JPH03234982A - 電子マイクロ弁装置及びその製造方法 - Google Patents

電子マイクロ弁装置及びその製造方法

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JPH03234982A JP2337007A JP33700790A JPH03234982A JP H03234982 A JPH03234982 A JP H03234982A JP 2337007 A JP2337007 A JP 2337007A JP 33700790 A JP33700790 A JP 33700790A JP H03234982 A JPH03234982 A JP H03234982A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野及び従来の技術］ 本発明は、単一のシリコン上に製造された一体の構造で
あり且つシリコンウェハの両側に入口と出口ををする流
通弁であるシリコン系の電子マイクロ弁に関する。マイ
クロ弁の閉鎖板は片持ち形状、両側で取り付けられたビ
ーム、あるいは４つの側面で取り付けられ、貫通する流
通穴を有するダイアフラムの形態をとることができる。
従来のマイクロ弁には、２つのマイクロ加工された材料
片から小型弁を製造し、処理後にそれらを組み立てるも
のを含む別の種類の弁もある。別の小型弁は、シリコン
ウェハの同じ側に流れ入口と流れ出口を有する密閉チャ
ンバを有する。
［発明の概要］ 本発明では、単一のシリコン片の上に小型弁を製造する
。この弁は、シリコンウェハの一方の側に流れ入口を有
し、他方の側に流れ出口を有する流通弁である。これは
小型一体薄膜ブリードパルプであり、その閉鎖板部材は
弁オリフイス板部材の表面に適合する形状である。本発
明の弁閉鎖板は板を貫通する複数の流れ穴を有する。そ
れらの穴は弁オリフィスに近いが、それから側方にずれ
ているので、弁が閉じるときにガス圧力が押す有効面積
は小さ（なり、その結果、弁を閉鎖するのが容易になる
。
［実施例コ 静電動作ブリードバルブは、流れオリフィスより相当に
広い領域にわたって弁座部材電極と、閉鎖部材電極との
間隔をごく狭くとることにより、過剰な動作電圧を回避
すべき場合に高い流体圧力に対するを効な閉鎖状態を得
る。電極間の誘電体が均質であるとき、静電気によって
発生する力は離間距離の２乗に反比例する。従って、２
つの電極の表面が曲がり具合の違い、凹凸又はゆがみに
よって互いにぴったり合わないと、弁の性能は低下する
と考えられる。詳細にいえば、盛上がった弁座を使用し
た場合、弁座の立上がり効果によって、弁座の周囲の領
域では２つの電極がごく近接することができなくなるの
で、性能に重大な影響が生じる。さらに、閉鎖部材の厚
さが対称でないと、パイモル曲がり効果のために通常の
印加電圧では完全な閉鎖が得られな（なってしまう。
本発明は、構造のどの部分についても別個の処理が不要
であるように一連の重なり合う薄膜層を蒸着し且つ境界
限定することによって１つのまとまった作業でデバイス
を製造するという手段により、」１記の問題を回避する
か又はできる限り軽減するものである。この製造方法に
よれば、電極部材について共形構造を使用できるのであ
るが、これは、下方の電極部拐の表面にある凹凸形状が
上方の電極部材の表面で、それとネガの関係にある形状
と全く一致するように、きわめて薄い均一な厚さの犠牲
層をエツチングで除去することにより得られる。すなわ
ち、エツチング後は、それらの表面は互いにぴったりと
合って閉じるのである。
露出している部材表面は、エツチング液により大きな影
響を受けない化学的に不活性の高品質窒化シリコンから
形成される。
さらに、本発明では、閉鎖位置にあるときに閉鎖部材が
主に縁部でたわむように、その形状を定め且つ厚さを１
ミクロン以下と薄（しであるので、閉鎖部材の厚さに適
