JP6429873B2 - ピクセルを備えたマイクロシステムの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ピクセルを備えたマイクロシステムの製造方法に関する。

チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）から成る薄膜は、例えば高度な電気機械的な結合、高い比誘電率、又は高い焦電係数等の有利な物理的特性に基づき、マイクロシステム技術において広く流布している。マイクロシステムは従来、薄膜用の支持体として基板を有しており、この場合、基板はシリコンフレームによって張設されたダイヤフラムを有している。チタン酸ジルコン酸鉛薄膜が、所定の成膜法、特にスパッタプロセスによって基板に被着されることは知られている。薄膜から成るピクセルの格子状配置は、従来、フォトリソグラフィ式のエッチング法により達成される。ピクセルは、例えば白金又はクロム−ニッケル合金から製造された電極と、電子的に回路接続されている。

ダイヤフラムは、ピクセル間の熱的なクロストークが少なくなるように、小さな熱的質量と、低い熱伝導率とを有していることが必要とされる。このことは、ダイヤフラムが熱を伝導し難い材料、例えば酸化ケイ素から成り且つできるだけ薄く形成されていることにより達成される。４００μｍのフレーム高さの場合、ダイヤフラムの厚さは、典型的には１μｍである。反応性の深掘りイオンエッチング法により、基板の裏側を著しく異方性に構造化して、キャビティが形成され得るようにすることが可能である。キャビティは、直接ダイヤフラムに到るまで延在しているので、ダイヤフラムの、ピクセルとは反対の側は、キャビティによって露出させられている。ダイヤフラムをできるだけ薄く、且つ十分に高い強度を備えて製造することは、追求に値する。これにより、ピクセルは少ないクロストークに基づいて、高い機能性を有することになる。

ダイヤフラムを安定化させるために、付加的なＳｉ_３Ｎ_４膜を基板に設けることが知られている。しかしながらこの付加的なＳｉ_３Ｎ_４膜は、その熱伝達率が大きいため、付加的なＳｉ_３Ｎ_４膜により、個々のピクセル間の不都合なクロストークが増大してしまう、という欠点を有している。更に、付加的なＳｉ_３Ｎ_４膜の製造には、別の製造ステップが必要となるので、より高い製造費が伴うことになる。

本発明の課題は、ピクセルを備えたマイクロシステムの製造方法を提供することであり、この場合、ピクセルは高い機能性を有し、マイクロシステムは高い機械的安定性を有すると共に、製造費は低くなっている。

この課題は、独立請求項に記載の特徴により解決される。これに関する好適な構成は、別の請求項に記載されている。

ピクセルを備えたマイクロシステムの、本発明による製造方法は、以下のステップを有している。即ち、シリコンウェハを準備するステップと；前記シリコンウェハの酸化により、前記シリコンウェハの表面に、２００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有する基底層として、熱的な酸化ケイ素膜を形成するステップと；熱的な成膜法により、１００ｎｍ〜７００ｎｍの厚さを有する支持体層として、酸化ケイ素薄膜を、前記基底層に直接に形成するステップと；熱的な成膜法により、４０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有する白金層を、前記支持体層に直接に形成し、前記シリコンウェハ、前記基底層、前記支持体層及び前記白金層を有する中間生成物を形成するステップと；該中間生成物を室温に冷却するステップと；前記白金層の不要な領域を除去することで、前記白金層をピクセル状に構造化し、前記支持体層に、前記白金層の残留領域によって、ピクセルの下部電極をピクセル状に形成するステップと；前記シリコンウェハの、前記基底層とは反対の側の材料を除去してフレームを残し、該フレームにより、前記基底層と前記支持体層とから形成されたダイヤフラムを張設するステップと；マイクロシステムを仕上げるステップと、を有している。

本発明による方法を用いてマイクロシステムを製造した場合、中間生成物は、２００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有する熱的な酸化ケイ素膜としての基底層と、１００ｎｍ〜７００ｎｍの厚さを有する酸化ケイ素薄膜としての支持体層と、４０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有する白金層とを有する層複合体として生じ、この場合、前記各層は互いに直接に接して位置し且つ互いに固く結合されている。中間生成物の冷却後に、前記各層には、それぞれ相応する応力状態が生ぜしめられ、この応力状態は、基底層と支持体層とには圧縮応力が存在し、且つ白金層には引張り応力が存在することを特徴とする。支持体層の圧縮応力は、基底層におけるよりも約５〜１０倍だけ小さく、白金層の引張り応力は、約５〜２０ＭＰａである。更に注目すべきは、白金層を、下部電極として複数の白金層ピクセルに構造化した後、これらの白金層ピクセル内には、構造化前の白金層における引張り応力に比べてほとんど変わらない値の引張り応力が存在している、という点である。支持体層及び基底層の、白金層ピクセルが配置された箇所には、白金層ピクセルの引張り応力による、基底層及び支持体層の圧縮応力の過補償が生じ、引っ張り応力は存在しているが、圧縮応力は全く存在していない。つまり、白金層ピクセルは、その引張り応力で以て、基底層及び支持体層の圧縮応力を局所的に補償するように機能する。白金層ピクセルの構造化後、白金層は最早、表面上に一貫して存在するのではなく、白金層ピクセルの形態でしか存在していないにもかかわらず、意外にも白金層ピクセルによって、基底層及び支持体層の圧縮応力の局所的な補償が生ぜしめられる。白金層ピクセルの補償作用に基づき、支持体層及び基底層に作用する引張り応力は、最大約５０ＭＰａの値を有している。

