JP4313576B2 - 自己整合されたマイクロヒンジの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面マイクロマシニング方法による、マイクロヒンジの製造方法に関する。より詳細には、シリコンオンインシュレータ(SOI)ウェハ上に自己整合されたマイクロヒンジの作製を可能にする製造方法に関する。この独特のシリコン構造は、自由回転するヒンジ結合されたマイクロ素子を必要とするマイクロ電子機械システム(以降「MEMS」)において使用することができる。
【0002】
【従来の技術】
マイクロメートル及びミリメートルスケールのマイクロ電子機械システム(MEMS)技術に基づくマイクロ装置は、マイクロセンサ、マイクロ流体制御システム及びマイクロマシーンにおいて広く使用される。現在、MEMSセンサは、自動車、医療機器及びプロセス制御応用例などの非常に広範囲な様々な分野で使用されている。このような使用において、密に詰め込まれた小さなセンサによって圧力、温度、加速度、ガス濃度及び多くの他の物理的又は化学的な状態を正確に決定することができる。部分的には、電子制御回路(VLSI技術を用いて)を関連付けかつ集積することが容易であるために、マイクロ装置は、集積回路の生産に使用されるような半導体ウェハの形態で市販されている結晶シリコンなど、半導体材料基板から一般に構築される。残念なことに、そのようなウェハタイプの基板は、一般に、約10cmから20cmの直径及び1mm未満の厚みを有するサイズに限定される。MEMSの多くの可能性のある応用例は、全ての3次元においてセンチメートルスケールで配分されたマイクロ装置のアレイを必要とするため、シリコン基板に基づく大きなマイクロ装置アレイの構成、配分、取り付け及び相互接続に相当なコストが伴う。3次元MEMSの効果的かつ効率的な作製を可能にする低価格で信頼性のある構築方法は、このタイプの技術を取り扱う現況技術の研究の核心である。
【0003】
3次元(3D)MEMSの主な利点は、表面マイクロマシニング方法によって作製されたマイクロヒンジの概念を中心に発展した。従来のマイクロファブリケーションプロセスは、厳密に2次元(2D)で押し出された装置を構築できるだけであるため、幾分制限されていた。マイクロヒンジは、元々平坦な2次元部品であったものを折り畳むことを可能にすることによって、マイクロ電子機械システム(MEMS)の世界に大変革をもたらした。部品は、依然として平面内で構築されているが、構築されたときにヒンジ結合され、または鎖状に結ばれる。プロセスの終わりで、部品は平面から折り畳まれて係止される。多くの複雑な構成が、この方法を用いて構築され、応用例は、マイクロ光学部品(例えば、光学スイッチ)、センサ及びアクチュエータを含む。この技術分野でなされた最初の業績のある例は、ケイ・エス・ジェイ・ピスターらの「Microfabricated hinges」(Sensers Actuator A、33巻、249〜256頁、1992年)に記載され、また、最近の要約は、ジェイ・バスティーロ、アール・ティー・ハウ、アール・エス・ミラーの「Surface Micromachining for Microelectromechanical Systems」(Proc.of the IEEE、第86巻、1552〜1574頁、1998年)に記載されている。しかしながら、これらの文献に記載された技術に関する否定的な要素は、表面マイクロマシニング方法によってマイクロヒンジまたはヒンジ結合部を作製するための元のプロセス技術及び元のヒンジ構成が、多くの欠点を有することである。1つの特定の欠点は、これらヒンジの作成に使用されるプロセスの複雑性である。知られているプロセス技術は、プロセスを完成するために関連するリソグラフィ技術とともに、少なくとも5つのフィルム層(例えば、ポリシリコンの3つの層、および二酸化シリコンの2つの層)の堆積を必要とする。特に、作製プロセスは、このプロセスをシリコンオンインシュレータ(SOI)ウェハに直接集積しようとすると、著しく複雑になる。
【0004】
