JP2866216B2 - カンチレバーの製造方法 - Google Patents

カンチレバーの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエハを用いて
形成するカンチレバーの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年半導体プロセス技術を背景にして半
導体を機械的構造体として用いた半導体圧力センサー、
半導体加速度センサー、マイクロアクチュエータ等の機
械的電気素子(マイクロメカニクスデバイス)が脚光を
浴びるようになってきた。
【0003】これら素子の特徴として、小型でかつ高精
度の機械機構部品を提供でき、かつ半導体ウエハを用い
る為に1ウエハ上に素子と電子回路を一体化できること
が挙げられる。また、半導体プロセスをベースとして作
製することで、半導体プロセスのバッチ処理による生産
性の向上を期待できる。
【0004】変位素子を有するカンチレバーでその特徴
を最もよく表す素子の1例として、スタンフォード大学
のクエート等により提案された微小計測用のSTMプロ
ーブ(IEEE Micro Electro Mec
hanical Systems,pp188−19
9,Feb.1990)がある。これは、シリコンウエ
ハの裏面を一部除去してシリコンメンブレンを形成し、
表面にAlとZnOの薄膜を順次積層しバイモルフのカ
ンチレバー形状の層を形成し、その後裏面より反応性の
ドライエッチングによりシリコンメンブレンとウエハ表
面のエッチングの保護層(シリコン窒化膜)を除去し、
STMプローブの変位用のバイモルフカンチレバーを作
製するものである。カンチレバーの長さを調整する為に
は、表面のカンチレバー形状の層とシリコンメンブレン
の配置によって行う。この為、シリコンメンブレンは位
置制御性の高いシリコンの結晶方位面のエッチング速度
を利用する異方性エッチングを用いている。
【0005】上述のシリコンメンブレンのような半導体
の3次元構造体を形成する場合、容易にかつ再現性良く
同一の構造体を形成できる方法として異方性エッチング
が用いられてきた。一般的に異方性エッチングを行う場
合、半導体に比して十分なエッチング液の選択性を有す
る薄膜保護層(マスク層)を、あらかじめウエハの両面
に形成しておき、前記薄膜の一部を除去し開口部を設
け、その開口部から半導体の異方性エッチングを行う。
【0006】上述したように、従来のカンチレバーの作
製では、半導体ウエハ表面のマスク層上に電極あるいは
圧電体膜等のカンチレバーを変位させる為の変位素子を
形成する、またはマスク層をカンチレバーの構成層とし
ている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述す
るようなマスク層の上に変位素子を形成した場合、半導
体ウエハ上のマスク層が、異方性エッチング液中に長時
間さらされることとなりウエハ上への異物の付着が増
し、さらにはマスク層もエッチングされマスク層の厚み
が変化し、マスク層をカンチレバーの一部として用いる
場合にはカンチレバーの全体厚み変化による素子特性の
バラツキ等が発生することとなり、素子の歩留および再
現性の低下等の問題が生じていた。
【0008】そこで、本発明の目的とするところは、か
かる問題点を解消したカンチレバーの製造方法を提供す
ることにある。
【0009】
【課題を解決するための手段及び作用】上記課題は、以
下の構成からなるカンチレバーの製造方法、すなわち、
半導体ウエハ上にエッチング法により形成されるカンチ
レバーの製造方法において、前記ウエハの両面に前記エ
ッチングを防止する薄膜を形成する工程と、前記基板の
第1の主面の前記薄膜に開口部を設け半導体をエッチン
グし半導体メンブレンを形成する工程と、前記ウエハの
第2の主面の前記薄膜を除去しカンチレバー形状を構成
する層を形成する工程と、前記半導体メンブレンを除去
しカンチレバーを形成する工程にて、カンチレバーある
いは変位素子を有するカンチレバーを製造する方法、に
よって達成される。
【0010】これによれば、エッチング時に用いたマス
ク層が変位素子を形成する工程の前に取り去られ、従来
問題となったウエハ上マスク層への異物の付着やマスク
層の厚み変化による素子特性のバラツキが解消でき、素
子の歩留および再現性を向上させることが可能となっ
た。
【0011】ここで、上記手段に用いられるエッチング
液としては、半導体の結晶方位面によりエッチング速度
