JPH05231970A - 薄膜体ブリッジ構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 薄膜体ブリッジ構造において、残留応力によ
る歪みや破壊の発生を良好に防止することのできる構造
を提供する。 【構成】 窒化シリコン薄膜などからなる薄膜体ブリッ
ジ４の、白金からなる抵抗体などの機能薄膜７が形成さ
れた面の反対面に、機能薄膜７の残留応力と、方向や大
きさが、実質的に同じ残留応力を示すように、その材料
や厚みあるいは形成パターンが設定された窒化シリコン
などからなる補償薄膜８を形成しておき、機能薄膜７の
残留応力のうち、薄膜体ブリッジ４の歪みや破壊に大き
な影響を与える成分を、補償薄膜８の残留応力で打ち消
すようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、薄膜体ブリッジ構造
に関し、詳しくは、シリコン基板などに微細な加工を行
って、各種のセンサやアクチュエータなどの微小部品を
作製する、いわゆるマイクロマシニングと呼ばれる技術
分野に属し、特に、基板上に薄膜による中空状のダイア
フラムあるいはブリッジを構成する構造に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】最近、従来の機械加工では不可能であっ
た、mmサイズ、μｍサイズの機構部品を作製すること
で、非常に微小で高感度、高速応答の可能なセンサ、あ
るいは、特殊な用途、環境で非常に微小な物を対象にし
たアクチュエータ等を実現しようとする技術が考えら
れ、一般にマイクロマシニング技術と呼ばれて、盛んに
研究、開発が進められている。

【０００３】マイクロマシニング技術に含まれる要素技
術は、非常に多種多様で、多くの技術分野にまたがって
いるが、そのうち、シリコン半導体のプロセス技術を応
用した機構部品の作製技術は、小さな部品を正確に、か
つ、同時に多数作製できることから、最も重要な要素技
術の一つとして、広く採用されており、このような技術
を特に、シリコンマイクロマシニング技術と呼んでい
る。

【０００４】シリコンマイクロマシニング技術を用いて
作製できる機構部品要素には、様々なものがある。例え
ば、片持ち梁、両持ち梁、スリット、溝、梁などであ
る。このような機構部品要素の一つとして、薄膜体ブリ
ッジがある。薄膜体ブリッジは、基板上に薄膜体を設け
るとともに、この薄膜体の下の基板の一部が欠除されて
あって、薄膜体の中央部分が中空に浮いて、薄膜体の周
辺部分のみで基板に支持された構造になっている。この
薄膜体ブリッジは、圧力や荷重に対して敏感に反応する
ダイアフラムのような機能を示したり、周囲との熱絶縁
が良好であったりするため、この薄膜体ブリッジ構造を
利用した機構部品として、圧力センサ、温度センサ、赤
外線センサ、流速センサ等への応用が考えられている。

【０００５】薄膜体ブリッジ構造を、上記のような各種
用途に適用する場合、通常は、薄膜体ブリッジの上に、
電極膜や保護膜など、それぞれの用途に必要な各種機能
を発揮させる薄膜を形成することになる。このような機
能薄膜は、薄膜体ブリッジ自体の材料とは異なる材料で
形成され、それぞれの機能に合わせて、所定のパターン
状に形成されることになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来の薄膜体ブリッジ構造では、機能薄膜を形成したこと
によって生じる残留応力で、薄膜体ブリッジの歪みや破
壊が生じるという問題があった。これは、前記のような
機能薄膜は、それぞれの材料の有する特性によって、膜
形成後に残留応力を示す。この残留応力は、材料によっ
て、圧縮応力であったり引張応力であったりし、その大
きさも様々である。このような残留応力が、中空に浮い
た状態の薄膜体ブリッジに対して、その片面側のみに加
わることになるので、薄膜体ブリッジを面と垂直な方向
に歪ませようとする大きな力が生じ、薄膜体ブリッジと
基板との接続部分などに局部的な応力集中が生じて、薄
膜体ブリッジの歪みや破壊が起こってしまうのである。
薄膜体が全面で基板に接合されていれば、前記残留応力
は基板で吸収されてしまうので、薄膜体が歪んだり破壊
したりする問題はあまり生じないが、薄膜体ブリッジ構
造では、薄膜体ブリッジの片面側は全く支持されていな
ので、残留応力を吸収することが出来ないのである。

