JPH10512675A - マイクロメカニズムデバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マイクロメカニズムデバイスの可動部（２）と基板（１）との間に、デバイスの製造時及び使用時に可動部が基板の方向に偏向する場合に対向する表面に粘着（スティッキング）するのを阻止する誘電体から成る狭く限定されているスパイク（３）が設けられる。これらのスパイクは基板（１）と層構造体（２）との間の補助層（５）をエッチング開口（４）を通してこのようなスパイクを形成する層部分（３）が残留する程度にエッチングすることにより形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロメカニズムデバイス マイクロメカニズム構造体の製造時及び特に操作時における基本的問題は、可 動部の偏向が大きい場合に対向する面に粘着（スティッキング）を生じることで ある。ファン・デル・ワールス力及び水素‐橋結合のような飛程の短い極めて強 力な分子間力はこの場合に偏向されたマイクロメカニズム構造体と対向する面と の間に分離できない結合を生じ、デバイスを使用不能にする。この問題は特に相 応して柔軟に吊り下げられた質量部を有する極めて敏感な加速度センサにおいて 生じ、加速発生時にマイクロメカニズム構造体が固定部に粘着することがある。 更にその際電極として使用される可動部とこの可動部に対向して配設されている 電極との間に同様にデバイスを破壊させる短絡を生じさせるおそれがある。 マイクロメカニズム構造体の製造のため、可動構造体の粘着を回避する方法が 幾つか開発されている。しかしこれらの方法は粘着がデバイスの製造後、即ちデ バイスの使用中に起こり得る問題を解決しない。使用中のスティッキングを回避 するため可動マイクロメカニズム部分が形成されている層構造体に対向する表面 の方向に多数の小さな隆起を形成することができる。それにより互いに対向する 面が衝突する際に接触面が極めて小さくされる。この構造体を形成するには付加 的なフォト技術及び等方性の（付加的な）エッチング工程を必要とする。これら の処理工程では犠牲層（即ち後に除去される補助層）にくぼみが形成される。そ の後この層構造体がこの犠牲層上に同形に析出され、その結果犠牲層のくぼみは 犠牲層を除去した後に層構造体の隆起部として残留する。この方法は図２〜図５ に示されている。図２は基板１０上に犠牲層１１、更にその上に形成すべきくぼ みの範囲に開口１３を有するマスク１２が施されているデバイスの中間製品の切 断面を示すものである。図３には開口１３を通して犠牲層１１内にくぼみがエッ チングされる工程の断面が示されている。マスク１２の除去後可動部用に備えら れた層構造体２０を一様な厚さに施す（図４参照）。補助層１１の除去後基板１ ０に面する側面に隆起部を有する図５に示されている層構造体２０が得られる。 この層構造体２０は製造すべきセンサに相応して構造体化することができる。こ の方法では十分に高くかつ尖った隆起部を層構造体上に形成することはできない 。即ち隆起部の大きさはこの場合に使用されるフォト技術の分解能によりまた引 続いての湿式化学エッチングにより下向きに限定されるものであるため、細いス パイクを形成することはできない。従って極小化されたマイクロメカニズムデバ イスにはスティッキングを回避するこの方法はごく限られて使用できるに過ぎな い。そこに電極が備えられている場合可動部と基板表面が接触する際にそれらの 間に導電接触が生じる欠点は同様に排除されない。 本発明の課題は、製造時及び使用中の粘着（スティッキング）の問題を回避す ることのできるマイクロメカニズムデバイス及びその製造方法を提供することに ある。 この課題は請求項１の特徴を有するデバイス及び請求項１０の特徴を有する方 法により解決される。他の実施態様は従属請求項に記載されている。 本発明によるデバイスは図１の断面図に示されている。 図６〜図９は本発明によるデバイスの製造方法の種々の工程に基づく中間製品 の断面を示すものである。 図１０及び図１１は本発明によるデバイスの製造方法を説明するための平面図 を示すものである。 例として図１に示されているような本発明によるデバイスでは（マイクロメカ ニズム構造体の）可動部とデバイスが載っているチップの対向する固定表面との 間に、有利には絶縁材から成り間隔保持体として可動部が対向表面と接触するの を阻止する少なくとも１個のスパイクがある。例として基板１、例えば半導体ウ ェハ又は半導体層構造体又はそれに類するものに面して可動部２が形成されてい る層構造体が係留されるものとする。例えば加速度センサに設けることのできる この可動部にはスパイクを形成するために設けられたエッチング開口４がある。 基板１の表面上にはこのエッチング開口４に対して側方にずらして配設されてい るスパイク３又は一般的に云えば側方を狭く制限された層部分があり、これらは 有利には誘電体から成り、可動部２が基板１の表面と接触するのを阻止する。 この構造体の機能及び特に有利な製造方法を図６〜図１１に基づき以下に記載 する。