度な非対称性があっても、閉鎖部材の主要な領域にわた
って隙間のない閉鎖が可能である。本発明のもう１つの
利点は、必要に応じて、閉鎖部材に弁オリフイス穴に隣
接して設けられた流通穴を利用することにより、閉鎖動
作中及び閉鎖位置にあるときに閉鎖部材に加わる空気圧
力を最小限に抑えられることである。
そこで、図面に関して説明すると、第１図ａは、マイク
ロ弁の好ましい実施例の平面図であり、第１図すは、そ
れをさらに明瞭に示す断面図である。基板１は単結晶シ
リコンから成るのが好ましく、ウェハは単結晶塊から切
出されたものである。半導体チップの製造過程で一般に
行われているように、必要に応じて同一のウェハに複数
の弁を同時に形成し、後にそれぞれの弁を分離しても良
い。小型弁は、大まかにいえば、入口オリフィス２と、
弁台板３と、誘電体閉鎖板４という主要な構成要素を含
む。入口オリフィス２は、基板１を− ０ 背面から貫通エツチングすることにより形成されている
。弁台板３は、シリコン基板１の表面３１上に形成され
る窒化シリコン（Ｓ、３Ｎ４）から成るのが好ましい薄
膜誘電体層手段３０の一部である。誘電体閉鎖板４は、
層手段３０の本体から犠牲膜の除去によって解放された
薄く、阻げなく延出する可撓性の誘電体領域である。閉
鎖板４と台板３との間には狭い間隙５ができている。密
閉板４には、入口オリフィス２に隣接しているが、オリ
フィスから側方に外れた位置に、１つ又は複数の流通出
口穴６が設けられている。第１図ａでは、便宜」二、４
つのそのような隣接する流通出口穴６を示したが、穴の
数は重要ではない。出口穴６の総面積は入ロオリフイス
２０面積と等しいか又はそれより大きくなるように設計
されるのが好ましい。閉鎖板４の２つの側面３２及び３
３に沿って形成された出口流れ溝穴７は、閉鎖板を構造
の他の部分に、一般に３４及び３５で示す２つの側面で
装着された状態に保っている。通常、閉鎖板４の面積は
入口オリフィスの面積の１０倍から１００倍となるよう
に設計される。台板には電極８が埋設され、閉鎖板４に
は電極９が埋設されている。下方の電極８は、シリコン
基板１及び上方の電極９から電気的に分離するように、
完全に誘電体で包まれている。上方の電極９は、下方の
電極から電気的に分離するように、閉鎖板を形成する誘
電体層により完全に包まれている。」１下の電極に対し
ては、通路を介して構成された金属パッドにより電気接
続部１０及び１１が設けられ、下方接点パッド１０と、
上方接点パッド１１とを形成している。
第１図すは動作していない常時開位置で示されている。
第２図ａは第１図すに示したのと同一の実施例の弁を示
すが、この場合、弁は閉位置にある。第１図すに示すよ
うな弁を弁閉鎖のために動作させるべきときには、閉鎖
板４の表面３６を台板３の表面３７に接触するまで下降
させる。
次に、第１図及び第２図を参照して、小型弁の動作を説
明する。弁が第１図に示すような常時開状態、すなわち
不作動状態にあるときには、電極８及び９に電圧は印加
されておらず、ガスは人口オリフォス２を通って弁の中
に入り、弁を通過して、閉鎖板４の出口穴６と、閉鎖板
の側面に沿った出口流れ溝穴７とを通り流出する。接点
パッド１０．１１において」ニガの電極９と下方の電極
８との間に電圧が印加されると、電極間に、印加電圧の
２乗に正比例する静電力が発生し、その結果、閉鎖板４
は第２図ａに示すように弁台板３に向かって引き付けら
れ、弁を通るガスの流れを止める。第２図すは、台板３
と閉鎖板４の対向し合う面の部分拡大断面図である。閉
鎖板４と台板３がその面の形状にぴったり合うことを示
す。弁は薄膜を連続して蒸着することにより製造される
ので、シリコン基板又はいずれかの蒸着膜に表面の凹凸
又はざらつきがあると、それはその後に蒸着されてゆ（
膜にもそのまま現れてしまう。従って、第１図すの構成
において、薄い犠牲膜を除去して間隙５を形成する際に
、台板３の上面は閉鎖板４の底面に対して鏡像関係の形
