JP3944990B2

JP3944990B2 - マイクロメカニカルスイッチの製造方法

Info

Publication number: JP3944990B2
Application number: JP02079898A
Authority: JP
Inventors: 峰一酒井; 稲男豊田; 康利鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2018-02-02
Also published as: JPH11219643A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度の変化により動作するマイクロメカニカルスイッチの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のマイクロメカニカルスイッチとしては、例えば特開平２−２６０３３３号公報に記載されたものがある。このものは、犠牲層エッチングプロセスを使用したマイクロマシニング技術によって、シリコンより成る基板上に加速度の印加に応じて変形する片持ち梁を形成し、この片持ち梁を可動接点とし、且つ基板側に設けた金属メッキ層を固定接点とした加速度スイッチを構成するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、ガス用の流量メータに内蔵され、地震などの振動を感知したときにガス配管のバルブを閉塞する用途などには、そのシステムの小型化に適したマイクロメカニカルスイッチを採用することが行われている。このような用途には、二次元平面（水平面）内において等方的に加速度を検知できるスイッチを使用することが行われるが、前記従来構成のマイクロメカニカルスイッチにあっては、基板に対し垂直な方向の加速度しか検知できず、用途が限定されるという問題点がある。
【０００４】
このような用途に適応できるマイクロメカニカルスイッチとしては、特開平９−１４５７４０号公報に記載されたものがある。即ち、この公報に記載されたスイッチも、犠牲層エッチングプロセスを使用したマイクロマシニング技術によって製造されるもので、支持基板上に固定されたアンカー部と、このアンカー部に梁部を介して連結されて上記支持基板の表面と平行な方向へ変位可能に設けられた環状のおもり可動電極と、このおもり可動電極を包囲するように配置された環状の固定電極とを備えた構成となっている。上記可動電極の外周面及び固定電極の内周面は、微小な検出ギャップを存して面対向された電極面として機能するようになっており、所定レベルを越える加速度が作用したときには、おもり可動電極が変位して両電極面が接触し、その接触状態の有無に応じて水平方向に作用する加速度を等方的に検出できるようになっている。
【０００５】
しかしながら、このものでは、可動部分である梁部及びおもり可動電極を形成するために、複雑な形状のシリコン加工が要求されるため、その製造が難しくなるとという問題点があり、また、犠牲層エッチング工程でのエッチング液に起因して、梁部が固定部分に張り付くという所謂スティキングが発生することがあり、これが製造時における歩留まりの悪化を招くという問題点もあった。
【０００６】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水平方向に作用する加速度を等方的に検出できると共に、歩留まり並びに製造性の向上を容易に実現できるようになるマイクロメカニカルスイッチの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項１に記載した手段を採用できる。この手段により製造したマイクロメカニカルスイッチによれば、半導体基板と平行した水平方向の加速度が作用したときには、凹部内で導電体が回転移動するようになるが、その凹部は半球状に形成されたものであるから、導電体の回転移動方向に指向性はない。そして、作用する加速度が所定レベルを越えたときには、その導電体が上記凹部の上面開口縁部まで上昇するようになって、当該凹部の周縁部の上方に位置する環状の電極部と当接するようになり、これに応じて、導電体が電極部と半導体基板との間を橋絡した状態となってスイッチング出力が得られるようになる。
【０００８】
従って、このような手段により製造したマイクロメカニカルスイッチにあっては、水平方向に作用する加速度を等方的に検出できることになり、また、球状の導電体は凹部の表面に対して点接触されるものであると共に、最終段階で凹部内に収納するだけで良いものであるから、その導電体がスティキングを起こすことがなくなって、製造時における歩留まりの向上を容易に実現できるようになる。しかも、斯様な構成のマイクロメカニカルスイッチを製造するに当たっては、半導体基板にその上面で開口する半球形状の凹部を形成すると共に、その半導体基板上に単純な形状の導電膜を絶縁膜を介して形成した上で、凹部内に導電体を収納するだけで済むから、その製造性が大幅に向上するようになる。