図６は例えば半導体ウェハ又は半導体層構造体又はそれに類するものであ ってもよい基板１を断面で示し、この基板上に補助層５（犠牲層）及び可動部の 製造用に備えられた層構造体２が上下に施されている。この層構造体２内に例え ば通常のマスク技術により後の処理工程用のエッチング開口として備えられてい る開口４が形成される。これらのエッチング開口４を通して図７に示されている ように補助層５の材料をエッチングし、それにより層構造体２の下の補助層５の エッチング開口４の範囲に凹部６が生じる。補助層５は全高にわたってエッチン グ除去されるので、このエッチングプロセスの経過中に図８に示されている層構 造体２が補助層５の残留部７だけに載っている構造が生じる。エッチング工程を 適時中断することにより層構造体内に形成された可動部２は補助層５から外され るが、しかし補助層５から残留層部分３が細いスパイクとして基板１上に残され る。 補助層５が誘電性物質例えば酸化物から形成される場合、形成されるスパイク ３は同時に基板１と可動部２との間の絶縁部の役目をするので、可動部２が使用 中に極端に偏向しても短絡を懸念することなしに互いに対向する面に電極を配設 することができる。この構造体の形成後可動部は差当りスパイクに粘着する。し かし基板の表面上になお存在する液体を乾燥した後にはこの可動部の懸垂の弾性 復元力はこの可動部をスパイク３から分離するのに十分である。 間隔保持体として設けられたスパイク又は隆起部（請求項では一貫して層部分 と記載されている）は、可動部に面した基板又はチップに固定されている層構造 体の上面に配設されても、また可動部自体に配設することもできる。この層部分 は金属から成っていてもよく、その場合には基板に例えば容量測定用に備えられ た電極とこれらの層部分との間に電気的に絶縁する別の層又はそれに類するもの を設けることができる。基板と可動部の電極間の電気的接触は、間隔保持体とし て作用する層部分が基板に面する可動部の表面又は可動部に面する基板の表面が 誘電性物質のみを有するところだけに設けることにより回避することができる。 従ってこれら層部分は電気的絶縁に使用すると有利な誘電体から形成するか、或 は例えば比較的高度の機械的応力が比較的硬い層部分を要求する場合には金属か ら形成してもよい。 本発明は平坦なマイクロメカニズム構造体の場合にも、しかしまた回転運動又 はそれに類する運動を測定するのに使用される例えば加速度センサのようなアー チ型の構造体の場合にも実施することができる。スパイク又は層部分３を極めて 低く、極めて平坦に又は極めて先細に形成することもできる。それらは例えば可 動部が基板に向かって偏向するのを完全に排除するために、固定表面と静止位置 の可動部との間の間隔の高さであってもよい。その際可動部がデバイスの使用目 的に対して運動平面内で、即ち図示の例では基板の表面に平行に十分自由に動け ることだけを保証しなければならない。層部分３の上端部は尖っていても、平で あっても丸められていてもよい。これらの層部分が側方を十分に狭く限定され、 これらの層部分と可動部との間に起こり得る接触面は粘着を回避するのに十分僅 かなものになれば十分である。 エッチング開口４を層構造体２の構造体化と同時に形成し、補助層５を引続き 湿式化学によりエッチングし、その際補助層５の材料を層構造体の材料及び基板 １の表面に対し選択的にエッチングすることができるように選択すると有利であ る。エッチング開口４の配置例は図１０及び１１に示されている。エッチング開 口は規則的な格子の点に配置されている。この格子は、一定の長さだけ２つの異 なる方向に移動することができ、その際それ自体にイメージされる一種のラスタ を形成する。このようにして構造体化された可動部の端にある開口を除いて各エ ッチング開口がこのエッチング開口と最短距離にある同数（３つ以上）のエッチ ング開口により囲まれるエッチング開口の配置が得られる。図１０の例ではラス タはエッチング開口４がそれぞれ互いに直角をなす方向にある４つの隣接する開 口により囲まれている正方形の格子である。補助層５が一様な厚さを有し、エッ チング開口４が同じ大きさで部位的に均一なエッチング率を有する場合、図１０ に円形に縁どられているエッチング領域が形成される。エッチング時間を適切に 選択することによりエッチング領域が図１０に示されている円８内にあることに なる。更に補助層５をエッチングすると中央に残留層部分３が残り、これがスパ イクを形成する。エッチング時に生じるこの残留層部分の傾斜面のためアーチ状 の側面を有するほぼピラミッドに類似した形状が生じる。 図１１に基づくエッチング孔の配置では図示された３つのエッチング開口は正 三角形をなす。また六角形のラスタ又は隣接する格子点が配設されている直線の 方向が互いに６０°の角度をなす数理的な格子であってもよい。この場合端部に はない各エッチング開口は６つの隣接するエッチング開口により囲まれる。同様 に厚さの均一な補助層５及び同じ大きさのエッチング開口の場合部位的に均一な エッチング率及び適切に選択されたエッチング時間で図１１に円８として示され ているエッチング領域が生じる。