JP3770158B2 - Mems素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電駆動型のMEMS素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems、超小型電気的・機械的複合体)素子、及びMEMS素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。
MEMS素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更に機械的に結合させた素子である。MEMS素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。
【0003】
図11及び図12は、光の反射や回折を利用し、光スイッチ、光変調素子に適用される光学MEMS素子の代表的な構成を示す。
【0004】
図11に示す光学MEMS素子1は、基板2と、基板2上に形成した基板側電極3と、基板側電極3に対向して平行に配置した駆動側電極4を有するビーム(梁)6と、このビーム6の一端を支持する支持部7とを備えて成る。ビーム6と基板側電極3とは、その間の空隙8によって電気的に絶縁されている。
基板2は、例えば、シリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、ガラス基板のような絶縁性基板などの所要基板が用いられる。基板側電極3は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜(例えばW蒸着膜)などで形成される。ビーム6は、例えばシリコン窒化膜(SiN膜)等の絶縁膜5と、その上面に形成された膜厚100nm程度の例えばAl膜からなる反射膜を兼ねる駆動側電極4とから構成される。このビーム6は、支持部7にその一端を支持した、所謂片持ち梁式に形成される。
この光学MEMS素子1では、基板側電極3と駆動側電極4に与える電位に応じて、ビーム6が基板側電極3との間の静電引力又は静電反発により変位し、例えば図11の実線と破線で示すように、基板側電極3に対して平行状態と傾斜状態に変位する。
【0005】
図12に示す光学MEMS素子11は、基板12と、基板12上に形成した基板側電極13と、基板側電極13をブリッジ状に跨ぐビーム14とを備え成る。ビーム14と基板側電極13とは、その間の空隙13によって電気的に絶縁されている。
ビーム14は、基板側電極3をブリッジ状に跨いで基板12上に立脚する例えばSiN膜からなるブリッジ部材15と、基板側電極13に対向して相互に平行にブリッジ部材15上に設けられた、例えば膜厚100nm程度のAl膜からなる反射膜を兼ねる駆動側電極16とから構成される。基板12、基板側電極13、ビーム14等は、図11で説明したと同様の構成、材料を採り得る。ビーム14は、その両端が支持された所謂両持ち梁式に形成される。
この光変調素子11では、基板側電極3と駆動側電極4に与える電位に応じて、ビーム14が基板側電極13との間の静電引力又は静電反発により変位し、例えば図12の実線と破線で示すように、基板側電極3に対して平行状態と凹み状態に変位する。
【0006】
これ等の光学MEMS素子1、11は、光反射膜を兼ねる駆動側電極4、16の表面に光が照射され、ビーム4、14の駆動位置に応じて、その光の反射方向が異なるのを利用して、一方向の反射光を検出してスイッチ機能を持たせた、光スイッチとして適用できる。
また、光学MEMS素子1、11は、光強度を変調させる光変調素子として適用できる。光の反射を利用するときは、ビーム4、14を振動させで単位時間当たりの一方向の反射光量で光強度を変調する。この光変調素子は、いわゆる時間変調である。
光の回折を利用するときは、共通の基板側電極3、13に対して複数のビーム6、14を並列配置して光変調素子を構成し、共通の基板側電極3、13に対する例えば1つ置きのビーム6、14の近接、離間の動作により、光反射膜を兼ねる駆動側電極の高さを変化させ、光の回折によって駆動側電極で反射する光の強度を変調する。この光変調素子は、いわゆる空間変調である。
【0007】
図13は、SLM(シリコンライトマシーン)社がレーザディスプレイ用光強度変換素子、つまり光変調器として開発したGLV(Grating Light Valve)デバイスの構成を示す。
GLVデバイス21は、図13Aに示すように、ガラス基板等の絶縁基板22上にW薄膜といった高融点金属やその窒化膜、あるいは、多結晶シリコン薄膜による共通の基板側電極23が形成され、この基板側電極23に交叉してブリッジ状に跨ぐ複数、本例では6つのビーム24〔241 、242 、243 、244 、245 、246 〕が並列配置されてなる。基板側電極23及びビーム24の構成は、前述の図11で説明したと同じ構成である。即ち、図13Bに示すように、ビーム24では、例えばSiN膜によるブリッジ部材25の基板側電極23と平行する面上に膜厚100nm程度のAl膜による反射膜兼駆動側電極26が形成されてなる。
ブリッジ部材25と、その上に設けられた反射膜兼駆動側電極26とからなるビーム24は、リボンと通称されている部位である。
