JP5230385B2 - マイクロマシン - Google Patents

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Description

本発明は、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて形成されるマイクロマシンの構造に関する。
近年、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を利用したMEMSスイッチ、またはこれらを備えたセンサ、共振器、通信用デバイスなどが注目されている。
なお、これらは、マイクロマシンとも呼ばれ、作製方法によって表面マイクロマシン技術とバルクマイクロマシン技術の2種類が挙げられる。表面マイクロマシン技術では、基板上に薄膜を積層して形成した後、フォトリソグラフィー法およびエッチング法で加工することによりMEMS構造体を形成することができ、また、バルクマイクロマシン技術では、シリコンウエハやSOI(Silicon on Insulator)基板自体をエッチングや研磨により加工することによりMEMS構造体を形成することができる。
特に、表面マイクロマシン技術は、半導体プロセスを適用することが可能であるため、非常に重要視されているが、形成されるMEMS構造体は、薄膜を積層して形成される立体構造であるため、膜厚の厚い層(例えば犠牲層)の段差部分に形成される接続配線の配線細りや配線の断切れが生じ易く、配線の信頼性が著しく損なわれるといった問題がある。
これに対して、膜厚の厚い層の段差部分に配線を形成する場合には、膜厚の厚い膜に対して任意の角度のテーパーを容易に形成すると共に、テーパー角度の加工制御性を高めた方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、MEMS構造体において、配線細りや配線の断切れを防止するためのテーパーを犠牲層に形成することは、犠牲層の膜厚が非常に厚いため、所望のテーパー形状を得るための制御が難しいのが現状である。
特開平7−66280号公報
そこで、本発明では、表面マイクロマシン技術により形成されるマイクロマシン(MEMS構造体)において、犠牲層の段差部分での配線細りや配線の断切れを防止する構造を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、犠牲層上に形成され、かつ上部駆動電極と同一の導電膜で同一平面上に形成された配線(上部補助配線)が、犠牲層上において膜厚の自由度の高い新たな配線(上部接続配線)と電気的に接続される構造とする。犠牲層の膜厚により生じる段差部分は、その上にCVD膜により形成される構造層によって丸みを帯びた形状となり、新たな配線は、構造層上に形成することを特徴とする。
さらに、上記構造層は、被成膜面の全面に形成されることから新たな配線(上部接続配線)は全て構造層上に形成することができる。
マイクロマシンの具体的な構成は、絶縁表面を有する基板上に形成された第1の電極と、第1の電極上に空間を介して形成された第2の電極および補助配線と、補助配線上の接続配線とを有し、第2の電極、補助配線、および接続配線は、電気的に接続され、第1の電極は固定電極であり、第2の電極は可動電極であり、第2の電極および補助配線は、同一平面上に形成され、補助配線および接続配線は、空間の上部で電気的に接続されることを特徴とする。
また、絶縁表面を有する基板上に形成された第1の電極と、第1の電極上に空間を介して形成された第2の電極および補助配線と、第2の電極および補助配線上に形成された構造層と、構造層上の接続配線とを有し、第1の電極は固定電極であり、第2の電極は可動電極であり、第2の電極および補助配線は、同一平面上に形成され、かつ電気的に接続され、補助配線および接続配線は、構造層に設けられた開口部を介して電気的に接続されることを特徴とする。
なお、上記構成において、構造層は、CVD法により形成された膜を用いることを特徴とする。
また、上記構成において、接続配線の膜厚は、200nm〜1μm、より好ましくは300nm〜600nmであることを特徴とする。
また、上記構成において、接続配線は、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、金(Au)、白金(Pt)から選ばれる金属材料、または前記金属材料の金属酸化物、もしくは金属窒化物であることを特徴とする。
また、別の構成は、絶縁表面を有する基板上に第1の電極を形成し、第1の電極上に犠牲層を形成し、犠牲層上に互いに電気的に接続される第2の電極および補助配線を形成し、第2の電極および補助配線上に構造層を形成し、構造層の一部であって、補助配線と重なる位置に第1の開口部を形成し、構造層上に前記第1の開口部を介して補助配線と電気的に接続される接続配線を形成し、構造層の一部であって、犠牲層と重なる位置に第2の開口部を形成し、第2の開口部を介して犠牲層をエッチングにより除去することを特徴とするマイクロマシンの作製方法である。
なお、上記構成において、構造層は、CVD法により形成されることを特徴とする。
