JP5009292B2 - Ｍｅｍｓデバイスにおける応力緩和機構およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）に関する。より詳細には、本発明はＭＥＭＳデバイスの電極またはアンカーに用いられる応力緩和機構に関する。

多くのデバイスおよびシステムは、様々な監視、制御、またはその両方の機能を実行する多くの様々な種類のセンサを備える。微小機械加工その他の微細加工プロセスにおける進歩によって、多種多様な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の製造が可能となっている。最近では、監視、制御、またはその両方の機能を実行するために用いられるセンサの多くが、ＭＥＭＳデバイスへ実装されている。

１つの特定の種類のＭＥＭＳデバイスは加速度計である。ＭＥＭＳ加速度計は、ハンドル層と、ハンドル層の上の酸化物を含む絶縁犠牲層と、絶縁層の上の活性層とを備える、シリコン・オン・インシュレータ（「ＳＯＩ」）ウエハに形成される場合がある。ＳＯＩのＭＥＭＳ加速度計は、通常、活性層に形成されたプルーフ・マスを備える。プルーフ・マスの一部分は絶縁層の一部を介してウエハの部分へ係留されるが、プルーフ・マスの別の部分は、通常、１組の対応する梁ばねを介し、ウエハの上方に懸架されている場合がある。ＭＥＭＳ加速度計が加速を経験するときプルーフ・マスは動き、この動きは、電子機器によって、加速に依存した大きさのパラメータ（例えば、電圧、電流、周波数など）を有する信号へ変換される。

通常、ＭＥＭＳセンサは、需要者へ発送される前に厳密に試験される。試験には、所定の高さからセンサを落下させることが含まれる場合がある。この試験は、需要者がデバイスを取扱うときに経験され得る機械的な衝撃をシミュレートしている。ほとんどの場合、現在構成されたＭＥＭＳセンサは、そのような落下試験に耐えるのに充分に頑丈である。しかしながら、他の場合には、試験によってＭＥＭＳセンサが損傷を受ける場合がある。詳細には、ウエハへ係留されたプルーフ・マスの部分が、ハンドルウエハから分離する場合がある。その結果、ＭＥＭＳセンサは動作不能となる場合がある。

したがって、加えられ得る応力に耐えるのに充分に頑丈なＭＥＭＳセンサを提供することが望ましい。加えて、追加の装置またはプロセスを必要とせず所望のＭＥＭＳセンサを製造する、単純かつ比較的安価なプロセスを有することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付の図面および上述の技術分野や背景と共に、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかとなる。

以下の詳細な説明は本質的に単なる例であり、本発明または本出願および本発明の使用を制限するものではない。これに加えて、本明細書では本発明がシリコン・オン・インシュレータのウエハへ実装されるように記載するが、これに代えて本発明が他の適切な種類のウエハへ実装されてよいことが認められる。さらに、上述の技術分野、背景、簡単な説明または以下の詳細な説明において提示される任意の表現または非明示的な理論に拘束されることはない。これに関して、本発明は加速度計について図示および説明されているが、少なくとも本発明が基板の表面の上に可動に懸架されたプルーフ・マスを備える多数のデバイスのうちの任意のデバイスに用いられることが認められる。

ここで説明を参照する。図１は、代表的な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス１００の断面図である。ＭＥＭＳデバイス１００は加速度計などの慣性センサであり、ウエハ１０６上に形成されたアンカー領域１０２およびセンサ領域１０４を備える。ウエハ１０６は、多数の種類の従来使用されているウエハのうちの任意のウエハであってよい。例えば、図１に示すように、ウエハ１０６はＳＯＩ（「シリコン・オン・インシュレータ」）ウエハであってよい。そのような場合、一般に、ウエハ１０６は、ハンドル層１０８と、活性層１１２と、ハンドル層１０８および活性層１１２の間に配置された絶縁層１１４とを備える。アンカー領域１０２およびセンサ領域１０４は、いずれも活性層１１２に形成されている。アンカー領域１０２は、絶縁層１１４を介しハンドル層１０８に固定されたままである、活性層１１２の一領域である。これに対し、センサ領域１０４は、アンカー領域１０２へ結合されてはいるが、ハンドル層１０８からは部分的に解放されている。詳細には、センサ領域１０４は、センサ領域１０４の下の絶縁層１１４の複数の部分を除去することによって、部分的に下部を切り取られる。この下部の切り取りによって、センサ領域１０４の部分をハンドル層１０８から解放する解放トレンチ１１６が形成される。このようにして、センサ領域１０４の解放部分はハンドル層１０８の上に懸架される。

