JP3893636B2 - Manufacturing method of micromachine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ構造を有する微小機械の製造方法に関し、更に詳しくは、可動するマイクロ構造が対向する部材に接触する事があっても、破損や固着の起こりにくい微小機械の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の微小機械およびその製造方法を、図11に従って説明する。なお本図は、文献(Theresa A.Core,W.K.Tsang,Steven
J.Sherman,“Fabrication Technology for an Integrated Surface−Micromachined Sensor”,Solid State Technology,October 1993,39−47)を例に簡略化し、本発明に係る部位のみを記載している。
【0003】
従来の微少機械およびその製法は、図11(A)に示すように、先ずシリコン基板100の主面に、熱酸化により酸化膜101、LP−CVD(低圧−化学気相成長法)によりシリコン窒化膜102、CVDによりLTO(低温酸化物)膜103を順次層状に成膜する。
【0004】
この後、図11(B)に示すようにLTO膜103を貫通しない程度にエッチングしてディンプル104を形成すると共に、LTO膜103、シリコン窒化膜102および酸化膜101を貫通するエッチングを行なってアンカーに対する開口105を形成する。
【0005】
次いで、図11(C)に示すようにLP−CVDによりポリシリコン膜106を成膜し、フォトリソグラフィーおよびエッチングによりパターニングする。
【0006】
そして、図11(D)に示すようにLTO膜103をフッ酸等により犠牲エッチングし、自立する微小構造体107を得る。
【0007】
この微小構造体107は、可動部108と、可動部108を支持基体であるシリコン基板100に固定するアンカー部109とから構成される。LTO膜103のディンプル104の位置に対応して可動部108の底部表面にはバンプ110が、また、可動部108の表面にはディンプル111が形成されている。このバンプ110は、可動部108の底部表面がシリコン基板100の表面と接触する際に、その接触面積が低減され、これにより付着する可能性を低減する作用がある。シリコン窒化膜102は、LTO膜103を犠牲エッチングする際のエッチングストッパとして作用するが、可動部108の底部表面がシリコン基板100の表面と擦れ合う際の摩擦力を低減し、摩耗を低減する作用と、可動部108の底部表面がシリコン基板100の表面と接触し付着する可能性を低減する作用とを合わせ持っている。
【0008】
さて、このようにして得られた微小機械に、振動や落下衝撃等の種々の外力が作用した場合について、図12に従って説明する。
【0009】
図12(A)に示すように図中下方向への加速度運動をした場合、可動部108は下に凸のベンディングを受ける。
【0010】
図12(B)に示すように図中下方向へ落下、衝突した場合、可動部108はシリコン基板100の表面に叩き付けられ、可動部108は下に凸のベンディングを受ける。
【0011】
図12(C)に示すように図中上方向への加速度運動をした場合、可動部108は上に凸のベンディングを受ける。
【0012】
図12(D)に示すように図中上方向へ落下、衝突した場合、可動部108はカバー202の裏面に叩き付けられ、可動部108は上に凸のベンディングを受ける。
【0013】
図12(A)および(B)で示したように、可動部108が下に凸のベンディングを受けた場合、同図中○印の記載されている、バンプ110の根元200に引っ張り応力が集中し、ここから破壊される傾向を有するので望ましくない。また図12(C)および(D)の場合のように、可動部108が上に凸のベンディングを受けた場合、同図中○印の記載されているディンプル111の底201に引っ張り応力が集中し、ここから破壊される傾向を有するので望ましくない。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような従来例では、可動部108の底部表面がシリコン基板100の表面と接触する際に、その接触面積を低減し、従って付着する可能性を低減するように作用するバンプ110を、可動部108に設ける構造およびその製造方法であったために、外力によってベンディングを受ける可動部108に応力を集中させる構造をも同時に作り込んでしまうという問題点があった。
【0015】
また、この従来例は、可動部を構成する構造体がポリシリコンにより形成されており、多結晶という材料が本質的に有している無数の粒界および転位といった分子構造も外力が加えられた際に応力が集中される構造であり、ここから脆性破壊される傾向を有する。さらに粒界には、粒界侵食あるいは粒界割れといった特異な現象もあり、脆性破壊の傾向を増長する。
【0016】
更に、ポリシリコンは強い圧縮応力を有しており、その応力を制御することが難しく、このため成膜速度も遅く、厚い構造体を得ることが難しい。
【0017】
また、ポリシリコンによって、例えば応力を検出する素子であるピエゾ抵抗を安定的に形成することは難しく、このため微小機械の可動部の変位量は低感度の静電式に頼らざるを得ない。また、ポリシリコンで形成された半導体素子は、単結晶シリコンで形成された半導体素子に比べると、特性のバラツキが大きく、耐圧が低い、逆方向飽和電流が大きいなど著しく性能が劣ってしまうために、微小機械の外部領域の支持基板である単結晶シリコン基板に形成する必要があった。
【0018】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもので、可動部と、可動部に対向する固定部を有する微小機械において、可動部が固定部に接触する際の付着する傾向が低減された、また可動部がベンディングを受けた際の破壊される傾向が低減された、さらには可動部が薬品やガスにより処理された際の粒界腐食や粒界割れといった現象から免れた微小機械の製造方法を提供することを目的としている。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の態様に係る微小機械の製造方法は、可動部と、前記可動部に対向する固定部を有する微小機械であって、前記可動部が単結晶シリコンであり、前記可動部が前記固定部に接触する際の接触面積を低減せしめる凸部を前記固定部に設けている微小機械の製造方法であって、支持基板、当該支持基板上に形成された埋込絶縁膜および当該埋込絶縁膜上に形成された単結晶シリコン層から構成される、いわゆるSOI基板であって、前記単結晶シリコン層と前記埋込絶縁膜との界面が平坦、かつ、前記埋込絶縁膜と前記支持基板との界面に凸部を有するSOI基板を形成する第1工程と、前記SOI基板の前記単結晶シリコン層を貫通するエッチングを行ない、前記埋込絶縁膜に達する開口部を単結晶シリコン層に形成する第2工程と、前記開口部をエッチング・ホールとし、前記埋込絶縁膜をエッチングし、前記単結晶シリコン層からなる自立した構造体を得る第3工程とを有し、前記第1工程は、前記支持基板の主面に凹部を形成する工程と、前記構造体の主面に絶縁膜を成膜し、前記絶縁膜の主面を平坦化する工程と、前記構造体にシリコン基板を接合し、前記シリコン基板を薄膜化する工程とを有することを特徴とする。
【0020】
本発明の第2の態様に係る微小機械の製造方法は、可動部と、前記可動部に対向する固定部を有する微小機械であって、前記可動部が単結晶シリコンであり、前記可動部が前記固定部に接触する際の接触面積を低減せしめる凸部を前記固定部に設けている微小機械の製造方法であって、支持基板、当該支持基板上に形成された埋込絶縁膜および当該埋込絶縁膜上に形成された単結晶シリコン層から構成される、いわゆるSOI基板であって、前記単結晶シリコン層と前記埋込絶縁膜との界面が平坦、かつ、前記埋込絶縁膜と前記支持基板との界面に凸部を有するSOI基板を形成する第1工程と、前記SOI基板の前記単結晶シリコン層を貫通するエッチングを行ない、前記埋込絶縁膜に達する開口部を単結晶シリコン層に形成する第2工程と、前記開口部をエッチング・ホールとし、前記埋込絶縁膜をエッチングし、前記単結晶シリコン層からなる自立した構造体を得る第3工程とを有し、前記第1工程は、前記シリコン基板の主面に絶縁膜を成膜し、前記絶縁膜の主面に凹部を形成する工程と、構造体の主面に、中間膜を成膜し、前記中間膜の主面を平坦化する工程と、前記構造体を支持基板に、前記中間膜を介して接合し、前記シリコン基板を薄膜化する工程とを有することを特徴とする。
【0021】
本発明の第3の態様に係る微小機械の製造方法は、可動部と、前記可動部に対向する固定部を有する微小機械であって、前記可動部が単結晶シリコンであり、前記可動部が前記固定部に接触する際の接触面積を低減せしめる凸部を前記固定部に設けている微小機械の製造方法であって、支持基板および単結晶シリコン基板を用意し、前記支持基板ないしは前記単結晶シリコン基板のいずれかの主面に、スペーサを形成する工程と、前記支持基板の主面に凸部を形成する工程と、前記支持基板および前記単結晶シリコン基板を、前記スペーサを介して接合し、キャビティを形成する工程と、前記単結晶シリコン基板を薄膜化し、単結晶シリコン層を得る工程と、前記単結晶シリコン層を貫通するエッチングを行ない、前記キャビティに達する開口部を形成し、前記単結晶シリコン層からなる自立した構造体を得る工程とを有することを特徴とする。