【０００７】このような問題の発生を防止するには、薄
膜体ブリッジの膜厚を分厚くして、機械的強度を高める
ことが考えられる。しかし、薄膜体ブリッジの機能は、
膜厚の薄い構造体が中空に浮いていることによって発揮
される。したがって、薄膜体ブリッジの特性面からは、
膜厚が薄いほうが好ましいのであり、膜厚を分厚くする
ことは、機能や性能の低下を引き起こすことになり好ま
しくない。また、残留応力を小さくするために、機能薄
膜の厚みを薄くすることも考えられる。しかし、機能薄
膜は、それぞれの機能を発揮させるために、ある程度の
厚みはどうしても必要であり、残留応力を示さないほど
膜厚を薄くしては、機能薄膜本来の機能が果たせなくな
ってしまう。

【０００８】そこで、この発明の課題は、上記従来技術
の問題点を解消し、前記のような薄膜体ブリッジ構造に
おいて、残留応力による歪みや破壊の発生を良好に防止
することのできる構造を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する、こ
の発明にかかる薄膜体ブリッジ構造は、基板上に薄膜が
形成され、この薄膜体の裏側で基板の一部が欠除され、
薄膜体の一部が中空に浮いている薄膜体ブリッジに、薄
膜体ブリッジとは別の機能薄膜がパターン形成されてい
る薄膜体ブリッジ構造において、薄膜体ブリッジの、前
記機能薄膜が形成された面の反対面に、機能薄膜の残留
応力と実質的に同じ残留応力を示す補償薄膜を形成して
おく。

【００１０】薄膜体ブリッジ構造の基本的な構造は、従
来の薄膜体ブリッジ構造の場合と同様である。基板や薄
膜体の材料も、シリコンその他の通常の材料が用いられ
る。機能薄膜の材料および形成パターンも、薄膜体ブリ
ッジ構造を適用する、センサその他の機構部品要素に必
要な各種機能薄膜の構造が採用できる。機能薄膜には、
金属、金属合金、その他の無機材料あるいは有機材料な
どが、単独あるいは複数層を重ねた構造で用いられる。
この機能薄膜の材料、厚み、形成パターンなどの構造
や、機能薄膜を作製する手段、薄膜形成プロセスやパタ
ーン形成の手段および処理条件、複数の機能薄膜の作製
順序などによっても、残留応力の方向や大きさは様々に
変化する。

【００１１】補償薄膜は、基本的には上記機能薄膜と同
様の材料を用いて、同様の形成手段で形成される。補償
薄膜は、薄膜体ブリッジのうち、前記機能薄膜が形成さ
れた面の反対面に形成される。この補償薄膜の材料や形
成パターンあるいは形成手段を適当に選択することによ
って、補償薄膜を形成したときに生じる残留応力が、前
記機能薄膜を形成したときに生じる残留応力と実質的に
同じ方向および大きさあるいは分布などの特性を示すよ
うにする。薄膜体ブリッジの両面に加わる補償薄膜の残
留応力と機能薄膜の残留応力が、何れの場所でも全く同
じ方向および大きさを示せば、補償薄膜の残留応力で機
能薄膜の残留応力による影響を完全に打ち消すことがで
きる。しかし、薄膜体ブリッジの品質機能に問題がない
状態まで、機能薄膜の残留応力による影響を低減できれ
ば、補償薄膜の残留応力と機能薄膜の残留応力に若干の
違いがあっても構わない。すなわち、この発明の目的お
よび作用効果上、有効であるとみなせる程度に、実質的
に同じ残留応力であればよいのである。

【００１２】このような残留応力を示す補償薄膜を形成
するには、例えば、機能薄膜と同じ材料およびパターン
などの条件で補償薄膜を形成すればよい。また、機能薄
膜とは違う材料であっても残留応力の特性が同じであれ
ば、このような材料を用いて機能薄膜と同じ条件で補償
薄膜を形成すればよい。さらに、機能薄膜と残留応力の
特性が違っても、その厚みや形成パターンなどを適当に
設定することによって、機能薄膜と同じ残留応力を示す
補償薄膜を形成することが可能である。薄膜体ブリッジ
の片面に、複数層の機能薄膜が積層形成されている場合
には、これらの複数層の機能薄膜によって生じる総合的
な残留応力に対して、これを打ち消す残留応力を示す単
層あるいは複数層からなる補償薄膜を形成しておけばよ
い。

【００１３】この発明にかかる薄膜体ブリッジ構造は、
前記した圧力センサ、赤外線センサなどの様々な電子的
あるいは物理的機能を利用する各種微小機構部品に適用
できるものである。

【００１４】

【作用】薄膜体ブリッジの片面に形成された機能薄膜
は、その形成パターンや材質あるいは形成手段によっ
て、特有の方向および大きさの残留応力を示す。薄膜体
ブリッジの反対面に補償薄膜を形成しておくと、この補
償薄膜も同様に特有の残留応力を示すことになる。この
状態で、薄膜体ブリッジには、機能薄膜と補償薄膜の残
留応力が組み合わせられた複合的な力が作用することに
なる。