センサ領域１０４は複数のセンサ要素を備える。この複数のセンサ要素は、例えば、実装されている特定のＭＥＭＳデバイス１００に応じて異なる場合がある。しかしながら、記載の実施形態ではＭＥＭＳデバイス１００は加速度計であり、センサ要素は、懸架ばね１２２と、１つ以上の可動電極１２６と、１つ以上の固定電極１２８とを備える。懸架ばね１２２は、ハンドル層１０８の上に可動電極１２６を弾性的に懸架しており、好適には、比較的可撓性であるように構成されている。懸架ばね１２２および可動電極１２６は各々解放トレンチ１１６の上に位置しているため、ハンドル層１０８から解放され、ハンドル層１０８の上に懸架されている。しかしながら、固定電極１２８は、例えば、絶縁層１１４に、すなわち、絶縁層１１４から形成されたアンカー１３０を介し、ウエハ１０６へ固定されたままである。

図示を明瞭かつ簡単にするため、図１には、センサ領域１０４が２つの懸架ばね１２２と、２つの可動電極１２６と、４つの固定電極１２８とを備えるように示していることが認められる。しかしながら、より明らかに図２に示し、より詳細にここで説明する特定の物理的な実装では、センサ領域１０４は、４つの懸架ばね１２２と、複数の可動電極１２６と、複数の固定電極１２８とを備える。保護部１３２は懸架ばね１２２へ隣接しており、端部アンカー１３４および中間部ばねアンカー１３６を介して基板１０６へ固定されたままである。端部アンカー１３４および中間部ばねアンカー１３６は、各々、活性層１１２に、すなわち、活性層１１２から形成され、絶縁層１１４を介してウエハ１０６へ固定されている。

複数の懸架ばね１２２は、各々、保護部１３２と可動電極１２６との間に結合されており、上述のように、解放されると、ハンドル層１０８の上に可動電極１２６を弾性的に懸架する。また図２に示すように、複数の可動電極１２６は、各々、固定電極１２８の間に配置されている。上述のように、固定電極１２８は解放されない。むしろ、固定電極１２８は、複数の電極アンカー１３０を介してウエハ１０６へ係留されたままである（図１に示す）。

図１，２に示すＭＥＭＳデバイス１００は、容量式の加速度計として実装されている。したがって、ＭＥＭＳデバイス１００が加速を経験するとき、可動電極１２６は固定電極１２８に対し、経験されている加速の大きさに比例する距離を移動する。可動電極１２６および固定電極１２８は、共同して可変の差動コンデンサを形成する。したがって、ＭＥＭＳデバイス１００が加速を経験するとき、可動電極１２６は所与の固定電極１２８に近づくか、あるいは遠ざかる場合がある。可動電極１２６の移動する距離によって、固定電極１２８と可動電極１２６との間の静電容量に変化が生じる。この静電容量の変化を測定し、加速の大きさを決定するために用いることができる。

端部アンカー１３４、中間部ばねアンカー１３６および固定電極１２８によって経験され得る応力を軽減するために、応力緩和機構２０４，２２２を備えることができる。応力緩和機構２０４，２２２は、各々、溝部を備える。この溝部は、好適には、ＭＥＭＳデバイス１００の部品に形成され、ＭＥＭＳデバイス１００部品の受ける荷重成分に対しほぼ垂直に配置される。代表的な一実施形態では、電極応力緩和機構２０４は、複数の固定電極１２８のうちの１つ以上に一体に形成されており、２つの溝部２０８，２１０を備える。２つの溝部２０８，２１０は、固定電極１２８を通じてほぼ垂直に伸びＳ字形を形成している。例えば、図２に示すように、第１の溝部２０８は、固定電極１２８の第１の側面２１２から少なくとも部分的に固定電極１２８の第２の側面２１４へ伸びており、第２の溝部２１０は、電極の第２の側面２１４から少なくとも部分的に電極の第１の側面２１２へ伸びている。図２には、複数の固定電極１２８の全部が、電極応力緩和機構２０４を備えるように示している。しかしながら、これに代えて１つの固定電極１２８に複数のそのような応力緩和機構が含まれてもよく、あるいは他の実施形態では、複数の固定電極１２８の一部にのみ応力緩和機構２０４が含まれてもよい。

