JP3420350B2

JP3420350B2 - マイクロ構造体の形成法

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Publication number: JP3420350B2
Application number: JP21586194A
Authority: JP
Inventors: 隆行八木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1994-09-09
Publication date: 2003-06-23
Anticipated expiration: 2018-06-23
Also published as: JPH0884484A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロメカニクス技
術を用いて作製するマイクロ構造体、特に犠牲層を用い
て形成されるマイクロ構造体の形成法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、小型の可動機構を有する微小機械
がマイクロメカニクス技術により検討されている。特
に、半導体集積回路形成技術（半導体フォトリソグラフ
ィプロセス）を用いて形成するマイクロ構造体は、基板
上に複数の小型で作製再現性の高い微小な機械部品を作
製することが可能である。このため、アレイ化、低コス
ト化が比較的容易となり、且つ小型化により従来の機械
式構造体に比べて優れた高速応答性を期待することがで
きる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】基板上にマイクロ構造
体を作製する典型的な方法としては以下に示す４例があ
る。第１の方法としては、ポリシリコン膜より成るワブ
ルマイクロモーター（M.Mehregany et al., "Operation
of microfabiricated harmonic and ordinary side-d
rive motors", Proceedings IEEE Micro Electro Mecha
nical Systems Workshop 1990,pp.1-8）、並びにリニア
マイクロアクチュエータ（P. Cheung et al.,"Modeling
and position-detection of a polysilicon linear mi
croactuator",Micromechanical Sensors, Actuators, a
nd Systems ASME 1991, DSC-Vol. 32,pp.269-278）等を
形成する作製方法であり、これはＳｉ基板上の犠牲層と
なるシリコン酸化膜と薄膜形成したマイクロ構造体とな
るポリシリコン、ＳＯＩ(Si onInsulator) 又はＳＩＭ
ＯＸ（Separatin by ion implantation of oxygen, B.D
iem et al.,"SOI(SIMOX) as a Substrate for Surface
Micromachining of Single Crystalline Silicon and A
ctuators", The 7th International Conferenceon Soli
d-State Sensors and Actuators, Transducers '93, Ju
ne 7-10, 1993,pp.233-236) のシリコン膜を、所望の形
状にパターニングした後にフッ酸水溶液によりシリコン
酸化膜を除去するシリコン酸化膜を犠牲層として用いる
方法がある。

【０００４】然しながら第１の方法では、シリコン酸化
膜をフッ酸水溶液によりエッチング除去するために、構
造体としてはフッ酸に食刻されないてフッ酸腐食耐性材
料を用いる必要があり、マイクロ構造体上にアルミニウ
ム電極等の電極を配線することができない。更に、ポリ
シリコンをマイクロ構造体として用いる場合には、膜応
力による反りが生じないようにポリシリコンの膜応力を
制御する必要がある。ＳＯＩ基板を用いる場合、バルク
Ｓｉ薄膜の下のシリコン酸化膜を除去してしまうため
に、構造体を支えるシリコン酸化膜がエッチバックさ
れ、構造体が梁形状となり基板と構造体との電気的接続
が困難となる。

【０００５】第２の方法は、アルミニウム（Ａｌ）薄膜
のマイクロミラーより成る空間光変調器（L.J. Hornbec
k:特開平２−８８１２号）を形成する作製方法であり、
基板上に犠牲層となるフォトレジストを塗布し、Ａｌ薄
膜を薄膜形成し所望の形状にパターニングした後に、酸
素プラズマを用いたドライエッチングによりフォトレジ
ストを除去し、Ａｌ薄膜から成るマイクロ構造体を形成
する方法である。

【０００６】この第２の方法では、フォトレジストを犠
牲層として用いることにより基板の表面粗さに依存する
ことなく、多様な種類の基板上にマイクロ構造体を形成
することが可能である。これにより、酸素プラズマによ
るドライエッチングにより犠牲層の除去が可能であり、
ウエットエッチングにより犠牲層を除去する際に生じる
マイクロ構造体と基板との貼り付き（Sticking) を回避
することができる。

【０００７】然しながら、作製工程中でフォトレジスト
が熱的損傷を起こさない程度の低温で構造体薄膜形成を
行う必要があり、構造体材料の制約の効果が大きい。更
に、マイクロ構造体を真空蒸着、スパッタリング等の薄
膜形成プロセスにより形成するために、作製したマイク
ロ構造体が膜応力による反りを生じないよう膜の応力制
御をする必要がある。

【０００８】第３の方法は、バルクであるＳｉ基板上に
マイクロ構造体のパターンを形成した後に、ガラス基板
に前記パターンの一部を陽極接合法により接合し、接合
したＳｉ基板を裏面よりエッチングし、マイクロ構造体
のみをガラス基板上に残すことにより形成する方法であ
る。この第３の方法を用い、Ｓｉ基板を薄膜化したバル
クＳｉ薄膜から成るリニアアクチュエータ（Y. Giancha
ndani et al., "Micron-Size, High Aspect Ratio Bulk
Silicon micromechanical Devices", Proceedings IEE
E Micro Electro Mechanical Systems Workshop, 1992,
pp.208-213) 及びシリコン窒化膜より成るＡＦＭ（Atom
ic Force Microscope)用のカンチレバー（T.A. Albrech
t et al., USP5,221,415）等を形成することができる。

【０００９】この第３の方法では、犠牲層を用いる必要
がなく、フッ酸耐性のない材料によりマイクロ構造体を
形成することが可能である。然しながら、ガラスと陽極
接合を行う必要から、材料としては酸化物を形成する導
電性のＳｉ及びＡｌ，Ｔｉ，Ｎｉ等の金属、又はＳｉ基
板上に形成した薄膜においてのみ陽極接合可能なシリコ
ン窒化膜、及びシリコン酸化膜に限定される。また、陽
極接合の接合温度が３００℃以上であり、熱応力の歪み
による接合時の基板の損傷を回避するには、ガラスはＳ
ｉ基板とほぼ等しい熱膨張係数を有することが必要であ
る。