【0008】
ビーム24の反射膜兼駆動電極24として使用したアルミニウム膜(Al膜)は、(1) 比較的容易に成膜できる金属であること、(2) 可視光領域での反射率の波長分散が小さいこと、(3) Al膜表面に生成したアルミナ自然酸化膜が保護膜となって反射面を保護すること等の理由から、光学部品材料として好ましい金属である。
また、ブリッジ部材25を構成するSiN膜(窒化シリコン膜)は、減圧CVD法によって成膜されたSiN膜であって、その強度、弾性定数等の物理値が、ブリッジ部材25の機械的駆動に対して適切であるとして選定されている。
【0009】
基板側電極23と反射膜兼駆動側電極26との間に微小電圧を印加すると、前述した静電現象によってビーム24が基板側電極23に向かって近接し、また、電圧の印加を停止すると離間してもとの状態に戻る。
GLVデバイス21は、基板側電極23に対する複数のビーム24の近接、離間の動作(即ち、1つ置きのビームの近接、離間の動作)により、光反射膜兼駆動側電極26の高さを交互に変化させ、光の回折によって(6つのビーム24全体に対して1つの光スポットが照射される)、駆動側電極26で反射する光の強度を変調する。
静電引力及び静電反発力を利用して駆動するビームの力学的特性は、CVD法等で成膜されるSiN膜の物性によってほぼ決定され、Al膜はミラーとしての役割が主である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、MEMS素子における基板側電極は、上述したようにシリコンやGaAsなどの半導体基板上の絶縁層上、あるいはガラス基板等の絶縁性基板上に形成される。その電極材料としては、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜や金属膜が使用される。しかしながら、これらの電極材料は結晶構造を有するため、表面に凹凸が発生する。例えば、多結晶シリコン電極の場合、AFM(原子間力顕微鏡)分析によると、表面の粗度RMS(平方自乗平均)値を制御することは、製造工程の温度制御を厳密に行うことにより達成できるものであり、通常の成膜手法と、従来実施されてきた半導体製造工程を経た後には容易に20nm以上の表面凹凸を生成し得ることが知られている。その程度は材料や形成方法に依存する。
【0011】
この表面凹凸は、電気的な特性やMEMS素子の動作特性上、大きな問題とはなりにくいが、特に、光学MEMS素子を製造する際にしばしば問題となっていた。即ち、上述したような光学MEMS素子の基板側電極は、光反射膜を兼ねる駆動側電極の下部に位置されることが多い。この場合、製造工程において、下層膜の表面凹凸は上層膜に順次転写されることになり、最上層にある光学的に重要な膜表面には、拡大転写された表面凹凸を有する駆動側電極、すなわち反射膜が形成されることになる。
【0012】
MEMS素子の製造方法の1つに、薄膜の積層とその加工を繰り返すことにより多層構造を作成市、その後、多層構造膜の1つの膜を選択的に除去して基板側電極とビーム間に空隙を有する、いわゆる中空構造を作るようにした製法である。この製法を図14に示す。この例は、上述の図11のMEMS素子1の製造に適した場合である。
先ず、図14Aに示すように、例えばシリコン基板9の上面にSiO2膜等の絶縁膜10を形成した基板2上に、例えば多結晶シリコン膜による基板側電極3を形成し、支持部7を形成した後、基板側電極3を含む面上に空隙形成用の犠牲層18を形成する。次に、図14Bに示すように、支持部7上及び犠牲層18上にビームとなる例えばシリコン窒化(SiN)膜5及び駆動側電極材料層の例えばアルミニウム(Al)膜4′を形成する。次に、図14Cに示すように、レジストマスク19を介してシリコン窒化膜5及びアルミニウム膜4′をパターニングしてシリコン窒化膜5とアルミニウムの駆動側電極4からなるビーム6を形成する。その後、図14Dに示すように、犠牲層18を除去して基板側電極3とビーム6との間に空隙8を形成して、MEMS素子1を製造する。
【0013】
犠牲層18は、シリコン(例えば非晶質シリコン、多結晶シリコン等)や、シリコン酸化膜が用いられている。犠牲層18がシリコンの場合は、例えば硝酸とフッ酸の混合液や、フッ素(F)を含むガスのガスエッチングによって除去することができ、犠牲層18が酸化膜の場合は、フッ酸溶液や、フッ化炭素ガスを使用するプラズマエッチングにより除去することが一般的である。
【0014】
このような基板側電極(a)と空隙形成用の犠牲層(b)と反射膜を兼ねる駆動側電極(c)の3層構成で作製された光学MEMS素子においては、それぞれの膜単独での観測される表面凹凸の最大値を、Rmax (a)、Rmax (b)、Rmax (c)とすると、3層の積層膜を形成したときの最上層の表面では、これらの最大値の和が、発生する可能性のある表面凹凸量になる。
【0015】