に差異を生ずる水酸化カリウム水溶液、水酸化アンモニ
ウム、ヒドラジン、エチレンジアミンピロカテコール等
の結晶異方性を生じるエッチング液であれば適用可能で
ある。
【0012】また、マスク層としては、上記エッチング
液を用いた場合に半導体と比して十分なエッチング選択
性を有するものであれば良く、用いるエッチング液によ
り異なるが、代表的にはシリコン窒化膜が用いられる。
他のマスク層としては、シリコン酸化膜、金、クロム、
タンタル等も適用される。
【0013】本発明の工程中のメンブレンを除去する方
法としては、上記変位素子を形成する層に対し、メンブ
レンのみがエッチングされる方法であれば、ドライ、ウ
エットのどちらのエッチング方法を用いても良い。
【0014】
【実施例】以下、実施例を用いて説明する。
【0015】(実施例1)図1は、本発明の特徴を最も
良く表すカンチレバーの製造方法の工程概略図を示す。
【0016】先ず、結晶方位(100)面を主面とする
シリコンウエハ1の両面に、マスク層となるシリコン窒
化膜2をLPCVD(減圧CVD)法により5000オ
ングストローム形成し(図1(a))、ウエハ1の一方
の面のシリコン窒化膜2をフォトリソグラフィと反応性
イオンエッチング法によりCF4ガスを用いパターン形
成し、開口部3を設ける(図1(b))。
【0017】次に、80℃のKOH27wt%水溶液に
よりシリコンの異方性エッチングを行い、30μmのシ
リコンメンブレン4を形成した(図1(c))。その
後、ウエハの他方の面のシリコン窒化膜2を反応性イオ
ンエッチングにより上記と同様に除去し、交流マグネト
ロンスパッタリング法により、SiO2ターゲットをア
ルゴンの雰囲気中でスパッタして200℃に加熱したウ
エハ1上に1μm成膜し、フォトリソグラフィ及びAr
イオン・ミーリング法により、カンチレバー形状のシリ
コン酸化膜5をパターン形成した(図1(d))。
【0018】最後に、シリコン窒化膜を除去したと同様
の方法にて、シリコンメンブレン4をエッチング除去
し、シリコン酸化膜のカンチレバー6を得た(図1
(e))。
【0019】このような方法を用いることで、異方性エ
ッチング時に発生する異物の付着のないカンチレバーを
作製できた。
【0020】(実施例2)本発明の他の実施例を示す。
図2は圧電体薄膜を用いたバイモルフカンチレバーの作
製工程概略図である。
【0021】先ず、実施例1と同様な方法によりシリコ
ンメンブレン4を形成し(図2(a)〜(d))、シリ
コン表面にAu電極膜23とZnO圧電体膜22を順次
パターン形成しながら積層して、バイモルフカンチレバ
ー形状のパターンを形成した(図2(e))。
【0022】ここで、Au電極膜23は真空抵抗加熱蒸
着法により0.2μm成膜し、ZnO圧電体膜22はマ
グネトロンスパッタ法よりZnOターゲットを酸素とア
ルゴンの混合雰囲気中でスパッタし、200℃に加熱し
た上記シリコンウエハ上に1μm成膜した。また、バイ
モルフのパターニングはフォトリソグラフィにより行っ
た。さらに、エッチング液としては、それぞれAu電極
はヨウ化カリウム水溶液を、ZnO膜は酢酸水溶液を用
いた。ただし、Auとシリコンの密着性を上げる為に、
第1層のAuを成膜する前にCr21を20オングスト
ローム真空蒸着法により成膜した(図2(e))。
【0023】最後に、シリコン窒化膜を除去したと同様
の方法にて、シリコンメンブレン4をエッチング除去
し、ZnO薄膜のバイモルフカンチレバー24を得た
(図2(f))。
【0024】このような方法を用いることで、異方性エ
ッチング時に付着した残留物を取り去ることが可能とな
り、金属−絶縁体−金属からなる薄膜積層デバイスの問
題点であるピンホールを低減することができた。
【0025】本実施例にて作製したバイモルフカンチレ
バーの先端に、図3のようなプローブ電極31を配置す
ると、走査型トンネル顕微鏡(STM)用のプローブと
して用いることができ、また、シリコンウエハ上に図4
に示すような複数のSTMプローブを作製しユニット4
0を形成する場合には、上記ピンホールの低減により歩
留が向上する。
【0026】(実施例3)図5に、本発明の方法を用い
て作製した、熱膨張の差を利用するバイメタルカンチレ
バーの作製工程概略図を示す。
【0027】先ず、結晶方位(100)面を主面とする
シリコンウエハ1を、酸素と窒素の混合ガス雰囲気中で
1000℃に加熱し、酸化膜50を5000オングスト
ローム形成し、次に、マスク層となるシリコン窒化膜2
を、LPCVD(減圧CVD)法により5000オング
