JPH03296662A - 微小機械素子 - Google Patents

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 本発明は、半導体プロセス技術により作製されるマイク
ロマシン（微小機械）の構造素子を備えた微小機械素子
に関する。

従来の技術 従来、半導体プロセス技術により基板上に構造素子や能
動素子の作製された微小機械素子とじては、例えば、第
６図及び第８図に示すようなものがある。第７図（ａ）
〜（ｃ）は第６図の工程図を示すものである。そこで、
今、その工程図をもとに基板上に構造素子を形成する方
法を簡略化して述べる。まず、（ａ）では、基板として
の単結晶８１基板１上に犠牲層としての第−Ｓｉｎ、膜
２（又は、ＰＳＧ膜）を形成し、この上に構造素子とし
ての第一ポリシリコン層（Ｐｏｌｙ−３ｉ）３を積層す
る。この時、リアクティブイオンエツチング（以下、Ｒ
ＩＥ）等を用いてエツチングを行い、コンタクトホール
４を形成する。次に、（ｂ）では、第一ポリシリコン層
３の表面及びコンタクトホール４の表面に犠牲層として
の第二ＳｉＯ２膜５を積層する。この時、第二Ｓｉｎ、
膜５の一部をＲＩＥを用いてエツチングを行い、再びコ
ンタクトホール６を形成する。次に、（ｃ）では、第二
Ｓｉｎ！膜５の表面及びコンタクトホール６の表面に構
造素子としての第二ポリシリコン層７を積層する。従っ
て、このようにして基板（単結晶Ｓｉ基板１）上に構造
素子（第一ポリシリコン層３や第二ポリシリコン層７）
を配設することができる。

また、第９図（ａ）〜（ｃ）は第８図の工程図を示すも
のであり、この場合にも第７図の場合と同様な方法によ
り基板上に構造素子を形成することができるのでここで
の説明は省略する。

上述したように半導体プロセス技術を用いることにより
、構造素子を備えた微小機械素子を作製することができ
るわけであるが、第１０図はその微小機械素子としてタ
ービンを作製する場合における具体的な構造例を示すも
のである。この場合、構造素子としては、第一ポリシリ
コン層３がギアの部分に相当し、第二ポリシリコン層７
がベアリングの部分に相当するものである。

発明が解決しようとする課題 前述したような構造素子を備えた微小機械素子を半導体
プロセス技術を用いて作製する場合、微小機械要素とな
る構造素子としてのポリシリコン層は、ＣＶＤ法（熱プ
ラズマ）により基板温度を１０００℃以上にして形成さ
れる。一方、このようにして形成された微小機械要素の
駆動、制御を行うために、ポリシリコン層の形成以前に
基板（Ｓｉ基板等）上に予めトランジスタ等の能動素子
を作製する。従って、そのようなポリシリコン層の形成
時における高温状態によって、それらの能動素子中に含
まれる不純物が好ましくない再拡散現象を起してしまい
、これによりその能動素子自体がダメージを受けること
になる。しかも、構造素子たるポリシリコン層をそのよ
うな高温状態で作製することによって、他の部材との間
に熱応力歪を生じ、その結果、微小機械要素自身のそり
やたわみの原因となる。

課題を解決するための手段 そこで、このような問題点を解決するために、本発明は
、半導体プロセス技術を用いて基板上に微小機械要素の
構造素子及びこの構造素子を駆動、制御する能動素子の
作製された微小機械素子において、前記構造素子を硬質
炭素膜の材料により形成した。

作用 従って、構造素子を硬質炭素膜の材料により形成するこ
とによって、構造素子は室温状態でも作製することが可
能となり、これにより、基板上の能動素子に対する熱ダ
メージがほとんどなくなり、しかも、熱応力も小さくな
るため微小機械要素自身のそりやたわみも小さくするこ
とが可能となる。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図ないし第３図に基づいて
説明する。本実施例は、半導体プロセス技術を用いて基
板上に微小機械要素の構造素子及びこの構造素子を駆動
、制御する能動素子の作製された微小機械素子において
、構造素子を硬質炭素膜の材料により形成したものであ
る。

第１図は、タービンを作製する場合の構成例を示すもの
である。すなわち、基板８上には、構造素子をなす硬質
炭素膜としての第一硬質炭素膜９、第二硬質炭素膜１０
が形成されている。その第一硬質炭素膜９はギアの部分
に相当し、第二硬質炭素膜１０はベアリングの部分に相
当する。また、ここでは犠牲層としての第−Ｓｉ○２膜
１１、第二Ｓｉｎ、膜１２膜形２されている。