【０００９】
この場合、前記半導体基板を、その上面側に不純物高濃度層を形成した構成とした場合には、導電体と半導体基板との間の接触抵抗、並びに半導体基板とこれから信号を取り出すために必要となる電極との間の接触抵抗が小さくなると共に、半導体基板自体の抵抗値も小さくなるから、スイッチング出力が安定するようになって検出信頼性の向上を実現できるようになる。
【００１０】
前記目的を達成するために、請求項１に記載したような製造方法を採用できる。この製造方法によれば、半導体基板上に犠牲層用薄膜として機能可能な絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程、開口部を有した導電膜を上記絶縁膜上に形成する導電膜形成工程、前記絶縁膜における前記導電膜の開口部周縁と対応した部分を犠牲層エッチングして環状の電極部を形成する電極部形成工程、前記半導体基板に対し前記開口部との対向部分から等方性エッチングを施して半球形状の凹部を形成する凹部形成工程、上記凹部内に前記開口部を通じて球状の導電体を収納する導電体収納工程を実行するだけで、前述したような効果を奏するマイクロメカニカルスイッチを製造できることになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１実施例について図１ないし図３を参照しながら説明する。図１及び図２には、本実施例によるマイクロメカニカルスイッチ１の摸式的な縦断面構造及び平面構造がそれぞれ示されている。
【００１２】
図１及び図２において、マイクロメカニカルスイッチ１のベースとなる矩形状のシリコン基板２（本発明でいう半導体基板に相当：伝導型はＮ及びＰの何れでも可）の中央部分には、その上面で開口した半径５０〜１０００μｍ程度の半球形状の凹部３が形成されている。また、シリコン基板２上には、上記凹部３及び後述するコンタクト部８ａ以外の部分にシリコン酸化膜より成る絶縁膜４が成膜されている。この絶縁膜４上には、前記凹部３の上面開口縁部から当該凹部３の中心方向へ庇状に延出した状態の環状の電極部５ａを有した導電膜５が形成されている。尚、上記導電膜５は、ＴｉＷ、Ｐｔなどの金属材料により形成されるもので、上記電極部５ａの中心部には円形の開口部５ｂが形成された状態となっている。
【００１３】
前記凹部３内には、樹脂ビーズの表面にＡｕ、Ｎｉなどを材料とした金属膜を被覆して構成された直径１０〜５００μｍ程度の球状の導電体６が回転移動可能に収納されている。これにより、図１に二点鎖線で示すように、導電体６が凹部３の上面開口縁部まで上昇して電極部５ａに接触した状態では、当該導電体６により電極部５ａとシリコン基板２との間が橋絡された状態となるものであり、これによりスイッチング出力が得られるものである。
【００１４】
そして、シリコン基板２上には、当該シリコン基板２及び前記電極部５ａに対しそれぞれ電気的に接続されたボンディングパッド７及び８が設けられる。これらボンディングパッド７及び８は、前記導電膜５と同じ材料により形成されるもので、一方のボンディングパッド７（図２のみに図示）は、シリコン基板２上に形成された配線パターン７ａを介して導電膜５に一体的に接続され、他方のボンディングパッド８は、絶縁膜４を貫通するように一体に形成された前記コンタクト部８ａを介してシリコン基板２にオーミック接続される。
【００１５】
上記のように構成されたマイクロメカニカルスイッチ１にあっては、シリコン基板２に対して平行した水平方向の加速度が作用したときには、凹部３内で導電体６が回転移動するようになるが、その凹部３は半球状に形成されたものであるから、導電体６の回転移動方向は、作用した加速度に応じた方向となって指向性が出ることはない。そして、作用する加速度が所定レベルを越えたときには、図１に二点鎖線示すように、導電体６が、凹部３の上面開口縁部まで上昇して導電膜５に形成された電極部５ａと当接するようになり、これに応じて、導電体６が電極部５ａとシリコン基板２との間を橋絡した状態となる。従って、ボンディングパッド７及び８間に電圧を印加した状態としておけば、上記のような橋絡状態が発生した瞬間に、導電膜５、導電体６及びシリコン基板２を通じて電流が流れるというスイッチング出力が、ボンディングパッド７及び８間を通じて得られることになる。
【００１６】
従って、本実施例によるマイクロメカニカルスイッチ１によれば、水平方向に作用する加速度を等方的に検出できることになる。また、球状の導電体６は凹部３の表面に対して点接触されるものであると共に、最終段階で凹部３内に収納するだけで良いものであるから、その導電体６が凹部３の表面或いは電極部５ａの下面に張り付くというスティキングを起こすことがなくなって、製造時における歩留まりの向上を容易に実現できるようになる。この場合、導電体６は直径１０〜５００μｍ程度の球状に設定されるものであるが、凹部３の表面凹凸は、これを０．００１μｍ程度とすることができるから、導電体６の回転移動が阻害されることはない。