本発明に基づきダイヤフラムに生ぜしめられる複数の応力状態によって、ダイヤフラムは高い強度を有することになり、その結果、このダイヤフラムが本発明では小さな厚さを備えて形成されているにもかかわらず、例えばマイクロシステムの製造に際してダイヤフラムが破損することはない。更に、基底層及び支持体層における応力勾配は、基底層と支持体層とが高い機械的安定性を有するように、適度に中庸である。更に、支持体層と基底層とは、ピクセル間のクロストークが少なくなるように、低い熱伝導率を有している。これにより当該マイクロシステムは、特に熱的な限界周波数よりも小さな周波数に関して、有利には高いＳＮ比を有することになる。マイクロシステムを製造するための本発明による方法は、基底層及び支持体層を形成するための各プロセスステップを有しているので、例えば機械的に安定化させるＳｉ_３Ｎ_４膜を形成するための付加的なプロセスステップは不要である。これにより、本発明によるマイクロシステムの製造費は、既知のマイクロシステムにかかるよりも少なくなっている。

好適には、白金層は３００℃〜５５０℃でスパッタリングされる。更に当該方法は、好適には以下のステップを有している。即ち、熱的な成膜法により、０．２〜５μｍの厚さを有するチタン酸ジルコン酸鉛層を白金層に直接に形成して、前記中間生成物が、チタン酸ジルコン酸鉛層を有するようにするステップを有している。この場合、好適には、白金層をピクセル状に構造化する際に、チタン酸ジルコン酸鉛層の不要な領域を除去することにより、チタン酸ジルコン酸鉛層も同時に構造化され、各下部電極に、チタン酸ジルコン酸鉛層の残留領域によって、各ピクセルの、チタン酸ジルコン酸鉛ピクセルが形成されることになる。

当該方法は、更に好適には以下のステップを有している。即ち、熱的な成膜法により、半透過性で導電性の電極層を、チタン酸ジルコン酸鉛層に直接に形成し、前記中間生成物が、電極層を有するようにするステップを有している。この場合、好適には、電極層は、白金、又はニッケル−鉄化合物、又はニッケル−クロム化合物から成っている。白金層とチタン酸ジルコン酸鉛層とをピクセル状に構造化する際に、第２の白金層の不要な領域を除去することにより、好適には同時に電極層も構造化され、チタン酸ジルコン酸鉛ピクセル上に、第２の白金層の残留領域によって、ピクセルの上部電極が形成されることになる。

更に好適には、前記熱的な成膜法は、スパッタ法である。

以下に、本発明による方法で製造されたマイクロシステムの１つの好適な実施例を添付の概略的な図面に基づき説明する。

本発明による方法で製造されたマイクロシステムの実施例の横断面図である。 図１に示した実施例を上から見た図である。

図１及び図２から分かるように、マイクロシステムとして製造された赤外線センサチップ１は、基板２を有しており、この基板２自体は、フレーム３と、ダイヤフラム４とを有している。ダイヤフラム４はフレーム３上に取り付けられているので、ダイヤフラム４は、フレーム３によって支持され且つ張設されていることになる。ダイヤフラム４は、熱的な酸化ケイ素膜である基底層５と、酸化ケイ素薄膜である支持体層６とを有している。

支持体層６には、白金から成る第１の下部電極８と、高い割合のジルコンを有する第１のチタン酸ジルコン酸鉛ピクセル９と、白金から成る第１の上部電極１０とを備えた第１の赤外線センサ７、並びに白金から成る第２の下部電極１２と、高い割合のジルコンを有する第２のチタン酸ジルコン酸鉛ピクセル１３と、白金から成る第２の上部電極１４とを備えた第２の赤外線センサ１１が配置されている。チタン酸ジルコン酸鉛ピクセル９，１３は、それぞれの下部電極８，１２と上部電極１０，１４との間に配置されており、下部電極８，１２は、支持体層６に直接に配置されている。