状を呈するので、第２図ａ及び第２図すのような弁の閉
位置で２つの面を互いに圧接すれば、閉鎖板４と台板３
の表面はぴったりとかみ合い、閉鎖板４の面積の大半に
わたって弁を漏れなく密閉するのである。
この弁は、電極間に直流電圧を印加することにより全開
位置と、全閉位置とを存する２位置弁として動作されて
も良いが、弁を閉鎖するために必要な電圧に比例する電
圧を印加することにより比例制御弁として動作されても
良い。あるいは、弁を通るガスの流れを変調するために
、パルス幅変調電圧信号によって弁を動作させても良い
。
次に、第３図ａ、第３図す及び第１図すを参照して、小
型弁の製造方法を説明する。第３図ａは、全ての薄膜層
が蒸着され且つパターン規定されているが、最終的なエ
ツチングは実施されていない弁を示す。製造シーケンス
は、両面を半導体デバイス品質の鏡面仕上げに研磨した
（１００）シリコンウェハ１から始まる。ウェハの表面
をパッシベートすると共に、下方の電極８をシリコンウ
ェハ１から電気的に分離するために、ウェハの表面に窒
化シリコン膜１２を蒸着する。ウェハの裏３− ４− 面をパッシベートし、処理の最終エツチング工程の間に
その而を保護するために、ウェハの裏面に別の窒化シリ
コン膜１３を蒸着する。処理中に後でエツチングする裏
面の入口オリフィス開口部１４を形成するために、裏面
の窒化シリコン膜１３をパターン通りに除去する。次に
、下方の電極８を形成するために、ウェハの表面に金属
膜を蒸着して、パターン通りＺこ残し、さらに、窒化シ
リコン膜１５によりそれをパッシベートする。次に、表
面の窒化シリコン膜をパターン通りに残すと共にエツチ
ングして、シリコン表面１６への通路を開く。表面１６
のこの通路パターンは入口オリフィスの前面側を規定す
る。通路はプラズマエツチングを利用して形成される。
次に、処理中に後で除去される犠牲層１７としての役割
をもつ材料の薄膜を蒸着し、パターン通りに残す。後の
工程でこの犠牲層１７が除去されたとき、閉鎖板４が解
放されて、自在に動ける状態となるように、犠牲層１７
は弁台板３と閉鎖板４との間のスペーサとして働く。犠
牲層１７は、薄い層として蒸若し、パターン形成し、且
つエツチングの時点で露出していると考えられる他の膜
のいずれにも影響を与えないエツチング方法で後に除去
することが可能である金属又は絶縁体などのどのような
祠料であっても良い。使用できる犠牲層の例としては、
アルミニウム又は二酸化シリコンがある。これらの材料
は、弁構造に使用する窒化シリコン層又は接点パッド１
０及び】１に使用する金属のいずれにも影響を与えない
エツチング方法を利用して、それぞれ除去することがで
きる。犠牲層のにに窒化シリコンの薄い層１８を蒸着し
て、弁閉鎖板４の底面層を形成すると共に、上方の電極
９のパッジベージコンを行い且つ上方の電極９を下方の
電極８から電気的に分離する。
第３図すは、犠牲層スペーサ１７の両側の膜の境界面を
拡大して示すことにより、先に説明したように蒸着膜が
互いにぴったりと接合している様子を表して〜Ａる。表
面のどような凹凸も、後続する蒸着膜に伝わり、そのま
まの形で現れる。従って、犠牲層１７を除去した後、弁
台板３と弁閉鎖板４の表面は互いにぴったりとかみ合う
ようになる。
第３図ａに戻って説明を続けると、次に蒸着され且つパ
ターン形成されるのは、上方の電極９を形成するための
金属層である。次に、上方の電極９の上に窒化シリコン
層１９を蒸着して、電極をパッシベートすると共に、閉
鎖板４の形成を完了する。この窒化シリコン層重９は、
犠牲層１７の除去後の閉鎖板４の強度を高めるように、
通常は上方の電極９の下方の層Ｊ８より厚い膜である。
窒化シリコン層１８及び１９と、上方の電極９とから構
成される閉鎖板４の全体としての厚さは、通常、１から
１．５ミクロンの範囲にある。閉鎖板４が犠牲層１７の
除去後に基板構造から解放されたとき、閉鎖板４が座屈
したり、反ったすせずに平坦なままであり、閉鎖板４と