【００１７】
しかも、斯様な構成のマイクロメカニカルスイッチ１を製造するに当たっては、シリコン基板２にその上面で開口する半球形状の凹部３を形成すると共に、そのシリコン基板２上に単純な形状の導電膜５を絶縁膜４を介して形成した上で、凹部３内に導電体６を収納するだけで済むから、その製造性が大幅に向上するようになる。
【００１８】
図３には、上記のような効果を奏するマイクロメカニカルスイッチ１の製造工程例が摸式的な断面図により示されており、以下これについて説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、最終的にマイクロメカニカルスイッチ１のシリコン基板２となるシリコンウェハ９（本発明でいう半導体基板に相当）を用意する。この場合、シリコンウェハ９の面方位は（１００）、（１１０）、（１１１）の何れでも良い。また、その伝導型は問わない。
【００１９】
そして、最初に図３（ｂ）に示す絶縁膜形成工程を実行する。この工程では、シリコンウェハ９の表面に、膜厚０．１〜１μｍ程度のシリコン酸化膜１０（本発明でいう絶縁膜に相当）を形成した後に、そのシリコン酸化膜１０をパターニングすることにより、最終的にボンディングパッド８のコンタクト部８ａと対応される領域に開口部１０ａを形成する。このシリコン酸化膜１０は、最終的にシリコン基板２上の絶縁膜４となる。
【００２０】
次いで、図３（ｃ）に示す導電膜形成工程を実行する。この工程では、シリコンウェハ９上に、ＴｉＷ、Ｐｔなどより成る金属材料膜を堆積した後に、その金属材料膜をパターニングすることによって、前記シリコン酸化膜１０上に、予め決められた位置に開口部５ｂを有した導電膜５を形成すると共に、前記ボンディングパッド７及び８（配線パターン７ａ及びコンタクト部８ａを含む）を形成する。尚、図３では、ボンディングパッド７は図示されていない。
【００２１】
この後、図３（ｄ）に示す電極部形成工程を実行する。この工程では、まず、シリコン酸化膜１０及び導電膜５上に、その導電膜５の開口部５ｂに対応した部分のみ開口したレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンの開口部分及び上記開口部５ｂを通じてシリコン酸化膜１０をエッチングする。つまり、シリコン酸化膜１０における導電膜５の開口部５ｂの周縁と対応した部分を犠牲層エッチングするものであり、これにより、当該導電膜５における上記開口部５ｂの周囲にシリコンウェハ９から浮いた状態の環状の電極部５ａを形成する。尚、上記犠牲層エッチングは、フッ酸系のエッチング液を用いて時間制御により行う。また、犠牲層エッチングの終了後には、前記レジストパターンを除去する。
【００２２】
次に、図３（ｅ）に示す凹部形成工程を実行する。この工程では、シリコンウェハ９に対し前記開口部５ｂとの対向部分から等方性エッチングを施すことにより、当該シリコンウェハ９にその上面で開口し且つ周縁部が前記電極部５ａに下方から臨んだ状態の半球形状の凹部３を形成する。尚、このときのエッチング液は、ＨＦ：ＨＮＯ3 ：ＣＨ3 ＣＯＯＨ液を用いる。
【００２３】
次いで、図３（ｆ）に示す導電体収納工程を実行する。この工程では、前記凹部３内に前記開口部５ｂを通じて導電体６を収納するものであり、この収納時には、作業者或いはサーボ機構により操作されるピンセットを使用する。尚、マイクロメカニカルスイッチ１を完成させるためには、シリコンウェハ９のダイシング工程が必要となるが、このダイシング工程は、例えば上記導電体収納工程の前の段階で行うことができる。
【００２４】
このような製造方法によれば、半導体ウェハ９上に犠牲層用薄膜として機能可能なシリコン酸化膜１０を形成する絶縁膜形成工程、開口部５ｂを有した導電膜５を上記シリコン酸化膜１０上に形成する導電膜形成工程、前記シリコン酸化膜１０における前記導電膜５の開口部５ｂ周縁と対応した部分を犠牲層エッチングして環状の電極部５ａを形成する電極部形成工程、前記シリコンウェハ１０に対し前記開口部５ｂとの対向部分から等方性エッチングを施して半球形状の凹部３を形成する凹部形成工程、上記凹部３内に前記開口部５ｂを通じて球状の導電体６を収納する導電体収納工程を実行するだけで、前述したような効果を奏するマイクロメカニカルスイッチを極めて容易に製造できることになる。
【００２５】
（第２の実施の形態）
図４には、本発明の第２実施例が示されており、以下これについて前記第１実施例と異なる部分のみ説明する。