【００１０】このために使用できるガラスはパイレック
スガラス（商品名、＃７７４０，Corning 社）等のガラ
スに限定される。更に、接合面に予め空隙を形成してお
くため、接合後に電極等をマイクロ構造体上に形成する
ことができない。また、基板としては可動イオンを含む
ガラスを用いる必要から、基板上に回路を集積化するこ
とができない。更に、陽極接合によりガラスと導電性材
料を接合する場合、ガラス及び導電性材料の表面粗さが
５０ｎｍ以下に抑える必要があり、段差の大きな配線上
に接合することができない。

【００１１】本発明は、上記に鑑み、下記のような優れ
たマイクロ構造体の形成法の提供を目的とする。即ち、
該方法は、（１）マイクロ構造体及び基板の材料が制限
されないこと、（２）マイクロ構造体上に電極パターン
を形成し、基板との電気的接続が可能なこと、等の利点
を有するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、以下に示
す本発明によって達成される。即ち、マイクロ構造体を
形成する方法において、該方法が、（１）第１基板上に
樹脂膜より成る犠牲層及び接着層を形成する工程、
（２）第２基板上に構造体層を形成する工程、（３）前
記接着層を介して第１基板と構造体層を接着する工程、
（４）前記第２基板を除去する工程、（５）前記構造体
層と第１基板とを接続するための支持層を形成する工
程、（６）前記犠牲層及び接着層を除去する工程、から
成る各工程を有することを特徴とするマイクロ構造体の
形成法、を開示するものである。

【００１３】以下、本発明を更に詳細に説明する。犠牲
層及び接着層を形成する方法としては、通常の形成方法
を使用することができ、例えば、樹脂分子を有機溶媒に
より希釈した液をスピンナー法、ディッピング法、スプ
レー法等により塗布する方法等の樹脂膜形成法を用いて
行う。塗布方法では樹脂膜は基板上の表面凹凸が存在し
ても、平坦性よく塗布することが可能であり、これによ
り第２基板と接着する工程において基板表面粗さに依存
せずに良好な面接着が可能となる。樹脂材料としては、
回路を集積化したＳｉ基板上に樹脂膜を形成する場合、
ナトリウムイオン等の不純物の少ないフォトレジストが
好ましい。更に、密着力及び機械的な強度に優れたゴム
を有するゴム系フォトレジストがより好ましい。

【００１４】本発明で使用可能なゴム系フォトレジスト
としては、例えば「微細加工とレジスト」（野々垣三郎
著、高分子学会編集、共立出版発行、１９９０年）１１
頁第３行に記載のゴムが好ましく、また東京応化工業
（株）製の高解像度ネガ型フォトレジストとしてＯＭＲ
−８３等のゴムを含有するフォトレジストが好ましく使
用することができる。

【００１５】接着層を形成する際に犠牲層が溶解されな
いよう犠牲層を形成した後に硬化処理を施す。硬化処理
の方法としては、樹脂膜を硬化する通常の方法を使用す
ることができ、例えば加熱、光照射等の硬化処理法が用
いられる。犠牲層としてフォトレジストを用いる場合、
加熱硬化処理の温度は、フォトレジスト中の高分子が架
橋し不溶化する温度となる。ネガ型のフォトレジストで
は光照射により架橋させることにより強く不溶化する。

【００１６】構造体層が形成された第２基板としては、
半導体フォトリソグラフィプロセス及びエッチングによ
り構造体のパターンを形成した基板、第２基板上に構造
体層を薄膜形成した基板、転写用犠牲層を介して構造体
層を形成した第２基板等を用いることが可能である。

【００１７】半導体フォトリソグラフィプロセス及びエ
ッチングにより構造体のパターンを形成した基板、及び
第２基板上に構造体層を薄膜形成した基板では、第２基
板を除去する工程において、基板材料に適したエッチン
グ液を用いたウエットエッチング、反応性ガスを用いた
ドライエッチング、又は研磨砥粒を用いてラッピングす
る方法を用いて、裏面を研削して構造体層のみを残すこ
ととなる。例えば、第２基板としてＳｉを用いる場合、
エッチング液としては水酸化カリウム溶液（ＫＯＨ）、
４−メチルアンモニウム水溶液(tetramethyl ammoniumh
ydoxide)等のアルカリ水溶液、又はフッ酸及び硝酸の混
合水溶液等を用い、また反応性ガスとしてはＣＦ₄ ，Ｓ
Ｆ₆ ，ＮＦ₃ 等のプラズマガスを用いて行う。エッチン
グにより構造体のパターンを形成したＳｉ等のバルクを
第２基板として用いれば、マイクロ構造体は反ることが
なく、犠牲層上に薄膜形成してマイクロ構造体を作製す
る際に問題となった膜応力による反りの問題を回避する
ことができる。

【００１８】転写用犠牲層を介して構造体層を形成した
基板としては、例えば、第２基板をガラス基板として構
造体層に転写用犠牲層となる金属膜を薄膜形成した後、
該金属膜とガラス基板に電圧を印加し、陽極接合法によ
り形成した接合体から成る基板、シリコン酸化膜を転写
用犠牲層とし、シリコン膜を構造体層とするＳＯＩ基
板、又はＳＩＭＯＸ基板等の中間層を有する基板、第２
基板上に転写用犠牲層及び構造体層を薄膜形成した基板
等を用いることができる。転写用犠牲層の材料として
は、転写用犠牲層を除去するエッチャントにより少なく
とも接着層及び構造体層が腐食されない材料より選択さ
れる。薄膜形成法としては真空蒸着法、ＣＶＤ（Chemic
al Vapor Deposition)法等の薄膜堆積法を用いる。陽極
接合による場合、第２基板はアルカリ金属の可動イオン
（例えばナトリウム等）を含むガラス基板であり、金属
膜としてはＳｉ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｉ等の陽極接合可能な
金属膜、又は、これら元素を含有する合金より成る金属
膜を用いればよい。これら金属膜を構造体層に薄膜形成
することにより、構造体層の材料として絶縁体、半導
体、金属等種々の材料をガラス基板に陽極接合すること
が可能である。