光学部品の性能で表現すると、アルミニウム(Al)を反射膜とする光学MEMS素子において、Al膜の反射率は理想的なバルクAl膜では92%が得られるはずであるが、この表面凹凸量の制御が行われないと、この反射率は数%以上の劣化を示し85%程度しか得られないこともある。極端な場合、表面が曇ってしまったように見えることもある。このような光学MEMS素子は、例えば図15(駆動部分の要部の拡大図)に示すように、基板側電極3を多結晶シリコンで形成した場合、その多結晶シリコン膜の表面の凹凸が拡大してビーム(Al/SiN積層膜)6を構成する駆動側電極(Al膜)4の表面に転写され、駆動側電極をミラーとする光反射率が劣化する。
【0016】
また、設計上の課題もある。MEMS振動子、即ちビームの共振周波数は、振動の質量や、駆動部を支える各部位の膜の張力等で設計されるが、一般に設計時には各膜の物性値は理想的な薄膜状態での物性値を使用して計算、設計されることが現状である。ところで、例えば、図16に示すように、基板側電極3に0.3μmの半球aが存在した場合、この上に0.5μmの犠牲層18を堆積すると、等方的な成膜では1.3μm径の半球bになり、さらにその上にビーム6が堆積され、ビーム6の表面凹凸が拡大することになる。
ビームの厚さがこの1.3μmと比較して十分厚い場合は、ビーム6の凹凸として観測される。しかしビーム膜厚が薄くなると、ビーム6自身の形状が変形して、例えば折りたたみ構造をとるようにも観測される(図17参照)。このとき、MEMS素子は、設計通りの動特性が得られない問題が発生する。図18は、その例を示したものである。ビーム6の膜の張力を利用してMEMS素子の駆動を行う場合、ビーム6の膜形状が張力により両端から引っ張られると、蛇腹構造が伸びきってしまい、あたかもバネで近似される物性値が大きく変動することになる。
このように、基板側電極表面の凹凸は、ビームの表面粗度だけでなく、共振周波数等のMEMS素子固有パラメータの変動の要因となっていた。
【0017】
本発明は、上述の点に鑑み、ビーム表面の平坦化を図り、ビーム形状のバラツキを低減し、性能向上及び性能の均一性向上を図ったMEMS素子の製造方法を提供するものである。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るMEMS素子の製造方法は、基板上に基板側電極を形成する工程と、基板側電極上に、成膜後に熱処理により流動化させて表面を平坦化した流動性膜を形成する工程と、流動性膜の平坦化された表面上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層上に駆動側電極を有するビームを形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを有する。
本発明に係るMEMS素子の製造方法は、基板上に基板側電極を形成する工程と、基板側電極上に、保護膜を介してまたは介さないで犠牲層を形成する工程と、犠牲層上に、成膜後に熱処理により流動化させて表面を平坦化した流動性膜を形成する工程と、流動性膜の平坦化した表面上に駆動側電極を有するビームを形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを有する。
本発明に係るMEMS素子の製造方法は、基板上に基板側電極を形成する工程と、基板側電極上に、所要の基板温度の下でCVD法により流動化しながら成膜して表面が平坦化した流動性膜を形成する工程と、流動性膜の平坦化された表面上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層上に駆動側電極を有するビームを形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを有する。
本発明に係るMEMS素子の製造方法は、基板上に基板側電極を形成する工程と、基板側電極上に、保護膜を介してまたは介さないで犠牲層を形成する工程と、犠牲層上に、所要の基板温度の下でCVD法により流動化しながら成膜して表面が平坦化した流動性膜を形成する工程と、流動性膜の平坦化した表面上に駆動側電極を有するビームを形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを有する。
【0019】
本発明のMEMS素子の製造方法では、基板上に基板側電極を形成した後、基板側電極上に成膜後に熱処理により流動化させて表面を平坦化した流動性膜を形成し、その流動性膜の平坦化された表面上に犠牲層、ビームを順次形成するので、ビーム表面が凹凸のない平坦面となる。あるいは、基板側電極上に保護膜を介してまたは介さないで形成した犠牲層に、成膜後に熱処理により流動化させて表面を平坦化した流動性膜を形成し、その流動性膜の平坦化された表面上にビームを形成するので、ビーム表面が凹凸のない平坦面となる。その後、犠牲層を除去するので、表面が平坦化された駆動側電極を有するビームを基板側電極に対して所要の空隙をもって形成することができる。
本発明のMEMS素子の他の製造方法では、基板上に基板側電極を形成した後、基板側電極上に所要の基板温度の下でCVD法により流動化しながら成膜して表面が平坦した流動性膜を形成し、その流動性膜の平坦化された表面上に犠牲層、ビームを順次形成するので、ビーム表面が凹凸のない平坦面となる。あるいは、基板側電極上に保護膜を介してまたは介さないで形成した犠牲層に、所要の基板温度の下でCVD法により流動化しながら成膜して表面が平坦した流動性膜を形成し、その流動性膜の平坦化された表面上にビームを形成するので、ビーム表面が凹凸のない平坦面となる。その後、犠牲層を除去するので、表面が平坦化された駆動側電極を有するビームを基板側電極に対して所要の空隙をもって形成することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0021】