上部電極１０，１４は、それぞれ半透過性に形成されており、赤外線が外部からチタン酸ジルコン酸鉛ピクセル９，１３に入射可能になっている。各赤外線センサ７，１１間の間隔１５は、各赤外線センサ７，１１間のクロストークがなお許容範囲内であるような大きさに選択されている。基底層５は、２００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さ１６を有しており且つ支持体層６は、１００ｎｍ〜７００ｎｍの厚さ１７を有しているのに対し、下部電極８，１２は、それぞれ４０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さ１８を有している。チタン酸ジルコン酸鉛ピクセル９，１３は、それぞれ数マイクロメートル、特に２〜５μｍの厚さ１９を有している。上部電極１０，１４は、それぞれ３〜２００ｎｍの厚さ２０を有している。

赤外線センサチップを製造するためには、以下のステップが実施され得る。即ち、酸化ケイ素膜が、シリコンウェハの表面に、このシリコンウェハの酸化によって、厚さ１６を有する基底層５として形成される。更に酸化ケイ素薄膜が、熱的な成膜法によって、厚さ１７を有する支持体層６として、基底層５に直接に形成される。その後、白金層が、厚さ１８を有する支持体層１７に直接に、３００℃〜５５０℃でスパッタリングされる。次いで、チタン酸ジルコン酸鉛層が、前記白金層に直接に、熱的な成膜法により、厚さ１９を備えて被着される。次いで、チタン酸ジルコン酸鉛層に直接に、白金又はニッケル−鉄化合物又はニッケル−クロム化合物から成る半透過性で導電性の電極層が、熱的な成膜法により、厚さ２０を備えて被着される。

次いで、基底層５と、支持体層６と、白金層と、チタン酸ジルコン酸鉛層と、電極層とを備えたシリコンウェハが、室温に冷却される。代替的に、冷却後に初めて、チタン酸ジルコン酸鉛層に電極層を被着することが考えられる。冷却後、基底層５と支持体層６の両方に圧縮応力が生じ、且つ白金層には引張り応力が生じる。支持体層６における圧縮応力は、基底層５におけるよりも約５〜１０倍だけ小さく、白金層における引張り応力は、約５〜２０ＭＰａである。

更に、ピクセル状の構造化が行われる。このとき、白金層と、チタン酸ジルコン酸鉛層と、電極層の不要な領域が除去され、これにより、赤外線センサ７，１１が相互に間隔１５をおいて作り出される。最後に、シリコンウェハの、基底層とは反対の側に、材料除去によって切欠きが形成され、シリコンウェハのうち、基底層５と支持体層６とから形成されたダイヤフラム４を張設するフレーム３は残される。

ピクセル状の構造化の後に、下部電極８，１２にはそれぞれ引張り応力が存在しており、これらの引張り応力の値は、構造化前の白金層における引張り応力に比べてほとんど変わっていない。下部電極８，１２が配置された支持体層６と基底層５の箇所では、下部電極８，１２の引張り応力による、基底層５及び支持体層６の圧縮応力の過補償が生じて、引張り応力は存在しているが、圧縮応力は全く存在していない。つまり、下部電極８，１２は、その引張り応力で以て、基底層５及び支持体層６の圧縮応力を局所的に補償するように機能する。赤外線センサの構造化後に、白金層は最早支持体層６の表面上に一貫して存在してはいないにもかかわらず、下部電極８，１２による、基底層５及び支持体層６の圧縮応力の局所的な補償が生じるようになっている。下部電極８，１２の補償作用に基づいて支持体層６と基底層５とに作用する引張り応力は、最大約５０ＭＰａの値を有している。

図２には、下部電極８，１２の補償作用が、第１及び第２のグリッド線２３，２４で示されている。下部電極８，１２の補償作用が存在しない場合には、グリッド線２３，２４は一様な格子を形成すると考えられ、この場合、第１のグリッド線２３は図２において垂直方向に延び且つ支持体層６の縁部２１の垂直方向部分に対して平行に延びており、第２のグリッド線２４は図２において水平方向に延び且つ支持体層６の縁部２１の水平方向部分に対して平行に延びていると考えられる。

下部電極８，１２の引張り応力と、支持体層６及び基底層５の圧縮応力との重畳に基づき、グリッド線２３，２４の歪みが生じ、その結果、支持体層６と基底層５とにおける下部電極８，１２の縁部２２の領域には、高い引張り応力を有するゾーン２５が形成され、支持体層６及び基底層５のダイヤフラム４の中心には、低い引張り応力を有するゾーン２６が形成されることになる。