【００１５】薄膜体ブリッジは、その面と垂直な方向に
力が作用すると、容易に歪んだり破壊を起こしてしまう
可能性がある。しかし、面と平行な方向については、か
なり大きな圧縮力あるいは引張力が加わっても十分に耐
えることができる。そこで、補償薄膜の残留応力が、前
記機能薄膜の残留能力と実質的に同じ方向および大きさ
を有していれば、薄膜体ブリッジの両面に全く同じ方向
およひ大きさの力が作用することになり、両面の残留応
力のうち、面と垂直な方向の成分は互いに打ち消しあっ
てしまい、薄膜体ブリッジには、面と平行な方向の力の
みが作用することになる。補償薄膜と機能薄膜の残留応
力に若干の違いがあっても、その差に相当する力が作用
するだけであるから、機能薄膜の残留応力がそのまま作
用する場合に比べれば、はるかに小さな力しか作用しな
い。

【００１６】その結果、薄膜体ブリッジに、機能薄膜を
形成しても、薄膜体ブリッジを歪ませたり破壊したりす
る方向の力は全く作用しないか、極めてわずかで済むこ
とになり、薄膜体ブリッジの歪みや破壊を良好に防止す
ることができる。

【００１７】

【実施例】ついで、この発明の実施例を図面を参照しな
がら以下に説明する。図１〜３は、この発明にかかる薄
膜体ブリッジ構造の構造を表している。シリコン単結晶
の（１００）面を表面に持つ厚み３００μｍのシリコン
基板１の表面に、窒化シリコンからなる厚み１．０μｍ
の薄膜２が形成され、このシリコン基板１の中央部分
が、窒化シリコン薄膜２の反対側の表面から掘り込ま
れ、窒化シリコン薄膜２の裏面に達する欠除部３が形成
されている。その結果、窒化シリコン薄膜２のうち欠除
部３に対応する個所は、中空状に浮いた状態で、その周
辺のみでシリコン基板１に支持されていることになる。
この中空部分が、薄膜体ブリッジ４である。

【００１８】薄膜体ブリッジ４およびその周囲の窒化シ
リコン薄膜２の表面には、機能薄膜として、白金からな
る厚み０．２μｍの抵抗体薄膜５が、図２に示すような
パターンで形成されている。薄膜体ブリッジ４部分の抵
抗体薄膜５は、左右に延びる細い帯が上下方向に折り返
し並んで設けられて、抵抗体７となっており、抵抗体７
の両端は、薄膜体ブリッジ４の周囲の薄膜２の上まで延
ばされて、矩形状の電極端子６となっている。

【００１９】上記のような構造の薄膜体ブリッジを作製
する方法として、次の方法を適用した。まず、シリコン
基板１の両面に窒化シリコン薄膜２を形成した。窒化シ
リコン薄膜２の形成は、プラズマＣＶＤ法で行った。導
入ガスとしては、モノシランおよびアンモニアを用い、
基板温度４００℃、周波数１３．５６MHz で実施した。
シリコン基板１の片面で、窒化シリコン薄膜２の上に、
マグネトロンスパッタ法で、白金の抵抗体薄膜５を形成
した。このときの処理条件は、基板温度２００℃、高周
波電力２００Ｗ、ガス圧４×１０^-4Torrで、導入ガスは
アルゴンを用いた。

【００２０】つぎに、一般的なフォトリソグラフィー技
術を用いて、抵抗体薄膜５の上にレジストをパターニン
グした。このレジストパターンをマスクにして、イオン
トリミングにより、白金の抵抗体薄膜５をパターンエッ
チングして、抵抗体７および電極端子６を形成した。こ
のときのイオンミリング処理条件は、イオンビーム電圧
６００Ｖ、イオンビーム電流２００ｍＡ、入射角０°、
導入ガスはアルゴンであった。エッチング後には、レジ
ストの除去を行った。