この場合、犠牲層の作製方法としては、ＣＶＤ法（又は
、蒸着法、スパッタ法等）により形成したＳｉｎ、膜（
又は、ＰＳＧ膜）をフォトリソやエツチングによりパタ
ーンニングすることによって、或いは、スピンコード法
、ロールコート法により形成したフォトレジスト、感光
性ポリイミド、ポリイミド等の膜をフォトリソグラフィ
、エツチングによりパターンニングすることによって作
製することができる。また、その犠牲屑除去のエツチャ
ントとしては、５ｉ０．膜やＰＳＧ膜を使用した場合は
バッフアートフッ酸液を用いて、フォトレジストを使用
した場合はアセトン又はレジストハクリ液を用いて、ポ
リイミドや感光性ポリイミドを使用した場合はヒドラジ
ン水溶液を用いてエツチングを行うことができる。

次に、本実施例の主要部をなす硬質炭素膜（前述した第
一硬質炭素膜９、第二硬質炭素膜１０）について説明す
る。硬質炭素膜は、炭素原子及び水素原子を主要な組織
形成元素とした非晶質或いは微結晶質の膜であり、ｉ−
Ｃ膜、ダイヤモンド状炭素膜、アモルファスダイヤモン
ド膜、ダイヤモンド薄膜とも呼ばれている。この場合、
その膜中に、さらに、膜物性を制御するために少なくと
も、周期律表第■族元素が全構成原子量に対して５原子
％以下、第■族元素が３５原子％以下、第Ｖ族元素が５
原子％以下、アルカリ金属元素が５原子％以下、アルカ
リ土類金属元素が５原子％以下、窒素原子が５原子％以
下、酸素原子が５原子％以下、カルコゲン系元素が３５
原子％以下、及び（又は）、ハロゲン系元素が３５原子
％以下に含有されていてもよい。また、これら元素の原
子％は原料ガスの濃度或いは後述する成膜の条件などで
調節することができる。なお、膜中の元素量は元素分析
、例えば、オージェ分析により測定することができる。

また、硬質炭素膜を形成するためには有機化合物ガス、
特に、炭化水素ガスが用いられる。ただし、この場合、
原料物質は常温常圧で必ずしも気体である必要はなく、
加熱或いは減圧により気化しうるちのであれば常温常圧
では液体状態でも固体状態であってもよい。また、炭化
水素ガス原料としては、例えば、ＣＨ４、Ｃ，Ｈ，、Ｃ
，Ｈ，、Ｃ４Ｈ，。等のパラフィン系炭化水素、Ｃ，Ｈ
４等のオレフィン系炭化水素、アセチレン系炭化水素、
次オレフィン系炭化水素、芳香族炭化水素などほとんと
すべての炭化水素を使用できる。さらに、炭化水素以外
でも、例えばアルコール類、ケトン類、エーテル類、エ
ステル類等少なくとも炭素原子を含む化合物であれば使
用することができる。

次に、原料ガスからの硬質炭素膜の形成方法について述
べる。この硬質炭素膜の形成方法としては、成膜活性種
が直流、低周波、高周波、或いは、マイクロ波等を用い
たプラズマ法により生成されるプラズマ状態を経て形成
するのが望ましい。この他にも、イオン化蒸着法、或い
は、イオンビーム蒸着法などにより生成されるイオン活
性種を経て形成するようにしても良いし、また、真空蒸
着法、或いは、スパッタリング法などにより生成される
中性活性種から形成するようにしてもよい。

ここで、プラズマＣＶＤ法の場合の成膜条件の一例を下
記に示しておく。

ＲＦ出カニ　０　、１〜５０　Ｗ／ｃｍ”圧　　　カニ
　　１０−”　〜１０Ｔｏ　ｒ　ｒ温　　度：室温〜９
５０℃ このプラズマＣＶＤ法では、プラズマ状態により原料ガ
スがラジカルとイオンとに分解され反応することにより
基板状に炭素原子Ｃと水素原子Ｈとからなるアモルファ
ス及び微結晶の少なくとも一方を含む硬質炭化水素が堆
積する。

そして、このようにして形成された硬質炭化水素を、Ｉ
Ｒ吸収法、ラマン分光法により分析した結果を第２図、
第３図に示す。これにより、炭素原子のＳＰ’の混成軌
道とＳＰ’の混成軌道とによる原子間結合が混在してい
ることが判る。また、Ｘ線回折分析や電子線回折分析に
よってもアモルファス状態、及び（又は）、約５０〜数
μｍ程度の微結晶が存在することが判る。なお、炭素原
子のＳＰ’の混成軌道とＳＰ”　の混成軌道とによる原
子間結合の割合、或いは、アモルファス状態と微結晶状
態の割合は成膜条件により制御することが可能である。

