JP4180663B2 - マイクロメカニックデバイスの製造方法及びマイクロメカニックデバイス - Google Patents

Description

技術分野
本発明は，独立請求項の分野に記載のマイクロメカニックデバイスの製造方法及びマイクロメカニックデバイスに関する。
背景技術
ドイツ公開公報第ＤＥ １９ ５３０ ７３６ Ａ１号からは，犠牲層上に可動素子を形成し，次工程で可動素子の下部の犠牲層を除去するマイクロメカニック加速度センサ及びかかる加速度センサの製造方法が既知である。この可動素子は，螺旋ばねにより結合領域と結合するが，このとき結合領域の下部の犠牲層は除去されないので，結合領域は基板と強固に結合する。可動素子の付着を低減する手段については開示していない。
発明の開示
上記に対し，独立請求項に記載の特徴を有する本発明にかかる方法及び本発明にかかるマイクロメカニックデバイスは，表面の保護膜により可動素子の付着性を低減するという利点を有する。従って，可動素子は相互にあるいは固定素子に付着する恐れがないので，他の可動素子あるいは固定素子と接触する位の高電圧で可動素子を制御することが可能になった。マイクロメカニックデバイスの作動安全性は，上記手段により改善される。さらに，このように形成される構造は，付着の恐れがないので，製造工程中，問題なく取り扱われる。
従属請求項に記載の特徴により，独立請求項に記載の方法あるいはデバイスの好ましい実施形態及びその改良が可能になる。デバイス自体は，極めて良好な機械的特性を有しかつ極めて良好に構造を形成できる材料であるシリコンで形成するのが好ましい。シリコン酸化物からなる犠牲層は極めて良好にエッチングされ，基板材料であるシリコンは，シリコンからなる可動素子の熱膨張係数に最適に適合するように極めて小さい熱膨張係数を有する。保護膜の形成は，特に，化学的気相成長法あるいはプラズマ支援化学的気相成長法により容易に行われる。
【図面の簡単な説明】
本発明の実施例を図面に示し，以下の説明において詳細に説明する。図１から４は，製造方法の横断面図を示し，図４は，完成したマイクロメカニックデバイスの横断面図を示し，図５は，マイクロメカニックデバイスの絶縁に及ぼすごみ粒子の影響を示す。
発明を実施するための最良な形態
図１から４は，マイクロメカニックデバイスの製造を横断面図に基づいて説明するものである。図１は，その上にシリコン酸化物からなる犠牲層２が形成されるプレート形状のシリコン基板を示す。シリコン酸化物からなる犠牲層２上には，新たなシリコン層３が形成される。図１に示すように，エッチング工程により上部のシリコン層３に可動素子４を形成し，この可動素子はまだ犠牲層２上に固定されている。さらには，シリコン層３の上部に形成する，例えばアルミニウムなどの金属層５も示されている。
ここで重要なのは，可動素子４が犠牲層２上に配置されていることである。この可動素子４は，犠牲層２の除去後に（図２に示す），マイクロメカニックデバイスの残余層と比較して可動であるという意味において可動という。これは，可動素子が一方向に極めて細長いので，作用する力により屈曲されることにより得られる。図１においては，かかる可動素子を概略的にのみ示す。これは，例えばＤＥ １９ ５３０ ７３６ Ａ１で周知である加速度センサが挙げられる。
シリコン基板１，シリコン酸化物からなる犠牲層２及び可動素子４を形成する上部シリコン層３に代えて他の材料を使用することができる。シリコン基板１に代えて例えばセラミック基板あるいは金属基板を使用することができる。シリコン酸化物に代えて他の層（例えばガラス，金属あるいは他のセラミック材料）を犠牲層２として使用することができる。上部シリコン層３に代えて，他の層（例えば，金属）を使用することができる。この場合には，可動素子４は，エッチングではなく，電気的分離により形成される。しかしながら，好ましい実施形態は，シリコン基板１，シリコン酸化物からなる犠牲層２及び可動素子４となる上部シリコン層３により構成されるのが良い。このとき，各層１，２，３がかかる材料構成である場合には，アルミニウムからなる金属層５を使用するのが好ましい。ここで重要なのは，可動素子が比較的小さいので，付着力は，可動素子を可動するのに必要な力と比較して相対的に大きくなることである。このとき，可動素子が相互にあるいは上部シリコン層３の残余層と接触した場合には，マイクロメカニックデバイスの機能性が危険にさらされる。可動素子４を容易に可動する方向に，マイクロメカニックデバイスの通常の駆動力よりも大きな力が発生した場合に接触する。これは，例えば突然に大きな加速度が発生する場合がある。この大きな加速度は，例えば，製造時に，マイクロメカニックデバイスを約１ｍの高さのテーブルからコンクリート床に落下した場合に発生する。このとき，可動素子４が相互にあるいは基板１又は上部シリコン層３の残余層と接触した場合には極めて大きな付着力が発生し，制御される可動素子は，この付着力に打ち勝つ程の充分な復帰力を有しない。この場合には，可動素子４は，相互にあるいは基板１又は上部シリコン層３の残余層と固着する。大きな加速度が発生する以外にも，可動素子４間あるいは基板１又は上部シリコン層３との間に電圧差が印加される場合にも，可動素子４は極めて大きく変位することがある。静電引力は，小さい構造に対しては相対的に大きく働くので，この場合にも，可動素子４の許容できない大きさの変位を発生する力となる。かかる場合も，可動素子４が固着する恐れがある。