【００１９】第２基板に構造体層を接合する際に、構造
体層の厚みが数十μｍ以下の場合には、ハンドリングが
困難である。このため、接合後に薄膜化し構造体層とな
る、或いは構造体層が予め形成された基板の該基板が除
去されることにより、構造体層を形成する等の基板を用
いることも可能である。該基板の薄膜化、或いは除去に
おいては、基板材料に適したエッチング液を用いるウエ
ットエッチング、反応性ガスを用いるドライエッチン
グ、又は研磨砥粒を用いるラッピング、ポリッシングす
る方法を用いて裏面から研削を行えば、所望の厚みの構
造体層を第２基板上に接合することができ、構造体材料
としてＳｉ，ＧａＡｓ等のバルクの基板を用いれば、薄
膜化したバルクから成るマイクロ構造体は反ることがな
く、犠牲層上に薄膜形成してマイクロ構造体を作製する
際に問題となった膜応力による反りの問題を回避するこ
とができる。また、薄膜化により接合体層の膜厚を任意
に調整することが可能である。

【００２０】第１基板と構造体層を接着する工程として
は、第１基板と第２基板を裏面より圧力をかけて押し当
てた後に、加熱処理することにより接着層である樹脂膜
中に含まれる有機溶媒を蒸発させ、樹脂を硬化させると
ともに各基板との接着力を強くすることにより行う。第
１基板及び第２基板が導電体であるならば、各々に電圧
を印加し発生する静電力を用いて圧力を加え接着するこ
とも可能である。

【００２１】第１基板と第２基板が反っている場合、又
は圧力が接着する基板面に均一に印加されない場合、本
発明の形成工程の犠牲層を省くと接着層は未硬化であ
り、部分的に構造体層が接着層に埋込まれ接着層の厚み
を均一に保持することが困難となり、構造体層と第１基
板の間隔が面内で異なることとなる。これにより、基板
面上の複数のマイクロ構造体と基板との空隙間隔が各々
異なってしまうことになる。予め樹脂膜より成る犠牲層
を形成し十分に硬化することにより、たとえ構造体層が
接着層に埋込まれても犠牲層に埋込まれることはない。
これにより、例え基板の反りや接着時の圧力が不均一に
印加されても、構造体層と第１基板との間隔を基板面内
で再現性よく制御することが可能となる。犠牲層を構造
体層と第１基板との間隔制御を行う層として用いるの
で、接着層は犠牲層に比べて薄く形成することが好まし
い。

【００２２】第１基板及び／又は構造体層に溝を形成す
ることにより接着層を加熱処理する際に発生する有機溶
媒の蒸気を前記溝を通して逃がすことができる。溝とし
て、半導体フォトリソグラフィプロセスによりパターニ
ングした構造体層のパターンの段差部分を前記溝として
用いることが可能である。

【００２３】接着層である樹脂膜を硬化するには、比較
的低温において行うことが可能であり、第１基板と第２
基板の熱膨張係数の違いによる接着時の基板損傷を回避
することができ、熱膨張係数差に伴う第１基板材料の制
限がない。

【００２４】第２基板を除去する工程において、転写用
犠牲層を有する第２基板では転写用犠牲層を除去する工
程により、第１基板上の接着層と構造体層が接着された
まま第２基板と構造体層は分離されることとなる。即
ち、本工程により第２基板上の構造体が第１基板の接着
層上に転写される。

【００２５】支持層は第１基板と構造体層を機械的に接
続するものであり、犠牲層及び接着層を除去する前に形
成することにより転写された構造体層の上面と第１基板
面上に形成してあり、構造体層を上から釣り上げる構造
となっている。支持層として金属薄膜（Ａｌ等）を用い
ることにより、電気的に構造体層と第１基板を接続する
ことができる。

【００２６】樹脂膜から成る犠牲層及び接着層を除去す
る工程では、樹脂膜を溶解する溶液に浸すことによりウ
エットエッチング除去する方法、酸素プラズマを用いる
アッシングによりドライエッチングする方法により行
う。犠牲層及び接着層が樹脂から成ることにより、ドラ
イエッチングすることが可能であり、従来ウエットエッ
チングによる犠牲層除去の際に問題となるStickingを回
避することができる。

【００２７】上記形成法により作製されたマイクロ構造
体は、第１基板と、支持層から成る支持部と、支持部に
より第１基板と空隙を介して支持されパターニングされ
た構造体層とからなり、構造体層を空隙を介して支持す
るに際して、支持部が第１基板と構造体層の上面を接続
して支持する特徴を有している。第１基板に固定電極及
び駆動電極を形成し、構造体層をビーム形状にパターニ
ングし、ビーム上に可動電極を設けることにより、支持
部が可動電極と固定電極を電気的に接続すると共に機械
的にビームを該ビーム上面より支持し、駆動電極と可動
電極に電圧を印加することによりビームが変位すること
を特徴とする静電アクチュエータを作製することができ
る。本発明の方法で製造することができるマイクロ構造
体としては、例えば静電アクチュエータ、ＡＦＭ、ＳＴ
Ｍ（Scanning Tunneling Microscope)等のトンネル電
流、ファンデルワールス力、磁力、静電力等を検出する
マイクロスコープシステムに用いるカンチレバー、エア
ブリッジ構造型の配線等を精度よく製造することが可能
となる。