上述したように、硬質炭素膜がＳＰ’とＳＰ’の混成軌
道を持っている結果、硬質炭素膜はダイヤモンドに似て
硬度が高く（ビッカース硬度の場合、約９５００Ｋｇｍ
ｍ−”以下）、電気的にも絶縁体であり、しかも、化学
的にも安定であり酸やアルカリに侵食されにくいものと
なっている。また、この硬質炭素膜は、潤滑性や耐摩耗
性にも富んだものとなっている。そして、このような諸
性質を有する硬質炭素膜は、室温状態でも形成すること
ができるため、基板上に予め形成される能動素子に対す
る熱ダメージがほとんどなくなり、しかも、熱応力も小
さいため微小機械要素自身のそりやたわみを小さくする
ことができる。

次に、本発明の第二の実施例を第４図及び第５図に基づ
いて説明する。ここでは、硬質炭素膜を用いて加速度セ
ンサを構成する例を示すものである。

基板８上には硬質炭素膜（構造素子）としての片持ち梁
１３が形成されており、その先端には重もりとしてＡｕ
１４が付加されている。また、片持ち梁１３の表面には
その歪を検出するために、薄膜のＳｉよりなる歪検出素
子１５が形成されている。この歪検出素子１５は、プラ
ズマＣＶＤ等により作製することができる。その歪検出
素子１５は、Ａ０電極１６に接続されており抵抗器を構
成しており、歪を受けるとその抵抗値が変化するピエゾ
抵抗効果を有している。

従って、基板８上に片持ち梁１３と歪検出素子１５とを
有する微小機械素子に、加速度が加わると、その慣性力
によって、硬質炭素膜からなる片持ち梁１３が曲がり、
その梁の歪を歪検出素子１５がその抵抗値の変化として
とらえ、これにより加速度を検出することができる。こ
の場合、片持ち梁１３は硬質炭素膜からなり硬質である
ため、丈夫で、しかも、耐衝撃性に強い加速度センサを
得ることができる。

次に、第５図（ａ）〜（ｄ）に基づいて、第４図の加速
度センサを作製する半導体プロセスの概略を説明する。

まず、（ａ）では、基板８上に片持ち梁１３を形成する
ための隙間Ａを作るためにフォトレジスト１７をパター
ンニングする。次に、（ｂ）では、そのフォトレジスト
１７の上に硬質炭素膜を積層し所望の片持ち梁１３の形
状になるようにエツチングする。この時、硬質炭素膜は
室温で形成することができるため、フォトレジストは破
壊されずに犠牲層として残る。その後、片持ち梁１３の
上にＳｉからなる歪検出素子１５、及び、ＡΩ電極１６
を形成し、さらには、Ａｕ１４の重りも形成する。最後
に、（ｄ）では、フォトレジスト１７をハクリ（剥離）
液等を用いて除去することにより加速度センサを作製す
ることができる。

発明の効果 本発明は、半導体プロセス技術を用いて基板上に微小機
械要素の構造素子及びこの構造素子を駆動、制御する能
動素子の作製された微小機械素子において、構造素子を
硬質炭素膜の材料により形成したので、その構造素子を
室温状態でも作製することが可能となり、これにより、
基板上に形成される能動素子に対する熱ダメージをほと
んどなくすことができ、しかも、これにより、熱応力も
小さくなるため微小機械要素自身のそりやたわみも小さ
くすることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す構成図、第２図は
硬質炭素膜をＩＲ吸収法により分析した結果を示す波形
図、第３図は硬質炭素膜をラマン吸収法により分析した
結果を示す波形図、第４図は本発明の第二の実施例を示
す構成図、第５図はその工程図、第６図は従来例を示す
構成図、第７図はその工程図、第８図は他の従来例を示
す構成図、第９図はその工程図、第１０図は従来の半導
体プロセス技術によりタービンを作製した場合における
構成図である。 ８・・・基板、９，１０．１３・・・構造素子用 願 人 株式会社 リ コ 一第 図 」 図 」 図 Ｊ　、ＩＯ図 −篤 ○ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体プロセス技術を用いて基板上に微小機械要素の構
   造素子及びこの構造素子を駆動、制御する能動素子の作
   製された微小機械素子において、前記構造素子を硬質炭
   素膜の材料により形成したことを特徴とする微小機械素
   子。