【００２１】つぎに、シリコン基板１のうち、抵抗体７
や電極端子６が形成された面とは反対側の面に欠除部３
を形成するために、まず、表面に前記同様のフォトリソ
グラフィー技術でレジストをパターニングした。このレ
ジストをマスクにして、プラズマエッチング法で、その
下の窒化シリコン薄膜２をパターニングする。このとき
のプラズマエッチング処理条件は、パワー２００Ｗ、ガ
ス圧４００mTorr 、導入ガスは四フッ化炭素であった。
その後、レジストを除去し、パターン形成された窒化シ
リコン薄膜２をマスクにして、シリコン基板１の異方性
エッチングを行い、シリコン基板１に欠除部３を形成し
た。異方性エッチングとは、シリコンの結晶方位の違い
によるエッチング速度の違いを利用して、エッチングマ
スクのパターン通りにほぼ垂直方向にエッチング加工を
行う技術である。この異方性エッチングの処理条件は、
エッチャントに水酸化カリウムを用い、エッチャント濃
度４０wt% 、液温８０℃とした。

【００２２】このような薄膜体ブリッジの構造および作
製方法は、従来の各種微小部品に利用されている薄膜体
ブリッジ構造の場合と同様である。この発明では、この
ようにして作製された薄膜体ブリッジに、つぎに説明す
る構造を付加している。図１および図３に示すように、
薄膜体ブリッジ４のうち、抵抗体７が形成された面の反
対面に、低圧ＣＶＤ法で、抵抗体７と同じパターンの厚
さ０．１５μｍの窒化シリコンからなる補償薄膜８を形
成している。補償薄膜８の形成方法は、前記した窒化シ
リコン薄膜２などと同様である。具体的には、シリコン
基板１の表面に窒化シリコン薄膜２を形成する前に、薄
膜体ブリッジ４を構成する側の表面に補償薄膜８の材料
を堆積させる。つぎに、前記抵抗体７の作製と同様に、
フォトリソグラフィー技術とプラズマエッチング技術を
用いて、所定のパターンを有する補償薄膜８を形成すれ
ばよい。その後、前記同様に、窒化シリコン薄膜７、抵
抗体薄膜５の形成や、抵抗体７、電極端子６のパターニ
ングを行い、異方性エッチングによる欠除部３の形成を
行う。この異方性エッチングの際に、補償薄膜８の裏面
側のシリコン基板１を除去してしまえば、図１に示すよ
うに、薄膜体ブリッジ４の裏面に補償薄膜８が残ること
になる。

【００２３】抵抗体７すなわち０．２μｍの白金からな
る薄膜５は、およそ１．５×１０⁵dyn/cmの引張方向の
残留応力を示す。これに対し、厚さ０．１５μｍの窒化
シリコンからなる補償薄膜８も、およそ１．５×１０⁵
dyn/cmの引張方向の残留応力を示す。したがって、薄膜
体ブリッジ４の両面に、ほぼ同じ方向および大きさの残
留応力が作用することになる。薄膜体ブリッジ４の面と
垂直な方向については、両面の残留応力が互いに打ち消
し合うので、実質的には薄膜体ブリッジ４には面と垂直
方向の力は全く作用していないことになる。

【００２４】以上に説明した構造の薄膜体ブリッジ構造
を作製したところ、薄膜体ブリッジ４の歪みや破壊を確
実に防止でき、製造歩留りの高い生産が可能であった。
また、薄膜体ブリッジ構造を使用したときには、その機
械的強度や耐久性に優れたものであることが確かめられ
た。

【００２５】

【発明の効果】以上に述べた、この発明にかかる薄膜体
ブリッジ構造は、機能薄膜の反対面に補償薄膜を形成し
て、薄膜体ブリッジの両面に実質的に同じ残留応力が生
じるようにすることにより、薄膜体ブリッジの歪みや破
壊の原因となる力の発生を良好に防止もしくは大幅に削
減することができる。

【００２６】その結果、薄膜体ブリッジ構造の製造歩留
りを向上させ、薄膜体ブリッジ構造を採用した各種製品
における薄膜体ブリッジ構造の機械的強度や耐久性を高
め、薄膜体ブリッジ構造の機能をより向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施例を示し、図２および図３の
Ａ−Ａ′線における断面図

【図２】 図１の上面図

【図３】 図１の下面図

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 窒化シリコン薄膜 ３ 欠除部 ４ 薄膜体ブリッジ ５ 抵抗体薄膜 ６ 電極端子 ７ 抵抗体 ８ 補償薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 拓郎 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 柿手 啓治 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に薄膜が形成され、この薄膜体の
   裏側で基板の一部が欠除され、薄膜体の一部が中空に浮
   いている薄膜体ブリッジに、薄膜体ブリッジとは別の機
   能薄膜がパターン形成されている薄膜体ブリッジ構造に
   おいて、薄膜体ブリッジの、前記機能薄膜が形成された
   面の反対面に、機能薄膜の残留応力と実質的に同じ残留
   応力を示す補償薄膜を形成しておくことを特徴とする薄
   膜体ブリッジ構造。