図２に，可動素子４の下部の犠牲層２を除去する他の製造工程を示す。犠牲層２の除去は，例えばフッ化水素酸溶液あるいはフッ化水素蒸気によるエッチング工程で行われる。図２は，少なくとも可動素子４の表面に，付着力を減少させるのに有効な保護膜を形成することを提案する。これを，図３に示す。
図３は，保護膜７形成後のマイクロメカニックデバイスの他の製造工程を示す。図から明らかなように，保護膜７は，可動素子４以外にも，シリコン層３表面あるいは可動素子４の下部位置にあるシリコン基板１の表面も被覆している。この保護膜７は，例えばシリコン酸化物あるいはシリコン窒化物などの材料からなり，その膜厚が数ナノメータから１００ナノメータの範囲にある。このように，保護膜７は，その膜厚が非常に薄いので，可動素子４に対して重大な機械的影響を与えることはない。保護膜７の形成は，シリコン酸化物あるいはシリコン窒化物層を形成する公知の方法ですることができる。まず，第１に，化学的気相成長（ＣＶＤ＝ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）あるいはプラズマ支援化学的気相成長（ＰＥＣＶＤ＝ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が挙げられる。これらの方法の利点は，特に，可動素子４と基板１との間にある中空空間６内の成膜もできることである。このとき，当然ながら，可動素子４の下部及び側壁も，この保護膜７で被覆される。ここで注目すべきことは，かかる薄いシリコン酸化物層あるいはシリコン窒化物層を使用することにより，可動マイクロ素子の付着問題を決定的に緩和することが明らかになったことである。このことは，通常の装置により極めて高い生産性で，かかる膜を形成できるという利点を有する。
また，選択的に，シリコン窒化物あるいはシリコン酸化物と異なる保護膜を使用することができる。例えば金属酸化物，金属窒化物，有機コーティングなどが挙げられる。さらに，保護膜は，マイクロデバイス構造の材料自体を変化させることによっても形成でき，例えばシリコンマイクロ構造あるいは金属マイクロ構造の場合には，酸化することにより形成できる。図３に概略的に示すマイクロ構造は，可動素子４の以外に，さらに層３により形成される固定素子も有する。このとき，保護膜は，可動素子上，固定素子上，あるいは，図３に示すように，至る所にも形成できる。付着を防止するためには，互いに接触する可能性のある接触面上にのみ，保護膜を形成するだけで十分である。図３において，接触する危険性のある面は，例えば，基板に対して垂直な可動素子の側壁及び固定素子の側壁である。
その後，保護キャップ１０を取り付けることにより，外界から隔離して密閉しすることができる。これを，図４に示す。この保護キャップ１０は，例えばガラス半田，接着剤などからなる結合層１１を介して，シリコン層３あるいはその上部に形成した保護膜７と結合することができる。金属層５との接触を確保するために，金属層の上部に形成された保護膜７は，例えばエッチング工程などの他の処理工程により除去される。
形成された保護膜７は，付着力を低減する以外にも，さらに他の利点を有する。この利点を，図５に基づいて説明する。この図は，同様に，下部シリコン層１，犠牲層２及び上部シリコン層３を有するマイクロメカニックデバイスの横断面を示す。さらに，同様に，上部シリコン層３から可動素子４の構造が形成され，このとき，可動素子４の下部の犠牲層２は除去されている。さらに，可動素子４の下方の中空空間６内に位置する１つのごみ粒子１３と，シリコン層３の上部で可動素子４と接触する位置にある１つのごみ粒子１３が示されている。図３及び４に示すように，同様に，表面全体が薄いシリコン酸化物薄膜あるいはシリコン窒化物薄膜で被覆されているが，図５では簡略化のため図示しない。マイクロメカニックデバイスでは，力は，マイクロメカニックデバイスの各部品間に電圧を印加することにより発生する。このため，可動素子４を，例えば上部シリコン層３の残余層から絶縁することができる。このとき，図５に示すように，シリコン層３の残余層と可動素子４との間にごみ粒子がある場合には，これら２つの領域間で短絡が発生し，これら領域は，相互に絶縁されない。このとき，当然ながら，必要とする静電気力を発生することは困難である。さらに，例えば上部シリコン層３で形成される可動素子４と固定素子との間の容量測定による信号計測のために，可動素子４には異なる電圧を印加できるが，かかる測定も短絡により阻止される。シリコン酸化物及びシリコン窒化物からなる保護膜は，良好な電気的絶縁性も有するので，ごみ粒子が存在する場合でも電気的な絶縁状態を維持することができる。このことは，当然ながら，上部シリコン層３及び下部シリコン層１との間に電位差が存在する場合にも該当する。
ここでも，シリコン酸化物あるいはシリコン窒化物からなる表面絶縁保護膜が，絶縁体として作用するので，図５に示すように，中空空間６内にごみ粒子が存在しても，上部シリコン層３と下部シリコン層１との間で電気的に短絡することはない。従って，付着力を低減する以外にも，シリコン酸化物あるいはシリコン窒化物からなる保護膜は，マイクロメカニックデバイスの各素子相互間の絶縁も改善できる。