この場合補助層５の残留層部分３としてアーチ 状の側面を有する三角錐に似た形が残される。もし互いに隣接するエッチング開 口４が互いに異なって方向付られている場合エッチング時に例えばどちらかとい えば長めの形を有する層部分３が形成される可能性がある。図１０の配置では例 えば図紙面に水平に隣接するエッチング開口はこの方向に対し垂直方向に隣接す るエッチング開口よりも大きいか又は小さい間隔を有することになる。スパイク の位置から見て周囲にそのスパイクと等間隔に多数のエッチング開口が存在する 場合、可動部がエッチング工程中でもとる位置例えば静止位置又は通常位置のよ うな位置にもたらされる場合、全面を極めて狭く限定されたスパイクが得られる 。エッチング開口は一般に有利には互いに交叉しない規則的な多角形（面の交叉 しない寄木細工）上に配置され、従ってエッチング時に全側面をほぼ一様に狭く 限定されたスパイクが得られる。更にこの多角形が格子又はラスタの一部（同じ 多角形を有する完全な寄木細工）であるならば、それぞれ可動部の端部に設置さ れていないエッチング開口を同時に複数のスパイクのエッチングに使用すること ができる。しかしエッチング開口の数及び配置を形成すべき可動構造体の形状及 びそれぞれの製造条件にふさわしいように適合させることは原則として可能であ る。 間隔保持部の役目をする層部分はこの方法で極めて狭くかつ先細に形成可能で あるので、本発明によるデバイスに設けられる構造体は粘着を持続的に回避でき るように形成することができる。更に誘電体をこの層部分に使用できることから 可動構造体をチップの残りの部分と電気的に絶縁することが達成される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基板（１）と間隔をおいて設置されている可動部（２）を有するマイクロメ カニズムデバイスにおいて、この可動部（２）に面しているこのデバイスの基板 に固定されている表面と、この固定表面に面しているこの可動部（２）の表面と の間に可動部（２）の材料と異なる材料から成る少なくとも１つの層部分（３） がこれら２つの表面の一方に設けられ、この層部分（３）がこの上記の表面に対 して接線方向にこの表面の寸法に比べて極めて狭く限定されるか又は少なくとも 他方の表面に向かって鋭く先細に形成され、可動部の移動がこの層部分の領域内 で可動部の表面に対して接線方向に限定されないようにしたマイクロメカニズム デバイス。 ２．層部分（３）がほぼ円錐形をしているか、又は層部分（３）が多角形の基底 面及びこの基底面の各側面及びこの基底面に対向しこれらの三角形全体の共有角 により与えられる平坦又はアーチ状の三角形により限定されるスパイクである請 求項１記載のマイクロメカニズムデバイス。 ３．層部分（３）が誘電体から成り、その表面が導電性である請求項１又は２記 載のマイクロメカニズムデバイス。 ４．可動部（２）がセンサの層状に形成された質量部である請求項１乃至３の１ つに記載のマイクロメカニズムデバイス。 ５．層部分（３）が可動部に対向しかつ基板（１）に固定されている表面上に配 設されている請求項１乃至４の１つに記載のマイクロメカニズムデバイス。 ６．２つの表面の一方に可動部の材料とは異なる材料から成りかつそれぞれこの 表面に対し接線方向にこの表面の面積に比べて極めて狭く限定されるか又は少な くとも他方の表面に向かって極めて先細に形成される複数の層部分（３）が設け られ、そのため可動部の移動はそれぞれこれらの層部分の領域内では可動部の表 面に対し接線方向に制限されずに、この可動部（２）がそれぞれ互いに対向する 可動部の表面を切断する切欠（４）を有し、それらが隣接する層部分とほぼ等間 隔になる位置に可動部があるように切欠（４）が配設されている請求項１乃至５ の１つに記載のマイクロメカニズムデバイス。 ７．層部分（３）が少なくとも２つの互いに並列しない方向に任意の倍数でそれ ぞれ（直角に）間隔をおかれた像をそれ自体にイメージできるような平面のラス タ（格子）の点に配置されている請求項１乃至６の１つに記載のマイクロメカニ ズムデバイス。 ８．層部分（３）が、それぞれこの層構造体の端部にない層部分に対しこの層部 分と最短距離にある層部分と数が等しくかつ３個以上配設されている請求項１乃 至７の１つに記載のマイクロメカニズムデバイス。 ９．層部分（３）が表面が重複しない覆い（寄木細工）の一部であり、同じ大き さの正多角形のコーナー点に配置されている請求項１乃至８の１つに記載のマイ クロメカニズムデバイス。 １０．ａ）基板（１）の固定表面上にこの表面の材料を選択的に除去できる材料 から成る補助層（５）を施し、 ｂ）この補助層（５）上に可動部を形成するために備えられこの補助層の材料を 選択的に除去することのできる材料から成る層構造体（２）を施し、 ｃ）この層構造体（２）にそれぞれ表面を互いに対向する層構造体の側面を切断 する切欠（４）が設けられ、 ｄ）この切欠（４）をエッチング開口として使用して補助層（５）の材料を所定 の寸法の層部分（３）が基板の固定表面に残留する程度に除去する 請求項１乃至９の１つに記載のマイクロメカニズムデバイス。