【0022】
本発明の第4の態様に係る微小機械の製造方法は、可動部と、前記可動部に対向する固定部を有する微小機械であって、前記可動部が単結晶シリコンであり、前記可動部が前記固定部に接触する際の接触面積を低減せしめる凸部を前記固定部に設けている微小機械の製造方法であって、支持基板、当該支持基板上に形成された埋込絶縁膜および当該埋込絶縁膜上に形成された単結晶シリコン層から構成される、いわゆるSOI基板の、前記単結晶シリコン層を貫通するエッチングを行ない、前記埋込絶縁膜に達する開口部を単結晶シリコン層に形成する工程と、前記開口部をエッチング・ホールとし、前記埋込絶縁膜をエッチングし、前記単結晶シリコン層からなる自立した構造体を得る工程と、前記支持基板の、前記埋込絶縁膜をエッチングした領域に電気化学的処理を行ない、前記電気化学的処理の被処理部を平坦でなくする工程とを有することを特徴とする。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の微小機械の製造方法における実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0035】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態を図1および2に従って説明する。
【0036】
図1A)に示すように、第一のシリコン基板300の主面に、トレンチ・エッチングの手法により凹部301を形成する。
【0037】
この後図1B)に示すように、上記構造体に熱酸化の手法により酸化膜302をLP−CVD(低圧化学気相成長法)の手法によりシリコン窒化膜303を成膜する。
【0038】
次いで、図1C)に示すように、上記構造体の主面に、CVD(化学気相成長法)の手法により酸化膜304を成膜し、その表面を研磨の手法により平坦化する。
【0039】
そして、図1D)に示すように、上記構造体の主面に第二のシリコン基板を接合し、第二のシリコン基板を研磨の手法により薄膜化し単結晶シリコン層305を得る。
【0040】
以上の工程により、酸化膜304を埋込酸化膜とし、第一のシリコン基板300を支持基板とし、薄膜化された単結晶シリコン層305をSOI(シリコン・オン・インスレーター)層とする、いわゆるSOI基板306が形成される。埋込酸化膜である酸化膜304とSOI層である単結晶シリコン層305との界面309は、凸凹のない平坦な面から構成され、埋込酸化膜である酸化膜304と、第一のシリコン基板300からなる支持基板との界面310は、凸部307と凹部308を有する。
【0041】
図2A)に上記SOI基板306の主面の構成を示す。構成を再記すると、300は第一のシリコン基板、302は酸化膜、303はシリコン窒化膜、304は埋込酸化膜、305は単結晶シリコン層、310は埋込酸化膜である酸化膜304と支持基板である第一のシリコン基板300との界面、308は界面310の凹部、307は界面310の凸部である。
【0042】
図2B)に示すように上記単結晶シリコン層305を貫通するエッチングを行ない、酸化膜304に達する開口部316を形成する。
【0043】
図2C)に示すように上記開口部316より、フッ酸を含むエッチング液にて、酸化膜304をエッチングし、自立する単結晶シリコンからなる微小構造体340を得る。311は可動部であり、312は可動部311を支持基体であるシリコン基板300に固定するアンカー部である。
【0044】
以上の工程により、可動部と、可動部に対向する固定部を有する微小機械において、可動部が単結晶シリコンであって、可動部が固定部に接触する際の接触面積を低減せしめる凸部が、固定部に設けられていることを特徴とする微小機械が得られる。
【0045】
なお、単結晶シリコンからなる微小構造体340において、可動部となるかアンカーとなるかは、上記工程図2B)における開口部316のパターンに依存する。図2D)にパターン例の平面図を示す。表示されているのは図2B)のパターニングされた単結晶シリコン層317である。313は大パターン部で例えば200μm角とし、314,319はライン・パターン部で例えば幅10μmとし、315は虫食いパターン部で例えば200μm角で、内部に10μm角の穴318が20μmピッチで無数に開口されているとする。酸化膜304の厚さは1μmとする。
【0046】
上記構造体を、フッ酸を含むエッチング液に浸漬し、酸化膜304を10μmエッチングするのに相当する時間だけエッチング処理する。するとパターニングされた単結晶シリコン層317をマスクとして、酸化膜304が等方的にエッチング除去され、単結晶シリコン層317の下に進行するアンダー・エッチング量は10μmとなる。この時、大パターン部313の直下の酸化膜は前後左右10μmずつアンダー・エッチングされ、180μm角のサイズで残存する。従って大パターン部313は、残存する酸化膜304によって支持基板へと接続するアンカー部312となる。
【0047】
ライン・パターン部314,319の直下の酸化膜304は、前後10μmずつアンダー・エッチングされ、このアンダー・エッチングがオーバー・ラップし、もはや残存することはなく、ライン・パターン部314,319は宙に浮く。図2ではライン・パターン部314,319の端がアンカー部312に接続され、これにより自立した構造体となる。この場合、アンカー部への接続が全くなければ、いわゆるリフト・オフされることになる。また、虫食いパターン部315の直下の酸化膜304は、前後左右10μmずつアンダー・エッチングされるだけでなく、無数の穴318からも等方的にアンダー・エッチングされ、これら無数のアンダー・エッチングがオーバー・ラップしてもはや残存することはなく、虫食いパターン部315は宙に浮く。図2ではライン・パターン部314を介してアンカー部312に接続されており、自立した構造体となる。従って、図2D)のL−L断面図とM−M断面図は図2C)となり、図2D)のN−N断面図は図2E)となる。
【0048】
なお、微小機械では、ライン・パターン部314のように細い部分を梁やばねとして、虫食いパターン部315のように大きくて宙に浮いている部分を重りとして設計する。
【0049】
(第2の実施の形態)
次に本発明の第2の実施の形態を図3および図4に従って説明する。
【0050】
図3A)に示すように、先ず第一の単結晶シリコン基板400の主面にCVDの手法により酸化膜404を成膜し、酸化膜404の主面に、酸化膜404を貫通しない程度の凹部401を、フッ酸を含むエッチング液にて形成する。
【0051】
次いで、図3B)において上記構造体にLP−CVDの手法によりシリコン窒化膜403を成膜し、CVDの手法により多結晶シリコン膜402を成膜し、多結晶シリコン膜402の主面を研磨の手法により平坦化する。
【0052】
この後、図3C)において上記構造体の主面に第二の単結晶シリコン基板420を接合し、単結晶シリコン基板400を研磨の手法により薄膜化し単結晶シリコン層405を得る。
【0053】
以上の工程により、酸化膜404を埋込酸化膜とし、第二の単結晶シリコン基板420を支持基板とし、第一の単結晶シリコン基板400を薄膜化し得られた単結晶シリコン層405をSOI(シリコン・オン・インスレーター)層とする、いわゆるSOI基板406が形成される。
【0054】
埋込酸化膜である酸化膜404とSOI層である単結晶シリコン層405との界面409は、凸凹のない平坦な面から構成され、埋込酸化膜である酸化膜304と、第二の単結晶シリコン基板420からなる支持基板との界面410は、凸部407と凹部408を有する。
【0055】
図4A)に上記SOI基板406の主面の構成を示す。構成を再記すると、400は支持基板である第二の単結晶シリコン基板、402は多結晶シリコン膜、403はシリコン窒化膜、404は埋込酸化膜、405は単結晶シリコン層、410は埋込酸化膜である酸化膜304と支持基板である第二の単結晶シリコン基板420の界面、408は界面410の凹部、407は界面410の凸部である。
【0056】
図4B)において上記単結晶シリコン層405を貫通するエッチングを行ない、酸化膜404に達する開口部416を形成する。
【0057】
図4C)において上記開口部416より、フッ酸を含むエッチング液にて、酸化膜404をエッチングし、自立する単結晶シリコンからなる微小構造体440を得る。411は可動部であり、412は可動部411を支持基体である単結晶シリコン基板420に固定するアンカー部である。
【0058】
単結晶シリコンからなる微小構造体440において、可動部となるかアンカーとなるかは、上記工程図4B)における開口部416のパターンに依存することは、第1の実施の形態と同様である。
【0059】
以上の工程を含む製造方法により、第1の実施の形態と同様に、可動部と、可動部に対向する固定部を有する微小機械において、可動部が単結晶シリコンであって、可動部が固定部に接触する際の接触面積を低減せしめる凸部が、固定部に設けられていることを特徴とする微小機械が得られる。
【0060】
また、図4D)は、図3B)において平坦化された多結晶シリコン膜402の主面に、CVDの手法により酸化膜421を形成し、以下同様の工程を行なった場合に得られる構造である。
【0061】
(第3の実施の形態)
次に本発明の第3の実施の形態を図5および図6に従って説明する。
【0062】
図5A)に示すように第一の単結晶シリコン基板500の主面に熱酸化の手法により酸化膜501を成膜し、フッ酸を含むエッチング液にてパターニングする。
【0063】