表面マイクロマシン技術により形成されるマイクロマシン(MEMS構造体)において、犠牲層上に形成された配線(上部補助配線)が、犠牲層上において新たな配線(上部接続配線)と電気的に接続される構造とすることにより、犠牲層上に形成された配線の犠牲層の段差部分における配線細りや配線の断切れ等を防ぐことができるので、信頼性の高いマイクロマシンを提供することができる。
以下、本発明の実施の一態様について図面を用いて詳細に説明する。従って、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることが可能である。すなわち、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
(実施の形態1)
本実施の形態1では、マイクロマシンであるMEMSスイッチ(微小電気機械スイッチ)の構成について説明する。
MEMSスイッチは、図1に示すように絶縁表面を有する基板101上に下部駆動電極102、下部スイッチ電極103、および下部補助配線104が設けられており、下部駆動電極102、下部スイッチ電極103、および下部補助配線104上には、空間105を介して、上部駆動電極106、上部スイッチ電極107、および上部補助配線108が設けられている。なお、上部駆動電極106、上部スイッチ電極107、および上部補助配線108は、構造層109と一体形成されている。また、図1では、構造層109の一部が破線112の部分で断面を見せているが、これは説明を詳細にするためであり、実際は、空間105の上部を覆うように形成されているものとする。
また、下部駆動電極102は、基板101上に形成された固定電極として機能する電極である。一方、上部駆動電極106は、下部駆動電極102に対向して配置され、上部駆動電極106と下部駆動電極102との空間105に働く静電引力または、静電反発力により駆動する可動電極として機能する電極である。すなわち、上部駆動電極106が下部駆動電極102に引き寄せられられる場合には、下部スイッチ電極103と上部スイッチ電極107とが接触して電気的に接続され、また、上部駆動電極106が下部駆動電極102とが反発する場合には、下部スイッチ電極103と上部スイッチ電極107とが離れて電気的な接続が遮断される。
図1に示すMEMSスイッチは、構造層109の両端が基板101上に固定された両持ち梁構造であるが、本発明はこれに限られることなく、片側の端が基板101上に固定された片持ち梁構造であっても良い。また、下部スイッチ電極103と上部スイッチ電極107が1つずつ形成されるのに対して、下部駆動電極102と上部駆動電極106が、2つずつ形成される構成を示しているが、下部駆動電極102と上部駆動電極106は、1つずつ形成されていても良いし、3つ以上形成されていてもよい。
また、下部駆動電極102は、下部駆動電極102と同一表面上に形成された下部補助配線104を介して、下部接続配線110と電気的に接続される。
また、上部駆動電極106は、上部駆動電極106と同一表面上に形成された上部補助配線108を介して上部接続配線111と電気的に接続されている。なお、上部接続配線111は、構造層109上に形成されており、構造層109の一部であって、上部補助配線108と重なる位置に形成された開口部を介して、上部駆動電極106と同一表面上に形成された上部補助配線108と電気的に接続されている。
従って、下部接続配線110と上部接続配線111との間に電圧を印加することにより、下部駆動電極102と上部駆動電極106との間に静電引力が発生し、可動電極である上部駆動電極106を駆動させることができる。
次に、上述した構造を有するMEMSスイッチの作製方法について、図2〜図5を用いて説明する。
まず、図2(A)(B)に示すように、基板201上に下部駆動電極202、下部スイッチ電極203、および下部補助配線204を形成する。なお、図2(A)は、図1に示したMEMSスイッチの一部を示す上面図であり、図2(B)は、図2(A)の上面図のA−A’における断面図である。
基板201には、絶縁表面を有するガラス基板、石英基板、プラスチック基板等を用いることができる。その他、金属等の導電性基板や、シリコン等の半導体性基板上に絶縁膜を形成した基板を用いることもできる。
また、下部駆動電極202、下部スイッチ電極203、および下部補助配線204は、同一の導電膜を所望の形状にパターニングして形成する。なお、ここで用いる導電膜としては、例えば、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、金(Au)、白金(Pt)等の金属材料、または当該金属材料の化合物(金属酸化物又は金属窒化物)等を用いることができる。また、導電膜の膜厚は、50nm〜700nmが好ましく、100nm〜300nmがより好ましい。但し、次の工程で形成される犠牲層をエッチングする際、同時にエッチングされないような材料を選ぶ必要がある。
また、パターニングの方法としては、フォトリソグラフィー法によりレジストマスクを形成した後、エッチング法により導電膜の一部を除去する方法を用いる。また、エッチング法としては、ドライエッチング法、またはウェットエッチング法を用いることができる。なお、ドライエッチング法の場合には、CHF、ClF、NH、CF等を含むエッチングガスを用いることができる。また、ウェットエッチング法の場合には、過酸化水素水を含むエッチング剤、又はバッファードフッ酸を含むエッチング剤を用いることができる。