【００２８】上記のように構成された本発明のマイクロ
構造体の形成法においては、第１基板上に形成した樹脂
膜より成る犠牲層及び接着層と、第２基板上に形成した
構造体層を接着した後に、第２基板を除去し、支持層に
より第１基板と構造体層を機械的に接続し、前記犠牲層
及び接着層を除去することにより行う。樹脂膜により接
着することにより、第１基板、第２基板、及び第２基板
上に形成した構造体層の材料が制限されることなく、ま
た樹脂膜を除去する前工程により構造体層上に電極を形
成することができる。前記犠牲層及び接着層は、樹脂膜
より成ることにより溶媒、アッシング等により除去する
ことができ、電極をエッチングすることがない。そし
て、樹脂膜より成る犠牲層及び接着層をドライエッチン
グにより除去することにより、従来の犠牲層除去の際に
問題となるStickingを回避することができる。また、予
め樹脂膜から成る犠牲層を形成し十分に硬化することに
より、構造体層と第１基板との間隔を、基板面内で再現
性よく制御することが可能となる。

【００２９】

【実施例】以下に本発明に係るマイクロ構造体の形成法
の実施例について、図１〜７の図面を参照して詳細に説
明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるもの
ではない。

【００３０】実施例１図１，２は、本発明のマイクロ構造体の形成法の第１の
実施例を示す作製工程説明図であり、図３はそれを用い
て作製したマイクロ構造体の模式的斜視図である。本発
明のマイクロ構造体は図３より以下の構造を有する。１
は第１基板となるガラス基板、２はＳｉから成る第２基
板を薄膜化して形成した構造体層から成るビームであ
り、３は支持層であるＡｌ薄膜の支持部となっている。
ビーム２は空隙９を介して支持部３により前記ビーム上
面より釣り下げられた構造となり、支持部３がビーム２
と基板１とをエアブリッジ（Air Bridge) 構造により機
械的に接続している。

【００３１】図１，２を用いて、図３に示すマイクロ構
造体のＡ−Ａ断面における本発明の形成法について説明
する。第２基板として、バルクＳｉから成るＳｉ基板４
を用いて、前記基板上にフォトレジスト１０１を塗布し
露光、現像を行うフォトリソグラフィプロセスを用い
て、フォトレジストのパターニングを施す（図１（Ａ）
参照）。フォトレジストをマスクとしてＳｉ基板４を、
ＳＦ₆ とＣＣｌ₂ Ｆ₂ の混合ガスを用いて反応性イオン
エッチング（ＲＩＥ）によりエッチングし、Ｓｉ基板４
上にビームパターン５を形成する。フォトレジスト１０
１をレジスト剥離液を用いて剥離し、第２基板を作製す
る（図１（Ｂ）参照）。ビームパターン５の段差は５μ
ｍとした。

【００３２】次に、第１基板であるガラス基板１（商品
名、＃７０５９，Corning 社）に、ポリイミド前駆体を
溶解した溶液を樹脂膜形成法の１種であるスピナー法に
より塗布して２５０℃の温度で加熱硬化し、ポリイミド
樹脂膜から成る２μｍ厚の犠牲層６を形成する。次い
で、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）をメチルエチ
ルケトン（ＭＥＫ）に溶解した溶液をスピナー法により
塗布して、硬化処理を施していないＰＭＭＡから成る
０．５μｍ厚の接着層７を形成する（図１（Ｃ）参
照）。

【００３３】前記ガラス基板はＳｉに比べて熱膨張係数
が１．４倍ほど大きい。図１（Ｂ）の第２基板と図１
（Ｃ）の犠牲層６及び接着層７を形成した第１基板を、
各基板の裏面より圧力を加えて接着する（図１（Ｄ）参
照）。

【００３４】図に示すようにビームパターン５は接着層
７’に埋込まれても犠牲層６に埋込まれることはない。
犠牲層が構造体層と第１基板との間隔制御を行う層とな
り、基板に反りがあっても、また、接着時の圧力が不均
一に印加されても、構造体層と第１基板との間隔を基板
面内で再現性よく制御することが可能となった。第１基
板と第２基板を接着層を介して接着した後に、１５０℃
に加熱し接着層を硬化した。

【００３５】この後、Ｓｉ基板４を１００℃に加熱した
ＫＯＨ３０ｗｔ％水溶液によりウエットエッチングし、
第２基板を薄膜化した（図１（Ｅ）参照）。次に、ＳＦ
₆ ガスによるＲＩＥにより第２基板を更にエッチングし
て膜厚１μｍのＳｉのビーム２を形成した（図１（Ｆ）
参照）。続いて、酸素ガスによるＲＩＥによりＰＭＭＡ
とポリイミドを、ビームと同一のパターンでエッチング
した（図１（Ｇ）参照）。

【００３６】以上のようにして形成したＳｉビーム上
に、支持層となるＡｌ薄膜８を真空蒸着法の１種である
Ａｌターゲットを用いたスパッタリング法により１μｍ
成膜した。前記Ａｌ膜上にフォトリソグラフィプロセス
によりフォトレジスト１０２を塗布、露光、現像した
（図２（Ｉ）参照）。次いで、Ａｌ膜８をりん酸、硝酸
及び酢酸から成るＡｌエッチントを用いてパターニング
し支持部３のパターンを形成した（図２（Ｊ）参照）。

【００３７】最後に、酸素プラズマによりフォトレジス
ト１０２及びビーム２下部の樹脂膜をエッチング除去し
空隙９を形成した。以上の形成法を用いて空隙９を有す
る１μｍの膜厚のＳｉのビーム２を、Ａｌ膜で支持した
図３に示すマイクロ構造体を形成した（図２（Ｋ）参
照）。酸素プラズマによるエッチングにより各電極がエ
ッチングされることなく、且つ従来のウエットエチング
による犠牲層除去の際に問題となるStickingを回避する
ことができた。