図1、図2及び図3には、従来技術として明示された技術分野になった、シリコンオンインシュレータ(SOI)上の表面マイクロマシニングに関する基本的な知られている技術が示されている。図1は、絶縁体15及びシリコン基板11上のシリコン層10でどのように開始するかを示す。図2は、その後、材料、すなわち二酸化シリコンの層12が、シリコン上に堆積されることを示す。図3は、その後、フォトレジスト材料の層14が、二酸化シリコン上に堆積されることを示す。その後、構造は、バイナリ・フォトマスクの下で照射されてフォトレジストが現像され、過剰なフォトレジスト材料は取り除かれる。その後、露出された材料12及び/又はシリコン層10を取り除くためにエッチングされる。その直後、残っているフォトレジストが剥離される。これら全てのプロセスステップは、各構造層及び犠牲層に関して繰り返される。フローティングヒンジを構築するために、3層のポリシリコン及び2層の二酸化シリコンが必要である。層間の適切な接続が必要なためにより多くの層が追加され、複雑性は指数関数的に増加する。例えば、第1の層に関して1つのフォトリソグラフィ及びエッチングステップが必要である。しかし、第1及び第2の層を接続するための第3の層では、第2の層にホールを開けるために他のエッチングが必要である。関連する製造コストは、プロセスの複雑性とともに上昇する。さらに、様々な材料の層の厚み及び正確な数は、大きなトポロジー及び応力の問題を引き起こす可能性がある。大きなトポロジーは、特徴サイズを限定する適切なリソグラフィを妨げる。応力は、クラックの問題を引き起こす。
【0005】
【非特許文献1】
ケイ・エス・ジェイ・ピスター他、Sensers Actuator A、1992年、第33巻、p249〜256
【非特許文献2】
ジェイ・バスティーロ、アール・ティー・ハウ、アール・エス・ミラー、Proc.of the IEEE、1998年、第86巻、p1552〜1574
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の特徴の主な目的は、上述した欠点を回避する作製プロセスを提供することである。
【0007】
また、本発明の主な目的は、シリコンオンインシュレータウェハ上のマイクロヒンジの構成を可能にする、以前に知られていた方法より簡単な方法を提供することである。本発明のさらなる目的は、マイクロヒンジ構造のヒンジ枢転可能な部分が、ヒンジステープル部分に対して自己整合されるため、従来の構造によって示されるより小さいヒンジ公差を有する3次元マイクロヒンジを形成するための表面マイクロマシニング製造方法を示すことである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決できる本発明は、シリコンオンインシュレータウェハ上に3次元マイクロヒンジを直接形成する表面マイクロマシニング製造方法であって、(a)単一層のシリコン単結晶内において所望のヒンジピンの表面の周りに開口部を画定するステップと、(b)ヒンジとなる領域下の前記開口部と隣接関係に配置された酸化物材料を除去するために、前記開口部にエッチングプロセスを施すステップと、(c)ヒンジピンと後に堆積されるキャップとの間にギャップを画定するために熱酸化物を成長させるステップと、(d)ヒンジピンを回動可能に保持するためのキャップを画定するために、ポリシリコンを堆積し、エッチングするステップと、(e)成長した酸化物を取り除き、前記キャップの内側でピンが回転できるようにウエットエッチングを行うステップとを含むことを特徴とする。
【0009】
本発明の前述の態様および他の特徴は、添付の図面とともに以下の記載で説明する。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、シリコンオンインシュレータ(SOI)ウェハの上部にマイクロヒンジを構築する新規な方法を記述する。この方法は、ウェハ平面からリフトアップすることができるヒンジの作製を可能にする。この方法は、ただ1回のポリシリコン堆積だけを必要とし、かつプロセス複雑性及びコストを著しく低減する。本発明によって製造されたヒンジは、自己整合され、従来のポリシリコンヒンジ(一般的に、3層のポリシリコンの堆積を必要とする)より小さい公差を有する。さらに、本発明によるプロセスは、移動プレートが単結晶シリコンの外で完全に構築されることを可能にし、かつ、ポリシリコンミラーに関係する応力及び疲労破壊の問題を著しく低減する。
【0011】
本発明によるプロセスは、堆積技術による必要なポリシリコンの層数を低減するために、従来の表面マイクロマシニングに拡張されることができる。応用例は非常に広く、多くの可動マイクロ装置、特にマイクロ光学スイッチ、マイクロ分光解析装置、マイクロ表示装置及び電子ペーパーに関して用いられることができる。