弁台板３の面のぴったりとかみ合う状態を維持できるよ
うに、閉鎖板４を構成している窒化シリコン層１８及び
１９は応力制御方式によって蒸着される。
出口孔６と出口溝穴７の開口は、ドライプラズマエツチ
ング方法を利用して閉鎖板４を貫通する通路をエツチン
グすることにより形成される。これらの流通穴は、最終
エツチング工程の間に犠牲層を除去するときにエツチン
グ液を導入するための取り入れ通路としても作用する。
再び第１図すを参照して説明すると、弁の製造は、入口
オリフィス２を形成するためにＫＯＨ中でシリコンウェ
ハを異方性エツチングすることによって完了する。次に
、犠牲層の材料に選択的に作用するエツチング方法を利
用して、第１図の犠牲層１７を除去する。犠牲層のエツ
チング方法は窒化シリコン膜に影響を与えないように選
択されるので、エツチング工程を通して、閉鎖板４と台
板３の面のぴったりとかみ合う状態は維持される。
第３図ａに示すような弁の製造に使用できるいくつかの
層の厚さの例を挙げると、窒化シリコン層１２は約５０
０オングストローム（Ｘ、）、　　金属層８は約３００
オングストローム、窒化シリコン層は約７５０オングス
トローム、犠牲層１７は約５００オングストローム、窒
化シリコン層１８７ ＝１８ は約１５００オングストローム、金属電極層９は約１５
００オングストローム、窒化シリコン層１９は約７５０
０オングストロームである。従って、閉鎖板部材の厚さ
は１００００オングストロームであると考えられる。こ
こで挙げた厚さ寸法は単なる例である。本発明によれば
、デバイスを実際に製造するときに採用される寸法の１
例として、入口オリフィス２は一辺約３５ミクロン、閉
鎖板は一辺約３５０ミクロンである。
弁を作動するときには、上方の電極９と下方の電極８と
の間に電圧を印加する。電極間の静電力は電極間の離間
距離の２乗に反比例し、また、ｉ印加された電圧の２乗
に正比例する。電極の離間距離は下方の電極８の上にあ
るパッシベーションのための窒化シリコン層１５の厚さ
と、上方の電極９の下の窒化シリコン層１８の厚さと、
犠牲層１７により形成された間隙の幅とから成る。所定
の動作電圧に対して電圧間の力をできる限り大きくする
ためには、電極間の距離をできる限り短（しなければな
らない。すなわち、窒化シリコン層１５及び１８と、犠
牲層１７とは実用に即した範囲内でできる限り薄くなけ
ればならない。窒化シリコン層はすぐれた電気的分離を
可能にしなければならず、従って、５００〜ｔｏｏｏＸ
程度の薄さであって良い。犠牲層は２００Ｘ程度の薄さ
であって良く、通常は２００〜１００ＯＸの範囲にある
と考えられる。
第１図ａでは、入口オリフィス２と出口穴６は正方形で
あるように図示されているが、その形状は正方形に限定
されない。また、閉鎖板の下方に、それぞれ出口穴６を
伴う複数の入口オリフィス２を設けても良い。さらに、
さらに大きな流量を制御できるように弁の容量を増大す
るために、単一のシリコンチップに複数対のオリフィス
付き閉鎖板を構成することも可能である。また、以上説
明した実施例では、弁閉鎖板４はマイクロブリ・ンジ（
すなわち、２つの端部にビームが取り付けられている）
の形状で示されている。しかし、第４図ａ及び第４図す
に示すように、弁閉鎖板を片持ち形状に形成することも
可能であり、この場合、閉鎖板４′の左側の端部のみが
弁構造のその他の部分に固着されている。その他の点で
は、構成と動作は先に説明した実施例と同じである。第
５図ａ及び第５図すは、閉鎖板４″がダイアフラムのよ
うに全ての縁で固着されており、流れは出口穴６のみを
通って上昇するような実施例を示す。第６図ａ及び第６
図すには、円形の閉鎖板４′″が４０．４１．４２及び
４３で示す箇所で固着されている点を除いて、第１図ａ
、第１図す、第２図ａ及び第３図ａの実施例にごく類似
した動作を行う円形の実施例が示されている。第７図ａ
及び第７図すは、四角で固着されている正方形の閉鎖板