【００３８】本発明の形成法においては、図１（Ｂ）に
示したように、バルクのＳｉ基板４に初めにビーム形状
の構造体層のパターンを形成した。バルクＳｉを薄膜化
して作製したことにより、本質的に内部応力を有しない
反りのないビームを作製することができた。また、ビー
ムのパターンにより、Ｓｉ基板４上に溝が形成され、図
１（Ｄ）での工程により、ＰＭＭＡから成る接着層を加
熱硬化処理する際に発生する溶媒の蒸気を前記溝を通じ
て逃がすことができる。構造体層の面積が大きい場合に
は、塗布する際の樹脂を溶解した溶液中に含まれる溶媒
の含有量を調節しないと、加熱処理の際の溶媒蒸気によ
り接着層と第２基板との間に気泡が残る場合がある。こ
のような場合には硬化しない程度の低温において前処理
加熱を施し、樹脂膜中に含まれる溶媒の含有量を調節す
ることにより界面に気泡が残ることを防止することがで
きる。ＰＭＭＡにおいては、５０℃における１０分間の
前処理により気泡の発生を抑えることが可能であった。

【００３９】また、樹脂膜を接着層として用いることに
より、１５０℃の低温で接着することができ、第１基板
に第２基板と熱膨張の異なる基板を用いることが可能と
なった。本実施例で示したように樹脂膜は第１基板と第
２基板を接着する接着層であると共にマイクロ構造体を
形成するための犠牲層の役割を担っている。

【００４０】支持部にＡｌ薄膜より成る金属薄膜を用い
たが、真空蒸着法を用いて樹脂膜より成る犠牲層及び接
着層が熱損傷しない温度において形成したシリコン酸化
膜等の絶縁膜を用いれば、同様の工程により電気的に絶
縁のあるマイクロ構造体を基板上に形成することも可能
であることは言う迄もない。第１基板として、ガラス基
板を用いたが、同様の形成工程により石英、Ａｌ₂ Ｏ
₃ ，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂ 等の他の絶縁体、Ｓｉ，ＧａＡ
ｓ，ＩｎＰ等の半導体、金属等種々の基板を用いること
ができることは言う迄もない。また、犠牲層としてポリ
イミドを用い、接着層としてＰＭＭＡを用い、各々が異
なる樹脂膜としたが接着層を塗布した際に、犠牲層が溶
解しないように十分に犠牲層を架橋させることにより、
同一の有機樹脂膜の部材を用いることも可能である。

【００４１】構造体層と第１基板との間隔制御の再現性
の評価として、第１基板の接着面側にＣｒを２００ｎｍ
形成し、膜応力による基板の反りを有するようにした径
２インチφのガラス基板と、２インチφＳｉウエハから
成る第２基板を用い、第２基板上に１００μｍ幅、２０
ｍｍ長さの４本のビームパターンを各々１０ｍｍ間隔で
図１（Ｂ）と同様に形成し、続いて図１（Ｃ）から図１
（Ｆ）の工程によりガラス基板上の犠牲層及び接着層上
に４本のＳｉビームを形成した。

【００４２】図１（Ｇ）の工程によりビームを樹脂膜上
に形成した後に該ビームをエッチング除去し樹脂膜の膜
厚を測定したところ、樹脂膜の膜厚は２．０〜２．２μ
ｍの範囲に収まっていた。これに対し、図１（Ｃ）の工
程により犠牲層を形成する工程を除いて接着層が２．５
μｍとなるように塗布し、上記と同様にビームを形成し
た後に除去し、樹脂膜の膜厚を測定したところ、樹脂膜
の膜厚は１．５〜２．４μｍの範囲であった。犠牲層が
構造体層と第１基板との間隔制御を行う層となり、基板
に反りがあっても、また接着時の圧力が不均一に印加さ
れても、構造体層が樹脂膜より成る犠牲層に埋込まれる
ことなく第１基板との間隔を基板面内で再現性よく制御
することが可能であった。

【００４３】実施例２図４，５は、本発明のマイクロ構造体の形成法の第２の
実施例を示す作製工程説明図であり、図６はそれを用い
て作製したマイクロ構造体の模式的斜視図である。本発
明のマイクロ構造体は図６より以下の構造を有する。１
０は第１基板であるＳｉ基板、１４はシリコン酸化膜よ
り成る絶縁層、１５及び１６は絶縁層１４上に薄膜形成
した駆動電極及び固定電極、ビーム１２はパターニング
したＳｉ構造体層からなり、トーションバー１１を有し
空隙を介して支持部１３，１３’によりビーム上面より
支持され、更にビーム１２上には可動電極１７が形成し
てある。支持部１３，１３’は電気導電体よりなり可動
電極１７と固定電極１６を電気的に接続している。本実
施例のマイクロ構造体は、駆動電極１５とビーム１２上
の可動電極１７と電気的に接続した固定電極１６に電圧
を印加することにより静電アクチュエータとして変位す
ることが可能である。

【００４４】これにより静電アクチュエータは、ビーム
１２が空隙を介して支持部１３，１３’により前記ビー
ム上面より釣り下げる構造となり、支持部１３，１３’
はビーム１２と絶縁層１４、及び固定電極１６とをエア
ブリッジ（Air Bridge) 構造により機械的、且つ電気的
に接続する構造となる。駆動電極１５と可動電極１７に
電圧を印加することによりトーションバー１１が捩じり
回転しビームが変位する。

【００４５】図４，５を用いて図６に示すマイクロ構造
体のＢ−Ｂ断面における本発明の形成法を説明する。ビ
ーム厚みが２μｍのマイクロ構造体を形成するに際し、
ビームとなる構造体層を第２基板に接合する。然しなが
ら、第２基板に転写用犠牲層を介して２μｍ厚の構造体
層を接合することはハンドリング上困難であり、このた
め、接合後に薄膜化し構造体層となるＳｉ基板２０を用
いる。Ｓｉ基板２０にＡｌ膜より成る転写用犠牲層２１
を薄膜体積法の１種である電子ビーム蒸着法により２０
０ｎｍ厚に成膜する（図４（Ａ）参照）。ガラス基板
（商品名、＃７７４０，Corning 社）より成る第２基板
２２と転写用犠牲層２１を陽極接合法により接合する
（図４（Ｂ）参照）。