次に、図2(C)(D)に示すように、基板201上に下部駆動電極202および下部スイッチ電極203を覆って、犠牲層205を所望の形状に形成する。なお、図2(C)に示す上面図のA−A’における断面図が、図2(D)に該当する。
犠牲層205は、後に、MEMSスイッチの一部に空間を設けるために形成される。従って、最終的には、エッチング法などによって除去される部分であるため、導電性の材料、または絶縁性の材料のいずれの材料であっても用いることができる。但し、先に説明したように下部駆動電極202、下部スイッチ電極203、および下部補助配線204、さらには、後に形成される上部駆動電極、上部スイッチ電極、上部補助配線、および補助電極を形成する導電性材料よりもエッチング時のエッチングレートの速い材料を選択する必要がある。
なお、犠牲層205に用いることのできる材料として導電性の材料を用いる場合には、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等の金属材料を用いることができる。また、絶縁性の材料を用いる場合には、MEMSスイッチのスイッチ電極(下部スイッチと上部スイッチ電極)における電気的な接続に障害を与えないようにするために、エッチングによる除去がしやすい材料が好ましい。この場合の具体例としては、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂等の樹脂材料や、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、ポリイミド、レジスト材料などの有機材料、その他、シリコンなどの無機材料等を用いることができる。
また、犠牲層205の膜厚は、1μm〜5μmが好ましく、2μm〜3μmがより好ましい。
次に、図3(A)(B)に示すように、犠牲層205上に上部駆動電極206、上部スイッチ電極207、および上部補助配線208を所望の形状に形成する。また、下部補助配線204上に補助電極209を所望の形状に形成する。なお、図3(A)に示す上面図のA−A’における断面図が、図3(B)に該当する。
上部駆動電極206、上部スイッチ電極207、上部補助配線208、および補助電極209は、同一の導電膜を所望の形状にパターニングして形成される。なお、ここで用いる導電膜としては、例えば、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、金(Au)、白金(Pt)等の金属材料、または当該金属材料の化合物(金属酸化物又は金属窒化物)等を用いることができる。また、導電膜の膜厚は、50nm〜700nmが好ましく、100nm〜300nmがより好ましい。但し、犠牲層をエッチングする際、同時にエッチングされないような材料を選ぶ必要がある。具体的には、犠牲層にタングステンやモリブデンを用いる場合には、上部駆動電極および下部駆動電極にタングステンやモリブデンを用いることはできない。
また、パターニングの方法としては、フォトリソグラフィー法によりレジストマスクを形成した後、エッチング法により導電膜の一部を除去する方法を用いる。また、エッチング法としては、ドライエッチング法、またはウェットエッチング法を用いることができる。なお、ドライエッチング法の場合には、CHF、ClF、NH、CF等を含むエッチングガスを用いることができる。また、ウェットエッチング法の場合には、過酸化水素水を含むエッチング剤、又はバッファードフッ酸を含むエッチング剤を用いることができる。
なお、上部補助配線208は、上部駆動電極206と同一平面上に形成される同一の導電膜により形成され、電気的に接続されている。従って、上部補助配線208の膜厚は、上部駆動電極206の膜厚に依存する。なお、上部駆動電極206は、可動電極として機能することから、膜厚を薄く形成することが好ましい。
上部補助配線208が、犠牲層205上にのみ形成される構造であるため、上部補助配線208が薄膜化されている場合であっても犠牲層205の膜厚により生じる段差部分での断線等を問題にすることなく上部補助配線208を形成することができる。
また、下部補助配線204上には、犠牲層205を形成することなく補助電極209が形成される。
次に、図3(C)(D)に示すように、犠牲層205、上部駆動電極206、上部スイッチ電極207、上部補助配線208、および補助電極209上に構造層210を形成する。なお、図3(C)に示す上面図のA−A’における断面図が、図3(D)に該当する。
構造層210には、絶縁性の材料を用いることとする。具体的には、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化酸化シリコン、酸化窒化シリコン等を用いることができる。但し、後の工程で犠牲層205をエッチングする際、同時にエッチングされないような材料を選ぶ必要がある。また、構造層210の形成には、CVD法、スパッタリング法、液滴吐出法(代表的にはインクジェット法)、スピンコーティング法を用いることができる。なお、液滴吐出法やスピンコーティング法は、出発材料が有機材料のときに用いることができる。なお、この様な構造とすることにより、先に形成した犠牲層205の段差部分に丸みを帯びさせることができるため、構造層210の形成には、CVD法を用いることが好ましい。