図1〜図3は、本発明のMEMS素子の製造方法の一実施の形態を示す。本例は代表的な静電駆動型のMEMS素子の製造に適用した場合である。
先ず、図1Aに示すように、基板、本例では半導体基板32上に絶縁膜33を形成した基板31上に、基板側電極34を形成する。半導体基板32は、例えばシリコン(Si)基板、ガリウム砒素(GaAs)基板等を用いることができ、絶縁膜33は、シリコン酸化(SiO2 )膜、シリコン窒化(SiN)膜等で形成することができる。基板側電極34は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜等で形成することができ、本例では不純物をドーピングした多結晶シリコン膜で形成する。多結晶シリコン膜による基板側電極34の表面34aは、図3Aに示すように、著しい凹凸を有している。
【0022】
次に、図1Bに示すように、基板側電極34上を含む全面に流動化により表面が平坦化された流動性膜35を形成する。
【0023】
この流動性膜35は次のようにして形成することができる。
例えば、流動性膜35として、燐ドープ、或いはホウ素ドープ、あるいはこの両者(燐とホウ素)をドープしたシリコン酸化膜、いわゆるPSG(燐シリケートガラス)膜、BSG(ホウ素シリケートガラス)膜、或いはPBSG(燐ホウ素シリケートガラス)、膜をCVD(化学気相成長)法により形成する。導入する燐、ホウ素の濃度はそれぞれ7wt%程度とすることができ、それぞれ単体をドープしたもの、両者をドープした上記のシリケートガラス膜を使用することができる。このような不純物ドープのシリケートガラス膜による流動性膜35を形成した後、750℃以上の温度でアニール処理を行って流動化し、流動性膜35の表面を平滑化する。CVDは、シランガス50cc/分とN2 Oガス100cc/分を反応ガスとしたホットウォールタイプのCVDにより行う。燐をドープする原料は、PH3 を使用し、ホウ素をドープする原料は、B2 H6 を使用する。アニールは、例えば窒素ガス雰囲気で850℃、30分行うことができる。
【0024】
他の例としては、流動性膜35であるシリケートガラス膜を、オゾンとアルコキシシランを原料としたCVD法によるシリコン酸化膜で形成することができる。例えば、TEOS(テトラエトキシシラン)とオゾンを原料とする常圧CVD法によりシリコン酸化膜を形成する。成膜条件としては、流量をTEOS:40cc/分、オゾン:350cc/分程度とし、オゾンを輸送するための酸素、希釈窒素を用い、基板温度を350℃程度に設定する。TEOS/オゾンを原料としたCVDでは、流動化しながら成膜され、流動性膜35を成膜した状態で既に表面は平滑化している。このシリケートガラス膜は、ノンドープ膜で形成することもでき、不純物ドープ膜(例えば、BSG膜、PSG膜)で形成することもできる。TEOS/オゾンによるCVDの特徴として、段差基板上への被覆形状が上例で示したBSG膜、PSG膜、BPSG膜と同様の流動形状が得られることが挙げられる。本例においても、堆積されたノンドープの二酸化シリコン膜は、基板側電極23表面の凹凸を平坦化し、非常に平滑な表面を得ることができた。その他の物性、膜特性では、上例の不純物ドープのシリケート膜と、オゾンTEOSCVD酸化膜とで大きな差がなく、いずれの方法でも後述する所望のMEMS素子が得られる。本例では、TEOSを用いたが、その他の、例えばテトラメトキシシラン、テトライソプロポキシシラン等のアルコキシシランを用いても良い。なお、アルコキシシランの炭素数が大きくなると流動形状が得られにくくなることから、所望の表面平滑度を得るためにより厚い膜が必要となる。また、フッ化トリエトキシシラン〔(C 2 H 5 O)3SiF〕等のフッ素含有原料を使用してもよい。その場合にも同様の構造が得られ、さらに堆積される膜がフッ素を含有することから、低誘電率膜を得ることができる付加価値が発生し、MEMS素子の特性向上に寄与する。
【0025】
次に、図1Cに示すように、流動性膜35の上面に支持部となるシリコン窒化(SiN)膜、シリコン酸化(SiO2 )膜等の絶縁膜、本例ではシリコン窒化膜をCVD法等により成膜し、パターニングして基板側電極34より離れた位置にシリコン窒化膜による支持部36を形成する。
【0026】
次に、図2Dに示すように、全面に空隙形成用の犠牲層、本例では非晶質シリコン層37を形成し、支持部36の面と同一面となるように非晶質シリコン層37をエッチバックする。なお、犠牲層37としては、非晶質の他、多結晶シリコン膜、フォトレジスト膜、あるいは支持部36と後述のビームを構成する絶縁膜とエッチングレートの異なる絶縁膜(例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜など)等を用いることができる。しかしながら、MEMS素子の性能を向上する目的のためには、犠牲層に用いる膜自身の粒径成長を制御しつつ、膜種を選択しないと、本発明により、平坦化を達成した下部電極/流動性膜の効果が消失してしまうことがあるので注意が必要である。