図5B)に示すように上記構造体にCVDの手法により酸化膜504を成膜し、CVDの手法によりシリコン窒化膜503を成膜する。
【0064】
図5C)に示すように上記構造体に、CVDの手法により多結晶シリコン膜502を成膜し、多結晶シリコン膜502の主面を研磨の手法により平坦化する。図5D)に示すように上記構造体の主面に、第二の単結晶シリコン基板520を接合し、上記単結晶シリコン基板500を研磨の手法により薄膜化し単結晶シリコン層505を得る。
【0065】
以上の工程により、酸化膜501,504を埋込酸化膜とし、第二の単結晶シリコン基板520を支持基板とし、第一の単結晶シリコン基板500を薄膜化し、得られた単結晶シリコン層505をSOI(シリコン・オン・インスレーター)層とする、いわゆるSOI基板506が形成される。埋込酸化膜である酸化膜501,504とSOI層である単結晶シリコン層505との界面509は、凸凹のない平坦な面から構成され、埋込酸化膜である酸化膜501,504と第二の単結晶シリコン基板520からなる支持基板との界面510は、凸部507と凹部508を有する。
【0066】
図6A)に上記SOI基板506の主面の構成を示す。構成を再記すると、520は支持基板である第二の単結晶シリコン基板、502は多結晶シリコン膜、503はシリコン窒化膜、501,504は埋込酸化膜、505は単結晶シリコン層、510は埋込酸化膜である酸化膜504と第二の単結晶シリコン基板520からなる支持基板との界面、508は界面510の凹部、507は界面510の凸部である。
【0067】
図6B)において上記単結晶シリコン層505を貫通するエッチングを行ない、酸化膜501,504に達する開口部516を形成する。
【0068】
図6C)において上記開口部516より、フッ酸を含むエッチング液にて酸化膜504をエッチングし、自立する単結晶シリコンからなる微小構造体540を得る。511は可動部であり、512は可動部511を支持基体である単結晶シリコン基板520に固定するアンカー部である。
【0069】
単結晶シリコンからなる微小構造体540において、可動部となるかアンカーとなるかは、上記工程図6B)における開口部516のパターンに依存することは、第1の実施の形態と同様である。
【0070】
以上の工程を含む製造方法により、第1の実施の形態と同様に、可動部と、可動部に対向する固定部を有する微小機械において、可動部が単結晶シリコンであって、可動部が固定部に接触する際の接触面積を低減せしめる凸部が、固定部に設けられていることを特徴とする微小機械が得られる。
【0071】
また、図6D)は、図5C)において平坦化された多結晶シリコン膜502の主面に、CVDの手法により酸化膜530を形成し、以下同様の工程を行なった場合に得られる構造である。
【0072】
(第4の実施の形態)
次に本発明の第4の実施の形態を図7および図8に従って説明する。
【0073】
図7A)に示すように、先ず、単結晶シリコン基板600の主面に、凹部601をパターニングし、熱酸化の手法により酸化膜602を、LP−CVDの手法によりシリコン窒化膜603を順次成膜する。
【0074】
次いで、図7B)において上記構造体に、CVDの手法により酸化膜604を成膜し、酸化膜604の主面を研磨の手法により平坦化し、単結晶シリコン基板600に達する開口部630とシリコン窒化膜603に達する開口部631を形成する。
【0075】
この後、図7C)において、上記構造体の主面にCVDの手法により多結晶シリコン膜を成膜し、開口部630の単結晶シリコン基板600を種とし、多結晶シリコン膜のレーザー走査による横方向結晶成長により、単結晶シリコン層605を得る。
【0076】
以上の工程により、酸化膜604を埋込酸化膜とし、単結晶シリコン基板600を支持基板とし、多結晶シリコン膜の横方向結晶成長により得られた単結晶シリコン層605をSOI(シリコン・オン・インスレーター)層とする、いわゆるSOI基板606が形成される。埋込酸化膜である酸化膜604とSOI層である単結晶シリコン層605との界面609は、凸凹のない平坦な面から構成され、埋込酸化膜である酸化膜604と、単結晶シリコン基板420からなる支持基板との界面610は、凸部607と凹部608を有する。
【0077】
図8A)において、上記SOI基板606の主面の構成を示す。構成を再記すると、600は支持基板である単結晶シリコン基板、602は酸化膜、603はシリコン窒化膜、604は埋込酸化膜、605は単結晶シリコン層、610は埋込酸化膜である酸化膜604と単結晶シリコン基板600からなる支持基板の界面、608は界面610の凹部、607は界面610の凸部である。
【0078】
この後、図8B)において上記単結晶シリコン層605を貫通するエッチングを行ない、酸化膜604に達する開口部616を形成する。
【0079】
そして、図8C)において上記開口部616よりフッ酸を含むエッチング液にて酸化膜604をエッチングし、自立する単結晶シリコンからなる微小構造体640を得る。611は可動部であり、612は可動部611を支持基体である単結晶シリコン基板600に固定するアンカー部である。
【0080】
単結晶シリコンからなる微小構造体640において、可動部となるかアンカーとなるかは、上記工程図8B)における開口部616のパターンに依存することは、第1の実施の形態と同様である。
【0081】
以上の工程を含む製造方法により、第1の実施の形態と同様に、可動部と、可動部に対向する固定部を有する微小機械において、可動部が単結晶シリコンであって、可動部が固定部に接触する際の接触面積を低減せしめる凸部が、固定部に設けられていることを特徴とする微小機械が得られる。
【0082】
(第5の実施の形態)
次に本発明の第5の実施の形態を図9に従って説明する。
【0083】
図9A)に示すように、先ず、高不純物濃度の単結晶シリコン基板700の主面にエピタキシャル成長の手法により単結晶シリコン層705を成膜すると共に、単結晶シリコン層705を貫通しない程度のエッチングを行なって凹部730を形成する。これにより、エッチングされない領域は相対的に出っ張って凸部731となる。
【0084】
次いで、図9B)に示すように、ガラス基板732の主面にエッチングにより凹部708を形成する。これによりエッチングされない領域は相対的に出っ張って、凸部707となる。
【0085】
この後、図9C)に示すように、図9A)の構造体と図9B)の構造体の主面を接合し、フッ酸:硝酸:酢酸=1:3:8の組成からなる高不純物濃度のシリコンのみを選択的に溶解する選択エッチング液を用いて、高不純物濃度の単結晶シリコン基板700のみをエッチングする。これにより、図9A)の構造体と図9B)の構造体の主面の接合は、凸部731を介して成され、従ってキャビティ733が形成される。
【0086】
そして、図9D)において、ドライ・エッチングの手法により、上記構造体の単結晶シリコン層705を貫通しキャビティ733に達する開口部716を形成し、自立する単結晶シリコンからなる微小構造体740を得る。711は可動部であり、712は可動部711を支持基体であるガラス基板732に固定するアンカー部である。
【0087】
以上の工程を含む製造方法により、第1の実施の形態と同様に、可動部と、可動部に対向する固定部を有する微小機械において、可動部が単結晶シリコンであって、可動部が固定部に接触する際の接触面積を低減せしめる凸部が、固定部に設けられていることを特徴とする微小機械が得られる。
【0088】
(第6の実施の形態)
次に本発明の第6の実施の形態を図10に従って説明する。
【0089】
図10A)に示すように、標準的なSOI基板の主面の構造を示す。構成を説明すると、805はSOI層である単結晶シリコン層、804は埋込絶縁膜である埋込酸化膜、800は支持基板であるシリコン基板である。
【0090】
図10B)において、上記単結晶シリコン層805を貫通するエッチングを行ない、酸化膜804に達する開口部816を形成する。
【0091】
図10C)において、上記開口部816より、フッ酸を含むエッチング液にて、酸化膜804をエッチングし、自立する単結晶シリコンからなる微小構造体840を得る。811は可動部であり、812は可動部811を支持基体であるシリコン基板800に固定するアンカー部である。
【0092】
図10D)において、上記構造体をフッ酸を含むエッチング液に浸漬し、シリコン基板800に電圧を引加しながら電解エッチングし、ポーラス・シリコン層830を形成する。ポーラス・シリコン層830は、シリコン基板800の埋込酸化膜804の除去された領域にのみセルフアラインで形成される。微小構造体840はシリコン基板800に電気的に接続されておらず、電解エッチングをうけず、従ってポーラス・シリコン層は形成されない。
【0093】
以上の工程により、可動部と、可動部に対向する固定部を有する微小機械において、可動部が単結晶シリコンであって、可動部が固定部に接触する際の接触面積を低減せしめる凸部が、固定部に設けられていることを特徴とする微小機械が得られる。
【0094】
同様に、上記図10C)の構造体を図10E)に示すように電解めっき液に浸漬し、シリコン基板800に電圧を引加しながら電解めっきし、めっき層831を形成してもよい。めっき層831は、シリコン基板800の埋込酸化膜804の除去された領域にのみセルフアラインで形成される。微小構造体840はシリコン基板800に電気的に接続されておらず、電解めっきをうけず、従ってめっき層は形成されない。
【0095】