別の代表的な実施形態では、中間ばねアンカー１３６に二方向接続アンカー応力緩和機構２２２が形成される。そのような場合、アンカー１３６は第１の側面２３０と、第１の側面２３０に対向する第２の側面２３２とを備える。第１の溝部２３４は、中間部アンカーの第１の側面２３０に隣接して形成され、第２の溝部２３６は、中間部アンカーの第２の側面２３２に隣接して形成される。

応力緩和機構２０４，２２２の一部として１つまたは２つの溝部が組込まれているが、これに代えて、より多いまたは少ない溝部が含まれてもよいことが認められる。さらに、応力緩和機構２０４，２２２は、応力緩和を必要とし得るセンサ１００の他の部分に組み込まれてもよいことが認められる。

構造的な観点からＭＥＭＳデバイス１００の実施形態について記載した。ここで、記載のＭＥＭＳデバイス１００を形成する特定の好適なプロセスについて記載する。この際、図３〜６に対し適切に参照を行う。図１に示したのと同様に、説明を明瞭かつ簡単にするため、単純化した断面図を用いてプロセスについて図示および説明することが認められる。しかしながら、図２に示し上述において説明した実際の物理的なＭＥＭＳデバイス１００や実装され得る他の多数のＭＥＭＳセンサのうちの任意のＭＥＭＳセンサに対し、このプロセスを適用可能であることがさらに認められる。これに加えて、簡便のため、特定の工程の順序を用いて方法について説明するが、異なる工程の順序によって方法を実行してもよいこと、あるいは以下の記載と異なる種類の工程を用いて方法を実行してもよいことが認められる。

上述の背景に留意し、最初に図３を参照すると、このプロセス用の好適な出発材料３０２がＳＯＩウエハ１０６であることが分かる。これに代えて、出発材料３０２は、ハンドル層１０８と、活性層１１２と、間に配置された絶縁層１１４とを備える物品を含む、他の多数の物品のうちの任意の物品であってよい。出発材料の特定の種類が何であれ、ハンドル層１０８および活性層１１２は、各々、好適にはシリコンから製造されるが、これらの層が他の材料から製造されてもよいことが認められる。活性層１１２は、例えば、単結晶もしくは多結晶のシリコン、またはＭＥＭＳセンサ要素の形成され得る他の材料であってよいことが認められる。絶縁層１１４は、好適には、例えば、シリコン酸化物、ドープした酸化物、ドープしたケイ酸ガラスなど、容易にエッチングしてハンドル層１０８から少なくとも一部のセンサ要素を解放することの可能な材料から製造される。入手時に、出発材料３０２が、ハンドル層１０８、活性層１１２および絶縁層１１４を備えてよいこと、あるいは、これらの層のうちの１つ以上はプロセス全体の一部として形成されてよいことが認められる。

出発材料３０２を入手（または調製）すると、アンカー領域１０２およびセンサ領域１０４を形成するように、活性層１１２がパターン形成およびエッチングされる。パターン形成およびエッチングに適切な多数の技術のうちの任意の技術が用いられてよいことが認められる。代表的な一実施形態では、活性層１１２の上方に保護層が形成される。例えば、活性層１１２の全体の上方に保護材料が堆積されてもよく、保護材料へ所望のパターンが現像またはエッチングされる。別の代表的な実施形態では、活性層１１２の上方に、所望のパターンの輪郭を有するシャドウマスクが配置され、マスクおよび活性層１１２の上方に保護材料が堆積される。シャドウマスクが除去されると、残る保護材料は、活性層１１２の上方に所望のパターンで配置されている。

この所望のパターンは、応力緩和機構２０４，２２２を含むＭＥＭＳデバイス１００を形成するための任意の適切なパターンであってよい。代表的なパターン４００の一部を図４に示す。パターン４００は、コーナー４０４を有する第１の電極部分４０２と、コーナー４０８を含む第２の電極部分４０６と、ストリップ４１０とを備える。第１の電極部分４０２のコーナー４０４は、好適には、第２の電極部分４０６のコーナー４０８から対角線上に位置し、ストリップ４１０は、コーナー４０４，４０８を介し、第１、第２の電極部分４０２，４０６を相互に結合している。したがって、第１の電極部分４０２、ストリップ４１０および第２の電極部分４０６は、Ｓ字形を形成している。ストリップ４１０は、好適には、電極部分４０２，４０６の間の相対運動を可能とするのに充分に狭い。２対の電極部分４０２，４０６のみを示すが、パターン４００はデバイス１００上に複数の固定電極１２８を形成するために複数の電極部分を備えてよいことが認められる。好適には、電極応力緩和機構２０４の形成される活性層１１２の部分の上方に所望のパターンが形成されることが認められる。