次いで、支持部36及び犠牲層である非晶質シリコン層37上を含んで全面に、例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜等の絶縁膜、本例ではシリコン窒化膜38を形成し、さらにその上に駆動側電極材料層39′、本例ではAl材料層を形成する。図3Aは、その拡大した要部を示す。駆動側電極材料層としては、銀Ag膜、アルミニウム(Al)主成分とするAl膜、あるいはチタンTi、タングステンW、モリブデンMo、タンタルTaなどの高融点金属膜、等を用いることができる。
【0027】
次に、図2Eに示すように、レジストマスク40を形成し、このレジストマスク40を介して駆動側電極材料層39′及びその下のシリコン窒化膜38を選択的にエッチング除去して支持部36に支持される駆動側電極(Al電極)39及びシリコン窒化膜38からなるビーム41を形成する。
【0028】
次に、図2Fに示すように、犠牲層である非晶質シリコン層37を例えばXeF2 ガスによるガスエッチングにより、除去し基板側電極34(実質的には流動性膜35)とビーム41との間に空隙42を形成して、ビーム41を片持ち梁式に構成した目的の静電型のMEMS素子43を得る。図3Bはその拡大したビーム41を含む要部を示す。
このMEMS素子43は、凹凸の著しい基板側電極34の表面に保護膜を兼ねる表面平坦な流動性膜35を有し、かつ流動性膜35から所要の空隙42だけ離れて表面及び流動性膜に対向する裏面が平坦化されたビーム41を有するように構成される。
【0029】
本実施の形態に係るMEMS素子の製造方法によれば、多結晶シリコンによる基板側電極34を形成した後、流動性膜35を形成し、その表面35aが平坦化された流動性膜35上に順に犠牲層37、ビームを構成するシリコン窒化膜38及び駆動側電極材料層39′を堆積することにより、犠牲層37の表面、シリコン窒化膜38の表面、駆動側電極材料層39′の表面は平坦化され、最終的に表面が平坦化されたビーム41を形成することができる。即ち、例えば駆動側電極39をAl膜で形成するときは、Al膜表面はAl膜の結晶グレインによる凹凸だけが反映されることになる。その結果、図3Bに示すように、平坦性の良好なビーム41が形成される。
【0030】
従って、ビーム41の膜の均一性が得られビームの膜形状のバラツキを低減することができ、ビームの物性値を大きく変動することがない。ビームの膜全体での揺らぎのないMEMS素子を得ることができる。
また、ビーム41の表面凹凸を無くすと共に、ビーム41の振動数等のバラツキを低減することができるので、MEMS素子の性能の均一性を高め、高品質のMEMS素子43の大量生産を可能にする。
本実施の形態で製造されたMEMS素子43を、光の反射あるいは回折を利用した、例えば光スイッチ、或いは光変調素子等に用いられる光学MEMS素子に適用するときは、光反射膜に兼用される駆動側電極39での光反射率が向上し、光学MEMS素子としての光利用効率の向上を図ることができる。
【0031】
上述の実施の形態では、支持部36をパターニングにより形成したが、この支持部の形成方法について、さらにもう一つの方法を示す。図4〜図5はこの方法を採用した本発明のMEMS素子の製造方法の他の実施の形態を示す。
先ず、図1Bと同様に、図4Aに示すように、例えば半導体基板32上に絶縁膜33を形成した基板31上に、パターニングされた基板側電極34を形成し、基板側電極34上に流動性膜35を堆積する。次いで、平坦化した基板全面に対して、犠牲層となる例えば非晶質シリコン膜50を堆積する。
次に、、図4Bに示すように、非晶質シリコン膜50の所定部分、即ち、後に形成されるビームを支える支持部(支柱:ポスト)に対応する部分に開孔部51を形成する。
【0032】
次に、図4Cに示すように、開孔部51内を含んで非晶質シリコン膜50上に、絶縁膜(例えばシリコン窒化膜)38と、その上の駆動側電極材料層(例えばAl材)39′からなるAl/SiN積層膜を形成する。ここで、開孔部51の側壁に形成されたAl/SiN積層膜は、そのままビームを支える支持部52、即ち中心が空洞となった円柱ないしは角柱のポストとなる。
【0033】
次に、図5Dに示すように、シリコン窒化膜38及び非晶質シリコン膜39′によるAl/SiN積層膜をパターニングしてシリコン窒化膜38及びその上の駆動側電極39から成るビーム41を形成する。次いで、犠牲層である非晶質シリコン膜を除去して、図5Eに示すように、目的のMEMS素子44を得る。図5Eでは、支持部52から一方向のビーム41を長くしているので、所謂片持ち梁のMEMS構造を得ることができる。
本実施の形態においても、前述の図1〜図4の製法と同様の効果が得られる。また、本実施の形態で製造されたMEMS素子44も、前述のMEMS素子43と同様に、例えば光スイッチ、光変調素子等に用いられる光学MEMS素子に適用して好適である。
【0034】