以上、第1乃至6の実施の形態の説明において、具体的な例を用いて説明してきたが、これらの文言と図に限定される訳ではない。以下、例を説明する。
【0096】
例えば、第1,2,3および4の実施の形態において夫々、シリコン窒化膜303,403,503および603を例に説明してきたが、これに限定される訳ではなく、他の部材でも良く、場合によっては無くても良い。また、シリコン窒化膜303,403および503の成膜方法としてLP−CVDを例に説明してきたが、これに限定される訳ではなく、他の方法、例えばプラズマ−CVDやシリコンの直接窒化でも良い。
【0097】
また、第1および4の実施の形態において夫々、酸化膜302および602は、LP−CVDにより成膜したシリコン窒化膜303および603の応力緩衝膜として設けたものであり、成膜条件によっては無くても良い。
【0098】
また、第1,2,3および5の実施の形態において夫々、2枚の基板の直接接合を例に説明してきたが、これに限定される訳ではなく、共晶合金接合であっても良いし、陽極接合などの他の接合方法であってもよい。
【0099】
たま、第2,3の実施の形態において夫々、多結晶シリコン膜402,502を、支持基板に接合するための中間層として説明してきたが、これに限定される訳ではなく、多結晶シリコン膜402,502を可動部に対向する下部電極として用いてもよい。この際、図4D)および図6D)に示したように、多結晶シリコン膜402,502とシリコン基板420,520との間に絶縁膜として、酸化膜421,530を形成してもよい。
【0100】
また、第6の実施の形態において、電解エッチングと電解めっきを例に説明してきたが、これに限定される訳ではなく、シリコン基板800の埋込酸化膜804の除去された領域にのみセルフアラインで電気化学的に凸凹を設けられればよく、例えば電解重合により他の部材を析出させても良い。
【0101】
また、第1,2,3および4の実施の形態において夫々、酸化膜304、多結晶シリコン膜402,502および酸化膜604の平坦化において、研磨を例に説明してきたが、これに限定される訳ではなく、他の平坦化方法、例えばエッチバックでも良い。
【0102】
また、第1,2および3の実施の形態において夫々、単結晶シリコン層305,405,505を得る際のシリコン基板の薄膜化を研磨を例に説明してきたが、これに限定される訳ではなく、他の薄膜化方法、例えば第5の実施の形態の如く、選択エッチングであってもよいし、時間コントロールによるエッチングや、n型シリコン層のみを電気化学的にエッチングを停止させ、p型シリコン基板のみをエッチングする、いわゆるエレクトロ・ケミカル・エッチングでもよい。もちろん第5の実施の形態においても、薄膜化の手法を限定するものではない。
【0103】
また、第1,2,3の実施の形態において夫々、酸化膜304,404,504が全面形成されたSOI基板構造を例に説明してきたが、これに限定される訳ではなく、例えば微小機械を形成する領域にのみ埋込絶縁膜を形成した部分SOI基板構造であってもよい。酸化膜302,402および502と、シリコン窒化膜303,403および503についても同様である。
【0104】
また、第4の実施の形態において、アンカー部612を開口部631に設け、微小機械640がシリコン基板600から絶縁されている構造を例に説明してきたが、これに限定される訳ではなく、例えば開口部630にアンカー部を設け、シリコン基板に直接接続しても良い。
【0105】
また、第5の実施の形態において、キャビディ733を形成するためのスペーサ、すなわち凸部731を単結晶シリコン層705に設けたが、ガラス基板732に設けてもよい。単結晶シリコンからなるスペーサを、他の部材で設けても良い。
【0106】
また、第1,2および3の実施の形態において、埋込絶縁膜と支持基板との界面の凸部を、基板全面に形成したが、可動部に対向する部位のみに設けても良い。
【0107】
また、第1,2,3,4,5および6の実施の形態において夫々、微小機械340,440,540,640,740および840を例に説明してきたが、これに限定される訳ではなく、例えば微小機械を駆動する等の半導体素子や回路を形成しても良い。半導体素子や回路を形成する領域は、微小機械を形成していない領域であっても良いし、微小機械の形成された領域の例えばアンカー部であっても良い。また、半導体素子や回路を形成する領域は、SOI構造部の領域であっても良いし、SOI構造部でない領域であっても良い。
【0108】
また、第1,2,3および6の実施の形態において夫々、シリコン基板300,420,520および800を支持基板の例に説明してきたが、これに限定される訳ではなく、他の基板、例えばガラス基板でも良い。もちろん第5の実施の形態においても、支持基板を限定するものではない。第4の実施の形態における支持基板は、シリコンがエピタキシャル成長できる基板であれば良く、例えばサファイア基板でも良い。
【0109】
また、第1,2,3,4および5の実施の形態において夫々、凸部307,407,507,607および707の形状については特に言及しなかったが、テーパー・エッチングやリフローなどの技術を用いて凸部の角部を丸めたり、台形や液滴型としても良い。この場合、強大な外力により可動部が凸部に衝突した際の凸部あるいは可動部の破損の傾向を減ずることができる。
【0110】
また、全実施の形態において、微小機械の構造材として単結晶シリコンを例に説明してきたが、他の単結晶材料、例えばガリウム砒素、水晶あるいは単結晶金属に本発明を適用することは、同業者であれば可能である。
【0111】
上記した第1,2,3および4の実施の形態によれば、埋込酸化膜とSOI層との界面が、凸凹のない平坦な面から構成され、埋込酸化膜と支持基板との界面に、凸部を有することを特徴とするSOI基板を形成してから微小機械を形成する点が共通であり、従って、トレンチ絶縁分離によって高密度に集積された回路と微小機械とを一体で形成でき、従って微小機械の高度化(インテリジェント化)・小型化が実現される。
【0112】
また、シリコン窒化膜303,403,503および603により、可動部311,411,511および611の底部表面が支持基板の最外表面と擦れ合う際の摩擦力を低減し、摩耗を低減する効果と、可動部の底部表面が支持基板の最外表面と接触し付着する傾向を低減させることができる。
【0113】
第1,2,3,5および6の実施の形態によれば、シリコン基板の薄膜化により単結晶シリコン層305,405,505,705および805を得ているため、厚い構造体を実現することができる。従って微小機械の重り部の大質量化、櫛歯電極容量の大容量化ができ、微小機械の、例えば力学量センサ部の高感度化や、例えば静電アクチュエータの大パワー化が実現される。
【0114】
第1,2,3,4および6の実施の形態によれば、2枚のシリコン基板の接合により単結晶シリコン層305,405,505,605および805を得ているため低応力の構造材が得られ、特に応力制御のための工程を必要としない。
【0115】
第1の実施の形態によれば、埋込酸化膜とSOI層との界面が、凸凹のない平坦な面から構成され、埋込酸化膜と支持基板との界面に、凸部を有することを特徴とするSOI基板を形成する第1,2,3および4の実施の形態において、上記SOI基板を形成する工程が比較的短く、シリコン窒化膜を直接窒化の手法により成膜する場合、特に工程が短い。
【0116】
第2および3の実施の形態によれば、研磨された多結晶シリコン層と単結晶シリコン層とを接合することにより、埋込酸化膜とSOI層との界面が、凸凹のない平坦な面から構成され、埋込酸化膜と支持基板との界面に、凸部を有することを特徴とするSOI基板を形成しているため、第1の実施の形態の、酸化膜と単結晶シリコン層との接合により形成するSOI基板に比較して接合強度が高いという効果が得られる。犠牲エッチングされる埋込酸化膜の上下界面は、順次成膜によって得られたものであり、酸化膜と単結晶シリコン層との接合界面で発生する異常なエッチング速度の増加現象が発生しないという効果が得られる。
【0117】
また、接合する際の支持基板となる基板(研磨による薄膜化をうけない基板)にパターニングを施さずに済むため、平面度、並行度およびソリの規格の厳しい支持基板となる基板に外乱を与えず、従って接合工程の歩留りを向上させることができる。
【0118】
また、圧縮応力となる多結晶シリコンを薄膜化をうける基板の接合面側に設けており、該基板の接合面が上に凸となる作用があり、従って接合工程の歩留りを向上させることができる。
【0119】
また多結晶シリコン層402および502を、可動部に対向する下部電極として用いることができる。
【0120】
第6の実施の形態によれば、SIMOXや貼り合わせSOIとして標準的なSOI基板を用いることができ、しかもマスクを1枚も追加することなく、セルフアラインで行なわれる電気化学的処理を1工程追加するだけで済むので、コストの上昇を低く抑えることができる。電解めっきを用いた場合、めっき層を、可動部に対向する低抵抗な下部電極として用いることができる。
【0121】
【発明の効果】
以上説明した工程を含む製造方法により、可動部と、可動部に対向する固定部を有する微小機械において、可動部が単結晶シリコンであって、可動部が固定部に接触する際の接触面積を低減せしめる凸部が、固定部に設けられていることを特徴とする微小機械を実現することができるという効果が得られる。
【0122】