【００４６】図７を用いて陽極接合する工程を説明す
る。同図において、３３はＳｉ基板２０に成膜した転写
用犠牲層（Ａｌ膜）２１と第２基板２２であるガラス基
板との間に電圧を印加するための電源であり、リード線
３２，３４により、針状電極３１，３５と電気的に接続
してある。３０は導電性でありヒーターを有するプラテ
ンである。転写用犠牲層（Ａｌ膜）２１を接合面として
第２基板２２を重ね合わせる。プラテンの温度を３００
℃に保持した状態で電源３３によって第２基板と転写用
犠牲層との間に５００Ｖの電圧を２０分間印加し、第２
基板と転写用犠牲層を陽極接合法により接合した。次
に、Ｓｉ基板２０を研磨砥粒を用いて構造体層の厚みが
２μｍとなる迄ラッピング及びポリッシングした（図４
（Ｃ参照））。

【００４７】次いで、図には示していないがフォトレジ
ストを構造体層２３に塗布したフォトリソグラフィプロ
セスによりパターニングし、該フォトレジストをマスク
として構造体層をＣＦ₄ ガスによる反応性イオンエッチ
ング（ＲＩＥ）によりエッチングし、その後エッチング
ガスをＢＣｌ₃ とＣｌ₂ との混合エッチングガスに変え
て転写用犠牲層２１をエッチングし、フォトレジストを
剥離しビームパターン２４を形成した（図４（Ｄ）参
照）。

【００４８】接着する第１基板には、絶縁層１４と駆動
電極１５及び固定電極１６を有するＳｉ基板１０を用い
た。絶縁層１４は酸化ガスを用いてＳｉ基板１０を熱酸
化した１μｍの厚みのシリコン酸化膜である。駆動電極
１５、固定電極１６は前記絶縁層上に電子ビーム蒸着法
によりＣｒを５ｎｍ，Ａｕを２００ｎｍ連続して成膜
し、フォトリソグラフィプロセスによりフォトレジスト
を塗布、露光、パターニングし、該フォトレジストをマ
スクとしてＡｕ，Ｃｒをヨウ素とヨウ化カリウムの水溶
液から成るＡｕエッチャント及び硝酸セリウムアンモニ
ウム及び過塩素酸の水溶液から成るＣｒエッチャントに
より図６に示す電極パターンにパターニングしたもので
ある、前記第１基板上に犠牲層２５となる樹脂膜をスピ
ナー法により塗布する。樹脂膜として東京応化（株）製
のゴム系レジストＯＭＲ−８３（商品名）を用いた。ゴ
ム系レジストを塗布した後に８０℃にて２０分間の熱処
理を施しゴム系レジスト中に含まれる溶媒を蒸発させ、
その後に紫外線を照射し架橋させる光硬化処理を施し、
最後に１５０℃にて１時間の加熱硬化処理を行った。犠
牲層の膜厚が２μｍとなるよう塗布条件を設定した。次
に、犠牲層と同様に東京応化（株）製のゴム系レジスト
ＯＭＲ−８３（商品名）をスピナー法により塗布し硬化
処理を施していない０．４μｍ厚の接着層２６を形成し
た（図４（Ｅ）参照）。

【００４９】接着層となる樹脂膜には、犠牲層と同様の
ゴム系レジストを用いたが、犠牲層に硬化処理を施した
ことにより接着層を塗布しても犠牲層が溶解されること
はなかった。図に示すように、ビームパターン２４は接
着層２６’に埋込まれても犠牲層２５に埋込まれること
はない。犠牲層が構造体層と第１基板との間隔制御を行
う層となり、基板に反りがあっても、また接着時の圧力
が不均一に印加されても、構造体層と第１基板との間隔
を基板面内で再現性よく制御することが可能となった。

【００５０】接着層２６を塗布した後に、図４（Ｄ）の
第２基板と図４（Ｅ）の第１基板を裏面より圧力をかけ
て押し当てた後、１５０℃に加熱処理することにより接
着層である樹脂膜中に含まれる有機溶媒を蒸発させると
共に硬化させて接着した（図４（Ｆ）参照）。本実施例
の形成法では、ガラス基板を第２基板として用いること
により、接着時に目視により観察しながら接着すること
ができ、接着時の駆動電極とビームのアライメントが容
易となった。

【００５１】次に、パターニングした転写用犠牲層２１
を８０℃に加熱したりん酸、硝酸及び酢酸から成るＡｌ
エッチャントを用いて除去し、第２基板をリリースする
ことにより、第２基板上の構造体層が第１基板の接着層
上に転写された（図４（Ｇ）参照）。Ａｌエッチャント
により樹脂膜であるフォトレジスト及びＳｉ構造体層が
腐食されることはない。

【００５２】続いて、駆動電極１５及び固定電極１６を
形成したと同様にＣｒとＡｕの金属膜１００を成膜し、
フォトレジスト１０３を塗布しフォトリソグラフィプロ
セスによりパターンニングした（図５（Ｈ）参照）。フ
ォトレジスト１０３をマスクとしてＡｕエッチャント及
びＣｒエッチャントにより金属膜１００をエッチングし
可動電極１７を形成した。

【００５３】次に、ビームパターン２４をマスクとして
酸素ガスによるＲＩＥにより樹脂膜より成る犠牲層及び
接着層をビームパターンと同様の形状にパターニングし
た（図５（Ｉ）参照）。以上のようにして形成したＳｉ
のビームと可動電極１７上に支持層となるＡｌ膜２７を
２μｍ厚さに成膜した。前記Ａｌ膜上にフォトリソグラ
フィプロセスによりフォトレジスト１０４を塗布、露
光、現像した（図５（Ｋ）参照）。次いでＡｌ膜２７を
ＢＣｌ₃ とＣｌ₂ との混合エッチングガスによりＲＩＥ
によりパターニングし、支持部１３，１３’を形成した
（図５（Ｌ）参照、支持部１３は不図示）。