また、構造層210の膜厚は、1μm〜5μmが好ましく、2μm〜3μmがより好ましい。なお、構造層210の立体形状は、先に形成された犠牲層205を後に除去することによって形成することができるため、構造層210は、犠牲層205、および犠牲層205上に形成された上部駆動電極206、上部スイッチ電極207、および上部補助配線208を含む被成膜面の全面に形成するものとする。
次に、図4(A)(B)に示すように、構造層210の一部であって、上部補助配線208と重なる位置に開口部211、補助電極209と重なる位置に開口部212を形成する。なお、図4(A)に示す上面図のA−A’における断面図が、図4(B)に該当する。
次に、図4(C)(D)に示すように、構造層210上に上部接続配線213および下部接続配線214を形成する。なお、図4(C)に示す上面図のA−A’における断面図が、図4(D)に該当する。
上部接続配線213および下部接続配線214は、同一の導電膜を所望の形状にパターニングして形成される。なお、ここで用いる導電膜としては、例えば、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、金(Au)、白金(Pt)等の金属材料、または当該金属材料の化合物(金属酸化物又は金属窒化物)等を用いることができる。また、導電膜の膜厚は、200nm〜1μmが好ましく、300nm〜600nmがより好ましい。但し、後の工程で犠牲層205をエッチングする際、同時にエッチングされないような材料を選ぶ必要がある。
また、パターニングの方法としては、フォトリソグラフィー法によりレジストマスクを形成した後、エッチング法により導電膜の一部を除去する方法を用いる。また、エッチング法としては、ドライエッチング法、またはウェットエッチング法を用いることができる。なお、ドライエッチング法の場合には、CHF、ClF、NH、CF等を含むエッチングガスを用いることができる。また、ウェットエッチング法の場合には、過酸化水素水を含むエッチング剤、又はバッファードフッ酸を含むエッチング剤を用いることができる。
なお、上部接続配線213は、開口部211を埋めるように形成され、上部補助配線208と電気的に接続される。また、下部接続配線214は、開口部212を埋めるように形成され、補助電極209と電気的に接続される。
ここで、構造層210は、被成膜面の全面に形成されていることから、構造層210の膜厚により生じる段差を有しない構造である。すなわち、上部接続配線213および下部接続配線214は、全て構造層210上に形成されている。従って、上部接続配線213および下部接続配線214を段差部分による配線細りや断線を生じることなく形成することができる。
次に、図5(A)(B)に示すように、構造層210の一部であって、犠牲層205と重なる位置に犠牲層205をエッチングするための開口部215を形成する。なお、図5(A)に示す上面図のA−A’における断面図が、図5(B)に該当する。
なお、構造層210は、先に説明したように被成膜面の全面に形成されていても所望の形状が得られる為、構造層210の加工は、エッチング処理によって犠牲層205上に形成される開口部215を形成するのみでよい。従って、ここでは、構造層210と犠牲層205を形成する材料のエッチング時における選択比のみを考慮すればよいため、エッチング剤の選択が容易となる。また、構造層210の加工は、開口部215の形成のみであるため、エッチング処理工程におけるゴミの発生を最小限に抑えることができる。
次に、図5(C)(D)に示すように、構造層210の一部に形成された開口部215を介して犠牲層205をエッチングし、空間216を形成する。なお、図5(C)に示す上面図のA−A’における断面図が、図5(D)に該当する。
なお、犠牲層205のエッチングには、ドライエッチング法、またはウェットエッチング法を用いることができる。ドライエッチング法の場合には、CHF、ClF、NH、CF等を含むエッチングガスを用いることができる。また、ウェットエッチング法の場合には、過酸化水素水を含むエッチング剤、又はバッファードフッ酸を含むエッチング剤を用いることができる。
例えば、下部駆動電極202、下部スイッチ電極203、および下部補助配線204をタンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、金(Au)、または白金(Pt)のいずれかの金属材料で形成し、犠牲層205をタングステン(W)で形成し、上部駆動電極206、上部スイッチ電極207、および上部補助配線208をタンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、金(Au)、または白金(Pt)のいずれかの金属材料で形成し、構造層210を酸化シリコンで形成する場合には、アンモニア溶液(28wt%)と過酸化水素水(31wt%)の混合液(混合比=1:2)によるウエットエッチング法や3フッ化塩素(ClF)ガスを用いたドライエッチング法を用いることができる。