本発明の微小機械では、固定部に設けられた凸部が、可動部の底部表面が支持基板の最外表面と接触する際に、その接触面積を低減する作用があり、従って付着する傾向を低減する効果がある。可動部の底面および上面が凸凹のない平坦な面から形成される作用があり、従って可動部がベンディングを受けた際の応力集中による破損の傾向を低減する効果がある。また、可動部に粒界が無く、転位や欠陥の少ない単結晶シリコンから形成される作用があり、従って可動部が外力によってベンディングを受けた際の応力集中による破損の傾向を低減する効果と、可動部が薬品やガスで処理された際の粒界腐食や粒界割れの現象を免れる効果がある。
【0123】
更に、本発明においては、単結晶シリコンという安定した物性の材料により微小機械が構成されるため、例えば応力を検出する素子であるピエゾ抵抗を微小機械に安定して形成することができ、従って可動部の変位検出の高感度、ひいては例えば力学量センサ部の高感度化が図れる。さらには、半導体素子を微小機械内部の例えばアンカー部に作り込むことができ、微小機械の高度化(インテリジェント化)・小型化が実現されるという効果が得られる。
【0124】
以上の種々の優れた効果を、同時に享受することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態におけるSOI基板形成までを説明する断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態におけるSOI基板形成から微小機械形成までを説明する図であり、A)〜C),Eは断面図、D)は平面図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態におけるSOI基板形成までを説明する断面図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態におけるSOI基板形成から微小機械形成までを説明する断面図である。
【図5】本発明の第3の実施の形態におけるSOI基板形成までを説明する断面図である。
【図6】本発明の第3の実施の形態におけるSOI基板形成から微小機械形成までを説明する断面図である。
【図7】本発明の第4の実施の形態におけるSOI基板形成までを説明する断面図である。
【図8】本発明の第4の実施の形態におけるSOI基板形成から微小機械形成までを説明する断面図である。
【図9】本発明の第5の実施の形態におけるSOI基板形成から微小機械形成までを説明する断面図である。
【図10】本発明の第6の実施の形態におけるSOI基板形成から微小機械形成までを説明する断面図である。
【図11】従来の微小機械の構造およびその製造方法を示す断面図である。
【図12】従来の微小機械の問題点を示す断面図である。
【符号の説明】
300,400,420,500,520,600,800 シリコン基板
301,308,401,408,508,601,608,708,730,731 凹部
302,304,404,421,504,530,602,604,804 酸化膜
303,403,503,603 シリコン窒化膜
305,405,505,605,705,805 単結晶シリコン層
306,606 SOI基板
307,407,507,607,707 凸部
309,310,409,410,590,510,609,610
界面
311,411,511,711,811 可動部
312,412,512,712,812 アンカー部
313 大パターン部
314,319 線パターン部
315 虫食いパターン部
316,416,516,616,630,631,716 開口部
317 パターニングされた単結晶シリコン層
318 穴
340,440,540,640,740,840 微小機械
402,502 多結晶シリコン層
406,506 SOI層
700 高濃度シリコン基板
732 ガラス基板
733 キャビティ
830 ポーラス・シリコン層
831 めっき層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a micromachine having a microstructure.ofMore specifically regarding the manufacturing method, even if the movable microstructure is in contact with the opposing member, the micromachine is less likely to break or stick.ofIt relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
A conventional micromachine and its manufacturing method will be described with reference to FIG. This figure is shown in the literature (Theresa A. Core, WK Tsang, Steven.
J. et al. Sherman, “Fabrication Technology for an Integrated Surface-Micromachined Sensor”, Solid State Technology, October 1993, 39-47), and only the part according to the present invention.
[0003]
As shown in FIG. 11A, a conventional micromachine and its manufacturing method are as follows. First, an
[0004]
Thereafter, as shown in FIG. 11B, etching is performed to the extent that it does not penetrate the LTO
[0005]
Next, as shown in FIG. 11C, a
[0006]
Then, as shown in FIG. 11D, the LTO
[0007]
The
[0008]
Now, a case where various external forces such as vibration and drop impact are applied to the micromachine obtained in this way will be described with reference to FIG.
[0009]
As shown in FIG. 12A, when an acceleration motion is performed in the downward direction in the figure, the
[0010]
As shown in FIG. 12B, in the case of dropping or colliding in the downward direction in the figure, the
[0011]
As shown in FIG. 12C, when an acceleration motion is performed in the upward direction in the figure, the
[0012]
As shown in FIG. 12D, in the case of falling or colliding in the upward direction in the figure, the
[0013]
As shown in FIGS. 12A and 12B, when the
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional example, when the bottom surface of the
[0015]
In this conventional example, the structure constituting the movable part is made of polysilicon, and external force is also applied to the molecular structure such as the innumerable grain boundaries and dislocations inherent in the material called polycrystalline. In this structure, stress is concentrated, and there is a tendency to brittle fracture from here. Furthermore, the grain boundary also has a unique phenomenon such as grain boundary erosion or grain boundary cracking, which increases the tendency of brittle fracture.
[0016]
Furthermore, polysilicon has a strong compressive stress, and it is difficult to control the stress. For this reason, the deposition rate is slow and it is difficult to obtain a thick structure.