【００５４】最後に、酸素プラズマによりフォトレジス
ト１０４及びビームパターン２４下部の樹脂膜より成る
犠牲層及び接着層をエッチング除去し空隙２９を形成し
た（図５（Ｍ）参照）。

【００５５】以上の形成法を用いて空隙２９を有する２
μｍの膜厚のＳｉのビーム１２をＡｌ膜で支持した図６
に示すマイクロ構造体を形成した。酸素プラズマによる
エッチングにより各電極がエッチングされることなく、
且つウエットエッチングによる従来の犠牲層除去の際に
問題となるStickingを回避することができた。

【００５６】本実施例の形成法により、バルクのＳｉ基
板２０を薄膜化し、ビームを形成することが可能となっ
た。更に、ビーム上に駆動電極を形成することができ、
且つ第１基板上に形成した固定電極と支持部を通じて、
電気的に接続することができた。また、可動電極と駆動
電極の間に電圧を印加することによりビームの自由端は
第１基板方向にトーションバーの捩じり回転に応じて変
位した。

【００５７】樹脂膜を第１基板上に塗布することによ
り、駆動電極及び固定電極等により生じる基板上の凹凸
に対して平滑に塗布することが可能であり、接着面の平
坦性を保持すると共に良好な基板同士の接着が可能とな
った。更に、樹脂層としてフォトレジストを用いたこと
により、第１基板であるＳｉ基板１０上に集積回路を形
成した基板を用いても同様にマイクロ構造体を形成する
ことができることは言う迄もない。フォトレジストは可
動イオンの含有量が極めて少なく、ＭＯＳトランジスタ
等の電子デバイスへの可動イオンの侵入による動作不良
を起こすことがない。また、基板としてＳｉを用いたが
ガラス、ＧａＡｓ、金属、金属膜が形成されたガラス基
板等の他の基板を用いても可能であることは言う迄もな
い。

【００５８】図４（Ｄ）において転写用犠牲層２１をビ
ームパターン状に除去せずに残し、構造体層と第１基板
を接着層を介して接着する工程において各基板の裏面よ
り圧力をかけて押し当てる代わりに、転写用犠牲層であ
るＡｌと第１基板であるＳｉ基板に１００Ｖの電圧を印
加し、発生する静電力により押し当てることにより同様
に接着することが可能であった。

【００５９】本実施例の形成法においては、バルクＳｉ
を研磨砥粒により薄膜化してＳｉビームを作製したが、
その他の薄膜化の方法として、Ｓｉ基板２０の代わりに
シリコン基板上にシリコン酸化膜を介して、直接接合さ
れた２μｍ厚みのシリコン膜から成るＳＯＩ基板を用い
て同様のマイクロ構造体を作製した。その工程として
は、Ａｌ膜をシリコン膜上に成膜後、上記と同様に第２
基板に陽極接合し、ＳＯＩ基板の裏面より１００℃に加
熱したＫＯＨ３０ｗｔ％水溶液によりエウットエッチン
グしＳＯＩのＳｉ基板を除去する。シリコン酸化膜がエ
ッチングを阻止するエッチストップ層となりＫＯＨによ
るエッチングが停止する。その後フッ酸水溶液によりシ
リコン酸化膜をエッチングすることにより、図４（Ｃ）
に示すと同様の、第２基板に転写用犠牲層を介して２μ
ｍの膜厚のＳｉ構造体層を形成することができた。ＳＯ
Ｉ基板を用いることにより、構造体層の厚みを高精度に
保証することができ、且つ任意の厚みの構造体層を得る
ことが可能となった。Ｓｉ構造体層を形成する上記以外
の方法として、図４（Ｃ）に示す構造体層、転写用犠牲
層を有する第２基板としてＳＯＩ基板を用いることが可
能である。この場合には第２基板としてＳＯＩのＳｉ基
板、転写用犠牲層としてシリコン酸化膜を用い、図４
（Ｄ）に示す工程と同様にＳｉ膜にビームパターンを形
成し、図４（Ｅ）に示す第１基板と接着する。フッ酸水
溶液により転写用犠牲層であるシリコン酸化膜をエッチ
ング除去することにより図４（Ｇ）と同様の接着層上へ
の構造体層の転写が可能である。

【００６０】転写用犠牲層の材料としてＡｌ膜を用いた
が、Ｔｉ，Ｎｉ等の陽極接合可能な他の金属材料を用
い、樹脂膜及び構造体層を腐食することがないエッチャ
ントを選ぶことにより同様の構造体を形成することが可
能である。

【００６１】また、図４（Ｄ）のビームパターンによ
り、構造体層２３に溝が形成されたこととなり、図４
（Ｅ）での工程により樹脂膜を加熱処理し硬化する際に
発生する溶媒の蒸気を前記溝を通じて逃がすことができ
る。溝のない場合には、塗布する際の樹脂を溶解した溶
液中に含まれる溶媒の含有量を調節しないと、加熱処理
の際の溶媒蒸気により接着層と構造体層との間に気泡が
残る場合がある。溝を形成することにより気泡の発生を
防止する効果が得られる。

【００６２】また、本実施例において示したように樹脂
膜は、第１基板と構造体を接着する接着層であると共
に、マイクロ構造体を形成するための犠牲層の役割を担
っている。

【００６３】本実施例では、酸素プラズマを用いたドラ
イエッチングにより樹脂膜より成る犠牲層及び接着層を
除去したが、ＯＭＲ−８３から成る犠牲層及び接着層を
東京応用化学工業（株）のＯＭＲ用剥離液−５０２（商
品名）に浸漬することにより除去することができる。前
記剥離液は有機溶液よりなりＡｌ電極がエッチングされ
ることはない。本実施例の方法によりウエットエッチン
グにより犠牲層及び接着層を除去することが可能である
ことは言う迄もない。