図6〜図8は、本発明のMEMS素子の製造方法の他の実施の形態を示す。本例も前述と同様のビームを片持ち梁式にした代表的な静電駆動型のMEMS素子の製造に適用した場合である。
先ず、図6Aに示すように、基板、本例ではシリコン半導体基板32上にシリコン酸化(SiO2 )膜などの絶縁膜33を形成した基板31上に、基板側電極34を形成する。基板側電極34は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜等で形成することができ、本例では不純物をドーピングした多結晶シリコン膜で形成する。多結晶シリコン膜による基板側電極34の表面34aは、図8Aに示すように、著しい凹凸を有している。
【0035】
次に、図6Bに示すように、基板側電極34の表面に絶縁膜による保護膜、本例ではシリコン酸化(SiO2 )膜46を形成した後、基板31の面上に支持部となるシリコン窒化(SiN)膜、シリコン酸化(SiO2 )膜等の絶縁膜、本例ではシリコン窒化膜をCVD法等により成膜し、パターニングして基板側電極34より離れた位置にシリコン窒化膜による支持部36を形成する。
次いで、全面に空隙形成用の犠牲層、本例では多晶質シリコン層37を形成し、支持部36の面と同一面となるように多晶質シリコン層37をエッチバックする。なお、犠牲層37としては、前述と同様に多結晶シリコン膜の他、非晶質シリコン膜、フォトレジスト膜、あるいは支持部36と後述のビームを構成する絶縁膜とエッチングレートの異なる絶縁膜(例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜など)等を用いることができる。
【0036】
次に、図6Cに示すように、指示部36及び犠牲層である多結晶シリコン層37上を含んで全面に、前述と同様の流動化により表面が平坦化された流動性膜35を形成する。この流動性膜35は、前述と同様に不純物ドープしたシリケートガラス層(多結晶、BSG膜、PSG膜、PBSG膜等)を形成した後にアニール処理して形成する方法で、或いはオゾンとアルコキシシランを原料としたCVD法によるシリコン膜で形成することができる。
この流動性膜35上に多結晶シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等の絶縁膜、本例ではシリコン窒化膜38を形成し、さらにその上に駆動側電極材料層39′、本例ではAl材料素を形成する。図8Aは、その拡大した要部を示す。駆動側電極材料層としては、前述と同様にAg膜、アルミニウム(Al)主成分とするAl膜、あるいはチタンTi、タングステンW、モリブデンNo、タンタルTaなどの高融点金属、等を用いることができる。
【0037】
次に、図7Dに示すように、レジストマスク40を形成し、このレジストマスク40を介して駆動側電極材料層39′及びその下のシリコン窒化膜38、流動性膜35を選択的にエッチング除去して支持部36に支持される駆動側電極(Al電極)39及びシリコン窒化膜38からなるビーム41を形成する。本例では流動性膜35を残すようにしているので、ビーム41は駆動側電極39、シリコン窒化膜38及び流動性膜35の3層膜で形成される。
【0038】
次に、図7Eに示すように、犠牲層である多結晶シリコン層37を除去する。犠牲層37を多結晶シリコンで形成した場合には、前述したようにXeF2 ガスによるガスエッチングを用いて容易に除去できる。犠牲層37の除去によって基板側電極34(実質的には保護膜46)とビーム41との間に空隙42を形成して、ビームを片持ち梁式に構成した目的の静電型のMEMS素子47を得る。図8Bはその拡大したビーム41を含む要部を示す。
このMEMS素子47は、凹凸の著しい基板側電極34(実質的には保護膜46)から所要の空隙42だけ離れて、表面及び流動性膜に対向する裏面が平坦化されたビーム41を有するように構成される。
【0039】
シリケートガラスによる流動性膜35の膜応力は、シリコン窒化膜と比較して十分小さいので、使用態様によっては本例のようにビーム41下面の流動性膜35を残すことができる。その他、流動性膜35を希フッ酸溶液を用いて除去し、超臨界乾燥して駆動側電極39とシリコン窒化膜38の2層膜でビーム41を形成することもできる。
【0040】
上例では、基板側電極34を多結晶シリコンで形成し、犠牲層37をシリコンで形成するために、基板側電極34の表面にエッチングストッパを兼ねる保護層46を形成したが、犠牲層37の材料によっては、この保護層46を省略することができる。
ここでは、犠牲層薄膜材料に下地凹凸を正確に転写することが出来る非晶質シリコンを使用したため、流動性膜35の基板側電極34に対面する下面と基板電極34上の絶縁膜46の表面の凹凸は、組み合わされるような概念図を示したが、犠牲層薄膜材料に例えば多結晶シリコンを使用すると、多結晶シリコン自身の粒径分布があるために、流動性膜35下面の方が大きくうねった構造となる。
【0041】
本実施の形態に係るMEMS素子の製造方法によれば、多結晶シリコンによる基板側電極34、保護膜46、犠牲層37を形成した後、流動性膜35を形成し、その表面35aが平坦化された流動性膜35上に順にビームを構成するシリコン窒化膜38及び駆動側電極材料層39′を堆積することにより、前述の実施の形態と同様に、シリコン窒化膜38の表面、駆動側電極材料層39′の表面は平坦化され、最終的に表面が平坦化されたビーム41を形成することができる。