[0017]
In addition, it is difficult to stably form, for example, a piezoresistor, which is an element for detecting stress, using polysilicon, and therefore, the displacement amount of the movable part of the micromachine has to rely on a low-sensitive electrostatic type. In addition, semiconductor elements made of polysilicon have significantly poorer performance than semiconductor elements made of single crystal silicon, such as large variations in characteristics, low breakdown voltage, and large reverse saturation current. Therefore, it has been necessary to form a single crystal silicon substrate which is a support substrate in an external region of the micromachine.
[0018]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and in a micromachine having a movable part and a fixed part facing the movable part, the tendency of adhesion when the movable part comes into contact with the fixed part is reduced. Reduced tendency to break when the moving part is bent, and further, the micro machine is free from phenomena such as intergranular corrosion and intergranular cracking when the moving part is treated with chemicals or gasofThe object is to provide a manufacturing method.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
A method of manufacturing a micromachine according to a first aspect of the present invention is a micromachine having a movable part and a fixed part facing the movable part, wherein the movable part is single crystal silicon, and the movable part is A method of manufacturing a micromachine having a convex portion on the fixing portion that reduces a contact area when contacting the fixing portion, the supporting substrate, an embedded insulating film formed on the supporting substrate, and the embedded A so-called SOI substrate composed of a single crystal silicon layer formed on a buried insulating film, wherein an interface between the single crystal silicon layer and the buried insulating film is flat, and the buried insulating film and the A first step of forming an SOI substrate having a convex portion at the interface with the support substrate, etching through the single crystal silicon layer of the SOI substrate is performed, and an opening reaching the buried insulating film is formed in the single crystal silicon layer 2nd process to form A third step of obtaining a self-supporting structure made of the single crystal silicon layer by etching the buried insulating film using the opening as an etching hole, and the first step includes: Forming a recess in the main surface; forming an insulating film on the main surface of the structure; and planarizing the main surface of the insulating film; and bonding a silicon substrate to the structure; And a step of thinning the film.
[0020]
A method of manufacturing a micromachine according to a second aspect of the present invention is a micromachine having a movable part and a fixed part facing the movable part, wherein the movable part is single crystal silicon, and the movable part is A method of manufacturing a micromachine having a convex portion on the fixing portion that reduces a contact area when contacting the fixing portion, the supporting substrate, an embedded insulating film formed on the supporting substrate, and the embedded A so-called SOI substrate composed of a single crystal silicon layer formed on a buried insulating film, wherein an interface between the single crystal silicon layer and the buried insulating film is flat, and the buried insulating film and the A first step of forming an SOI substrate having a convex portion at the interface with the support substrate, etching through the single crystal silicon layer of the SOI substrate is performed, and an opening reaching the buried insulating film is formed in the single crystal silicon layer 2nd process to form A third step of obtaining a self-supporting structure made of the single crystal silicon layer by etching the buried insulating film using the opening as an etching hole, and the first step includes the step of: Forming an insulating film on the main surface and forming a recess on the main surface of the insulating film; forming an intermediate film on the main surface of the structure; and planarizing the main surface of the intermediate film; Bonding the structure to a support substrate via the intermediate film, and thinning the silicon substrate.
[0021]
A manufacturing method of a micromachine according to a third aspect of the present invention is a micromachine having a movable part and a fixed part facing the movable part, wherein the movable part is single crystal silicon, and the movable part is A method of manufacturing a micromachine having a convex portion on the fixed portion that reduces a contact area when contacting the fixed portion, wherein a support substrate and a single crystal silicon substrate are prepared, and the support substrate or the single crystal is prepared. A step of forming a spacer on any main surface of the silicon substrate, a step of forming a convex portion on the main surface of the support substrate, and the support substrate and the single crystal silicon substrate are bonded via the spacer. Forming a cavity; thinning the single crystal silicon substrate to obtain a single crystal silicon layer; and etching through the single crystal silicon layer to open the cavity. Part is formed, and having a step of obtaining the single crystal made of silicon layer freestanding structure.
[0022]
A method of manufacturing a micromachine according to a fourth aspect of the present invention is a micromachine having a movable part and a fixed part facing the movable part, wherein the movable part is single crystal silicon, and the movable part is A method of manufacturing a micromachine having a convex portion on the fixing portion that reduces a contact area when contacting the fixing portion, the supporting substrate, an embedded insulating film formed on the supporting substrate, and the embedded Etching that penetrates the single crystal silicon layer of a so-called SOI substrate composed of a single crystal silicon layer formed on the buried insulating film, and forms an opening reaching the buried insulating film in the single crystal silicon layer Etching the buried insulating film to obtain a self-supporting structure made of the single crystal silicon layer, and etching the buried insulating film of the support substrate. Areas to perform an electrochemical process, characterized by a step of non-planar with the treatment part of the electrochemical treatment.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the micromachine of the present inventionofEmbodiments of the manufacturing method will be described in detail with reference to the drawings.
[0035]
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0036]
As shown in FIG. 1A, a
[0037]
Thereafter, as shown in FIG. 1B), an
[0038]
Next, as shown in FIG. 1C), an
[0039]
Then, as shown in FIG. 1D), a second silicon substrate is bonded to the main surface of the structure, and the second silicon substrate is thinned by a polishing method to obtain a single
[0040]
Through the above steps, the
[0041]
FIG. 2A) shows the configuration of the main surface of the
[0042]
As shown in FIG. 2B), etching through the single
[0043]
As shown in FIG. 2C), the
[0044]
Through the above steps, in the micromachine having the movable portion and the fixed portion facing the movable portion, the movable portion is single crystal silicon, and the convex portion that reduces the contact area when the movable portion contacts the fixed portion. A micromachine characterized in that it is provided in the fixed part is obtained.
[0045]
Note that in the
[0046]
The structure is immersed in an etching solution containing hydrofluoric acid, and an etching process is performed for a time corresponding to etching the
[0047]
The
[0048]
In the micromachine, a thin portion such as the
[0049]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0050]
As shown in FIG. 3A), first, an
[0051]
Next, in FIG. 3B), a
[0052]
Thereafter, in FIG. 3C), a second single
[0053]
Through the above steps, the
[0054]
An
[0055]
FIG. 4A) shows the configuration of the main surface of the
[0056]
In FIG. 4B), etching through the single
[0057]
In FIG. 4C), the
[0058]
In the
[0059]
By the manufacturing method including the above steps, as in the first embodiment, in the micromachine having the movable portion and the fixed portion facing the movable portion, the movable portion is single crystal silicon and the movable portion is fixed. Thus, a micromachine characterized in that a convex portion that reduces a contact area when contacting the portion is provided on the fixed portion.
[0060]
4D) shows a structure obtained when an
[0061]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0062]
As shown in FIG. 5A), an
[0063]
As shown in FIG. 5B, an
[0064]
As shown in FIG. 5C), a
[0065]
Through the above steps, the
[0066]
FIG. 6A) shows the configuration of the main surface of the
[0067]
In FIG. 6B, etching is performed through the single
[0068]
In FIG. 6C), the
[0069]
In the
[0070]
By the manufacturing method including the above steps, as in the first embodiment, in the micromachine having the movable portion and the fixed portion facing the movable portion, the movable portion is single crystal silicon and the movable portion is fixed. Thus, a micromachine characterized in that a convex portion that reduces a contact area when contacting the portion is provided on the fixed portion.
[0071]
FIG. 6D) shows a structure obtained when an
[0072]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0073]
As shown in FIG. 7A), first, a
[0074]
Next, in FIG. 7B), an
[0075]
Thereafter, in FIG. 7C), a polycrystalline silicon film is formed on the main surface of the structure by a CVD method, and the single
[0076]
Through the above steps, the
[0077]
FIG. 8A) shows the configuration of the main surface of the
[0078]
Thereafter, in FIG. 8B), etching is performed through the single
[0079]
8C), the
[0080]
In the
[0081]
By the manufacturing method including the above steps, as in the first embodiment, in the micromachine having the movable portion and the fixed portion facing the movable portion, the movable portion is single crystal silicon and the movable portion is fixed. Thus, a micromachine characterized in that a convex portion that reduces a contact area when contacting the portion is provided on the fixed portion.
