つの第１基板Ａから複数のミラーデバイス１０を形成するようにしてもよい。これによって、量産性も高くなる。このようなミラーデバイス１０の製造方法の変形例を図６（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。なお、図６（ａ）〜（ｅ）の各工程は、図３に示すミラーデバイス１０のII−II線における断面を示している。

まず、図６（ａ）に示すように、第１基板Ａを用意し、第１基板Ａの第１主面に、複数個のミラーデバイス１０となる領域を設定する。

次に、図６（ｂ）に示すように、それぞれの領域において、梁部３ａの本体となる部位の上面および連結部３ｂの本体となる部位の上面に、それぞれ公知の薄膜形成方法を用いて電極および圧電膜を形成することによって圧電素子７ａ〜７ｄ、９ａ〜９ｂを作製する。また、可動部２の支持部材２ａとなる部位の上面に、公知の薄膜形成方法を用いて光反射部材２ｂを作製する。

次に、図６（ｃ）に示すように、ミラーデバイス１０となる各領域の表面部にそれぞれ
溝Ａ１を形成する。溝Ａ１は固定部１、可動部２および接続部３を除く部位に形成し、溝Ａ１の深さは、固定部１、可動部２および接続部３の所望とする最終形状の厚み以上の深さにしておく。

次に、図６（ｄ）に示すように、第１基板Ａを第２主面側（−Ｚ側）から研磨して上記図６（ｃ）で作製した溝Ａ１を貫通させる。これによって、ミラーデバイス１０となる各領域において、固定部１、可動部２および接続部３が形成される。

次に、図６（ｅ）に示すように、ミラーデバイス１０となる領域同士の境界をダイシング等で分割することによって、複数個のミラーデバイス１０が完成する。

なお、図６（ｃ）の溝Ａ１を形成する工程において、ミラーデバイス１０となる領域同士の境界に、上記溝Ａ１よりも浅い小溝Ａ２を形成しておいてもよい（図６（ｃ）参照）。このような小溝Ａ２を形成しておくと、図６（ｅ）の複数のミラーデバイス１０ごとに分割する際、第１基板Ａに応力を加えるだけで、この小溝Ａ２を起点としてクラックを進行させることができ、容易にミラーデバイス１０同士を分割することができる。

＜ミラーデバイスの製造方法の変形例２＞
上述したミラーデバイスの製造方法の各種例において、さらに以下のような工程を用いてもよい。図５（ｃ）の溝Ａ１の形成の後、あるいは図６（ｃ）の溝Ａ１の形成の後、図７に示すように第１基板Ａの第１主面に保護シートＢを貼り付けてもよい。このように保護シートＢを貼り付けた状態で図５（ｄ）の研磨工程、あるいは図６（ｄ）の研磨工程を行なう際、第１基板Ａを良好に固定でき、加工精度をさらに高めることができる。

このような保護シートＢとしては樹脂等を用いることができる。なお、保護シートＢは、樹脂フィルムに接着剤層が積層されたものであってもよい。

保護シートＢを第１基板Ａに貼り付ける際、第１基板Ａの第１主面に保護シートＢを密着させるとともに保護シートＢの一部を溝Ａ１内に侵入させてもよい。このようにすることで、固定部１、可動部２および接続部３となる部位を固定でき、研磨時にクラック等が生じることを低減できる。

保護シートＢの一部を第１基板Ａの第１主面に形成した溝Ａ１内に侵入させる方法としては、例えば、保護シートＢとして樹脂フィルムに低弾性率の接着剤層が積層されたものを用い、この接着剤層を第１基板Ａの第１主面に密着させ、圧力を加えることで、溝Ａ１内に接着剤層を侵入させることができる。

本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。

１：固定部
２：可動部
３：接続部
１０：ミラーデバイス（構造体）
Ａ：第１基板
Ａ１：溝
Ａ２：小溝

Claims (6)

1. 枠状の固定部と、該固定部の内側に位置し前記固定部に対して傾斜するように可動可能な可動部と、前記固定部の内側面と前記可動部とを接続する接続部とを具備する構造体の製造方法であって、
   互いに対向する第１主面および第２主面を有する第１基板の前記第１主面側の表面部に溝を形成する第１工程と、
   前記第１基板を前記第２主面側から研磨して前記溝を貫通させることによって、前記固定部、前記可動部および前記接続部を形成する第２工程と
   を具備する構造体の製造方法。
2. 前記第１工程の前に、前記第１主面上の前記接続部となる位置に圧電素子を形成する工程を具備する、請求項１に記載の構造体の製造方法。
3. 前記第１工程において、前記第１基板に前記構造体となる領域を複数形成する、請求項１または２に記載の構造体の製造方法。
4. 前記第１工程において、隣接する前記領域同士の境界に前記溝よりも浅い小溝を形成する、請求項３に記載の構造体の製造方法。
5. 前記第１工程と前記第２工程との間に、前記第１主面に保護シートを貼り付ける第３工程をさらに具備する、請求項１乃至４のいずれかに記載の構造体の製造方法。
6. 前記第３工程において、前記第１主面に前記保護シートを密着させるとともに前記保護シートの一部を前記溝内に侵入させる、請求項５に記載の構造体の製造方法。

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