【0042】
従って、ビーム41の膜の均一性が得られビームの膜形状のバラツキを低減することができ、ビームの物性値を大きく変動することがない。ビームの膜全体での揺らぎのないMEMS素子を得ることができる。また、ビーム41の表面凹凸を無くすと共に、ビーム41の振動数等のバラツキを低減することができるので、MEMS素子の性能の均一性を高め、高品質のMEMS素子43の大量生産を可能にする。
本実施の形態で製造されたMEMS素子47を、光の反射あるいは回折を利用した、例えば光スイッチ、或いは光変調素子等に用いられる光学MEMS素子に適用するときは、光反射膜に兼用される駆動側電極39での光反射率が向上し、光学MEMS素子としての光利用効率の向上を図ることができる。
【0043】
本発明における流動性膜35は、少なくともビーム41に対応した部分の下だけに形成すればよい。従って、図9A,Bに示すように、基板側電極34上を含んでビーム41に対応する部分に流動性膜35を形成するためには、レジストマスク51を形成する。52部分は開口である。このレジストパターンを使用して、駆動側電極34を覆うように、流動性膜35をエッチングすることにより図9Bの断面構造を得る。このことで、表面が平坦な駆動側電極39を有するビーム41を形成することができる。
【0044】
上述の実施の形態では、ビームが片持ち梁式のMEMS素子の製造に適用したが、その他、前述の図12に示すビームがブリッジ式のMEMS素子の製造にも適用することができる。
【0045】
図10は、本発明の製造方法をビームを両持ち梁式としたMEMS素子の製造に適用した場合である。本例は図1〜図2の工程を適用した場合である。
先ず、図10Aに示すように、基板、本例では半導体基板32上に絶縁膜33を形成した基板31上に、例えば多結晶シリコンによる基板側電極34を形成する。次いで、基板側電極34を含む基板31上に前述と同様の流動化により表面が平坦化された流動性膜を形成する。
【0046】
次に、図10Bに示すように、平坦化された流動性膜35上に基板側電極34の位置に対応するように、選択的に空隙形成用の犠牲層37を形成する。
【0047】
次に、図10Cに示すように、犠牲層37上及び流動性膜35上を含んで絶縁膜の例えばシリコン窒化膜38及び駆動側電極材料39′の例えばAl膜を順次形成し、パターニングして、駆動側電極36及びその下のブリッジ部となるシリコン窒化膜38からなる両持ち梁式のビーム54を形成する。
【0048】
次に、図10Dに示すように、犠牲層37を除去し、基板側電極(実質的には流動性膜)34とビーム54との間に空隙55を形成して、ビーム54をブリッジ状に形成した目的の静電駆動型のMEMS素子56を得る。
なお、図示せざるも、ビームを両持ち梁式にしたMEMS素子は、図6〜図7の工程を利用して製造することも可能である。
【0049】
図10に示すMEMS素子の製造方法においても、前述の実施の形態と同様の効果を奏する。
【0050】
本発明のMEMS素子の製造方法は、図示せざるも前述のGLVデバイス21の製造にも適用できる。
【0051】
【発明の効果】
本発明に係るMEMS素子の製造方法によれば、犠牲層の堆積前、又は堆積後に、成膜後に熱処理により流動化させて表面を平坦化した流動性膜を形成し、流動性膜の流動化で平坦化された膜上にビームを構成する絶縁膜、駆動側電極を形成するので、最終的に表面が平坦化されたビームを形成することができる。
あるいは、犠牲層の堆積前、又は堆積後に、所要の基板温度の下でCVD法により流動化しながら成膜して表面が平坦化した流動性膜を形成し、流動性膜の流動化で平坦化された膜上にビームを構成する絶縁膜、駆動側電極を形成するので、最終的に表面が平坦化されたビームを形成することができる。
従って、ビームの膜の均一性が得られビームの膜形状のバラツキを低減することができ、ビームの物性値を大きく変動することがない。
また、ビームの表面凹凸を無くすと共に、ビームの振動特性のバラツキを低減することができるので、MEMS素子の性能の均一性を高め、高品質のMEMS素子の大量生産を可能にする。
本発明の製法で製造されたMEMS素子を、光の反射あるいは回折を利用した、例えば光スイッチ、或いは光変調素子等に用いられる光学MEMS素子に適用するときは、光反射膜に兼用される駆動側電極での光反射率が向上し、光学MEMS素子としての光反射効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】A〜C 本発明に係る一代表的な静電駆動型MEMS素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図(その1)である。
【図2】D〜F 本発明に係る一代表的な静電駆動型MEMS素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図(その2)である。
【図3】A 図2Dの要部の拡大断面図である。B 図2Fの要部の拡大断面図である。