[0082]
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0083]
As shown in FIG. 9A), first, a single
[0084]
Next, as shown in FIG. 9B), a
[0085]
Thereafter, as shown in FIG. 9C), the main surface of the structure of FIG. 9A) and the main surface of the structure of FIG. 9B) are joined, and a high impurity concentration having a composition of hydrofluoric acid: nitric acid: acetic acid = 1: 3: 8. Only the single
[0086]
9D), an
[0087]
By the manufacturing method including the above steps, as in the first embodiment, in the micromachine having the movable portion and the fixed portion facing the movable portion, the movable portion is single crystal silicon and the movable portion is fixed. Thus, a micromachine characterized in that a convex portion that reduces a contact area when contacting the portion is provided on the fixed portion.
[0088]
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0089]
As shown in FIG. 10A), the structure of the main surface of a standard SOI substrate is shown. The structure is explained. A single
[0090]
In FIG. 10B), etching through the single
[0091]
In FIG. 10C, the
[0092]
In FIG. 10D), the structure is immersed in an etching solution containing hydrofluoric acid, and electrolytic etching is performed while applying voltage to the
[0093]
Through the above steps, in the micromachine having the movable portion and the fixed portion facing the movable portion, the movable portion is single crystal silicon, and the convex portion that reduces the contact area when the movable portion contacts the fixed portion. A micromachine characterized in that it is provided in the fixed part is obtained.
[0094]
Similarly, the structure shown in FIG. 10C) may be immersed in an electrolytic plating solution as shown in FIG. 10E), and electroplated while applying a voltage to the
[0095]
In the above description of the first to sixth embodiments, specific examples have been described, but the present invention is not limited to these terms and drawings. An example will be described below.
[0096]
For example, in the first, second, third and fourth embodiments, the
[0097]
In the first and fourth embodiments, the
[0098]
In the first, second, third, and fifth embodiments, the direct bonding of two substrates has been described as an example. However, the present invention is not limited to this and may be a eutectic alloy bonding. However, other bonding methods such as anodic bonding may be used.
[0099]
In the second and third embodiments, the
[0100]
Further, although the sixth embodiment has been described by taking electrolytic etching and electrolytic plating as examples, it is not limited to this, and self-alignment is performed only in the region where the buried
[0101]
In the first, second, third, and fourth embodiments, the planarization of the
[0102]
In the first, second, and third embodiments, the thinning of the silicon substrate when obtaining the single crystal silicon layers 305, 405, and 505 has been described as an example of polishing. However, the present invention is not limited to this. Alternatively, other thinning methods, for example, selective etching as in the fifth embodiment may be used, etching by time control, or etching of only the n-type silicon layer is stopped electrochemically, and p-type is performed. So-called electrochemical etching may be used in which only the silicon substrate is etched. Of course, in the fifth embodiment as well, the thinning technique is not limited.
[0103]
In the first, second, and third embodiments, the SOI substrate structure in which the
[0104]
In the fourth embodiment, an example in which the
[0105]
In the fifth embodiment, the spacer for forming the
[0106]
In the first, second, and third embodiments, the convex portion at the interface between the buried insulating film and the support substrate is formed on the entire surface of the substrate. However, the convex portion may be provided only on the portion facing the movable portion.
[0107]
In the first, second, third, fourth, fifth and sixth embodiments, the
[0108]
In the first, second, third, and sixth embodiments, the
[0109]
In the first, second, third, fourth, and fifth embodiments, the shape of the
[0110]
In all the embodiments, single crystal silicon has been described as an example of the structural material of the micromachine. However, applying the present invention to other single crystal materials such as gallium arsenide, crystal, or single crystal metal is the same. It is possible if it is a trader.
[0111]
According to the first, second, third, and fourth embodiments described above, the interface between the buried oxide film and the SOI layer is formed of a flat surface without unevenness, and the interface between the buried oxide film and the support substrate. In addition, it is common to form a micromachine after forming an SOI substrate characterized by having a convex part. Therefore, a highly integrated circuit and micromachine are integrally formed by trench isolation. Therefore, sophistication (intelligent) and miniaturization of the micromachine are realized.
[0112]
In addition, the
[0113]
According to the first, second, third, fifth and sixth embodiments, since the single crystal silicon layers 305, 405, 505, 705 and 805 are obtained by thinning the silicon substrate, a thick structure can be realized. Can do. Therefore, the mass of the weight portion of the micromachine can be increased and the capacitance of the comb electrode electrode can be increased, so that the sensitivity of the micromachine, for example, the mechanical quantity sensor unit, and the increase of the power of, for example, the electrostatic actuator can be realized.
[0114]
According to the first, second, third, fourth and sixth embodiments, since the single crystal silicon layers 305, 405, 505, 605 and 805 are obtained by joining two silicon substrates, a low-stress structural material is obtained. Obtained, and no process for stress control is required.
[0115]
According to the first embodiment, the interface between the buried oxide film and the SOI layer is constituted by a flat surface without irregularities, and has a convex part at the interface between the buried oxide film and the support substrate. In the first, second, third, and fourth embodiments for forming a featured SOI substrate, the process for forming the SOI substrate is relatively short, and particularly when the silicon nitride film is formed by a direct nitridation technique. Is short.
[0116]
According to the second and third embodiments, by bonding the polished polycrystalline silicon layer and the single crystal silicon layer, the interface between the buried oxide film and the SOI layer is formed from a flat surface without unevenness. Since the SOI substrate having a convex portion is formed at the interface between the buried oxide film and the support substrate, the oxide film and the single crystal silicon layer according to the first embodiment are formed. The effect that the bonding strength is higher than that of an SOI substrate formed by bonding is obtained. The upper and lower interfaces of the buried oxide film to be sacrificial etched are obtained by sequential film formation, and the effect that the abnormal etching rate increase phenomenon that occurs at the interface between the oxide film and the single crystal silicon layer does not occur. Is obtained.
[0117]
In addition, since it is not necessary to perform patterning on the substrate that becomes the support substrate for bonding (the substrate that is not subject to thinning by polishing), disturbance is given to the substrate that becomes a support substrate with strict standards for flatness, parallelism, and warpage. Therefore, the yield of the joining process can be improved.
[0118]
In addition, the polycrystalline silicon that becomes compressive stress is provided on the bonding surface side of the substrate to be thinned, and the bonding surface of the substrate has an action of being convex upward, so that the yield of the bonding process can be improved. .
[0119]
Polycrystalline silicon layers 402 and 502 can be used as a lower electrode facing the movable portion.
[0120]
According to the sixth embodiment, a standard SOI substrate can be used as SIMOX or bonded SOI, and an electrochemical process performed by self-alignment is performed in one step without adding any mask. Since it only needs to be added, the increase in cost can be kept low. When electrolytic plating is used, the plating layer can be used as a low-resistance lower electrode facing the movable part.
[0121]
【The invention's effect】
By the manufacturing method including the steps described above, in a micromachine having a movable part and a fixed part facing the movable part, the movable part is single crystal silicon, and the contact area when the movable part comes into contact with the fixed part is reduced. The effect that the micromachine characterized by having the convex part to reduce in the fixed part is realizable is acquired.
[0122]
In the micromachine of the present invention, when the bottom surface of the movable portion contacts the outermost surface of the support substrate, the convex portion provided on the fixed portion has an action of reducing the contact area, and therefore tends to adhere. There is a reduction effect. The bottom surface and the top surface of the movable part have an effect of being formed from a flat surface having no irregularities, and therefore there is an effect of reducing the tendency of breakage due to stress concentration when the movable part is subjected to bending. In addition, there is an effect that there is no grain boundary in the movable part, and there is an action formed from single crystal silicon with few dislocations and defects, and therefore the effect of reducing the tendency of breakage due to stress concentration when the movable part is bent by external force, It has the effect of avoiding the phenomenon of intergranular corrosion and intergranular cracking when the moving part is treated with chemicals or gas.
[0123]
Furthermore, in the present invention, since the micromachine is constituted by a material having a stable physical property of single crystal silicon, for example, a piezoresistor, which is an element for detecting stress, can be stably formed in the micromachine, and is therefore movable. The sensitivity of the displacement detection of the part can be increased, and for example, the sensitivity of the mechanical quantity sensor part can be increased. Furthermore, the semiconductor element can be built in, for example, an anchor portion inside the micromachine, and the effect of realizing the sophistication (intelligent) and miniaturization of the micromachine can be obtained.