ストローム両面に形成した(図5(a))。
【0028】次に、ウエハの一方の面のシリコン窒化膜
2及び酸化膜50をフォトリソグラフィ及び反応性イオ
ンエッチング法により、CF4ガスを用いてパターン形
成し、開口部3を設ける(図5(b))。
【0029】次に、115℃のエチレンジアミンピロカ
テコール水溶液により、シリコン1の異方性エッチング
を行い、30μmのシリコンメンブレン4を形成した
(図5(c))。その後、ウエハの他の面のシリコン窒
化膜2を反応性イオンエッチングにより同様に除去し
(図5(d))、シリコン酸化膜50上部にアモルファ
スシリコン窒化膜51をプラズマCVD法により0.5
μm成膜した。その後、フォトリソグラフィによりパタ
ーン形成し、フッ酸・フッ化アンモニウム水溶液にてカ
ンチレバー形状のシリコン酸化膜とアモルファスシリコ
ン窒化膜の積層膜を形成した(図5(e))。次に、そ
の上部にタンタル52を交流マグネトロンスパッタリン
グ法によりアルゴンの雰囲気中でスパッタして0.5μ
m成膜し、Arイオン・ミーリング法により、ヒーター
のパターンを形成した。
【0030】最後に、エチレンジアミンピロカテコール
水溶液によりシリコンメンブレン4をエッチング除去
し、バイメタルカンチレバー53を得た。
【0031】本実施例においても、実施例1,2と同様
に異方性エッチング時に発生する異物の付着やマスク層
のエッチングダメージのないカンチレバーを歩留良く作
製できた。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の製造方法
によれば、エッチング時に用いたマスク層が変位素子を
形成する工程の前にとりさられる為、従来問題となった
ウエハ上への異物の付着やマスク層の厚み変化による素
子特性のバラツキが解消でき、素子の歩留および再現性
の向上させることが可能となった。
【0033】また、本発明の方法を用いて作製した変位
素子を有するカンチレバーは、素子特性の再現性及び高
歩留を保証するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法を最も良く表す工程概略図を
示す。
【図2】バイモルフカンチレバーの作製工程概略図を示
す。
【図3】バイモルフカンチレバーを用いたSTMプロー
ブの概略図を示す。
【図4】複数のSTMプローブのユニットの概略図を示
す。
【図5】バイメタルカンチレバーの作製工程概略図を示
す。
【符号の説明】
1 シリコンウエハ 2 シリコン窒化膜 3 開口部 4 シリコンメンブレン 5 シリコン酸化膜 6 カンチレバー 21 Cr層 22 ZnO圧電体膜 23 Au電極膜 24 バイモルフカンチレバー 31 プローブ電極 40 プローブユニット 50 シリコン酸化膜 51 アモルファスシリコン窒化膜 52 タンタル 53 バイメタルカンチレバー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 41/113 H01L 21/306 Z (72)発明者 島田 康弘 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 平井 裕 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 41/00 - 41/26 G01L 9/04 H01L 29/84

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体ウエハ上にエッチング法により形
    成されるカンチレバーの製造方法において、前記ウエハ
    の両面に前記エッチングを防止する薄膜を形成する工程
    と、前記ウエハの第1の主面の前記薄膜に開口部を設け
    半導体をエッチングし半導体メンブレンを形成する工程
    と、前記ウエハの第2の主面の前記薄膜を除去しカンチ
    レバー形状を構成する層を形成する工程と、前記半導体
    メンブレンを除去しカンチレバーを形成する工程により
    カンチレバーを形成することを特徴とするカンチレバー
    の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記カンチレバーが、変位素子を有する
    ことを特徴とする請求項1記載のカンチレバーの製造方
    法。
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