代表的なパターン４００の別の部分を図５に示す。パターン４００のこの部分は、アンカー部分４１２、第１の接続部分４１４、第２の接続部分４１６、および２つのストリップ４１８，４２０を備える。アンカー部分４１２は、各々ストリップ４１８，４２０の端部が固定されている２つの隣接したコーナー４２２，４２４を備える。ストリップ４１８，４２０の他端から伸びているのは、第１、第２の接続部分４１４，４１６である。好適には、パターンのこの部分は二方向接続アンカー応力緩和機構２２２の形成される活性層１１２の部分の上方に形成されることが認められる。

活性層１１２の上方に所望のパターン４００が形成された後、保護材料によって保護されない材料は除去される。この工程は、多数の技術のうちの任意の技術を用いて実行されてよい。しかしながら、好適な一実施形態では、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスが用いられる。用いられる特定のプロセスに関わらず、センサ領域１０４に形成される複数のトレンチ７０２が生じ、これによって、さらに図７に示すように、個々のセンサ要素の構造フィーチャが形成される。特定の位置に関わらず、トレンチ７０２は各々、絶縁層１１４へのアクセスを提供し、これによって、センサ領域１０４の一部が解放される。センサ要素におけるまたセンサ要素間におけるトレンチ７０２の寸法および数は、少なくとも部分的には、センサ要素の解放が所望の順序、タイミングまたはその両方により実施されるように選択される。さらに、エッチング開口部の数および間隔は、特に、所望の応答特性が得られるように選択される。

次に、形成されるセンサ領域１０４のそれらの部分は、犠牲エッチングプロセスを用いて、下部が切り取られ解放され得る。そのような場合、化学エッチング（例えば、等方性のドライまたはウェットエッチング）が用いられてよい。好適には、このプロセスによって、絶縁層１１４のうちの少なくとも一部が側方にエッチングされることによって、ウエハ１０６から懸架ばね１２２および可動電極１２６が解放され、図１に示すＭＥＭＳデバイス１００が形成される。

上述のように、上述のＭＥＭＳデバイス１００は加速度計であるが、本明細書に記載の製造プロセスは加速度計または他の種類のセンサに限定されない。１つ以上のばねによって弾性的に懸架されている何らかの種類の構造を備える多数のＭＥＭＳデバイスのうちの任意のＭＥＭＳデバイスへ適用可能である。そのようなデバイスの非限定的な例には、様々な種類のジャイロスコープおよびスイッチが含まれる。

ＭＥＭＳデバイスおよびＭＥＭＳデバイスを形成するための方法を提供した。代表的な一実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは、表面を有する基板と、基板の表面へ結合された第１の部分を有する電極と、基板の表面の上に可動に懸架された第２の部分と、電極の第２の部分に配置された応力緩和機構とを備え、応力緩和機構は電極に一体に形成された第１の溝部を備える。デバイスの別の実施形態では、電極は第１の側面および第２の側面を備え、第１の溝部は電極の第１の側面から少なくとも部分的に電極の第２の側面へ伸びている。デバイスのさらに別の実施形態では、応力緩和機構は電極に一体に形成された第２の溝部を備える。デバイスのさらに別の実施形態では、第２の溝部は電極の第２の側面から少なくとも部分的に電極の第１の側面へ伸びている。

デバイスの別の実施形態では、基板は絶縁層と、絶縁層の上方に配置された活性層とを備え、電極は活性層に形成されている。これに代えて、電極は基板の表面へ結合された第３の部分を備え、電極の第２の部分は第１の部分と第３の部分との間に配置される。さらに別の実施形態では、応力緩和機構は電極の第１の部分に隣接して形成されている。

別の代表的な実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは、表面を有する基板と、少なくとも部分的に基板の表面へ結合されたアンカーと、アンカーに結合された応力緩和機構とを備え、応力緩和機構はアンカーに隣接して形成された第１の溝部を備える。別の実施形態では、アンカーは第１の側面と、第１の側面に対向する第２の側面とを備え、第１の溝部はアンカーの第１の側面に隣接して形成されている。さらに別の実施形態では、応力緩和機構はアンカーの第２の側面に隣接して形成された第２の溝部を備える。