また、上記組み合わせにおいて、犠牲層205にポリイミドを用いる場合には、市販のポリイミドエッチング液によるウエットエッチング法や、酸素プラズマによるドライエッチング法を用いることができる。
さらに、上記組み合わせにおいて、犠牲層205にシリコンを用い、構造層210に酸化シリコンを用いる場合には、リン酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化セシウムなどの水酸化物や、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)溶液などによるウエットエッチング法を用いることができる。犠牲層205をエッチングする時に、エッチング剤に暴露される部分は、犠牲層205とのエッチングによる選択比が大きく、犠牲層205をエッチングする時間が長くてもエッチングされない材料を用いる必要がある。
また、犠牲層205のエッチングの際の条件を調節することにより、図5(E)に示すように構造層210の側面に犠牲層205の一部(図5(E)に示す217の部分)が残った構造(いわゆる、サイドウォール構造)としても良い。構造層210の側壁は膜の厚さが薄くなってしまうが、サイドウォール構造とすることにより、構造層210の側壁の弱さを補強することができる。
以上のように犠牲層205をエッチングして除去することによって、空間216が形成され、MEMSスイッチを形成することができる。
このように、本実施の形態1で示したMEMSスイッチは、上部駆動電極206と電気的に接続された上部補助配線208が犠牲層205上に形成され、犠牲層205上において膜厚の自由度の高い接続配線と接続される構造であるため、上部駆動電極206が薄膜形成された場合であっても、犠牲層205の段差部分における上部補助配線208の配線細りや配線の断切れ等を防ぐことができる。従って、信頼性の高いMEMSスイッチを形成することができる。
なお、本実施の形態1で説明したMEMSスイッチを複数設ける、またはトランジスタやダイオードなど種類の異なる半導体素子と共に設けることで、集積化されたマイクロマシンを形成することができる。
MEMSスイッチの構造を説明する図。 MEMSスイッチの作製方法を説明する図。 MEMSスイッチの作製方法を説明する図。 MEMSスイッチの作製方法を説明する図。 MEMSスイッチの作製方法を説明する図。
符号の説明
101 基板
102 下部駆動電極
103 下部スイッチ電極
104 下部補助配線
105 空間
106 上部駆動電極
107 上部スイッチ電極
108 上部補助配線
109 構造層
110 下部接続配線
111 上部接続配線
201 基板
202 下部駆動電極
203 下部スイッチ電極
204 下部補助配線
205 犠牲層
206 上部駆動電極
207 上部スイッチ電極
208 上部補助配線
209 補助電極
210 構造層
211 開口部
212 開口部
213 上部接続配線
214 下部接続配線
215 開口部
216 空間

Claims (2)

  1. 絶縁表面を有する基板上に形成された第1の電極と、
    前記第1の電極上に空間を介して形成された第2の電極および補助配線と、
    前記第2の電極および前記補助配線上に、前記空間を覆うように形成された構造層と、
    接続配線とを有し、
    前記第2の電極および前記補助配線は、同一平面上に形成され、かつ電気的に接続され、
    前記補助配線および前記接続配線は、前記構造層に設けられた開口部を介して電気的に接続され、
    前記構造層の側面にサイドウォールを有し、
    前記サイドウォールは、前記開口部と前記補助配線と前記接続配線とに重なる領域を有することを特徴とするマイクロマシン。
  2. 絶縁表面を有する基板上に形成された、第1の電極および第1の補助配線と、
    前記第1の電極上に空間を介して形成された、第2の電極および第2の補助配線と、
    前記第1の補助配線上に前記空間を介さず形成された、補助電極と、
    前記第2の電極および前記第2の補助配線上において前記空間を覆うように形成され、且つ、前記補助電極上において前記空間を介さず形成された構造層と、
    第1の接続配線と、
    第2の接続配線とを有し、
    前記第2の電極および前記第2の補助配線は、同一平面上に形成され、かつ電気的に接続され、
    前記第2の補助配線および前記第1の接続配線は、前記構造層に設けられた第1の開口部を介して電気的に接続され、
    前記補助電極および前記第2の接続配線は、前記構造層に設けられた第2の開口部を介して電気的に接続され、
    前記構造層の側面にサイドウォールを有し、
    前記サイドウォールは、前記第1の開口部と前記第2の補助配線と前記第1の接続配線とに重なる領域を有することを特徴とするマイクロマシン。
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