Claims (6)

1. シリコン層（３）を構造化して可動素子（４）を犠牲層（２）上に形成し，次工程で前記可動素子（４）の下部の前記犠牲層（２）を除去することにより前記可動素子（４）が移動になるマイクロメカニックデバイスの製造方法であって，
   前記犠牲層を除去する前に、前記シリコン層（３）の上部に金属層（５）を形成し、
   化学的気相成長（ＣＶＤ）あるいはプラズマ支援化学的気相成長により、付着を減少するための保護膜（７）を形成し，前記保護膜により前記可動素子（４）の接触の際の付着を低減し、
   前記保護膜（７）を形成する場合に、前記金属層（５）の表面にも保護膜（７）を形成し、
   次工程において、前記金属層（５）上の前記保護膜（７）を除去し、
   前記可動素子（４）は、基板（１）上に配置され，
   前記保護膜（７）の形成後に，前記可動素子（４）を保護する保護キャップ（１０）を基板と結合し，
   前記保護キャップ（１０）により保護されない前記基板（１）の領域の前記保護膜（７）を、再び除去することを特徴とするマイクロメカニックデバイスの製造方法。
2. 前記保護膜（７）が，前記可動素子（４）の表面上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記保護膜（７）が，固定素子の表面上に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記保護膜（７）に対しては，シリコン酸化物及び／又はシリコン窒化物が使用されることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の方法。
5. 前記犠牲層（２）に対しては、シリコン酸化物層を使用し，前記犠牲層は，前記シリコンからなる基板（１）上に配置されることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の方法。
6. 前記犠牲層（２）の除去は，フッ化水素酸溶液あるいはフッ化水素蒸気によるエッチングで行われることを特徴とする請求項５に記載の方法。

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