【００６４】また、犠牲層と接着層として同一の有機樹
脂膜の材料を用いたが、各々が異なる樹脂膜の材料を用
いることも可能であることは言う迄もない。

【００６５】

【発明の効果】上記のように、本発明のマイクロ構造体
の形成法によって、第１基板上に形成した樹脂膜より成
る犠牲層と接着層と、第２基板上に形成した構造体層を
前記接着層を介して接着した後に、第２基板を除去し、
支持層により第１基板と構造体層を機械的に接続し、前
記犠牲層及び接着層を除去することにより、絶縁体、金
属、半導体等の種々の材料から成るマイクロ構造体を形
成することができ、マイクロ構造体上に電極パターンを
形成し、基板との電気的接続が可能なマイクロ構造体を
形成することができる。

【００６６】また、構造体層を第１基板とは別の工程に
より作製するために、第１基板と構造体層の材料が制限
されることがない。更に、ビームとしてバルク材料を用
いることが可能であり、反りのないビームを形成するこ
とができる。

【００６７】また、樹脂膜は第１基板と第２基板を接着
する接着層であると共にマイクロ構造体を形成するため
の犠牲層の役割を担っていることから、樹脂膜を除去す
る方法として酸素ガスによるドライエッチングを用いる
ことが可能となり、従来の犠牲層除去の際に問題となる
Stickingを回避することができる。

【００６８】また、樹脂膜は基板上に形成した電極パタ
ーン等による凹凸に左右されずに平坦面を形成すること
ができ、基板の表面粗さに依存せず、良好な接着が可能
となる。更に、本発明の方法により、比較的低温プロセ
スによってマイクロ構造体を形成することができ、熱膨
張係数の異なる基板を用いてもマイクロ構造体を形成す
ることが可能である。

【００６９】また、予め犠牲層を形成し十分に硬化する
ことにより、構造体層と第１基板との間隔を基板面内で
再現性よく制御することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロ構造体の形成法の第１の実施
例の作製工程を示す説明図。

【図２】本発明のマイクロ構造体の形成法の第１の実施
例の作製工程を示す説明図。

【図３】実施例１のマイクロ構造体の形成法を用いて作
製したマイクロ構造体を示す模式的斜視図。

【図４】本発明のマイクロ構造体の形成法の第２の実施
例の作製工程を示す説明図。

【図５】本発明のマイクロ構造体の形成法の第２の実施
例の作製工程を示す説明図。

【図６】実施例２のマイクロ構造体の形成法を用いて作
製したマイクロ構造体である静電アクチュエータを示す
模式的斜視図。

【図７】本発明のマイクロ構造体の形成方法の実施例２
の陽極接合法により第２基板上に転写用犠牲層を介して
構造体層となるＳｉ基板を形成する工程を示す説明図。

【符号の説明】

１ガラス基板２，１２ビーム３，１３，１３’ 支持部４，１０，２０Ｓｉ基板５，２４ビームパターン６，２５犠牲層７，７’，２６，２６’ 接着層８，２７Ａｌ薄膜９，２９空隙１１トーションバー１４絶縁層１５駆動電極１６固定電極１７可動電極２１転写用犠牲層２２第２基板２３構造体層３０プラテン３１，３５針状電極３２，３４リード線３３電源１００金属膜１０１，１０２，１０３，１０４フォトレジスト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０２Ｎ 1/00 Ｈ０２Ｎ 1/00 (56)参考文献特開平５−36347（ＪＰ，Ａ) 特開平４−296604（ＪＰ，Ａ) 特開平３−174112（ＪＰ，Ａ) 特開平２−74582（ＪＰ，Ａ) 特開平３−234982（ＪＰ，Ａ) 特開平６−178565（ＪＰ，Ａ) 特表平８−504266（ＪＰ，Ａ) 特許3181174（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B81C 1/00 B32B 15/08 C23F 1/00 C23F 4/00 G02B 26/08 H02N 1/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ構造体を形成する方法におい
て、該方法が、（１）第１基板上に樹脂膜より成る犠牲
層及び接着層を形成する工程、（２）第２基板上に構造
体層を形成する工程、（３）前記接着層を介して第１基
板と構造体層を接着する工程、（４）前記第２基板を除
去する工程、（５）前記構造体層と第１基板とを接続す
るための支持層を形成する工程、（６）前記犠牲層及び
接着層を除去する工程、から成る各工程を有することを
特徴とするマイクロ構造体の形成法。
【請求項２】前記犠牲層及び接着層を形成する工程
が、犠牲層となる樹脂膜を硬化処理した後に接着層を形
成するものであることを特徴とする請求項１記載のマイ
クロ構造体の形成法。
【請求項３】前記犠牲層及び接着層を形成する工程
が、樹脂分子を溶媒により希釈した溶液を薄膜塗布する
ことにより行うものであることを特徴とする請求項２記
載のマイクロ構造体の形成法。
【請求項４】前記樹脂膜が、フォトレジストから成る
ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ構造体の形成
法。
【請求項５】前記フォトレジストが、環化ゴムを含有
することを特徴とする請求項４記載のマイクロ構造体の
形成法。
【請求項６】前記第１基板及び／又は第２基板上に、
溝を形成して成ることを特徴とする請求項１記載のマイ
クロ構造体の形成法。
【請求項７】前記接着する工程が、第１及び第２基板
に圧力を加える工程を有するものであることを特徴とす
る請求項１記載のマイクロ構造体の形成法。
【請求項８】前記圧力を加える工程が、第１基板と第
２基板に、電圧を印加することにより行うものであるこ
とを特徴とする請求項７記載のマイクロ構造体の形成
法。
【請求項９】前記支持層が、金属薄膜より成ることを
特徴とする請求項１記載のマイクロ構造体の形成法。
【請求項１０】前記犠牲層及び接着層を除去する工程
が、酸素を用いたドライエッチングにより行うものであ
ることを特徴とする請求項１記載のマイクロ構造体の形
成法。
【請求項１１】前記ドライエッチングを、プラズマエ
ッチングにより行うことを特徴とする、請求項１０記載
のマイクロ構造体の形成法。