即ち、この第２実施例によるマイクロメカニカルスイッチ１′は、シリコン基板２の上面側に、例えば当該シリコン基板２と同じ伝導型の不純物高濃度層２ａを積層状態で設けた構成となっている。この場合、上記不純物高濃度層２ａの膜厚は、導電体６が凹部３の上面開口縁部まで上昇して電極部５ａに接触した状態において、その導電体６が不純物高濃度層２ａにも接触した状態となるような値に設定される。尚、このようなマイクロメカニカルスイッチ１′を製造するに当たっては、前述した絶縁膜形成工程（図３（ｂ）参照）に先立って、シリコンウェハ９（シリコン基板２）の上面側に不純物高濃度層２ａを例えば貼り合わせ法により形成する不純物高濃度層形成工程を実行することになる。
【００２６】
これにより、導電体６は、その回転移動に応じて不純物高濃度層２ａと電極部５ａとの間を橋絡可能に設けられるものであり、斯様な構成によれば、導電体６とシリコン基板２との間の接触抵抗、並びにボンディングパッド８のコンタクト部８ａとシリコン基板２との間の接触抵抗が小さくなると共に、シリコン基板２自体の抵抗値が小さくなる。このため、導電体６が電極部５ａとシリコン基板２（不純物高濃度層２ａ）との間を橋絡した状態時において、当該シリコン基板２を通じて流れる電流が大きくなってスイッチング出力が安定するようになるから、検出信頼性の向上を実現できるようになる。また、不純物高濃度層２ａの不純物濃度を変えることによって、上記のように流れる電流値を所望に調整することが可能となる。
【００２７】
（第３の実施の形態）
図５には、本発明の第３実施例が示されており、以下これについて前記第１実施例と異なる部分のみ説明する。
即ち、この第２実施例によるマイクロメカニカルスイッチ１″は、ボンディングパッド８のコンタクト部８ａとシリコン基板２との間の接触抵抗を下げるために、当該シリコン基板２側に、これと同じ伝導型の不純物を導入した不純物高濃度領域１１を設けた構成に特徴を有する。
【００２８】
（その他の実施の形態）
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
導電体６として、樹脂ビーズの表面に金属膜を被覆したものを使用したが、金属ビーズにより導電体を構成することも可能である。ボンディングパッド８のコンタクト部８ａとシリコン基板２との界面に、ＴｉＮ膜などより成るバリアメタル層を形成すること構成とすれば、ボンディングパッド７及び８或いは導電膜５の材料として、Ａｌのような安価なものを利用できるようになる。
【００２９】
電極部形成工程において、シリコン酸化膜１０を犠牲層エッチングする際に時間制御を行う構成としたが、その電極部形成工程に先立って、最終的に凹部３の上面開口縁部と対応した状態となる位置に、当該電極部形成工程での犠牲層エッチングの際にエッチングストッパとして機能する環状のストッパ膜（例えばＳｉＮ膜）を形成するストッパ膜形成工程を実行する構成としても良く、この構成によれば、電極部５ａを初期に想定した形状に確実に形成できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すマイクロメカニカルスイッチの平面図
【図２】同マイクロメカニカルスイッチの縦断面図
【図３】製造工程を示す摸式的な断面図
【図４】本発明の第２実施例を示す図２相当図。
【図５】本発明の第３実施例を示す図２相当図。
【符号の説明】
１、１′、１″はマイクロメカニカルスイッチ、２はシリコン基板（半導体基板）、２ａは不純物高濃度層、３は凹部、４は絶縁膜、５は導電膜、５ａは電極部、５ｂは開口部、６は導電体、９はシリコンウェハ（半導体基板）、１０はシリコン酸化膜（絶縁膜）を示す。

Claims

半導体基板上に犠牲層用薄膜として機能可能な絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
開口部を有した導電膜を前記絶縁膜上に形成する導電膜形成工程と、
前記絶縁膜における前記導電膜の開口部周縁と対応した部分を犠牲層エッチングすることにより、当該導電膜における上記開口部の周囲に前記半導体基板から浮いた状態の環状の電極部を形成する電極部形成工程と、
前記半導体基板に対し前記開口部との対向部分から等方性エッチングを施すことにより、当該半導体基板にその上面で開口し且つ周縁部が前記電極部に下方から臨んだ状態の半球形状の凹部を形成する凹部形成工程と、
前記凹部内に前記開口部を通じて球状の導電体を収納する導電体収納工程とを実行することを特徴とするマイクロメカニカルスイッチの製造方法。
前記電極部形成工程に先立って、最終的に前記凹部の上面開口縁部と対応した状態となる位置に、当該電極部形成工程での犠牲層エッチングの際にエッチングストッパとして機能するストッパ膜を形成するストッパ膜形成工程を実行することを特徴とする請求項１記載のマイクロメカニカルスイッチの製造方法。
前記絶縁膜形成工程に先立って、前記半導体基板の上面側に不純物高濃度層を形成する不純物高濃度層形成工程を実行することを特徴とする請求項１または２記載のマイクロメカニカルスイッチの製造方法。