を有するマイクロ弁を示す。その点を除いては、先に詳
細に説明した弁に非常に良（似ている。
【図面の簡単な説明】
第１図ａ及び第１図すは、本発明による電子マイクロ弁
の好ましい一実施例を作動されていない常時開位置で示
す平面図と、横断面図、第２図ａは、作動された閉位置
にあるマイクロ弁を示す図、 第２図すは、第２図ａの一部の拡大断面図、第３図ａは
、犠牲層が所定の場所にあり且つ選択的エツチングは開
始されていない製造の早い段階、すなわぢ中間段階にあ
るマイクロ弁を示す間第３図すは、第３図ａの一部の拡
大断面図、第４図ａ及び第４図すは、片持ち形状を呈す
るマイクロ弁の別の実施例を示す図、 第５図ａ及び第５図すは、ダイアフラムの形態をとるマ
イクロ弁のさらに別の実施例を示す図、第６図ａ及び第
６図すは、円形の構成を有するマイクロ弁の別の実施例
を示す図、 第７図ａ及び第７図すは、正方形の構成を有するマイク
ロ弁のさらに別の実施例を示す図であるシリコン基板、
２・・拳・入口オリ ・・・弁台板、４１１・・閉鎖板、５ ６・・・・流通出口穴、７・・・ ８・・・・上方の電極、９・・ １０１１・・・拳接点パッド １　・　・　・　・ フイス、３・ ・・・・間隙、 ・出口流れ溝穴、 ・・下方の電極、 １ ２ １２・・・・窒化シリコン膜、１３・・・・窒化シリコ
ン膜、１４・・・・入口オリフィス開口部、１５・・・
・窒化シリコン膜、１７・・・・犠牲層、１８＠・・・
窒化シリコン層、１９・・・・窒化シリコン層。 代 理 人 山 ノ 政 樹 ３− 手続補正書く方式） 平成　　年　　月　　日 ８．４．−４

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）制御すべき流体の流れが通過する開口と、使用中
    に動作電位を受け取る内部の弁座電極部とを有する弁座
    手段と； 前記弁座手段に隣接して配置され、前記弁座手段と前記
    開口をおおう閉鎖板部材を有し、前記閉鎖板手段には、
    前記弁座手段の開口から側方にずれてはいるが、それに
    すぐ隣接している流れ通過穴手段が設けられ、前記閉鎖
    板部材は、動作の上でそれと機械的に関連し、使用中に
    動作電位を受け取る弁部材電極部をさらに有するような
    弁手段と； 前記弁座手段の前記弁座電極部と、前記閉鎖板部材の前
    記弁部材電極部との間に配置される電気絶縁体とを具備
    し、前記弁座手段の電極部と前記閉鎖板部材の電極部は
    互いに対向する領域を有すると共に、相互間に間隙を有
    し、前記電極部の互いに対向する領域の広さと、その間
    隙の幅とは、前記開口を通過する流体の流れを制御する
    目的で前記開口の少なくとも一部を閉鎖する関係で静電
    引力により前記閉鎖板部材を前記開口に向かって引付け
    るために、前記弁手段と前記弁座手段との間に電位差を
    印加することができるように定められている静電小型弁
    。
  2. （２）燃料ガスが流通する貫通オリフィスを有し、少な
    くとも一方の面に、前記オリフィスを包囲して、弁座手
    段を形成する薄い窒化シリコン層を有するシリコンウェ
    ハ基板と；前記窒化シリコン層に埋設され、前記窒化シ
    リコン層により前記シリコンウェハ基板から電気的に絶
    縁されている弁座電極と； 前記弁座手段に隣接しており、前記弁座手段と前記オリ
    フィスをおおう閉鎖板部材を有し、前記閉鎖板部材には
    、前記オリフィスから側方にずれてはいるが、それにす
    ぐ隣接するガス流通穴手段が設けられ、前記閉鎖板部材
    には、動作の上でそれと関連し、使用中に前記弁座電極
    に関して動作電位を受け取る電極がさらに埋設されてい
    るような弁手段と； 前記閉鎖板部材の電極と前記弁座電極との間に位置する
    ことにより、前記電極の互いに対向する領域の間に、前