【図4】A〜C 本発明に係る一代表的な静電駆動型MEMS素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図(その1)である。
【図5】D〜E 本発明に係る一代表的な静電駆動型MEMS素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図(その2)である。
【図6】A〜C 本発明に係る一代表的な静電駆動型MEMS素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図(その1)である。
【図7】D〜E 本発明に係る一代表的な静電駆動型MEMS素子の製造方法の他の実施の形態を示す製造工程図(その2)である。
【図8】A 図4Cの要部の拡大断面図である。B 図5Eの要部の拡大断面図である。
【図9】A 本発明の流動性膜の形成に適用されるマスクのレイアウト図である。B その断面図である。
【図10】A〜D 本発明に係る他の代表的な静電駆動型MEMS素子の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図である。
【図11】従来の説明に供する光学MEMS素子の代表的な一例である。
【図12】従来の説明に供する光学MEMS素子の代表的な他の例である。
【図13】A 従来のGLVデバイスを示す構成図である。B その断面図である。
【図14】A〜D 従来の静電駆動型MEMS素子の製造方法を示す製造工程図である。
【図15】従来の光学MEMS素子の駆動側電極の凹凸を示す要部の断面図である。
【図16】下層の凹凸が上層に拡大転写される状態の説明図である。
【図17】従来の製法で得られたビームの膜形状を示す断面図である。
【図18】従来の製法で得られたビームの膜形状を示す断面図である。
【符号の説明】
21・・・GLVデバイス、22・・・基板、23・・・基板側電極、24〔241 〜246 〕・・・ビーム、31・・・基板、32・・・半導体基板、33・・・絶縁膜、34・・・基板側電極、35・・・流動性膜、36・・・支持部、37・・・犠牲層、38・・・シリコン窒化膜、39′・・・駆動側電極材料層、40・・・レジストマスク、41・・・ビーム、42・・・空隙、43、44・・・MEMS素子、46・・・保護膜、47・・・MEMS素子、51・・・開口、52・・・レジストマスク
Claims (8)
- 基板上に基板側電極を形成する工程と、
前記基板側電極上に、成膜後に熱処理により流動化させて表面を平坦化した流動性膜を形成する工程と、
前記流動性膜の平坦化された表面上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上に駆動側電極を有するビームを形成する工程と、
前記犠牲層を除去する工程とを有する
ことを特徴とするMEMS素子の製造方法。 - 基板上に基板側電極を形成する工程と、
前記基板側電極上に、保護膜を介してまたは介さないで犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上に、成膜後に熱処理により流動化させて表面を平坦化した流動性膜を形成する工程と、
前記流動性膜の平坦化した表面上に駆動側電極を有するビームを形成する工程と、
前記犠牲層を除去する工程とを有する
ことを特徴とするMEMS素子の製造方法。 - 前記流動性膜を、燐、ホウ素、又は両者を含有するシリケートガラス膜で形成する
ことを特徴とする請求項1または2記載のMEMS素子の製造方法。 - 基板上に基板側電極を形成する工程と、
前記基板側電極上に、所要の基板温度の下でCVD法により流動化しながら成膜して表面が平坦化した流動性膜を形成する工程と、
前記流動性膜の平坦化された表面上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上に駆動側電極を有するビームを形成する工程と、
前記犠牲層を除去する工程とを有する
ことを特徴とするMEMS素子の製造方法。 - 基板上に基板側電極を形成する工程と、
前記基板側電極上に、保護膜を介してまたは介さないで犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上に、所要の基板温度の下でCVD法により流動化しながら成膜して表面が平坦化した流動性膜を形成する工程と、
前記流動性膜の平坦化した表面上に駆動側電極を有するビームを形成する工程と、
前記犠牲層を除去する工程とを有する
ことを特徴とするMEMS素子の製造方法。 - 前記流動性膜を、オゾンとアルコキシシランを原料としたCVD法により成膜したシリケートガラス膜で形成する
ことを特徴とする請求項4または5記載のMEMS素子の製造方法。 - 前記流動性膜を、フッ素含有原料を使用してCVD法により成膜したフッ素含有膜で形成する
ことを特徴とする請求項4または5記載のMEMS素子の製造方法。 - 前記駆動側電極が光反射膜を兼ねている
ことを特徴とする請求項1,2,4または5記載のMEMS素子の製造方法。
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