基底層５と支持体層とが上記のように薄く形成されているにもかかわらず、ダイヤフラム４は室温に冷却される間、損傷されずに保たれる。このことは、下部電極８，１２の補償作用によって得られる。この補償作用は、主として下部電極８，１２を起点とする。補償作用には、チタン酸ジルコン酸鉛ピクセル９，１３及び上部電極１０，１４も同様に寄与する。上部電極１０，１４の寄与は、チタン酸ジルコン酸鉛ピクセル９，１３の寄与に比べると小さい。それというのも、上部電極１０，１４は、その半透過性に基づき極めて薄く形成されているからである。更に、ダイヤフラム４における応力の勾配は、ダイヤフラム４が冷却後も高い機械的安定性を有するように、適度に中庸である。有利には、支持体層６及び基底層５を成す酸化ケイ素は、個々の赤外線センサ７，１１間のクロストークが少なくなるような、低い熱伝導率を有している。これにより、赤外線センサチップ１は、特に熱的な限界周波数よりも小さな周波数に関して、有利には高いＳＮ比を有することになる。

１ ピクセルチップ、 ２ 基板、 ３ フレーム、 ４ ダイヤフラム、 ５ 基底層、 ６ 支持体層、 ７ 第１のピクセル、 ８ 第１の下部電極、 ９ 第１のチタン酸ジルコン酸鉛ピクセル、 １０ 第１の上部電極、 １１ 第２のピクセル、 １２ 第２の下部電極、 １３ 第２のチタン酸ジルコン酸鉛ピクセル、 １４ 第２の上部電極、 １５ ピクセル間の間隔、 １６ 基底層の厚さ、 １７ 支持体層の厚さ、 １８ 下部電極の厚さ、 １９ チタン酸ジルコン酸鉛ピクセルの厚さ、 ２０ 上部電極の厚さ、 ２１ 支持体層の縁部、 ２２ 下部電極の縁部、 ２３ 第１のグリッド線、 ２４ 第２のグリッド線、 ２５ 高い引張り応力を有するゾーン、 ２６ 低い引張り応力を有するゾーン

Claims (8)

1. ピクセルを備えたマイクロシステム（１）の製造方法であって、
   シリコンウェハを準備するステップと；
   前記シリコンウェハの酸化により、前記シリコンウェハの表面に、２００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有する基底層（５）として、熱的な酸化ケイ素膜を形成するステップと、
   熱的な成膜法により、１００ｎｍ〜７００ｎｍの厚さを有する支持体層（６）として、酸化ケイ素薄膜を前記基底層（５）に直接に形成するステップと、
   熱的な成膜法により、４０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有する白金層を前記支持体層（６）に直接に形成し、前記シリコンウェハ、前記基底層（５）、前記支持体層（６）及び前記白金層を有する中間生成物を形成するステップと、
   該中間生成物を室温に冷却するステップと、
   前記白金層の不要な領域を除去することで、前記白金層をピクセル状に構造化し、前記支持体層（６）に、前記白金層の残留領域によって、ピクセル（７，１１）の下部電極（８，１２）をピクセル状に形成するステップと、
   前記シリコンウェハの、前記基底層（５）とは反対の側の材料を除去してフレーム（３）を残し、該フレーム（３）により、前記基底層（５）と前記支持体層（６）とから形成されたダイヤフラム（４）を張設するステップと、
   マイクロシステム（１）を仕上げるステップと、
   を有する、ピクセルを備えたマイクロシステム（１）の製造方法。
2. 前記白金層は、３００℃〜５５０℃でスパッタリングされる、請求項１記載の製造方法。
3. 熱的な成膜法により、０．２〜５μｍの厚さを有するチタン酸ジルコン酸鉛層を、前記白金層に直接に形成して、前記中間生成物が、チタン酸ジルコン酸鉛層を有するようにするステップを有する、請求項１又は２記載の製造方法。
4. 前記白金層をピクセル状に構造化する際に、前記チタン酸ジルコン酸鉛層の不要な領域を除去することにより、前記チタン酸ジルコン酸鉛層も同時に構造化され、各前記下部電極（８，１２）に、前記チタン酸ジルコン酸鉛層の残留領域によって、各前記ピクセル（７，１１）の、チタン酸ジルコン酸鉛ピクセル（９，１３）が形成される、請求項３記載の製造方法。
5. 熱的な成膜法により、半透過性で導電性の電極層を前記チタン酸ジルコン酸鉛層に直接に形成し、前記中間生成物が電極層を有するようにするステップを有する、請求項３又は４記載の製造方法。
6. 前記電極層は、白金、又はニッケル−鉄化合物、又はニッケル−クロム化合物から成っている、請求項５記載の製造方法。
7. 前記白金層と前記チタン酸ジルコン酸鉛層とをピクセル状に構造化する際に、第２の白金層の不要な領域を除去することにより、同時に前記電極層も構造化され、前記チタン酸ジルコン酸鉛ピクセル（９，１３）上に、前記第２の白金層の残留領域によって、前記ピクセル（７，１１）の上部電極（１０，１４）が形成される、請求項４を引用する請求項６記載の製造方法。
8. 前記熱的な成膜法は、スパッタ法である、請求項１から７までのいずれか１項記載の製造方法。

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