    記オリフィスを通過する流体の流れを制御する目的で前
    記オリフィスの少なくとも一部を閉鎖する関係で静電引
    力により前記閉鎖板部材を前記オリフィスに向かって引
    付けるために前記弁手段と、前記弁座手段との間に電位
    差を印加することができるような幅の間隙を形成する電
    気絶縁体手段とを具備する静電小型燃料ガス弁。
  3. （３）静電小型弁の製造工程の中で形成される中間構造
    において、 平坦な面を有する単結晶（１００）シリコンウェハと； シリコンウェハの面上の窒化シリコン薄膜層と前記窒化
    シリコン薄膜層の一部の上にあって、それを被覆する第
    １の薄膜金属電極と； 前記第１の薄膜金属電極を被覆する第２の窒化シリコン
    薄膜層と； 閉鎖弁板の場所を規定するために形状の輪郭を限定され
    て前記第２の窒化シリコン薄膜層の上に蒸着された選択
    的にエッチング可能な材料から成る薄膜犠牲層と； 選択的にエッチング可能な材料と、窒化物で被覆された
    シリコン面の残る部分との上にある第３の窒化シリコン
    薄膜層と； 前記第３の窒化シリコン薄膜層を被覆し、前記第１の薄
    膜金属電極をほぼおおう位置にある第２の薄膜金属電極
    と； 前記第２の薄膜金属電極と、窒化物で被覆されたシリコ
    ン面の残る部分との上にある第４の窒化シリコン薄膜被
    覆層とを具備する中間構造。
  4. （４）平坦な表面と、裏面とを有する単結晶（１００）
    シリコンウェハを提供する工程と；前記平坦な表面の上
    に第１の窒化シリコン薄膜層を蒸着し且つ境界を限定す
    る工程と；裏側の入口オリフィス開口を形成するための
    パターン規定開口を有する第２の窒化シリコン薄膜層を
    裏面に蒸着し且つパターン通りに残す工程と； 下方の電極を形成するために、前記第１の窒化シリコン
    薄膜層の上に金属薄膜を蒸着し且つ境界を限定する工程
    と； 前記金属薄膜をおおう第３の窒化シリコン薄膜層を蒸着
    し且つ境界を限定する工程と； シリコンウェハを貫通するオリフィスの場所で、弁台板
    を形成することになる第３の窒化シリコン薄膜層及び第
    １の窒化シリコン薄膜層を貫通して、シリコンウェハの
    平坦な表面に至る開口をパターン規定し且つプラズマエ
    ッチングする工程と後に除去される犠牲層として働く選
    択的にエッチング可能な材料から成る薄い層を前記第３
    の窒化シリコン薄膜層の上に前記開口を介して蒸着し且
    つパターン規定する工程と； 前記犠牲層の上に第４の窒化シリコン層を蒸着し且つ境
    界を規定する工程と； 上方の電極を形成するために、前記第４の窒化シリコン
    層の上に第２の金属薄膜を蒸着し且つ境界を限定する工
    程と； 電極をパッシベートするために、前記上方の電極の上に
    第５の窒化シリコン層を蒸着し、前記第４の窒化シリコ
    ン層、前記第５の窒化シリコン層及び前記上方の電極に
    よって弁閉鎖部材を形成する工程と； 前記窒化シリコンから成る前記弁閉鎖部材に、ガス出口
    流れ開口を形成することになる複数の開口を前記犠牲層
    に至るまで形成する工程と；入口ポートを形成するため
    に、前記裏側の入口オリフィス開口から前記シリコンウ
    ェハを異方性エッチングする工程と； 前記犠牲層をエッチングして除去することにより、前記
    弁閉鎖部材を解放し、前記電極に印加される電位に応答
    して、前記弁閉鎖部材を前記弁台板に対して静電動作可
    能にするために、犠牲材料に選択的に反応するエッチン
    グ液を前記開口を通して与える工程とから成る薄膜静電
    マイクロ弁を製造する方法。
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