さらに別の実施形態では、絶縁層と絶縁層の上の活性層とを備える基板から微小電気機械（「ＭＥＭＳ」）デバイスを形成するための方法を提供する。代表的な一実施形態では、この方法は、コーナーを有する第１の電極部分と、第１の電極部分に隣接し、第１の電極部分のコーナーから対角線上に配置されたコーナーを有する第２の電極部分と、第１の電極部分のコーナーおよび第２の電極部分のコーナーを接続しているストリップとを少なくとも有するパターンで、活性層の上方に保護層を形成する保護層形成工程と、活性層およびその上に保護層の形成されていない絶縁層の部分から材料を除去することによって、溝部の形成された電極を形成する材料除去工程とからなる。これに代えて、第１の電極部分は側面を有し、第２の電極部分は第１の電極部分の側面にほぼ平行な側面を有し、ストリップの少なくとも一部は第１の電極部分の側面および第２の電極部分の側面にほぼ平行である。これに代えて、保護層形成工程は、活性層の上方にパターンの輪郭を有するシャドウマスクを配置する工程を含む。別の代替の実施形態では、保護層形成工程は、活性層の表面の上方に保護材料を堆積させる工程と、堆積した保護材料にパターンをエッチングする工程とを含む。さらに別の実施形態では、この方法は、第１の電極部分の下の絶縁層の一部をエッチングすることによって、第１の電極の少なくとも一部を基板から解放する工程を含む。

別の実施形態では、絶縁層と絶縁層の上の活性層とを備える基板からＭＥＭＳデバイスを形成するための方法を提供する。この方法は、第１のコーナーを有するアンカー部分とアンカー部分の第１のコーナーから伸びているストリップとを少なくとも有するパターンで、活性層の上方に保護層を形成する保護層形成工程と、活性層およびその上に保護層の形成されていない絶縁層の部分から材料を除去することによって、溝部の形成されたアンカーを形成する材料除去工程とからなる。別の実施形態では、アンカー部分は第１のコーナーに隣接している第２のコーナーを備え、パターンはアンカー部分の第２のコーナーから伸びている第２のストリップを備える。さらに別の実施形態では、保護層形成工程は、活性層の上方にパターンの輪郭を有するシャドウマスクを配置する工程を含む。

代表的なＳＯＩ ＭＥＭＳセンサの断面図。 図１に示す代表的なＳＯＩ ＭＥＭＳセンサの平面図。 図１，２に示すＳＯＩ ＭＥＭＳセンサを製造するために用いられ得る代表的な基板の断面図。 図３の基板の上方に形成され得る代表的なパターンの一部分の平面図。 図３の基板の上方に形成され得る代表的なパターンの別の部分の平面図。 図１，２に示すＳＯＩ ＭＥＭＳセンサを製造するための方法の一工程中の図３の代表的な基板の断面図。

Claims (2)

1. 表面を有する基板と、
   基板の表面へ少なくとも部分的に係留されている固定電極であって、基板の表面から上方に延びている第１の側面と、第１の側面に対向する第２の側面と、第１の側面と第２の側面との間の中線とを有する固定電極と、
   基板の表面の上に可動に懸架されている可動電極であって、固定電極の第１および第２の側面の少なくとも一方に対向する側面を有する可動電極と、
   固定電極に配置されており、固定電極が経験する応力を軽減する応力緩和機構であって、固定電極の第１の側面から第２の側面へ向かって中線を越えて伸びている第１の溝部を備える応力緩和機構と、からなる微小電気機械デバイス。
2. 請求項１に記載の微小電気機械デバイスを形成する方法において、
   絶縁層と絶縁層の上の活性層とを備える基板を準備する工程と、
   コーナーを有する第１の電極部分と、第１の電極部分に隣接し、第１の電極部分のコーナーから対角線上に配置されたコーナーを有する第２の電極部分と、第１の電極部分のコーナーおよび第２の電極部分のコーナーを接続しているストリップとを少なくとも有するパターンで、活性層の上方に保護層を形成する保護層形成工程であって、ストリップは第１の溝部および第２の溝部によって形成され、保護層を通じて活性層まで伸びている前記工程と、
   その上に保護層の形成されていない活性層および絶縁層の部分から材料を除去することによって、活性層を通じて前記パターンに対応する溝部の形成された電極を形成する材料除去工程と、からなる方法。

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