[0124]
The above various excellent effects can be enjoyed simultaneously.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the steps up to formation of an SOI substrate according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2C are views for explaining the formation from the SOI substrate formation to the micromachine formation in the first embodiment of the present invention, wherein A) to C) and E are cross-sectional views, and D) is a plan view.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the process up to the formation of an SOI substrate according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating from SOI substrate formation to micromachine formation in a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the process up to formation of an SOI substrate according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating from SOI substrate formation to micromachine formation in a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the process up to formation of an SOI substrate in a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating from SOI substrate formation to micromachine formation according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating from SOI substrate formation to micromachine formation in a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining from SOI substrate formation to micromachine formation in a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a structure of a conventional micromachine and a manufacturing method thereof.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a problem of a conventional micromachine.
[Explanation of symbols]
300, 400, 420, 500, 520, 600, 800 Silicon substrate
301,308,401,408,508,601,608,708,730,731 Recess
302,304,404,421,504,530,602,604,804 oxide film
303,403,503,603 Silicon nitride film
305, 405, 505, 605, 705, 805 Single crystal silicon layer
306,606 SOI substrate
307, 407, 507, 607, 707 Projection
309, 310, 409, 410, 590, 510, 609, 610
interface
311, 411, 511, 711, 811 Movable part
312, 412, 512, 712, 812 Anchor part
313 Large pattern
314,319 Line pattern part
315 worm-eaten pattern part
316, 416, 516, 616, 630, 631, 716 opening
317 patterned single crystal silicon layer
318 holes
340, 440, 540, 640, 740, 840 Micromachine
402,502 Polycrystalline silicon layer
406,506 SOI layer
700 High concentration silicon substrate
732 glass substrate
733 cavity
830 Porous silicon layer
831 Plating layer
Claims (7)
支持基板、当該支持基板上に形成された埋込絶縁膜および当該埋込絶縁膜上に形成された単結晶シリコン層から構成される、いわゆるSOI基板であって、前記単結晶シリコン層と前記埋込絶縁膜との界面が平坦、かつ、前記埋込絶縁膜と前記支持基板との界面に凸部を有するSOI基板を形成する第1工程と、A so-called SOI substrate comprising a supporting substrate, a buried insulating film formed on the supporting substrate, and a single crystal silicon layer formed on the buried insulating film, wherein the single crystal silicon layer and the buried substrate are formed. A first step of forming an SOI substrate having a flat interface with the embedded insulating film and having a convex portion at the interface between the buried insulating film and the support substrate;
前記SOI基板の前記単結晶シリコン層を貫通するエッチングを行ない、前記埋込絶縁膜に達する開口部を単結晶シリコン層に形成する第2工程と、A second step of performing an etching through the single crystal silicon layer of the SOI substrate and forming an opening reaching the buried insulating film in the single crystal silicon layer;
前記開口部をエッチング・ホールとし、前記埋込絶縁膜をエッチングし、前記単結晶シリコン層からなる自立した構造体を得る第3工程とを有し、A third step in which the opening is an etching hole, the buried insulating film is etched, and a self-supporting structure made of the single crystal silicon layer is obtained;
前記第1工程は、前記支持基板の主面に凹部を形成する工程と、前記構造体の主面に絶縁膜を成膜し、前記絶縁膜の主面を平坦化する工程と、前記構造体にシリコン基板を接合し、前記シリコン基板を薄膜化する工程とを有することを特徴とする微小機械の製造方法。The first step includes a step of forming a recess in the main surface of the support substrate, a step of forming an insulating film on the main surface of the structure, and a step of flattening the main surface of the insulating film; And a step of bonding the silicon substrate to a thin film.
支持基板、当該支持基板上に形成された埋込絶縁膜および当該埋込絶縁膜上に形成された単結晶シリコン層から構成される、いわゆるSOI基板であって、前記単結晶シリコン層と前記埋込絶縁膜との界面が平坦、かつ、前記埋込絶縁膜と前記支持基板との界面に凸部を有するSOI基板を形成する第1工程と、A so-called SOI substrate comprising a supporting substrate, a buried insulating film formed on the supporting substrate, and a single crystal silicon layer formed on the buried insulating film, wherein the single crystal silicon layer and the buried substrate are formed. A first step of forming an SOI substrate having a flat interface with the embedded insulating film and having a convex portion at the interface between the buried insulating film and the support substrate;
前記SOI基板の前記単結晶シリコン層を貫通するエッチングを行ない、前記埋込絶縁膜に達する開口部を単結晶シリコン層に形成する第2工程と、A second step of performing an etching through the single crystal silicon layer of the SOI substrate and forming an opening reaching the buried insulating film in the single crystal silicon layer;
前記開口部をエッチング・ホールとし、前記埋込絶縁膜をエッチングし、前記単結晶シリコン層からなる自立した構造体を得る第3工程とを有し、A third step in which the opening is an etching hole, the buried insulating film is etched, and a self-supporting structure made of the single crystal silicon layer is obtained;
前記第1工程は、前記シリコン基板の主面に絶縁膜を成膜し、前記絶縁膜の主面に凹部を形成する工程と、構造体の主面に、中間膜を成膜し、前記中間膜の主面を平坦化する工程と、前記構造体を支持基板に、前記中間膜を介して接合し、前記シリコン基板を薄膜化する工程とを有することを特徴とする微小機械の製造方法。In the first step, an insulating film is formed on the main surface of the silicon substrate, a recess is formed on the main surface of the insulating film, and an intermediate film is formed on the main surface of the structure. A method of manufacturing a micromachine, comprising: a step of flattening a main surface of a film; and a step of bonding the structure to a support substrate through the intermediate film and thinning the silicon substrate.
支持基板および単結晶シリコン基板を用意し、前記支持基板ないしは前記単結晶シリコン基板のいずれかの主面に、スペーサを形成する工程と、Preparing a support substrate and a single crystal silicon substrate, forming a spacer on the main surface of the support substrate or the single crystal silicon substrate; and
前記支持基板の主面に凸部を形成する工程と、Forming a protrusion on the main surface of the support substrate;
前記支持基板および前記単結晶シリコン基板を、前記スペーサを介して接合し、キャビティを形成する工程と、Bonding the support substrate and the single crystal silicon substrate via the spacer, and forming a cavity;
前記単結晶シリコン基板を薄膜化し、単結晶シリコン層を得る工程と、Thinning the single crystal silicon substrate to obtain a single crystal silicon layer;
前記単結晶シリコン層を貫通するエッチングを行ない、前記キャビティに達する開口部を形成し、前記単結晶シリコン層からなる自立した構造体を得る工程とEtching through the single crystal silicon layer, forming an opening reaching the cavity, and obtaining a self-supporting structure comprising the single crystal silicon layer;
を有することを特徴とする微小機械の製造方法。A method for manufacturing a micromachine, comprising:
支持基板、当該支持基板上に形成された埋込絶縁膜および当該埋込絶縁膜上に形成されA supporting substrate, a buried insulating film formed on the supporting substrate, and a buried insulating film formed on the buried insulating film; た単結晶シリコン層から構成される、いわゆるSOI基板の、前記単結晶シリコン層を貫通するエッチングを行ない、前記埋込絶縁膜に達する開口部を単結晶シリコン層に形成する工程と、Etching so as to penetrate the single crystal silicon layer of the so-called SOI substrate composed of the single crystal silicon layer, and forming an opening reaching the buried insulating film in the single crystal silicon layer;
前記開口部をエッチング・ホールとし、前記埋込絶縁膜をエッチングし、前記単結晶シリコン層からなる自立した構造体を得る工程と、Forming the opening as an etching hole, etching the buried insulating film, and obtaining a self-supporting structure made of the single crystal silicon layer; and
前記支持基板の、前記埋込絶縁膜をエッチングした領域に電気化学的処理を行ない、前記電気化学的処理の被処理部を平坦でなくする工程とPerforming an electrochemical process on a region of the support substrate where the buried insulating film has been etched, so that a portion to be processed of the electrochemical process is not flat;
を有することを特徴とする微小機械の製造方法。A method for manufacturing a micromachine, comprising:
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