【0012】
本明細書に記載されるヒンジは、一般に表面マイクロマシニングプロセスによって構築される。
【0013】
本明細書に記載される本発明の実施形態は、他の方法を提案する。2つのポリシリコン層によってステープルで止められたヒンジポストを有する代わりに、本発明は、図4に示されたような同じ層(堆積)でポストを完全に取り囲むステープルについて記載する。この構成は、ポリシリコン及び熱的に成長した酸化物の特性を一致させること、並びに二酸化シリコンのウエットエッチングのアンダーカッティング性能の利点によって実現される。図示されるように、マイクロヒンジ装置Mに関する基本的な基盤となる基板42を備えるマイクロヒンジ装置Mが示されている。アンカープレート41が、基板42上に支持され、ヒンジピン43Aを取り囲みかつ保持するステープル40がアンカープレート41に係止される。アンカープレート41と基板42との間には埋め込み酸化物の層が配置され、その層は電気的絶縁のために必要である。「フラップ」、「移動プレート」又は「ミラー」43は、ヒンジピン43Aの周りのプレートの外側の矢印44の方向に回転することができる。アンカープレート41、移動プレート43及びピン43Aは、全て単結晶シリコンから作られる。ステープル40が、多結晶シリコンで作られる。全ての部品は、基板42から電気的に絶縁される。
【0014】
図5から12は、本発明によって画定される特定のプロセスステップの主な作製ステップにおけるMEM装置の断面図を示す。図5に示されるように、開始材料は、好ましくは約1から5ミクロンメートルの厚みを有する単結晶シリコン層51を備えるSOIウェハ50である。結晶シリコン層51は埋め込み酸化物層52を覆って載り、次に、埋め込み酸化物層52が基板53また単結晶シリコン層上に堆積される。まず、シリコン単結晶層51内にトレンチ54(スロット)を形成するエッチングによって、図6に示されるように、スロットがヒンジピンの周りに画定される。その後、ヒンジピンの下の酸化物を取り除くために、ウエットエッチングが実行される(図7)。「d」は、エッチングプロセス後における各ピン52上の各シリコン結晶層51間の距離である。ピンと堆積されるべきポリシリコンキャップとの間のギャップを画定するために、次のステップで熱酸化物56を成長させる(図8)。フィールドにおいて熱的に成長した酸化物によって完全にはシールされない微細なギャップを覆い、さらにスロット開口の角を落とすために、直後に任意のCVD酸化物の薄い層(LTO:Low Temperature Oxide(低温酸化物))55を堆積することができる(図9)。ピンの周りのトレンチの幅がより大きいため、CVD酸化物は、上部コーナーの角を落とすだけであり、トレンチ開口の密封はしない。熱酸化物層56の厚みは、図7に示される「d」の寸法の約半分の厚みであり、LTO層55の厚みは、熱酸化物層56の厚みの半分未満である。ポリシリコンアンカーのエッチングは、次のステップで実行される(図10)。その後、ポリシリコン59が堆積され(図11)、ヒンジキャップを画定するためにエッチングされる。ポリシリコンは優れた適合性を有するため、ポリシリコンは、ピンの下のギャップに完全に充填されてピンの周りを包む。この特徴は、ヒンジ58を完全に平面からリフトアップされることを可能にする(図12)。直接の比較に関して、同じ機能性を実現するために、従来の表面マイクロマシニング技術では少なくとも3つのポリシリコン堆積を行う必要がある。最後のステップにおいて、犠牲酸化物が、フッ化水素酸によってエッチング除去され、ミラーが、平面からリフトアウトされる。リフトアウトされたプラットフォームを構築するために、ミラープレートを縦続接続することができる。
【0015】
図13は、本発明の特徴を利用して形成されたヒンジシステムを示す。シリコン自己整合されたマイクロヒンジによって接続されたチェーン状のプラットフォームは任意の角度で矢印64の方向に持ち上げることができる。基板62によって支持された様々なプラットフォーム61の全てがそうであるように、ヒンジポストは全て単結晶シリコンで形成されている。構造的な動きは、矢印63の方向、さらに左である。プラットフォーム61は、一般に、矢印63の方向に、すなわち右にマイクロアクチュエータを押圧するために、マイクロアクチュエータに接続される。矢印63の方向に押圧されたとき、全体構造は、矢印64の方向に引き上げられる(平面から離れる)。さらに、各プレート61の角度は、矢印63の方向に動かすことによって制御される。
【0016】
図13の上部に示されるように、表面66は、プラットフォーム61上に配置される。表面66は、例えば、金属反射体、微細にエッチングされた格子、または大きなホールであることができる。
【0017】
図14は、3つの多結晶シリコンの層が必要である従来のシリコンヒンジ構造を示す。このような構造は、図15に示すように、1層の多結晶シリコンのみを必要とする本発明における自己整合されたヒンジ(SAH)と直接対比されるものである。図14及び図15は、自己整合されたヒンジの公差(図15)が、図に示される従来のヒンジの公差より良い理由をを示す。
【0018】
ヒンジ公差は、ヒンジポスト(ピン)とポストを取り囲むキャップと間のギャップによって画定される。従来のマイクロヒンジにおいて、ギャップは、側方でw2であり、上部でt1であり、下部でt3である。本発明において記載されるプロセスで形成される自己整合されたマイクロヒンジでは、ギャップは、それぞれw3、t4、t5となる。
【0019】
従来のヒンジに関して、t1及びt2は、酸化物1及び酸化物2の厚みによって決定される。これらは、一般に、約1.5μmから2.5μmである。w2は、エッチング及びアライメント性能によって決定される。基本的には、w1は、ポリシリコン層3の堆積前になされるエッチングによって決まる。w1のエッチングは、酸化物層1及び酸化物層2を介して行わなければならず、そのため、そのエッチングマスクは妥当な厚みを有さなければならない(図14におけるt6)。MEMSを構築するために一般に使用される層対層のコンタクトリソグラフィのアライメント精度は約1μm〜1.5μmより悪い。従って、w2は、w1のエッチングのシフトを引き起す偶発性のリソグラフィのアライメント誤差を抑制し、ポリシリコン層3を後でポリシリコン層2のヒンジポストへブリッジするするために、妥当に十分な大きさを持たなければならない。1μm〜1.5μmのアライメント精度を仮定すると、その値は一般に約3μmである。さらに、通常(t1+t3)の2〜3倍であるw1は十分に広くなければならず、良好なエッチング及びポリシリコン層3とポリシリコン層1とをプロセスの最後に適切に接続できるものでなければならない。
【0020】
自己整合されたヒンジの場合において(図15)、t4は、t5及びw3にほぼ等しくなければならない。なぜなら、これらは全て同時に成長されるからである。熱酸化物は、「適合的」であり、その厚みがほぼどこでも等しいことを意味する。w3は、約1μmであるか、または約1.5μm以下でなければならない。これは、ヒンジを回転させるためにちょうど良い大きさでなければならない。w4を有するホールを画定するための追加のリソグラフィ/エッチングステップは無く、アライメント、マスク厚み/ステップカバレージなどに関係しない。w4はt8の約2分の1である。
【0021】
従って、w2は通常3μmとなり、w3は通常1μmから1.5μmとなる。すなわち、本発明のプロセスによって作られるマイクロヒンジはより良好な公差を有する。w1が通常4×(2〜3)=8〜12μmであり、w4が2〜3μmだけであることに加えて、本発明のプロセスにより作られたマイクロヒンジはより小さいことに気が付く。しかし、サイズの違いは、キャップが同様に下方にアンカーされる必要があるため重要ではない。w5は、w3の約2倍でなければならず、約3μmである。間隔w6はさらに4〜5μm追加される。
【0022】
自己整合されたマイクロヒンジの走査電子顕微鏡写真は、図16および図17に示されている。図16において、4個のヒンジが、右側のミラープレートを左のミラープレートに接続する。ピンは、右側プレートの部品であり、ポリキャップは、左側ミラープレートを下方に係止する。犠牲酸化物が取り除かれ、ポリキャップが、単結晶シリコンヒンジの周りを包むことがわかる。図16において、右側プレートが上に回転する。また、図17には他のヒンジの拡大図が示され、本発明の実施形態による自己整合されたヒンジの公差がより小さいことを示す。
【0023】
前述の説明は、本発明を例示するだけであることが理解されよう。様々な変形および修正が、本発明から逸脱することなく当業者によって考案されることができる。従って、本発明は、特許請求の範囲内にある全てのそのような代替、修正及び変形を含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 MEMSを作製するための従来技術の方法を示す平面図である。
【図2】 MEMSを作製するための従来技術の方法を示す平面図である。
【図3】 MEMSを作製するための従来技術の方法を示す平面図である。
【図4】 SOIウェハヒンジ構造上の単結晶シリコン層の3次元図である。
【図5】 本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図6】 本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図7】 本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図8】 本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図9】 本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図10】 本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図11】 本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図12】 本発明によって画定されるプロセスの特定の特徴による、マイクロヒンジの製造に用いられるプロセスステップを示す平面図である。
【図13】 任意の角度でプラットフォームの基板をリフトアップさせることができる、プラットフォームを形成するために自己整合されたマイクロヒンジによって接続された連鎖されたプレートの3次元図である。
【図14】 従来のマイクロヒンジと、本発明のプロセスによって作られたマイクロヒンジとの間の比較を示す。
【図15】 従来のマイクロヒンジと、本発明のプロセスによって作られたマイクロヒンジとの間の比較を示す。
【図16】 本明細書に記載されたプロセスによって形成された自己整合されたマイクロヒンジの走査電子顕微鏡写真である。
【図17】 本明細書に記載されたプロセスによって形成された自己整合されたマイクロヒンジの走査電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
10 シリコン層、11 シリコン基板、12 二酸化シリコン層、14 フォトレジスト層、15 絶縁体、40 ステープル、41 アンカープレート、42,53,62 基板、42A ヒンジピン、43 フラップ(移動プレート、ミラー)、44,63,64 矢印、50 SOIウェハ、51 結晶シリコン層、52 埋め込み酸化物、54 トレンチ(スロット)、55 低温酸化物、56 熱酸化物、58 ヒンジ、59 ポリシリコン、61 プラットフォーム、66 表面、M マイクロヒンジ装置。
Claims (3)
- シリコンオンインシュレータウェハ上に3次元マイクロヒンジを直接形成する表面マイクロマシニング製造方法であって、
(a)単一層のシリコン単結晶内において所望のヒンジピンの表面の周りに開口部を画定するステップと、
(b)ヒンジとなる領域下の前記開口部と隣接関係に配置された酸化物材料を除去するために、前記開口部にエッチングプロセスを施すステップと、
(c)ヒンジピンと後に堆積されるキャップとの間にギャップを画定するために熱酸化物を成長させるステップと、
(d)ヒンジピンを回動可能に保持するためのキャップを画定するために、ポリシリコンを堆積し、エッチングするステップと、
(e)成長した酸化物を取り除き、前記キャップの内側でピンが回転できるようにウエットエッチングを行うステップと、
を含むことを特徴とする表面マイクロマシニング製造方法。 - 請求項1に記載の表面マイクロマシニング製造方法において、
前記ステップ(c)の直後に、前記熱酸化物によって完全には覆われていない微細なギャップを覆うのに十分な化学的気相成長された酸化物の薄い層を堆積することを特徴とする表面マイクロマシニング製造方法。 - 請求項1に記載の表面マイクロマシニング製造方法において、
接続されたミラー構造を前記シリコンウェハからリフトアップするステップを含むことを特徴とする表面マイクロマシニング製造方法。
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